Методика лабораторных исследований технического состояния измельчительного ротора ботвоудалителя

УДК 636.4.087.61

Доктор техн. наук М.А. НОВИКОВ

МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО РОТОРА БОТВОУДАЛИТЕЛЯ

Одним из наиболее важных способов поддержания надёжности уборочных машин на высоком уровне в течение длительного времени является техническая диагностика. Результаты исследований и анализ практического опыта показывают, что правильное решение вопросов, связанных с внедрением диагностирования (особенно в полевых условиях), позволяет повысить межремонтную наработку машин на 20-30% и снизить эксплуатационные расходы на 15-20% [1].

Машины, участвующие в процессе уборки урожая сельскохозяйственных культур, подвержены многим явлениям, связанным с активной эксплуатацией. Одним из таких явлений является отказ, как правило, выпадающий на самый ответственный момент -непосредственное участие агрегата в технологическом процессе уборки. Следствием такого отказа в большинстве случаев является нарушение сроков уборки, так как падает уровень технической вооруженности хозяйства, а при увеличении срока даже на один день возрастает вероятность перемены погодных условий на неблагоприятные.

Таким образом, при внезапном выходе из строя даже одной машины, участвующей в технологическом процессе уборки, появляется серьезный риск снижения количества и качества производимой хозяйством продукции. Подобного необоснованного риска внезапного отказа можно избежать, если проводить профилактические мероприятия, включающие в себя оценку работоспособности машин методами и средствами технического диагностирования для заблаговременной подготовки к ответственному периоду. Однако применение методов оценки технического состояния в указанных ситуациях не систематизировано, отсутствует единая методика их использования, особенно в случаях диагностирования агрегатов, имеющих активные рабочие органы в виде ротора-измельчителя, а именно ботвоуборочных машин. В связи с этим задача разработки методики исследования связи диагностических и структурных параметров технического состояния данной категории машин для разработки эффективных методов диагностирования является актуальной и востребованной.

Цель исследования - создание лабораторной установки и разработка методики исследования связи диагностических и структурных параметров технического состояния измельчительного ротора ботвоуборочной машины.

Материалы, методы и объекты исследования. Для проверки теоретических основ определения показателей оценки технического состояния ботвоуборочной машины по диагностическим вибрационным параметрам и обоснования режимов диагностирования в эксплуатационных условиях при помощи электронных диагностических средств необходимо создать экспериментальную установку и провести лабораторные экспериментальные исследования [1]. В конкретном случае для диагностирования вибрационным методом с помощью электронного виброанализатора рассматривается ботвоуборочная машина Grimme KSA-75-2, имеющая роторный вал длиной 1800 мм, приводящийся от вала отбора мощности трактора с частотой 900-1200 мин'1. На валу ротора установлено 46 г-образных ножей, размещенных по винтовой (спиральной) линии и закрепленных на свободно вращающихся втулках. В рабочее положение ножи приходят только во время выхода вала на определенную частоту вращения. Вследствие некоторых технических особенностей при работе с машиной в лаборатории целесообразно проводить исследование на лабораторной установке, представленной на рис. 1.

пружины; 10 - станина; 11 - ножи

Результаты исследования. Задачей исследований в лабораторных условиях является подтверждение возможности использования разрабатываемой методики и средств контроля технического состояния измельчительного барабана ботвоудалителя, оценка трудоёмкости предлагаемых диагностических операций [1]. Также важно выявить влияние различных факторов на стабильность и достоверность измерения вибрационных параметров [2]. Все диагностические операции предполагается проводить на экспериментальной установке (рис. 1), обеспечивающей работу ротора ботвоудалителя на холостом ходу с имитацией реальной нагрузки с помощью тестового груза в лаборатории кафедры ТСА СПбГАУ [4].

Таблица 1. Приборы и оборудование, применяемые в экспериментальных исследованиях

Наименование прибора Тип прибора Измеряемый параметр Единицы измерения Погрешность

Блок измерительный БИ-1 Преобразование сигнала — —

Выключатель бесконтактный оптический (датчик фазового угла) DT-2234C Частота вращения/угол поворота мин / град 1

Вибропреобразователь (на базе микросхемного акселерометра) ДН3-М1 Виброускорение мВ 0,6

Переносной компьютер Samsung NC-10 — —

Штатив магнитный NMS-2 — — —

Весы электронные ВСП-1 Масса грамм 0,2

Прибор «Балком 1» — Анализ Сигнала —

Набор калибров FG-136 Зазор подшипников мм 0,01

Программное обеспечение Balcom — — —

В рамках проведения экспериментальных исследований для измерения параметров вибросигналов и их регистрации используется измерительная аппаратура и оборудование, представленные в табл. 1.

Измерительная аппаратура выбиралась с учётом поставленных задач экспериментальных исследований, а именно:

- обеспечение контроля за режимом работы измельчительного барабана как объекта диагностирования;

- осуществление частотной и временной селекции диагностического сигнала;

- проведение регистрации, записи и интерпретации получаемой информации в форме, удобной для её дальнейшей обработки;

- сравнение и анализ изменений структурных и диагностических параметров в процессе исследований.

В качестве первичных преобразователей при исследованиях используются виброизмерительные преобразователи ускорений на основе микросхем, а для измерения частоты вращения приводного вала - оптический датчик с лазерным тахометром DT-2234C.

Датчик DT-2234C устанавливается любым способом на расстоянии от 50 до 1000 мм на кронштейне, обеспечивающем его относительную неподвижность и падение лазерного луча на поверхность шкива привода роторного вала (с установленной на нем светоотражающей меткой любого типа). Принцип действия датчиков фазового угла, типа DT, используемых для измерения частоты вращения и определения угла поворота шкива бесконтактным способом, основан на отклике оптической системы, управляемой микросхемой при попадании лазерного луча в отражающую метку, закрепленную на шкиве привода измельчительного барабана. Датчик фазового угла может быть также установлен любым способом, обеспечивающим его неподвижность и позволяющим навести лазерный прицел на путь прохождения метки. Правильность установки датчика (с помощью магнитного штатива) обеспечивает сохранность датчика и повышает точность определения частоты вращения, фазовых параметров исследуемых вибросигналов. Частота следования калиброванных по амплитуде и длительности импульсов пропорциональна скорости вращения вала измельчительного барабана.

Выбор датчиков вибрации на основе микросхем в качестве измерительных преобразователей объясняется целым рядом причин.

Достоинствами этих датчиков являются простота конструкции, возможность измерения быстропеременных величин, малые габариты. Виброакселерометры такого типа широко применяются в вибродиагностике и составляют одну из самих многочисленных групп вибропреобразователей, использующихся в электронных измерительных приборах [2]. Установка вибродатчиков на корпус опорного подшипника производится с помощью собственных креплений на основе неодимовых магнитов, обеспечивающих надежное, плотное соединение, не нарушающее целостности конструкции и нормального функционирования рабочих органов машины при работе на холостом ходу. Усилие прижатия датчиков обеспечивается постоянно.

Для решения поставленных задач исследований необходимо задаться рядом требований, которым должны отвечать измерительно-регистрирующие приборы. Из требований к приборам следует отметить:

- необходимые технические характеристики;

- портативность и энергетическая независимость;

- простота использования, монтажа и демонтажа датчиков на машине;

- набор функций, позволяющих проводить диагностику (в том числе и динамическую балансировку ротора) в эксплуатационных условиях без использования дополнительной электронно-вычислительной аппаратуры;

- представление результата анализа полученных данных в виде, понятном оператору, не имеющему углубленных знаний в области вибродиагностики;

- доступная цена.

Одним из решающих условий применения прибора для тех или иных нужд являются его технические характеристики, так как они определяют возможность использования устройства для работы с конкретной машиной.

На основе анализа рынка приборов для решения аналогичных задач установлено, что наиболее полно отвечает всем вышеописанным требованиям портативный комплекс «Кинематика - Балком 1», технические характеристики которого описаны в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики комплекса «Балком 1»

Показатель Пределы изменения

Диапазон измерения среднего квадратического значения (СКЗ) виброскорости, мм/сек 0,2 - 50

Частотный диапазон измерения СКЗ виброскорости, Гц 5 - 200

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения СКЗ виброскорости на базовой частоте

Число плоскостей коррекции при балансировке 1 или 2

Диапазон измерения частоты вращения, мин ~1 300 - 30000

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения, где N изм -измеренное значение частоты в рабочем диапазоне частот, мин _1 частотчастотвращения, мин _1 ±

Диапазон измерения сдвига фазы вибрации, угловых градусов 0 - 360

Прибор «Балком 1», общий вид которого и его измерительного блока представлены на рис. 2 и 3, является портативным балансировочным комплектом, предназначенным для балансировки в одной или двух плоскостях коррекции вращающихся в собственных подшипниках роторов. Прибор включает в себя: два датчика вибрации, датчик фазового угла, измерительный блок, а также переносной компьютер - ноутбук (при необходимости в составе прибора возможно использование стационарного компьютера). Он может быть использован при проведении сборочных, монтажных и ремонтных работ с целью снижения динамических нагрузок, действующих на подшипниковые узлы машин вследствие их неуравновешенности. При этом существенно повышается ресурс работы машин и механизмов. Использование балансировочного комплекта позволяет во многих случаях исключить потребность в специальных балансировочных станках, так как балансировка ротора выполняется в его собственных подшипниках без разборки механизма.

Весь процесс балансировки, включающий в себя измерение, обработку и вывод на индикацию информации о величине и месте установки корректирующих грузов, выполняется в автоматизированном режиме и не требует от пользователя дополнительных навыков и знаний. Результаты всех измерительных операций сохраняются в архиве балансировки и при необходимости могут быть распечатаны в виде протоколов.

Методика лабораторных исследований предусматривает следующий общий порядок операций при проведении контрольных измерений [1,2,5]:

- установка для имитации работы на холостом ходу ротора ботвоудалителя размещается на чистой, ровной, твердой поверхности;

- проводится внешний осмотр ротора (износ и излом ножей и стоек их крепления и т.д.), замеченные недостатки устраняются и устанавливаются датчики. В целях обеспечения безопасности данные операции проводятся при неработающем двигателе привода;

- специальными калибрами ВакеЛ определяют величину радиального зазора опорных подшипников (суммарный зазор не должен превышать 0,4 мм);

- запускается электродвигатель привода, и роторный вал выводится на частоту вращения 900 мин'1 , затем ротор разгоняется до высокой рабочей частоты вращения 1200 мин-1 (для калибровки датчика фазового угла), далее частота снижается до средней рабочей 1000 мин1

- проводятся измерения и контроль параметров на дисплее компьютера: уровня вибросигнала, частоты вращения, фазы вибросигнала в соответствии с программой измерения с последующей интерпретацией полученных данных интерфейсом «Ва1сот» (в автоматическом режиме) для проверки сбалансированности ротора перед имитацией неисправности;

- остановив электродвигатель и обесточив установку, в любом предусмотренном месте ротора устанавливают имитационный груз массой до 100 г;

- запускается электродвигатель привода, и роторный вал выводится на частоту вращения 1000 мин'1;

- проводятся измерения и контроль на дисплее компьютера следующих параметров: уровня вибросигнала, частоты вращения и фазы вибросигнала в соответствии с программой измерения с последующей интерпретацией полученных данных интерфейсом «Ва1сот» для выявления дисбаланса и определения места установки корректирующего груза;

- остановив электродвигатель и обесточив установку, в указанном программой «Ва1сот» месте ротора устанавливают корректирующий груз необходимой массы;

- на основании сравнения данных, полученных при работе установки со сбалансированным и несбалансированным ротором, дается заключение о техническом состоянии измельчительного барабана;

- на основании сравнения данных, полученных при работе установки с несбалансированным и вновь сбалансированным ротором, дается заключение о точности диагноза и результативности мероприятий по балансировке;

- для оценки технического состояния опорных подшипников и повышения вибрационной чувствительности метода имитируется реальный режим функционирования измельчительного ротора путем создания искусственного дисбаланса с помощью тестового груза в плоскостях, наиболее близко расположенных к опорам; затем проводятся операции диагностирования в соответствии с вышепредставленной методикой.

Рис.2. Прибор «Балком 1» в комплекте

Трудоемкость диагностирования и подготовительных работ определяется хронометражем как отдельных операций, так и их набора в исследуемой последовательности [3]. Средняя трудоёмкость диагностирования измельчительного ротора вычисляется по выражению:

= N (То + Тп),

где N - количество операторов, производящих диагностирование; То - время измерения и анализа результата; Тп - среднее время подготовки к диагностированию.

Для обеспечения объективности измерений принимается трёхкратная повторность хронометражных и диагностических работ [3]. Каждая повторность производится с разной массой и местом размещения имитационных грузов. Средняя трудоёмкость работ определяется с точностью до 0,01 часа. При хронометраже используется секундомер (в интерфейсе переносного компьютера с точностью 5 с).

ХЗ Х2 XI 1

Рис. 3. Измерительный блок прибора «Балком 1» с датчиками: 1 - измерительный блок;

2,3 - датчики вибрации; 4 - датчик фазового угла; Xi ,Х 2 - разъемы для датчиков вибрации;

X з - разъем для подключения датчика фазового угла

Выводы. Использование предлагаемого экспериментального оборудования и методики проведения исследований позволяет:

- оптимизировать перечень и последовательность выполнения операций диагностирования, что необходимо для разработки технологии диагностирования;

- обосновать рациональное место установки измерительных преобразователей;

- установить оптимальный скоростной режим измельчительного ротора;

- выбрать наиболее информативные частоты и фазы максимальной амплитуды вибрации диагностического сигнала.

Литература

1. Аллилуев В.А., Новиков М.А. и др. Надежность самоходных уборочных машин в современных экономических условиях АПК: учебное пособие /под ред. В.А. Аллилуева. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 122 с.

2. Барков А.В., Баркова Н.А. Вибрационная диагностика машин и оборудования, анализ вибрации: учебное пособие. - М.; СПб: СПбГМТУ, 2004. - 156 с.

3. Кузнецова Е.В. Математическое планирование эксперимента: учебно-методич. пособие / ПГТУ. - Пермь, 2011. - 70 с.

4. Новиков М.А., Сидыганов Ю.Н., Гуськов И.Б. Тестовое диагностирование роторных рабочих органов сельскохозяйственных машин // Методы и средства повышения эффективности эксплуатации машинно-тракторного парка / ЛСХИ. - СПб., 1987. - С. 45 -47.

5. Сидыганов Ю.Н. Методы и средства диагностирования технического состояния молотильного барабана зерноуборочного комбайна по параметрам вибрации и углового ускорения разгона: (на прим. зерноуборочного комбайна "Дон-1500"): автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1989. - 16 с.

Literatura

1. Alliluev V.A., Novikov M.A. i dr. Nadezhnost' samohodnyh uborochnyh mashin v sovremennyh ehkonomicheskih usloviyah APK: uchebnoe posobie /pod red. V.A. Allilueva. - Joshkar-Ola: MarGTU, 2001. - 122 s.

2. Barkov A.V., Barkova N.A. Vibracionnaya diagnostika mashin i oborudovaniya, analiz vibracii: uchebnoe posobie. - M.; SPb: SPbGMTU, 2004. - 156 s.

3. Kuznecova E.V. Matematicheskoe planirovanie ehksperimenta: uchebno-metodich. posobie / PGTU. - Perm', 2011. - 70 s.

4. Novikov M.A., Sidyganov YU.N., Gus'kov I.B. Testovoe diagnostirovanie rotornyh rabochih organov sel'skohozyaj stvennyh mashin // Metody i sredstva povysheniya ehffektivnosti ehkspluatacii mashinno-traktornogo parka / LSKHI. - SPb., 1987. - S. 45 - 47.

5. Sidyganov YU.N. Metody i sredstva diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya molotil'nogo barabana zernouborochnogo kombajna po parametram vibracii i uglovogo uskoreniya razgona: (na prim. zernouborochnogo kombajna "Don-1500"): avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. - L., 1989. - 16 s.

УДК 638.382

Канд. техн. наук Р.В. ШКРАБАК (ФГБОУ ВО СПбГАУ, shkrabakrv@mail.ru) Аспирант Р.И. ЧАПЛИН Аспирант А.В. ШКРАБАК

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМЫ «ТЕПЛИЦЫ-ЧЕЛОВЕК-РАСТЕНИЯ -

ТЕХНОЛОГИИ - ТЕХНИКА - СРЕДА»

Проблема обеспечения населения регионов овощеводческой продукцией (сезонно или круглогодично) в условиях большинства регионов страны, учитывая их географическое расположение и климат, решается использованием теплиц — наиболее распространённых сооружений защищённого грунта. Эти сооружения получили достаточную популярность и являются пока единственно надежным источником обеспечения людей витаминизированной овощеводческой продукцией в осенне-зимне-весенний период. В связи с восстановлением агропромышленного производства после непродуманных перестроечных реформ потребность в продукции защищённого грунта будет возрастать. Следовательно будут развиваться тепличные комплексы в ближайшей и дальней перспективе. Это особенно важно в зонах, приближенных к большим городам. Надежды на импортозамещение не всегда адекватны отечественному производству; кроме того, целесообразность импортозамещения овощеводческой продукции с учетом комплекса экономических и качественных показателей в части пищевой ценности в ряде случаев не только целесообразна, но и результативна. Поэтому в пригородных земледельческих зонах практически всех регионов страны получили большое распространение (и продолжают расширяться) культивационные сооружения защищенного грунта — теплицы и тепличные комплексы. Экономическая целесообразность таких решений не вызывает сомнений, как и социальная, в части поставки овощей.

Вместе с тем нуждаются в оценке и, как показывают результаты исследований [1-3], совершенствовании условий труда работающего в них персонала (как правило, в значительном большинстве — женщин), поскольку производство плодоовощеводческой продукции в культивационных сооружениях сопровождается травмами и заболеваемостью работников. Однако к настоящему времени не разработаны теоретические положения системы «теплицы-человек-растения-технологии-техника-среда» (Т-Ч-Р-Те-Тх-Ср).

Цель исследования - теоретическое обоснование системы «теплицы-человек-растения- технологии -техника- среда» по трудоохранным параметрам и анализ их взаимосвязи и взаимовлияния на работающих там операторов.