Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследований 11
1.1. Использование колесных тракторов класса 1,4 на транспортных работах в условиях Амурской области 11
1.2. Пути повышения эффективности использования колесных тракторов на транспортных работах 18
1.3. Пути повышения тягово-сцепных свойств колесных тракторов 27
1.3.1.Снижение нормального давления на почву 29
1.3.2. Повышение коэффициента сцепления ведущих колес трактора с почвой 31
1.3.3.Увеличение сцепного веса 35
1.3.4.Сохранение плодородия почвы от переуплотнения движителями 38
1.4. Выводы и задачи исследований 44
2. Теоретические предпосылки исследований 46
2.1. Теоретическое обоснование выбора корректора сцепного веса 46
2.2. Определение касательной силы тяги трактора с корректором сцепного веса 53
2.3. Влияние корректора сцепного веса на буксование трактора 61
2.4. Производительность МТА с корректором сцепного веса 65
3.Программа и методика экспериментальных исследований 69
3.1.Задачи экспериментальных исследований 69
3.2.Общая методика проведения экспериментальных исследований 69
3.3. Объекты и условия проведения экспериментальных исследований 70
3.4. Средства измерений, тарировка тензометрических узлов 75
3.4.1. Измерение тягового усилия 77
3.4.2. Измерение дополнительного усилия на дышло прицепа 79
3.4.3. Измерение дополнительной нагрузки на ведущие колеса трактора 79
3.4.4. Измерение частоты вращения ведущего колеса трактора 85
3.4.5. Измерение пройденного пути и буксования трактора 86
3.5. Методика определения физико-механических характеристик почвы 88
3.5.1. Определение твердости почвы 89
3.5.2. Определение влажности почвы 89
3.5.3. Определение объёмного веса (плотности почв). 90
3.6. Методика математической обработки экспериментальных данных 91
3.6.1. Оценка точности измерений 91
3.6.2.Статистическая обработка экспериментальных данных 92
4. Результаты экспериментальных исследований 96
4.1. Результаты экспериментальных исследований по увеличению сцепного веса 96
4.2 Результаты тяговых испытаний МТА с корректором сцепного веса 99
4.3. Результаты сравнительных хозяйственных испытаний 105
4.4.Влияние ходовой системы транспортного агрегата на почву 108
5. Топливно - энергетический и экономический анализ 115
Выводы и предложения 123
Список литературы 124
Приложения
- Использование колесных тракторов класса 1,4 на транспортных работах в условиях Амурской области
- Теоретическое обоснование выбора корректора сцепного веса
- Объекты и условия проведения экспериментальных исследований
- Результаты тяговых испытаний МТА с корректором сцепного веса
Введение к работе
Основу тракторного парка России составляют универсальные пропашные колесные тракторы класса 1,4 - более 60% [1, 2]. Как показали исследования, значительная часть (25-60%) выполняемых ими работ приходится на транспортные внутрихозяйственные перевозки, которые проводятся на полях, по бездорожью и плохих грунтовых дорогах [3], что в конечном итоге снижает эффективность их использования на транспортных работах.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности использования колесных тракторов на транспортных работах является улучшение тягово-сцепных свойств за счет увеличения сцепного веса, путем корректирования вертикальных нагрузок на ведущие колеса трактора.
Повышению эффективности использования колесных тракторов на транспортных работах посвящен ряд работ[2, 3, 17, 20, 42, 49, 53, 54, 61, 70, 78, 84, 93,99, 101, 110, 113, 141, 186, 113].
Результаты данных исследований позволили наметить пути повышения тягово-сцепных свойств, снижения техногенного воздействия на почву движителей энергетических средств, улучшения эффективности применения тракторных транспортных агрегатов. Практически не решена проблема корректирования вертикальных нагрузок на ведущие колеса трактора в условиях переувлажнения верхнего слоя почвы и при наличии твердого подстилающего слоя.
Настоящая диссертационная работа направлена на повышение эффективности использования колесного трактора класса 1,4 на транспортных работах за счет повышения тягово-сцепных свойств.
Цель работы. Повышение эффективности использования колесного трактора класса 1,4 на транспортных работах за счет корректирования сцепного веса, повышения производительности, улучшения тягово-сцепных свойств и снижения техногенного воздействия движителей на почву.
Объект исследования. Процесс взаимодействия колесного движителя с почвой при меняющемся сцепном весе.
9 Предмет исследования. Закономерность изменения касательной силы тяги
в зависимости от сцепного веса.
Методы исследований. Для решения поставленных задач - описания
процесса взаимодействия колесного движителя с почвой при меняющемся
сцепном весе - использованы методы теоретической механики.
Экспериментальные исследования проведены в полевых условиях. Опытные данные обработаны современными методами теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна. Выполнено обоснование перераспределения сцепного веса трактора. Предложены аналитические зависимости, позволяющие определить касательную силу тяги транспортного агрегата в зависимости от сцепного веса.
Выявлено влияние сцепного веса на тягово-сцепные свойства и производительность транспортного агрегата в условиях Дальнего Востока.
Практическая значимость работы. Использование колесного трактора класса 1,4 на транспортных работах с модернизированным прицепом снижает техногенное воздействие на почву за счет снижения величины буксования и глубины колеи после прохода транспортного агрегата, повышает тягово-сцепные свойства. Полученные экспериментальные зависимости позволяют сократить затраты времени и материальных средств при конструировании, совершенствовании и доработке конструкции по изменению сцепного веса транспортных агрегатов.
Методика экспериментальных исследований применяется при испытаниях колесных сельскохозяйственных тракторов. Полученные результаты по уточнению теории взаимодействия колесного движителя с почвой (изменение сцепного веса) внедрены в учебный процесс на кафедре «Тракторы и автомобили» Дальневосточного Государственного Аграрного Университета (ДальГАУ).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ДальГАУ (2005, 2006 гг.),
10 Благовещенском государственном педагогическом университете (БГПУ) на
конференции "Молодежь XXI века: шаг в будущее" (2006г.), расширенном
заседании кафедры «Тракторы и автомобили» ДальГАУ (2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборниках научных трудов ДальГАУ, в сборнике научных трудов БГПУ, депонированы в центре информации и технико-экономических исследований агропромышленного комплекса РАСХН ВНИИЭСХ, опубликованы в журнале «Механизация и электрификация с.х.» № № 11, 12, 2006 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений, список литературы включает 206 наименования (в том числе 17 на иностранном языке).
Общий объем 155 с, 8 с. приложений, 51 рисунок, 9 таблиц.
Автор считает себя обязанным выразить глубокую признательность кандидату технических наук, доценту Канделя М.В. за помощь и критические замечания при написании диссертационной работы.
Автор также признателен коллективу кафедры «Тракторы и автомобили» ДальГАУ, принимавшему участие в организации и проведении исследований.
Использование колесных тракторов класса 1,4 на транспортных работах в условиях Амурской области
В экономике Амурской области сельское хозяйство играет важную роль, так как здесь сосредоточено 58% всей пашни Дальневосточного экономического района, что позволяет ей занимать ведущее место в производстве сельскохозяйственной продукции на Дальнем Востоке. Площадь территории области составляет 361,9 тыс. кв. км., в том числе сельскохозяйственные угодья - 2738,3 га, пашня - 1644,1 тыс. га [48]. Горные и возвышенные участки занимают 60%, равнинные - 40% территории области.
Почвы Амурской области представлены главным образом тяжелыми по механическому составу переувлажненными дерново- и буро-подзолистыми или торфянистыми почвами [5]. Данные почвы имеют плохую водопроницаемость, низкую влагоемкость, а также значительную глубину промерзания (до 2,5 м), вызывающую образование верховодки и переувлажнения [5, 48].
Большая часть пахотных земель располагается в южной части Зейско-Буреинской равнины, где имеются поля с площадью 40-45 га с преобладающей длиной гона свыше 1000 м. Рельеф пахотной площади - слегка волнистая равнина, имеющая угол склона не более 3 градусов [176].
В Амурской области климат носит муссонный характер, формируемый под влиянием Азиатского континента и Тихого океана, имеющих различную температуру поверхностей в летнее и зимнее время. Холодные и малоснежные зимы в Амурской области формируются Дальневосточными муссонами, что приводит к выпадению осадков в это время не более 7% от среднего годового объема.
Муссонность накладывает определенный отпечаток на климат, который по сравнению с другими районами тех же широт характеризуется меньшими тепловыми ресурсами, неравномерным распределением осадков в течение года. На возвышенных участках количество осадков больше, а в пониженных -меньше. В зимний период осадков выпадает всего 30-60 мм, а в теплый 300-450 мм. Наибольшее количество осадков на равнинной местности приходится на июль, а в предгорных и горных районах - на август: 100...150 мм в месяц [5, 48,176]. Наличие большого количество тепла, обилие солнечного света, достаточное количество осадков, выпадающих в летний период, вполне благоприятствуют возделыванию на территории Амурской области различных сельскохозяйственных культур: зерновых, сои, кукурузы, картофеля и овощей [157] Для возделывания выше названных сельскохозяйственных культур разработаны различные технологии, отвечающие биологическим особенностям и природным условиям области. Для каждой сельскохозяйственной культуры разработаны технологии возделывания, мероприятия по защите от вредителей и болезней, а также предусмотрены схемы севооборотов полей. В тоже время при проведении сельскохозяйственных работ приходится учитывать наличие переувлажненного почвенного слоя, снижающего несущую способность почвы и затрудняющего использование транспортных агрегатов с энергонасыщенными колесными тракторами, имеющими высокое нормальное давление на почву. За последние годы положение в агропромышленном комплексе региона помимо сложных почвенно-климатических условий усугубляется еще и тем, что резко снизилась энерговооруженность труда, вследствие старения сельскохозяйственной техники [12,13,14,160]. Согласно статистическим данным, тракторный парк в Амурской области в основном состоит из тракторов, срок службы которых 15-20 лет. Сократился парк сельскохозяйственных машин, особенно сеялок, плугов, культиваторов. Приведенные негативные факторы обусловливают затягивание сроков проведения основных сельскохозяйственных работ, что приводит к росту потери урожая [15, 33, 36, 116, 117, 118, 124, 128, 137, 149, 151, 162]. изменение количественного состава тракторного парка за последние годы представлено па (рис. 1.1). Численный состав тракторного парка в 2004 по сравнению с 1999 годом сократился примерно на 50% Причем сокращение числа гусеничных тракторов, а также колесных класса 3-5 происходило быстрее по сравнению с классом 1,4. По данным гостехнадзора трактора класса 1,4 составляют 60% от общего числа колесных тракторов в Амурской области (таб. 1.1 и 1.2). При возделывании сельскохозяйственных культур в общем технологическом процессе производства сельскохозяйственной продукции предусмотрены транспортные работы занимающие одно из ведущих мест в данном процессе. Перечень выполняемых работ тракторами класса 1,4 представлен на (рис. 1.2) [171].
Теоретическое обоснование выбора корректора сцепного веса
В настоящее время проблема улучшения тягово-сцепных свойств колесных тракторов особенно в условиях Амурской области является актуальной, так как в процентном отношении они составляют до 60% от общего числа тракторов. На транспортных работах для увеличения производительности агрегата необходимо увеличивать объем перевозимого груза (вес). В тоже время на почвах с низкой несущей способностью это ограничено тягово-сцепными свойствами. Весьма распространенный способ решения данной проблемы заключается в увеличении сцепного веса. Наряду с этим вопросом автоматического регулирования вертикальных нагрузок на ведущие колеса трактора при транспортных работах мало изучен. В тракторах семейства МТЗ-82 для этой цели предназначены автоматические устройства в гидравлической системе - гидроувеличитель сцепного веса (ГСВ), силовой регулятор (СР) и позиционный регулятор (ПР).
Все выше названные автоматические устройства предназначены для использования в навесных почвообрабатывающих агрегатах. В тоже время вопрос регулирования нагрузки между колесами прицепа и ведущими колесами трактора мало изучен, особенно для почв с низкой несущей способностью.
Для решения данной проблемы необходимо провести модернизацию транспортного агрегата, в частности прицепа. С целью автоматического регулирования сцепного веса необходимо часть веса тракторного прицепа передать через гидроувеличитель сцепного веса на ведущие колеса трактора. В общем случае принципиальную схему тракторного транспортного агрегата можно представить следующим образом (рис 2.1). В этом случае на трактор действуют следующие силы представленные уравнением силового баланса или по условию сцепления Pj - сила инерции трактора, Н; Pw - сила сопротивления воздуха трактора, Н; Ркр - тяговое усилие трактора, Н; Pt - сила сопротивлению подъему, Н; Ук - нормальная реакция дороги на ведущие колеса трактора; Pf - сила сопротивления передвижению, Н. Повысить касательную силу тяги можно за счет увеличения величин Ук путем перераспределения сцепного веса между колесами агрегата. Для этой цели установим на прицеп дополнительный гидроцилиндр (корректор сцепного веса) между передним мостом прицепа и прицепным устройством и соединим его с гидравлической системой трактора. Для включения в работу гидроувеличителя сцепного веса соединительные гидравлические шланги основного гидроцилиндра соединим с дополнительным гидроцилиндром установленным на прицепе трактора.
Принципиальная схема тракторного транспортного агрегата с корректором сцепного веса (гидроцилиндр и ГСВ) представлена на (рис. 2.2). Для определения сил, действующих на тракторный агрегат с учетом корректора сцепного веса, составим схему сил (рис.2.3). Для решения данной задачи воспользуемся законом теоретической механики "Принцип возможных перемещений", сущность которого заключается в следующем: "...для равновесной механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ всех действующих на нее активных сил при любом возможном перемещении системы была равна нулю [7,22,154].
Объекты и условия проведения экспериментальных исследований
Использование корректора сцепного веса повышает тяговую мощность трактора на 12,1 % по сравнению с серийным вариантом (рис 4.3).
Как показали исследования, с увеличением сцепного веса повышаются тягово-сцепные свойства машинно-тракторного афегата. Так, при увеличении нафузки на прицепное устройство с 5 кН до 7,5 кН величина буксования снизилась с 20% до 17% при тяговом усилии 11,2 кН (рис. 4.3).
Это в свою очередь повышает рабочую скорость и тяговую мощность трактора. Аналогичные исследования были проведены на стерне сои (рис. 4.4).
Анализ полученных данных показывает, что характер протекания кривых буксования, рабочей скорости и тяговой мощности аналогичен полученным данным на поле, подготовленным под посев (рис.4.3 и рис. 4.4).
В то же время, если проанализировать полученные данные, то величина буксования МТА на стерне сои меньше величины буксования, чем на поле, подготовленном под посев.
Использование корректора сцепного веса снижает величину буксования на 25-30% по сравнению с серийным. Это позволяет в конечном итоге повысить рабочую скорость, а следовательно, и тяговую мощность. Проследить перераспределение эффективной мощности двигателя можно более наглядно по (таб. 4.1).
На поле, подготовленном под посев, с увеличением нафузки на ведущие колеса наблюдается увеличение тяговой мощности трактора с корректором сцепного веса по сравнению с серийным трактором. Так, тяговая мощность серийного трактора составила 16,5 кВт, то с увеличением нафузки на ведущие колеса с 5 кН до 7,5 кН тяговая мощность возросла соответственно до 18,6 кВт и 19,9 кВт. Это достигнуто за счет снижения затрат мощности на буксование.
Наряду с ростом тяговой мощности наблюдается некоторый рост и мощности, затрачиваемой на качение.
Однако если с увеличением нафузки на ведущие колеса с 5 кН до 7,5 кП тяговая мощность возросла 18,6 кВт до 19,9 кВт, то мощность, затрачиваемая на сопротивление движению, с 24,2 кВт до 24,6 кВт, т. е. интенсивность роста тяговой мощности более значительна по сравнению с ростом мощности, затрачиваемой на сопротивление качению. Аналогичные результаты получены на стерне сои (таб. 4.1). Снижение мощности, затрачиваемой на буксование, говорит о том, что тягово-сцепные свойства трактора с корректором сцепного веса выше, чем серийного трактора. Для подтверждения эффективности использования транспортного агрегата, состоящего из трактора МТЗ-82 и прицепа 2ПТС-4 с корректором сцепного веса, были проведены сравнительные хозяйственные испытания. В качестве сравнения брался транспортный агрегат, состоящий из трактора МТЗ-82 и серийного прицепа 2ПТС-4. Сравнение было выполнено методом хронометражных наблюдений за работой вышеназванных агрегатов в реальных условиях эксплуатации. Хронометражные наблюдения были проведены на вывозе органических удобрений и семян зерновых культур. Результаты экспериментальных исследований приведены в (таб. 4.1 и 4.2). Обработка полученных результатов проведена на основании общепринятых методик. Анализируя результаты хозяйственных испытаний трактора МТЗ-82 и прицепа 2ПТС-4 на подвозе семян зерновых культур (табл. 4.2), можно сделать следующие выводы. Использование транспортного агрегата с корректором сцепного веса позволило увеличить скорость движения по прямой с 1,52 м/с на 1,67 м/с, а скорость движения на поворотах до 20% по сравнению с серийным транспортным агрегатом. Это позволило в свою очередь повысить производительность в час времени движения и производительность в час чистого рабочего времени соответственно на 9,9% и 19,9% экспериментального транспортного агрегата по сравнению с серийным. Повышение производительности транспортного агрегата с корректором сцепного веса позволило в конечном итоге снизить расход топлива на 1 т-км по сравнению с серийным транспортным агрегатом с 1,98 до 1,81 кг/т.км. Использование транспортного агрегата с трактором МТЗ-82 и прицепом 2ПТС-4, имеющим корректор сцепного веса, по сравнению с серийным на вывозе органических удобрений позволил сделать следующие выводы: - скорость движения по прямой возросла на 9,3%.
Результаты тяговых испытаний МТА с корректором сцепного веса
Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что при воздействии ходовых систем на почву происходит постепенное разрушение ее структуры, переуплотнение, а кроме этого, после прохода сельскохозяйственной техники на поле остается глубокая колея, что затрудняет ее дальнейшую обработку.
С целью выяснения воздействия на почву ходовой системы трактора МТЗ-82 с серийным прицепом 2ПТС-4 и прицепом 2ПТС-4 с корректором сцепного веса были проведены экспериментальные исследования.
Исследования проводились по определению плотности, твердости, глубины колеи.
В результате экспериментальных исследований по определению плотности были получены следующие данные (рис. 4.8), которые позволяют сделать следующий вывод.
До прохода транспортных агрегатов но полю плотность почвы составляла 1,24 г/см3. После прохода по полю серийного транспортного агрегата, состоящего из трактора МТЗ-82 и серийного прицепа 2ПТС-4, плотность почвы возросла до 1,60 г/см , т.е. увеличение составило 29,8%.
После прохода экспериментального транспортного агрегата, состоящего из трактора МТЗ-82 и прицепа 2ПТС-4 с корректором сцепного веса, плотность почвы возросла до 1,46 г/см , т.е на 17,7%.
Таким образом, использование экспериментального транспортного агрегата позволило снизить плотность почвы.
Кроме экспериментальных исследований по определению плотности почвы были проведены исследования по определению твердости почвы (рис. 4.9). Известно, что увеличение твердости почвы повышает энергозатраты на проведение сельскохозяйственных работ по обработке почвы.
Увеличение твердости почвы способствует повышению сопротивления почвы резанию, т.е. влияет на ее обработку.
В результате исследований было получено, что твердость почвы после прохода по ней транспортных агрегатов возросла как у серийного транспортного агрегата, так и у экспериментального.
Так, если до прохода по полю транспортных агрегатов твердость почвы составляла 0,316 МПа, то после прохода серийного и экспериментального транспортных агрегатов, она возросла соответственно до 1,309 и 1,093 МПа.
Использование экспериментального транспортного агрегата позволило снизить твердость почвы на 19,7% по сравнению с серийным.
После прохода по полю различной сельскохозяйственной техники остается колея, которая затрудняет дальнейшую обработку полей.
С этой целью были проведены исследования по определению глубины колеи. Полученные результаты приведены в (таб. 4.3).
В связи с постоянным ростом цен на энергоносители очень трудно оценить эффективность применения как новой техники, так и технологий. Поэтому Всероссийский институт механизации разработал методику, где в качестве критерия эффективности взята энергоемкость. Это объясняется тем, что данный показатель не зависит от колебания цен на энергоносители.
При обосновании эффективности применения новой техники данная методика дает возможность провести сравнительный анализ.
За основной критерий энергетической оценки принимают показатель энергетической эффективности, который учитывает затраты энергии, как прямой, так и вспомогательной, необходимой для производства единицы продукции, а также энергию, которая будет содержаться в конечном продукте.
При определении эффективности разработки учитывались методические и нормативные материалы представленные в работах [28, 32, 36, 56, 74, 80, 92, 102, 116, 117, 118, 128, 137, 149, 150, 151, 153 ,161], а результаты дальнейшего использования приведены на (рис 5.1).
Исходя из вышеизложенного, произведен расчет эффективности применения на транспортных работах прицепа с корректором сцепного веса, по методике, предложенной в работе [161].
Исходные данные для расчета взяты из хронометражных наблюдений, проведенных за транспортным агрегатом на вывозе органических удобрений.
В качестве сравнения взят серийный транспортный агрегат, состоящий из трактора МТЗ-82 и прицепа 2ПТС-4.
