Устройство для непрерывного определения твердости почвы

Изобретение относится к техническим средствам измерений физико-механических свойств почвы. Устройство содержит тензозвено, последовательно соединенные датчики давления и функциональные преобразователи наддува, на входе турбокомпрессора и разрежения турбокомпрессора, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, формирователь угловых меток, функциональный преобразователь угловой скорости, дифференциатор, датчик верхней мертвой точки, формирователь импульсов ВМТ, счетчик угловых меток, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, формирователь угловых меток цилиндра, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по третий переключатели, последовательно соединенные датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, функциональный преобразователь угловой скорости ротора и двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора. Достигается упрощение, а также повышение точности и универсальности определения твердости любых неоднородных почв почвообрабатывающими агрегатами. 10 ил.

 

Изобретение относится к техническим средствам измерений физико-механических свойств почвы, преимущественно для непрерывной регистрации твердости слоя почвы при основной обработке неоднородных почв, культивации и внесении удобрений и/или мелиорантов почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания.

Известен прибор для непрерывного определения твердости почвы (А.с. SU №1201773, М.кл. G01N 33/24, опубл. 30.12.85. Бюл. №48), содержащий шарнирньй четырехзвенник, установленную на нем тензометрическую стойку, закрепленный на последней деформатор, защитный нож, установленный на стойке, копирующий каток, связанный с четырехзвенником, причем деформатор, имеющий предохранительный узел, выполнен в виде вертикального дополнительного ножа с трапецеидальным сечением в поперечно-вертикальной плоскости деформирования с большим основанием вверху, а защитный нож установлен перед деформатором с возможностью вертикального перемещения относительно стойки.

Недостатком известного устройства является высокая трудоемкость и сложность непрерывного определения твердости почвы при основной обработке солонцово-черноземных и подобных комплексов почв находящимися в эксплуатации почвообрабатывающими агрегатами.

Известно устройство для непрерывного определения твердости почвы почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, форсированный газотурбонаддувом (Патент RU 2298778, МПК G01N 3/42; G01N 33/24, опубл. 10.05.07. Бюл. №13), являющееся прототипом заявляемого технического решения. Оно содержит тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува, функциональный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, причем выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи, а датчик частоты вращения коленчатого вала подключен к тахометру.

Недостатком известного устройства является невозможность непрерывного определения твердости почвы при основной обработке солонцово-черноземных и подобных комплексов почвы находящимися в эксплуатации почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания, не имеющий форсированного газотурбонаддува. Кроме того, при прохождении легких почв почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, форсированный газотурбонаддувом, возрастает погрешность определения твердости почвы, так как при этом чувствительность давления наддува к изменению тягового сопротивления снижается.

Задача заявляемого технического решения - повышение универсальности, упрощение непрерывного определения твердости слоя неоднородных почв с любой степенью неоднородности почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания, повышение точности определения твердости почвы, в том числе почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, форсированный газотурбонаддувом.

Задача решается тем, что в устройство для непрерывного определения твердости почвы, содержащее тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува и функциональный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, дополнительно введены формирователь угловых меток, функциональный преобразователь угловой скорости, дифференциатор, датчик верхней мертвой точки, формирователь импульсов ВМТ, счетчик угловых меток, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, формирователь угловых меток цилиндра, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по третий переключатели, последовательно соединенные датчик давления на входе турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления на входе, последовательно соединенные датчик давления разрежения турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления разрежения, последовательно соединенные датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, функциональный преобразователь угловой скорости ротора и двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора.

Причем датчик давления наддува соединен с функциональным преобразователем давления наддува, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи. Датчик частоты вращения коленчатого вала через формирователь угловых меток соединен с функциональным преобразователем угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором. Датчик верхней мертвой точки через формирователь импульсов соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток и входом аналогового ключа ВМТ. Второй счетный вход счетчика угловых меток связан с выходом формирователя угловых меток, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла, четвертый управляющий вход через третий переключатель - с выходом нуль-органа. Выход счетчика угловых меток соединен с входом функционального преобразователя числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя угловых меток цилиндра. Выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение соединен с тахометром и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра, а выход формирователя угловых меток цилиндра через формирователь строба соединен с первым управляющим входом аналогового ключа цилиндров. Второй управляющий вход формирователя угловых меток цилиндров соединен с задатчиком номеров угловых меток цилиндров. Выход дифференциатора соединен с входами аналогового ключа ВМТ, нуль-органа и аналогового ключа цилиндров. Выход перестраиваемого резонансного фильтра соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а выход аналогового ключа цилиндров - с входами вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений. Выход первого переключателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход второго переключателя - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра. Выход дифференциатора соединен с вторым переключателем в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува, на входе турбокомпрессора и разрежения, двойного дифференциатора соединены с первым и вторым переключателями с второго по пятое положениями соответственно. Выходы аналогового ключа ВМТ, функционального преобразователя числа импульсов в напряжение, первых и вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем с шестого по тринадцатое положениями соответственно.

Введение в указанной связи новых по сравнению с прототипом конструктивных блоков обеспечивает достижение нового технического результата - оперативное непрерывное определение твердости слоя почвы почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, снижение трудоемкости благодаря устранению необходимости установки тензозвеньев на каждый почвообрабатывающий агрегат. Получение оперативной достоверной информации о твердости слоя почвы позволяет обеспечить качественную обработку почвы, в особенности при основной обработке солонцово-черноземных и подобных комплексов почв, при которой требуется периодическая смена рабочих органов, а также локальное внесение мелиорантов и удобрений. Эта информация может быть использована также в системе автоматического управления рабочими процессами агрегата.

На фиг.1 изображено устройство, установленное в кабине моторно-транспортного средства. На фиг.2 представлены зависимости силовых компрессионной |K(φ)| и индикаторной (газовой) S(φ) функций для всего множества вихрекамерных ДВС при различных значениях политроп сжатия и расширения. На фиг.3 приведены зависимости компрессионной |K(φ)| и индикаторной S(φ) функций для конкретного значения степени сжатия и соответствующая этим функциям зависимость индикаторного момента M_i1 двигателя, образованного работой одного цилиндра. На фиг.4 показано формирование ускорения коленчатого вала ДВС компоновки 4-Р. На фиг.5 представлены зависимости смещения суммарного ускорения ε относительно мгновенного значения ускорения коленчатого вала при нахождении поршня в ВМТ, вызванные увеличением тягового сопротивления агрегата. На фиг 6 изображена внешняя скоростная характеристика по мощности двигателя 6V14/16 (СМД-62). На фиг.7 приведены внешняя и токоскоростная характеристики генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. На фиг.8 приведены внешняя и токоскоростная характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением. На фиг.9 приведены внешняя и токоскоростная характеристики вентильного генератора с независимым возбуждением. На фиг.10 приведены токоскоростные характеристики некоторых тракторных вентильных генераторов индукторного типа.

На фиг.1 обозначено: 1 - датчик давления наддува, 2 - функциональный преобразователь давления наддува, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - определитель твердости почвы, 5 - индикатор, 6 - задатчик коэффициента связи, 7 - датчик частоты вращения коленчатого вала, 8 - тахометр, 9 - формирователь угловых меток, 10 - функциональный преобразователь угловой скорости, 11 - дифференциатор, 12 - датчик верхней мертвой точки, 13 - формирователь импульсов ВМТ, 14 - счетчик угловых меток, 15 - аналоговый ключ ВМТ, 16 - задатчик угловых меток цикла, 17 - нуль-орган, 18 - функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, 19 - формирователь угловых меток цилиндра, 20 - перестраиваемый резонансный фильтр, 21 - формирователь строба, 22 - аналоговый ключ цилиндров, 23 - задатчик номеров угловых меток цилиндров, 24…26 и 27…29 - первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, 30 и 31 - первый и второй переключатели, 32 - датчик давления на входе турбокомпрессора, 33 - функциональный преобразователь давления на входе турбокомпрессора, 34 - датчик давления разрежения турбокомпрессора, 35 - функциональный преобразователь давления разрежения, 36 - датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, 37 - функциональный преобразователь угловой скорости ротора, 38 - двойной дифференциатор, 39 - измеритель тока и напряжения генератора, 40 - третий переключатель. Причем датчик давления наддува 1 соединен с функциональным преобразователем 2, выход аналого-цифрового преобразователя 3 соединен с первым входом определителя твердости почвы 4, выход которого соединен с индикатором 5, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи 6. Датчик частоты вращения коленчатого вала 7 через формирователь угловых меток 9 соединен с функциональным преобразователем 10 угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором 11. Датчик верхней мертвой точки 12 через формирователь импульсов ВМТ 13 соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток 14 и входом аналогового ключа ВМТ 15. Второй счетный вход счетчика угловых меток 14 связан с выходом формирователя угловых меток 9, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла 16, четвертый управляющий вход через переключатель 40 - с выходом нуль-органа 17. Выход счетчика угловых меток 14 соединен с входом функционального преобразователя 18 числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя 19 угловых меток цилиндра. Выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение 18 соединен с тахометром 8 и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра 20, а выход формирователя 19 угловых меток цилиндра через формирователь строба 21 соединен с первым входом аналогового ключа цилиндров 22. Второй вход формирователя 19 угловых меток цилиндра соединен с задатчиком 23 номеров угловых меток цилиндров. Выход дифференциатора 11 соединен с входами аналогового ключа ВМТ 15, нуль-органа 17 и аналогового ключа цилиндров 22. Выход перестраиваемого резонансного фильтра 20 соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного 24, максимального 25 и среднеквадратического 26 значений, а выход аналогового ключа цилиндров 22 - с входами вторых измерителей средневыпрямленного 27, максимального 28 и среднеквадратического 29 значений. Выход первого переключателя 30 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 3, а выход второго переключателя 31 - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра 20. Выход дифференциатора 11 соединен с вторым переключателем 31 в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува 2, на входе турбокомпрессора 33 и разрежения 35, двойного дифференциатора 38 соединены с первым 30 и вторым 31 переключателями с второго по пятое положениями соответственно. Выходы аналогового ключа ВМТ 15, функционального преобразователя 18 числа импульсов в напряжение, первых 24…26 и вторых 27…29 измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя 39 тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем 30 с шестого по тринадцатое положениями соответственно.

Датчики давлений наддува 1, на входе турбокомпрессора 32 и разрежения 34 могут содержать пьезоэлектрические чувствительные (первичные) измерительные преобразователи. В качестве функциональных преобразователей давлений 2, 33 и 35 может быть применен типовой преобразователь заряда в напряжение. Аналого-цифровой преобразователь 3 выполнен по стандартной схеме. Определитель твердости почвы 4 является спецвычислителем и построен на элементах микропроцессорной техники. Индикатор 5 - цифровое световое табло. Задатчик коэффициента связи 6 представляет собой клавиатуру с декадой цифр и клавишами управления. В качестве датчиков частоты вращения коленчатого вала 7 и ВМТ 12 могут быть использованы индукционные датчики, устанавливаемые напротив зубчатого венца маховика двигателя и отверстия в нем соответственно. Тахометр 8 обеспечивает измерение и визуальную индикацию частоты вращения коленчатого вала двигателя. Формирователь угловых меток 9 и формирователь импульсов ВМТ 13 содержат триггер Шмитта и ждущий мультивибратор, формирующие импульсы стандартизованной длительности и амплитуды. Функциональные преобразователи 10, 18 и 37 - типовые преобразователи последовательности импульсов в напряжение. Задатчик угловых меток цикла 16 - переключатель, коммутирующий число разрядов счетчика 14 (емкость счетчика), которое устанавливается в соответствии с удвоенным числом зубьев (угловых меток) на венце маховика двигателя. Формирователь 19 угловых меток цилиндра - счетчик импульсов. Задатчик 23 номеров угловых меток цилиндров - коммутатор (переключатель), задающий номера импульсов, соответствующих началу и концу работы цилиндров. Перестраиваемый резонансный фильтр 20 построен на активном полосовом фильтре (на операционном усилителе), резонансная частота которого изменяется за счет переключения конденсаторов и дополнительно подстраивается с помощью емкости варикапа, управляемого напряжением. Формирователь строба 21 - статический триггер, вырабатывающий импульс, длительность которого определяется начальными и конечными импульсами цилиндров. Первые 24…26 и вторые 27…29 измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений построены по типовым схемам вольтметров. Датчик 36 угловой скорости ротора турбокомпрессора - индукционный датчик, устанавливаемый напротив крыльчатки ротора. Измеритель тока и напряжения генератора 39 содержит переключаемые амперметр и вольтметр.

Устройство для непрерывного определения твердости почвы почвообрабатывающими агрегатами, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель, работает следующим образом.

Установлено, что тяговое сопротивление Ra почвообрабатывающего агрегата линейно связано с твердостью (плотностью) почвы:

где F_к - сила перекатывания, а и b - глубина вспашки и ширина захвата, m -эмпирический коэффициент: m=0,014 при работе корпусов рабочих органов без залипания; m=0,030…0,032 при залипании корпусов рабочих органов почвой; Т_ср - средняя твердость почвы по глубине пахоты.

Так как тяговое сопротивление оценивают на рабочих скоростных режимах, близких к n=n_ном (n - частота вращения коленчатого вала), то из уравнения баланса мощностей

где β - коэффициент пропорциональности, постоянный для данного тягового средства и определяемый при градуировке посредством тягового динамометра; индексы p и x соответствуют рабочему (под нагрузкой) и холостому проходам агрегата.

Используя тот или иной косвенный параметр П_N, отражающий мощность двигателя можно определить тяговое сопротивление почвообрабатывающего агрегата:

Из уравнений (1) - (3) получим:

где к_св - коэффициент связи: к_св=(β/abm).

В переходных и установившихся режимах динамика ДВС описывается дифференциальным уравнением в моментах с переменными коэффициентами:

где J_Д, M_i, , , M_T, М_нг, М_ИН, - моменты: инерции, индикаторный, компрессионная и газовая составляющие индикаторного момента, трения, нагрузки, инерционный, инерционный остаточный; ω, ε - угловые скорость и ускорение коленчатого вала; φ - угол поворота коленчатого вала (ПКВ); ψ - перемещение органа топливоподачи (ход рейки топливного насоса); f_наг - сила нагрузки; ξ_m - угол сдвига по фазе между индикаторными моментами отдельных цилиндров согласно диаграмме распределения вспышек; ζ_m - угол сдвига по фазе между инерционными составляющими отдельных цилиндров согласно их компоновке; i_ц - число цилиндров; , , , , , , ε_нг - составляющие ускорения: компрессионная, газовая, термодинамическая, инерционная переменная неуравновешенная, инерционная остаточная, трения в цилиндропоршневых группах ε_T1 и в остальных сопряжениях ДВС, нагрузки.

Для каждого из цилиндров составляющие полного ускорения:

где ε_ц - ускорение коленчатого вала, вызванное работой одного цилиндра (для упрощения в дальнейшем - ускорение цилиндра); V_ц - рабочий объем цилиндра двигателя; р_с - давление сжатия; - среднее индикаторное давление; K₁(φ) и S₁(φ) - известные из теории ДВС безразмерные компрессионная и газовая (индикаторная) силовые функции, вызванные работой цилиндра:

К(φ)=Г(φ)/2Дⁿ(φ); S(φ)=GГ(φ)/2σ^q; Г(φ)=sin(φ+α)/cosα;

Д(φ)=1+0,5(γ_сж-1)[1-cosφ+λ^-1(1-cosα)];

G=[(γ_сж-1)(q-1)]/{(ρ_i-1)(q-1)+ρ_i[1-(γ_сж/ρ_i)^1-q]}; α=arcsin(λsinφ); λ=r/L; r и L - радиус кривошипа и длина шатуна; γ_сж - степень сжатия; n и q - средние значения показателей политроп сжатия и расширения; ρ_i - степень предварительного расширения продуктов сгорания;

.

Функции K₁(φ) и S₁(φ) для всего множества, например, вихрекамерных ДВС при различных значениях политроп сжатия и расширения могут быть аппроксимированы набором кривых, зависящих только от степени сжатия с_сж (фиг.2: а - кривая 1 - γ_сж=12; кривая 2 - γ_сж=14; кривая 3 - γ_сж=16; кривая 4 - γ_сж=20; б - кривая 1 - γ_сж=14; кривая 2 - γ_сж=16; кривая 3 - γ_сж=20; фиг.3: для двигателя 4Ч13/14 - среднее значение M_I1(φ)):K₁₊(φ)=а_кφ[exp(-b_kφ)]; S₁(φ)=a_sφ[exp(-b_sφ)]; K₁₊(φ) - положительная ветвь функции K₁(φ); а_к, a_s, b_к, b_s - константы.

В стационарном режиме полной нагрузки полное ускорение коленчатого вала ДВС:

На фиг.4 показано формирование ускорения ДВС компоновки 4-Р.

В установившемся режиме работы агрегата составляющая отражает индикаторный момент M_i и мощность N_i. С ростом увеличивается размах составляющей . Следовательно, определив среднее значение суммы переменных , можно оценить полную индикаторную мощность двигателя:

где k_m∂ - коэффициент пропорциональности, зависящий от марки ДВС (числа цилиндров, момента инерции, степени сжатия); T₀ - время поворота коленчатого вала на 360°.

Вместо средних значений можно использовать также экстремальные (амплитудные) значения

где k_{m∂ m} имеет тот же смысл, что и k_m∂ (они не равны между собой).

При этом достаточно использовать только положительные экстремумы, так как составляющая определяется функцией S(φ), которая всегда положительна. Кроме того, это повышает чувствительность сигнала к изменению активных сил двигателя благодаря тому, что в установившемся режиме смещается относительно нуля так, чтобы среднее значение ускорения равнялось нулю. Это приводит к значительному уменьшению влияния составляющей , которая определяется функцией K(φ), симметричной относительно нуля.

У уравновешенных двигателей (ε_ин→0) с низким уровнем переменной составляющей потерь:

Для повышения чувствительности параметра П_N (особенно в применении к многоцилиндровым ДВС) целесообразно при прокрутке двигателя (без нагрузки) измерить с привязкой по углу ПКВ мгновенные значения ускорения коленчатого вала и вычесть их из ускорения (6) в фазе. Кроме того, точность и достоверность оценки энергетических показателей можно повысить благодаря селекции сигнала в частотной (фильтрация) и фазовой (по углу ПКВ) областях. Действительно, спектр переменной составляющей процесса нагружения двигателя всегда содержит более низкие частоты, чем спектр процессов, вызванных активными движущими силами двигателя. Активная часть спектра ускорений сил трения и инерционных сил различных присоединительных элементов, кинематически связанных с коленчатым валом, располагается выше указанного спектра. Селекция по углу ПКВ позволяет избавиться от взаимно перекрывающихся участков рабочих процессов (на срезе импульсов ), возникающих у многоцилиндровых двигателей.

В качестве параметра П_N можно также использовать составляющие амплитудно-частотного спектра ускорения коленчатого вала. Из анализа функций K(φ) и S(φ), максимумы которых достигаются при φ=22…30°, следует, что наибольшая доля энергии спектра приходится на составляющие ε₃₄, кратные 3-4-й гармоникам частоты вращения, тогда

где - среднее выпрямленное значение сигнала ε₃₄, a A₃₄=maxε₃₄ при t∈[t₁, t₂]; [t₁, t₂] - интервал времени, соответствующий активной части индикаторной силовой функции (фиг.3, б).

Помимо средневыпрямленных и экстремальных значений могут также применяться средние квадратические значения сигналов:

Мощность двигателей, форсированных газотурбонаддувом, функционально связана с параметрами турбокомпрессора:

где k_mн - величина, определяемая параметрами топливной и воздушной магистралей ДВС; р_к - давление наддува.

В свою очередь давление наддува р_к:

где π_к - постоянная для данного турбокомпрессора величина; , ϖ_T, ϖ - относительные отклонения величин: , ϖ_T=Δω_T/ω_{T ном},

ϖ=Δω/ω_ном; k_в, θ_в - величины, зависящие от параметров турбокомпрессора; ω_Т - угловая скорость ротора турбокомпрессора; р_{к вх} - давление воздуха перед компрессором; р₀ - атмосферное давление, δ_{р вх} - степень разрежения воздуха на входе в компрессор. Δр_р - разрежение воздуха на входе в компрессор; δ_{р вх}=Δp_p/р₀.

Следовательно, кроме давления наддува р_к в качестве показателя П_N можно применить параметры ω_Т, Δр_р или р_{к вх} (последние два параметра более чувствительны к изменению тягового сопротивления):

Неравномерность индикаторного момента ДВС в стационарном режиме приводит к колебаниям давления и температуры потока выхлопных газов, что является причиной колебаний угловых скорости и ускорения вала турбокомпрессора. Так как колебание параметров потока выхлопных газов определяется изменением индикаторного момента двигателя, то активная часть изменения давлений р_к, р_{к вх}, Δр_р, угловых скорости ω_Т и ускорения ε_Т может быть также аппроксимирована отрезком синусоиды, кратной 3…4-й гармоникам частоты вращения коленчатого вала, усредненных по всем цилиндрам:

где , , , - средние значения по всем цилиндрам выпрямленных гармоник давлений р_к, р_{к вх}, Δр_р и ускорения ротора ε_Т турбокомпрессора, кратных 3-4-й гармоникам частоты вращения коленчатого вала.

Аналогично в качестве параметров мощности П_N могут применяться средние значения по всем цилиндрам максимальных и средних квадратических значений указанных гармоник:

где А_К34=max р_к34, А_{к вх34}=max р_{к вх34}, А_р34=max Ap_{p 34}, А_εТ34=max ε_Т34 при t∈=[t₁, t₂]; [t₁, t₂] - интервал времени, соответствующий активной части индикаторной силовой функции цилиндра (фиг.3, б).

При нахождении поршня в ВМТ составляющие , и ε_ИН равны нулю, а составляющую ε_Т внутренних потерь при определенном скоростном режиме можно считать постоянной. К тому же ее уровень значительно ниже уровня остальных составляющих. Поэтому с ростом тягового сопротивления происходит смещение суммарного ускорения ε относительно мгновенного значения ускорения коленчатого вала при нахождении поршня в ВМТ (нулевой линии) ε_вмт, которое одновременно приводит к появлению сдвига φ_вмт по углу поворота коленчатого вала или интервала времени, соответствующего этому углу между ВМТ и моментом перехода мгновенного значения ускорения через ноль (фиг.5, где кривые 1 - двигатель без нагрузки (холостой ход N_ex); 2 - N_e1>N_ex; 3 - N_2e>N_e1):

На фиг.6 приведен пример внешней скоростной характеристики по мощности двигателя 6V14/16 (СМД-62). На фиг.7, а приведена внешняя характеристика (зависимость напряжения от силы тока нагрузки U_г=f₁(I_нг) при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и частоте вращения якоря n_я=const), а на фиг.7, б - токоскоростная характеристика I_нг=f₂(n_я) генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. На фиг.8 приведены аналогичные характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением. На фиг.7 и 8 индексы «ном», «кр», «х», «кз» определяют номинальные, критические, холостые и короткого замыкания значения величин; n_я=k_перn_д; k_пер - передаточное отношение привода, n_д - частота вращения коленчатого вала двигателя. На фиг.9, а приведена внешняя характеристика (зависимость выпрямленного напряжения от силы тока нагрузки U_d=f₁(I_d) при постоянном сопротивлении и напряжении цепи возбуждения и частоте вращения ротора n_рт=const), а на фиг.9, б - токоскоростная характеристика I_d=f₂(n_рт) вентильного генератора с независимым возбуждением. На фиг.10 приведены токоскоростные характеристики некоторых тракторных вентильных генераторов индукторного типа (кривая 1 - 11.3701 при U_{d ном}=28 В; 2 - 46.3701 при U_{d ном}=14 В; 3 - 13.3701 при U_{d ном}=14 В). Как видно из этих зависимостей токоскоростная характеристика генератора любого типа тесно связана со скоростной характеристикой двигателя, т.е. с его эффективной мощностью. Кроме того, внешняя характеристика генераторов также связана с эффективной мощностью двигателя, поэтому:

где I_г=I_нг или I_г=I_d; или .

В прототипе П_N=р_к:

где k_mн - величина, определяемая параметрами топливной и воздушной магистралей ДВС; k_ПА - коэффициент пропорциональности, постоянный для данного тягового средства.

Аналогично, в соответствии с формулами (1)-(4), с помощью косвенно определяемых параметров мощности П_N1…П_N22 можно оценить фактическое значения твердости неоднородной почвы значительно точнее, проще и дешевле известных средств.

Предварительно для конкретного типа агрегата измеряют с помощью тахометра частоту вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и устанавливают рабочую передачу. При холостом проходе агрегата устанавливают поочередно с помощью переключателей 30 и 31 и измеряют параметры П_Nx, отражающие мощность двигателя и затем на той же передаче при той же частоте вращения коленчатого вала аналогично устанавливают и измеряют поочередно параметры П_Np, отражающие мощность двигателя, при рабочем проходе агрегата. Одновременно с помощью тягового динамометра измеряют тяговое сопротивление. Определяют согласно (3) коэффициенты пропорциональности β между тяговым сопротивлением и разницей параметров П_Nр-П_Nх. По результатам ряда измерений определяют среднее значение коэффициентов β. Затем при контрольном проходе данного агрегата на конкретном поле определяют степень залипания рабочих органов m. С помощью задатчика коэффициента связи 6 вводят в определитель твердости почвы 4 поочередно соответствующие значения коэффициента связи к_св. Проводят основную обработку почвы на рабочей передаче. С помощью датчика частоты вращения коленчатого вала 7 и тахометра 8 контролируют частоту вращения, которая должна равняться той, при которой определены коэффициенты β. Формирователь угловых меток 9 преобразует сигнал, поступающий с датчика частоты вращения коленчатого вала 7, в последовательность импульсов стандартной амплитуды и длительности, которая с помощью функционального преобразователя угловой скорости 10 преобразуется в напряжение с последующим его дифференцированием дифференциатором 11. С выхода дифференциатора 11 напряжение, соответствующее угловому ускорению коленчатого вала двигателя, подается на сигнальные входы аналогового ключа ВМТ 15 и аналогового ключа цилиндров 22, а также на вход нуль-органа 17. Сформированный с помощью последовательно соединенных датчика верхней мертвой точки 12 и формирователя 13 импульс ВМТ поступает на первый управляющий вход счетчика угловых меток 14 и на управляющий вход аналогового ключа ВМТ 15. На сигнальный вход счетчика угловых меток 14 подается последовательность импульсов с выхода формирователя угловых меток 9. Заранее вручную задатчиком 16 угловых меток цикла устанавливается емкость счетчика угловых меток 14, соответствующая повороту коленчатого вала на два оборота конкретного двигателя, а путем переключения конденсаторов - средняя частота полосы пропускания перестраиваемого резонансного фильтра 20, соответствующая 3…4-й гармоникам частоты вращения двигателя, при которой проводится измерение твердости почвы. Последовательность импульсов с выхода счетчика угловых меток 14 преобразуется в напряжение функциональным преобразователем 18. С выхода дифференциатора 11 сигнал, пропорциональный мгновенному значению углового ускорения, через переключатель 40 в первом положении поступает на вход нуль-органа 17, который срабатывает в момент равенства нулю ускорения, с выхода нуль-органа 17 сигнал поступает на четвертый управляющий вход счетчика 14 угловых меток и прекращает счет угловых меток, начавшийся с момента срабатывания датчика 12 ВМТ и поступления импульса с выхода формирователя 13 на первый управляющий вход счетчика 14. При установке переключателя 40 в первое положение напряжение на выходе преобразователя 18 пропорционально углу поворота коленчатого вала двигателя, начиная от момента нахождения поршня цилиндра в ВМТ до момента равенства нулю значения ускорения коленчатого вала двигателя. При установке переключателя 40 во второе положение напряжение на выходе преобразователя 18, соответствующее частоте вращения коленчатого вала (усредненной за два оборота угловой скорости), измеряется тахометром 8 и подается одновременно на управляющий вход перестраиваемого резонансного фильтра 20 для подстройки его резонансной частоты (средней частоты полосового фильтра) в небольших пределах. Ввиду неоднородности почвенного покрова (тягового сопротивления) при движении почвообрабатывающего агрегата частота вращения коленчатого вала, при которой измеряется твердость почвы, изменяется в некоторых пределах. Для повышения точности измерения твердости почвы в устройстве осуществляется подстройка этого фильтра в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала. Последовательность импульсов с выхода счетчика угловых меток 14 одновременно поступает на сигнальный вход формирователя 19 угловых меток цилиндра, управляющий вход которого соединен с задатчиком 23 номеров угловых меток цилиндров - коммутатором (переключателем), с помощью которого заранее задаются номера импульсов, подсчитываемых счетчиком 19, соответствующих началу и концу работы цилиндров. Эти импульсы подаются на формирователь строба 21, с выхода которого сформированный строб следует на управляющий вход аналогового ключа цилиндров 22. На выходе перестраиваемого резонансного фильтра 20 напряжение измеряется первыми 24…26 измерителями средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а на выходе аналогового ключа цилиндров 22 - вторыми 27…29 измерителями средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений. Непрерывно измеряемое датчиком 1 давление наддува, датчиком 32 давление на входе турбокомпрессора, датчиком 34 давление разрежения турбокомпрессора, датчиком 36 угловая скорость ротора турбокомпрессора преобразовываются соответствующими функциональными преобразователями 2, 33, 35 и 37 в напряжение. С выхода функционального преобразователя 37 сигнал подается на двойной дифференциатор 38, на выходе которого напряжение соответствует угловому ускорению ротора турбокомпрессора. При установке переключателя 31 в первое положение, устанавливают поочередно переключатель 30 в 1…13 положения, при этом на вход аналого-цифрового преобразователя 3 подаются соответственно сигналы с выходов функциональных преобразователей 2, 33, 35, двойного дифференциатора 38, аналогового ключа ВМТ 15, функционального преобразователя 18 (при соответствующем положении переключателя 40), первых 24…26 и вторых 27…29 измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора 39. Устанавливают поочередно переключатель 31 в 2…5 положения, а переключатель 30 в 8…10 положения, при этом на вход аналого-цифрового преобразователя 3 подаются соответственно сигналы с выходов функциональных преобразователей 2, 18, 33, 35 и двойного дифференциатора 38, пропущенные через перестраиваемый резонансный фильтр 20 и через первые 24…26 измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений. В соответствии с положениями переключателей 30, 31 и 40 задатчиком 6 устанавливают требуемый коэффициент связи. С выхода аналого-цифрового преобразователя 3 сигналы подаются на первый сигнальный вход определителя твердости почвы 4 с последующей визуализацией результатов измерения индикатором 5. При необходимости в определителе 4 может рассчитываться среднее значение твердости почвы, полученное по всем параметрам мощности.

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет упростить, повысить универсальность и значительно увеличить точность и достоверность определения твердости слоя почвы почвообрабатывающими агрегатами, находящимися в эксплуатации, моторно-транспортное средство которых содержит двигатель внутреннего сгорания, ввиду простоты установки датчиков, наличия на всех двигателях генераторов напряжения и простоты измерения тока и напряжения, измерения множества параметров, зависящих от твердости почвы. По сравнению с базовым объектом погрешность определения твердости почв уменьшается на 15…20%.

Устройство для непрерывного определения твердости почвы, содержащее тензозвено, последовательно соединенные датчик давления наддува и функциональный преобразователь давления наддува, аналого-цифровой преобразователь, определитель твердости почвы, задатчик коэффициента связи, индикатор, датчик частоты вращения коленчатого вала и тахометр, причем датчик давления наддува соединен с функциональным преобразователем давления наддува, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом определителя твердости почвы, выход которого соединен с индикатором, а второй вход - с задатчиком коэффициента связи, отличающееся тем, что в него дополнительно введены формирователь угловых меток, функциональный преобразователь угловой скорости, дифференциатор, датчик верхней мертвой точки, формирователь импульсов ВМТ, счетчик угловых меток, аналоговый ключ ВМТ, задатчик угловых меток цикла, нуль-орган, функциональный преобразователь числа импульсов в напряжение, формирователь угловых меток цилиндра, перестраиваемый резонансный фильтр, формирователь строба, аналоговый ключ цилиндров, задатчик номеров угловых меток цилиндров, первые и вторые измерители средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, с первого по третий переключатели, последовательно соединенные датчик давления на входе турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления на входе турбокомпрессора, последовательно соединенные датчик давления разрежения турбокомпрессора и функциональный преобразователь давления разрежения, последовательно соединенные датчик угловой скорости ротора турбокомпрессора, функциональный преобразователь угловой скорости ротора и двойной дифференциатор, измеритель тока и напряжения генератора, причем датчик частоты вращения коленчатого вала через формирователь угловых меток соединен с функциональным преобразователем угловой скорости, выход которого соединен с дифференциатором, датчик верхней мертвой точки через формирователь импульсов ВМТ соединен с управляющими первым входом счетчика угловых меток и входом аналогового ключа ВМТ, второй счетный вход счетчика угловых меток связан с выходом формирователя угловых меток, третий управляющий вход - с задатчиком угловых меток цикла, четвертый управляющий вход через третий переключатель - с выходом нуль-органа, выход счетчика угловых меток соединен с входом функционального преобразователя числа импульсов в напряжение и первым сигнальным входом формирователя угловых меток цилиндра, выход функционального преобразователя числа импульсов в напряжение соединен с тахометром и первым управляющим входом перестраиваемого резонансного фильтра, а выход формирователя угловых меток цилиндра через формирователь строба соединен с первым управляющим входом аналогового ключа цилиндров, второй управляющий вход формирователя угловых меток цилиндров соединен с задатчиком номеров угловых меток цилиндров, причем выход дифференциатора соединен с входами аналогового ключа ВМТ, нуль-органа и аналогового ключа цилиндров, выход перестраиваемого резонансного фильтра соединен с входами первых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, а выход аналогового ключа цилиндров - с входами вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, выход первого переключателя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход второго переключателя - с вторым сигнальным входом перестраиваемого резонансного фильтра, выход дифференциатора соединен с вторым переключателем в первом положении, выходы функциональных преобразователей давлений наддува, на входе турбокомпрессора и разрежения, двойного дифференциатора соединены с первым и вторым переключателями с второго по пятое положениями соответственно, выходы аналогового ключа ВМТ, функционального преобразователя числа импульсов в напряжение, первых и вторых измерителей средневыпрямленного, максимального и среднеквадратического значений, измерителя тока и напряжения генератора соединены с первым переключателем с шестого по тринадцатое положениями соответственно.