Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования 7
1.1. Совмещение функций рабочего органа и движителя как фактор повышения энергонасыщенности, экологической безопасности машинно-тракторных агрегатов и снижения энергозатрат 7
1.2. Анализ исследований по созданию почвообрабатывающих агрегатов с рабочими органами-движителями и аспекты их рационального построения 11
1.3 Анализ методов тягово-энергетического расчёта машинно - тракторных агрегатов с приводом рабочих органов от вала отбора мощности 22
1.4. Объект и задачи исследования 29
Глава 2. Экспериментально-статистическое описание рабочих процессов машинно-тракторного агрегата и его подсистем 32
2.1. Построение регрессионных уравнений сложных объектов методом ортогонализации по результатам пассивного эксперимента 32
2.2. Эмпирическая модель влияния затрат мощности на рыхление почвы пассивными рабочими органами перед ротором фрезы на снижение мощности её привода через ВОМ 41
Глава 3. Кинематический и энергосиловой анализ процессов функционирования почвенной фрезы-движителя 46
3.1. Характеристики удельного сопротивления почвы при её обработке активными и пассивными рабочими органами 46
3.2. Кинематика и элементы технологического процесса 51
3.3. Расчёт толщины стружки при лобовом и боковом резании почвы элементами Г-образного ножа 60
3.4. Потребляемая мощность и движущая сила ротора фрезы 75
Глава 4. Математические модели элементов и подсистем трактора 83
4.1. Двигатель-трансмиссия 83
4.2. Одиночное пневматическое колесо 87
4.3. Многоприводная ходовая система и мощность двигателя, передаваемая через трансмиссию 101
4.4 Оценка тягово-энергетических характеристик трактора по безразмерным параметрам подобия 105
Глава 5. Тягово-энергетический расчет МТА 113
5.1. Схема реализации мощности двигателя трактора тягово-энергетической концепции 113
5.2. Оценка силовых и энергетических характеристик почвообрабатывающих МТА с различными технологическими схемами их реализации 114
5.2.1 Определение нормальных реакций почвы на опорные колеса МТА 114
5.2.2 Расчет тягово-приводных агрегатов с активными рабочими органами нейтрального и тормозящего типа 123
5.2.3 Расчет тяговых характеристик трактора с отбором мощности через ВОМ 131
5.2.4 Расчет тягово-приводных агрегатов с активными рабочими органами - движителями (РОД) 135
5.2.5 Тяговые характеристики трактора с фрезерно-колёсным движителем 140
Глава 6. Эксплуатационная и энергетическая эффективность агрегатов на операциях основной и предпосевной обработки почвы 144
6.1. Удельная работа лемешного и ротационного плугов и энергоёмкость пахотных агрегатов на их базе 144
6.2. Производительность и погектарный расход топлива агрегатов в основное время смены 146
6.3 Эксплуатационно-технологические показатели агрегатов 153
6.4. Полные удельные энергетические затраты на выполнение технологического процесса 160
Общие выводы 176
Список использованных источников 179
- Анализ исследований по созданию почвообрабатывающих агрегатов с рабочими органами-движителями и аспекты их рационального построения
- Построение регрессионных уравнений сложных объектов методом ортогонализации по результатам пассивного эксперимента
- Характеристики удельного сопротивления почвы при её обработке активными и пассивными рабочими органами
- Многоприводная ходовая система и мощность двигателя, передаваемая через трансмиссию
Введение к работе
Одним из главных направлений повышения энерговооруженности механизированных процессов растениеводства является увеличение единичных мощностей тракторов.
Большинство мобильных процессов в сельском хозяйстве выполняется системой «трактор - рабочая машина» пока ещё по принципу тяги. При развитии тракторов тяговой концепции, увеличение мощности двигателя должно сопровождаться одновременным увеличением его веса или рабочей скорости, или ростом обоих параметров. За последние 50 лет предельные значения единичных мощностей колесных тракторов, эксплуатируемых в мире, возросли с 50л.с. до 500л.с. с одновременным увеличением рабочих скоростей с 6...7 км/ч до 9...15км/ч, массы - с 3500кг до 18000кг.
За это время движитель принципиальных изменений не претерпел. Так, в случае колёсного движителя, коэффициент использования сцепного веса трактора при допустимом буксовании по-прежнему составляет 0,35.. .0,50.
Улучшение сцепления движителей тракторов с почвой посредством навешивания дополнительных грузов (балластирование), заливки внутренней полости шин водой, использования гидравлических догружателей ведущих колес, а также применение других способов не решают коренным образом проблему полной загрузки двигателей энергонасыщенных тракторов.
Пассивное сопротивление рабочих органов, перемещающихся в почве, требует наличия соответственного сцепного веса, приходящегося на движители трактора. Удельный вес трактора в машинно-тракторном агрегате (МТА) составляет по массе около 70%, а по цене - 80%. С ростом мощности трактора наблюдается устойчивая тенденция к росту материалоёмкости как трактора, так и агрегата в целом. Вместе с тем, важнейшим фактором снижения затрат в производстве и эксплуатации агрегатов в условиях возрастающего дефицита ресурсов является материалоемкость машин - расход материальных ресурсов на изготовление, эксплуатацию и ремонт машин.
Реализация значительных тяговых усилий, необходимых при выполнении энергоемких операций механической обработки почвы (например, вспашки отвальными плугами), сопровождается значительным буксованием движителей, особенно колесных, так как зона максимального тягового КПД трактора соответствует зоне высокого буксования ходовой системы. Значительное буксование движителей вызывает перерасход топлива, приводит к разрушению естественной структуры почвы, быстрому износу шин, а также к выбросу в атмосферу вредных веществ в виде резиновой пыли.
При неизменных рабочих органах сельскохозяйственных орудий по мере роста рабочих скоростей увеличивается их сопротивление, что приводит к необходимости уменьшения ширины захвата или работе на пониженных передачах с неполной загрузкой двигателя и повышенном буксовании движителей. Увеличение рабочих скоростей во многих случаях ограничивается условиями движения, агротехническими требованиями, физиологическими возможностями обслуживающего персонала.
Таким образом, возможности повышения энергонасыщенности агрегатов тяговой концепции почти исчерпаны, что предопределяет поиск других направлений повышения энергонасыщенности МТА. При этом на первое место ставится комплекс мер по снижению массы машин и совершенствованию ходовых систем, в том числе движителей.
Надо отметить что, работы по созданию новых типов движителей, например шагающих, ведутся давно, однако их результаты широкого практического приложения пока не нашли.
Перечисленные противоречия и трудности в реализации мощности двигателей энергонасыщенных тракторов привели к мысли многих исследователей о необходимости применения такого способа передачи энергии от двигателя к исполнительным рабочим органам, который позволил бы миновать или разгрузить узкое звено в цепи передачи энергии «движители-почва». В этом случае загрузку двигателей можно производить как посредством увеличения скорости движения там, где это можно по условиям движения, так и за счет увеличения ширины захвата агрегатов или использования комбинированных агрегатов.
Известно направление исследований по созданию мобильных агрегатов тягово-энергетической концепции, при котором противоречие между необходимостью снижения веса трактора и сохранением его тягово-сцепных свойств устраняется за счёт использования в качестве сцепного всего веса агрегата, включая технологическую часть, оснащённую ведущими колёсами, приводимыми от системы отбора мощности трактора. Данное направление, решая задачу повышения энергонасыщенности мобильного агрегата, связано с определёнными его усложнениями.
Наряду с этим имеется возможность радикального повышения энергонасыщенности мобильных агрегатов за счёт передачи части мощности двигателя непосредственно к рабочим органам сельскохозяйственных машин. При этом рабочие органы, приводимые от двигателя с помощью механических, гидравлических или других передач, называются активными, в отличие от пассивных, поступательно движущимися вместе с агрегатом.
У машинных агрегатов с активными рабочими органами передача энергии осуществляется двумя потоками, один из которых минует ходовую систему трактора. Активные рабочие органы, у которых реакции почвы направлены в сторону движения агрегата, и, таким образом, помимо технологических выполняют еще и функции движителей, проф. В.И. Медведев предложил называть «рабочими органами-движителями» (РОД) [63].
Настоящая работа посвящена исследованию эксплуатационных и энергетических показателей машинно-тракторных агрегатов с рабочими органами-движителями, выбору технологических схем их работы и рациональных параметров агрегатирования машин с тракторами тягово-энергетической концепции.
Анализ исследований по созданию почвообрабатывающих агрегатов с рабочими органами-движителями и аспекты их рационального построения
История создания почвообрабатывающих агрегатов с активными рабочими органами, охватывающая почти 170-ти летний период, подробно изложена в работах [22, 63, 76, 90,122]. Начало современного этапа связано с появлением в послевоенные годы надежных систем отбора мощности непосредственно от двигателя, минуя ходовую систему трактора.
По способу перемещения рабочих органов в почве активные рабочие органы можно разделить на три основных типа - поступательные, маятниковые и вращательные (ротационные).
В 1970-х годах в СССР проводились работы по созданию самоходного «реактивного» плуга1 с цепными носителями корпусов [90, с.79,11].
Принципиальная схема агрегата представлена на рисунке 1. Шасси 1, имеющее гусеничный или колесный ход, так же как и обычный трактор, снабжено двигателем и трансмиссией. К остову шасси присоединены боковые рамы 2, несущие левую и правую секции плуга. Каждая секция состоит из бесконечной цепи 3, плужных корпусов 4, стойки которых прикреплены к цепи 3 и звездочек 5. Левая секция плуга снабжена правооборачивающими, а правая левооборачивающими корпусами. Цепи приводятся в движение от двигателя, установленного на шасси плуга. Если поступательную и относительную скорости движения соответственно шасси плуга v и цепей секций vr выбрать так, что абсолютная скорость движения va погруженных в почву корпусов правой и левой секций будет перпендикулярна скорости поступательного движения шасси, то каждый корпус плуга, например, корпус В правой секции, погрузившись в почву близ точки С, будет двигаться по прямой CD, а затем, достигнув точки D, извлечен цепью из почвы. В горизонтальной плоскости проекций на корпус плуга действует реакция почвы Rxy. При работе обычного плуга необходимо преодолевать продольную составляющую силы R (силу Rx) и силу трения полевой доски корпуса о стенку борозды, равную произведению силы Ry на коэффициент трения почвы по стали, т. е. Fx=f-Ry. При работе «реактивного» плуга для продвижения корпуса в почве необходимо преодолевать лишь продольную слагающую сопротивления почвы Rx, так как слагающая Ry уравновешивается не реакцией стенки борозды на полевую доску, а сопротивлением перекатыванию шасси, т. е. превращается в движущую силу. В работе [90, с. 80] отмечается, что снижение энергозатрат при вспашке почвы «реактивным» плугом будут меньше, чем при работе обычного пахотного агрегата, лишь на величину, необходимую для преодоления трения полевых досок о стенку борозды, т, е. всего на 10-12%. Однако это не так. К указанному значению необходимо прибавить 10-14%» за счёт уменьшения или полного устранения буксования трактора (шасси). К сожалению, качество работы «реактивного» плуга не может идти ни в какое сравнение с качеством работы обычного плуга, так как поле, обработанное реактивным плугом, будет обезображено свальными гребнями и глубокими разъемными бороздами, возникающими при каждом проходе агрегата (см. рис. 1). Этот дефект работы реактивного плуга неустраним, поэтому разработка конструкции «реактивного» плуга, по мнению [90], нецелесообразна. «Реактивный» плуг имеет также ряд других недостатков, которые ставят под сомнение перспективность его создания: - сложность и громоздкость привода корпусов плуга; - высокие динамические нагрузки, обусловленные периодическим заглублением корпусов в почву. Высокие требования к жесткости конструкции; - необходимость уравновешивания избыточного (сверх сил сопротивления качению агрегата) толкающего усилия плуга. - шасси самоходной сельскохозяйственной машины будет иметь малую годовую загрузку, что приводит к резкому увеличению полной удельной энергоемкости выполняемых процессов [44] и снижению технико-экономических показателей агрегата. Рабочие органы маятникового типа имитируют процесс обработки почвы лопатой (рис. 2). Поэтому машины с такими рабочими органами обычно называются копателями. Результаты сравнительных испытаний лемешного плуга, копателей «Фальк» и «Грамегна» и ротационного плуга «Ротаспа» показали, что копатели дают хорошее крошение особенно на глинистых почвах и после них не образуется уплотненная подошва на дне борозды. Однако удельные энергозатраты копателей в 1,5-2 раза выше, по сравнению с лемешным и ротационным плугами [90, с.54]. Ротационные машины, в том числе толкающего действия, нашли широкое применение в процессах почвообработки [22, 37, 76, 90, 122]. Однако, если «реактивный» плуг полностью совмещает функции рабочей машины и движителя, то в ротационных машинах роль движителя всегда рассматривалась как вспомогательная (это отразилось даже в названии горизонтальной силы, создаваемой машиной - «подталкивающая»). Необходимо отметить, что при глубокой обработке почвы, ротационные машины, в отличие от лемешных плугов, не создают уплотненного дна борозды, имеющего плохую водопроницаемость. Вместе с тем, ротационные рабочие органы могут создавать толкающее усилие, превосходящую суммарную силу сопротивления агрегата, что делает необходимым перевод энергетического средства (трактора) из тягового режима в тормозящий [22, 90,116,122].
Построение регрессионных уравнений сложных объектов методом ортогонализации по результатам пассивного эксперимента
Статистические методы являются одним из эмпирических способов получения математического описания статики сложных объектов, т.е. уравнения связи выходного показателя объекта у входных независимых переменных (факторов) xl,xl,...,xs .
По способу накопления экспериментальных данных различают методы активного и пассивного экспериментов [23, 24, 50, 115]. При активном эксперименте точки Хі(і = 1,п) в которых проводятся опыты, располагаются в пространстве независимых переменных (факторном пространстве) строго определенным образом, по заранее спланированной программе. Расположение точек для постановки опытов при пассивном эксперименте произвольно; исследователь стремится лишь к равномерному заполнению факторного пространства. необходимое количество опытов при числе первоначально заданных входных переменных более трех и облегчает физическую интерпретацию уравнения регрессии.
Первое обстоятельство не играет существенного значения при отыскании уравнений статики элементов МТА. Количество аргументов не превышает трех [7], а практическая реализация опытов на готовой экспериментальной установке не вызывает затруднений, даже в наиболее сложных случаях, как, например, снятие трехпараметровых характеристик двигателя с газотурбинным наддувом [25,115].
Напротив, второе обстоятельство представляется очень важным. Простота и ясность статистического анализа уравнения регрессии при активном эксперименте обеспечивается такой расстановкой точек в факторном пространстве, при которой коэффициенты регрессии /ЗІ определяются практически независимо друг от друга. Это дает возможность выявить влияние каждого аргумента в отдельности на величину выходного показателя. Незначимые аргументы с помощью t -критерия (6) исключаются из уравнения регрессии все сразу. Пересчитывать остальные оценки не требуется, так как они не изменяются.
Рассмотрим основные недостатки активного эксперимента. Вследствие различного рода ограничений используемый объем факторного пространства при активном эксперименте значительно меньше, чем при пассивном. Это приводит к потере большей части информации и увеличивает ошибки коэффициентов регрессии из-за уменьшения интервала варьирования аргументов [50, 23].
Активный эксперимент также неприменим в том случае, если независимые переменные частично или полностью неуправляемы. Так, если трактор оборудован ступенчатой трансмиссией, практически невозможно одновременно установить заданные значения касательной силы тяги FK и скорости vp.
Кроме того, при активном эксперименте необходимо знать значение аргумента (например скорость движения трактора) в момент проведения опыта. Это создает дополнительные трудности при проведении стендового и в особенности полевого экспериментов. В пассивном эксперименте аргумент может быть определен (вычислен) после проведения опыта. Таким образом, применение методов активного эксперимента для отыскания уравнений статики звеньев МТА имеет существенные ограничения. При пассивном эксперименте допустимая область факторного пространства используется полностью. Однако в этом случае оценки коэффициентов регрессии (5) оказываются взаимосвязанными. Это значительно усложняет задачу правильного выбора структуры изучаемой зависимости [50, 23, 110]. Таким образом, при стандартной обработке данных пассивного эксперимента не удается правильно выбрать форму уравнения регрессии. Перебрать все возможные сочетания аргументов для квадратичной модели при числе s входных аргументов хj более двух практически невозможно, так как уже при s=3 необходимо провести анализ 2 = 1024 вариантов уравнений. Очевидно, необходим более совершенный метод. Четкую статистическую интерпретацию уравнения регрессии при коррелированных переменных Zj дает метод ортогональных преобразований матрицы аргументов [13, 23,24, 50, 68, 92]. Сущность метода заключается в переходе к новым независимым переменным Uj(j = \,k), которые будут не коррелированны между собой. Допустим, что над матрицей исходных данных уже выполнены те преобразования, которые задают форму уравнения регрессии (1). Вектор значений зависимой переменной у оставим без изменений, а из системы п -мерных векторов zl,z2,...zjc построим к попарно ортогональных векторов Ul,U2,...Ujc таким образом, чтобы матрица коэффициентов парной корреляции Ки была диагональной:
Характеристики удельного сопротивления почвы при её обработке активными и пассивными рабочими органами
Наибольшая производительность агрегата достигается при работе двигателя в режиме максимальной мощности, которая ограничена, либо необходимостью ее резервирования, вследствие колебаний нагрузки в эксплуатационных условиях, либо допустимой по агротехническим условиям скоростью движения.
Режим максимальной мощности, характеризуемой коэффициентом использования мощности ким, может быть точно реализован только при бесступенчатом регулировании передаточного числа трансмиссии, как при передаче мощности на тягу, так и на активные рабочие органы. Характеристики, получаемые при заданном значении ким можно называть потенциальными.
Вначале рассмотрим методы расчёта машинно-тракторных агрегатов с однопоточной передачей энергии от двигателя к рабочим органам через ходовую систему трактора, т.е. тяговых агрегатов. В этом случае режим работы агрегата однозначно определяется главным вектором Ри главным моментом силового воздействия сельхозмашин на трактор (см. п. 5.2), которые, в свою очередь, также однозначно зависят от скорости агрегата vn. Непосредственное и наибольшее влияние на режим работы МТА и его эксплуатационные показатели оказывает продольная составляющая главного вектора F, которую можно назвать технологическим (тяговым) сопротивлением агрегата. Составляющие Fz, М и My определяют характер распределения вертикальных нагрузок по бортам и колесам (гусеницам и опорным каткам) трактора, что оказывает опосредствованное влияние на режим работы МТА. И наконец, поперечная составляющая главного вектора Fy и горизонтальная составляющая главного момента Mz определяют курсовую устойчивость агрегата, т.к. отклоняют его от заданного направления движения. Вопросы курсовой устойчивости МТА и затраты энергии для ее поддержания являются задачами динамики и рассматриваются отдельно. Расчет режимов работы МТА может проводиться в рамках моделей различной степени сложности. При расчете эксплуатационных показателей МТА с целью определения норм выработки и погектарного расхода топлива [6] обычно ограничиваются учетом главной составляющей силового воздействия - тяговым сопротивлением агрегата F(vn) ив некоторых случаях величиной вертикальной догрузки Fz, создаваемой сельхозмашинами (например, седельным полуприцепом - см. рис. 5). Это сразу предопределяет использование упрощенного метода задания характеристик трактора в функции безразмерной величины - относительного тягового усилия трактора ркр (см. п. 4.4). Применение упрощённого метода позволяет вычислить потребную мощность двигателя по цепочке явно заданных функций: Описанный метод может использоваться в проектировании новых типов машинно-тракторных агрегатов, однако, только как ориентировочный. Уточнённый расчёт, подробно описанный в п. 4.3, должен учитывать влияние распределения нагрузок по опорам (в гусеничных тракторах по длине опорных поверхностей гусениц) на тяговые показатели, распределение крутящих моментов и тяговых усилий по ведущим осям, зависимость потерь в трансмиссии от передаваемой мощности и т.д. Найдя с помощью аналитических (20) или алгоритмических (см. п. 4.3) методов зависимость Рек (vn), режим работы агрегата тяговой концепции определим из уравнения баланса мощности двигателя: где Рн- номинальная мощность двигателя; вертикальная черта в (21) показывает, что коэффициент использования мощности ким входит в уравнение как параметр. Рассмотрим метод расчёта тягово-приводных агрегатов с активными рабочими органами нейтрального типа на примере большегрузных транспортно-технологических агрегатов для внесения удобрений. Мощность двигателя передаётся на технологическую часть агрегата двумя потоками - через ходовую систему трактора и вал отбора мощности. Силовое воздействие транспортно-технологической машины (ТТМ) на трактор определяется с помощью выражений (4), (8) и (9), если ТТМ является прицепной и с помощью выражений (4), (11) и (12), если ТТМ выполнена в полуприцепном варианте. где Рв- мощность на выполнение технологического процесса (привод транспортёра и высевающих рабочих органов); Рвхол - мощность на холостой ход и привод вспомогательных механизмов; q - фактическая пропускная способность (подача материала), кг/с; Рвщу$- удельная мощность (на единицу подачи), Вт/(кг/с); т]мв - механический КПД вала отбора мощности (может быть задан непосредственно или, с учётом передаваемого момента, вычислен с помощью выражений (4.11)-(4.14)). Детальный расчёт затрат мощности Рв приведен в работе [114]. Здесь только следует отметить, что мощность, передаваемая через ВОМ, является-функцией угловой скорости вала двигателя и текущего значения массы технологического материала, т.е. Pee(a e,m).
При заданном коэффициенте использования мощности двигателя ким, величина угловой скорости б)е, является фиксированной величиной (параметром). В то же время, движение агрегата при расходовании технологического материала можно рассматривать как совокупность мгновенных статических состояний, т.е. при фиксированном значении величины т [45].
Многоприводная ходовая система и мощность двигателя, передаваемая через трансмиссию
Вследствие ограничений, накладываемых на максимальную скорость движения (11 км/ч), зависимость производительности лемешного пахотного агрегата от удельного сопротивления, будет иметь излом при некотором значении клп (для трактора Т-150К это значение 43 кН/м2, для К-701 - 53 кН/м2). При дальнейшем снижении тягового сопротивления, для обеспечения требуемой по агротехнике скорости агрегата приходится снижать загрузку двигателя, что приводит к дополнительному снижению погектарного расхода топлива (на рисунке 14 это выражается в изменении угла наклона соответствующих кривых).
С увлечением ширины захвата ротора, производительность агрегата с рабочими органами-движителями возрастает. Однако при этом сужается диапазон удельных сопротивлений, в котором может работать ротационный агрегат. Так, при ширине захвата ротора 7 метров агрегат может работать только на средних по удельному сопротивлению почвах(30..50 кН/м ). При ширине захвата 5 метров уже перекрывается диапазон средних и среднетяжёлых почв. И, только при ширине захвата 4 метра, обеспечивается возможность работы ротационного аг-регата в интервале удельных сопротивлений почвы 30..90 кН/м .
При одинаковой мощности двигателя производительность ротационного агрегата при ширине захвата ротора 4 метра превосходит агрегат с лемешным плугом и трактором Т-150К во всём принятом диапазоне удельных сопротивлений почвы.
По топливной экономичности и полной энергоемкости процессов ротационный пахотный агрегат превосходит пахотные агрегаты тяговой концепции как на базе трактора Т-150К, так и К-701 (рис. 14 и 15)1.
Рассмотрим влияние удельного сопротивления почвы на показатели агрегатов при выполнении основной и предпосевной обработке почвы путём вспашки и дискования с прикатыванием. Удельное сопротивление почвы дискового агрегата с катками принимается пропорциональным эталонному:
Отметим, что по топливной экономичности агрегат с Т-150К превосходит агрегат с К-701, а по полной энергоемкости процесса уступает ему. Это обусловлено большей производительностью и нормативной загрузкой К-701, а также меньшей удельной массой.
Влияние удельного сопротивлении почвы на эксплуатационно-технологические и энергетические показатели комбинированного ротационного агрегата на основной и предпосевной обработке почвы показано на рисунках (18)-(20). Там же, для сравнения, представлены соответствующие показатели совокупностей однооперационных агрегатов (S- агрегатов) с тракторами классов 3 и 5.
Характер протекания приведенных зависимостей по удельному сопротивлению почвы аналогичен соответствующим зависимостям для пахотных агрегатов (см. рис. 13-15). Однако эффект применения комбинированного агрегата с ротационным плугом (КРП) на основной и предпосевной обработке, в сравнении с агрегатами тяговой концепции, значительно выше, чем на вспашке.
Наименьшая ширина захвата КРП-агрегата, при которой обеспечивается возможность работы в диапазоне удельных сопротивлений 30..90 кН/м равна трём метрам (напомним, для пахотного РП-агрегата, ширина ротора, удовлетворяющая указанному условию, равна четырём метрам).
