ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Adam Gałęzia 1, Robert Gumiński 2, Marcin Jasiński 3, Jędrzej Mączak 4 WPŁYW DRGAŃ NA PRACĘ AGREGATU UPRAWOWO-SIEWNEGO Z MECHATRONICZNYM UKŁADEM STEROWANIA 1. Wstęp Wpływ drgań na pracę maszyn roboczych jest badany od wielu lat. Badania są przeprowadzane pod kątem przenoszenia się drgań na operatora i ich wpływu na jego zdrowie i samopoczucie [1-3], jak również pod kątem ich wpływu na prace maszyn. Stąd też potrzeba oszacowania wpływu drgań na pracę agregatu uprawowo-siewnego z mechatronicznym układem sterowania. Rozpatrywany agregat służy do wysiewu różnego typu nasion, np. pszenicy, rzepaku. Potrzeba sprostania rosnącemu zapotrzebowaniu na produkty rolne wymaga tworzenia maszyn rolniczych pozwalających na zwiększenie plonów. Jednym z kierunków jest tzw. precyzyjne rolnictwo tworzenie rozwiązań technicznych pozwalających na np. zapewnienie dokładnego i powtarzalnego wysiewu roślin uprawnych. Jedną z prac badawczych jest realizowany projekt Innotech. Istotnym novum jest zastosowanie w agregatach elektronicznego układu sterowania, odpowiedzialnego za jakość procesu wysiewu nasion. Układ ten będzie sterował pracą zespołów wysiewających oraz pracą automatycznego zespołu zapewniającego wysoką dokładność utrzymania zadanej głębokości umieszczenia nasion w glebie. Pozwoli to na zwiększenie prędkości ruchu roboczego agregatu i w efekcie uzyskanie wysokiej wydajności [4]. W skład agregatu wchodzić będzie: zestaw narzędzi do przedsiewnej uprawy gleby (wał strunowy, zęby sprężynowe lekkie i wał zębaty packer) oraz siewnik do wysiewu nasion zbóż i poplonów, nabudowany na tym zestawie. Siewnik wyposażony będzie w zespoły wysiewające typu roweczkowego oraz redlice tarczowe. Obecnie, powszechnie stosowane siewniki mechaniczne, z zespołami wysiewającymi typu kołeczkowego bądź roweczkowego, charakteryzują się zmiennością dawki wysiewu nasion i wskaźników jakości pracy w zależności od warunków eksploatacyjnych. Znaczne zmiany dawki wysiewu nasion oraz pogorszenie wskaźników nierównomierności poprzecznej wysiewu występują pod wpływem zmian pochylenia siewnika na terenach nierównych (pofałdowanych). Wykazały to badania, przeprowadzone m.in. przez Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych [5]. Dodatkowym zjawiskiem mogącym wpłynąć na dokładność wysiewu są drgania agregatu siewnego wynikające z poruszania się po nierównym terenie. W projekcie Innotech zadaniem realizowanym przez Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej była analiza modalna konstrukcji siewnika. Jej celem jest wyznaczenie ścieżki propagacji drgań konstrukcji wsporczej do układu sterowania zespołami 1 mgr inż. Adam Gałęzia, asystent, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 2 dr inż. Robert Gumiński, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 3 dr inż. Marcin Jasiński, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 4 dr hab. inż. Jędrzej Mączak, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 61

2 wysiewającymi. W pierwszym etapie [6] zbudowano model MES i przeprowadzono jego analizę pod kątem zbadania częstotliwości charakterystycznych. 2. Model MES Analizy zostały wykonane w programie ANSYS. Konstrukcja siewnika jest konstrukcją cienkościenną wykonaną z blach. Obliczenia przeprowadzono przy użyciu czterowęzłowych elementów powłokowych typu Shell z sześcioma stopniami swobody w każdym węźle, o grubości 2 i 3 [mm] zgodnie z projektem. Do obliczeń przyjęto stal S235J o następujących właściwościach materiałowych: moduł Younga E = 2.1E11 [Pa], gęstość ρ = 7800 [kg/m3], współczynnik Poissona ν = Na rysunku 1 przedstawiono sposób wprowadzenia warunków brzegowych przyjęty w symulacji. Mocowanie zostało zrealizowane poprzez zablokowanie przemieszczeń i obrotów węzłów zlokalizowanych na liniach określających otwory, symetrycznie po trzy otwory na stronę. Rys. 1. Warunki brzegowe przyjęte do analizy modalnej zbiornika Tabela. 1. Częstotliwości drgań własnych zbiornika Numer postaci drgań Częstotliwość drgań własnych Kolejnym krokiem było przeprowadzenie numerycznej analizy modalnej stworzonego modelu. Analizę przeprowadzono dla przyjętego zakresu częstotliwości od 0 do 1000Hz. Przyjęty zakres częstotliwości odpowiada drganiom generowanym w trakcie przejazdu siewnika w warunkach polowych z określoną prędkością. W zadanym zakresie częstotliwości wykazano 188 częstotliwości własnych zbiornika siewnika. W tabeli 1 przedstawiono częstotliwości drgań własnych, przy czym ograniczono się do 62

3 dziesięciu pierwszych postaci drgań jako dominujących pod względem amplitudy. Część z wyznaczonych wartości została wygenerowana przez wprowadzenie asymetrii w modelu, wynikającej z zadanej siatki elementów skończonych (mimo symetrii modelu geometrycznego). Drugim etapem prac była weryfikacja zachowania się modelu rzeczywistego zbiornika przeprowadzona na stanowisku pomiarowym. Dokładny opis przeprowadzonej analizy modalnej z wykorzystaniem metody elementów skończonych przedstawiono w [6]. 3. Stanowisko badawcze Pomiary przeprowadzono na modelu badawczym, będącym kopią agregatu uprawowo-siewnego z mechatronicznym układem sterowania, ale ze zmniejszoną szerokością całkowitą. System pomiarowy (Rys. 2), mierzący drgania, składał się z: trójosiowych akcelerometrów Bruel&Kjaer Typ 4504A o czułości ok. 10 mv/g; interfejsu pomiarowego National Instruments CompactDAQ 9172 wraz z modułami NI 9234 pozwalającymi na podłączenie przetworników pomiarowych; laptopa pomiarowego; kamery IP podłączonej do laptopa pomiarowego pozwalającej na jednoczesną rejestrację obrazu wraz z sygnałami drganiowymi. Rys. 2. Stanowisko pomiarowe Dodatkowo na stanowisku zamocowano wzbudnik drgań, którym pobudzano konstrukcję drganiami o zadawanej częstotliwości (Rys. 3). System wymuszania drgań składał się z: wzbudnika drgań Modal Shop 2100E11 z zamocowanym czujnikiem typu głowica impedancyjna PCB 288D01 o czułości czujnika siły 22,93 mv/n, czułość czujnika przyspieszeń 101,4 mv/g; wzmacniacza do sterowania wzbudnikiem Modal Shop 2100E21; laptopa pomiarowego; Podczas badań zmierzono amplitudy drgań zbiornika siewnika (Rys. 4) przy różnych częstotliwościach wymuszenia z zakresu Hz. Pomiary przeprowadzono 63

4 przy zbiorniku na nasiona napełnionym w 15% oraz przy wypełnieniu zbiornika 80%. Rys. 3. Zamocowanie wzbudnika wymuszającego drgania siewnika Rys. 4. Widok na sekcje wysiewające z zamocowanymi akcelerometrami oraz miarkami do pomiaru wydatków 64

5 Drugim etapem prac był pomiar wydatku jednostkowego wszystkich sekcji siewnika przy zadawanym wymuszeniu z określoną częstotliwością oraz bez wymuszenia. Ilość wysianych nasion była mierzona za pomocą specjalnym menzurek (Rys. 4), podczas 50 obrotów wału siewnika a następnie ważona na wadze laboratoryjnej. Wydatek jednostkowy uzyskiwano poprzez podzielenie zmierzonej ilości ziarna przez liczbę obrotów (50 obr). Pomiary wykonywano dla każdej sekcji osobno oraz również osobno dla różnych ilości ziarna w zbiorniku. Zważone ziarno, które zostało wysiane, po każdym pomiarze wracało do zbiornika. 4. Wyniki pomiarów Pomiary amplitud drgań zbiornika siewnika przy rożnych częstotliwościach wymuszenia z zakresu Hz wykazały, że największe amplitudy drgań zbiornika wypełnionego w 15% występują przy częstotliwościach z zakresu Hz, zaś dla zbiornika wypełnionego w 80% przy częstotliwości 12 Hz. W związku z tym pomiary wydatku jednostkowego siewnika dla zbiornika wypełnionego w 15% przeprowadzono dla częstotliwości wymuszenia 10 Hz i 11 Hz zaś dwa pomiary dla porównania przeprowadzono bez wymuszenia (Rys. 5). Wydatek jednostkowy [g/obr] {g/obr] Wydatek Wydatek jednostkowy siewnika (15% (1/3 zbiornika) Sekcja siewna Rys. 5. Wydatek jednostkowy pięciu sekcji siewnika przy zapełnieniu w 15% zbiornika nasion Dla zbiornika wypełnionego w 80% pomiary przeprowadzono dla wymuszenia 12 Hz oraz bez wymuszenia (Rys. 6). W przypadku zbiornika zapełnionego w 15% brak jest jednoznacznego wpływu wymuszenia (wymuszenie o zadanej częstotliwości lub jego brak) na uzyskany wydatek jednostkowy. Okolicznością utrudniającą wyciągnięcie wniosków jest duża losowość wyników dla tych samych sekcji co najlepiej widać w przypadku dwóch pomiarów bez wymuszenia (Rys. 5) wydatki jednostkowe znajdują się w zakresie od 14,848 [g/obr] do 15,668 [g/obr]. Dla zbiornika wypełnionego w 80% daje się zaobserwować pewna zależność. W przypadku wymuszenia częstotliwością 12 Hz ilość wysiewanego ziarna jest minimalnie mniejsza niż dla siewnika pracującego bez wymuszenia (Rys. 6), ale cały czas jest to na granicy błędu statystycznego. Niestety, wyniki dla 2 sekcji były zafałszowane ciałem obcym, które przytkało dyszę siewnika. Częstotliwość wymuszenia 65

6 Wydatek Wydatek jednostkowy {g/obr] [g/obr] Wydatek Wydatek jednostkowy jednostkowy siewnika siewnika (80% (pełen zbiornika) zbiornik) Sekcja Sekcja siewna Częstotliwość wymuszenia Rys. 6. Wydatek jednostkowy pięciu sekcji siewnika przy 80% zapełnieniu zbiornika 4. Podsumowanie W referacie przedstawiono badania nad wpływem drgań na pracę agregatu uprawowo siewnego z mechatronicznym układem sterowania umożliwiającym zwiększenie prędkości roboczej i podwyższenie dokładności wysiewu. Przeprowadzona analiza wykazała, że drgania nie powodują znaczącego wpływu na proces wysiewu ziarna. Może to być spowodowane niewielką amplitudą drgań wymuszających działających na siewnik. Najprawdopodobniej zastosowane pobudzenie nie było w stanie odzwierciedlić rzeczywistych sił działających na obiekt rzeczywisty. Kolejnym etapem prac będzie przeprowadzenie analizy modalnej rzeczywistej konstrukcji i walidacja modelu MES przedstawionego w publikacji [6]. Następnym etapem będzie opracowanie systemu monitorowania drgań konstrukcji pełnowymiarowego agregatu uprawowo siewnego, składającego się z zestawu czujników oraz sterownika komputerowego do rejestracji i analizy drgań konstrukcji, umożliwiającego pomiar drgań w warunkach rzeczywistych, to jest w czasie pracy w polu. Badania wykonano w ramach projektu INNOTECH-K2/IN2/64/182979/NCBR/12. References [1] Szczepaniak M., Rogacki R.: Badania wpływu nachylenia terenu na stałość ilości wysiewu nasion siewnikiem z roweczkowymi zespołami wysiewającymi. Prace PIMR, [2] Szczepaniak, J., Tanaś, W., Kromulski, J.: Vibration energy absorption in the whole-body system of a tractor operator. Annals of agricultural and environmental medicine: AAEM, 21(2), 2014, [3] Szczepaniak, J., Tanaś, W., Pawłowski, T., Kromulski, J.: Modelling of agricultural combination driver behaviour from the aspect of safety of movement. Annals of agricultural and environmental medicine, 21(2), (2014), [4] Szczepaniak J., Pawłowski T., Rogacki R., Wojciechowski J., Dudziński P.: Mechatronic control system in a tilling and sowing combined machine, Nauczni Izwiestija, vol. 154, nr 5, 2014, str

7 [5] Szczepaniak, J., & Kromulski, J.: Analysis of energy flow model in the biomechanical system human operator-agricultural combination. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 56(4), 2011, [6] Marcin Jasiński, Robert Gumiński: Analiza modalna modelu MES zbiornika do agregatu uprawowo-siewnego z mechatronicznymi układem sterowania. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, Vol. 2 (98), 2014, str Streszczenie W referacie przedstawiono wpływ drgań na pracę agregatu uprawowo siewnego z mechatronicznym układem sterowania umożliwiającym zwiększenie prędkości roboczej i podwyższenie dokładności wysiewu. Analizę przeprowadzono w celu znalezienia ścieżek propagacji drgań konstrukcji wsporczej na układ sterowania zespołami wysiewającymi czyli w celu minimalizacji drgań siewnika. Słowa kluczowe: wpływ drgań, agregat uprawowo siewny, dokładność wysiewu INFLUENCE OF VIBRATIONS FOR WORK FOR TILLING AND SOWING SET EQUIPPED WITH MECHATRONIC CONTROL SYSTEM Abstract In the paper influence of vibrations for mechatronic control system which allows to increase the operating time was presented. This in new mechanical seed drills with seeder unites with speed and increase the accuracy of sowing. This analyses were made in case of finding propagation paths of vibration, transferred from support structure to the control unit of seed drill, i.e. in case of vibrations reduction of seed drill. Keywords: influence of vibrations, the tilling and sowing set equipped, the accuracy of sowing 67