CC BY
56
Р
ЫеН=—(11)
Таким образом, практически для определения Л^н нужно измерить РТтах в тяговом режиме трога-ния машины с места и вычислить ЫеЯ по формуле (11) при постоянных и известных значениях уТ, т]м, Т1ту и tga.
Литература
1. Пат. 2164670 Российская Федерация, МПК7 в 01 1_ 5/13. Способ определения максимальной силы тяги на крюке транспортного средства / В.Н. Хабардин; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. с.-х. акад. - № 96115966/28; заявл. 31.07.96; опубл. 27.03.01, Бюл. № 9. - 5 с.
2. Скотников, В.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля / В.А. Скотников, А.А. Мащенский,
А.С. Солонский; под ред. В.А. Скотникова. - М.: Агропромиздат, 1986. - 383 с.
3. Выгодский, М.Я. Справочник по элементарной математике / М.Я. Выгодский. - М.: Наука, 1979. - 336 с.
4. Фере, Н.Э. Пособие по эксплуатации машинно-тракторного парка / Н.Э. Фере. - М.: Колос, 1978. - 256 с.
УДК [630*:65.011.54]:621.825 И.Н. Журавлев
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛЕСНОЙ ФРЕЗЕРНОЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ С ДВУХПОТОЧНЫМ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
На основе компьютерного моделирования проведено теоретическое исследование влияния параметров фрезерной почвообрабатывающей машины на эффективность работы предложенного ранее предохранительного устройства машины. Исследовано влияние моментов инерции фрезерных барабанов, вязкоупругих параметров валов машины, частоты вращения фрез.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, фрезерная почвообрабатывающая машина, предохранительное устройство.
I.N. Zhuravlyov
THEORETICAL RESEARCH OF DYNAMICS OF THE FOREST MILLING SOIL-CULTIVATING MACHINE EQUIPPED WITH TWIN-STREAM PROTECTIVE MECHANISM
The theoretical research of milling soil-cultivating machine parameters influence on work efficiency of the earlier offered machine protective device is conducted on the basis of computer modeling. The influence of the milling cylinders inertia moments, machine shafts viscoelastic parameters and cutters rotation rate is studied.
Key words: computer modeling, milling soil-cultivating machine, protective device.
Фрезерные почвообрабатывающие машины при работе на лесных участках часто испытывают встречи с препятствиями различных типов: нераскорчеванными пнями и остатками пней, наземными и подземными корнями деревьев, камнями. Г-образные ножи фрезы движутся в почве с большой скоростью, поэтому встреча с препятствием может вызвать поломку механизма. С целью защиты рабочих органов от поломок нами предложено использовать двухпоточное предохранительное устройство фрикционного типа [1]. При контакте любого из фрезерных барабанов с препятствием происходит фрикционное расцепление ведущего центрального диска и правой или левой ведомой полумуфты. В результате этого фрезерный барабан разъединяется с ведущей частью системы, существенно замедляет вращение и постепенно преодолевает препятствие. В то же время второй фрезерный барабан не прекращает обработку почвы. После преодоления
фрезерной машиной препятствия застопоренный фрезерный барабан снова раскручивается под действием сил кинетического трения в муфте и продолжает обработку почвы.
Ранее нами разработана математическая модель рабочего процесса фрезерной машины, оснащеной предложенным двухпоточным предохранительным устройством, позволяющая исследовать динамическое поведение механизма и оптимизировать его параметры [2]. Вращающиеся части почвообрабатывающей фрезы в рамках модели представляются пятью телами вращения: ведущая часть системы (Л), ведомые полумуфты ^л, Jп) и фрезерные барабаны ^2, Jз) (рис. 1). Ведущая часть вращается под действием рабочего момента Mp, передаваемого от вала отбора мощности, фрезерные барабаны испытывают сопротивление M2(t) и Mз(t) со стороны обрабатываемой почвы. Считается, что фрезерный барабан соединен с фрикционной полумуфтой валом, с коэффициентом жесткости С и коэффицентом демпфирования р.
ыг С
С
Л
в
Мф Мф
МР
J3
п
С
С Мз
в
Рис. 1. Расчетная динамическая схема фрезерной почвообрабатывающей машины
Для описания движения отдельных тел механизма используется основное уравнение динамики вращательного движения, в частности, для фрезерного барабана J2 (аналогично для Jз) можно записать [2]:
^2Ф2=С<РЛ-(Р1УР^Л-Ф1УМ11 (1)
где ф2, фл - углы поворота фрезерного барабана и фрикционной полумуфты.
Фрикционные полумуфты Jл и Jп вращаются либо совместно с ведущим диском ^ как единое тело, либо, в случае стопорения фрезы препятствием, как отдельные тела. В последнем случае для Jл (аналогично для Jп) получаем следующее уравнение:
^л Фл = (Рл ~ Фг Р ^Рл ~Фг ^ Мф, (2)
где Мф(Т) - момент сил трения, который определяется физическими параметрами фрикционных пар, угловой нагруженностью пары (Мр - М2), угловой скоростью на поверхностях контакта — фл " [3].
С целью исследования системы дифференциальных уравнений вида (1) и (2), описывающей динамику фрезерной машины, нами разработана специальная компьютерная программа "TwoStream" на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0. В программе производится численное интегрирование системы дифференциальных уравнений модифицированным методом Эйлера-Коши [4]. Программа позволяет вводить основные конструктивные и технологические параметры фрезерной машины и проводить компьютерные эксперименты по стопорению одного или одновременно двух фрезерных барабанов. На экран выводится схематичное изображение машины в реальном времени для визуального контроля правильности работы предохранителя, а также временные зависимости основных характеристик: момента сопротивления вращению фрезы ЩО, угловой скорости фрезы Ы2(0, угла закручивания вала фрезы Дф2(0.
В рамках данной работы поставлена цель исследовать влияние основных параметров механизма [5]: момента инерции фрезы J2 (или J3), вязкоупругих параметров вала С и в, частоты вращения фрезы Ш0 на эффективность работы предохранительного устройства.
Условия эксплуатации фрезерной машины позволяют изменяться в широких пределах, в частности, влажные почвы могут налипать на рабочие органы фрезы и за счет этого существенно увеличивать момент инерции фрезерного барабана. Кроме того, универсальность фрезерной машины позволяет использовать фрезерные барабаны не только с четырьмя секциями фрезерного барабана, но с большим или меньшим количеством секций фрезы, в результате чего также увеличивается или уменьшается момент инерции J2
(или ^) фрезерного барабана. Для изучения того, насколько будет эффективным предохранительное устройство при изменении момента инерции, проведена серия компьютерных экспериментов, в рамках которой изменяли момент инерции 3 от 0,75 до 15 кгм2 с шагом 0,75 кгм2 (рис. 2).
М2шах,
Н-м
200-
150-
100
0
10
а
Лфтахі
градусы
5,2
5,0
4,8
4,6
52, кг-м 0
10
52, кг-м
б
Рис. 2. Влияние момента инерции фрезерного барабана на максимальный момент на валу М2тах (а)
и максимальный угол закручивания Лфтах (б)
5
.
Обнаружено, что при значениях 3, меньших базового значения 5 кгм2 (случай, соответствующий использованию меньшего количества фрез в фрезерном барабане), максимальный момент на валу M2max приблизительно постоянен и составляет около 155 |4м, а при значениях 3, больших 5 кгм2, момент M2max линейно возрастает с увеличением 3. Возрастающий характер зависимости M2max(J2) в данном интервале можно объяснить тем, что с увеличением момента инерции увеличивается динамическая нагрузка на вал при остановке фрезерного барабана.
Максимальный угол закручивания вала незначительно меняется с увеличением 3 в интервале 1,0-7,0 кгм2 (увеличивается на 5 %), в то же время в области 7,0-15,0 кгм2 угол Дф^ практически постоянен и лежит в диапазоне 4,9-5,3О. Постоянство угла Дфmax можно объяснить тем, что он в основном определяется регулировочными параметрами предохранительного устройства, которое срабатывает при достижении углом примерно одного и того же значения, при котором значение момента достигает Mм.
Момент инерции фрезерного барабана определяет собственную частоту колебаний упругой системы вал-фрезерный барабан, поэтому при различных моментах инерции характер колебаний, возникающих при встрече с препятствием и разгоне после схода с препятствия, различен (рис. 3). Кроме того, увеличение момента инерции приводит к увеличению времени разгона барабана после преодоления препятствия: участки зависимости угловой скорости Ы2(0 становятся более пологими в интервале Ї > 0,9 с (рис. 3).
Таким образом, предохранительное устройство эффективно срабатывает для фрезерных барабанов с малым и большим количеством секций фрез, а также при значительном налипании почвы на фрезы. В то же время, в случае высоких значений момента инерции барабана, максимальный момент на валу при взаимодействии с препятствием увеличивается примерно до 50 % своего обычного значения, что должно быть учтено при конструировании серийной фрезерной машины.
Рис. 3. Характер зависимости угловой скорости фрезерного барабана от его момента инерции 32
при встрече с припятствием
Механические свойства двух валов, передающих вращение фрезерному барабану, необходимо также учитывать при разработке предохранительного устройства. Основными механическими свойствами вала являются параметры вязкоупругого углового взаимодействия - угловая жесткость С и угловой коэффициент демпфирования в. Данные параметры зависят от материала вала, его диаметра и длины, а также характера механического крепления вала к фрезерной батарее и ведомому диску предохранительного устройства. С целью выяснения влияния параметров С и в на эффективность предохранительного устройства проведены две серии компьютерных экспериментов. В рамках первой серии изменяли угловую жесткость С от 2103 до 40103 Н^м/рад с шагом 2^103 Н^м/рад (рис. 4). В рамках второй серии изменяли угловой коэффициент демпфирования в от 10 до 200 Н^с/рад с шагом 10 Н^с/рад.
Расчеты показывают, что максимальный момент на валу практически не зависит от обоих параметров вязкоупругого взаимодействия и составляет приблизительно 160-165 Нт Независимость M2max, по-видимому, обусловлена тем, что при определенном моменте на фрикционной паре (регулировочном моменте Mм) срабатывает предохранительное устройство и не позволяет моменту M2max увеличиваться свыше некоторого значения.
Максимальный угол закручивания вала Дфтах практически обратно пропорционален угловой жесткости С, то есть Дфтах ~ 1 / С. Обратная пропорциональность связана с тем, что в соответствии с законом Гука момент, возникающий при закручивании вала, пропорционален углу закручивания, то есть М = С/Дфтах. Если в данное выражение в качестве момента подставить максимальный момент на валу M2max, который вызывает срабатывание предохранителя, и считать его постоянным для любой жесткости вала (как и было обнаружено, рис. 4, а), то максимальный угол выражается как Дфmax = М2max / С, то есть угол обратно пропорционален жесткости.
М2т.ах?
Нм
160
140-
120
10000 20000 30000 С, Н• м/рад
а
10000 20000 30000 С, Н-м/рад
б
0
0
M2max,
Н-м
160
140
^фmax, _
градусы 5,2
120
•ч.
—I--------------------------------------------------------------------------------1-1-1-1“
0 50 100 150 ДН-м-с/рад 0 50 100 150 в, Н-м-с/рад
в г
Рис. 4. Влияние угловой жесткости вала С и углового коэффициента демпфирования в на максимальный момент на валу М2тах (а, в) и максимальный угол закручивания Лфтах (б, г)
Коэффициент демпфирования в практически не оказывает влияние на максимальный угол закручивания вала (рис. 4, г). Незначительно убывающий характер графика можно объяснить тем, что энергия упругая, передаваемая валом от фрезерного барабана к фрикционной паре, частично от деформации рассеивается деформируемым материалом вала и тем сильнее, чем больше коэффициент в.
С точки зрения минимизации характеристик М2тах и Дфтах целесообразно использовать вал с возможно большей жесткостью. Увеличение жесткости не увеличивает максимальный момент на валу, но существенно снижает максимальный угол закручивания вала. Увеличения угловой жесткости вала можно добиться увеличением диаметра вала, укорачиванием его или использованием материала с большим коэффициентом жесткости.
Для исключения разрушения вала при больших значениях углов закручивания вала Дфтах нами предложено использовать резиновые втулки в предохранительном устройстве. В рамках разработанной модели оснащение предохранительного устройства резиновыми втулками учитывается корректировкой вязкоупругих параметров вала фрезерного барабана, то есть выбором коэффициента жесткости С и коэффициента демпфирования в. Базовые параметры, соответствующие предохранителю с резиновыми втулками, следующие: С = 10000 Н'м/рад, в = 110 Н'м'с/рад2. Предохранитель без резиновых втулок обладает ориентировочно параметрами С = 30000 Н'м/рад и в = 190 Н^с/рад2, которые попадают в диапазоны и С и в, исследованные в серии экспериментов по изменению вязкоупругих параметров валов. Поэтому проанализируем полученные ранее результаты в плане сравнения предохранителей двух типов. Основное назначение резиновых втулок - позволить в момент удара фрезерному барабану деформироваться на больший угол закручивания Дфтах, который бы без втулок привел к поломке жестко соединяющего барабан и ведомую полумуф-ту вала. Резиновые втулки несколько снижают коэффициент жесткости С, при этом из-за увеличения угловой податливости происходит увеличение Дфтах, которое тем не менее не приводит к разрушению вала. Одновременно уменьшение жесткости С приводит к снижению максимального момента Мтах на валу. Таким образом, оснащение предохранителя резиновыми втулками защищает конструкцию фрезы от поломок и уменьшает динамические нагрузки.
Частота вращения фрезы определяет производительность фрезерной машины, поэтому предлагаемое предохранительное устройство должно надежно защищать фрезы при эксплуатации с высокими частотами вращения. Компьютерные эксперименты в рамках данной серии проводили с частотами от 30 до 600 об/мин с шагом 30 об/мин (рис. 5).
М2шох,
Нм
300-
200-
100-
0
^фшэх,
градусы
/
—.—,—.—,—.—,—.—,—.—.—■ 3
0 100 200 300 400 500 са0, об/мин 0 100 200 300 400 500 а0, об/мин
а б
Рис. 5. Влияние частоты вращения фрезы шо на максимальный момент на валу М2тах (а) и максимальный
угол закручивания Лфтах (б)
Зависимость М2тах(ыо) является линейной с высокой степенью совпадения (рис. 5, а). По-видимому увеличение скорости вращения ыо вызывает увеличение момента сил вязкого трения в контактирующих фрикционных элементах в момент срабатывания предохранительного устройства, чем и объясняется возрастающий характер кривой.
Зависимость максимального угла закручивания от ыо близка к зависимости Дфтах ~ (рис. 5, б).
Она сильно возрастает в области малых частот вращения (ориентировочно до 100-150 об/мин) и является примерно постоянной в области больших частот вращения (выше 200-300 об/мин). Так, например, при увеличении частоты вращения в два раза (с 200 до 400 об/мин), максимальный угол закручивания увеличивается только с 5,1 до 6,1О, что составляет 19,6 %.
Обобщая последние зависимости, можно сделать вывод, что увеличение частоты вращения фрез влечет существенное увеличение кратковременных динамических нагрузок на вал в момент встречи с препятствием, что, в свою очередь, приводит к необходимости усиливать вал. В то же время достаточно усилив
вал, можно увеличить частоту вращения выше 200-300 об/мин, не опасаясь поломок вала, так как при данных частотах угловая деформация вала практически не возрастает с частотой вращения.
Выполненное в рамках данной работы теоретическое исследование динамики фрезерной почвообрабатывающей машины с двухпоточным предохранительным устройством предлагаемой конструкции позволяет сделать следующие выводы:
1. Предохранительное устройство сохраняет свою эффективность при существенном отклонении момента инерции фрезерного барабана от базового значения (изменение количества и типа фрез в барабане, налипание почвы на фрезы).
2. Для уменьшения нагрузок на вал фрезы необходимо, с одной стороны, повышать угловую жесткость вала (увеличением его диаметра или выбором материала) для уменьшения максимального угла закручивания. С другой стороны, необходимо увеличивать упругую податливость вала, чтобы значительные угловые деформации не вызывали необратимого скручивания вала. Последнее требование достигается при использовании резиновых втулок в конструкции предохранителя.
3. Для увеличения рабочей частоты вращения фрезерного барабана необходимо усиливать вал и крепления ведомой полумуфты и фрезерного барабана к валу. Достаточно усилив механическую систему, можно увеличить частоту вращения более 300 об/мин, не опасаясь поломок вала и рабочих органов, так как при данных частотах угловая деформация вала практически не возрастает с частотой вращения.
Литература
1. Пат. №36599 Российская Федерация, МПК7 А01 В33/02. Фрезерная почвообрабатывающая машина /
B.Р. Карамышев, И.Н. Журавлев; заявитель и патентообладатель ВГЛТА; опубл. 20.03.2004, Бюл. № 8.
2. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / под ред. Е.Ю. Малиновского. -М.: Машиностроение, 1980. - 216 с.
3. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. - М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.
4. Инженерные расчеты на ЭВМ: справ. пособие / под ред. В.А. Троицкого. - Л.: Машиностроение, 1979. - 288 с.
5. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов /
C.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.
УДК 631.3:636 Н.М. Антонов, В.А. Борознин, Ю.В. Бобылев
ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ ДОИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
В статье представлены результаты исследований технического состояния систем доения в Волгоградской области. Определены показатели надежности вакуумной системы доильной установки и построены графики их распределения.
Ключевые слова: доильная установка, вакуумная система, показатели надежности, отказы.
N.M. Antonov, V.A. Boroznin,Yu.V. Bobylev
INDICATORS OF MILKING MACHINE VACUUM SYSTEM RELIABILITY
The results of the research of milking systems technical condition in the Volgograd region are given in the article. Indicators of milking machine vacuum system reliability are determined and the graphs of their distribution are plotted.
Key words: milking machine, vacuum system, reliability indicators, refusals.
В рамках исследований технического состояния систем доения были задействованы в семи хозяйствах Волгоградской области племзавод "Кузьмичевский”, СПК "Светлоярский”, ОАО " Племзавод Котлубань”, ООО "Совхоз Карповский”, ООО СП "Донское”, ЗАО "Корма”, колхоз "Колобовский”, СХПК "Арчединское”. Обследовались 26 ферм с поголовьем от 150 до 600 голов каждая. Главное внимание уделялось вопросам
