CC BY
54
УДК 633. 3.01:634.958
АВТОМАТИЗАЦИЯ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АГРОЛЕСОМЕЛИОРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ Ю.М. Жданов, В.Н. Хорошавин
ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации»
В статье анализируются существующие мероприятия повышения долговечности древо-стоев и предлагается новый способ с техническим средством для омоложения защитных лесных насаждений, с целью предотвращения их усыхания и сохранения мелиоративного влияния на прилегающую территорию.
Ключевые слова: древостой, повышение долговечности, омоложение защитных лесных насаждений, техническое средство, мероприятие.
При проведении агролесомелиоративных работ выполняются технологические операции, связанные с обработкой почвы, посевом и посадкой насаждений, агротехническими и лесоводственными уходами в лесонасаждениях. Основная часть из них проводится различными машинами и механизмами, управляемыми человеком, но ряд операций, в силу своей сложности, быстротечности или опасности, должны выполняться с помощью автоматических устройств [1].
Во ВНИАЛМИ первое автоматическое устройство для регулирования глубины обработки почвы при работе прицепных плугов на пересеченном рельефе разработано А. В. Селезневым в 1960-1970 гг. Оно было гидромеханического типа и устанавливалось на плуге П-5-35М. Лабораторно-полевые испытания показали, что применение следящего автоматического устройства при работе прицепного плуга на пересеченном рельефе значительно повышает равномерность глубины обработки и сни-
жает тяговое сопротивление орудия [2].
При работе навесных машин на пересеченном рельефе колебания рамы трактора в продольно-вертикальной плоскости отражаются на глубине хода их рабочих органов. Например, кинематическая чувствительность п глубины пахоты агрегата из трактора Т-4А и плуга ПН-4-35 (А.А. Князев, 1973) равна:
V = -АУ = 1,7 см/град, (1) Аа
где Ду - изменение глубины пахоты;
Аа - изменение наклона рамы.
Известно также, что на глубину хода рабочих органов прицепных орудий продольный наклон рамы трактора оказывает значительно меньшее влияние, чем навесных. Это объясняется различной степенью подвижности сельскохозяйственных машин относительно трактора.
Степень подвижности прицепных машин определяется по формуле Чебыше-ва [3]:
W=3n-2m-3=2, (2)
где п - число звеньев;
т - число шарнирных пар. Навесные орудия имеют степень подвижности:
W=3n-2m-3=1. (3)
Добавление в навесное устройство дополнительного шарнира и звена в виде гидроцилиндра, увеличивает степень подвижности при плавающем режиме работы.
Но одним увеличением степени подвижности машин в рабочем положении, во многих случаях, не удается обеспечить требуемые показатели глубины хода рабочих органов по следующей причине: сила тяжести орудия не обеспечивает необходимого заглубляющего момента, так как статический и инерционный объекты регулирования машины с почвообрабатывающими или другими рабочими органами, обладают свойствами запаздывания выходной величины, что особенно проявляется при работе на сильно пересеченном рельефе.
С агротехнической точки зрения, выполнение требований предъявляемых к постоянству глубины хода рабочих органов машин очень важно. Так, например, при работе лесопосадочных машин это способствует правильному (без наклонов и загибов) размещению в почве корневых систем сеянцев и саженцев и заделке их корневых шеек на необходимую глубину. Особенно трудно выдерживать равномерность глубины хода сошников посадочных машин при работе на пересеченном рельефе склонов, бугристых и барханных песков, где имеют место продольные наклоны трактора до 25°.
При движении лесопосадочного агрегата на таком рельефе, если длина участков с уклонами местности меньше длины агрегата могут возникнуть случаи, когда отдельные участки поверхности местности образуют угол меньше 180° и больше 180°.
Для работы в таких условиях необходимо применение системы автоматического регулирования наклона рамы машины по отношению к раме трактора, с использованием в качестве информационного датчика изменения глубины хода рабочего органа, копирующего полоза. Такая система регулирования разработана для навесной лесопосадочной машины МЛБ-1 (рис. 1) [4]. В случае, изображенном на рис. 2а, в процессе перехода трактора с одного участка поверхности на другой через впадину (при трехточечной навеске на трактор), звено навески АВ поворачивается по отношению к поверхности почвы на угол а и часть силы тяжести трактора передается на раму посадочной машины, в результате чего, сошник, установленный на ней, сильно заглубляется. Кроме того, воспринимаемая дополнительную нагрузку от веса трактора, машина должна иметь повышенный запас прочности.
При использовании автоматического управляющего устройства, рама посадочной машины, положение которой регулируется гидроцилиндром DC, будет нечувствительна к наклону трактора, так как гидравлическая система управления обеспечит поворот ее вокруг дополнительного шарнира О и удержит сошник на заданной глубине.
1 - копирующий полоз, 2 - кулачок, 3 - трехпозиционный распределитель, 4 - реверсивный двухпозиционный распределитель, 5 - исполнительный гидроцилиндр,
6 - предохранительный клапан Рис. 1. Принципиальная схема системы автоматического регулирования глубины хода
сошника лесопосадочной машины МЛБ-1
При движении агрегата, как это показано на рис. 2б, когда центр тяжести трактора проходит через вершину Е, образованную двумя участками, трактор совершает поворот вокруг мгновенного центра вращения, лежащего на этой вершине. При обычной трехточечной навеске звено АВ и рама сажалки поворачиваются на угол а и одновременно опускаются вниз. Если при-
нять, что скорость и допускаемая величина опускания навески позволяют удерживать опорное колесо на поверхности участка, то глубина хода сошника будет находиться в пределах величин, предусмотренных агротехническими требованиями.
а б
а - через впадину; б - через вершину Рис. 2. Схемы движения агрегата по поверхности участка
На рис. 3 представлены функциональная и структурная схемы системы автома-
тического управления (САУ) машиной МЛБ-1. На датчик автоматической системы
- копирующий полоз действует сигнал
е(г)=Щ-у(г), (5)
где ¡(г) - изменение рельефа почвы;
у(г) - изменение глубины хода сошника.
Через передаточный механизм с коэффициентом передачи КI сигнал поступает в гидроусилитель нагруженный техно-
Функииональная схема САУ
логической и инерционной нагрузкой. Передаточная функция такого гидроусилителя может быть записана в виде [5]
1
W (S ) =
Т1Т2 S2 + Т2 S
(6)
l(t)
Передаточный механизм
Гидроусилитель
l(t)
Структурная схема САУ
ft)
h
Рычажный механизм сажалки
У)
l(t) - изменение рельефа почвы; х - перемещение плунжера распределителя; h - перемещение штока гидроцилиндра; y -изменение глубины хода сошника
Рис. 3. Функциональная и структурная схемы САУ машины МЛБ-1
» К х 1 h К2 y(t)
к T1T2S2 + T2S
Выходной величиной гидроусилителя является перемещение поршня гидроцилиндра К. Выходным сигналом системы является изменение глубины хода сошника у(г) = К2 К (г).
Согласно принятой методике расчета подобных систем [6] коэффициенты при передаточных функциях должны выбираться из условий.
I
K1K 2
— <-■ 1 2
А/ Т ^ rf +
1 < n
K1K 2
Ti 2 , 4 гт2
T2V со + со ■ T
(7)
(8)
где щ - частота сигнала, которую долж-
на обрабатывать система; А1 - точность отработки; ш/ - частота помехи; п - число, показывающее во сколько раз ослабляется помеха.
Далее рассмотрим работу автоматических систем управления при проведении агротехнических уходов в лесомелиоративных насаждениях.
Основные требования, предъявляемые к качеству работы машин и их рабочих органов следующие: максимальное уничтожение сорняков и минимальное повреждение культурных растений. В насаждениях высотой до 1 м - это обеспечивает-
х
ся ротационными рабочими органами (лопастными, пальцевыми, зубовыми и др.), в основном пассивного типа, в насаждениях высотой более 1 м - выдвижными рабочими органами, плоскорежущего и фрезерного типов, установленными на выдвижных секциях культиваторов.
Эффективность применения ротационных рабочих органов зависит от ряда причин: точности копирования ими рядков культурных растений, точности вождения агрегата трактористом, качества посадки сеянцев, когда их размещение относительно оси ряда имеет большие отклонения, а также от сползания всего агрегата на трак-торопроходимых склонах, вниз по склону.
Для повышения точности вождения агрегатов по рядкам растений в производстве нашли применение автоматические устройства. Такими устройствами оборудованы ботвоуборочная машина БМ-6А, корнеуборочная машина РКС-6 и одна из модификаций лесного ротационного культиватора КРЛ-1А [7].
Автоматическое устройство для направления ротационных рабочих органов культиватора КРЛ-1А по рядкам растений, названное стабилизатором, разработано во ВНИАЛМИ. Принципиальная схема его представлена на рис. 4.
1 - рама; 2 - гидроцилиндр; 3 - гидрозамок; 4 - предохранительный клапан; 5 - гидрораспределитель; 6 - суммирующий механизм; 7 - щуп; 8 - рабочий орган; 9 - зубчатое колесо; 10 - пружина возврата щупов Рис. 4. Принципиальная схема стабилизатора культиватора КРЛ-1А
Оно устанавливается на раме культиватора в виде съемного узла, а на навесном устройстве трактора крепится гидроцилиндр, воздействующий на одну из боковых тяг разблокированной навески трактора. Управление культиватором осуществляется с помощью копирующих щупов, которые охватывают ряд с двух сторон. При повороте одного из щупов, вызванном смещением культиватора относительно стволиков растений, сигнал через рычажные и суммирующий механизм поступает на гидрораспределитель. Масло из гидросистемы трактора подается в соответствующую полость гидроцилиндра, и культиватор в поперечной плоскости перемещается до тех пор, пока рабочие органы не
займут заданное положение относительно стволиков растений.
Особенностью разработанной системы автоматического направления культиватора по рядкам растений является наличие двух щупов по обоим сторонам рядка, отклоняющихся независимо друг от друга, а также наличие суммирующего механизма с двумя зубчатыми рейками и центральным зубчатым колесом. В такой конструкции учитывается специфика обработки приствольных полос в лесных насаждениях - наличие кроны у растений и других помех, вызывающих отклонение щупа. Функциональная схема этого автоматического устройства представлена на рис. 5.
D¡, D2 - направляющие щупы; СМ, ИМ - суммирующий и исполнительный механизм; ЭС - элемент сравнения; ГУ - гидроусилитель; ОУ - объект управления; (р1, (р2 - углы отклонения щупов; х1, х2 - перемещение зубчатых реек; х3 - перемещение центра зубчатого колеса, управляющего гидрораспределителем; У - перемещение объекта управления (рама с рабочими органами)
Рис. 5. Функциональная схема системы автоматического направления культиватора
по рядкам растений
С учетом того, что щупы поворачиваются в разные стороны, перемещение зубчатого колеса находится по формуле:
хз=(х1-Х2)/2. (9)
Может быть три варианта совместной работы копирующих щупов управляющих рабочими органами:
перемещение зубчатой рейки х1 не равно перемещению х2, на распределитель подается разность перемещений в сторону большего отклонения щупа и рабочий орган перемещается в сторону щупа, имеющего большее отклонение;
х1=х2, перемещение х3=0, а рабочие органы не перемещаются, что имеет место при одинаковом срабатывании щупов от кроны деревьев; отклоняется один из щупов, х3= х1/2 или х3=х2 /2, рабочие органы перемещаются в сторону щупа, имеющего отклонение.
При агротехнических уходах в приствольных полосах насаждений высотой более 1 м вхождение в ряд плоскорежущих или фрезерных рабочих органов, установленных на выдвижных секциях культиваторов может осуществляться с помощью кривошипных и параллелограмных механизмов, управляемых автоматическими устройствами, включающими щуп, пере-
А 1 А
даточные звенья, распределитель и гидроцилиндр. При соприкосновении щупа с растением его перемещение передается через механические звенья на плунжер распределителя, который подает жидкость в соответствующую полость гидроцилиндра, осуществляющего поворот кривошипа с установленным на нем рабочим органом, как предусматривает схема приспособления ПРВМ-11,000 к плугу-рыхлителю ПРВМ-3, или осуществляет выдвижение рабочего органа в ряд растений с помощью параллелограмного механизма, установленного на культиваторах КВЛ-1, КВЛ-2, КУН-4 и модернизированном культиваторе ФА-0,76 (рис. 6).
Рис. 6. Принципиальная схема фрезерного культиватора с новой системой автоматического управления
Культиватор состоит: из рамы 1 с навеской, фрезерного рабочего органа 2 с приводом от ВОМ трактора через карданные передачи и редуктор, и устройства (следящего механизма) для управления
поперечным перемещением рабочего органа, включающего параллелограмный исполнительный механизм с кривошипами 3, шатун 4 с удлинительной вставкой 14, копирующий щуп 5, передаточный механизм
6, трехпозиционный гидрораспределитель
7, гидроцилиндр 8, предохранительный клапан 9, двуплечий рычаг 10 одно из плеч которого имеет и-образную форму, пружину 11, два регулируемых упора 12 на рычаге 10, расположенных с двух сторон от упора 13, закрепленного на кривошипе 3. Рычаг 10 установлен на шатуне 4 парал-лелограмного механизма и соединен шар-нирно со щупом 5 и распределителем 7.
Существенным преимуществом данной конструкции управляющей системы является то, что регулирование начального и конечного положения щупа и рабочего органа в культиваторе осуществляется с помощью упоров 12, а изменение длины шатуна 4, при установке на нем дополнительной вставки 14, позволяет работать в насаждениях с различной шириной междурядий.
В целом, все рассмотренные устройства для автоматизации различных агротехнических процессов в агролесомелиорации, реализованы в производстве, что позволило улучшить качественные показатели работы машин, на которых они установлены, снизить энергозатраты и повысить их экономическую эффективность.
Библиографический список
1. Бартенев И.М. Перспективы автоматизации в лесном хозяйстве и защитном лесоразведении // Лесное хозяйство. 1987. № 7. С. 60-61.
2. Селезнев А.В. Исследование влияния автоматического управления и размещения опор тракторного плуга на устойчивость хода его рабочих органов по глубине // Конструирование и производство сельскохозяйственных машин. М., 1959. С. 211-218.
3. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раснин Я.М. Механизмы // М.: Машиностроение. С. 7.
4. Агролесомелиоративная наука в ХХ веке / А. Н. Каштанов и др. Волгоград: изд. ВНИАЛМИ, 2001. С. 321-323.
5. Настенко Н.Н., Борошок Л.А. Основы автоматизации сельскохозяйственного производства // Из-во «Колос». М.: 1964.
6. Шеповалов В.Д. Динамика систем автоматического регулирования пространственного положения молотилок // Труды ВИСХОМ. Автоматическое управление сельскохозяйственными машинами и технологическими процессами. М. 1969. Вып. 61.
7. Хорошавин В.Н., Жданов Ю.М. Состояние и тенденции совершенствования машин для ухода за почвой в защитных лесных насаждениях: обзор. информация / М.: ЦБНТИ Гослесхоза СССР. 1988. 24 с. .
