Независимо от выращиваемых культур технологические процессы в полеводстве почти одинаковые: обработку почвы, посев, уход за растениями и уборки урожая. их выполняют мобильными агрегатами МТА или специализированными самоходными машинами. Управление любыми технологическими процессами в полеводстве состоит из вождения агрегата, регулирования загрузки двигателя и рабочих органов машины, а также контроля за выполнением технологических операций.
Найтрудомісткою операцией является вождение, трудозатраты на которое, например при пахоте, составляют около 80 % всех затрат труда механизатора. Но автоматизация вождения очень затруднена вследствие следующих причин.
Во-первых, это мобильность средств производства. Ведь обрабатываемый материал (грунт, растения) остается неподвижным, а двигаются средства производства, которые его обрабатывают.
Во-вторых, сложность рельефа полей. Почти на каждом поле есть склоны, косогоры, балки и тому подобное, что создают дополнительные непредвиденные препятствия агрегата.
В-третьих, значительная неоднородность физико-механических свойств обрабатываемого материала, это меняет, например, тяговые усилия при перемещении агрегата и выполнении им одинаковых операций.
Значительного внимания механизатора требуют операции, связанные с регулированием работы двигателя агрегата, созданием условий для его лучшей эксплуатации. Внешние препятствия изменяют крутящий момент на валу отбора мощности (вом), причиной которых тоже есть изменения физико-механических свойств почвы, растений, а также неровности поверхности почвы и неоднородность насаждений. Эти помехи влияют и на загрузки рабочих органов уборочных машин.
Качество вспашки, культивации, посева, уборки урожая тоже требуют определенных усилий и внимания механизатора. При вспашке нужно соблюдать определенной глубины и следить, чтобы не было огрехов. Культивация требует высокой точности работы. Например, погрешность копирования строк рослым не должна превышать 2-3 см. Такая же точность требуется и при посеве: глубина заделки — до 1 см; норма высева — 10 г/см2. Огрехи не должны превышать 1 % засеянной площади. Сбор урожая характеризуется потерями (до 1,5 %) и качеству собранной продукции.
Опыт показывает, что механизатор без помощи технических средств не может обеспечить управление агрегатом; при качественном выполнении технологических операций и оптимальном использовании его производительности. На энерго — насыщенных агрегатах, таких как кукурузоуборочный комбайн «Херсонец-200», механизатор без помощи автоматических систем управления и контроля может использовать только 60-64 % производительности агрегата во время уборки урожая. При этом качество сборки поддерживается на должном уровне только первые три часа. Далее механизатор утомляется и качество уборки значительно ухудшается. Следовательно, применение автоматических систем при работе мобильных агрегатов в полеводстве необходимое.
Рассмотрим ряд методов ориентации машинно-тракторного агрегата, которые применяются при автоматическом вождении. Самым распространенным является копирование: машина или МТА копируют линию, оставленную ими же при предыдущем проходе. Это может быть борозда, маркерная линия, образованная специальным слідоутворювальним оборудованием, предел хлебостоя и тому подобное.
На рис. 2.20 изображена упрощенная принципиальная схема системы автоматического вождения трактора, построена на методе копирования. Воспринимающий элемент фиксирует отклонения копира 2, которое появляется при отклонении движения трактора 9 от борозды 1. Если отклонение больше за зону нечувствительности порівнювального элемента 3, то электрический сигнал поступает на элемент управления, который состоит из двух электромагнитов 4 и гидравлического усилителя 5. Элемент управления выясняет, в какую сторону произошло отклонение и определяет его величину. В зависимости от направления отклонения включается тот или иной электромагнит, который перемещает поршни гидроусилителя, а величина отклонения выливает на длительность удержания поршней в этом положении. При отклонении поршней масло попадает, до исполнительного элемента гидроцилиндра 6. Его поршень перемещает зубчатую рейку, которая с помощью рулевой трапеции 8 изменяет положение передних ведущих колес трактора 9. Они возвращаются до тех пор, пока копир снова не займет нейтральное положение.
Такие системы изготавливают и монтируют на тракторах К-700, ДТ-75 и другие. Однако они имеют недостатки. Во-первых, их можно использовать только при выполнении одной или нескольких операций. Например, систему автоводіиня, для которой борозды предыдущего прохода является направляющей траекторией, можно применять лишь при пахоте. Кроме того, такие системы приобретают ошибок предыдущих проходов. То-
2.20. Принципиальная схема системы автоматического вождения трактора:
1 — борозда (базовая линия); 2 — копир; 3 — сравнительный элемент; 4 — электромагниты; 5 — гидрораспределитель; 6 — гидроцилиндр; 7 — рычаг; 8 — рулевая трапеция; 9 — трактор
м уже при третьем — пятом проходе искривляется борозда, что приводит к некачественной вспашки и потерь производительности агрегата, поскольку требует периодического выпрямления борозды водителем агрегата. Надо отметить, что борозда и другие маркерные линии не могут быть надежным ориентиром для механических копировальных средств. За указанным методом нельзя автоматически вести агрегат на поворотной полосе. Следовательно, описанный метод обязательно предусматривает присутствие механизатора, который должен все время контролировать работу автомата вождения и разворачивать агрегат в конце гона.
Более совершенными являются системы автоматического вождения, которые используют для направления движения агрегата естественные или искусственные ориентиры на поле. Природными могут быть строки растений, валки скошенного хлеба, земляные гребни, где размещены растения; искусственными — штамбы, проволока, которые поддерживают растения, токопроводящий провод, заключенный в’землі тому подобное.
Системы, для управления которыми используют естественные ориентиры, чаще применяют на самоходных уборочных машинах: зерно-, кукурузо-, свекло-, капусто — и картоплезбиральних комбайнах. Автоматическое вождение зерноуборочных комбайнов осуществляется по валках, для уборки кукурузы, сахарной свеклы, капусты — по строкам растений, картоплезбирального — во земляных гребнях.
Важной задачей является создание систем по регулю
применению положения сельскохозяйственных орудий относительно поверхности поля. Они нужны при работе землеробної техники (плугов и культиваторов), посевных и уборочных агрегатов.
Системы регулирования глубины вспашки и культивации должны стабилизировать глубину обработки почвы. Согласно агротехническим требованиям отклонения глубины вспашки на ровных участках поля не должно превышать 1,5 см, а неравных — 2-3 см. Неравномерность глубины обработки почвы при культивации не должна превышать 1 см.
Существует два основных метода построения систем автоматического регулирования глубины вспашки силовой и по отклонению. При первом систему регулирования создают на основе измерения тягового усилия. Второй метод основывается на использовании расстояния от поверхности почвы до — режущего края плуга.
Силовой метод не измеряет непосредственно регулировочную величину, поэтому при изменении физико-механических свойств почвы в течение гона отклонения глубины пахоты неизбежны. Но благодаря простой конструкции воспринимающего элемента системы этот метод сейчас является самым распространенным.
Рассмотрим работу системы, построенную на методе регулирования по отклонению глубины (рис. 2.21). Измерительным. устройством регулятора есть планка с ползунком 4, Отклонение планки от изменения глубины хода плуга передается на золотниковый гидрораспределитель 1, который управляет работой гидроцилиндра 2. Последний изменяет положение плуга 3.
При отклонении глубины пахоты Н в сторону ее увеличения: планка с ползунком под действием пружины 5 отклоняется вверх и перемещает плунжер гидрораспределителя влево. Масло под давлением поступает в нижнюю полость гидроцилиндра, поршень которого поднимается вверх и заглубления плуга уменьшается. При уменьшении глубины вспашки система будет действовать в обратном направлении. Самыми совершенными являются системы автоматического регулирования глубины пахоты, действие которых основано па комбинированном методе, учитывающий отклонения глубины пахоты и тяговое усилие. При изменениях физико-механических свойст-
2.21., Система регулирования отклонения глубины пахоты:
1 — гидрораспределитель; 2 — гидро
цилиндр; 3 — плуг; 4 — планка с ползунком; Н — глубина вспашки
ностей грунта резко возрастают тяговые усилия, что приводит к пробуксовки трактора и требует перехода на низшую передачу и принудительное ручное виглиблення орудия. Наличие в такой системе силового воспринимающего элемента позволяет значительно повысить производительность МТА на пахоте.
Эффективное использование уборочной техники и тракторов возможно только при оптимальной загрузке рабочих органов и двигателя в соответствии с условиями их работы.
В связи с тем, что внешние факторы при работе сельскохозяйственной техники изменяются в широких пределах, неравномерность загрузки двигателя и рабочих органов машин значительная, а это может привести к аварии. Поэтому необходимость в оборудовании техники автоматическими устройствами очевидна.
Широко применяется метод контроля загрузки рабочих органов уборочных машин, который основан на контроле частоты вращения рабочих валов. При перегрузке любого органа машины его вал уменьшает частоту вращения. На индикации частоты вращения и создаются системы контроля загрузки рабочих органов сельскохозяйственных машин.
В последнее время разработан и производится целый класс таких систем. Кроме контроля частоты вращения, они контролируют потери продукции, уровень ее в бункерах и тому подобное.
Рассмотрим конструкцию и работу такой системы контроля на примере УСАК-13. Система предназначена для автоматического контроля частоты вращения 13 рабочих органов самоходной коренезбиральної машины КС-6 и подачи световой и звуковой сигнализации при снижении частоты вращения в том или другом узле с определением его местонахождения. С помощью сигнальных ламп контролируют приводы копачев (с 1 по 6 датчик), шнека (датчик 7), биттеров копачев (датчик 8), передаточного вала (датчик 9), продольного транспортера (датчик 10), .загрузочного элеватора (датчик 11), ленточного транспортера (датчик 12), грудкоподрібДОовача (датчик 13). Система УСАК-13 состоит из 14 датчиков (один запасной), блока управления, а также 14 кабелей для подсоединения датчиков к блоку.
Блок управления предназначен для восприятия сигналов от датчиков, их анализа и формирования сигнала на индикаторах. К блоку присоединяют все элементы и узлы системы. На его передней панели размещены клеммы для подключения питания от электрооборудования комбайна, кле-
ма подключения звукового сигнала, штепсельные разъем «Индикатор» для подключения индикатора и «Датчик» — датчиков, переключатель «К—1» — для проверки исправности системы, два предохранители «2А» — для цепи питания и
«5А» — для круга звукового сигнала. Сверху блока находится крышка, которая закрывает место переключателя «Датчик» для установления количества подключенных к системе датчиков, и переключатель «Обороты», с помощью которого устанавливают режим работы системы контроля.
Индикатор системы предназначен для размещения органов управления и индикаторов визуальной сигнализации аварийного состояния узлов, которые подлежат контролю.
Индикатор выполнен в виде малогабаритного блока. На его передней панели установлены выключатели питания системы «ВКЛ» и звукового сигнала «ГУДОК», индикаторная лампа наличия питания и 13 сигнальных ламп. На задней панели смонтировано штепсельный разъем для подключения кабеля от блока управления.
Датчик системы осуществляет преобразование механического движения вращения в последовательность электрических импульсов. Это электромагнит с двумя обмотками, размещенными в стальном цилиндрическом корпусе, и магнитным шунтом на валу, который контролируют. Одну из обмоток используют для создания электромагнита, а вторую электрических сигналов. В корпусе датчика находится фланец для установки датчика на узле. Преобразование механического движения в электрические сигналы осуществляется с помощью магнитных шунтов, выполненных с учетом конструкции и частоты вращения рабочих валов.
На рис. 2.22 изображена электрическая схема системы контроля, которая состоит из конденсатора С, электронного ключа К и порогового элемента НЬ. Заряд конденсатора осуществляется за счет постоянного напряжения иж на резисторе Я. Электронный ключ срабатывает в такт с импульсом, который поступает от датчика. Пороговый элемент срабатывает, если напряжение на конденсаторе достигает предельного значения итр. Для реализации порогового элемента ис-‘ используют тиратроны типа МХТ-80 в диодном подключении или светодиоды.
Принцип действия системы такой. Импульсы от датчика поступают на электронный ключ К замыкают его и в это время через ключ разряжается конденсатор С. Заряжается он при розімкненому к до напряжения /7гр за время Ттр. Если период между’ двумя импульсами меньше Ггр, то конденсатор не успевает зарядиться до напряжения £/гр и пороговый элемент не срабатывает. При снижении частоты вращения ро-
рабочего вала под действием перегрузки импульсы от датчика будут поступать через больший промежуток времени. Если период будет больше ГГр, напряжение на конденсаторе С успевает достичь £/гр, что приведет к срабатыванию порогового элемента. При этом конденсатор будет разряжаться через тиратрон НЬ. Световая индикация проявляется в виде периодов загорания тиратрона.
Ключ К состоит из двух каскадов, выполненных на транзисторах УТИ и УТ2 (рис. 2.23). Первый каскад усиливает импульсы, поступающие от датчика, до уровня срабатывания второго каскада. При открывании транзистора УТ2 через него разряжается конденсатор С.
Для проверки состояния основных блоков УСАК в процессе работы применяют блок самоконтроля, который состоит из генератора, который вырабатывает импульсы с частотой выше чем частота импульсов от датчиков. При подаче напряжения с такой частотой па выходе всех каналов должны появиться сигналы «отсутствие отклонений», что свидетельствует о нормальной работе системы.
Важными системами контроля за правильным выполнением технологических операций являются системы контроля высева: «КЕДР», УСК, ХА и др. В сеялках часто нарушается нормальная работа механизмов: забиваются грунтом сошники, попадают посторонние предметы в высевающие аппараты и тому подобное. Все эти недостатки приводят к неравномерности высева зерна, что существенно снижает урожайность. Контроль за работой сеялок позволяет водителю уделять основное внимание вождению агрегата, обеспечивая прямолинейность строк и заданное стыковку междурядий.
Систему «КЕДР» устанавливают на сеялках СУПН. Питается он от бортовой электрической сети трактора, с которым агрегатируется сеялка и состоит из восьми дат-
ных площадок контроля высева семян и уровня семян, блоков усиления и индикации и соединительных кабелей.
Датчики контроля высева семян — это П-подібннй корпус, где находятся осветительная лампа, фотодатчик и елктричний усилитель (рис. 2.24). При подаче питания лавпаНЬ освещает фотодиод ВЬ, который является чувствительным элементом. Семена, которые высеваются, пересекает световой луч между лампой и фотодиодом, что вызывает изменение фототока. Фотодиод через конденсатор СИ, подключенный к двухкаскадного транзисторного усилителя (транзисторы 1/71 и УТ2). При изменении фототока на выходе усилителя возникают электрические импульсы.
Датчик контроля наличия зерна в бункере (рис. 2.25) тоже имеет П-образный корпус, где находятся лампа, фото и балластный резисторы. При подаче напряжения питания лампа НЬосвітлює фоторезистор ВЬ. В этом случае его сопротивление составляет десятки кілоом и ток на выходе фоторезистора является сигналом датчика уровня об отсутствии зерна в бункере. Если фоторезистор находится в слое семян, то его сопротивление достигает десятков мегаом и на выходе сигнал отсутствует.
Сигналы от датчиков поступают в блок усилителей, к которому подключаются датчики и пульт управления. Кроме усилителей, в блоке находится дешифратор — диодная матрица, состоящая из восьми групп диодов. С ее помощью выходные сигналы с каждого усилителя преобразуются в сигналы для появления соответствующей цифры на пульте управления и включение звукового сигнала.
Пульт управления является металлическим корпусом, внутри которого на печатной плате смонтированы генераторы световых и звуковых импульсов, усилители и средства индикации. На лицевой панели размещены декоративная решетка головки громкоговорителя, индикаторы «Вкл» и «Уровень», тумблер включения питания, цифровое табло номера места от — каза, кнопка включения режима «Проверка».
Анализируя опыт развития автоматизации процессов в полеводстве за рубежом и в Украине, можно сделать вывод, что в основном уровень автоматизации мобильных агрегатов будет повышаться путем совершенствования существующих систем автоматического контроля и защиты, разработки систем автоматического управления на новой элементной базе, создание новых систем на уборочных машинах, которые смогут определять качество уборки урожая.
Современные системы автоматического контроля и защиты совершенствуются за счет увеличения информации о технологический процесс, повышения надежности работы систем, их унификации и универсализации.
Специализированные системы автоматического контроля выполняют на различных агрегатах почти одинаковые функции, но отличаются техническими решениями и элементной базой. Универсальные системы лишены этих недостатков.
Современные системы автоматического управления мобильными агрегатами разрабатываются с учетом нового оборудования, с помощью которого возможно управление всеми процессами. Так один управляющий устройство может управлять вождением агрегата, работой двигателя и правильным выполнением технологических операций. Таким устройством может быть только бортовая электронно-вычислительная машина (БЕОМ). Уже сейчас разрабатываются и проходят испытания универсальные управляющие устройства на основе микро — ЭВМ, которые управляют процессами подготовки почвы, посева, ухода за растениями и уборки урожая. При этом до одного и того же управляющего устройства сочетаются новые устройства для представления информации о параметрах того или иного технологического процесса.
Эффективным направлением совершенствования управления уборочных машин является оснащение их устройствами, которые могут распознавать собираемую продукцию. В последнее время создано оборудование для отделения картофеля от комков и камней с использованием рентгеновских лучей. Разрабатывают системы, которые отличают зрелый салат от недозрелого на основе жестких гамма-лучей. С помощью длинноволнового электромагнитного излучения делают попытки распознать цвет овощных культур.