CC BY
17
УДК 636.4.087.61
Доктор техн. наук М.А. НОВИКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, mihanov25@rambler.ru) Канд. техн. наук С.Б. ПАВЛОВ (НовГУ им. Ярослава Мудрого, sergeypavlov58@yandex.ru) Соискатель А.К. ЕФИМОВ (СПб ГУП Горэлектротранс, akira-rj@rambler.ru)
МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО РОТОРА БОТВОУДАЛИТЕЛЯ
Одним из наиболее важных способов поддержания надёжности уборочных машин на высоком уровне в течение длительного времени является техническая диагностика. Результаты исследований и анализ практического опыта показывают, что правильное решение вопросов, связанных с внедрением диагностирования (особенно в полевых условиях), позволяет повысить межремонтную наработку машин на 20-30% и снизить эксплуатационные расходы на 15-20% [1].
Машины, участвующие в процессе уборки урожая сельскохозяйственных культур, подвержены многим явлениям, связанным с активной эксплуатацией. Одним из таких явлений является отказ, как правило, выпадающий на самый ответственный момент -непосредственное участие агрегата в технологическом процессе уборки. Следствием такого отказа в большинстве случаев является нарушение сроков уборки, так как падает уровень технической вооруженности хозяйства, а при увеличении срока даже на один день возрастает вероятность перемены погодных условий на неблагоприятные.
Таким образом, при внезапном выходе из строя даже одной машины, участвующей в технологическом процессе уборки, появляется серьезный риск снижения количества и качества производимой хозяйством продукции. Подобного необоснованного риска внезапного отказа можно избежать, если проводить профилактические мероприятия, включающие в себя оценку работоспособности машин методами и средствами технического диагностирования для заблаговременной подготовки к ответственному периоду. Однако применение методов оценки технического состояния в указанных ситуациях не систематизировано, отсутствует единая методика их использования, особенно в случаях диагностирования агрегатов, имеющих активные рабочие органы в виде ротора-измельчителя, а именно ботвоуборочных машин. В связи с этим задача разработки методики исследования связи диагностических и структурных параметров технического состояния данной категории машин для разработки эффективных методов диагностирования является актуальной и востребованной.
Цель исследования - создание лабораторной установки и разработка методики исследования связи диагностических и структурных параметров технического состояния измельчительного ротора ботвоуборочной машины.
Материалы, методы и объекты исследования. Для проверки теоретических основ определения показателей оценки технического состояния ботвоуборочной машины по диагностическим вибрационным параметрам и обоснования режимов диагностирования в эксплуатационных условиях при помощи электронных диагностических средств необходимо создать экспериментальную установку и провести лабораторные экспериментальные исследования [1]. В конкретном случае для диагностирования вибрационным методом с помощью электронного виброанализатора рассматривается ботвоуборочная машина Grimme KSA-75-2, имеющая роторный вал длиной 1800 мм, приводящийся от вала отбора мощности трактора с частотой 900-1200 мин'1. На валу ротора установлено 46 г-образных ножей, размещенных по винтовой (спиральной) линии и закрепленных на свободно вращающихся втулках. В рабочее положение ножи приходят только во время выхода вала на определенную частоту вращения. Вследствие некоторых технических особенностей при работе с машиной в лаборатории целесообразно проводить исследование на лабораторной установке, представленной на рис. 1.
пружины; 10 - станина; 11 - ножи
Результаты исследования. Задачей исследований в лабораторных условиях является подтверждение возможности использования разрабатываемой методики и средств контроля технического состояния измельчительного барабана ботвоудалителя, оценка трудоёмкости предлагаемых диагностических операций [1]. Также важно выявить влияние различных факторов на стабильность и достоверность измерения вибрационных параметров [2]. Все диагностические операции предполагается проводить на экспериментальной установке (рис. 1), обеспечивающей работу ротора ботвоудалителя на холостом ходу с имитацией реальной нагрузки с помощью тестового груза в лаборатории кафедры ТСА СПбГАУ [4].
Таблица 1. Приборы и оборудование, применяемые в экспериментальных исследованиях
Наименование прибора Тип прибора Измеряемый параметр Единицы измерения Погрешность (%)
Блок измерительный БИ-1 Преобразование сигнала — —
Выключатель бесконтактный оптический (датчик фазового угла) DT-2234C Частота вращения/угол поворота мин / град 1
Вибропреобразователь (на базе микросхемного акселерометра) ДН3-М1 Виброускорение мВ 0,6
Переносной компьютер Samsung NC-10 — —
Штатив магнитный NMS-2 — — —
Весы электронные ВСП-1 Масса грамм 0,2
Прибор «Балком 1» — Анализ Сигнала —
Набор калибров FG-136 Зазор подшипников мм 0,01
Программное обеспечение Balcom — — —
В рамках проведения экспериментальных исследований для измерения параметров вибросигналов и их регистрации используется измерительная аппаратура и оборудование, представленные в табл. 1.
Измерительная аппаратура выбиралась с учётом поставленных задач экспериментальных исследований, а именно:
- обеспечение контроля за режимом работы измельчительного барабана как объекта диагностирования;
- осуществление частотной и временной селекции диагностического сигнала;
- проведение регистрации, записи и интерпретации получаемой информации в форме, удобной для её дальнейшей обработки;
- сравнение и анализ изменений структурных и диагностических параметров в процессе исследований.
В качестве первичных преобразователей при исследованиях используются виброизмерительные преобразователи ускорений на основе микросхем, а для измерения частоты вращения приводного вала - оптический датчик с лазерным тахометром DT-2234C.
Датчик DT-2234C устанавливается любым способом на расстоянии от 50 до 1000 мм на кронштейне, обеспечивающем его относительную неподвижность и падение лазерного луча на поверхность шкива привода роторного вала (с установленной на нем светоотражающей меткой любого типа). Принцип действия датчиков фазового угла, типа DT, используемых для измерения частоты вращения и определения угла поворота шкива бесконтактным способом, основан на отклике оптической системы, управляемой микросхемой при попадании лазерного луча в отражающую метку, закрепленную на шкиве привода измельчительного барабана. Датчик фазового угла может быть также установлен любым способом, обеспечивающим его неподвижность и позволяющим навести лазерный прицел на путь прохождения метки. Правильность установки датчика (с помощью магнитного штатива) обеспечивает сохранность датчика и повышает точность определения частоты вращения, фазовых параметров исследуемых вибросигналов. Частота следования калиброванных по амплитуде и длительности импульсов пропорциональна скорости вращения вала измельчительного барабана.
Выбор датчиков вибрации на основе микросхем в качестве измерительных преобразователей объясняется целым рядом причин.
Достоинствами этих датчиков являются простота конструкции, возможность измерения быстропеременных величин, малые габариты. Виброакселерометры такого типа широко применяются в вибродиагностике и составляют одну из самих многочисленных групп вибропреобразователей, использующихся в электронных измерительных приборах [2]. Установка вибродатчиков на корпус опорного подшипника производится с помощью собственных креплений на основе неодимовых магнитов, обеспечивающих надежное, плотное соединение, не нарушающее целостности конструкции и нормального функционирования рабочих органов машины при работе на холостом ходу. Усилие прижатия датчиков обеспечивается постоянно.
Для решения поставленных задач исследований необходимо задаться рядом требований, которым должны отвечать измерительно-регистрирующие приборы. Из требований к приборам следует отметить:
- необходимые технические характеристики;
- портативность и энергетическая независимость;
- простота использования, монтажа и демонтажа датчиков на машине;
- набор функций, позволяющих проводить диагностику (в том числе и динамическую балансировку ротора) в эксплуатационных условиях без использования дополнительной электронно-вычислительной аппаратуры;
- представление результата анализа полученных данных в виде, понятном оператору, не имеющему углубленных знаний в области вибродиагностики;
- доступная цена.
Одним из решающих условий применения прибора для тех или иных нужд являются его технические характеристики, так как они определяют возможность использования устройства для работы с конкретной машиной.
На основе анализа рынка приборов для решения аналогичных задач установлено, что наиболее полно отвечает всем вышеописанным требованиям портативный комплекс «Кинематика - Балком 1», технические характеристики которого описаны в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики комплекса «Балком 1»
Показатель Пределы изменения
Диапазон измерения среднего квадратического значения (СКЗ) виброскорости, мм/сек 0,2 - 50
Частотный диапазон измерения СКЗ виброскорости, Гц 5 - 200
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения СКЗ виброскорости на базовой частоте (80 Гц) и в рабочем диапазоне частот, мм/сек ± (0,1 + 0,1 ПЗМ)
Число плоскостей коррекции при балансировке 1 или 2
Диапазон измерения частоты вращения, мин ~1 300 - 30000
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения, где N изм -измеренное значение частоты в рабочем диапазоне частот, мин _1 частотчастотвращения, мин _1 ± (1 + 0,05 N изм)
Диапазон измерения сдвига фазы вибрации, угловых градусов 0 - 360
Прибор «Балком 1», общий вид которого и его измерительного блока представлены на рис. 2 и 3, является портативным балансировочным комплектом, предназначенным для балансировки в одной или двух плоскостях коррекции вращающихся в собственных подшипниках роторов. Прибор включает в себя: два датчика вибрации, датчик фазового угла, измерительный блок, а также переносной компьютер - ноутбук (при необходимости в составе прибора возможно использование стационарного компьютера). Он может быть использован при проведении сборочных, монтажных и ремонтных работ с целью снижения динамических нагрузок, действующих на подшипниковые узлы машин вследствие их неуравновешенности. При этом существенно повышается ресурс работы машин и механизмов. Использование балансировочного комплекта позволяет во многих случаях исключить потребность в специальных балансировочных станках, так как балансировка ротора выполняется в его собственных подшипниках без разборки механизма.
Весь процесс балансировки, включающий в себя измерение, обработку и вывод на индикацию информации о величине и месте установки корректирующих грузов, выполняется в автоматизированном режиме и не требует от пользователя дополнительных навыков и знаний. Результаты всех измерительных операций сохраняются в архиве балансировки и при необходимости могут быть распечатаны в виде протоколов.
Методика лабораторных исследований предусматривает следующий общий порядок операций при проведении контрольных измерений [1,2,5]:
- установка для имитации работы на холостом ходу ротора ботвоудалителя размещается на чистой, ровной, твердой поверхности;
- проводится внешний осмотр ротора (износ и излом ножей и стоек их крепления и т.д.), замеченные недостатки устраняются и устанавливаются датчики. В целях обеспечения безопасности данные операции проводятся при неработающем двигателе привода;
- специальными калибрами ВакеЛ определяют величину радиального зазора опорных подшипников (суммарный зазор не должен превышать 0,4 мм);
- запускается электродвигатель привода, и роторный вал выводится на частоту вращения 900 мин'1 , затем ротор разгоняется до высокой рабочей частоты вращения 1200 мин-1 (для калибровки датчика фазового угла), далее частота снижается до средней рабочей 1000 мин1
- проводятся измерения и контроль параметров на дисплее компьютера: уровня вибросигнала, частоты вращения, фазы вибросигнала в соответствии с программой измерения с последующей интерпретацией полученных данных интерфейсом «Ва1сот» (в автоматическом режиме) для проверки сбалансированности ротора перед имитацией неисправности;
- остановив электродвигатель и обесточив установку, в любом предусмотренном месте ротора устанавливают имитационный груз массой до 100 г;
- запускается электродвигатель привода, и роторный вал выводится на частоту вращения 1000 мин'1;
- проводятся измерения и контроль на дисплее компьютера следующих параметров: уровня вибросигнала, частоты вращения и фазы вибросигнала в соответствии с программой измерения с последующей интерпретацией полученных данных интерфейсом «Ва1сот» для выявления дисбаланса и определения места установки корректирующего груза;
- остановив электродвигатель и обесточив установку, в указанном программой «Ва1сот» месте ротора устанавливают корректирующий груз необходимой массы;
- на основании сравнения данных, полученных при работе установки со сбалансированным и несбалансированным ротором, дается заключение о техническом состоянии измельчительного барабана;
- на основании сравнения данных, полученных при работе установки с несбалансированным и вновь сбалансированным ротором, дается заключение о точности диагноза и результативности мероприятий по балансировке;
- для оценки технического состояния опорных подшипников и повышения вибрационной чувствительности метода имитируется реальный режим функционирования измельчительного ротора путем создания искусственного дисбаланса с помощью тестового груза в плоскостях, наиболее близко расположенных к опорам; затем проводятся операции диагностирования в соответствии с вышепредставленной методикой.
Рис.2. Прибор «Балком 1» в комплекте
Трудоемкость диагностирования и подготовительных работ определяется хронометражем как отдельных операций, так и их набора в исследуемой последовательности [3]. Средняя трудоёмкость диагностирования измельчительного ротора вычисляется по выражению:
= N (То + Тп),
где N - количество операторов, производящих диагностирование; То - время измерения и анализа результата; Тп - среднее время подготовки к диагностированию.
Для обеспечения объективности измерений принимается трёхкратная повторность хронометражных и диагностических работ [3]. Каждая повторность производится с разной массой и местом размещения имитационных грузов. Средняя трудоёмкость работ определяется с точностью до 0,01 часа. При хронометраже используется секундомер (в интерфейсе переносного компьютера с точностью 5 с).
ХЗ Х2 XI 1
Рис. 3. Измерительный блок прибора «Балком 1» с датчиками: 1 - измерительный блок;
2,3 - датчики вибрации; 4 - датчик фазового угла; Xi ,Х 2 - разъемы для датчиков вибрации;
X з - разъем для подключения датчика фазового угла
Выводы. Использование предлагаемого экспериментального оборудования и методики проведения исследований позволяет:
- оптимизировать перечень и последовательность выполнения операций диагностирования, что необходимо для разработки технологии диагностирования;
- обосновать рациональное место установки измерительных преобразователей;
- установить оптимальный скоростной режим измельчительного ротора;
- выбрать наиболее информативные частоты и фазы максимальной амплитуды вибрации диагностического сигнала.
Литература
1. Аллилуев В.А., Новиков М.А. и др. Надежность самоходных уборочных машин в современных экономических условиях АПК: учебное пособие /под ред. В.А. Аллилуева. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 122 с.
2. Барков А.В., Баркова Н.А. Вибрационная диагностика машин и оборудования, анализ вибрации: учебное пособие. - М.; СПб: СПбГМТУ, 2004. - 156 с.
3. Кузнецова Е.В. Математическое планирование эксперимента: учебно-методич. пособие / ПГТУ. - Пермь, 2011. - 70 с.
4. Новиков М.А., Сидыганов Ю.Н., Гуськов И.Б. Тестовое диагностирование роторных рабочих органов сельскохозяйственных машин // Методы и средства повышения эффективности эксплуатации машинно-тракторного парка / ЛСХИ. - СПб., 1987. - С. 45 -47.
5. Сидыганов Ю.Н. Методы и средства диагностирования технического состояния молотильного барабана зерноуборочного комбайна по параметрам вибрации и углового ускорения разгона: (на прим. зерноуборочного комбайна "Дон-1500"): автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1989. - 16 с.
Literatura
1. Alliluev V.A., Novikov M.A. i dr. Nadezhnost' samohodnyh uborochnyh mashin v sovremennyh ehkonomicheskih usloviyah APK: uchebnoe posobie /pod red. V.A. Allilueva. - Joshkar-Ola: MarGTU, 2001. - 122 s.
2. Barkov A.V., Barkova N.A. Vibracionnaya diagnostika mashin i oborudovaniya, analiz vibracii: uchebnoe posobie. - M.; SPb: SPbGMTU, 2004. - 156 s.
3. Kuznecova E.V. Matematicheskoe planirovanie ehksperimenta: uchebno-metodich. posobie / PGTU. - Perm', 2011. - 70 s.
4. Novikov M.A., Sidyganov YU.N., Gus'kov I.B. Testovoe diagnostirovanie rotornyh rabochih organov sel'skohozyaj stvennyh mashin // Metody i sredstva povysheniya ehffektivnosti ehkspluatacii mashinno-traktornogo parka / LSKHI. - SPb., 1987. - S. 45 - 47.
5. Sidyganov YU.N. Metody i sredstva diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya molotil'nogo barabana zernouborochnogo kombajna po parametram vibracii i uglovogo uskoreniya razgona: (na prim. zernouborochnogo kombajna "Don-1500"): avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. - L., 1989. - 16 s.
УДК 638.382
Канд. техн. наук Р.В. ШКРАБАК (ФГБОУ ВО СПбГАУ, shkrabakrv@mail.ru) Аспирант Р.И. ЧАПЛИН Аспирант А.В. ШКРАБАК
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМЫ «ТЕПЛИЦЫ-ЧЕЛОВЕК-РАСТЕНИЯ -
ТЕХНОЛОГИИ - ТЕХНИКА - СРЕДА»
Проблема обеспечения населения регионов овощеводческой продукцией (сезонно или круглогодично) в условиях большинства регионов страны, учитывая их географическое расположение и климат, решается использованием теплиц — наиболее распространённых сооружений защищённого грунта. Эти сооружения получили достаточную популярность и являются пока единственно надежным источником обеспечения людей витаминизированной овощеводческой продукцией в осенне-зимне-весенний период. В связи с восстановлением агропромышленного производства после непродуманных перестроечных реформ потребность в продукции защищённого грунта будет возрастать. Следовательно будут развиваться тепличные комплексы в ближайшей и дальней перспективе. Это особенно важно в зонах, приближенных к большим городам. Надежды на импортозамещение не всегда адекватны отечественному производству; кроме того, целесообразность импортозамещения овощеводческой продукции с учетом комплекса экономических и качественных показателей в части пищевой ценности в ряде случаев не только целесообразна, но и результативна. Поэтому в пригородных земледельческих зонах практически всех регионов страны получили большое распространение (и продолжают расширяться) культивационные сооружения защищенного грунта — теплицы и тепличные комплексы. Экономическая целесообразность таких решений не вызывает сомнений, как и социальная, в части поставки овощей.
Вместе с тем нуждаются в оценке и, как показывают результаты исследований [1-3], совершенствовании условий труда работающего в них персонала (как правило, в значительном большинстве — женщин), поскольку производство плодоовощеводческой продукции в культивационных сооружениях сопровождается травмами и заболеваемостью работников. Однако к настоящему времени не разработаны теоретические положения системы «теплицы-человек-растения-технологии-техника-среда» (Т-Ч-Р-Те-Тх-Ср).
Цель исследования - теоретическое обоснование системы «теплицы-человек-растения- технологии -техника- среда» по трудоохранным параметрам и анализ их взаимосвязи и взаимовлияния на работающих там операторов.
