Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Обзор исследований процесса качения колеса по наклонной опорной поверхности... 11
1.2. Устойчивость движения,трактора и критерии ее оценки... 21
1.3. Обзор исследований собственной и курсовой устойчивости колесных тракторов, на, склоне 27
1.4. Задачи исследования 37
2.Теоретические исследования 39
2.1. Метод оценки курсовой' устойчивости трактора 39
2.2. Моделирование качения, управляемого колеса по склону .. 44
2.3. Математическая модель курсового движения трак тора по склону 56
2.4. Методика и результаты теоретического исследования курсовой устойчивости трактора на склоне 68
3. Программа-методйка экспериментальных исследований ... 103
3.1. Цель и объект исследований 103
3.2. Методика проведения, исследований и, измерительная аппаратура 110
3.3. Обработка экспериментальных данных и, оценка погрешности измерений 122
4. Результаты экспериментальных исследований.. 126
4.1. Курсовая устойчивость трактора с 2-мя и 4-мя управляемыми колесами 126
4.2. Влияние задних ведущих управляемых колес на тягово-сцепные качества трактора на склоне... 139
4.3. Курсовая устойчивость машинно-тракторных агрегатов на склоне 146
4.4. Пути улучшения курсовой устойчивости трактора на склоне 152
Выводы 158
Литература 160
Приложение 172
- Обзор исследований собственной и курсовой устойчивости колесных тракторов, на, склоне
- Моделирование качения, управляемого колеса по склону
- Методика и результаты теоретического исследования курсовой устойчивости трактора на склоне
- Методика проведения, исследований и, измерительная аппаратура
Введение к работе
В решениях ХХУ съезда КПСС, в постановлениях Пленумов ЦК КПСС указывается, что интенсификация сельскохозяйственного произвол -ства на основе его всемерной механизации остается основным нап -равлением аграрной политики партии на современном этапе. Большая роль в этом деле принадлежит расширению сельскохозяйственных угодий и освоению новых земель.
Значительными резервами обладают горные районы нашей страны, охватывающие около 90 млн. га территории, что составляет свыше 30% общей площади. Несмотря на важность освоения этих земель, уровень механизации работ в горном земледелии в З..Л раза ниже, чем для равнинных земель. Благоприятные же климатические условия южных горных районов позволяют при определенных капитальных вложениях увеличить удельный вес валовой продукции горной зоны Со -ветского Союза в 2...3 раза.
В связи с этим Директивами развития народного хозяйства СССР на 1976-1980 гг. предусмотрено "увеличить выпуск высокопроизво -дительных машин для механизации работ по применению химических средств защиты растений, по улучшению сенокосов, пастбищ, борьбе с ветровой и водной эрозией почвы и работ в горном земледелии" 1 8].
Создание энергетических средств для механизации работ в гор -ном земледелии СССР и зарубежных стран идет в основном по двум направлениям:
- разработка тракторов с пониженным центром тяжести и уширенной колеей (низкоклиренсных);
- разработка тракторов и самоходных шасси с автоматическим выравниванием остова на склоне (крутосклонных).
Первое направление не требует значительного изменения конст -рукций серийных тракторов. Созданы следующие низкоклиренсные тракторы: Б СССР - Т-40 АНМ, МТЗ-52Н, МТЗ-82Н, ДТ-75К,в Волга -рии - ТК-224К, в ЧССР - ZetOS -5647 и TH-4K2-I0, в Румынии СМ-400, в Австрии - Реформ 2000.
Тракторы и самоходные комбайны с системой стабилизации остова разработаны в Италии, Франции, США, ФРГ, СССР. Среди зарубежных моделей можно отметить PeKdzett JHcmgtlQKtO (JFF-260, Домна-тор-85 в ФРГ, ЭоЬп Dee? 55Н и 95Н в США, Rapid во Франции и др. Первый советский трактор с выравниванием остова - Т-50К -был создан в результате совместной работы Минского тракторного завода и ВНИЙГорсельмаш. Дальнейшее его усовершенствование привело к появлению модели МТЗ-52К, а затем МТЗ-82К. Указанные тракторы универсальны и могут использоваться как на равнине, так и на склонах. В СССР большая работа проводится также по созданию самоходных шасси с выравниванием остова (СШ-06ІІ, Т-І6МГ).
Ориентировочная потребность парка страны в некоторых машинах для горного земледелия составляет: МТЗ-82К - 84,2 тыс.шт., МТЗ-82Н - 25,9 тыс.шт., СШ-06ІІ -0 8 тыс.шт., причем предпочтение отдается тракторам с колесной формулой 4x4 [б8, 75] .
Испытания указанных тракторов в горных условиях показали, что их курсовая устойчивость с ростом крутизны склона ухудшается,что обусловлено боковым уводом шин и сползанием колес. Это приводит к повреждаемости рядков посаженных культур и уменьшению реально используемой ширины захвата агрегата. Снижение устойчивости движения ограничивает возможности возделывания пропашных культур на склонах и уменьшает производительность работы машинно-тракторного агрегата (МТА). Известные мероприятия по повышению устойчивости движения трактора не позволяют решить указанную проблему, так как не обеспечивают в достаточной степени корректировку его направления дви -жения в зависимости от характера действия внешних возмущений. Решение данной задачи невозможно без всесторонних научных исследований как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. Современный уровень развития электронно-вычислительной техники позволяет исследовать указанную проблему на стадии проектирования машины с использованием математических моделей.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании влияния ряда факторов на курсовую устойчивость колесного трактора класса 14 кН на склоне и разработке рекомендаций по ее улучшению.
В первой главе проведен обзор и дан анализ литературных источников, касающихся исследований качения эластичного колеса по наклонной опорной поверхности, выбора оценочных критериев и исследований собственной и курсовой устойчивости трактора при его движении в поперечном направлении склона. Определены задачи исследования.
Во второй главе обоснован выбор обобщенного критерия оценки курсовой устойчивости трактора и МТА на склоне, проведено моделирование качения колеса по наклонной опорной поверхности; разработаны математическая модель курсового движения трактора и метод его управления при моделировании на ЭВМ; опре -делены пути улучшения курсовой устойчивости трактора и МТА при работе на склоне.
В третьей главе описана разработанная автором конструкция устройств поворота колес заднего моста трактора "Беларусь" крутосклонной модификации; изложены программа и методика экспериментальных исследований курсовой устойчивости на склоне трактора со всеми поворачивающимися колесами и МТА на его базе. В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, приведено их сравнение с теоретическими зависимостями и разработаны рекомендации по повышению курсовой устойчивости МТА при работе на склоне.
Данная работа является частью комплекса исследований управляемости и устойчивости движения машинно-тракторных агрегатов, проводимого кафедрой "Тракторы" и Отраслевой НИЛ колесных тракторов Белорусского политехнического института под руководством Заслуженного деятеля науки и техники БССР, доктора технических наук, профессора В.В.Гуськова.
Экспериментальные исследования проводились на склонах испытательной станции Минского тракторного завода в период 1974-1977 гг.
Теоретические расчеты проведены на кафедре "Кибернетика и вычислительная техника" Белорусского политехнического института на ЭВМ "EC-I022".
Обзор исследований собственной и курсовой устойчивости колесных тракторов, на, склоне
Впервые исследования собственной устойчивости тракторов на склоне были проведены Р.Р.Двали, О.В.Маргвелашвили, В.В.Махалдиа-ни [26, 46] . Их результатом явилось экспериментальное определение отклонений трактора от горизонталей склона на определенном пути при различных почвенных фонах. Влияние величины тяговой нагрузки и ее смещения относительно продольной плоскости симметрии трактора на его собственную устойчивость рассмотрено в работах Л.В.Іячева [ 24] и Э.С.Мирзоева [54]. Большой интерес представляют сравнительные исследования собственной устойчивости движения тракторов с различными ходовыми системами, проведенные Б.йлиевым [зі] . Анализ зависимостей, приведенных нарис. 1.9, показывает, что тракторы, имеющие лучшие тягово-сцеп-ные свойства, обладают и лучшей собственной устойчивостью. Однако использование гусеничных машин приводит к значительным сдвигам и эрозии почвы. Кроме того, конструкции этих тракторов металлоемки и имеют недостатком схождение гусеничных цепей с направляющих и ведущих колес на склоне. Исследованием устойчивости и управляемости тракторов на склоне занимались А.Атанасов [iOll ,K.K?Om6holl [l0?] , R.PefcSChlnJ [І09І , H.Sp9nseZ [ПО] . Результатом их работ явился, в основном, выбор критических скоростей движения и предельной крутизны склона, при которых может работать трактор.
В работе F. Haodsta [104 ] приведены результаты исследования на склоне собственной устойчивости трактора Zeto? 4017 при движении с одноосным." прицепом. Установлено, что сползание прицепа можно устранить принудительной установкой его продольной оси под углом к направлению движения, а сползание трактора можно умень -шить повышением давления воздуха в шинах или установкой дополни -тельных металлических почвозацепов (рис. 1.10, I.II). При этом достигается также и улучшение тягово-сцепных свойств трактора. Ряд исследователей рекомендует установку на трактор шин на широ -ком и супершироком ободе. Некоторые вопросы теоретического исследования собственной устойчивости трактора и причин ее снижения,при движении в поперечном направлении склона рассмотрены Т.В.Хухуни [88] ..При выводе уравнений не учитывается действие крюковой нагрузки. В описанных работах исследования проводились с обычными рав -нинными тракторами. С созданием крутосклонных тракторов появились работы по исследованию их собственной и курсовой устойчивости.. Исследованиями Г.М.Непарадзе [ 61 ] , О.П.Мшвиддадзе [ 5б] , Б.Э. Кацобашвили [ 89] установлено, что собственная устойчивость трактора с системой автоматической стабилизации остова (СДС) примерно в два раза выше, чем у такого же трактора, но без САС. Это объясняется, во-первых, тем, что углы бокового увода шин стабилизируемых колес меньше, чем нестабилизируемых, и, во-вторых, отсутствием вворачивающего момента, возникающего вследствие перераепреде -ления вертикальных нагрузок по бортам трактора без САС.
Снижение собственной устойчивости трактора Т-5СК указанные исследователи объясняют тремя причинами: - различием конструкций устройств стабилизации вертикального положения колее передней и задней оси (рис. І.І2). Сохранение вер тикального положения остова и задних ведущих колес достигается разворотом бортовых редукторов в разные стороны от вертикали под действием гидроцилиндров системы стабилизации остова. Вертикаль ное положение передних управляемых колес обеспечивается рычажно параллелограммной конструкцией переднего моста. Вследствие указан ных различий появляется принудительный разворот продольной оси трактора вниз по склону на угол, величина которого определяется выражением: - наличием межколесного дифференциала, вызывающего появление поворачивающего момента; - боковым уводом шин передних и задних колес. При этом в процентном отношении влияние этих факторов на собственную устойчивость трактора примерно следующее: различие в способе стабилизации положения колее - в1%, влияние межколесного дифференциала (разблокированного) - 13%, боковой увод шин и сползание - 26$. Доля влияния увода шин на собственную устойчивость трактора, по-нашему мнению, занижена. Установлено [ 56 ] , что блокировка межколесного дифференциала трактора улучшает на 8-25%собственную устойчивость движения,обеспечивая одновременно и повышение тягово-сцепных свойств (рис.1.13)
Моделирование качения, управляемого колеса по склону
Колесо, являясь элементом ходовой системы колесной машины,определяет ее основные эксплуатационные качества. Необходимость исследования качения отдельного колеса по склону вне связи с трактором обусловлена особенностями его взаимодействия с опорной поверхностью и малоизученностью зависимостей характеристик увода шин от угла склона. При исследовании курсовой устойчивости трактора необходимо задаться моделью взаимодействия шины с опорной поверхностью в боковом направлении. Рассмотрим схему колеса, катящегося по склону, с приложенными к нему силами и моментами (рис. 2.4).Для однозначного определения положения колеса в любой момент времени воспользуемся уравнением Лагранжа 1 рода с неопределенными множителями: где Т - функция Лагранжа; б і - обобщенные силы вдоль соответствующих осей координат ; (У и & - обобщенные координаты и скорости; lit . - неопределенные множители Лагранжа; F/ - уравнение связей; Л - число уравнений связей. Так как скорость движения трактора, а, следовательно, и колеса на склоне не велика, введем следующие допущения: а) микро -рельеф опорной поверхности вследствие его сминаемости шиной не учитывается, т.е. не. рассматриваются вертикальные колебания колеса; б) диссипации энергии в процессе движения не происходит.
За обобщенные координаты системы примем линейные (Х,у ) и угловую (G ) координаты центра колеса. Для определения функции Лагранжа, равной в данном случае кинетической энергии системы, воспользуемся формулой Кенига [59J . Получим: Обобщенные силы вдоль соответствующих осей определим на ос -новании принципа возможных перемещений, согласно которому имеем: Для определения коэффициентов при неопределенных множителях Лагранжа необходимо составить уравнение кинематических связей. Для этого примем следующее допущение: скольжение пятна контакта шины в направлении перпендикулярном вектору его результирующей поступательной скорости отсутствует (упругое проскальзывание пятна контакта возможно). Исходя из этого можно записать: Тогда на основании уравнения (2.5 ) получим систему динамических уравнений, описывающих движение колеса по склону: Входящую в выражение для определения My величину смещения (6) вверх по склону равнодействующей реакции опорной поверхности, действующую на колесо, можно определить из эмпирической зависимости для бокового упругого смещения шины, приведенной в работе [9]: где Qj. - коэффициенты аппроксимации.
Система уравнений (2.9) при известных значениях Л1К, Рк, Р/,6, JK,o( содержит шесть неизвестных. Таким образом, для однозначного определения положения колеса необходимо составить еще два уравнения. Первое из них получим, выражая неопределенный множитель Лагранжа, представляющий в данном случае боковую реакцию опорной поверхности на шину, через угол ее увода. Воспользовавшись гипотезой Рокара, получим: Применение в данном случае уравнений кинематических связей М.В.Келдыша вряд ли целесообразно, так как они, во-первых, по -лучены в предположении малых углов поворота колеса и увода шин, и, во-вторых, входящие в них коэффициенты определены только для невращающихся колес. Для определения шестого неизвестного необходимо знать зависи мости 0 = 0 (t) или М„ = Мп(0 . Они задаются исходя из конкретного решаемой задачи. Таким образом, полная система уравнений, описывающая качение колеса по склону без учета вертикальных колебаний примет вид: ;; Л зависит от целого ряда параметров: Ку = f (GK , Рк , У np , #, up , оС и др.) . При превышении текущих значений угла увода шины некоторой величины # пр (рис. 2.5), коэффициент Ку начинает уменьшаться, что обусловлено возникновением проскаль зывания пятна контакта шины относительно опорной поверхности. Согласно этому зависимость Ку - І [$) можно аппроксимировать в виде ломанной линии (рис. 2.6) и описать следующим аналитичес ким выражением:
Методика и результаты теоретического исследования курсовой устойчивости трактора на склоне
Моделирование на ЭВМ курсового движения трактора сводится к решению полной системы полученных дифференциальных уравнений (2.20, 2,23, 2.38):
Задача теоретического исследования курсового движения трактора на склоне была реализована на ЭВМ "EC-I022" по блок-схеме, представленной на рис. 2.16. Численное интегрирование дифференциальных уравнений проводилось методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Текст программы, составленный на алгоритмическом языке PL/ J, приведен в приложении П. При этом введены следующие обозначения: STAR - головная программа; в ней описаны все параметры и массивы, а также осуществляется ввод исходных данных. РК - программа численного интегрирования уравнений мето -дом Рунге-Кутта и встроенная в нее подпрограмма оценки отклонений машины и управления трактором. FUN - подпрограмма, в которой в машинном виде описана полученная система дифференциальных уравнений и все меняющиеся в процессе движения параметры. С целью проверки достоверности данных, получаемых в резуль -тате моделирования, был проведен расчет параметров движения модели при трапецеидальном законе поворота передних колес (рис. 2.17). Полученные данные не противоречат подобным исследованиям, описанным в других работах.
Одним из основных моментов данного теоретического исследования явилось моделирование функций водителя по управлению трак -тором. Водитель в процессе движения осуществляет как непрерыв -ные, так и дискретные операции, включающие в себя оценку допустимого коридора движения, выбор оптимальной траектории движения и оценку реальных отклонений трактора. В связи с этим функции водителя являются следствием изменения обобщенных координат и ско -ростей трактора.
Действия водителя можно описать следующим образом: домыт - При использовании аналоговых или аналого-цифровых комплексов для моделирования движения трактора управление им при решении уравнений (2.41) осуществляется подачей на соответствующие входы операционных усилителей напряжения, пропорционального углу поворота управляемых колес. Управление при этом производится вручную. Оператор, следя по экрану осциллографа за изменением обобщенных координат модели машины изменяет напряжение, соответствующее углу поворота колес. Предложенный способ управления описан в работах [18, 70 J. Нужно отметить, что решение описанной системы уравнений на АВМ связано со значительными трудностями отладки программы. Введение же человека в эту систему оказы -вает к тому же субъективное влияние на результаты расчета.
При использовании ЭВМ моделирование функции водителя можно осуществить автоматически по изменению во времени координат соответствующих точек модели. Субъективные особенности водителя в этом случае не учитываются.
Анализ экспериментальных данных показал, что при курсовом движении трактора закон поворота управляемых колес представляет собой совокупность зависимостей трапецеидального вида, причем скорость поворота колес меняется в небольших пределах. На основании сказанного рассмотрим три подхода к моделированию управления колесами при движении трактора вдоль заданного курса: а) При смене знака бокового смещения центра переднего управляемого колеса ( У ) угол его поворота ( 0 ) начинает увеличи -ваться на каждом шаге решения с заданной угловой скоростью и, : где 0 0 - начальное значение, угла поворота колеса; tu - шаг интегрирования. Величина угла поворота левого переднего колеса (02) определяется по известной зависимости, отражающей особенности рулевой трапеции Іанто
Расчеты показали, что закон поворота колес в этом случае не является характерным при управлении трактором, к тому же возникают незатухающие боковые колебания траектории центров перед -них колес (рис. 2.18,а). б) Выбирается величина бокового смещения центра переднего колеса ( Ца ), при превышении которой начинается поворот колес с целью выравнивания траектории движения. Закон изменения 6 в этом случае определяется следующей зависимостью
Методика проведения, исследований и, измерительная аппаратура
Исследования проводились при двух положениях остова трактора относительно опорной поверхности, обеспечивающихся включением или выключением системы автоматической стабилизации (САС) при движении на третьей передаче. Тяговая нагрузка создавалась колесным трактором MT3-I42 (рис. 3.4, 3.5) за счет рассогласова -ния скоростей движения испытуемого и загрузочного тракторов и находилась в предела» 0...16 кН. Исследования по оценке курео -вой устойчивости МТА проводились при агрегатировании трактора с навесным плугом ІШ-3-35 и культиватором КПН-4 (рис. З.б, 3.7).
Диапазон изменения углов поворота задних колес трактора при исследовании курсовой устойчивости составлял 0...0,139 рад, а при замере сопротивления движений - 0...0,209 рад.
Анализ осциллограмм предварительных исследований показал, что движение трактора после прохождения 5...8 м пути становится практически установившимся. Исходя из этого принято, что длина гона 30...40 м является достаточной и обеспечивает получение достоверных результатов. Выбранные склоны имели крутизну 0; 0,174; 0,261 рад с колебаниями уклона в продольном и поперечном нап -равлениях t0 0I74 рад на длине 30 м. Испытания проводились на двух: почвенных фонах - залежи и почве, подготовленной под посев. Структурный состав почвы - суглинок. Контроль стабильности поч -венных условий осуществлялся замером твердости и влажности почвы. Твердость почвы составляла: залежи - 3,0...3,5 МПа, почвы под посев - 0,5...0,8 МПа. Влажность почвы на глубине 0,1 м находилась в пределах 6...10% Задача экспериментального исследования состояла в установле -нии зависимостей курсового угла трактора, его коридора движения и сопротивления движению от ряда факторов: крутизны склона, уг лов поворота задних колес трактора, тяговой нагрузки, поперечно-вертикального положения остова трактора и т.п. с последую -щим выбором оптимальных углов поворота задних колес, обеспечивающих движение трактора в заданном коридоре. Указанный комп -леке функциональных зависимостей может быть выражен так:
При разработке программы-методики экспериментальных исследований был проведен анализ методик рационального планирования экспериментов [ II ] с целью использования их в настоящей работе. Выявлено, что применение указанных методов целесообразно в том случае, когда число независимых переменных равно трем и более, а диапазон их изменения достаточно широк. В данном исследова -нии только две широко меняющиеся переменные ( и %,ц ). Задача изучения влияния поворота задних колес на курсовую устойчивость трактора решается впервые и поэтому требует всестороннего качественного и количественного анализа. Ориентировочным расчетом установлено, что для осуществления всего комплекса исследований при двух почвенных фонах и положениях остова трактора необходимо провести 130-140 опытов. Указанное число опытов с учетом неизученности исследуемых процессов является неболь -шим. Все вышеизложенное обосновывает проведение полнофакторного эксперимента. С целью получения достоверных данных повтор -ность опытов была принята трехкратной.
Порядок проведения исследовани На зачетном участке выбиралось направление движения, вдоль которого устанавливались вешки. Параллельно линии вешек на почве отмечалась линия, по которой испытатель, наблюдая траекторию правого переднего колеса, ориентировал движение трактора. Во всех опытах требовалось при фиксированных углах поворота зад них колес провести трактор вдоль заданного курса, поворачивая передние колеса.
В процессе исследований на ленту осциллографа регистрирова -лись- следующие параметры: - тяговое усилие; - угол действия тягового усилия относительно продольной плоскости симметрии трактора; - крутящие моменты, подводимые к задним ведущим колесам; - обороты ведущих и путеизмерительного колес; - угол качания балки переднего ведущего моста; - угол поворота правого переднего колеса; - курсовой угол трактора; - боковые деформации шин задних ведущих колес и пропорцио -нальные им боковые силы; - сила сопротивления движению; - время опыта. Установка необходимых углов поворота задних колес проводилась по разметке, нанесенной на неподвижную часть шкворневого устройства (цена деления - 1). Измерительно-регистрирующая аппаратура. Замер силовых и кинематических параметров проводился с помощью электронной измерительной аппаратуры, состоящей из датчиков различных типов (тензо- и потенциометрических), измерительного пульта, осциллографа, коммутационной коробки,соединительных проьодов, блока питания. Блок-схема всей регистрирующей аппаратуры, установленной на тракторе, приведена на рис. 3.8. Специально разработанный измерительный пульт (рис. 3.9) обеспечивал синхронную подачу на осциллограф 16-ти электрических сигналов, поступающих от датчиков. Регистрация этих сигналов осущест влялась 12-ти канальным магнитоэлектрическим авиационным осциллографом KI2-22, установленным в кабине трактора. Тяговое усилие и угол его действия относительно продольной плоскости симметрии трактора регистрировались соответственно тяговым звеном и потенциаометрическим датчиком типа ...1У-6І5, установленным на поперечине механизма навески (рис. ЗЛО). Обороты ведущих и путеизмерительного колес, характеризующих пройденный путь, скорость движения и буксование колес, определялись с по -мощью импульсных датчиков типа КВД. Угол поворота передних управляемых колес замерялся датчиком МУ-6І5, установленным на вертикальном рычаге рычажно-параллело-граммной подвески переднего моста (рис. З.ЇЇ). Диапазон измерения - 0,521 рад. Поворот задних колес трактора осуществлялся изменением дли -ны регулировочной тяги устройства поворота. Необходимый угол установки колес задавался по шкале, нанесенной на неподвижную часть шкворневого устройства. Замер угла качания переднего ведущего моста осуществлялся потенциометрическим датчиком МУ-6І5, установленным на его оси ка -чания.
