Динамика копирующей системы комбинированного сельскохозяйственного агрегата

Постоянно возрастающая интенсификация процессов в сельском хозяйстве требует непрерывного роста уровня современной сельскохозяйственной техники. Качество и объемы урожая, а также качество земель, лугов и пастбищ напрямую зависят от того технического уровня сельскохозяйственной техники и технологий земледелия, которое на сегодняшний день может быть предложено.

Современные сельскохозяйственные машины, в частности трактора, комбайны и другие, имеют постоянную тенденцию к наращиванию мощностей. Возрастает их энергонасыщенность, повышаются рабочие скорости и увеличивается ширина рабочего захвата. Всё более широкое применение находят средства компьютеризированного контроля и управления рабочим процессом.

Снижение металлоёмкости машин, выполняющих сельскохозяйственные операции, и уменьшение затрат, связанных с расходом ГСМ, способствует соблюдению требований к почвои энергосберегающим технологиям.

Многие страны мира в настоящее время имеют утверждённые программы стандартизации техники, поставляемой для нужд агропромышленного комплекса. Это позволяет создавать нормативные базы (стандарты и нормативные документы ISO, ГОСТ, ОСТ, ТУ, РД и другие) для проектирования, производства и испытаний сельскохозяйственной техники, удовлетворяющей самым жёстким требованиям международных и европейских стандартов.

Во всём цикле сельскохозяйственных работ, связанных с получением урожая, операциями, определяющими эффективность всего процесса, являются предпосевная обработка почвы и посев. Наиболее распространённый точный способ посева, предполагает обеспечение распределения высеваемых семян в почве со строго заданными интервалами по длине и глубине рядка.

Наиболее важным требованием, и при этом наиболее сложно реализуемым, является требование к равномерности глубины заделки высеваемых семян. Особое значение это требование приобретает при заделке семян на малую глубину (не более 5 см) [56, 59]. Уже малые отклонения глубины хода рабочих органов от оптимальных значений могут приводить к тому, что-либо семена будут заделаны слишком глубоко, и не прорастут, либо наоборот, не будут заделаны на должную глубину или будут выброшены высевающим аппаратом на поверхность поля. Это обстоятельство отрицательно сказывается на качестве и количестве урожая.

Следует отметить, что к овощным сеялкам предъявляются более жёсткие требования равномерности заделки семян по глубине в сравнении с зерновыми. Так, средняя глубина заделки семян овощных культур в почву не должна отклоняться от установленной более чем на 20%. На этой глубине должно быть не менее 80% семяндиапазон регулировки глубины заделкименее 0.05 м. Такие требования обусловлены малыми размерами семян овощных культур и небольшой энергией их прорастания.

Проведённые в [59] исследования свидетельствуют, что используемые в настоящее время овощные сеялки зачастую не обеспечивают заделку семян на требуемую глубину. В Таблице 1 представлены данные, полученные на посеве горчицы при настройке глубины заделки 0.03 см, на 3-х скоростях движения посевного агрегата — 1.08, 1.36 и 1.50 м/с.

Обеспечение равномерности глубины заделки семян может быть достигнуто только путём технологических решений, основанных на самом глубоком анализе протекающих процессов. Вполне естественным для создания модели здесь является применение математического аппарата, совместно с развитыми вероятностно-статистическими подходами. Моделирование рабочих процессов сельскохозяйственного агрегата является базой для последующей оптимизации его параметров по обозначенным критериям. Применение электронно-вычислительных машин для всего комплекса задач, связанных с оптимизацией и экспериментом, позволяет сделать решение более эффективным и технологичным.

Таблица 1.

Показатель Скорость движения, м/с

1.08 1.36 1.50 1.08 1.36 1.50

Дисковый сошник Полозовидный сошник

Средняя глубина заделки семян, м 0.0073 0.0121 0.0086 0.0096 0.0082 0.0141

Среднее квадратичное отклонение, м 0.0048 0.0063 0.0057 0.0070 0.0051 0.0066

Коэффициент вариации, % 66 52 66 73 62 47

Следует отметить, что копирование агрофона при работе является комплексной характеристикой всего сельскохозяйственного агрегата. Это означает, что для достижения требуемого качественного уровня необходимо, чтобы каждая составляющая агрегата была конструктивно ориентирована на обеспечение его копирующих свойств.

Одним из основных путей увеличения производительности труда, снижения энергоёмкости технологических процессов и повышения эффективности использования техники является применение комбинированных агрегатов, выполняющих за один проход трактора несколько агротехнических операций. Большой накопленный опыт по созданию и эксплуатации комбинированных сельскохозяйственных агрегатов выявляет как эффективную их сторону, так и ряд, связанных с ними, сложностей.

Можно отметить следующие стороны, демонстрирующие основные преимущества от использования комбинированных агрегатов [117]:

• сокращение числа проходов трактора по полю, и как следствие этого: уменьшение вредного воздействия колёс на почву, экономия ГСМ и более рациональное использование трудовых ресурсов;

• до минимума сведён разрыв во времени выполнения агротехнических операций, позволяя проводить их в оптимально сжатые сроки.

Одновременно с этим происходит и значительное увеличение сложности сельхозмашин. Вследствие этого усложняется процесс проектирования новых машин, что приводит к увеличению как сроков, так и затрачиваемых на это ресурсов. Увеличение сроков может приводить к моральному старению проектно-конструкторских разработок.

Распространению комбинированных агрегатов в значительной степени способствовало создание мощных энергонасыщенных тракторов и самоходных шасси, оборудованных задней и передней навеской, гидроприводами и специальными сцепными устройствами [102, 103, 117]. Отмечена рациональность использования машинно-тракторных агрегатов, оборудованных механизмами навесок с комбинированным орудием. По сравнению с прицепными у них хорошая маневренность, относительно малая металлоёмкость, меньший расход топлива на единицу выполненной работы [91].

На основании изложенного можно сделать вывод, что выбранная тема исследования, направленная на решение задач моделирования, анализа и оптимизации копирующих систем комбинированных сельскохозяйственных агрегатов является актуальной.

Существующая степень разработанности задач моделирования и оптимизации копирующих систем комбинированных (особенно навесных и полунавесных) агрегатов является недостаточной.

В связи с изложенным, основной задачей работы являлось моделирование копирующей системы комбинированного сельскохозяйственного агрегата, снабжённого механизмом навески, каждая навесная секция которого снабжена культиваторной лапой и сошником, с последующей оптимизацией его параметров по критериям его копирующих свойств. Целью при постановке и решении этой задачи было обеспечение равномерности глубины хода рабочих органов комбинированного сельскохозяйственного агрегата при движении его на рабочих скоростях.

Проводимые теоретические и экспериментальные исследования рассматриваемой сельскохозяйственной машины являются новыми. До сих пор полный анализ копирующих свойств для подобных машин, и оптимизация их параметров по критерию копирования не проводились.

Следующие задачи, комплексное решение которых позволяет достичь обозначенной цели работы, выносятся на защиту:

1. Механико-математическая модель комбинированного сельскохозяйственного агрегата.

2. Оценка степени идентичности модели и реального агрегата.

3. Методика оптимизации параметров системы по критерию обеспечения равномерности хода рабочих органов при движении агрегата.

4. Конструкции рациональных задних механизмов навески трактора, обеспечивающие необходимые условия для копирования неровностей агрофона полунавесной машиной.

5. Результаты экспериментальных исследований статических и динамических характеристик комбинированного сельскохозяйственного агрегата.

6. Экспериментально определенная стохастическая зависимость между возмущениями на опорном и прикатывающем колесах комбинированной секции.

7. Практическая реализация комбинированного агрегата с оптимальными параметрами рабочих органов.

Первая глава диссертации посвящена анализу состояния и проработанности вопросов развития сельскохозяйственной техники, ориентированной на предпосевную обработку почвы и посев. Особое внимание уделено исследованиям, в которых затронуты вопросы влияния колебательных процессов и параметров синтезируемых конструкций на показатели качества работы мобильных сельскохозяйственных машин. Во второй главе диссертации проведен структурный синтез задних механизмов навесок трактора. Разработаны два новых задних механизма навески на трактор, обеспечивающие для полунавесной машины необходимые условия копирования неровностей агрофона. Третья глава работы посвящена моделированию динамики копирующей системы комбинированного сельскохозяйственного агрегата. Составлена математическая модель, представляющая систему дифференциальных уравнений второго порядка, описывающая динамику комбинированного агрегата в условиях стохастических возмущений со стороны неровностей агрофона. Четвертая глава посвящена описанию экспериментального исследования, проведенного с целью определения собственных (неоптимизируемых) параметров системы. Пятая глава посвящена оптимизации комбинированного сельскохозяйственного агрегата с целью обеспечения равномерности глубины хода рабочих органов. Приведены результаты практической реализации комбинированного сельскохозяйственного агрегата и проведена оценка степени идентичности модели и реального агрегата.

В работах по теме исследования, опубликованных совместно с другими авторами, соискателем было сделано следующее: в работе [45] - проведен синтез рациональных задних механизмов навесок тракторав работе [43] -была построена механико-математическая модель комбинированного сельскохозяйственного агрегатав работе [44] - разработана методика оптимизации системы и найдены её оптимальные параметры, обеспечивающие копирование агрофона рабочими органамив работе [2] -решалась задача оптимизации нестационарных систем, на примере зерноуборочного комбайна.

Выводы по четвёртой главе:

1. По результатам проведённых исследований были рассчитаны геометрические параметры комбинированной навесной секции, её инерционные, упругие и диссипативные характеристики. Полученные значения были использованы при постановке задачи оптимизации параметров комбинированного агрегата с целью улучшения его копирующих свойств.

Построенная профилограмма агрофона показала, что распределение неровностей рельефа является вероятностными статистическими функциями времени. Следовательно могут быть охарактеризованы такими параметрами случайных процессов, как математическое ожидание, дисперсия, корреляционная функция.

3. Выявлено, что в практических расчётах, а также при оптимизации параметров машины, можно с достаточной степенью точности автокорреляционную функцию распределения неровностей агрофона аппроксимировать функцией (4.12). При этом были получены следующие значения для коэффициентов, а и /?: а= 1.1 и >9=0.95- дисперсия D = а, при, а = 0.029 м.

Для аппроксимации автокорреляционной функции от проекций суммарного усилия со стороны рабочих органов также использовалось выражение (4.12). Значения коэффициентов в этом случае составили а=0.9,

2.

9=0.65- дисперсии

DFy=a2{Fy), c7{Fy)=nOH.

DFi=v2{Fx), V{Fx)=1S0H,

Полученные с используемых датчиков записи реализаций, позволили определить статистические характеристики соответствующих процессов. Отмечены малые изменения этих характеристик при изменении рабочих скоростей агрегата, что может говорить о незначительном влиянии скорости, в рассматриваемом диапазоне, на динамику агрегата при возмущающих воздействиях со стороны неровностей агрофона.

Обнаружена стохастическая зависимость возмущений под опорным и прикатывающем колёсах секции, позволяющая в испытаниях на равномерность хода рабочих органов производить замеры после прохода прикатывающего колеса.

Глава 5.

Оптимизация копирующей системы комбинированного сельскохозяйственного агрегата.

5.1. Методы оптимизации динамических систем.

При проектировании динамических систем и их эксплуатации возникают задачи об улучшении характеристик функционирования работы системы, об оценке степени соответствия исследуемой системы требуемым нормам функционирования, о возможных наилучших в том или ином смысле показателях функционирования динамической системы при данных условиях.

При этом необходимо определить критерии качества, которые бы наиболее полно отражали цели улучшения динамической системы. В качестве примеров таких критериев рассматриваются показатели надёжности, долговечности, эргономичности, стабильности работы и др. При этом улучшение предполагает не только обеспечение надлежащего качества функционирования, но и нахождение наилучшего режима функционирования. Определение таких критериев является первоочередным шагом, и от выбора критериев зависит решение задачи в целом.

Система обладающая наилучшими возможными показателями по установленным критериям является оптимальной динамической системой. Сами критерии при этом являются критериями оптимальности.

Для нахождения оптимальных систем ставится задача оптимизации, являющаяся одной из важнейших задач при проектировании динамических систем и исследовании их эксплуатационных свойств.

Следует отметить, что свойства динамической системы определяются выбором её структуры и параметров. В связи с этим различают структурную и параметрическую оптимизации.

Параметрическая оптимизация основана на зависимостях критериев оптимальности от совокупности параметров системы — целевых функциях, имеющих аналитическое представление. Следует учесть, что зачастую сами параметры системы должны удовлетворять некоторым условиям — ограничениям, описывающим возможности их изменения. Варьируя параметры системы при заданных ограничениях и оценивая целевые функции находятся те значения параметров динамической системы, при которых критерии оптимальности принимают наилучшие значения.

В общем случае для динамических систем возникает потребность в проведении оптимизации по некоторой совокупности критериев оптимальности, которую представляют как вектор. Методы для многокритериальной векторной оптимизации ещё не достаточно проработаны [39]. Зачастую векторную оптимизацию сводят к скалярной, предлагающей гораздо более разработанный математический аппарат [99, 114, 115, 128]. Сведение может осуществляться. различными методами. Выделяют метод введения результирующего критерия и метод перевода критериев в разряд ограничений.

Метод введения результирующего критерия осуществляется определением функциональной зависимости между искусственно введённым результирующим критерием и всеми используемыми критериями оптимальности. После этого проводят оптимизацию по результирующему критерию, исходя из предположения, что его улучшение совокупно улучшает свойства системы.

При переводе критериев в разряд ограничений выделяют единственный критерий оптимальности, называемый главным. Все остальные критерии представляют в виде ограничений, которые тем или иным образом выражают математический смысл соответствующего критерия. Тем самым задача векторной оптимизации сводится к задаче скалярной оптимизации с возросшим числом ограничений.

Структурная оптимизация заключается в определении оптимальных принципиальных структурных характеристик рассматриваемой динамической системы и нахождении значений всех параметров для созданной схемы. Изменение структуры влечёт за собой изменение оператора системы, внося тем самым значительные изменения в характер работы динамической системы. В общем случае свести структурную оптимизацию к параметрической не представляется возможным [39]. Если же структурная схема системы известна, то оптимизация системы сводится к параметрической оптимизации для нахождения оптимальных параметров системы.

5.2. Постановка задачи оптимизации.

Целью проведенной работы являлась оптимизация параметров комбинированного агрегата по критерию оценки качества его копирующих свойств.

В качестве целевой функции разумно избрать дисперсию или т среднеквадратичное отклонение множителей Лагранжа {Я/, Я^} - реакции на опорах рабочих органов, копирующих агрофон [39, 110]. Как было отмечено ранее, множители Лагранжа, являющиеся реакциями дополнительно налагаемых связей, представлены в виде выходов матричного уравнения (3.27). При этом, они определяют некоторые показатели качества мобильных сельскохозяйственных машин. Для обеспечения требуемых показателей рассматриваемой машины необходимо выполнение копирования агрофона. Это осуществляется оптимизацией структуры и параметров колебательной системы таким образом, чтобы минимизировать дисперсии динамических реакций на опорах рабочих агрегатов.

Во избежание проблем, связанных с многокритериальной оптимизацией сведём целевую функцию к скалярному варианту. Для этого выделим главный критерий оптимизации в виде минимизации дисперсии одного из множителей Лагранжа и наложим ограничения на второй множитель Лагранжа.

В общем виде рассматриваемая задача оптимизации сформулирована и решена в виде: DX]—>min, D[k2]

С к min — С к — Ck max?^k win — Гк — Fк max> где

Z)[A, i] - целевая функция, являющаяся дисперсией множителя Лагранжа

— дисперсия множителя Лагранжа D2 тах — максимально допустимое значение для D[X2], принятое равным 250- v — скорость движения агрегата, изменяемая в интервале minj^max];

4 — линейные размеры комбинированного агрегата, изменяемые соответственно в интервалах [4mjn, hmax];

Ck — коэффициенты жёсткости комбинированного агрегата, изменяемые соответственно в интервалах [Ctmin, С*max]- Гк — коэффициенты диссипации комбинированного агрегата, изменяемые соответственно в интервалах, г*тах]. Все ограничения на оптимизируемые параметры задаются исходя из принципов физической реализуемости системы, и учитывают конструктивные и технологические ограничения машиностроительного производства.

Предлагаемый подход состоит в построении имитационной модели процесса перемещения комбинированного агрегата в условиях воздействия на него случайных процессов со стороны неровностей агрофона. При такой постановке задачи происходит многократное генерирование агрофона согласно его указанной автокорреляционной функции. Если зафиксирована реализации агрофона, то для любого фиксированного вектора параметров модели путем интегрирования системы дифференциальных уравнений получается представление фазовых траекторий выходных переменных модели. По фазовым траекториям, табулированным на сетке временных отсчётов достаточной плотности, проведено вычисление оценки указанных целевых характеристик. Сущность дальнейшего состоит в нахождении такого вектора параметров модели, который минимизирует целевую функцию. Осреднение полученных экстремальных наборов по совокупности реализаций агрофона приводит к требуемому оптимальному решению.

В Таблице 5.1. приведены оптимизируемые параметры рассматриваемой системы, и накладываемые на них ограничения.

Конкретные значения параметров, входящих в (3.27), определены в результате эксперимента и приведены в Таблице 4.1.