Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1. Анализ назначения углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф 6
1.2. Влияние углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф на эксплуатационные параметры колесной машины 21
1.3. Существующие методы определения необходимых углов установки управляемых колес и шкворней поворотных ЦАПФ 28
1.4 Задачи исследования 32
2. Теоретические основы выбора оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных ЦАПФ трактора 33
2.1. Общий подход к решению задачи выбора параметров оптимизации 33
2.2. Описание плоскости управляемого колеса 42
2.3. Математическая модель движения трактора 4К2а при повороте 52
2.4. Влияние углов установки управляемых колес на сопротивление движению колеса 65
2.5. Выводы 68
3. Экспериментальные исследования эластичного колеса 70
3.1. Объект исследования, испытательный стенд, методика проведения испытаний и обработка их результатов 70
3.2. Анализ результатов экспериментальных исследований 79
3.3. Определение коэффициентов увода по результатам анализа экспериментальных исследований 89
Определение упругого стабилизирующего момента управляемых колес по результатам анализа экспериментальныхисследований , 97
Выводы 104
Выбор углов установки управляемых колес и шкворней поворотных ЦАПФ для универсально-пропашного трактора 106
Маневренность трактора 106
Управляемость и устойчивость трактора 118
Сопротивление движению трактора 141
Выбор оптимальных углов установки управляемых колес ишкворней поворотных цапф трактора 147
Выводы 156
Основные результаты и выводы 159
Литература 162
Приложение 169
- Существующие методы определения необходимых углов установки управляемых колес и шкворней поворотных ЦАПФ
- Влияние углов установки управляемых колес на сопротивление движению колеса
- Определение коэффициентов увода по результатам анализа экспериментальных исследований
- Выбор оптимальных углов установки управляемых колес ишкворней поворотных цапф трактора
Введение к работе
В настоящее время область применения тракторов в народном хозяйстве весьма значительна. Их используют в сельском хозяйстве, на дорожных и строительных работах, в коммунальном хозяйстве, а также во многих других отраслях хозяйственной деятельности. При этом колесные тракторы значительную часть времени используются на транспортных работах.
В сложившейся экономической ситуации, когда появляется все больше мелких частных хозяйств, способность тракторов выполнять транспортные работы приобретает дополнительную ценность. Мелкие предприниматели не могут позволить себе большой парк машин, а объем перевозок в таких хозяйствах относительно невелик. В свете этих причин многоцелевые возможности тракторов особенно актуальны.
Одним из мало изученных вопросов конструирования колесных тракторов является задача выбора углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф. Этот вопрос чаще всего рассматривался применительно к автомобильной технике [1-23], однако полностью на сегодняшний день не изучен. В настоящее время не существует общепринятых методик расчета данных углов, а их значения при создании новых образцов колесных машин определяются по хорошо зарекомендовавшим себя аналогам с последующей экспериментальной доводкой. Проведение же экспериментальных исследований требует существенных материальных и временных затрат. Вследствие этого разработка методики определения рациональных значений выше описанных углов имеет важное теоретическое и практическое значение и является актуальной научной задачей.
Основным отличием условий эксплуатации трактора от автомобиля является его использование на тяговых работах, а также многофункциональность. При этом необходимо отметить, что характеристики тракторных шин существенно отличаются от автомобильных. Вследствие этого методики выбора выше отмеченных углов, разработанные для автомобилей, не всегда можно использовать применительно к тракторной технике.
В свете всего выше сказанного целью данной работы является разработка методики выбора оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора.
В работе предложены критерии оптимизации, которые позволяют учитывать влияние исследуемых углов на различные эксплуатационные и технико-экономические показатели трактора. Разработаны методы расчета данных критериев, использующие как уже известные зависимости, так и новые, предлагаемые автором. Также получен обобщенный коэффициент эффективности, позволяющий численно оценивать эффективность выбранных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф.
Существующие методы определения необходимых углов установки управляемых колес и шкворней поворотных ЦАПФ
В предыдущем разделе было отмечено, что углы установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф оказывают существенное влияние на многие эксплуатационные и технико-экономические показатели машино-тракторного агрегата (МТА). Поэтому при выборе величин этих углов необходимо исследовать их влияние на эти показатели работы машины. Однако, учитывая многоцелевое назначение большинства колесных машин, в частности тракторов, и многообразие условий эксплуатации, количество показателей, характеризующих их работу, может быть весьма значительно. Поэтому учесть их все при выборе углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора крайне сложно. Для анализа степени значимости различных показателей работы трактора их целесообразно разбить на группы.
К первой группе таких показателей можно отнести параметры, влияющие на сопротивление движению самоходной машины, которые, в конечном счете, определяют её топливную экономичность и поэтому являются одними из наиболее важных показателей. Ко второй группе следует отнести показатели, характеризующие устойчивость и управляемость самоходной машины. К третьей группе следует отнести показатели, определяющие маневренность самоходной машины, т.е. обеспечение необходимых траекторий движения на ограниченном пространстве. Важными эксплуатационными характеристиками являются также параметры, отражающие износ шин, которые целесообразно объединить в четвертую группу показателей.
Однако следует отметить, что износ шин тесно связан с показателями первой группы, т.е. с сопротивлением качению. Действительно, величина износа шин при одинаковых дорожных условиях растет с увеличением сопро 34 тивления качению. Этот вывод может быть получен из анализа результатов исследований [55], проведенных для автомобильных шин. Поэтому влияние углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф на износ шин может быть учтено за счет увеличения значимости показателей первой группы. Целесообразность такого подхода дополнительно может быть оправдана тем, что в настоящее время недостаточно исследовано влияние различных факторов на величины износа тракторных шин.
С учетом отмеченного, в дальнейших исследованиях при выборе углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф будем учитывать их влияние на следующие параметры трактора: сопротивление качению, устойчивость и управляемость, а также маневренность. Причем уровень значимости сопротивления качению удвоим, так как эти показатели влияют не только на топливную экономичность, но и на износ шин самоходной машины. Очевидно, что в случае необходимости учета каких-либо дополнительных показателей, методика решения задачи по выбору оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф практически не измениться.
Очевидно, что углы, определяющие положение управляемых колес, могут влиять различным образом, как на отдельные показатели в пределах данной группы (в некоторой степени), так и на разные группы показателей в целом (весьма значительно). Причем, отдельные характеристики и показатели могут в той или иной степени меняться в зависимости от условий эксплуатации самоходной машины: движение по жесткому или деформируемому основанию, прямолинейная или криволинейная траектория движения, установившееся или неустановившееся движение и т.д. Поэтому выбор оптимальных значений углов представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу. Еще более эта задача усложняется для самоходных машин универсального назначения, так как в этом случае спектр условий эксплуатации и работ, выполняемых машиной, наиболее широк. Для объективного ответа на вопрос о выборе оптимальных значений углов установки управляемых колес и наклона шкворней целесообразно выбрать обобщенный критерий, учитывающий все отмеченные выше группы показателей эффективности самоходной машины, который в дальнейшем будем называть обобщенным (интегральным) коэффициентом эффективности и обозначать символом rj0.
Для вычисления обобщенного коэффициента эффективности г}0 предварительно следует, в пределах каждой группы показателей, определить критерий по данной группе параметров, т.е. коэффициент эффективности качения гк, коэффициент эффективности по маневренности тм и коэффициент эффективности управления ту.
Все отмеченные коэффициенты эффективности по смысловому значению целесообразно максимально приближать к понятию коэффициента полезного действия, т.е. определять их как отношение начальной величины какого-то параметра к его текущему значению (или их обратное соотношение). В качестве начальной величины соответствующего параметра удобно принимать его минимальное или максимальное значение. Причем выбор прямого или обратного соотношение будем проводиться таким образом, чтобы качественное улучшение эксплуатационного параметра сопровождалось повышением численного значения соответствующего коэффициента эффективности. Например, при выборе в качестве начального значения минимальной величины данного параметра следует брать прямое отношение, а при выборе в качестве начального значения максимальной величины необходимо принимать обратное соотношение. При таком подходе увеличение любого коэффициента эффективности будет указывать на улучшение технико-эксплуатационных показателей самоходной машины, а его наиболее высокое значение следует ожидать близким к единице. Однако коэффициенты эффективности не следует отождествлять с коэффициентами полезного действия, так как в ряде случаев коэффициент эффективности может принимать значение больше единицы. Таким образом, получив к численных значений коэффициентов эффективности т;, каждый из которых будет характеризовать определенную группу показателей, можно определить обобщенный коэффициент эффективности
По При вычислении величины обобщенного коэффициента, по ранее определенным значениям частных коэффициентов, необходимо обеспечить степень важности («весомость») каждого і-того частного критерия.
Указанному условию удовлетворяет известная формула [66] для вычисления средневзвешенной величины, которую целесообразно использовать для вычисления обобщенного коэффициента эффективности.
Влияние углов установки управляемых колес на сопротивление движению колеса
Для дальнейших исследований влияния углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф на сопротивление движению необходимо выбрать из приведенных выше математических зависимостей формулу наиболее точно отражающую процессы происходящие в системе «колесо-дорога». Объективный выбор такой зависимости можно сделать только на основе экспериментальных исследований качения тракторных шин.
Кроме того, необходимо также разработать методику, позволяющую определять численные значения коэффициентов, входящих в выбранную формулу. Аналитическое определение этих коэффициентов является достаточно сложной задачей. В первую очередь, это вызвано тем, что данные коэффициенты зависят не только от упругих процессов происходящих в пневматической шине, но и от явлений происходящих в контакте «колесо-дорога», в том числе от проскальзывания.
Для решения поставленных задач необходимо провести экспериментальные исследования. На основе этих исследований следует получить обоснованное заключение для использования тех или иных зависимостей для оценки сопротивления качению и разработать методику определения коэффициентов, входящих в эти зависимости. 1. На основании анализа эксплуатационных и технико-экономических показателей работы трактора предложены безразмерные критерии (коэффициенты эффективности), позволяющие оценивать его качественный уровень. С использованием этих параметров разработана общая методика определения оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф колесной машины, обеспечивающих максимальное значение обобщенного коэффициента эффективности. 2. Получена математическая модель для описания положения плоскости управляемого колеса в зависимости от углов установки данного колеса, угла его поворота и углов, определяющих положение шкворня поворотной цапфы. 3. Предложена математическая модель транспортного МТА с трактором 4К2а для установившегося криволинейного движения по горизонтальной недеформируемой опорной поверхности с детальной проработкой формул и методов для определения величин, входящих в данную модель. Предложенная система уравнений позволяет решать задачи устойчивости и управляемости колесной машины, 4. Проведено исследование сопротивления качению эластичного колеса по жесткому основанию, в результате, которого выбраны ряд зависимостей, позволяющих оценить влияние углов установки управляемых колес, углов их поворота и углов положения шкворня поворотной цапфы на сопротивление движению трактора. Целью экспериментальных исследований является определение зависимости для вычисления силы сопротивления качению колеса с уводом, а также определение коэффициентов, входящих в эту зависимость. Кроме того, в ходе анализа экспериментальных данных следует определить ряд коэффициентов и параметров, необходимых для дальнейшего моделирования движения исследуемого объекта. При определении зависимости, описывающей связь силы сопротивления качению с углами установки управляемых колес, в качестве объекта исследования была выбрана шина 7,5-20 модели В-103, выпускаемая Нижне-Камским шинным заводом. Шины данной размерности устанавливаются на передние управляемые колеса тракторов МТЗ-80 и МТЗ-100. Экспериментальные испытания проводились на стенде «Тетракод», предназначенного для исследования тракторных шин, в лаборатории кафедры «Тракторы» МГТУ «МАМИ» с использованием аттестованного оборудования. Краткая техническая характеристика экспериментального стенда приведена в табл. 3.1 [77]. Работа стенда основана на принципе обращения движения, то есть движения опорной поверхности относительно неподвижно установленной оси колеса. Внешний вид данного стенда представлен на рис, 3.1, 3.2 и 3.3. Конструкция стенда состоит из корпуса, ползущего устройства силовой нагрузки и ориентации колеса, опорно-поворотного устройства и гидросистемы.
Определение коэффициентов увода по результатам анализа экспериментальных исследований
Опорно-поворотное устройство предназначено для имитации действия на шину продольного и бокового усилия, а также поворачивающего момента. Оно состоит из нижней 6 (рис. 3.3), средней 7 (рис. 3.3) и верхней 8 (рис. 3.3) рам, роликовой однорядной опоры большого диаметра, опорного основания и крепится к горизонтальной раме стенда.
Имитация поворачивающего момента в горизонтальной плоскости осуществляется с помощью роликовой опоры, на вращающемся кольце которой крепится нижняя рама 6 (рис. 3.3). На ее верхних полках, расположенных вдоль оси колеса, сверху и снизу крепятся плоские направляющие, по которым в боковом направлении на катках перемещается средняя рама 7 (рис. 3.3). С ее помощью имитируется боковое усилие.
Верхняя рама 8 (рис. 3.3) служит для имитации действия на шину продольного усилия. Она также является основанием для опорной поверхности 9 (рис. 3.2). Верхняя рама 8 (рис. 3.3) движется по каткам средней рамы 7 (рис. 3.3) в продольном направлении.Перемещение указанных выше элементов опорно-поворотного устройства относительно друг друга осуществляется с помощью гидроцилиндров 10 (рис. 3.2) и 11 (рис, 3.3).
Гидроцилиндры опорно-поворотного устройства передают усилия на соответствующие узлы стенда через упругие элементы (балки) силоизмери-тельных датчиков. Сигнал с датчиков передается через усилитель на регистрирующее устройство. Градуировка датчиков производилась с помощью динамометра растяжения ДОР-0,1.
Гидросистема стенда выполняет роль силовой установки, а также позволяет регулировать различные параметры с помощью распределителей 12 (рис. 3.3) и дроссельных регуляторов 13 (рис. 3.3). К этим параметрам относятся вертикальная нагрузка на колесе, угол поворота опорной поверхности относительно колеса (увод колеса), скорость перемещения опорной поверхности.
В качестве начальных параметров были заданы вертикальная нагрузка на колесе и давление воздуха в шине. Колесо движется по опорной поверхности 9 (рис. 3.2) экспериментального стенда. Она представляла собой массивный стальной лист с нанесенными на него поперечными насечками. Вертикальная нагрузка задавалась весом ползуна 1 (рис. 3.1) и замерялась при помощи динамометра третьего разряда ДОС-1 в области контакта колеса с опорной поверхностью. В процессе проведения эксперимента нагрузка оставалась постоянной Pz = 7720 Н.
Перед началом эксперимента колесо 2 (рис. 3.1), установленное на ползуне 1 (рис, 3.1), вывешивалось при помощи гидроцилиндров. При этом плита 3 (рис. 3.1) фиксировалась в положении, соответствующем нулевому углу развала. Угол поворота опорной поверхности стенда также устанавливался равным нулю при помощи гидроцилиндров 11 (рис. 3.3). Затем опорная поверхность перемещалась в продольном направлении в начальное положение.
После этого колесо опускалось на опорную поверхность, создавая тем самым вертикальную силу в пятне контакта.
При перемещении опорной поверхности в прямом направлении сила, создаваемая при помощи гидроцилиндров 10 (рис, 3.2), передавалась верхней раме 8 (рис. 3.3) через упругие элементы силоизмерительных датчиков. Данные датчики преобразовывали усилие в электрический сигнал и передавали его через усилитель ПФ-6 на записывающее устройство Н-327-3.
После перемещения опорной поверхности, нагруженной исследуемым колесом, из одного крайнего положения в другое и выполнения одного замера, колесо вывешивалось. Затем опорная поверхность возвращалось в начальное положение, колесо снова опускается и производится следующий замер. По результатам 5...7 замеров, определялась одна экспериментальная точка.
Для получения следующей экспериментальной точки опорная поверхность при вывешенном колесе поворачивалась на 1. Поворот осуществлялся с помощью гидроцилиндров 11 (рис. 3.3) и контролировался посредством шкалы, установленной на роликовой опоре. После этого проводился ряд замеров по приведенной выше методике.
Далее определялись экспериментальные точки при углах поворота опорной поверхности равных 2, 3 и 4. Таким образом, был получен набор экспериментальных точек, позволяющий построить кривую изменения силы сопротивления движению колеса при различных величинах углов увода и постоянном развале.
После получения описанного выше набора точек при различных углах увода изменялась величина угла развала исследуемого колеса. Для этого при вывешенном колесе плита 3 (рис. 3.1) поворачивалась относительно ползуна 1 (рис. 3.1) на угол равный необходимой величине развала. Далее при новом установленном угле развала был получен новый набор экспериментальных точек при различных углах поворота опорной поверхности, как это было описано выше. Эксперимент проводился при следующих величинах углов развала: 0; 1; 2; 4; 6.
Таким образом, была получена серия экспериментальных кривых изменения силы сопротивления движению колеса, каждая из которых соответствовала определенному углу развала. При этом вертикальная нагрузка на колесе, давление воздуха в шине и условия движения колеса оставались постоянными.
При обработке результатов, из полученных сил сопротивления движению необходимо исключить величину продольной силы, затрачиваемой на перемещение опорной поверхности. Эта сила включает в себя потери в гидроцилиндрах обратного хода и силы трения, возникающие в механических узлах стенда вследствие перемещения верхней рамы 8 (рис. 3.3). Для этого периодически (через 10... 15 прогонов) проводились замеры силы при вывешенном колесе и нагруженной балластом опорной поверхности. Масса балласта составляла 787 кг.
В дальнейшем все экспериментальные точки, полученные при одном давлении воздуха в шине, будут называться серией экспериментальных точек. Исследования проводились при следующих значениях давления воздуха в шине: 0,160; 0,183; 0,190; 0,198 и 0,218 МПа.
Выбор оптимальных углов установки управляемых колес ишкворней поворотных цапф трактора
На приведенном графике видно, что большинство из 125 экспериментальных точек лежат в пределах 10-процетной области или незначительно (на доли процента) превышают эту величину. Шесть точек лежат в диапазоне погрешности 12...16 % и только три точки незначительно превышают отклонение в 20 % (две точки на рис. 3.9,6 и одна- на рис. 3.9,а).
Таким образом, анализ графиков, приведенных на рис. 3.9, и численное значение относительного среднеквадратичного отклонения (АРср = 7,57%) позволяют сделать вывод о приемлемом соответствии теоретических зависимостей с экспериментальными данными.
В заключение следует сделать важный вывод, полученный на основании опыта обработки численных значений экспериментальных данных. Из трех коэффициентов влияющих на изменение силы сопротивления движению эластичного колеса наибольшее значение имеет коэффициент Ку сопротивления боковому уводу. Поэтому этот коэффициент должен быть определен с возможно большей точностью. Влияние коэффициента Ка (или х) менее значительно, его можно находить с несколько меньшей точностью и это не окажет существенного влияния на точность определения силы сопротивлению движения колеса в целом. Наименьшее значение на величину этой силы оказывает коэффициент Кх (или с). Поэтому он может быть определен с еще меньшей точностью.
В предыдущем подразделе было отмечено значение коэффициента сопротивления боковому уводу Ку при определении силы сопротивления движению эластичного колеса. Кроме того, этот коэффициент оказывает существенное влияние на устойчивость движения колесной машины, а также на ее управляемость. Поэтому при решении многих задач, связанных с движением колесных машин, точность определения коэффициента сопротивления боковому уводу имеет крайне важное значение.
Однако определение численного значения этой величины весьма затруднительно. В первую очередь, это вызвано тем, что коэффициент Ку зависит не только от упругих процессов происходящих в пневматической шине, но и от явлений, происходящих в контакте «колесо-дорога», в том числе и от проскальзывания. Найдем коэффициенты сопротивления боковому уводу для шин, используемых на тракторе МТЗ-80 и на его прицепе. При их определении в данном подразделе будем учитывать изменения коэффициентов сопротивления боковому уводу при изменении упругих свойств шин, вызванных изменением нагрузки и давления воздуха.
Вторым обстоятельством, затрудняющим определение численных значений коэффициентов сопротивления боковому уводу, является их нестабильность для разных шин одной и той же модели [41]. Это может быть вызвано, как незначительными изменениями в технологии изготовления шин, так и изменениями их свойств в процессе эксплуатации. Поэтому при проведении исследований колесных машин с пневматическими шинами желательно получить коэффициенты сопротивления боковому уводу для некой «усредненной» шины данной модели. Особенно с повышенной точностью следует определить коэффициент Ку сопротивления боковому уводу для передних управляемых колес, так как их влияние наиболее существенно, особенно на устойчивость и управляемость колесной машины.
При определении коэффициентов сопротивления боковому уводу для шин 7,5-20 модели В-103, которые используются на передних колесах рассматриваемого объекта, в первую очередь воспользуемся результатами собственных исследований. В дальнейшем испытанную шину будем условно обозначать № 1. Кроме того, используем экспериментальные данные, приведенные в работе [72], где в табл. 15 приведены данные по трем различным шинам, которые по порядку обозначим № 2, № 3 и № 4, а шину, приведенную в табл. 12 [72], - № 5. Таким образом, при определении численных значений коэффициентов сопротивления боковому уводу шины 7,5-20 используем экспериментальные результаты, полученные для пяти шин.
При определении коэффициента Ку сопротивления боковому уводу следует предположить возможность (и даже обязательное наличие) взаимовлияния отдельных факторов друг на друга и на данный коэффициент. Так в работе [72] для тракторных шин предложена зависимость, учитывающая влияние вертикальной нагрузки на колесо GK и давления в шинах pw. Эту зависимость можно записать в следующем виде: где Со и Сг — коэффициенты, аппроксимирующие экспериментальные зависимости для шин разных моделей.
В дальнейшем получим и проанализируем коэффициенты С0 и Сг для шин, используемых на тракторе МТЗ-80 и на его прицепе. Очевидно, что для подтверждения или опровержения зависимости (3.7) экспериментальные значения коэффициента Ку, сопротивления боковому уводу следует наносить на график в координатах К и GR-pw.
На рис. 3.10 приведены экспериментальные зависимости Ку =f(GKpw) для шин № 2, № 3 и № 4. Анализ графика позволяет сделать вывод, что экспериментальные точки, обозначенные одинаковыми символами, могут быть аппроксимированы линейными зависимостями (штриховые линии). На рис. ЗЛО все штриховые лини проведены параллельно линии А. Таким образом, приведенные экспериментальные точки могут быть аппроксимированы линейными зависимостями в соответствии с (3.7), а одинаковый наклон этих линий позволяет принять общий для них коэффициент С2. Следует отметить, что точки, в основе обозначения которых лежит круг, соответствуют шине № 2 , квадрат — шине № 3, а треугольник — шине № 4.
