Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследования плавности хода гусеничных тракторов 6
1.1. Экспериментальные и теоретические исследования условий работы систем подрессоривания 6
1.1.1 Факторы, оказывающие влияние на взаимодействие МТА с почвой 8
1.1.2 Анализ динамических моделей МТА 9
1.1.3 Анализ методик экспериментальных исследований микропрофиля полей и дорог. 16
1.1.4 Анализ статистических характеристик и физико-механических свойств почв и агрофонов 20
1.2. Критерии оценки плавности хода гусеничных машин 27
1.2.1 Анализ критериев по оценке плавности хода 27
1.2.2 Предпосылки для создания обобщенного полигона неровностей 31
1.3. Цель и задачи исследования 38
2. Описание динамической модели МТА 41
2.1. Обоснование допущений и выбор обобщенных координат 41
2.2. Уравнения колебаний подрессоренных масс МТА 43
2.3. Масса и момент инерции колебательной системы 46
2.4. Силовые возмущения 49
2.5. Кинематические возмущения 50
2.6. Описание программного комплекса 53
2.7. Выводы 55
3. Методика построения обобщенного полигона неровностей 56
3.1. Формирование микропрофиля неровностей полигона 59
3.1.1 Статистические характеристики видов сельскохозяйственных работ 59
3.1.2 Функции распределения неровностей полигона 61
3.1.3 Обоснование длины реализации полигона 67
3.2. Влияние почвенно-климатических факторов на условия эксплуатации МТА . 69
3.2.1 Физико-механические двойства почв с учетом сезонов 69
3.2.2 Учет особенности региона 70
3.3. Выводы 75
4. Методика экспериментального исследования динамики МТА 77
4.1. Определение статического положения остова трактора 78
4.2. Определение динамического положения остова трактора 80
4.3. Реконструкция профиля пути по результатам регистрации перемещений катков относительно остова 86
4.4. Выводы 87
5. Экспериментальные исследования плавности хода 89
5.1. Экспериментальное исследование свойств микропрофиля агрофона 90
5.1.1 Измерительная аппаратура и условия проведения 90
5.1.2 Оценка точности измерений 91
5.1.3 Методика эксперимента 92
5.2. Экспериментальное исследование воздействия микропрофиля на трактор 94
5.2.1 Экспериментальная установка 94
5.2.2 Измерительная аппаратура и условия проведения эксперимента 97
5.2.3 Методика эксперимента 100
5.2.4 Точность и надежность измерений 101
5.3. Проверка сходимости результатов моделирования и эксперимента 103
5.4. Выводы 104
6. Исследование и оптимизация параметров систем подрессоривания тракторов семейства ВТ 105
6.1. Исследование плавности хода в различных условиях эксплуатации 105
6.1.1 Исследование плавности хода на регламентируемом ГОСТом микропрофиле 107
6.1.2 Исследование и оптимизация параметров подвески трактора с использованием обобщенного полигона неровностей 110
6.1.3 Исследование динамики трактора в нетипичных условиях эксплуатации 113
6.1.4 Выводы 116
Основные выводы и рекомендации 118
Список использованной литературы 120
Приложение
- Предпосылки для создания обобщенного полигона неровностей
- Масса и момент инерции колебательной системы
- Влияние почвенно-климатических факторов на условия эксплуатации МТА
- Реконструкция профиля пути по результатам регистрации перемещений катков относительно остова
Введение к работе
В наше время проблеме плавности хода при создании сельскохозяйственных гусеничных тракторов различного назначения уделяется большое внимание. Поэтому на стадии проектирования проведение научно-исследовательских и испытательных работ в этом направлении является одним из важнейших этапов. При этом многообразие эксплуатационных условий определяет сложность и трудоемкость исследований. Плавность хода является важнейшим качеством машиннотракторного агрегата (МТА), так как влияет на равномерность обработки почвенного слоя по глубине, заделки семян и др. Одновременно с этим становятся более жесткими предъявляемые к технике нормативные требования по снижению уровня вибраций на сиденьи водителя и воздействия движителей на почву.
Необходимая плавность хода трактора определяется, прежде всего, его системой подрессоривания. Одним из сложных этапов проектирования подвесок является оценка их эффективности на стадии выбора основных параметров. Это возможно только при наличии надежной и достаточно адекватной динамической модели МТА, включающей нелинейные системы подвесок остова, кабины, сиденья тракториста, навесного орудия при транспортном и рабочем режиме движения, двигателя, а также описание микропрофиля почвы и ее физико-механических свойств. Расчетные исследования плавности хода позволяют существенно сократить время на разработку новых тракторов и модификацию выпускаемых, отвечающих предъявляемым требованиям и нормам. Этому способствует широкое распространение в последнее время высокопроизводительной вычислительной техники и средств САПР в конструкторских бюро, которое создало условия для применения сложных программных комплексов, позволяющих проводить теоретические исследования плавности хода МТА.
В связи с вышеизложенным, проблема повышения плавности хода сельскохозяйственных тракторов является актуальной.
Объектом исследования в настоящей работе являются ходовые системы и подвески гусеничных тракторов.
На защиту выносятся следующие основные научные разработки: метод моделирования условий эксплуатации подвесок гусеничных тракторов, предусматривающий исследование плавности хода машины на формируемом обобщенном полигоне неровностей, учитывающем виды сельскохозяйственных работ, их сезонность и физико-механические свойства опорной поверхности; обобщенная пространственная динамическая модель тягово-транспортного средства (ТТС) и модель обобщенного полигона неровностей, измерительный и программный комплекс, позволяющий проводить исследования и оптимизацию параметров систем подрессоривания гусеничных тракторов в конкретных условиях эксплуатации; результаты экспериментальных исследований микропрофилей полей, дорог и физико-механических свойств почв при различных условиях эксплуатации сельскохозяйственных гусеничных тракторов, необходимые для моделирования и натурных исследований; результаты теоретических исследований плавности хода МТА, с моделированием реальных условий эксплуатации и условий, регламентируемых ГОСТом 7057-81, и их оценкой по интегральному критерию плавности хода (основанного на ISO 2631).
Предпосылки для создания обобщенного полигона неровностей
Систематизация рассмотренных факторов, влияющих на оценку плавности хода, необходима для учета их влияния при проведении натурных и модельных испытаний. При этом разработка методики построения обобщенного полигона неровностей решает проблему получения данных, необходимых для сравнительных и иных исследований.
Под обобщенным полигоном неровностей (ОПН), в данной работе, понимается совокупность, преодолеваемых трактором в ходе сезонных работ, неровностей опорной поверхности с разными физико-механическими свойствами почвы
Построение ОПН основывается на характеристиках микропрофилей полей и дорог, сезонности, механических свойств почв, отражающих реальные условия эксплуатации.
Наиболее характерными для сельскохозяйственных гусеничных тракторов считаются микропрофили [117], имитирующие проселочные и полевые дороги с длинными неровностями (длина полупериода равна 1,5-2 базам ТТС), а также при движении по коротким неровностям (булыжная дорога, мерзлая пахота и т. п.) с длиной полупериода меньше расстояния между опорными катками.
Большое разнообразие почвенно-климатических зон (Таблица 1.1), используемых для возделывания сельскохозяйственных культур, различия по физико-механическим свойствам их почв, их удельному сопротивлению, предполагает использование различных технических средств, технологических операций основной обработки почвы, тех или иных агротехнических приемов, разного количества и типоразмеров рабочих органов почвообрабатывающих машин и др. Все это в совокупности оказывает существенное влияние на формирование микропрофилей полей. Кроме этого, почвенный фон определенным образом формируется под воздействием динамических колебаний МТА, способных образовывать неровности с определенной частотой.
Территория нашей страны, занятая под сельскохозяйственные угодья, включает в себя в разной мере все типы почв по механическому составу (см. Таблица 1,2). В северных областях Европейской части нашей страны преобладают глинистые почвы с высоким удельным сопротивлением, мало эффективные для развития растениеводства. В южных областях страны и Казахстане преобладают песчаные почвы. Наилучшие почвы для земледелия - черноземы Украины, Поволжья и Сибири имеют тяжелосуглинистый механический состав.
В отличие от почвенно-климатических условий, влияние технологических факторов на формирование поверхности (микрорельефа) может быть направленным. Проводимые мероприятия по выравниванию полей (применение комбинированных пахотных агрегатов, выбор способа движения и ширины захвата, уменьшающих количество свальных гребней и развальных борозд, обработка зяби диагонально-перекрестным способом и т. д.) дают положительные результаты. На выровненных полях обычно выше урожайность и меньше потери зерна при уборке [65].
Построение полигона неровностей, который предусматривает возможность имитировать возникающие кинематические возмущения при движении ТТС: через единичную неровность, по периодическому профилю и по дороге со слу чайным профилем неровностей, в математических моделях основывается на анализе реальных условий эксплуатации ТТС. Таким образом, можно моделировать характерные для конкретного хозяйства кинематические неровности аг-рофона с учетом их доли в общем объеме. Однако, кроме неровностей поверхностей в математической модели должны быть учтены физико-механические свойства почв, оказывающие существенное влияние на колебания МТА.
Методика построения конкретного обобщенного полигона складывается из специфики работ, определенной сельхозпроизводителем. Происходит определение вида выполняемых сельскохозяйственных работ в процентах от общего времени эксплуатации, на этом же этапе выбирают определенные скоростные режимы. На последующих этапах определяют условия, учитывающие особенности почвенных регионов по сезонам и характерные для них свойства. Рассматриваются показатели почвы и влияние климатической зоны на их формирование. Совместно с учетом выше перечисленных показателей происходит определение микропрофиля агрофона, который формируется по ранее полученным статистическим данным, характерным для конкретных сельскохозяйственных работ. При необходимости микропрофиль на отдельном участке замеряют, если он имеет явно выраженные случайные составляющие.
При построении обобщенного полигона неровностей его микропрофиль может быть описан корреляционными функциями характеризующими: микропрофиль агрофона поля, учитывающий периодические и случайные составляющие, а также превалирующие частоты; макропрофиль ландшафта поля, учитывающий длинные неровности;
При взаимодействии движителя ТТС с опорным основанием должны учитываться механические свойства почв. При этом может быть применен один из следующих подходов: включение модели взаимодействия с деформируемым основанием в общую модель МТА; приведение деформируемого полигона к недеформируемому, эквивалентному.
Масса и момент инерции колебательной системы
При моделировании движения МТА с орудием в рабочем положении возникает проблема учета влияния массы орудия, участвующей в вертикальных и угловых колебаниях, на колебания остова трактора. В данной работе эта задача решена следующим способом. На Рис. 2.2 изображены перемещения орудия в рабочем положении относительно остова трактора в тех случаях, когда его влияние очевидно [55, 70, 89]. Определим массы, участвующие в колебаниях, а также оценим влияние массы навесного оборудования в составе МТА в рабочем и транспортном положении. При вертикальных перемещениях: где та - масса навесного орудия, участвующая в угловых колебаниях: где к2 - коэффициент, учитывающий влияние массы орудия при вертикальных перемещениях: ка - коэффициент, учитывающий влияние массы орудия при продольно-угловых колебаниях: С учетом принятых коэффициентов, позволяющих учитывать инерционность массы навесного оборудования, определим момент инерции системы. где: J д, J, , Jz, Ja - моменты инерции подрессоренных масс остова соответственно трактора, кабины, двигателя и навесного орудия, участвующих в вертикальных перемещениях и продольно-угловых колебаниях, относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс; lz г-, /? , lz - расстояния по вертикали от центра масс остова трактора до центра масс кабины, двигателя и навесного оборудования соответственно. Момент инерции навесного орудия, учитываемый при вертикальных перемещениях: при продольно-угловых колебаниях: где: к - коэффициент, учитывающий варианты движения трактора с натр весным оборудованием, в рабочем и транспортном положении, а также без орудия. а - при вертикальных перемещениях, б - при продольно-угловых колебаниях Математическая модель позволяет исследовать плавность хода трактора на установившемся режиме для случаев: движение без навесного оборудования, нагрузка на крюке отсутствует; движение с навесным оборудованием в транспортном положении; движение с навесным оборудованием в рабочем положении с различной крюковой нагрузкой.
В таблице 2.1. приведены ограничения, которые следует наложить на систему уравнений при работе трактора на том или ином режиме. Сила и ее момент, вызывающие колебания подрессоренных масс трактора, учитывают неравномерность возмущений от звенчатости гусеничной цепи [73, 92] и описываются уравнениями: где: I -( -ЛЛ / у I ./.\- расстояния от проекции силы правого и левого бор-xl\J) yi\J) zi\j) та соответственно в плоскости х, у, z до центра масс остова трактора; а.( ., - угол между касательной силой тяги и горизонталью; S ., .,,S у, .yS ., - изменение длина ведущего участка правого и левого борта соответственно статическое, вследствие укладки звена на ведущую звездочку и за счет освобождения из под последнего опорного катка [129]. Неровности поверхности в зависимости от их характеристик и скорости движения МТА, оказывают возмущающее воздействие на него, в том числе на ходовую систему.
Математическая модель предусматривает возможность ввода кинематических возмущений, возникающих при движении трактора через единичную неровность, по периодическому и случайному профилям неровностей. Математическая модель кинематических возмущений охватывает эластичные подвески трактора с индивидуально подрессоренными катками с двух-, трех- и четырехкатковыми каретками. За основу принята четырехкатковая каретка, из которой методом исключения катков можно получить трех- и двух-катковую каретку, а также индивидуальную подвеску. В математической модели предусмотрена возможность комбинирования имеющихся подвесок для расширения области исследования систем подрессоривания ТТС.
Влияние почвенно-климатических факторов на условия эксплуатации МТА
Большое разнообразие почвенно-климатических зон, используемых для возделывания сельскохозяйственных культур, их различия по физико-механическим свойствам почв, их удельному сопротивлению, предполагает использование различных технических средств, и технологических приемов основной обработки почвы, количества и типоразмеры рабочих органов почвообрабатывающих машин и др. Все это в совокупности оказывает существенное влияние на формирование микропрофилей полей. Кроме этого, почвенный фон определенным образом формируется под воздействием динамических колебаний МТА, способных образовывать неровности с определенной частотой. Обзор нормативно-технической документации показал, что она недостаточно полно дает оценку функциональным качествам конкретных систем подрессорива-ния, так как в ней не регламентируется единый микропрофиль опорной поверхности для испытаний ТТС на плавность хода. Хотя с позиций как проектировщика систем подрессоривания, так и эксплуатационника было бы целесообразно, задавшись некоторым обобщенным полигоном неровностей, установить возможность проникновения сквозь систему подрессоривания возмущений как в частотном, так и в амплитудном диапазонах. Это позволило бы получать сравнительные показатели систем подрессоривания различных ТТС.
Характеризуя особенности климатических условий зоны каштановых почв (суховеи, низкая относительная влажность воздуха, недостаток осадков в наиболее ответственные моменты развития культурных растений), следует признать, что главной задачей научно-исследовательских учреждений является разработка приемов агротехники, способствующих накоплению и сохранению влаги в почве и ее рациональному использованию растениями.
Учет сезонности с/х работ связан с графиком их выполнения в конкретные агротехнические сроки, которые для различных регионов в процентном соотношении могут варьироваться. Ниже (см. Таблица 3.1) представлено распределение влажности почвы по слоям в зависимости от месяца года.
При определении механических характеристик почвы, таких как плотность, пористость необходимо учесть их состояние в период проведения работ. Волгоградская область простирается с севера на юг на 400 км. На севере почвенный покров представлен типичными почвами и южными черноземами, а на юге светло-каштановыми почвами [93, 101].
Сухостепная зона каштановых почв самая крупная в области и занимает 44% сельхозугодий, в том числе 2484,4 тыс. га пашни, из них в правобережной подзоне (Городищенский, Дубовский, Иловлинский, Камышинский и т. д. районы) 1624,5 тыс. га [2, 110.]. Почвы в основном каштановые разного гранулометрического состава. Каштановые почвы часто сочетаются с солонцами, луго-во-каштановыми и светло-каштановыми почвами. Среди светло-каштановых почв доминируют солонцеватые разновидности. Несолонцеватые почвы встречаются редко. В почвенных комплексах солонцы занимают от 10 до 75% площади. Разнообразие почвенного покрова дополняют луговые, лугово-каштановые почвы протяжин, блюдцеобразных западин. По составу преобладают глинистые и тяжелосуглинистые разновидности. С увеличением степени солонцеватости увеличивается уплотнение. Все эти свойства ухудшают водно-воздушный режим почвы [9, 93,101].
Почвенно-климатические условия формирования поверхности сельскохозяйственного поля определяют поступление в почву воды и тепла, от которых в значительной мере зависят физико-механические свойства почв (см. Таблица 3.2).
Реконструкция профиля пути по результатам регистрации перемещений катков относительно остова
Для реконструкции микропрофиля почвы, по которому движется МТА, пятым дополнительным колесом, установленным впереди, происходит регистрация микропрофиля перед проходом МТА, а также возможность определения, расчетным путем, его деформации, каждым опорным элементом.
В результате проезда МТА по конкретному профилю мы располагаем текущими значениями отрезков Аи Bh С» Д, Е, и текущим значением угла a.j
Для уяснения сути метода реконструкции профиля, воспользуемся из имеющейся базы данных теми значениями отрезков Asb Bsb Cst, Dst, Esl и угла ast [Рис. 4,2], которые соответствуют статическому положению остова трактора Соответственно, при прохождении каждым опорным элементом получим вертикальную координату микропрофиля, обозначив ее, как у , у , у , у , у?
Задача реконструкции сводится к определению значений У-,,у ,у ,Ул, Ус по известным значениям Ац, Ви Cib Dn, Еи , и а,ц, для конкретного положения ТТС на рассматриваемом участке профиля. Действительные значения перемещений опорных катков определим системой уравнений (4.27).
Предположим, что поворот остова ТТС происходит относительно центра упругости, который лежит посередине опорной поверхности, тогда действительная величина микропрофиля определится:
Таким образом, можем получить микропрофиля под пятым (измерительным) колесом. Значение вертикальной координаты профиля под первым нагруженным катком может быть записано в общем виде:
Таким образом, для решения задачи реконструкции микропрофиля агрофона достаточно знать перемещения опорных катков трактора, перемещение 5 колеса до прохождения трактора и угол продольно-угловых колебаний.
При этом появляется возможность исследования влияния деформации почвы, которая характеризуется ее упруго-диссипативной характеристикой, при движение МТА. 1. Разработана методика определения пространственного положения остова ТТС при исследовании движения МТА в реальных условиях эксплуатации. 2. Разработанная методика позволяет проводить реконструкцию микропрофиля почвы до прохождения по нему МТА, а также его изменение после воздействия каждым опорным катком. 3. Комплексность в измерениях позволяет исследовать не только динамику движения МТА, но и свойства почвы опорной поверхности, 4. Обеспечиваемая данной расчетной методикой возможность позволяет получать статистические данные микропрофилей агрофонов, учитывающие и физико-механические свойства почвы. 5. Достоинство данной методики заключается в снижении материальных, временных и ресурсных затрат на проведение экспериментальных исследований и получения данных для математического моделирования плавности хода МТА. 6. Разработанная, на основании предложенной методики, экспериментальная установка позволяет за один проход МТА получить пространственное положение остова ТТС, профиль опорной поверхности до прохождения МТА и после его деформирования каждым опорным катком подвески остова ТТС.
В основе исследований плавности хода ТТС лежит влияние внешнего возмущающего воздействия на его движение. По определению статистических свойств микропрофиля полей и дорог было выполнено большое количество измерений, отраженных в работах [7, 37, 39, 43, 85 и т, д.]. Получены экспериментальные данные по определению плавности хода ТТС, о чем свидетельствуют многочисленные отчеты по различным моделям и сериям [6, 50, 51, 62, 63, 66, 78, 114, 120]. Однако имеющуюся информацию о воздействии на ТТС различных видов агрофонов и самих свойств агрофона зачастую невозможно сопоставить. Несмотря на то, что созданы работы [4, 12, 30, 32, 35, 45, 73, 76, 90 и т.д.] по теоретическому анализу плавности хода колесных и гусеничных тракторов, исходя из случайного характера возмущений, в основе которых лежат методы математической статистики; методы расчета подвесок на основе статистического анализа возмущающих сил являются наиболее перспективными. Основная сложность анализа различных натурных измерений и дальнейшего их использования состоит в том, что нет единого подхода в их получении и обработке, основанных на нормативах и ГОСТах. Поэтому проблема комплексных измерений, их подготовка и проведение, с целью получения данных для проверки адекватности математических моделей -актуальна.
