Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Устойчивость движения тракторного агрегата и критерии ее оценки 8
1.2. Основные шакторы, влияющие на устойчивость движения тракторного агрегата, работающего на склоне и пути ее улучшения 16
1.3. Влияние устойчивости движения тракторного агрегата на технико-экономические и агротехнические показатели 20
1.4. Обзор и анализ существующих конструкций по рулевому приводу крутосклонных тракторов и самоходных шасси 23
1.5. Задачи исследования 33
2. Особенности работы крутосклонного трактора на склоне 37
2.1. Конструкции переднего ведущего моста и рулевого привода крутосклонного трактора МГЗ-82К 37
2.2. Влияние особенностей конструкции переднего моста трактора МГЗ-82К на устойчивость движения и основные пути его улучшения 42
2.3. Рулевой привод предлагаемой конструкции крутосклонного трактора МГЗ-82К 52
2.4. Особенности сил и моментов, действующих на крутосклонный трактор при криволинейном движении по склону 57
3. Теоретические исследования 65
3.1. Кинематика рулевого привода существующей и предлага емой конструкций трактора МГЗ-82К 65
3.2. Выбор основных параметров рулевого привода крутосклон ного трактора 91
33. Метод оценки курсовой устойчивости движения трактора 96
3.4. Математическая модель крутосклонного трактора при круговом движении на склоне 100
3.5. Методика и результаты теоретического исследования . 109
4. Программа-методика экспериментальных исследований 126
4.1. Цель и объект исследования 126
4.2. Установка для исследования, методика проведения исследований 126
4.3. Оценка погрешности и результаты экспериментальных исследований 139
5. Результаты исследовании 147
5.1. Сравнение и анализ теоретических и экспериментальных результатов 147
5.2. Экономический эффект от внедрения модифицированной конструкции рулевого привода крутосклонного трактора 149
5.3. Основные выводы работы 152
Список использованной литературы 155
- Основные шакторы, влияющие на устойчивость движения тракторного агрегата, работающего на склоне и пути ее улучшения
- Влияние особенностей конструкции переднего моста трактора МГЗ-82К на устойчивость движения и основные пути его улучшения
- Математическая модель крутосклонного трактора при круговом движении на склоне
- Установка для исследования, методика проведения исследований
Основные шакторы, влияющие на устойчивость движения тракторного агрегата, работающего на склоне и пути ее улучшения
Устойчивость движения тракторного агрегата на поперечном склоне зависит от тех же случайных и постоянных факторов, что и трактора: микрорельефа опорной поверхности, боковой составляющей силы веса и разворачивающего момента от сил сопротивления движению, бокового увода шин и поперечного сдвига грунта (сползания) , конструкции машины и индивидуальных особенностей водителя по управлению агрегата. Трактор, в свою очередь, также воздействует на сельскохозяйственную машину, степень этого воздействия во многом обусловлена существующей связью между трактором и сельскохозяйственной машиной. Немалую роль для показателей устойчивости движения крутосклонного тракторного агрегата на склоне играет кинематика рулевого механизма самого трактора. Извест но / 2, 3 /, что при стабилизации углы поворота управляемых колес изменяются в зависимости от крутизны микрорельефа опорной поверхности, то есть не зависят от желания водителя - это приводит к принудительному повороту трактора от заданного курса движения.
Была проведена серия экспериментальных и теоретических исследований по устойчивости движения тракторного агрегата на склоне.
Система автоматической стабилизации остова и ходовой части в вертикальной плоскости, наряду с увеличением устойчивости против опрокидывания, существенно повысила также ориентируемость трактора в направлении движения и уменьшила угол отклонения его траектории от заданного курса на поперечном склоне. Это можно объяснить уменьшением бокового увода шин в силу вертикального расположения колес, увеличением тягово-сцепных свойств трактора и уменьшением приложенного к нему разворачивающего момента.
Большую роль в улучшении показателей устойчивости движения тракторного агрегата, снабженного системой автоматической стабилизации, сыграло при этом обеспечение условий труда водителя, близких к реальным.
Однако оборудование трактора системой автоматической стабилизации все-же не разрешило полностью проблему устойчивости его движения /18, 19, 20 /. Курсовой угол и угол отклонения траектории движения крутосклонного трактора на осваиваемых под однолетние культуры склонах превышают допустимые значения.
Использование передних направляющих колес в качестве ведущих, снижение давления воздуха в шинах и блокировка межколесного дифференциала хотя и обеспечивают некоторое улучшение принятых во внимание показателей устойчивости движения крутосклонного трактора за счет повышения его тягово-сцепных свойств, все-таки недостаточно эффективны. Такие же средства повышения тяго во-сцепных свойств, а следовательно, и улучшения устойчивости движения, как дополнительные решетчатые и пневматические колеса и почвозацеш, жестко крепящиеся к диску колеса, не приемлемы для крутосклонных тракторов в силу их предназначенности для колес, вращающихся в плоскости, перпендикулярной к опорной поверхности.
Немаловажное значение для показателей устойчивости движения крутосклонного трактора на склоне имеет конструкция шины, в частности, исполнение ее протектора / 21 /. Шины серийных универсально-пропашных сельскохозяйственных тракторов при вертикальном расположении на поперечном склоне создают в ведущем режиме боковую составляющую результирующей касательных реакций грунта вследствие асимметричного приложения последней в пятне контакта и характер рисунка грунтозацепов "елочка", направленного вниз по склону и способствующего, в силу этого, сползанию трактора в указанном направлении. Поэтому создание шин со специальным рисунком протектора, обеспечивающим направление боковой составляющей результирующей касательных реакций грунта вверх по склону является одним из шагов на пути уменьшения сползания трактора на поперечном склоне / 22 /.
Более эффективным средством борьбы со сползанием задних колес крутосклонного трактора является установка на поворотные бортовые редукторы в их передней и задней частях свободно вращающихся подпружиненных дисков, затрубленных в грунте под определенным углом / 18, 20 /. Однако диски и подобного им принципа действия другие устройства ухудшают тягово-сцепные свойства трактора из-за возрастания сопротивления движению и уменьшения сцепного веса (см. рис. 1.2).
Самым эффективным способом улучшения показателей устойчивости движения трактора и агрегатируемой с ним машины является поворот колес их ходовой части в сторону склона /17, 20 /. Однако, учитывая, с одной стороны, факт создания на сегодняшний день крутосклонных тракторов путем модернизации серийных моделей сложившейся компоновки и, с другой - значительные габаритные размеры поворотного устройства, обусловленные главным образом необходимостью осуществления передачи крутящего момента на колесо, оборудование универсально-пропашных тракторов крутосклонной модификации такими устройствами влечет за собой увеличение одного из основных их компоновочных параметров колеи, лимитированной условиями проходимости в междурядьях и агрегатирования с плугом.
На основании проведенного анализа основных путей улучшения устойчивости движения крутосклонного трактора по склонам можно сделать вывод: влияние стабилизации остова и колес на кинематику рулевой трапеции, управляемость, устойчивость движения трактора в целом на склоне практически не изучено.
Влияние особенностей конструкции переднего моста трактора МГЗ-82К на устойчивость движения и основные пути его улучшения
Известно, что несмотря на целый ряд преимуществ крутосклонного трактора, государственные испытания выявили несколько недостатков, основным из которых является низкая устойчивость движения. Вследствие этого применение такого трактора для обработки междурядий на склонах ограничивается. Испытания крутосклонного трактора МТЗ-82К показывают, что конструкция переднего моста в сильной степени влияет на прямолинейность его движения. С целью выявления закономерности этого влияния выполнены ниже приведенные исследования. Эффективность работы крутосклонного трактора зависит не только от достаточной продольной и поперечной устойчивости, но и от хорошей управляемости его при работе на склонах. Управляемость "равнинного" трактора многими авторами характеризуется как способность изменять направление движения, а также маневренность или поворачиваемость агрегата. Управляемость крутосклонных тракторов и склоноходов из-за особенностей условий работы должна характеризовать способность изменения режима движения. Такое определение включает не только способность изменения направления движения, но и способность изменять скорости движения в зависимости от эксплуатационной необходимости, способность управлять скоростью движения, плавностью хода и выравниванием остова.
С этой точки зрения управляемость дает оценку рулевому управлению и узлам, влияющим на режим движения, в конечном итоге - всей конструкции трактора / 31 /. Таким образом, управляемость тракторов и склоноходов зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов. К конструктивным факторам относятся особенности конструкции ходовой части трактора, база, колея, координаты центра тяжести, вес, конструкции рулевого механизма и механизма выравнивания и т.д. Испытания трактора МТЗ-82К / 25 / свидетельствуют о том, что с возрастанием крутизны склона его подвижность ухудшается, понижается качество выполняемых сельскохозяйственных операций. Повышения подвижности крутосклонных тракторов можно достичь совершенствованием качества его поворотливости, управляемости, стабильности прямолинейного движения и поворачиваемости путем создания целесообразной конструкции ходовой части, рулевого управления, устранения колебаний остова трактора, усовершенствования механизма стабилизации и т.д. Исследование каждой группы вышеперечисленных факторов в отдельности не решает проблему управляемости крутосклонного трактора. Совокупное влияние этих факторов на управляемость трактора МТЗ-82К при движении в разных направлениях склона представляет существенный интерес. В настоящей главе будем рассматривать влияние некоторых конструктивных особенностей переднего моста трактора МТЗ-82К на его поворотливость и устойчивость прямолинейного движения. Из схемы, изображенной на рис. 2.4, видно, что шарниры боковых сторон параллелограммного механизма расположены на меньшем расстоянии от продольной оси трактора, чем точки опоры передних колес. Вследствие этого поперечный угол склона микропрофиля 0 1, к которому приспособлен передний мост, не соответствует углу поворота передней балки 8 , причем Z всегда больше, чем о .
Если известны: С - расстояние по горизонтали от точки опоры переднего колеса до шарниров боковой стороны параллелограммного механизма и М - длина передней балки, то не трудно установить зависимость Угол наклона передней балки всегда больше поперечного утла склоно микропрофиля на величинуагс Sin rJJ—- и из меняется пропорционально расстоянию С, обратно пропорционально длине передней балки М (колее). Зависимость между поперечным углом склона микропрофиля о и углом наклона передней балки 8 показана на рис. 2.5. Увеличенный наклон передней балки по сравнению с крутизной микропрофиля и, вообще, большое значение Ь отрицательно сказывается на работе рулевого привода, углах поворота направляющих колес и радиусе поворота трактора. Подробнее можно смотреть раздел 3.1. Передняя балка выполнена в виде к-образной с плечом К = О Н (см. рис. 2.4). К - расстояние от середины передней балки до шарнира качания переднего моста. По этой причине передние колеса при стабилизации моста кроме вертикальных перемещений подвергаются и поперечному смещению. При этом нижнее колесо (см. рис. 2.4) с увеличением наклона всегда приближается к продольной оси симметрии трактора, а верхнее колесо до достижения определенного угла наклона передней балки удаляется, после чего, как и нижнее колесо, приближается к оси симметрии трактора. Согласно схеме переднего моста трактора при стабилизации (см. рис. 2.4) смещения колес и середины моста определяются из условия сохранения первоначального положения трактора выражениями: Зависимость между углами 6 и о( - по формуле 2.2. Видно, что при 8 = ZЯч) П = 0 . Л4 і Я І и Л - смещения соответственно нижнего и верхнего колес и середины передней балки. Смещение к продольной оси трактора считается положительным. Значения величин смещения колес и середины передней балки в зависимости от поперечного угла склона микропрофиля изображены на рис. 2.6. Из графика видно, что для обеспечения заданного направления движения при изменении крутизны склона микропрофиля до 17 необходимо, чтобы оба передние колеса перемещались вверх по склону, а при о( больше 17 нижнее колесо смещалось вверх, а верхнее колесо наоборот - вниз.
Математическая модель крутосклонного трактора при круговом движении на склоне
Для исследования влияний кинематики рулевого привода на устойчивость криволинейного движения крутосклонного трактора воспользуемся плоской расчетной моделью. Предположим, что трактор совершает криволинейное движение на склоне, плоскость ХО . является неподвижной системой координат, система XOJL - плоскостью микропрофиля (см. рис. 3.18 и 3.19). В процессе поворота на трактор действуют следующие силы и моменты: движущие силы -Р н , Ра2 »Раз t %ч » боковые силы - Si , fz , Р З , РЛ ч ; тяговое усилие Ркр ; моменты сопротивления колес п Чи моменты увода колес - MtM , Миг , Mp,Matf. Данная динамическая модель относительно неподвижной системы координат «ЗСОЦ. имеет три степени свободы: движения центра масс в направлениях осей X , Ч и поворот всей модели вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс трактора, на угол т , Будем рассматривать движение трактора с зафиксированным положением рулевого колеса. При отсутствии внешних возмущений траектория движения центра масс в этом случае будет окружностью. Опыт / 21, 22, ЗІ / показывает, что действительная траектория движения тракторного агрегата в этих условиях весьма значительно отличается от окружности. Обозначим R - радиус кривизны траектории поворота тракторного агрегата; о( - угол склона микропрофиля; o(t - поперечный угол склона микропрофиля, который влияет на кинематику рулевого привода; oil- продольный угол склона микропрофиля. Зависимость этих углов выражается по формулам (2.12) и (2.13)
Наиболее удобным способом составления динамических уравнений движения разработанной механической системы "поверхность склона -машинно-тракторный агрегат" следует признать уравнения Лагранжа 1-го рода с неопределенными множителями, позволяющие непосредственно определить не только закон ее движения, но и реакции связей / 45, 46, 47 / где - кинетическая энергия системы; - обобщенные силы вдоль соответствующих осей коорди нат; пРеДставляет собой сумму боковых реакций; - неопределенные множители Лагранжа представляют собой боковые силы, действующие на каждое колесо; rj - уравнения связей; и (J,- - обобщенные координаты и скорости. Так как скорость движения трактора по склону невелика ( V4. 2 м/сек) и микропрофиль сминается шиной, составим расчетную модель кругового движения трактора без учета вертикальных колебаний. Введем следующие допущения: 1. Остов трактора - абсолютно твердое тело. 2. Система определена конечным числом степеней свободы. 3. Диссипацией энергии при движении машины пренебрегаем вследствие малости. 4. Принимаем колею Б по передним и по задним колесам одинаковой. 5. Ввиду малости пренебрегаем центробежной силой (т.к. скорость движения трактора не превышает 5 км/ч), направленной от центра поворота трактора fyx и Pj (см. рис. 2.II). 6. Тяговое усилие принимаем постоянным по величине, а за направление можно принять угол между абсолютной скоростью точки подключения тягового усилия и продольной осью трактора р 7. Угол/3 изменяется вследствие изменения углов поворота направляющих колес - радиуса поворота трактора. Допускаем, что угол /3 изменяется прямо пропорционально углам поворота направляющих колес по зависимости: По нашим расчетам для трактора МТЗ-82К коэффициент пропорциональности К составляет 0,32. 8. для упрощения задачи принимаем, что сельскохозяйственной машиной является дисковая тяжелая борона, то есть отсутствие вертикальной составляющей тягового усилия. 9.
Поворот трактора осуществляется при выключении механизма блокировки дифференциала. Принимаем, что дифференциалы, установленные на осях трактора, являются простыми, то есть касательные силы, развиваемые нижними и верхними по склону колесами, одинаковы: Рщ =PK2J fi 3 Р Ч (см. рис. 3.19). 10. Муфта свободного хода установлена на переднем мосту, включается при движении по дуге А 13 С в связи с большим буксова ниєм колес и выключается при движении по дуге СОА (см. рис. 3.18), то есть Рк = Які = 0. За обобщенные координаты системы примем координаты центра масс трактора Х \\ ; Ц. - і и угол j , образованный продольной осью трактора и осью ОС . С учетом принятых допущений система динамических уравнений кругового движения трактора с 4-мя ведущими колесами при заданной программе движения имеет вид
Установка для исследования, методика проведения исследований
Изменения действительных радиусов поворота трактора Т-50К в зависимости от его расположения на склоне изложены в табл. 4.1. Движение осуществляется от точки I, и трактор разворачивается по указанной стрелке на схеме 4.9.
Траектория, описанная средней точкой заднего моста на склоне, не совпадает с окружностью, соответствующей начальным углам установки направляющих колес. Эксперименты показали, что мгновенные радиусы поворота на разных участках движения трактора значительно отличаются от теоретического радиуса поворота на равнине. На участке 1-а-г-в-З траектории движения трактора, как и следовало ожидать, в связи с появлением постепенно увеличивающихся отклоняющих факторов продольной оси симметрии трактора вниз по склону (то есть в сторону поворота) действительные радиусы поворота уменьшаются (излишняя поворачиваемость). Минимальный мгновенный радиус поворота наблюдается в точке Г , что объясняется большой суммарной величиной отклоняющихся факторов трактора от направления движения. Например, на склоне о( = 14--16 действительный радиус в среднем уменьшается до 25%. При этом интенсивность уменьшения радиусов поворота растет с увеличением среднего начального угла установки направляющих колес.
На участке 3-c-L - - I наблюдается увеличение радиусов поворота (недостаточная поворачиваемость). Например, на склоне крутизной о( = 20 мгновенный радиус поворота увеличивается до 40%, то есть с увеличением крутизны склона, на котором поворачивается трактор, увеличивается разница между действительным радиусом поворота на склоне и действительным радиусом по ворота на равнине в таких же начальних условиях.
Эксперименты показали, что траектория движения и радиус поворота трактора зависят не только от его расположения на склоне, но и от способа поворота (поворот вверх или вниз по склону) и начала поворота.
Были проведены эксперименты по определению влияния конструкции переднего моста на стабильность прямолинейного движения и установлено, что с увеличением крутизны склона ухудшаются показатели, характеризующие управляемость крутосклонного трактора, а именно стабильность пршлолинеиного движения. При этом тракторист тратит больше энергии на поддержание нужного направления движения по сравнению с движением на равнине. Эксперименты показали, что количество воздействий тракториста на рулевое колесо для поддержания нужного направления увеличивается на склоне в о( = = 10 до =16$, а на склоне о( = 20 - до 24$. При этом, чем меньше колея переднего моста, тем больше количество воздействий на рулевое колесо. Это объясняется тем, что с увеличением колеи переднего моста увеличивается несимметричность расположения передних колес от продольной оси симметрии трактора..анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что с увеличением несимметричности Л/і(см. раздел 2.2) расположения направляющих колес переднего моста относительно продольной плоскости симметрии крутосклонного трактора происходит перераспределение вертикальной нагрузки на передние колеса, что со своей стороны вызывает поворачивающий момент И г? трактора, причиной которого является разное сопротивление перекатыванию передних колес, при этом поворот склонохода происходит в сторону более нагруженного колеса.
Таким образом, экспериментально доказывается, что недостатки конструкции переднего моста крутосклонного трактора MTS-82K вы зывают увеличение сопротивления движению трактора на склоне, что в итоге отрицательно действует на качество поворотливости и кинематические возможности сельскохозяйственных агрегатов.
Сравнение результатов расчета и эксперимента по основным исследуемым параметрам указывает на адекватное отображение разработанными математическими моделями крутосклонного трактора при круговом движении на склонах и крутосклонного машинно-тракторного агрегата при криволинейном движении реальных процессов, а также адекватное отображение между значениями углов поворота направляющих колес, которые определялись при кинематическом расчете (раздел 3.1) и при стендовом эксперименте. Расхождение результатов расчета и эксперимента не превысило Ь%, 6% и 10$ соответственно для определения зависимости утла наклона передней балки І от поперечного угла склона микропрофиля оС ; для определения принудительного изменения углов поворота направляющих колес &( и vt в зависимости от поперечного угла склона микропрофиля о( и для определения основных параметров криволинейного движения тракторного агрегата на склонах.
