СПОСОБ УСТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ПОЧВОЙ ПРИ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЯХ Российский патент 2005 года по МПК A01B79/00 G01N3/00 

Предлагаемое изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, способам испытания машин и, в частности, к способам установления функциональных характеристик сельскохозяйственных машин и агрегатов, взаимодействующих с почвой при полевых испытаниях.

Инженерная оценка сельскохозяйственных машин и агрегатов основывается на ряде показателей, характеризующих как машину, так и среду, с которой агрегат взаимодействует, и проводится на основании полевых испытаний. Для определения функциональных характеристик сельскохозяйственных машин необходимы значения тягового сопротивления и производительности обрабатывающих почву машин в конкретных полевых условиях. Это выходные характеристики системы "машинно-тракторный агрегат - поле". Входными характеристиками такой системы являются физико-механические свойства почвы, которые проявляются в сочетании с конкретной сельскохозяйственной машиной и ее рабочими органами, осуществляющими деформацию почвы на конкретной скорости. В дальнейшем устанавливают эмпирическую аналитическую зависимость выходного параметра - тягового сопротивления орудия от входного параметра - скорости деформации /И.Г.Беккер. Введение в теорию систем местность-машина. / Перевод с англ. д-ра техн. наук В.В.Гуськова / - М, Машиностроение. 1973. С.249-250/.

Известен способ оценки сельскохозяйственных машин, когда при проведении опытов измеряют тяговое сопротивление, глубину и ширину захвата машины, пройденный за опыт путь, время опыта, твердость и плотность почвы на участке. По результатам экспериментальных данных строят математическую модель зависимости тягового сопротивления от значений остальных перечисленных факторов /Н.М.Шаров. Эксплуатационные свойства машинно-тракторных агрегатов. / Повышение квалификации /. - М., Колос, 1981, с.56-57/.

Однако как в аналоге, так и в прототипе имеются общие недостатки. Отдельно рассматриваются и самостоятельно определяются: тяговое сопротивление, физические и механические свойства почвы. Для характеристики физических свойств почвы взята ее плотность. Твердость почвы используется для количественной оценки обобщенного показателя ее механических свойств. Используемый инструментарий и методы определения физико-механических показателей дают статическую характеристику свойств почвы. В то же время любая сельскохозяйственная машина и, в частности, ее рабочие органы, взаимодействующие с почвой, реализуют технологический процесс в результате движения рабочих органов. Любой технологический процесс - это динамичный процесс. В результате выполнения технологического процесса осуществляется деформация сплошной твердой среды - почвы. Только в этом случае можно оперативно, с наименьшими затратами труда и средств адекватно оценивать процессы взаимодействия рабочих органов и в целом машин с почвой, несмотря на большое разнообразие конструктивных форм рабочих органов, в целом машин и режимов работы машинно-тракторных агрегатов.

Промышленность и сельскохозяйственное производство применяют технологические процессы, основанные на явлениях остаточной деформации. В технологических процессах, связанных с взаимодействием сельскохозяйственных машин с почвой, как правило, осуществляются все виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг. В такой ситуации ни модуль деформации Е, ни коэффициент Пуассона М, ни оба вместе не в состоянии характеризовать процессы, основанные на остаточных деформациях. Познание закономерностей остаточной деформации сплошной твердой среды невозможно без знания ее механических характеристик, которые бы объясняли физические свойства сплошной твердой деформируемой среды. Как показывает анализ физических величин, в настоящее время такой величины нет, поскольку в физических основах классической механики вопросы о закономерностях деформации сплошной твердой среды вообще не рассмотрены.

Задачей настоящего изобретения является создание способа установления функциональных характеристик сельскохозяйственных машин и агрегатов, взаимодействующих с почвой при полевых испытаниях, основанного на физико-механической характеристике процесса деформации сплошной твердой среды.

Поставленная задача решается путем теоретического обоснования нового способа и экспериментальной его проверки по результатам динамометрирования агрегатов в полевых условиях. Новым является то, что процесс деформации сплошной твердой среды рассматривается как физическое явление, с позиций совершенной работы под действием силы. Если эту работу рассмотрим в единицу времени, то получим мощность. Отсюда следует, что всякий процесс деформации сплошной твердой среды детерминированно связан с необходимой для его выполнения мощностью. Мощность, необходимая для деформации, может соотноситься с объемом выполненной деформации в единицу времени. Из этого следует, что необходимая мощность и объем деформации среды в единицу времени - это те величины, которые непосредственно характеризуют свойства сплошной твердой, деформируемой среды. Работе же есть изменение формы движения материи, рассматриваемая с его количественной стороны. В классической физике под механической работой понимается действие силы, производящей перемещение тела или его части. В этом случае необходимо наличие: 1. действия внешней силы; 2. движения тела под действием силы, 3. неперпендикулярности вектора силы к вектору скорости тела. Для рассматриваемых нами процессов деформации наличие условий 1 и 3 обязательно, однако для того, чтобы осуществлялась работа по деформации сплошной твердой среды необходимо, чтобы вместо сформулированного выше условия 2 имело место поступательное движение тела, осуществляющего деформацию, относительно деформируемой среды. Наиболее ярко это проявляется при тяговом действии внешней силы, производящей деформацию сплошной твердой среды посредством какого-то тела. Так как в этом случае все виды деформаций осуществляются в реальном времени, для деформации какого-то объема одинаковой по свойствам сплошной твердой среды в единицу времени будет необходима конкретная мощность. Эта мощность будет зависеть от свойств самой среды, скорости деформации, механических характеристик тела, посредством которого осуществляется процесс деформации, и вызываемого сопротивления процессу деформации сплошной твердой средой. Из этого следует, что для качественной характеристики процессов деформации сплошной твердой среды, как физического явления, должна существовать производная физическая величина. Она должна комплексно характеризовать физико-механические характеристики свойства самой среды, все виды деформаций, происходящих в сплошной среде, механические свойства тела, осуществляющего деформацию, а в целом всего процесса деформации конкретной среды, осуществляемого конкретным телом, т.е. она должка характеризовать процесс деформации через свойства сплошной твердой деформируемой среды. На основании вскрытой сущности физики процессов деформации сплошной твердой среды, представим изложенные выше априорные утверждения в аналитической форме - для построения формализованного аппарата, позволяющего выявить и фиксировать существенные свойства и закономерности, количественно характеризующие качественную сторону процессов деформации, определяемых основными механическими характеристиками тела, посредством которого осуществляется процесс деформации, свойством сплошной твердой деформируемой среды, а в целом конкретного процесса деформации.

В векторной форме направление внешней силы, осуществляющей деформацию сплошной твердой среды, перпендикулярно площади сечения деформируемой среды, совпадает с направлением скорости деформации и противоположно по направлению силе сопротивления, оказываемого средой процессу деформации. Необходимая для деформации сила /F/ носит вероятностный характер. Поэтому сопротивление сплошной среды, оказываемое процессу деформации, экспериментально определяют за какой-то промежуток времени и берут ее среднее значение. В дальнейшем исходят из импульса силы /F·t/ и объема деформируемой среды в единицу времени. Для процессов деформации сплошной среды, реализуемых в сельскохозяйственном производстве, объем /v/ деформируемой среды определяют глубиной деформации /h/ и площадью, на которой она осуществляется за единицу времени. Тогда для характеристики свойства сплошной твердой деформируемой среды может быть использован только удельный объемный модуль импульса силы сопротивления, оказываемого средой процессу деформации /ρ^V/, который и будет комплексно характеризовать физико-механические свойства самой среды, процесс ее деформации /все виды деформаций, происходящих в среде/, а также механические и геометрические характеристики тела, посредством которого осуществляется деформация, численное значение и размерность которого определяют из зависимости

Тогда сопротивление /Р/, оказываемое средой процессу деформации, а значит и численное значение /по модулю/ деформирующей силы в единицу времени определяют

Объем деформируемой среды в единицу времени определяют исходя из скорости процесса деформации /V/

где S - площадь сечения деформируемой среды, перпендикулярная направлению скорости и направлению деформирующей силы.

В свою очередь эта площадь зависит от ширины /В/ и глубины /h/ деформации, осуществляемой телом, посредством которого производится деформация сплошной твердой среды

Тогда с учетом зависимостей /1/, /2/, /3/ и понятия мощности - мощность, необходимая для процесса деформации сплошной твердой среды /N/; определяют по следующему уравнению связи между величинами

Из выражения /5/ получают

Зависимость /6/ показывает, что влияющая производная физическая величина - удельный объемней модуль импульса силы сопротивления, оказываемого средой процессу деформации, отражает свойство сплошной твердой деформируемой среды. Это свойство зависит от скорости деформации, мощности, необходимой для реализации процесса деформации, а также механических и геометрических характеристик тела, посредством которого осуществляется деформация сплошной твердой среды.

Способ в общем виде осуществляют следующим образом. В процессе полевых испытаний конкретных сельскохозяйственных машин с помощью приборов для динамометрирования определяют суммарную мощность, необходимую для преодоления тягового сопротивления и мощность, расходуемую через вал отбора мощности на выполнение части технологического процесса. После этого вычисляют общую мощность, затраченную на выполнение технологического процесса деформации почвы конкретной машиной на всех рассматриваемых режимах работы машинно-тракторного агрегата. Затем в соответствии с зависимостью /6/ для каждого режима работы определяют объемный модуль импульса силы сопротивления процессу деформации сплошной твердой деформируемой среды. Эта комплексная физическая величина является динамичной функциональной характеристикой сельскохозяйственных машин на любом режиме работы машинно-тракторного агрегата. Эта характеристика функционально связана с развиваемым тяговым усилием для чисто тяговых агрегатов, у которых мощность, затрачиваемая на выполнение работы, потребляется только посредством реализации тягового усилия, что следует из зависимости /2/ и /3/. Таким образом видно, что для выполнения функциональной оценки сельскохозяйственных машин и режимов их работ при полевых испытаниях нет необходимости в определении статических характеристик свойств почвы; плотности и твердости почвы, которые только в опосредованной форме характеризуют реально выполняемый технологический процесс.

Для экспериментального доказательства реально существующего свойства сплошной твердой деформируемой среды использовали результаты динамометрирования тяговых рисосеющих агрегатов, которые представлены в таблице, в зависимости от режимов их работы и используемых сеялок. В таблице также представлены результаты расчета по формуле /6/ значений удельного объемного модуля импульса силы сопротивления, оказываемого средой процессу деформации.

Таблица
Физико-механические характеристики сплошной твердой деформируемой среды№№ ппДеформирующего тела, заданныеПроцесса деформации, измеренныеДеформирующего тела, деформируемой среды и процесса деформации в целом, рассчитанные ВhVРNV²SV²SVSρ^VF(P-F)Ошибка(м)(м)(м/с)(н)(нм/с)(м/с)²(м²)(м⁴/с²)(м³/c)(нс/м³)(н)(н)%Для агрегатов с сеялками СУК-2413,600,073,3147191562010,960,252,740,8357014732-130,2827,200,073,1110036312129,670,504,841,56644910060-240,2437,200,072,879172254987,730,503,871,3965899159130,15410,800,072,3912361295435,710,764,431,82680712389-280,23510,800,072,0812066250974,330,763,291,58762812052140,12Для агрегатов с сеялками СЗ-3,663,600,073,2855281813210,760,252,690,826741552800,0077,200,073,0011095332859,000,504,501,50739711096-10,0187,200,072,6910595285017,240,503,621,34787310550-450,43910,800,072,1114328302224,450,763,381,60894114306170,121010,800,071,8613911258743,460,762,631,41983813872390,28

По формуле /2/ определено среднее численное значение силы /Р/, посредством которой и выполнена деформация. Из данных таблицы следует, что экспериментально измеренное сопротивление /Р/, оказываемое средой процессу деформации, по модулю фактически равно рассчитанной силе /F/, необходимой для осуществления деформации с помощью деформирующего тела /при этом относительная ошибка не превышает 0,5%/. Таким образом экспериментально доказано, что уравнение /5/ между рассматриваемыми величинами полно и адекватно отображает процесс деформации сплошной твердой среды. Производная физическая величина - удельный объемный модуль импульса силы сопротивления процессу деформации комплексно характеризует физико-механические свойства: тела, осуществляющего деформацию, деформируемой среды и реализуемого процессе деформации. Она учитывает и количественно характеризует результирующее действие всех видов деформаций, имеющих место при протекании любого технологического процесса деформации сплошной твердой сред. Производная физическая величина - удельный объемный импульс силы сопротивления процессу деформации сплошной твердой деформируемой среды - является основной характеристикой при функциональной оценке сельскохозяйственных машин и агрегатов, взаимодействующих с почвой при полевых испытаниях.

Технико-экономическое преимущество предложенного способа заключается в следующем,:

а/ разработанный способ позволяет адекватно описывать и количественно характеризовать все виды деформаций, одновременно протекающих в почве при ее деформации;

б/ использование предлагаемого способа дает возможность непосредственно измерять физико-механические свойства любого технологического процесса, связанного с процессами деформации сплошной твердой деформируемой среды;

в/ способ исключает необходимость определения статических характеристик свойств почвы /плотность и твердость почвы/ при анализе экспериментальных данных и построении математических моделей сельскохозяйственных технологических процессов,

г/ предлагаемый способ сокращает затраты высококвалифицированного труда исследователей и испытателей сельскохозяйственной техники, необходимые для характеристики рабочих органов, в целом сельскохозяйственных машин и режимов работы машинно-тракторных агрегатов, осуществляющих процессы деформации почвы.

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению и может быть использовано при испытании машин. Способ включает установление при полевых испытаниях машин, определение и расчет мощности (N), необходимой для осуществления процесса деформации сплошной твердой среды, поступательной скорости (υ) деформирующего тела и площади (S) сечения деформируемой среды. После этого определяют производную - объемный модуль импульса силы сопротивления процессу деформации, являющийся динамической физико-механической характеристикой процесса деформации сплошной твердой деформируемой среды, который рассчитывают по зависимости . Такая технология позволит сократить затраты, необходимые для расчета характеристик рабочих органов, машин и агрегатов и их режимов работы. 1 табл.

Способ установления функциональных характеристик сельскохозяйственных машин и агрегатов, взаимодействующих с почвой при полевых испытаниях, характеризующийся тем, что при полевых испытаниях производят определение и расчет мощности (N), необходимой для осуществления процесса деформации сплошной твердой среды, поступательной скорости (υ) деформирующего тела или скорости процесса деформации и площади (S) сечения деформируемой среды, перпендикулярной направлению скорости и направлению деформирующей силы, после чего определяют объемный модуль импульса силы сопротивления процессу деформации, являющийся динамической, физико-механической характеристикой процесса деформации сплошной твердой деформируемой среды, который рассчитывают по зависимости .