Введение к работе
Актуальность теми. Курс на коренное преобразование экономики народного хозяйства нашей страна предусматривает повышение эффективности работ по созданию новой техники, в том числе и тракторно?, с улучшенными техк;.лэ-экономическкми показателями ни основе использования перспективных технических решений и внедре-і::ія более совершенных методов проектирования агрегатов и узлов.
С 1975 г. организовано производство отечественных тяжелых
промыли-энных тракторов с гидромеханическими гр шсмисоиями(ГМТ).
Б настоящее время выпускаются я готовятся к выпуску тракторы тя
говых классов 25, 35, оО, 75. Рост производительности т^уда в
строительстве, горнорудной промышленности и мелиорации обеспечива
ется увеличь-іием средней мощности зежлеройно-транспортного агре
гата. Однако с увеличением г,.ощн:сти трактора увеличиваются дина
мические нагрузки в трансмиссия при разгоне трактора, что вызыва
ет увеличение м-с;галлое"кости. Процесс разгона традиционно осуще
ствляется включением фрикционных механизмов, что связано с і*х из
носом. Снижение динамических нагрузок с помощью клапанов плавно
сти- сопровождается увеличением работы трения фрикционных элемен
тов и не применяется на тракте _оах Т-330, Т-500 и их модификаци
ях. Кроме того, применение мзталлохеравдческих дисков во фрикш- .
онннх механизмах связано с использованием дефинитных цветных ме- .
таллов. "
В связи с изложенным, с целью устранения перечисленных недостатков, представляется перспективным новый тип трансмиссии с несколькими гидродинрмлческиш передачами (щі), так называемые многэлиркуляоионные передачи(ш), которые применяются для пере- ' зшоченкя прредач и рзверсирс^аъля путем опорожнения одной ГДП и заполнения другой.' Такие передачи в насталеє время выл; ^каются фирмой "Фойт"(фРГ) для тракторов-погрузчиков. Ресурс этих машин
4 достигает 1,)-- їіж.ч. благодаря плавности переходных процессов и вшгсшгяня пропесса разгона без'использования {гзкшюнных элементов. Однако подобное убавление реализовано только с прамене-к:ем гидротрансформаторов (IV) с внешним расположением реактора (с центробежной турбиной^. В связи с широким применением ГТ с центростремительной турбиной, в том числе и на всех отечественных тракторах с ГМГ, является акту^.яьной задача реализации управления МП путем опсюжнения-запстьения ГТ с центростремительной турбиной.
Работа выполнена в соответствии с договором о научно-техническом содружестве между МАМИ и ПО "ЧЗІЛ" и планами этого завода по НИР и ОКР.
Целью шбо j является снижение нагруженности фрикционных ме-
t '
ханкзмов, трансмиссии промшленного трактора,и увеличение его ресурса на основе использования МП, управляемой опорожнением-заполнением ГДП.
Научная новизна:
предложена мэтодика анализа схем МП л их разработки, табли
цы схем ГДП, зависимость для определены кояичестватсхем ГДП от
количества элементов связи, определен;; зависимости реэкиг'а работы
ГДП от схем МП; .'
разработала методика расчета статического давления в рабочей полести ГТ г центростремительной турбиной.промышленного трактора при опорожнении-заполнении и времени опорожнені.: ГТ, а также методика экспериментального исследования давления в рабочей полости ГТ и процессов его опорожнения-заполнения;
выявлена физическая сущность процесса опгхекнения ГТ с цен-тгчетрещі эльной турбиной, зависимость внешней характерист...оі ГТ от внутренних процессов пр: изменении степени заполнена», обоснована условия максимально быстрого удалв*'чя жидкости из рабочей полости ГТ;
. 5
"*" . разработана уточненная математическая модель разгона промы-'плешого трактора с даогшнркуляшюююй передачей заполнением ГТ рабочей жидкостью;
разработала теория .аботы уплотнения разрезными кольцами в ГТ мяогоігаркуляционкчх передач и методике экспериментального их исследования.
Практическая ценность. Предложенная методика анализа схем «Л и их рарг'сотки позволяет подбирать необходимые схемы Ш и исследовать работу ГДЛ в их соси:е. Методика расчета давления, знате фичической сущности процессов опорожнения-заполнения ТТ с П.!Н-тростремительной турбиной позволяют обоснованно выбирать параметры системы опорожнения-заполнения. Предложенная математическая модели разгона промышленного трактор-., позволяет с минимальными затратами и в минимальные сроки оцек'ітх способы разгона трактора заполнением ТТ рабочей х'апхостьи и включением фрикционного механизма, выявить особенности процесса разгона заполнением ГТ. Слученные зависимости для расчета уплотнения разрезными кольцами позволяют подбирать производительность насоса подпитки и параметры
. уплотнения Р~Л из износостойких полимеров для условий работы в режиме опорожгоняя-зеполненяя. Разработаны стенды и методики исследований процессов опорожнения-заполнения, поля статического давления ь- рабочей полости ГТ и работы уплотнений ГДЛ.
Совокупность предложенных теоретических положений и методик
экспериментетьньх исс.эдований позволяют сократить сроки и затра
ты на проектирование МП. .
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований управления МП опорожнением-заполнением ГДЛ внедрены в практику раст ГСКБ ГО "ЧЗПТ" и используются при проек::гро-вании перспективных моделей промышленных трактиров. Результаты работ в части исследований уплотнения разрезными кольцами исполь-
зуются в ПО "ЧЗПТ" и ПО "БгТЗ". '
Апробация работы. Основные, положения работы доложены и одобрены:
на і зучно-техшческой конференции Московского автомеханического института, посвященной 50-дегаю института, г Москва, 1989г.;
в ГСКБ ПО "ЧЗПТ", г.Чебоксары, 1989 г.;
в НПО НАТО в 1990 г.;
на кафедре "Тракторы" МАШ в 1987, 1988, 1989 гг.
Публикации. По теме дассерыцаонной расіоти опубликовано пять работ.
Структура и объем габоты. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литератур, вкшочавцего 129 наименований,- и прк..ожешй. Работа содержит 148 страниц машинописного текста, 79 рисунков и фотографий, 5 таблиц.
В первой главе содержится анализ работ, посвя^ёшых иссле-' дованиям схем МП, условий работ ГД^ в их составе» разгона трактора с МП заполнением ГТ рабочей жидкостью, опорожнения-заполне-нгтГТ с центростремительной турбиной и работа элементов ГДД в услгпиях опорожнения-заполнения. Сформулированы цель и задачи исследований.
Схемы Ш рассматриваются в работах Д.Я.Апексапольского, Б;А.Гавриленко, А.Я.Кочкарева, С.П.Стесйна и др. исследования схем МП для тракторов приводятся в работах К.Я..Іьвовскоіч>.
Вопросы разгона машины с гидромеханической трансмиссигЧ рассматрпваюгся v работах В.Б.Альгина.В.И.Анохина, И.Б.Барскогс, В.В.Кэдобаова, И.А.Курзеля, Г.М.Кутькова,- J.I..Лаптева, А.М.Лисова, А.Н.Нарбута, Л.В.Сергеева, И.С.Цитовича и др., а разгон заполне-
ниєм ГТ - Д.Я.Алексапольского, Х.Л.граііславского, Б.А.Гавриленко, ".Ю.Дейнего, В.Л.Довжика, И.А.Долгорі, М.А.Орлова, Ф.А.Черпака, В.П.Шевчука и др.
Результаты исследовании проиессои опорожнения-заполнения ГДП излагаются в работах І.Ю.Дейнего, В.Л.Довж.:ка, И.А.Долгова, А.Е.Максимова, Ф,А.Черпака, В.П.Шевчука и др.
Работа элементов ГДП, в частности уплотнений, рассматриваются в работах А.Я.Кочкарева, К.Я.Львовского, С.П.Стесина и др.
Анализ ранее выполненных paJoT показывает, что исследования МГ. применительно к тракторам находятся в начальной стадии. Огсуі-. ствуот методики анализа и синтеза схем МП, недостаточно исследованы МП, включашие Т с центростремительной турбиной, условия
работы ГДП в их составе, а гпкже разгон промышленного тракто-ра с МП заполнением ГТ рабочей жилрос^ью.
. Больше работ посвяшьло исследованиям процессов ^чороккения-заполнения ГТ. Однако при этом ке выявлена физическая сущность процессе:: опорожнения-заполнения ГТ с центростремительной турбиной, отсутствует методика расчета давления в рабочей полости ГТ при опорожнен.«и-запольэнии, не исследована взаимосвязь внешней характеристики ГТ с внутренними процессами при изменении степени заполнения. Не исследована работа элементов ГДП в новых условиях опорожнение-заполнения рабочей полости.
Для достижения поставленной цели исследований определены сле
дующие задачи. .
1, Исследовать схемы МП промышленных тракторов, условия управ
ления ими путем ош>ро.'кяения-заш>лнеі..ія рабочих полостей ШІ и раз
работать основные положения анализа схем МП и их синтеза.
2. Исследовать пронесли управления МП путем опорожнения-за
полнения рабочей полости ГГ с центростремительной турбиной; сте
пень опорожнения в зависимости от передаточного отношения; поле
статического давления в рабочей полости ГТ при изменении степени его заполнения; временные характеристики процессов олороянения-заполнения; зависимость внешней характеристики ГТ от внутрвнгих проиессо" при изменении степени заполнения; работу элементов ГТ в условиях опоролшения-залолнения.
3. Разработать математическую модель и программу расчета процесса разгона промышленного грактора с МП заполнением ГТ рабочее жидкостью с возможностью проведения сравнительных исследований с традшыог гыми способами рсігона. Провести исследования.
4..Разработать стенд и методику экспериментальных исследований: процессов ошрожнегад-заполнения, поля статического давления в рабочей полости ГТ с центростремительной турбиной.
-
ПроЕ зти экспериментальные исследования: процессов опорожнения-заполнения; поля статического давления в рабочей полости ГТ с центростремительной турбиной; зависимости внешней характеристики ГГ от внутренних процессов при изменении степени заполнения; работы элементов ГДЛ в условиях опорожнения-заполнения.
-
Разработать и испытать систему опорожнения-заполнения ГТ .с центростремительной турбиной. ' * .
-
Разработать и исследовать уплотнения маслоподводов ГТ МП.
-
Выполнить анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований и разработать практические рекомендации.
-
На основании полученных результатов исследований произвести технико-экономическое обоснование разработанных рекоменд_-пий.
Вторая глава посвящена теоретичес-:им исследованиям вопросов управления МП пргчъшенных тракторов путем опорожне: ія-зчполнения
тайна основе анализа большого количества схем І...І, с целью ис-слелования условий раб. :и ГДП в юс составе, разработана методика
анализа схем МП и объединения ГДП в Ш, догорая включает:
основные положения анализа схем МП и объединения ГДП в МП;
зависимость для определения количества схем ГДП от количества элементов связи;
таблицы схем двух-, трех- и четырехэлементных ГДП (см.табл.1).
С использованием предложенной методики разработаны модули МП из двух ГДП, на некоторые из них полечено положительное решение по заяьі.е .'5 4603028/29 на изобретение, и кинематически схемы трансмиссий промышленных тракторов с ШЦсм.оис.1), предназначен-' ьые для реверсирования и переключения передач. Выполнен иханаллз с точки зрения управления путем опорокнения-заполненияТДП, установлены расчетные рчюшы f абрга ГЛД и особенности динамичесой модели разгона трактора с ШІ.
Для исследования процессов опорожнения-заполнения, внутренних процессов в ГТ при из'їеьзшш степени заполнения в качестве основного параметра выбрано статическое давление в рабочей полосїц Гх.Цри его определении представляет сложность расчет давления без учета давления системы подпитки, т.е. в процессе опорожнения-заполнения. Для расчета этого давления, например, в точке 1(см.рис2) предложена зависимость
Ріш-Afj-s+ApU+upU-'ApwApv-s+Ap!l-s-*ps ,
где pi и ps - давлетае в точках I и 5; Ар- изменение давлений на участках, обозначенных в индексах номерами точек(см.рис.2). Составляющие участков 2-3 я 4-5 состоят из двух слагаемых: первая-от вращения яшдеости в круге циркуляций(со штрихом); вторая - от вращения нидкости вокруг оси ГГ(е двумя штрихами). Расчет слагаемых этой зависимости, кроме Д-, производ:-.гся по известным формулам, а для расчета jDj- предложено выражение
' 10
Таблица 1 Схемы гидродинамических :іереда-: ,
Двухэлементная ШІ (ГТ с нарукным реактором )
(і)
,-JLr-
и-
т—
и-
ЯЛ (//
—//
г-
Трехэлементная ГДП ( Гидромуфта )
Ряд А
Ряд Б
-Иг
—И
Ке
г-
ни-
-Кг-1
т — н~
[и
т —
-Кг-
— и
г— н —
Продолжение табл.1
-df
—*v
*<-
-*7-
ш
Четнрехэлементная ГДП (ГТ с внутренним реактором )
Окончание табл.1
И—
— т-
—Кт
Н, Т, Р - элементы насосного, турбинного колес и реактора соответственно; Krt, Кг - элементы врадаэдегося кожуха, соединенные-с насосным колесом и турбиной соответственно
Рис.1. Многоциркуляшгойная передача промышленього трактора- с планетарне* коробкой передач: ІК - передний ход; ЗХ - задний ход; I, Q. Ці - номера передач; 1га- обозн; те: яя схем ГДП в соответствии с табл.1
Рис.:.. Схема ГТ с изнтростремятельной гурбаной: 1. ..11 - г.лк. исследования давления
о Ь и
iif t$ it t3 t
Рис.3. Эпюра распределе- ния давления по 'наружному тору ГТ
Рис.4. Характеристика заполнений 12-
14 где р - плотность жидкости; 0* - частота вращения жидкости в лолостя мраду точками 5 и 6 вокруг оси ГТ; Сів- прадиональная скорость. В этом случае давление, накладываемое на поле статического давленая в рабочей полости ГТ системой подпитки м. рас. З), мохет бить определено по формуле
где Лр - увел* .екав давлен.л при включения системы подпитки; А - давденке в точке 5, определяемое экспериментально.
3 зависикости от рехика работы П давление в т.1 может определяться и давлением со стороні* дополнительной камер-, в атом случае необходимо витрать наибольшее из них.
Обоснована возможность упрощенного рредставяения в расчетах объема полости ГГ с центростремительной турВшюй в виде пдлиндра it кольца.
Далее определены зависимости
для различных режимов работы ГТ, где' %(,)- степень.'опирог нения (заполнения) ГТ, что позе ляетраесчитквать время опо^-эхнения. На- . при зр, время полного опорожнения ГТ пря 7=1 может бвть определено ,по фортле
t - fo +f*)g -2) on
/* 8 . &>, '
где J)*,, - диаметр размещения славных отверстий; /Ч. - коэффициент расхода сливных отверстий: $ - зазор мвэдг насосным колесом ч турблгчй: 0( - частота ^рашенкя вала насосного колеси; ) - коэффициент, учитывают'^ конструктивную форму колес (,~ =V^/2^J; 2 - коэффициент, учгтывавдий ооъем дополнительных полостей (<гв Vaa/%)%у где Vj„- объем дополнительных полостей).
использована приведенная вше характеристика заполнения ГТ. Для проведения ра^четлых исследование разработана ФОРТРАН-программа; реализов'нная на СМ'ЭВМ. Программа реализспана по модульному приншту, чем обеспечивается ее высокая надежность и мобхльность,-зозможность быстрого поэлементного тестлтювания и дальнейшего раз-гития.
»
В илтемаиртеской модели и программе предусмотрена возможность исследования расша трактора с Ш, т.е. при различных .значениях моментов инерции, а такке в зависимости от времени заполнения. Возможно задание нагрузки в зависимости от пути и проведеьле сравнительных: исследований с разгоном включением фрикционного мехяниз-ма, снабженного клапаном плавности, и совмещением обоих способов. В зависимости от условий расчета динамическая модель двух- и трех- массовая.
При выборе времени заполнения и дрс дзводительности- насоса подпитки необходимо, наряду с другими параметрами,учитывать тип уплотнения, т.е. утечки через него. Для быстрого, соответственно с минимальными утечками, заполнения ТШ является перспективным -уплстнение .разрезннми кольааыи из полимера, которое ьаходат все большее применение в последнее вр^чя на отечественных тракторах. В случае применения эта колец внбранн->я производительность насоса подпитки должна быть проверена на соответствие параметрам уплотнения, ~ак как между ними -'ушествует' связь. Для количествен-' ной оценки этой связи предложена зависимость
где < - уплотняющая .сила, действгэдая на единицу длины кольца; Q - производитильносгь насоса подпитки; \> - кинематическая вязкость жидкост"; р - плотность жидкости; & - лирі л "лльца; Кэ-кс ффяпиент эксцентричности вала с уплотненней отаг чхел^ко
втулка; 7Г * 3,14; с/ - диаметр уплотнения; - з~зор между ышютнитальным кольпом и втулкой; А,, Д, - коэффициенты, учи-тывавдие отличи* -.ействительных эпюр уплотня-пщих сил от принятых в расчетах, f - высота кшаа; р, -коэффициент трения кольца о стенку канавки.
Величина Q в этом случае должка бить проверена на внполне-няе услоьл
где -f ш <^:t f'x f" \ . -f . -f\ f" - результирующая сила, сила упругости и центробежная сила, действующие на единицу длины .кольца.
' Изложение э является обоснованием работы нового типа уплотнения,' раоотавдего без. монтажного контактного давления.
Третья* гг",ва. Экспериментальные исследования включаот:
исследования разгона яромшпленного трактора с 1*П заполнением. ГГ рабочей жидкостью а включением фрикционного механизма;
исследования поде статического давления в рабочей полости
ГТ с центрострааательной туришшй и прспессов опорожнения-запол
нения; , .
исследования работы элементов гидротрансформаторов МП а условиях опорожнения-заполнения;
испытание системы опороашс-аия-заволнешя.
Экспериментальные работы проведены .В ЛО "ЧЗІЕ" в специально оборудованных боксах, предназначенных для исследований узлов промышленных тракторов, в соотзэтотвии с договором о содружестве . между МАМИ и ГО "ЧЗПТ". Стендовое оборудование а- прибора ведущих в этой области фирм ФРГ "Шеях" к "ШГ. Приборы аттестованы и їдовлетворвдг вредъявяяешм к ним требованиям. Часть исследований проведены в НПО НАГИ.
Дня. исследования поля статического давления в рабочей полости ГТ и процессов опорохнення-эаполнеяия рьэработана опециаль-
ная система, включающая гасос с азточоипым приводом, мзслоподоод с уплотнением из фторопластовой композиции 4К20 на диаметре 450 мл и систему опорожнения. На устройств^ опорокнепия получено пололітельное решение по заявке . 4364053/29 па изобретете. Эта система позволяет контролировать давление в трех точках рабоїей полости ГТ с центростремительно'! турбиной соответствуидах трем -
мекколеешм зазорам. Разработаны методики для определения давления после выключения системы подпитки, т.е. при опорошекип-заподнеши и исследования процессов опорошіения-заполнешія.
С помощью этой se системы исслелован процесс разгона ГТ заполнением рабочей жидкостью при различных значениях передаточного отношения и о фиксацией давлешія в вышеупомянутых трех точках.
Разработана такке вторая система для быстрого опорожнения ТТ, в которой реализовано сливное сечен&е, равиое площади'зазора между насосным колесом и турбиной. 3 устройстве опорожнения предусмотрена возможность исследования и уплоиштелышх колец.
.- Исішіание системы оаорокнения-заполнеиия представляет собой испытаниеего основного элемента - уплотнения разрезными кольцами 1.3 Ф4К30, определяющего ее работоспособность. В результате по-лу'чнны данные для практического использования и разработаны рекомендации по их применению и проектированию.
Четвертая глава посвящена сравнительному анатазу теретичео-яих и экегчр" ментальных данных. Отличие между расчетными и'энспе-' риментальными данными составляет:
при вдечете давления в рабочей полости ГТ о'. З до I" % в зависимости о* режима работы, например, для основного расчетного режима і = 0 gvo отличие не более 6 *>;
при задании закономерности изменения давления в ГТ в зависимости от степ-чи заполнения - 5-6 %;
п. и задний характеристики заполнения ГТ - 3-5 %%
по результатам расчета раз: заа «оактора - 5--ІС
при расчете уплотняющей craw-не более 7 %. Изложенное позволяет заключить о хорошей сходимости расчетных и экспериментальных данных.
В результат экслериментальнкх исследований установлено, что элементы ГЇ подшипники и уплотнения дополнительно не нагружаются, так как рост давления в рабе ей полости ГТ происходит главно при его заполнении.
Анализ предложенных, схем Ц промышленных тракторов, предназначенных для реверсирования, по сравнению с традиционными трансмиссиями показывает, чсо они конструктивно не слозшее. Применение МП позволяет снизить данамичег-кие нагрузки в Jj раз, где l-2-Ji , 1 ' fi - коэффициент запаса фрикционного механизма при разгоне. О учетом того, что разгон промышленного трактора общего каянгле-ния осуществляется вкл-.чением фрикционных элементов механизма реверсирования, с одинаковт моментом трения для всех передач, и возможности использования клапанов .плавности заключено, что снижение динамических составляет от 2 до 6 раз. Ьри этом.погашаются надежность трансмиссии и долговечность, но количественная их опенка на данном этапе исследований не представляется возможной.
Установлено, что ц-лксимаяьлая нагрузка при разгоне заполнением ГТ рабочей жидкостью зависит только от энергоемкости ГТ и не превышает значения крутящего момента на турбшшом валу гри і - 0, т.е.. не зависит от величин инерционных мэ.^с трансмиссии, что обе:печ^вавт свободу компоновки.
Колебание момента на гасоском колесе при заполнении г.азнва-> ет его увеличения до 20 % в зависимости от времени заполнения и 4-0, одгеосо при увеличение» значения І амплитуда колеоания уменьшается. Исследование работы ГТР-4802 с двигателем 8ДВТ-І30 показывает, что двигатель при этом не перегружается.
При ислользсаании МЛ д.-л реверсирования трактора со специально подобранным для отката ГТ к.п.д. трансмиссии повышается на
21 s»8 %, а при использовании гидромуфты - на »15 %. Применение гидромуфты uv; отжата снижает потери мощности в гнпродинатяіческнх передача^ на 14-"8 %, а расхода топляча - ча 1,5 55. Нагрузка при работе МП распределяется между двумя ГДП, что соответстг'ет уве-. .течению долговечности ГТ перечней) хода на =» 25 1 При это?.- в два
раза сокращается кслачество разгонов осуществляемых использование
> ем кавд. ! из ГДП. Применение МП позволяет также снизить росходы
металлокерамики., т.е. цветных металлов, около двух раз..
Экономический эффект при использовании уплотнительных колеи
образуется из-за увеличения долговечности самих колеп из (Тторс-
шгстовой композиции Ф4К20 и сопрягае"нх с ни,.; деталей.
