Управление режимом рабочего хода трактора на обработке почвы

Введение. Многообразие воздействующих случайных факторов при выполнении рабочего хода почвообрабатывающего агрегата приводит к изменению момента сопротивления на коленчатом валу двигателя. Колебания вызывают снижение среднего значения угловой скорости коленчатого вала и недоиспользование мощности двигателя. Это сопровождается снижением рабочей скорости и производительности, увеличением удельного (на единицу работы) расхода топлива, ухудшением качества выполнения технологического процесса. Для снижения отрицательного воздействия колебаний внешней нагрузки необходимо управлять режимом рабочего хода агрегата.

Цель работы . Обоснование структуры управления параметрами-адаптерами режима рабочего хода трактора на обработке почвы.

Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач :

• 1)    дать оценку эффективности замкнутых систем управления работой трактора;

• 2)    установить структуру параметров-адаптеров режима рабочего хода трактора на обработке почвы;

• 3)    обосновать структурную схему управления режимом рабочего хода трактора в составе почвообрабатывающего агрегата.

Условия и методы исследования. Оптимальное управление режимами рабочего хода трактора общего назначения на энергоемких операциях основной обработки почвы предполагает обеспечение в процессе движения агрегата с изменяющейся внешней (тяговой) нагрузкой оптимальных значений управляемых параметров, соответствующих наиболее эффективным по критериям ресурсосбережения режимам работы двигателя и трактора в целом. В основу оптимальной адаптации режима рабочего хода положены следующие условия и методы управления параметрами-адаптерами:

• 1)    режим рабочего хода характеризуют управляемые скоростные, нагрузочные, тягово-сцепные параметры-адаптеры трактора и технико-экономические показатели агрегата;

• 2)    управление режимом рабочего хода предусматривает прямолинейное движение скомплектованного по условию ресурсосбережения почвообрабатывающего агрегата;

• 3)    взаимосвязь выходных управляемых параметров с входными параметрами устанавливается де-терменированными линейными и нелинейными функциональными зависимостями составляющих тягового и энергетического баланса трактора;

• 4)    в управлении режимами рабочего хода сельскохозяйственных тракторов используются в основном замкнутые системы с обратной связью и регулированием параметров-адаптеров по отклонению в пределах заданного оптимального интервала их изменения.

Результаты исследования и их анализ. Управление работой почвообрабатывающего агрегата как сложной динамической системой при внешних воздействиях F i (t) возможно по двум схемам (рис. 1) [1].

По первой схеме (рис.1, а) тракторист воспринимает визуально и на слух выходные сигналы y i (t) измерительных приборов (ИП) трактора и осуществляет обратную связь, воздействуя на органы управления u i (t). Наряду с этим он ведет непрерывный контроль за ходом технологического процесса, обеспечивает безопасность движения агрегата с установленными параметрами z i (t). В реальных условиях рабочего хода из-за ограниченных физиологических возможностей человек не в состоянии обработать полностью поток взаимосвязанной информации и принять наиболее правильное решение. Поэтому ручное управление режимами работы трактора на почвообработке является недостаточно эффективным.

z i (t)

Рис. 1. Схемы управления работой почвообрабатывающего агрегата

По второй схеме (рис.1, б) обратную связь u i (t) осуществляет система автоматического управления режимами (САУР). САУР принимает выходные сигналы y i (t) ИП, преобразует их в цифровой вид, обрабатывает по определенному алгоритму, подаёт управляющий сигнал исполнительным механизмам, приводящим в действие рабочие механизмы трактора. Для функционирования САУР требуются надёжные средства автоматики на базе микропроцессорной техники или мехатронных систем и эффективные математические методы алгоритмизации обработки информации.

В мехатронных системах три составляющие: механические агрегаты, устройства привода управления (электрические или электрогидравлические) и элементы электронного микропроцессорного управления ими – образуют единый (триединый) неразрывный функционально законченный агрегат или систему. И если раньше функционально главными звеньями машин были механические узлы (выполнялись для этого очень сложными и точными), то теперь они изготавливаются максимально простыми. Вся сложность заключается в обрабатываемом программном обеспечении – компьютерных программах, которые записываются в микропроцессоры и составляют с ними единое целое [2].

Среди новых технических средств современной автоматики для тракторов можно выделить такие основные группы, как интеллектуальные датчики, интеллектуальные органы управления и информационные дисплеи. Они представляют собой соединение механических (иногда – электронных, как в случае дисплеев), электрических (преобразователей) и компьютерных информационных или управляющих элементов.

По второй схеме у тракториста ограниченное число функций по управлению: пуск трактора, контроль за работой САУР, вождение и остановка агрегата, вмешательство в работу САУР в экстремальных ситуациях.

В области автоматизации зарубежное тракторостроение сейчас переживает “перехлест”, когда возможности автоматизированной техники далеко опережают ограниченный потенциал управляющего ею тракториста-оператора. В этом кроется непонимание особенности работы современных тракторов, общее управление которыми осуществляет тракторист. А управление для него делается почти как для трактора-робота, где оператор не управляет, а только контролирует процесс безопасности [2]. Такое управление является нерациональным и вредным для мобильных агрегатов, поскольку вызывает стресс или приводит к аварии. Тракторист должен следить за дорогой и рабочим орудием, а не за экраном дисплея.

Принцип автоматического управления в замкнутых системах основан на установлении принадлежности измеренных значений выходных управляемых параметров-адаптеров yi заданным оптимальным интервалам, ограниченным минимальными yi min и максимальными yi max значениями yi → [yi min, yi max], i=1, …, n. (1)

Если yi имеет любое значение в пределах заданного интервала, то работа трактора считается устойчивой. В противном случае САУР подаёт управляющий сигнал и приводит систему в устойчивое состояние. Поэтому функцию (1) целесообразно представить в виде интервальной модели yi → [(1-∆y)yi*, (1+∆y)yi*], (2)

где ∆y – допустимое отклонение параметра y i от оптимального значения y i *.

Анализ структурных схем систем управления рабочим ходом показал, что совокупность основных адаптируемых параметров тракторов и почвообрабатывающих агрегатов на их базе по назначению можно разделить на четыре группы (табл.) [1]:

• 1)    установленные и регулируемые до начала технологического процесса;

• 2)    измеряемые и управляемые во время рабочего хода;

• 3)    управляемые во время рабочего хода;

• 4)    регулируемые во время холостого хода.

К первой группе относятся массоэнергетические параметры трактора, включающие номинальные значения эксплуатационной мощности N eэ , крутящего момента М н , коэффициента приспособляемости К м и частоты вращения коленвала двигателя n н . Они устанавливаются заводом-изготовителем и регулируются до начала выполнения технологической операции, если двигатель имеет регулируемую скоростную характеристику и несколько уровней N eэ . Регулирование скоростной характеристики достигается изменением цикловой подачи g Ц (массового расхода топлива G т ). Эксплуатационную массу трактора m э изменяют установкой сдвоенных колес и балластированием. Предельный уровень балластирования трактора (отношение максимальной массы балласта к минимальной эксплуатационной массе трактора) составляет 0,14–0,25 [1, 3].

Распределение веса по осям λ п и λ к можно изменять перераспределением балластных грузов вдоль продольной базы трактора. Давление p п в пятне контакта колеса с почвой регулируется подбором размера шин и давлением воздуха в них, а также массой балластных грузов.

Параметры второй группы характеризуют нагрузочный и скоростной режимы работы трактора и определяют все другие его параметры и технико-экономические показатели агрегата.

Наиболее объективным показателем загрузки двигателя является крутящий момент М к на коленчатом валу. Нагрузочный режим характеризуется коэффициентом загрузки по моменту ε м = М к / М н .

Параметры-адаптеры

Обозначение	Наименование
Регулируемые до начала технологического процесса (группа 1)
N eэ	Номинальная эксплуатационная мощность двигателя
М н	Номинальный крутящий момент
К м	Коэффициент приспособляемости двигателя по моменту
n н	Номинальная частота вращения коленвала двигателя
g Ц ( G т )	Цикловая подача (массовый расход топлива двигателем)
m э	Эксплуатационная масса трактора
λ п / λ к	Распределение веса колёсного трактора по осям в статике
p п	Давление на почву в пятне контакта колеса
Измеряемые и управляемые во время рабочего хода (группа 2)
М к	Крутящий момент двигателя
п	Частота вращения коленвала двигателя
v	Действительная скорость
Р кр	Тяговое усилие
п к	Частота вращения ведущих колес
М в	Крутящий момент на ВОМ
h	Глубина обработки
δ	Буксование
Управляемые во время рабочего хода (группа 3)
ε м (ε N )	Коэффициент загрузки (использования мощности) двигателя
λ	Доля сцепного веса трактора, идущая на образование тягового усилия
r д	Динамический радиус качения ведущего колеса
Р w	Давление воздуха в шинах
P д	Догрузка колёс для увеличения сцепного веса
f	Коэффициент сопротивления качению трактора
i тр	Передаточное число трансмиссии
g w	Погектарный расход топлива
G т ( g кр )	Массовый (удельный тяговый) расход топлива
η т	Тяговый КПД
Регулируемые во время холостого хода (группа 4)
В р	Ширина захвата агрегата

Коэффициент ε м определяет загрузку двигателя по скоростному режиму работы ξ w = n g /n н с учетом характеристики ξ w = f 1 ( ε м ). На регуляторной ветви при ε м <1 она имеет линейный характер, а для дизелей постоянной мощности (ДПМ) на корректорной ветви является гиперболической кривой.

Измерение действительной скорости v и частоты ведущих колес n к необходимо для определения теоретической скорости v Т = πr Д n k /30 и буксования δ = (1 – v/v т ) .

Тяговым усилием Р кр можно управлять догрузкой колёс Р д , давлением воздуха в шинах р w , изменением передаточного числа трансмиссии i тр , количества ведущих осей и глубины обработки h .

У работающего с отбором мощности трактора часть мощности двигателя η т ( N е - N вом ) реализуется через тяговое усилие, другая N вом = λ в ∙ N е – через ВОМ. Значения тягового КПД η т и коэффициента λ в зависят от тягового режима и вида технологической операции. Частота вращения ВОМ n в является функцией п и передаточного числа i в редуктора. Регулированием глубины обработки почвы h изменяется тяговое усилие Р кр , буксование трактора δ и нагрузочный режим работы М с ( М к ) двигателя.

Управление параметрами третьей и четвертой групп в процессе рабочего или холостого хода призвано обеспечить оптимальные значения параметров второй группы и наивысшие технико-экономические показатели агрегата.

Коэффициент использования мощности определяется произведением е ^ = Е м • e _w . При изменении сцепного веса за счет догрузки колёс Р д и давления в шинах р w изменяются показатели тягово-сцепных свойств и, следовательно, буксование.

Коэффициент λ (доля сцепного веса трактора, идущая на образование тягового усилия) зависит от количества ведущих осей. При полном приводе Р кр = φ кр ∙ g ∙ m э , в противном случае Р кр = φ кр ∙ λ ∙ g ∙ m э .

Динамический радиус колеса r д определяется величиной радиальной деформации шины, которая зависит от её конструкции и давления р w . Регулированием давления воздуха р w изменяют не только r д , но и давление на почву p п , буксование, теоретическую и действительную скорости трактора.

Коэффициент сопротивления качению трактора f зависит от конструкции и давления воздуха в шине, нагрузки на колёса и параметров опорной поверхности, изменяющихся в процессе движения.

Передаточное число трансмиссии i тр изменяется с помощью САУР, если при движении на j -й передаче управлением скоростным режимом не достигается оптимальный нагрузочный режим работы двигателя.

Ширина захвата В р устанавливается в начале технологического процесса, и её изменение производится во время холостого хода перед очередным рабочим ходом. При этом САУР должна определить величину изменения ширины захвата, которая зависит в основном от сопротивления рабочей машины.

Эффективное управление нагрузочно-скоростным режимом работы тракторов и почвообрабатывающих агрегатов достигается при минимальных значениях удельного g кр = g е ∙ η т и погектарного q w расходов топлива.

Все входные воздействия в САУР являются случайными в вероятностном смысле величинами и подчиняются нормальному закону распределения, поэтому адаптируемые во время рабочего хода параметры трактора, рабочей машины и технико-экономические показатели агрегата являются также случайными величинами.

Результаты формализации и идентификации системы «Окружающая среда (ОС) – почвообрабатывающий агрегат (МТА) – трактор» [3] позволяют рассматривать трактор как многомерную динамическую систему в составе агрегата (рис. 2). В соответствии со структурной схемой трактора она включает три блока: двигатель, трансмиссию и движитель. Для описания функционирования каждого из них с целью адаптации требуется располагать зависимостями выходных параметров-адаптеров от соответствующих входных.

Рис. 2. Структурная схема управления режимами рабочего хода почвообрабатывающего агрегата

При установленных массоэнергетических параметрах трактора (Nеэ, mэ) и характеристике двигателя (Мн, Км , nн, пм) выходным параметром-адаптером является частота вращения коленчатого вала п, которая зависит от момента сопротивления Мс = Мк. Функционирование этого блока при использовании трактора в тяговом режиме может быть описано зависимостью п = f(Mк) = f(Мс, vмс, Км).

Механическая трансмиссия преобразует параметр п в теоретическую скорость V т (частоту вращения ведущих колес п к ) трактора, поэтому функционирование второго блока при входном параметре – касательной силе тяги на ведущих колесах Р к – оценивается выражениями:

{

V m = n-n- г Д ^/30 • i тр , Р к = М с • ⁱ ТР • ] ТР ^/г Д ■

Взаимосвязь выходного V _т и входного Р к параметров определяется из условия обеспечения при г д =const , i тр = i dem

V m = 1t-n-M_c- Г] тр /30 • Р к .

Внешними воздействиями на третий блок являются тяговое усилие Р кр и сопротивление перекатыванию трактора Р f = m э ∙ g ∙ f . Выходной параметр представляет действительную скорость трактора V=V Т (1-δ) , которая одновременно является главным параметром-адаптером тягового агрегата. Её взаимосвязь с входными и установленными параметрами определяется системой уравнений:

[           Р к = Р кр + P f ,

^{V = S i -N ee - ттр ‘ (1 -5~)/( Р кр + P f )■

Для установленных массоэнергетических ( N еэ , m э ) и тягово-сцепных ( η т max , δ opt ) параметров трактора, известных характеристик тягового сопротивления агрегата ( Р кр , v p кр ) и интервалов изменения значений рабочей скорости ( V* ± △ V) критерий оптимизации параметров-адаптеров ( п, ( М к ), i тр ) можно представить в виде минимизируемой функции [3]

_F = П М н -1 1 + I 1 1 + I -1 1 _ч min.

30∙Nеэ           30∙Vн∙iк∙εм           ηтр∙εм∙Мн∙iк

Функция (7) выпуклая, её минимум – безразмерная величина, близкая к нулю. Минимизация её производится по переменным n = n н • s*_n /е ^ и i к = i _тр /г д . Величина n изменяется в цикле с заданным шагом в пределах оптимального интервала ( n min - n max ) opt . Для каждого значения n методом дихотомии подбирается i к opt . Оптимальное значение параметров ( п и i к ) выбирается по F min и i к min .

Эффективность управления режимом рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов с установленными параметрами удельного тягового сопротивления рабочих машин К 0 при V 0 =1,4 м/с и ∆К определяется показателями чистой производительности W (м²/с), удельных энергозатрат Е п (кДж/м²) и погектарного расхода топлива g w (кг/га):

(W = S* _N-N ee • ] т / К о [1 + △ К (V ² — V²] ^ W * ,

]          Е П = £„■ N ee /W ^ min,                            (8)

v         g_w = 2,77G т /W ^ min.

Выводы

• 1.    Для управления режимом рабочего хода трактора используются в основном замкнутые системы автоматического управления с регулированием параметров-адаптеров по отклонению в пределах заданного интервала их изменения.

• 2.    Структура управления режимом рабочего хода включает четыре группы взаимосвязанных, скоростных, нагрузочных и тягово-сцепных параметров-адаптеров, обеспечивающих оптимальную адаптацию трактора к технологическому процессу в составе почвообрабатывающих агрегатов.

• 3.    Представлена структурная схема управления режимом рабочего хода почвообрабатывающего агрегата с обоснованными критериями оптимизации параметров-адаптеров в виде минимизируемой функции методом дихотомии.