ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Jan Szczepaniak 1, Roman Rogacki 2, Tomasz Szulc 3, Marcin Szczepaniak 4 NOWA KONSTRUKCJA AGREGATU UPRAWOWO - SIEWNEGO Z MECHATRONICZNYM UKŁADEM STEROWANIA 1. Wprowadzenie Agregaty uprawowo-siewne należą do podstawowego wyposażenia gospodarstw rolnych specjalizujących sie w produkcji roślinnej. Od precyzji ich pracy oraz spełnienia rygorów agrotechnicznych zależy jakość i wielkość przyszłych plonów. Do siewu nasion drobnych (rzepaku, gorczycy), jak i średnich (pszenicy, żyta), oraz grubych (bobiku, grochu) najczęściej wykorzystywane są uniwersalne mechaniczne siewniki rzędowe. Ich ogólna zasada działania jest podobna do rozwiązania opracowanego już w 1785 roku przez Jamesa Cooke. Ze względu na ciągłą intensyfikację produkcji roślinnej celowe jest jednak ulepszanie istniejących konstrukcji, skutkujące poprawą jakości i wydajności pracy agregatów, zwiększeniem ergonomii i bezpieczeństwa ich obsługi. Poprawa własności użytkowych agregatów możliwa jest w wyniku uwzględnienia w procesie projektowania dotychczasowych doświadczeń z eksploatacji podobnych maszyn, wykorzystania wyników badań w tym zakresie oraz zastosowania wyspecjalizowanego oprogramowania wspomagającego prace inżynierskie [1]. 2. Etapy opracowania konstrukcji 2.1. Zakres modernizacji konstrukcji umożliwiający poprawę właściwości użytkowych W stosowanych powszechnie w rolnictwie uniwersalnych siewnikach mechanicznych stosuje się zespoły wysiewające typu kołeczkowego lub roweczkowego. Zespoły te otrzymują napęd od koła jezdnego siewnika poprzez bezstopniową lub stopniową przekładnię mechaniczną. Liczne badania wskaźników jakości pracy tego typu siewników wskazują na dość znaczne zmiany ilości wysiewu nasion pod wpływem zmian pochylenia siewnika na terenach pofałdowanych [2, 3]. W opracowywanym rozwiązaniu podjęto próbę polepszenia jakości pracy siewnika wchodzącego w skład agregatu poprzez zastosowanie elektrycznego napędu zespołów wysiewających oraz programowalnego układu sterowania realizującego odpowiedni algorytm korekcyjny. W ten sposób zrezygnowano z dalszego udoskonalania mechanizmu odpowiedzialnego za dozowanie nasion, a skupiono się na ocenie wrażliwości przyjętego rozwiązania na zmienne warunki eksploatacyjne i, poprzez odpowiednią korektę w układzie sterowania, zniwelowanie ich niekorzystnego wpływu na jakość pracy siewnika. 1 dr hab. inż. Jan Szczepaniak, prof. nzw. Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych 2 mgr inż. Roman Rogacki, Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych 3 mgr inż. Tomasz Szulc, Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych 4 mgr inż. Marcin Szczepaniak, Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych 125

2 2.2. Badania stanowiskowe modelu siewnika W celu opracowania wrażliwości zespołów wysiewających na zmienne warunki eksploatacyjne zaprojektowano i zbudowano stanowisko badawcze. Rys. 1. Budowa stanowiska badawczego 1- konstrukcja nośna, 2- przenośnik taśmowy, 3- model siewnika, 4- układ sterowania i kontroli, 5- rejestrator optyczny, 6- oświetlenie Stanowisko umożliwia pomiar wydatków jednostkowych dozowników nasion oraz badanie nierównomierności podłużnej wysiewu. Badanie nierównomierności podłużnej polega na wysiewie nasion na pokrytą specjalnym klejem taśmę przenośnika i rejestracji ich położenia za pomocą kamery. Do analizy zdjęć opracowana została procedura automatycznej obróbki obrazów, która pozwala na wyeliminowanie pracochłonnego zliczania nasion. Stanowisko umożliwia prowadzenie badań w dłuższym okresie czasu obejmującym zmiany warunków eksploatacyjnych (kąta pochylenia siewnika, prędkości roboczej) i w efekcie ocenę skuteczności działania algorytmu korekcyjnego Opracowanie konstrukcji w postaci modeli CAD 3D Na podstawie przeprowadzonych badań i założeń projektowych opracowano modele 3D agregatów uprawowo - siewnych o szerokości trzech i czterech metrów. Do modelowania zastosowano system komputerowy SolidWorks Modele składają się z następujących podstawowych elementów (rys. 2): wału strunowego przedniego, zębów sprężynowych lekkich, wału typu packer, zbiornika nasion, redlic talerzowych. W konstrukcji agregatów przyjęto zawieszany system agregowania z ciągnikiem. Konstrukcja charakteryzuje się krótką i zwartą budową. Do ramy nośnej zamontowane są sekcje zębów sprężynowych. Siewnik zbożowy zamocowany jest do głównych podłużnic agregatu uprawowego za pomocą specjalnych łączników. Agregat w czasie pracy podparty jest na przednim wale rurowym oraz tylnym wale typu packer. 126

3 Rys. 2. Widok ogólny modelu agregatu uprawowo siewnego o szerokości roboczej trzech metrów 1 wał rurowy przedni, 2 sekcja zębów sprężynowych, 3 wał typu packer, 4 skrzynia nasienna, 5-redlice talerzowe, 6 - zagarniacz Analiza wytrzymałościowa konstrukcji W celu sprawdzenia własności wytrzymałościowych opracowywanego agregatu uprawowo siewnego na etapie projektowania, przed budową prototypu, przeprowadzono analizę konstrukcji obu wersji agregatu (o szerokości roboczej 3 m i 4 m) metodą elementów skończonych (MES). W tym celu, na podstawie opracowanego wstępnego projektu, zbudowano modele 3D obu agregatów (rys. 2), a następnie opracowano modele obliczeniowe przy uwzględnieniu przewidywanych warunków eksploatacji oraz obciążeń (rys. 3). Rys. 3. Siatka elementów skończonych modelu agregatu uprawowo siewnego o szerokości roboczej 3,0 m 127

4 Dla potrzeb analizy wytrzymałościowej agregatu opracowano następujące przypadki obciążenia: LC1 transport po drogach, (nadwyżka dynamiczna 1.4), LC2 transport z pochyleniem bocznym 8,5, (nadwyżka dynamiczna 1.4), LC3 transport z pochyleniem do tyłu 8,5, (nadwyżka dynamiczna 1.4), LC4 transport z pochyleniem do przodu 8,5, (nadwyżka dynamiczna 1.4), LC5 praca (nadwyżka dynamiczna 1.3 dla oporów roboczych). Po przeprowadzeniu obliczeń za pomocą systemu I-DEAS NX 6 stwierdzono przekroczenie dopuszczalnych wartości naprężeń dopuszczalnych dla obu wersji agregatu. Dla wersji o szerokości roboczej 3 m przekroczenia takie stwierdzono w następujących miejscach: w koźle zaczepowym siewnika, w belce nośnej sekcji wysiewającej, na podłużnicy ramy nośnej siewnika, na uchwycie belki regulacji sekcji wysiewającej. Natomiast dla agregatu o szerokości roboczej 4 m przekroczenie naprężeń dopuszczalnych nastąpiło w: ramie nośnej siewnika, belce nośnej sekcji wysiewającej, belce regulacji sekcji wysiewającej, górnej ramie siewnika, ramie nośnej agregatu. Rys. 4. Mapa naprężeń zredukowanych w belce sekcji wysiewającej, przypadek LC1: przykładowe miejsce wystąpienia przekroczenia naprężeń dopuszczalnych Na podstawie uzyskanych wyników wprowadzono zmiany konstrukcyjne konieczne z punktu widzenia wymagań wytrzymałościowych. Przykładowo, w belce nośnej sekcji wysiewającej zastosowano nakładki pod uchwyty (kolor zielony na rys. 5) oraz zwiększono grubość profilu. 128

5 Grubość 10 mm Profil 80x80x6 Rys. 5. Wzmocnienie belki nośnej sekcji wysiewającej Po przeprowadzeniu symulacji obciążeń modeli uwzględniających wprowadzone poprawki, stwierdzono zmniejszenie maksymalnych wartości naprężeń zredukowanych oraz brak przekroczeń naprężeń dopuszczalnych. Stwierdzono zatem, że zaproponowana konstrukcja spełnia wymagania w zakresie wytrzymałości doraźnej. Następnym etapem pracy było przeprowadzenie analizy wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji agregatu uprawowo siewnego. Podstawowym problemem było uzyskanie informacji o poziomie naprężeń średnich oraz o charakterze cyklicznych zmian naprężeń. W celu uzyskania wartości i zakresu wymuszeń dla poszczególnych przypadków obciążeń przeprowadzono dodatkowe obliczenia, dzięki którym uzyskano naprężenia średnie dla badanej maszyny. Przyjęto dwa przypadki pomocnicze, które były podstawą do analizy wytrzymałości zmęczeniowej. Opisywały one obciążenie pionowe podczas pracy agregatu w pozycji pionowej (bez pochylenia) i bez nadwyżki dynamicznej: LC01 obciążenie pionowe - transport, LC02 obciążenie pionowe - praca. Przypadek LC01 odpowiada obciążeniom średnim dla przypadków LC1-LC4. Warunki brzegowe dla takiego przypadku będą identyczne jak dla przypadków LC1- LC4 z tym, że brak będzie nadwyżki dynamicznej. Natomiast przypadek LC02 jest to przypadek obciążenia pionowego przyjęty w celu wyznaczenia naprężeń średnich dla przypadku LC5. Jako wartości średnie obciążeń działających podczas eksploatacji przyjęto wartości naprężeń uzyskanych dla przypadku obciążenia pionowego (przypadki LC01 i LC02). Natomiast ich amplitudę przyjęto jako różnicę wartości naprężeń dla przypadku LC01 oraz odpowiednio przypadków LC1 LC4 dla transportu po drogach. Natomiast dla pracy agregatu amplitudę jako różnicę między wartościami naprężeń otrzymanymi dla przypadków LC02 i LC5. Należy zauważyć, że analizę prowadzono dla każdego przypadku obciążeń opisujących różne warunki transportu oddzielnie. Tak uzyskane średnie wartości naprężeń i ich amplitudy wprowadzono do systemu obliczeniowego i wyznaczono wykresy Smitha. Na podstawie uzyskanych wykresów 129

6 (przykład przedstawiono na rys. 6) stwierdzono, że wymagania wytrzymałości zmęczeniowej dla przewidywanych obciążeń eksploatacyjnych zostały spełnione. Rys. 6. Wykres Smitha dla stali S355, graficzne przedstawienie wyników analizy wytrzymałości zmęczeniowej dla transportu po drogach 3. Podsumowanie Przedstawione powyżej działania zmierzające do opracowania ulepszonej konstrukcji agregatu uprawowo - siewnego obejmują jedynie wycinek zagadnień z jakimi musiał się zmierzyć zespół projektowy. W wyniku przeprowadzonych badań i obliczeń otrzymano wszechstronne informacje dotyczące funkcjonalności i wytężenia konstrukcji. Dzięki obliczeniom MES możliwe było jeszcze na etapie projektowania wprowadzenie niezbędnych zmian konstrukcyjnych i uniknięcie kłopotliwych i kosztownych zmian w dokumentacji technicznej i prototypach. Literatura: [1] Pawłowski T., Szczepaniak J., Mielec K., Grzechowiak R.: Zastosowanie metod modelowania, symulacji komputerowej i walidacji w procesie wdrażania do produkcji nowych maszyn rolniczych, Inżynieria Rolnicza 2/2006 s , [2] Kogut Z.: Ilość wysiewu nasion siewnikiem uniwersalnym w aspekcie zmiennych warunków eksploatacyjnych, Problemy Inżynierii Rolniczej 4/2003 s , [3] Grudnik P.: Równo w rzędzie, Farmer 05/2007. Streszczenie Przedstawiono zagadnienia związane z projektowaniem agregatu uprawowo - siewnego z mechatronicznym układem sterowania. W opracowanym rozwiązaniu zastosowano elektryczny napęd zespołów wysiewających oraz programowalny układ sterowania realizujący odpowiedni algorytm korekcyjny. Do opracowania i analizy algorytmu sterowania zbudowano stanowisko badawcze, które umożliwia pomiar 130

7 wydatków jednostkowych dozowników nasion oraz badanie nierównomierności podłużnej wysiewu. Badanie jakości siewu odbywa się z zastosowaniem metod analizy obrazu. Opracowano konstrukcję agregatów i przeprowadzono analizy wytrzymałościowe. Wyznaczono obszary przekroczenia dopuszczalnych naprężeń. Pozwoliło to na wprowadzenie zmian konstrukcyjnych zmierzających do obniżenia naprężeń poniżej wartości dopuszczalnych. Przeprowadzono symulacje dla różnych warunków pracy w celu oceny trwałości konstrukcji. Słowa kluczowe: siewnik, MES. THE NEW CONSTRUCTION OF TILLAGE AND SOWING UNIT EQUIPPED WITH THE MECHATRONIC CONTROL SYSTEM Abstract The issues related to the design of soil cultivating of mechatronic control system is presented in the paper. The developed solution consists of electric drive units and a programmable spreading control system using appropriate correction algorithm. The test stand was built to develop and analyze control algorithm. It enable measuring of individual spending dispensers of seeds and study of longitudinal inequality sowing. Sowing quality testing is carried out using the methods of image analysis. Construction of aggregates were developed and strength analyzes were performed. The areas exceeding the allowable stresses were determined. This allowed the introduction of structural changes designed to reduce stress to the limit values. Simulations were performed for different operating conditions in order to assess the durability of the structure. Keywords: seeder, FEM 131