Управляемое навесное устройство пропашного культиватора

Во введении обоснована актуальность темы; сформулированы цель, задачи,
объект, предмет и задачи исследования; представлена научная новизна, положе-
ния, выносимые на защиту.
В первой главе «Современное состояние вопроса и постановка задач ис-
следования» проведен анализ отечественных и зарубежных работ по влиянию
управляемого навесного на точность позиционирования сельскохозяйственного
орудия в агрегате. Изучению влияния устройств управления положением орудия
в агрегате посвящены работы Зволинского Н.П., Сташкова В.В., Яковлева П. Ю.,
Площаднова А.Н., Левшина А.Г., Купряшкина В.Ф., Донцова И.Е., Бышова Н.В.,
Martin Holpp, Monika Sauter и других авторов. Проведенный анализ работ показы-
вает необходимость точного позиционирования сельскохозяйственного орудия в
агрегате на разных технологических операциях механической обработки почвы
при возделывании культуры (Рисунок 1).

а)б)
Рисунок 1 – Отклонения клубней картофеля от осевой линии посадки: а) – схема сме-
щения вершины гребня от оси рядка, б) – внешний вид смещения вершины гребня от оси
рядка в полевых условиях
Проведен анализ существующих механизмов управления положением
сельскохозяйственного орудия в агрегате. Установлено, что большинство суще-
ствующих механизмов обладают недостатками: повышенная металлоемкость, от-
сутствие автоматических или полуавтоматических замков соединения и разъеди-
нения устройства с трактором и орудием, узкая специфика (наличие устройств,
интегрированных в раму сельскохозяйственного орудия).
Приведена и структурирована классификация существующих механизмов
управления положением сельскохозяйственного орудия в агрегате. Установлено,
что наиболее подходящим для большинства технологических операций точного
возделывания культуры будет устройство: по типу выполняемых технологиче-
ских операций – универсальное устройство; по типу привода – гидравлическое;
по типу координатного перемещения – горизонтальное; по типу системы управ-
ления – автоматизированные; по месту расположения – заднее; по типу навески –
навесное; по числу степеней свободы – две.

Рисунок 2 – Классификация устройств управления положение орудия

Во второй главе «Теоретические исследования управляемого навесного
устройства для точного позиционирования навесных орудий» представлены
конструктивная схема устройства (Рисунок 3), разработанная в программной
среде SolidWorks, и схема принципа её действия. Устройство состоит из внешней
и внутренней рамки, соединенной между собой в верхней и нижней частях круг-
лыми направляющими. Смещение внешней рамки по отношению к внутренней
происходит при помощи гидроцилиндра, шарнирно соединяющего рамки. Ниж-
ние навесные механизмы со стороны трактора и орудия полуавтоматические. При
смещении сельскохозяйственного орудия с линии обработки почвы происходит
обмен сигналами между GPS приемником, контроллером, RTK станцией.
а)б)
Рисунок 3 – Схема управляемого навесного устройства УНУ-3: а – вид со стороны орудия; б
– вид со стороны трактора

Затем контроллер подает сигнал через усилитель на гидрораспределитель о
подаче масла в ту или иную полость гидроцилиндра устройства. Установленный
линейный потенциометр, соединяющий внутреннюю и наружную рамки устрой-
ства, замеряет величину, на которую отклонился центр наружной рамки от внут-
ренней в горизонтальной плоскости относительно направления движения. После
совпадения координат, задаваемых навигационным контроллером и фактических,
полученных с GPS приемника, смещение рамок устройства прекращается.
Проведен расчет бокового смещения рабочих органов орудия, определяемый
по формуле:

ℎ = sin п − 2 sin2 ctg ,(1)
где – расстояние рабочих органов до задней оси трактора;
п – угол поворота при отклонении от прямолинейного движения;
– угол наклона радиуса поворота любой точки рабочих органов у оси зад-
них колес трактора.
Выбор величины п лимитируется положением трактора относительно ряд-
ков. Максимальное значение его определяется из условий маневрирования трак-
тора в пределах, ограниченных рядками растений (Рисунок 4):
′ = √ 2 + ( − 0.5Б)2 ,(2)

sin = ′ = 22
,(3)
√ +( −0.5Б)

′ =,(4)
sin
где радиус поворота точки О трактора, град, ′ -радиус поворота ко-
леса,град, – расстояние от передней до задней оси трактора, м, Б – колея перед-
них колес.
Рисунок 4 – Радиус поворота колес трактора

Выражение (1) верно в том случае, если ось орудия находится на оси трак-
тора. Учитывая то, что навесное устройство трактора имеет дополнительную сте-
пень свободы в рабочем положении, необходимо учитывать отклонение навес-
ного устройства трактора от его оси, которое имеет вид (Рисунок 5):
′
= ℎ × sin + + ,(5)
где ℎ – расстояние от оси поперечины навески трактора до рабочего органа
орудия в продольном направлении; K – расстояние от оси орудия до рабочего ор-
гана в поперечном направлении; – угол отклонения навесного механизма трак-
тора от осевой линии трактора, – отклонение навесного устройства трактора
от оси трактора.

Рисунок 5 – Отклонение навесного механизма трактора
В результате проведения прочностного и кинематического расчетов навес-
ного механизма трактора разработан опытный образец управляемого навесного
устройства УНУ-3 (Рисунок 6)

Рисунок 6 – Изготовленный опытный образец управляемого навесного устройства УНУ-3

Технические характеристики устройства представлены в Таблице 1.
Таблица 1 – Технические характеристики управляемого навесного устройства УНУ-3
Наименование показателяПоказатели
Поперечное смещение рамок в горизонтальной плоскости,250±5
мм.
Масса, кг240 ± 5
Габаритные размеры (ДхШхВ), мм562х1433х883
Агрегатируется с тракторами, класс2и3
Скорость, км/ч
– рабочаяпо скорости
– транспортнаятрактора
Расстояние от оси подвеса сцепки до оси поворота верхней
тяги трактора, мм:
– трактор класса 2610..635
– трактор класса 3685..700
Расстояние между крюками, мм
– трактор класса 21005
– трактор класса 31130
Срок службы, лет8

Предложена альтернативная система управления положением сельскохозяй-
ственного орудия в агрегате (Рисунок 7), состоящая из датчика углового положения
нижнего раскоса трактора, линейного датчика положения рамки управляемого
навесного устройства, гидрораспределителя, электронного блока управления и
управляемого навесного устройства.
Рисунок 7 – Схема расположения элементов системы управления

Взаимодействие элементов системы управления положением орудия в агре-
гате отображено на Рисунке 8.

Рисунок 8 – Схема взаимодействия элементов системы управления
Навигационный контроллер системы управления положением трактора пере-
дает координаты положения трактора, угла положения его колес и координаты за-
даваемой линии движения на контроллер управления положением орудия. Кон-
троллер орудия оценивает положение навесного устройства трактора относительно
оси трактора и сравнивает их с координатами задаваемой линии движения трак-
тора. При разности этих координат контроллер орудия дает команду о подаче масла
в ту или иную полость гидроцилиндра управляемого навесного устройства.
Сравнение координат, полученных от навигационного контроллера трактора
и координат положения навесного устройства трактора происходит постоянно. В
результате проведенных исследований разработана блок-схема, описывающая ал-
горитм работы УНУ-3 (Рисунок 9).

Рисунок 9 – Алгоритм работы управляемого навесного устройства

Цикл включает в себя определение текущих координат трактора и навесного
оборудования, угла установки ведущих колес трактора, сравнение полученных
данных, расчет необходимой дистанции перемещения рамки устройства, уста-
новку угла положения ведущих колес трактора.
На основании разработанных алгоритма работы системы управления, элек-
трической схемы разработанного блока управления орудием и схемы взаимодей-
ствия компонентов предлагаемой системы управления, описана регулятивная
функция системы управления (Рисунок 10). В общем виде функция имеет вид:
= ( 1 , 2 , 3 )(6)
где y – отклонение центра оси орудия в горизонтальной плоскости от линии
заданной навигационным контроллером, мм, 1 – уклон поля, %, 2 – разность
плотности почвы под рабочими органами орудия, кг/см3, 3 – отклонение трак-
тора в горизонтальной плоскости от линии заданной навигационным оборудова-
нием, мм.
В развернутом виде функция имеет вид:
ℎ ( )2 1
= (·100,,[ + 1 + 2 + ⋯ + −1 ])(7)
12
где ℎ – разница между отметками, мм, – расстояние, мм, где – масса
сухой почвы, г, – объем почвы см3, где – скорость движения трактора, м/с, –
время прохождения элементарного участка, с, – расстояние пройденного эле-
ментарного участка, м, – радиус поворота трактора, м.

Рисунок 10 – Структурная схема автоматического регулирования системы управления ору-
дием

В третьей главе «Экспериментальные исследования управляемого навес-
ного устройства (УНУ-3)» приведены методика проведений полевых исследова-
ний управляемого навесного устройства и результаты.
Предварительный этап исследований предусматривал уточнение грануло-
метрического состава почвы, определение тягового сопротивления агрегатируе-
мого орудия. Основной этап полевых исследований предусматривал определение
величин отклонения культиватора в составе МТА с навигацией, установленной на
тракторе, определение величин отклонения культиватора в составе МТА с уста-
новленным разработанным управляемым навесным устройством и навигацион-
ной системой на орудии. В качестве выходного параметра выбрано отклонение
продольной оси культиватора от линии заданной навигационным оборудованием.
В качестве технологической операции рассматривалась довсходовая культи-
вация междурядий картофеля на глубину 10-12 см. В качестве агрегата был пред-
ставлен трактор МТЗ 1523 с УНУ-3 и культиватором растение питателем Gaspardo
HL 8. Характеристики культиватора представлены в Таблице 2.

Таблица 2 – Технические характеристики культиватора-растениепитателя Gaspardo HL 8
Наименование показателяПоказатели
Вес, кг950
Давление на почву, кг60 – 80

Мощность агрегатируемого трактора, л.с.80 – 120
Количество рядов8
Количество секций9
Междурядное расстояние, см70
Производительность, га/ч~ 4.8
Емкость бункеров для удобрений, л1х400

Условия проведения исследований сводились в общую Таблицу 3.
Таблица 3 – Условия проведения полевых исследований УНУ-3
Наименование показателейЗначение показателей
Культивация междурядий карто-
Вид работы
феля
Состав агрегатаМТЗ 1523+УНУ-3+Gaspardo HL8
Режим работы:
-Рабочая скорость, км/ч5, 6, 7
-Ширина захвата агрегата, м5,6
Установочная глубина рабочих органов орудия, см12
Производительность орудия, га/ч4,8
Вес орудия, кг1350
Влажность почвы, %16
Твердость почвы, кг/см214
Плотность почвы, г/см 3
1,36
Настройки навигационного дисплея TMX 2050
Типкультивация
Тип навескиС фиксированным креплением
От сцепки до точки
1,86
приложения, м
Физическая длина орудия, м2,6
Ширина агрегата, м5,6
Физическая ширина агрегата, м6
Ширина полосы, м5,6
Смещение влево/вправо, м0
Источник поправокCenterPoint RTK

На основании априорной информации и результатов исследований физико-
механических свойств почвы, а также исходя из задач исследования, выявлены
наиболее существенные факторы, оказывающие влияние на процесс точности
культивации: 1 – скорость движения МТА, м/с ( мта ,); 2 – скорость смещения
рамки устройства ( р , м/с). После определения факторов, влияющих на критерий
оптимизации, была проведена серия предварительных исследований в резуль-
тате чего определён основной – нулевой уровень, вокруг которого симметрично
располагались экспериментальные точки и установлен интервал варьирования
факторов.
Факторы и уровни их варьирования заносились в Таблицу 4 в закодирован-
ном виде.
Таблица 4 – Факторы и область их исследования в закодированном виде

Уровень реальногоУровень кодированного значения
Обозначение

значения факторафактора

Код
Фактор
Верхний

Верхний
Нулевой

Нулевой
Нижний

Нижний
Скорость движе-
мта1,41,71,94 1-101
ния МТА, м/с
Скорость смеще-
ния рамки р0,020,050,08 2-101
устройства, м/с

Выходным параметром выбрано отклонение продольной оси культиватора
от линии заданной навигационным оборудованием.
В результате обработки двухфакторного эксперимента в программной среде
Statistica 10 получено уравнение регрессии второго порядка, описывающее
зависимость критерия оптимизации от варьируемых факторов, в
раскодированном виде и построено сечение поверхности отклика,
характеризующее влияние варьируемых факторов на критерий оптимизации
(Рисунок 11):
= 7,24 − 8,7 1 + 1,14 2 + 3,29 12 + 422,2 22 − 27 1 2 (8)

Расчётпоказал,чтовсе
коэффициенты уравнения можно
считатьзначимымис95%-ой
вероятностью.
Оптимальные значения парамет-
ров, при которых отклонение не пре-
вышают 0,5 %, приведены в таблице 5.

Рисунок 11 – Сечение поверхности отклика,
характеризующее зависимость варьируемых
факторов на критерий оптимизации
Таблица 5 – Оптимальные значения факторов

Обозначение
Оптимальное значение факторов

фактора
Наименование фактора
в закодированномв раскодированном
видевиде
Скорость движения
мта0,021721,66
МТА, м/с
Скорость смещения
ор−0,0015050,054
рамки устройства, м/с

В Таблице 6 представлены результаты анализа полевых исследований МТА
с УНУ-3.

Таблица 6 – Результаты анализа экспериментальных исследований
Средне- Диспер-
СреднееНеобрабо-
квадрати- сия по ге-Отклоне- РазмахКоэффици-
Vмта/Vор значениетанная
ческое неральнойния мак- вариа-ент
, м/сотклоне-площадь,
отклоне- совокуп-симум, см ций, смвариации
ния, смм2
ние, см ности, см2
1,94/0,021,771,081,715200590,20
1,94/0,051,200,851,093607370,17
1,94/0,081,600,750,772575240,40
1,6/0,021,210,722,253518350,24
1,6/0,050,330,440,291062120,17
1,6/0,081,070,621,693255240,27
1,4/0,020,630,590,431909130,21
1,4/0,050,430,520,312084240,11
1,4/0,080,930,750,862731360,16

Установлено, что среднее значение отклонения по всем проходам на скоро-
сти 1,4 м/с составляет 15 мм. Дисперсия по генеральной совокупности на скорости
1,4 м/с составляет 1,85 см2, что в 6 раза больше чем с использованием устройства
на той же скорости движения и скорости отклонения рамки устройства в 0,05 м/с,
что отрицательно влияет на управляемость агрегата. Наибольшая необработанная
площадь поверхности учетной делянки наблюдалась при движении МТА на ско-
рости 1,94 м/с и составила 0,43 м2, а при скорости движения 1,4 м/с наименьшая
необработанная площадь и составила 0,4 м2.
В четвертой главе «Технико-экономическое обоснование применения
управляемого навесного устройства на культивации междурядий карто-
феля» проведена экономическая оценка выполнения технологической операции
культивации картофеля с помощью разработанного устройства управления ору-
дием УНУ-3. В соответствии с методикой экономической оценки инженерных
проектов рассчитана стоимость изготовления УНУ-3 в условиях ФГБНУ ФНАЦ
ВИМ на 2020-2021 год (Таблица 7).
Таблица 7 – Затраты на изготовление автоматизированного УНУ-3
Управляемое навес-
Наименование параметра
ное устройство
Затраты на изготовление деталей, руб16240,00
Общая стоимость покупных деталей, руб50580,80
Общепроизводственные (цеховые) накладные рас-
42 656,00
ходы на изготовление устройства, руб
Затраты на оплату труда производственных рабо-
13122,32
чих, занятых на сборке, руб
Общие, цеховые затраты на изготовление, руб122599,12

Установлено, что стоимость изготовления УНУ-3 в условиях ФГБНУ ФНАЦ
ВИМ с производственными затратами составили 122599,12 руб. Общая стоимость
УНУ-3 с установленным навигационным оборудованием составляет 504778,42
руб. На основе типовой технологической карты возделывания 100 га картофеля
предусмотрели использование управляемого навесного устройства УНУ-3 на
посадке и 2 довсходовых культивациях. Рассчитаны материальные и денежные
затраты по типовой технологической карте при условии прироста урожайности
картофеля в 7%. Определено, что срок окупаемости капитальных вложений на
приобретение или изготовление образца устройства и его использования на пло-
щади 100 га составит 1 сезон. Прибыль от реализации продукции, полученной с
использованием УНУ-3, увеличивается с 9664261 руб. до 10667591 руб, а
себестоимость 1 ц. картофеля снижается с 35571 руб. до 33535 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.В результате анализа литературных источников установлено, что
применение автоматизированного управляемого навесного устройства для
возделывания картофеля позволяет снизить потери урожая при последующих
операциях обработки почвы.
2.Обоснована конструктивно-технологическая схема и конструктивно-
кинематические параметры управляемого навесного устройства. Выбрана
трапецеидальная форма устройства, позволяющая производить смещение
внутренней рамки относительно наружной.
Теоретически обоснованы основные технические параметры управляемого
навесного устройства: тип машины- навесная; габариты устройства ДхШхВ, мм –
562х1433х883; масса устройства, кг – 240; рабочая скорость, м/с – по скорости
трактора; тяговый класс – 2,3; поперечное смещение рамок в горизонтальной
плоскости, мм – 250. Получены зависимости положения рабочих органов орудия
от осевой линии трактора.
3.В результате проведения полевых исследований установлены
эффективные режимы работы управляемого навесного устройства: оптимальное
значение отклонения продольной оси культиватора от линии заданной
навигационным оборудованием достигается при скорости движения трактора 1,6
м/с и скорости смещения рамки управляемого навесного устройства 0,05 м/с.
Коэффициент вариации при использовании управляемого навесного
устройства при оптимальной скорости движения агрегата 1,66 м/с и скорости
смещения рамки устройства составил 8%, без использования устройства 15%, что
положительно влияет на уменьшение отклонения оси культиватора от линии
заданной навигационном оборудованием.
4. Срок окупаемости капитальных вложений на приобретение или изготовле-
ние образца УНУ и его использования для площади 10 га на культивации карто-
феля составит 1,73 года при увеличении урожайности на 7 %.