Содержание к диссертации
С.
ВВЕДЕНИЕ 9
УСТОЙЧИВОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ПАХОТНЫХ АГРЕГАТОВ 17
Предпосылки системной классификация объектов исследования 17
Анализ исследований устойчивости движения пахотных агрегатов в горизонтальной плоскости 19
Пути повышения устойчивости движения пахотных агрегатов посредством изменения конструкций плугов 2 6
Повышение устойчивости движения путем изменения конструкции навески 30
-1.5. -Устойчивость пахотных агрегатов в продоль
но-вертикальной плоскости 3 6
Возмущённое движение пахотного агрегата 40
Условия не асимптотически устойчивого движения пахотного агрегата 41
Практическая устойчивость движения пахотных агрегатов 43
Анализ движения агрегатов в положении равновесия 47
1.10. Анализ конструктивных решений, обеспечи
вающих повышение устойчивости 50
1.11. Цель и задачи исследований 59
МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕН
НЫХ ПАХОТНЫХ АГРЕГАТОВ 63
2.1. Основные параметры математических моделей
пахотных агрегатов 63
Идентифицируемость математической модели 63
Свойства и поведение математической модели 64
Общесистемный принцип интерпретации математических моделей пахотных агрегатов 65
2.2. Стратегия системных методов синтеза матема
тических моделей пахотных агрегатов 67
Управление математическими моделями пахотных агрегатов 68
Системные правила составления математических моделей 74
Системная классификация математических моделей 7 9
Структурная схема синтеза математических моделей пахотных агрегатов 82
2.3. Систематизация исследуемых пахотных агрега
тов 87
Метод адаптивного агроинжиниринга 8 9
Модели пахотных агрегатов на основе системной эвристики и аналогового прогнозирования 95
2.4. Синтез блок-схемы методологии системного
анализа пахотных агрегатов 100
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПАХОТ
НЫХ АГРЕГАТОВ 104
3.1. Логическая модель минимизации действующих
факторов на пахотные агрегаты 104
Условия разрешимости математических моделей и возникновение ошибок 105
Логика частных решений математических моделей 10 6
Истинностная оценка решений математической модели 107
Логическое моделирование пахотного агрегата 108
Синтез математических моделей устойчивости движения навесных пахотных агрегатов 113
Анализ сил, действующих на навесной пахотный агрегат 114
Формализация структуры навесного пахотного агрегата 124
Динамическая модель навесного пахотного агрегата в горизонтальной плоскости 128
Динамическая модель навесного пахотного агрегата в вертикальной плоскости 133
Исследование пространственной математической модели движения навесного пахотного агрегата 137
Оптимизация целевой функции устойчивости движения математической модели навесного пахотного агрегата 145
Синтез математической модели устойчивости
движения плантажного пахотного агрегата со
свободной навеской 152
3.3.1. Адаптивная система управления и
стратифицированная структура план- 153
тажного пахотного агрегата со свободной навеской
Уравнения движения агрегата 158
Движение пласта по поверхности ци-линдроидального отвала 166
Оптимизация целевой функции траектории движения пласта по поверхности отвала 175
3.3.5. Спектральный анализ движения пласта 180
ТЕОРИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЧИЗЕЛЬНЫХ ПЛУГОВ 190
Рабочие органы и система управления чизельного плуга 190
Движение пласта почвы в продольно-вертикальной плоскости по поверхности рабочего органа 194
Движение пласта почвы в горизонтальной плоскости по поверхности рабочего органа 197
Структурная схема и математическая модель движения пласта 202
Движение пласта почвы после схода с режущей кромки рабочего органа 208
Исследование траектории движения почвы 212
Аппроксимация теоретических зависимостей 216
Устойчивость движения чизельных плугов в продольно-вертикальной плоскости 220
Выводы и практические предложения по результатам теоретических исследований 223
ПРОГРАММА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 229
5.1. Программа исследований 229
5.2. Методика аналитического исследования дви
жения почвенного пласта по поверхностям
рабочих органов произвольной формы 230
Подготовка данных замеров поверхностей рабочих органов 231
Обработка данных методами матричного исчисления для получения аппроксимирующего полинома 233
Математическая обработка аппроксимирующего полинома с целью получения дифференциального уравнения движения по заданной траектории 237
Решение полученного дифференциального уравнения движения для получения аналитических зависимостей 239
Методика проведения поисковых опытов 241
Методика экспериментальных исследований 241
Критерии подобия для физических мо-5.4.1.
делей 242
Конструкция датчиков и применяемое оборудование 24 8
Калибровка датчиков и проведение опытов 251
Проведение производственных испытаний 254
Методика обработки экспериментальных данных 25 6
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2 62
6.1. Обработка результатов экспериментальных
исследований 2 62
6.1.1. Разработка программного интегрированного комплекса поточной обработ- 2 64
ки информации 6.1.2. Статистическая обработка данных
экспериментальных исследований 2 68
6.2. Математическое моделирование процесса
вспашки по результатам экспериментальных
исследований 273
Статистическое планирование эксперимента 27 4
Сплайн регрессионный анализ экспериментальных зависимостей 285
Экспериментальная энергетическая оценка работы агрегатов 288
Сравнительная оценка качества работы опытного и производственного образцов агрегатов 302
Условия испытаний чизельного агрегата 302
Агротехническая оценка показателей качества вспашки 304
Сравнительная энергетическая и эргономическая оценки работы плантажных агрегатов 308
Системный анализ эффективности работы сравниваемых агрегатов 311
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ ВНЕДРЁННЫХ РАЗРАБОТОК 318
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 335
Основные результаты диссертационного исследования 335
Научно-практические выводы 338
*
8.3. Предложения научно-исследовательским,
проектно-конструкторским организациям и
производству 339
ЛИТЕРАТУРА 341
ПРИЛОЖЕНИЯ 3 92
Введение к работе
Становление рыночных отношений в условиях постоянного проведения в жизнь новых экономических и аграрных политических решений требует приведения земельного фонда России в такое состояние, при котором возможно будет не только обеспечить собственным продовольствием население страны, но и покончить с практикой государственных закупок зерновых культур за рубежом.
Для осуществления задач по интенсификации и ресур-сосбережениям при основной обработке почвы, помимо политических решений, очевидно, потребуется значительное привлечение интеллектуального и финансового потенциала страны.
Одной из задач повышения продуктивности земель является их рекультивация, мелиорация, и, в связи с изменением структуры посевных площадей, подготовка для посадки культур, потребность в которых ощущается в настоящее время.
Кроме того, в силу наблюдающихся демографических тенденций возникает потребность, особенно в средней полосе России, восстановления посевных площадей, выбывших из севооборота.
Для осуществления всех этих задач требуется проведение в больших объемах основной обработки почвы. Но, поскольку, при рекультивации земель требуется восстановить водно-воздушный баланс почвы, при посадке многолетних насаждений необходимо внесение в зону развития корневой системы питательных веществ, а при посадке культур по раскорчеванным площадям - разрушение корневой системы
предыдущих насаждений, возникает необходимость проведения плантажной вспашки.
В последнее время на интенсивно используемых поливных землях наблюдается засоление и заболачивание из-за образования подплужной подошвы, препятствующей нормальному водно-воздушному обмену в почве, и чрезмерного полива. Кроме того, в условиях Кубани были затрачены значительные средства на создание рисовых систем, в том числе и на бывших плодородных землях, которые сейчас также подвергаются засолению, теряют гумус, т.е. черноземный слой вырождается.
Все это заставляет подумать о будущем этих земель, дальнейшее возделывание которых потребует значительных затрат на их рекультивацию, где значительное место будет занимать подъем плантажа. Однако этот вид основной обработки почвы является одним из самых трудоемких. Затрачиваемая механическая энергия на почвообработку почти эквивалентна энергии, ежегодно вырабатываемой всеми электростанциями страны. Таким образом, любое, даже незначительное, снижение энергозатрат при основной обработке почвы приводит к значительной экономии энергетических и материальных ресурсов.
В соответствии с концепцией развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства России на период до 2010 года, которая предусматривает переход "сельскохозяйственной науки на базу методов информатики, системного анализа и моделирования", исследования на этапах поиска, разработки и проектирования целесообразно проводить на разработанных для этого математических и физических моделях.
Тема исследований, согласно приказу ректора, входила составной частью в госбюджетную тематику университета (номер госрегистрации ГР 01960009007, протокол №4 от 24.04.2000г.), составленную по плану развития АПК Российской Федерации.
Рост в последние годы информационных технологий и привел к экспоненциальному росту интереса к синтезу математических моделей сельскохозяйственных процессов. Однако подобный интерес был всегда достаточно велик, что можно проследить по обилию разработанных методик. Тем не менее, развитие исследований в этом направлении в более ранние годы развивалось асимптотически временной шкале, сдерживаемое трудоёмкостью и отсутствием доступных средств вычислительной техники. В эти годы были сформированы основы учения о сельскохозяйственных машинах и пахотных агрегатах в работах В. П. Горячкина, И. И. Артоболевского, П.М. Василенко, М.Н. Летошнева, Г.Д. Тер-скова, М.Л. Гусяцкого.
Современную теорию сельскохозяйственных машин определяют работы К.В. Фролова, Г.Е. Листопада, А.Б. Лурье, Л.В. Погорелого, И.С. Нагорского, В.И. Фортуны, С.А. Ио-финова, Л.Е. Агеева, С.А. Алферова, В.Я. Аниловича, А.П. Иофинова, И. П. Терских, Л. В. Гячева, В.Н. Кербера, П.М. Заики, И.П. Ксеневича, Н.И. Кленина, Г.М. Кутькова, Н.М. Постникова, Г.Н. Синеокова, В.В. Спиченкова, О.А. Подушкина, В.Д. Шеповалова, В.П. Рослякова, В.Г. Еникеева, Ю.А. Вантюсова, A.M. Валге, В.Ф. Кондрашова, А.Д. Корм-щикова, К.А. Крячко, П.Х. Хараева и многие другие.
Среди исследователей, получивших важнейшие результаты в решении вопросов синтеза математических моделей сельскохозяйственных машин, следует назвать В.И. Аниски-
на, А.Е. Листопада, Е.А. Абелева, Е.И. Агибалова, К.Т. Беляка, В.В. Бледных, И.Ф. Бородина, Н.И. Бохана, Н.И. Бычкова, А. И. Будко, А. И. Буркова, Ю.И. Волкова, Г. А. Воронцова, В.И. Виноградова, Е.И. Давидсона, Э.В. Жални-на, Ф.М. Канарева, В.В. Кацыгина, В.В. Коптева, А.В. Ко-роткевича, Н.Н. Колчина, В.М. Кряжкова, Э.И. Липковича, А.Д. Логина, Г.Я. Любашина, А.И. Любимова, П.С. Нартова, И.М. Панова, А. Я. Поляка, О. А. Полякова, В. В. Радина, М.С. Рунчева, В. А. Сакуна, А. А. Соловейчика, В.Ф. Скро-бача, Н.П. Сычугова, А.Т. Табашникова, И.З. Теплинского, Л.Д. Тураева, М.Б. Угланова, В.А. Устимца, Ю.А. Уткова, В.А. Черноволова, В.Г. Шевцова, М.М. Шлуфмана, В.Ф. Шолохова, B.C. Чупилко, Р.Ш. Хабатова, А.И. Тимофеева, В.М. Халанского, В.К. Хорошенкова, И.Е. Янковского и многих других ученых.
В последние годы необходимо отметить работы В.Н. Кербера /129...137/, позволившие создать модели типа вход-состояние-выход (ВСВ), отвечающие условиям теоремы Гёде-ля о «внешнем дополнении» и соответствующие требованиям современной теории идентификации.
Отмечая, таким образом, значительный рост интереса к математическим моделям сельскохозяйственных процессов, нами была поставлена задача, систематизируя имеющиеся знания, путём теоретических и экспериментальных исследований, используя методы системного анализа, решить ряд механико-аналитических проблем устойчивости движения пахотных агрегатов.
После изучения состояния вопроса выявлено, что потенциальные возможности снижения энергоёмкости пахотных агрегатов не исчерпаны, однако их реализация
сдерживается отсутствием более глубокого теоретического анализа этого процесса.
На основании этого установлены и сформулированы основные положения рабочей гипотезы, составляющие базу для теоретических исследований:
обоснование направлений повышения устойчивости движения пахотных агрегатов проводится на основе идентификации и синтеза их математических моделей с учетом комплекса технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов;
- повышение показателей устойчивости движения и снижения энергозатрат на основную обработку почв для исследуемых пахотных агрегатов общего и специального назначения, а также выявление потенциальных возможностей в этом направлении, базируется на углублении теоретического анализа их работы;
непременным условием проводимых теоретических исследований по повышению устойчивости движения пахотных агрегатов является их экспериментальная подтверждаемость с последующим внедрением полученных результатов в производство.
Таким образом, суть научно-технической проблемы земледельческой механики, решаемой в данной работе, состоит в повышении устойчивости движения пахотных агрегатов путем разработки методологии и теории пахотных агрегатов на основе синтеза математических и физических моделей; снижения трудоёмкости синтеза и повышения функциональности получаемых математических моделей путем разработки новых методик исследований пахотных агрегатов: логических моделей, минимизирующих значащие факторы, с применением булевой алгебры и карт Карно, а также спектраль-
ного анализа теоретических зависимостей с использованием быстрого преобразования Фурье, позволяющего выявлять непроизводительные затраты мощности при пахоте.
В соответствии с поставленной научной проблемой, цель и задачи исследований сформулированы после изучения состояния вопроса и приведены в п. 1.11.
Научная новизна исследований заключена в следующих положениях:
Методология системного анализа пахотных агрегатов .
Математические логические модели пахотных агрегатов на основе булевой алгебры с использованием карт Карно, разработанные с целью минимизации значащих факторов при исследованиях пахотных агрегатов.
Динамическая математическая модель навесного пахотного агрегата.
Динамическая математическая модель навесного плантажного агрегата со свободной навеской.
Математическая модель траектории движения пласта по поверхности рабочих органов чизельных плугов.
Метод спектрального анализа математических моделей пахотных агрегатов общего и специального назначения.
7. 57 свидетельств ВНИИГПЭ, Роспатента и ВНТИЦ на
разработанные программное обеспечение и изобретения.
Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете в соответствии с паспортами специальностей 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации и 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства.
Значение выполненной диссертационной работы отвечает требованиям, предъявляемым к научно-техническим проблемам в сферах данных специальностей.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Методология системного анализа пахотных агрегатов .
Математические логические модели пахотных агрегатов на основе булевой алгебры с использованием карт Карно, разработанные с целью минимизации значащих факторов при исследованиях пахотных агрегатов.
Динамическая математическая модель навесного пахотного агрегата.
Динамическая математическая модель навесного плантажного агрегата со свободной навеской.
Математическая модель траектории движения пласта по поверхности рабочих органов чизельных плугов.
Метод спектрального анализа математических моделей пахотных агрегатов общего и специального назначения. Влияние недостаточной жесткости конструкции навески на колебание сил сопротивления.
Теоретические и экспериментальные оптимальные кинематические параметры плантажных пахотных агрегатов. Спектральный состав гармонических составляющих процесса в зависимости от углов установки элементов рабочих органов.
8. Аналитические зависимости траектории движения
пласта по поверхностям рабочим органов чизельных плугов
и теоретическое обоснование соотношений углов рабочих
органов чизельных плугов. Оптимальные параметры рабочих
органов в зависимости от физико-механических свойств
почвы и агротехнических требований на её обработку.
*
*
9. Обоснование компоновки чизельных плугов и измене
ния конструкции рабочих органов.
Частные и общие методики теоретических и экспериментальных исследований пахотных агрегатов.
Технико-экономические показатели внедренных разработок.
