CC BY
10
Р.Г. Идиятуллин, А.Н. Адигамова
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ УБОРОЧНЫХ МАШИН НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Предложенные структурно-функциональные модели позволяют учитывать не только техническое состояние элементов конструкции подвижных сопряжений уборочных машин, но и их соединения между собой, что позволит повысить технологическую надежность рабочих органов уборочных машин на стадии их проектирования.
Ключевые слова: надежность, система, рабочие органы.
Обеспечение технологической надежности работы уборочных машин является весьма актуальной задачей, решение которой на стадии проектирования осуществляется за счет обеспечения конструктивной надежности элементов системы подвижных сопряжений уборочных машин (безотказность работы системы), а также соблюдения заданных агротехнических показателей работы уборочных машин (полнота сбора, потери урожая), рассматривая отклонения от заданного агротехнического показателя как отказ системы [1]. В настоящее время на стадии проектирования широко применяются в расчетах двухполюсные структурные схемы. Они имеют важную особенность, заключающуюся в том, что элементы схем формируются с учетом только функциональных требований, предъявляемых к системе, т.е. они предусматривают лишь те элементы в расчете, которые функционально обеспечивают работу системы. Таким образом, моделирование рабочих органов уборочных машин в виде двухполюсных структурных схем вносит в результаты расчета погрешности, которые могут быть значительны.
Задача по устранению указанных погрешностей заключается в том, чтобы сформировать и разработать такую модель рабочих органов уборочных машин, которая позволила бы минимизировать ошибку. Проблема идентификации моделей сложных технических систем требует удовлетворения трех важнейших условий: высокой степени адекватности, обобщенности моделей и простоты расчетных схем. Анализ показывает, что существующие методы расчета не удовлетворяют всем этим требованиям. Это объясняется тем, что высокая адекватность модели, как правило, достигается за счет усложнения процедуры расчета и наоборот - повышающие универсальности модели приводит к снижению точности рас-
чета. Сегодня назрела необходимость разработки такой методики расчета, которая бы на этапе проектирования давала адекватные оценки параметров. Этого можно добиться, если при разработке учитывать конструктивные свойства системы.
Таким образом, можно сформулировать следующие важные задачи исследования. Первая - сформулировать основные принципы построения структурной модели рабочих органов уборочных машин, положив в основу конструктивные связи между элементами. Вторая - построить обобщенные математические модели подсистем и системы в целом. Третья -обосновать постулируемые законы элементов, уровни параметров распределений. Четвертая - сделать подборку банка данных вероятностатистических характеристик элементов. Решение этих задач даст возможность создать единую структурно-функциональную модель, на основании которой станет возможным прогнозировать и оптимизировать надежность подвижных сопряжений уборочных машин и их элементов на стадии проектирования.
В конструкции рабочих органов уборочных машин имеются различные сопрягаемые элементы, к которым относятся всевозможные соединения деталей: посредством натяга, резьбовые соединения, клиновые, шпоночные и др. Состояние этих элементов существенным образом могут влиять на надежность системы. Существующие структурные методы расчета не учитывают соединение деталей между собой. Вместе с тем их состояние существенно влияет на работу уборочных машин, и последствия отказов бывают очень значительные. Из вышеизложенного следует необходимость глубокого анализа элементной базы системы их функциональных назначений. Тогда при определенных допущениях можно сформулировать адекватные структурные схемы, учитывающие конструктивные и функциональные особенности.
Проведенный анализ позволяет выделить в структуре три основных класса элементов. К первому можно отнести все детали. Ко второму -различные их соединения между собой с натягом или зазором, образующие узлы. К третьему - различные установочные геометрические параметры, учитывающие взаимное соответствие узлов и деталей.
Построение модели уборочных машин на базе ее конструкции является новым подходом. Поэтому введем некоторую формализацию с целью дальнейшего облегчения процедуры ее построения. Примем условное обозначение: Д{ - деталь машины; С] - их соединение в узлы; Гк - установочные допуски элементов системы.
64
Принятые допущения позволяют производить построение сложных моделей путем использования специальных алгоритмов, учитывающие их структуры и свойства. При построении структурных моделей могут быть различные сочетания исходных элементов, возможных в пределах заданной конструкции.
В сложных системах, как правило, с целью обеспечения их высокой надежности широко применяют установочные геометрические параметры. Они дают возможность контролировать в процессе эксплуатационной работы взаимное соответствие узлов и деталей. Если эти параметры выйдут за допустимые пределы, то система также может выйти из строя. Наиболее общим случаем формирования узла является, когда используются детали Д{, соединения С] и установочные геометрические параметры. Оценку надежности технологического процесса работы подвижных сопряжений уборочных машин рассмотрим на примере уборочного аппарата хлопкоуборочной машины.
Результаты эксплуатационных исследований показывают, что количество отказов возрастает с ростом наработки, главным образом, за счет отказов второй и третьей групп сложности. При этом в первый год эксплуатации среднее количество отказов на отремонтированных машинах на 30% больше, чем на новых, а во второй год эксплуатации - на 64%. У тех и других машин наибольшее количество (свыше 80%) падает на долю составных частей уборочного аппарата.
Для количественной оценки влияния состояния элементов уборочного аппарата на его производительность необходимо разработать такую методику оценки надежности технологического процесса уборочного аппарата, которая давала бы возможность также учитывать и состояние фона хлопкового поля. Это даст возможность дифференцированно оценивать производительность машины с учетом технического состояния ее узлов и урожайности поля. Решение этой задачи даст возможность получить интегральную оценку надежности технологического процесса уборки хлопка и ее влияние на такие агротехнические показатели, как полнота сбора, опадение долек хлопка на землю, оставление хлопка на кустах хлопчатника [2].
Будем считать, что система состоит из следующих деталей: ведущий вал редуктора Д1, подшипник ведущего вала Д2, корпус редуктора Д3, ведущая шестерня редуктора Д4, ведомая шестерня редуктора Д5, ведомый вал редуктора Д6, подшипник ведомого вала Д7, приводная шестерня Д8, шестерня привода шпиндельного барабана Д9, промежуточная
шестерня Д10, шестерня привода щеточного съемника Д11, щеточный
65
съемник Д12, верхний подшипник щеточного съемника Д13, нижний подшипник щеточного съемника Д14, корпус уборочного аппарата Д15, подшипник промежуточной шестерни Д16, вал шпиндельного барабана Д19, нижний подшипник шпиндельного барабана Д20, верхний подшипник шпинделя Д21, нижний подшипник шпинделя Д22, шпиндель Д23, колодка прямого хода Д24, колодка обратного хода Д25. Кроме того, между элементами системы имеются следующие виды соединений: ведущего вала редуктора с подшипником С1, подшипника ведущего вала с корпусом редуктора С2, ведущего вала с ведущей шестерней редуктора С3, ведущей и ведомой шестерни редуктора С4, ведомой шестерни с ведомым валом редуктора С5, ведомого вала редуктора с подшипником С6, подшипника ведомого вала редуктора с корпусом редуктора С7, ведомого вала редуктора с приводной шестерней С8, приводной шестерни с шестерней привода шпиндельного барабана С9, шестерни шпиндельного барабана с промежуточной шестерней С10, промежуточной шестерни с шестерней привода щеточного съемника С11, шестерни привода щеточного съемника с щеточным съемником С12, щеточного съемника с верхним подшипником щеточного съемника С13, щеточного съемника с его нижним подшипником С14, верхнего подшипника щеточного съемника с корпусом уборочного аппарата С15, съемника с корпусом уборочного аппарата С16, промежуточной шестерни с подшипником С17, подшипника промежуточной шестерни с корпусом уборочного аппарата С18, шестерни привода шпиндельного барабана с валом шпиндельного барабана С19, вала шпиндельного барабана с корпусом шпиндельного барабана С20, вала шпиндельного барабана с верхним подшипником С21, вала шпиндельного барабана с нижним подшипником С22, нижнего подшипника шпиндельного барабана с корпусом уборочного аппарата С23, верхнего подшипника шпиндельного барабана с корпусом уборочного аппарата С24, корпуса шпиндельного барабана с верхним подшипником шпинделя С25, корпуса шпиндельного барабана с нижним подшипником шпинделя С26, шпинделя с верхним подшипником С27, шпинделя с нижним подшипником С28, колодки обратного хода с корпусом уборочного аппарата С30, роликов шпинделя с колодкой прямого хода С31, роликов шпинделя с колодкой обратного хода С32, шпинделя со щеточным съемником С33.
На основании приведенной элементной базы уборочного аппарата и ее конструкционно-функционального свойства можно построить структурно-функциональную модель системы. На рис. 1 приведена структурная схема, которая позволяет получить уравнение вероятности отказа
66
системы, а после соответствующего преобразования - вероятность ее безотказной работы.
Рис. 1. Структурно-функциональная схема элементов конструкции уборочного аппарата 1 - редуктор привода уборочного аппарата; 2 - привод шпиндельных барабанов; 3 - привод щеточных съемников; 4 - щеточный съемник; 5 - корпус уборочного аппарата; 6 - колодка прямого хода; 7 - колодка обратного хода; 8 - шпиндельный барабан; 9 - шпиндель в сборе.
Прежде чем получить аналитические зависимости, характеризующие надежность работы уборочного аппарата, примем некоторые допущения. Отказы могут быть внезапные и постоянные. Схема отказов - последовательная. Поток отказов - ординарный. Эти три основные допущения позволяют формализовать задачу, на основании чего можно получить математические зависимости корректно отражающие физический процесс. Для этого структурную схему, приведенную на рис. 1, условно представим в виде основных блоков, характеризующих отдельные узлы системы:
1) С9 - Д9 - С19;
2) С24 - Д19 - С21 - Д17 - С21 - Ді8 - С22- Д20 - С24;
3) Д15;
4) С18 - Д16 - С17 - Д10 - С11 - Д11 - С12;
5) Д8 - С8 - Дб - С5 - Д5 - С4 - Д4 - Сз - Д1 - С1 - Д2 - С2 - Дз - С7 -
Д7 - С6;
6) С15 - Д13 - С13 - Д12 - С14 - Д14 - С16;
7) Д24 - С29; 8) Д25 - С30; 9) С26 - Д22 - С28 - Д23 - С27 - Д21 - С25.
Составим систему уравнений для соответствующих блоков конструкции. Для первого блока уравнение вероятности отказа будет иметь вид:
Ql(T) = Qc9 (T) + [1 - Qc9(T)] • Оц9(Т) + [1 - Qc9(T)] • [1 - Оц9(Т)] • Qci9(T). (1)
Для второго блока:
Q2(T) = QC24(T) + [1 - Qc24(T)] • Qi9(T) + [1 - Qc24(T)] [1 - Qfli9(T)] • [1 -Qc2l(T)] • Qfll7(T) + [1 - Qc24(T)] [1 - Qfll9(T)] -[1 - Qc2l(T)] [1 - Qfln(T)] • Qc2o(T) + [1 - Qc24(T)] [1 - Qfll9(T)] [1 - Qc2l(T)] [1 - Qfll7(T)] [1 - Qc20(T)] • 0Д18(Т) + [1 - Qc24(T)] [1 - 0д19(Т)] [1 - Qc2l(T)] [1 - 0д17(Т)]- [1 -Qc2o(T)] [1 - Qfll9(T)] [1 - Qc2l(T)] [1 - Qfll7(T)] [1 - Qc2o(T)] [1 -Qfll8(T)]-Qc22(T)+...+[l - Qc24(T)] [1 - Qfll9(T)] [1 - Qc2l(T)] [1 - Qc22(T)] [1 -Qfl20(T)]-Qc24(T). (2)
Аналогические зависимости построим для всех остальных блоков.
Приведенные расчетные уравнения дают возможность оценить влияние на надежность технологического процесса уборки хлопка-сырца состояния элементов конструкции аппарата хлопкоуборочной машины. Тогда вероятность отказа системы из условия последовательной схемы отказов можно представить в виде следующего оператора:
0 = 1- nLi(i - <?*) (3)
где Qk - вероятность отказа k-го блока системы; к - количество блоков в системе. Аналогичные зависимости по предложенной методике разработаны и для других уборочных машин.
В результате проведенных исследований были получены структурно-функциональные модели систем элементов рабочих органов уборочных машин в их конструктивно-технологической взаимосвязи, на основании которой получены аналитические зависимости, характеризующие конструктивную надежность работы уборочных машин.
Источники
1. Адигамов, Н.Р. Обоснование параметров регулируемого привода рабочих органов уборочных машин /Н.Р. Адигамов, А.В. Кочедамов//Ремонт, восстановление, модернизация. М.: 2006. № 10, С. 32-34
2. Гнеденко, Б.В. Математические методы в теории надежности /Б.В.Гнеденко, Ю.К.Беляев, А.Д.Соловьев. М.: 1965. С. 520.
Зарегистрирована 17.09.2010 г.
