CC BY
62
УДК 631.33
В. С. СЕЧКИН, д-р техн. наук; В В. БЕЛОВ, д-р техн. наук СПГАУ
ОСНОВЫ МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ МЕХАНИЗМА ПОДВЕСКИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬХОЗМАШИН
Дан краткий анализ методов оптимизации параметров механизма подвески различных рабочих органов. Рассматриваются основные математические зависимости нового метода оптимизации параметров механизма подвески с упругим звеном.
Одно из центральных мест в земледельческой механике занимает анализ и синтез механизмов. Высокие качественные показатели работы механизмов возможно получить при строгой увязке их параметров с конкретными свойствами, например, упругими характеристиками механизмов подвески. Особенно остро стоит вопрос повышения качества работы при увеличении рабочих скоростей движения сельскохозяйственных машин.
Синтезом механизма подвески с постоянной нагрузкой на выходное звено, т.е. с безразличным положением равновесия занимались и продолжают заниматься исследователи и конструкторы при проектировании и создании различных подвесок на уровне НИИ и ГСКБ при заводах изготовителях, как в сельхозмашиностроении [1, 2, 3], так и в других отраслях [4, 5].
На различных по назначению машинах, например, подвеска жатки зерноуборочного комбайна, подборщиков, кормоуборочных машин и т.д., с целью получение стабильности нагрузки на исполнительное устройство исследователи рекомендуют использовать пружины малой жесткости. При этом получаются пружины, которые по конструктивным параметрам не всегда приемлемы для различных конструкций пружинных механизмов подвески. Вследствие увеличения длины пружины в свободном состоянии возрастает металлоемкость механизма подвески. А при больших значениях нагрузки на механизм подвески получение стабильности нагрузки на копирующее устройство не всегда представляется возможным из-за конструктивных ограничений самой машины по размещению механизма подвески. 54
В связи с этим многие исследователи предлагают использовать автоматические системы слежения, копирования возмущающих воздействий с использованием в качестве упругого звена пневмо-, гидропружины, включающие в себя пневмогидроаккумуляторы, а также различные автоматические устройства. Известно, что следящая система с обратной связью представляет собой замкнутую активную динамическую систему. При этом регулируемая величина с той или иной степенью точности воспроизводит приложенное к системе управляющее воздействие. Надо отметить, что использование гидроавтоматики в механизмах подвески в некоторых случаях снижает неравномерность нагрузки на исполнительное устройство, но не решает проблему [2, 3, 4]. Это обстоятельство вызвано тем, что пневмопружины (а также пневмогидроаккумуляторы) имеют аналогичные упругие характеристики, что и винтовые пружины кручения. С другой стороны, установка пневмогидравлических устройств повышает стоимость изделия, усложняет конструкцию.
Основными характеристиками механизма подвески рабочих органов с упругими звеньями являются упругие характеристики, которые обычно приводят к точке, чаще всего на исполнительное устройство, например, копирующие устройства - башмаки кормоуборочных машин и т.д.
Исследователи, в основном, оценивают механизмы подвески двумя показателями. Упругая характеристика, выражающая величину усилия на исполнительном устройстве в зависимости от его положения относительно остова машины Р=Дср), является одной из основных
Вторым показателем упругих характеристик считают приведенную жесткость механизма подвески - Сп=Дф), которая определяется как приращение усилия на исполнительном устройстве к соответствующему перемещению последнего [1, 5]. Указанные параметры могут быть определены в декартовых или в полярных координатах.
В известных методах определения параметров механизма подвески чаще ставят задачу определения жесткости только самой пружины без учета конструктивных параметров механизма, а часть авторов - определения оптимального значения приведенной жесткости подвески в предположении линейности упругих характеристик. Например, на подборщиках ПРП-1,6 ПС-1,6, ПК-1,6, при сравниваемых уравновешенных массах барабанно-грабельных подборщиков валков
используются разные пружины, параметры которых представлены в таблице.
Параметры пружин установленные на подборщиках отечественного производства
Параметры пружины по ГОСТ 13772 - 86 ПРП-1,6 ПК-1,6 ПС-1,6
Номер 160 172 221
Допустимая нагрузка, Н 3000 3550 7100
Диаметр проволоки, мм 8 8 10
Наружный диаметр, мм 60 50 50
Наибольший прогиб одного витка, мм 10,5 6,545 4,635
Жесткость одного витка, Н/мм 285,8 542,4 1532
Количество рабочих витков, шт. 56 44 53
Суммарный прогиб витков, мм 588,41 287,45 249,15
Жесткость, Н/м 5100 12350 28800
Как известно, основной характеристикой пружин является жесткость. Анализ приведенных в таблице данных показывает, что диаметры проволоки и пружин разные, жесткость отличается более чем в 5 раз, также имеется значительное отличие по количеству витков и по суммарному прогибу (максимально возможное приращение длины пружины).
Ввиду отсутствия аналитического метода оптимизации параметров механизма подвески с упругим звеном, исследователи рекомендуют использовать графоаналитический метод определения параметров механизма подвески [3, 4]. Дополнительно при определении параметров механизма подвески рекомендуют использовать результаты экспериментальных исследований, вводя промежуточные коэффициенты для определения приведенной жесткости [4, 5]. Подбор конструктивных параметров пружин исследователи и конструкторы проводят на основе экспериментальных результатов исследований.
Такое состояние вопроса по подбору пружин и синтезу механизмов подвески доказывает отсутствие стройной методики оптимизации механизма подвески с упругим звеном. Эксплуатационная практика и экспериментальные исследования показывают, что механизмы
подвески, разработанные подобным образом, не всегда имеют характеристики, отвечающие требуемым, по этой причине происходит нарушение технологического процесса. К сожалению, известными способами подбора конструкционных параметров не удалось синтезировать механизм подвески с постоянной нагрузкой (механизм подвески с безразличным положением равновесия) на исполнительное устройство с использованием цилиндрических пружин кручения.
В связи с этим на основе теоретических и экспериментальных исследований нами совместно с Чувашской ГСХА разработан оригинальный аналитический метод оптимизации параметров механизма подвески с упругим звеном [6]. Конструкционные соотношения размеров по определению параметров механизма подвески с упругим звеном защищены патентами РФ 1559453 1727542, 1798956, 1798957, 2199449.
Аналитические зависимости по заданным конструкционным параметрам подвески и требованиям к упругой характеристике позволяют:
изучить потенциальные характеристики имеющихся механизмов подвески;
создать механизмы подвески с постоянной нагрузкой на исполнительные звенья;
разработать новые конструктивные решения по требуемой упругой характеристике;
разработать и оптимизировать адаптируемые подвески в зависимости от изменения жесткости пружины и нагрузки на выходное звено.
Для получения постоянства создаваемого упругим звеном усилия, приведенного к рабочему органу, следует приравнять в рабочей зоне все силы, действующие на механизм подвески. На механизм подвески, как в сельскохозяйственных машинах, так и в других механизмах действуют две группы сил, одна из которых является приложенной, а другая - создаваемой. Приложенными силами к механизму подвески являются все действующие силы, которые в основном представляют силы тяжести, силы сопротивления почвы, силы трения о почву и т.д. Создаваемой силой является противодействующее усилие упругого звена механизма подвески. Усилие, создаваемое упругим звеном может быть направлено на увеличение внешнего воздействия (заглубление почвообрабатывающих органов) или же на уравновешивание
(уравновешивание массы жатки, обеспечение стабильности заглубления сошников и т.п.).
Приведенная сила к исполнительному устройству, создаваемая упругим звеном является приближаемой функцией, а остальные силы, приложенные к механизму подвески и приведенные к исполнительному устройству - заданной функцией. В случае равенства, приведенных к исполнительному устройству сил, возможно добиться требуемой упругой характеристики механизма подвески. Для этого следует подобрать соотношение параметров звеньев механизма подвески. Определение параметров рассмотрим в соответствии со схемой, которая показана на рисунке.
Схема к определению упругих характеристик механизма подвески
Основные положения нового метода определения соотношений параметров механизма подвески с упругими звеньями основаны на неизвестной ранее закономерности [6], заключающейся в том, что совмещение характерных точек заданной функции (функция момента внешних сил - массы навешенного рабочего органа, сопротивление
почвы и т.д. Мр0 =/(ф), где ср - угол, характеризующий положение рычага подвеса рабочего органа) и приближаемой функции (функция 58
момента сил пружины M=f((p)) возможно по экстремуму функции приведенной свободной длины пружины Hc=f(Q), где Q - угол, характеризующий положение рычага, присоединенного к пружине, относительно рамы машины.
При работе пружины на растяжение точка экстремума соответствует максимуму, а при работе пружины на сжатие - минимуму функции.
Воспользовавшись установленной новой закономерностью, для механизма подвески рабочих органов сельскохозяйственных машин (например, подборщика), искомая функция Hc=f{Q) имеет вид:
Нс = + ¿\ - 2£А cosQ ± \{^Т /L ^ Sing>2 1 , (1)
с Vl 2 12 \(с£2 J / l£f+£22-2£1£2cosQj
где £1 - длина рамы, ограниченная шарнирами подвеса и крепления пружины на раме, м;
£ 2 - длина рычага приложения силы пружины, м;
£ з - длина рычага приложения внешней нагрузки, м;
mg - вес рабочего органа, навешенного на механизм подвески;
С - жесткость пружины;
а - угол, характеризующий положение основания механизма подвески относительно горизонтали; у - угол между рычагами приложения внешней силы и силы пружины.
Знак "минус" используется при расчете механизма подвески, где упругое звено работает на растяжение, а знак "плюс" - при работе упругого звена механизма подвески на сжатие. Зависимость (1) выражает основную связь всех геометрических и конструкционных особенностей механизма подвески с упругим звеном и её можно использовать для оптимизации параметров механизма подвески.
Расчет параметров пружинного механизма проводят с условием, что угол Q принимают как текущую переменную, а остальные параметры: mg; 11. £3, £3, С, mg - фиксированными параметрами. По
принятым условиям определяют экстремум функции Hc=f{Q) в соответствии с (1).
По результату определения экстремума функции Нс=/(0) получаем значение О > в точке экстремума. Используя значение О >, определяют угол между рычагами приложения сил пружины и внешних сил у. Определение угла у производят по зависимости
у=я-()э-а, (2)
где п — развернутый угол.
Определив по полученным зависимостям параметры механизма подвески, обеспечивается потенциально возможная стабильность усилия на исполнительном устройстве.
При этом нагрузка на исполнительное устройство Я определяется по формуле
Я = — (д/^1 +£\ ~2£г£2 СО8(0Э ±<р)-Нс)х
х-
C-£2-£1-sin(Q3±<p)
(3)
£3 cos <р^£\ + £\- 2£/2 cos(Q3 ± ф)
Как видно из формулы (3), основное влияние на R оказывают ('.1. 12, £3, С, которые являются конструкционными параметрами механизма подвески с упругим звеном.
Используя определенные по формулам (1), (2) оптимальные параметры механизма подвески, рассчитывают R в рабочей зоне отклонения двуплечего рычага ср.
В случае если перепад нагрузки на исполнительное устройство превышает допустимую величину, следует уменьшить 12 и провести повторные расчеты. Выполнение указанных работ естественно облегчается при составлении алгоритма для ПЭВМ.
Используя полученные оптимальные параметры механизма подвески с упругим звеном, определяют приведенную к исполнительному устройству жесткость подвески.
Зависимость для определения СП в развернутом виде
С„ =
sin(a + у + й+iX^i +4 + 21112ж$(а + у + фм) -Нс) cos срм +2ili2üos{a + y+ срм)
sin(a + y + (Pi+ l\+2lll2oa?,{a + у + cpt) -Hc) cos cp, yj^l +1\+21/2Qas(a + у + ф^)
Полученные зависимости используют для определения и характеристик механизмов подвески с упругим звеном.
Как видно, зависимость (4) для определения СП является нелинейной тригонометрической трансцендентной функцией переменной ф. Приведенная жесткость подвески зависит не только от параметров механизма подвески, но и от положения (щ) исполнительного рабочего органа.
Результаты исследований [7] показали, что приведенная жесткость может быть с отрицательным, положительным знаком. В зависимости от положения рабочего органа она может принять нулевое значение. При нулевом значении приведенной жесткости нагрузка на исполнительное устройство остается постоянной.
Следовательно, при определении упругих характеристик и их анализе надо учитывать не только жесткость пружины, но и конструкционно-геометрические параметры механизма в целом, положение рабочего органа относительно рамы машины.
Разработаны пружинные механизмы подвески различных устройств, которые обеспечивают стабильность и постоянство создаваемого усилия на исполнительные рабочие органы в заданной рабочей зоне, модернизированы токоприемники, которые прошли эксплуатационные испытания и внедрены в производство. Экспериментальное исследование упругих характеристик многих сельскохозяйственных машин подтвердило правильность теоретических предпосылок.
Исследования, выполненные на основе нового аналитического метода оптимизации механизма подвески с упругим звеном, позволяет сделать следующие рекомендации.
Основные положения по расчету параметров механизма подвески с упругим звеном следует скорректировать на основе полученных зависимостей, так как часть параметров пружин и механизмов подвески принимаются интуитивно.
Использование аналитического метода позволяет расширить диапазон исследований, а также уменьшить материальные затраты на синтез, проектирование, исследование механизмов подвески.
Разработанную методику оптимизации рекомендуется использовать при оптимизации натяжных, предохранительных и других пружинных механизмов во всех отраслях машиностроения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сечкин B.C., Белов В.В. К вопросу оптимизации механизма подвески подборщика //Экология и сельскохозяйственная техника. Т.З. Экологические аспекты электротехнологий, мобильной энергетики и технических средств, применяемых в сельскохозяйственном производстве: Материалы 3-й научно - практической конференции. - СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2002. - С. 266 - 270.
2. Белов В.В. О механизмах уравновешивания рабочих органов сельхозмашин. //Техника в сельском хозяйстве. - М. - 2002. - № 2. - С. 38-39.
3. РТМ 23.2.90-83 Методика проектирования и расчета клиноременных передач сельскохозяйственных машин с натяжными подпружиненными шкивами, обеспечивающими постоянство натяжения ведомой ветви. - М., 1984.
4. Токосъем и токоприёмники электроподвижного состава / Беляев И. А. и др. Под ред. Беляева И.А. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1976. -184 с.
5. Раймпель И. Шасси автомобиля: Элементы подвески /Пер. с нем. Карпухина А.Л., под ред. Гридасова Г.Г. - М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.
6. A.c. 1559453 (СССР). Устройство навески рабочих органов /Белов В.В., Белов Вит. В. Зарегистрировано 22.12.1989.
7. Белов В.В., Валге A.M. Определение приведенной жесткости механизма подвески рабочих органов сельхозмашин // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России: Сб. науч. тр.- СПб.: СЗНИИМЭСХ. - 2000. - Вып. 71. -С. 43-47.
Получено 20.05.03.
