Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 11
1.1 Анализ природно-производственных условий Амурской области и их влияние на уровень механизации транспортных работ 11
1.2 Анализ работы по определению эффективности использования колесных тракторов на транспортных работах 18
1.3 Разгон машинно-тракторных агрегатов 28
1.4 Выводы и задачи исследований 41
2 Теоретические предпосылки исследований 43
2.1 Теоретические предпосылки кинематики и динамики неуравно-вешенных масс 43
2.2 Определение касательной силы тяги, развиваемой трактором в агрегате с прицепом имеющим центробежные дисбалансы 49
2.3 Расчет массы неуравновешенных масс центробежных дисбалансов 59
2.4 Исследование колебаний системы «платформа-дисбаланс» 61
3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Задачи экспериментальных исследований 66
3.2 Объекты и условия проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях 66
3.3 Объекты и условия проведения экспериментальных исследований в полевых условиях 72
3.4 Общая методика проведения полевых экспериментальных исследований 75
3.5 Средства измерений, тарировка тензометрических узлов 76
3.5.1 Измерение тягового усилия 78
3.5.2 Измерение пройденного пути и буксования трактора 80
3.5.3 Измерение дополнительной нагрузки на колеса прицепа 82
3.6 Методика определения влажности почвы 84
3.7 Методика математической обработки экспериментальных данных 84
3.7.1 Оценка точности измерений 84
3.7.2 Математическая обработка экспериментальных данных 86
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ
4.1 Результаты исследований зависимости силы инерции от ее составляющих в лабораторных условиях 89
4.2 Результаты экспериментальных исследований ТТА с прицепом с центробежными дисбалансами 93
4.2.1 Влияние центробежных дисбалансов на величину буксования при разгоне ТТА 93
4.2.2 Влияние центробежных дисбалансов на ускорение при разгоне ТТА 96
4.2.3 Влияние центробежных дисбалансов на время разгона ТТА до транспортной скорости 98
4.2.4 Влияние центробежных дисбалансов на путь разгона ТТА 99
4.3 Результаты экспериментальных исследований по мощностному балансу 103
5 Экономическая эффективность использования трактора МТЗ-80 и прицепа 2 ПТС-4 с центробежными дисбалансами
Выводы и предложения 110
Список литературы 112
Приложения 131
- Анализ работы по определению эффективности использования колесных тракторов на транспортных работах
- Определение касательной силы тяги, развиваемой трактором в агрегате с прицепом имеющим центробежные дисбалансы
- Объекты и условия проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях
- Результаты исследований зависимости силы инерции от ее составляющих в лабораторных условиях
Введение к работе
В производстве сельскохозяйственной продукции большое значение занимают транспортные перевозки, которые обеспечивают необходимые технологические связи между отдельными этапами работ. Наряду с использованием на этих работах автомобильного транспорта немаловажную роль в перевозке сельскохозяйственной и другой продукции отводится тракторным поездам. Тракторный транспорт особенно незаменим в полевых условиях, когда автомобильный не способен работать из-за недостаточной проходимости. В последние годы в сельскохозяйственном производстве Амурской области наблюдается тенденция расширения масштабов применения колесных тракторов.
Основу тракторного парка области составляют универсальные пропашные колесные тракторы класса 1,4 (около 38%). Значительная часть, от 25 до 60% выполняемых ими работ - транспортные внутрихозяйственные перевозки. Особенность работы тракторных поездов на транспортных перевозках -это различие дорожных условий и режимов работы подвижного состава в самом процессе работы. Особенно это относится к моменту трогания тракторно-транспортного агрегата (ТТА) с места, когда тягово-сцепных свойств колесного трактора оказывается недостаточно, так как в этот момент агрегат испытывает наибольшее сопротивление движению. В момент трогания с места, для того чтобы сдвинуть прицеп с места необходимо усилие в 3-4 раза большее, чем при его транспортировке. Двигатель и трансмиссия работают главным образом на неустановившихся режимах, что приводит к возрастанию удельного износа деталей и увеличению расхода топлива. На практике для сдвига ТТА с места применяется рывок, при этом возможны ударные нагрузки, вследствие чего происходит поломка прицепных скоб. Это можно предупредить уменьшением объема перевозимого груза, что в конечном итоге снижает производительность тракторно-транспортного агрегата.
Вопросам повышения эффективности использования тракторно-транспортных средств посвящен ряд работ [6,7, 11, 28, 30, 33, 37, 41, 46, 47, 53, 57, 62, 93, 116, 118 и др.]. Результаты данных исследований позволили наметить пути улучшения эффективности применения колесных тракторов класса 1,4 с прицепом 2ПТС-4.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности использования колесных тракторов на полевых транспортных работах на базе крестьянско-фермерских хозяйств (КФХ) является применение колесного трактора класса 1,4 и прицепа 2 ПТС-4 с центробежными дисбалансами, установленными на платформе прицепа. Наличие центробежных дисбалансов способствует снижению силы сопротивления качению прицепа, что приводит к уменьшению его тягового сопротивления.
Диссертационная работа направлена на повышение эффективности использования колесного трактора класса 1,4 на транспортных работах за счет повышения тягово-сцепных свойств и улучшения динамики разгона.
Цель исследований - повышение эффективности использования колесного трактора класса 1,4 и прицепа 2 ПТС-4 на транспортных работах за счет уменьшения тягового сопротивления прицепа, улучшения динамики разгона тракторно-транспортного агрегата (ТТА), увеличения его производительности.
Объект исследования - процесс динамики разгона ТТА в момент трогания с места.
Предмет исследования - закономерности изменения касательной силы тяги и ускорения ТТА в зависимости от тягового сопротивления прицепа под действием неуравновешенных масс.
Методы исследований - для решения поставленных задач - описания процесса взаимодействия колесного движителя с почвой использованы методы теоретической механики.
Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и полевых условиях. Данные опытов обработаны современными методами теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна. Предложены аналитические зависимости динамики разгона ТТА в момент трогания с места, получено дифференциальное уравнение движения агрегата при разгоне с учетом инерционных сил, развиваемых центробежными дисбалансами. Выявлено влияние центробежных дисбалансов на тягово-сцепные свойства движителя и производительность тракторно-транспортного агрегата.
Практическая значимость работы. Использование колесного трактора класса 1,4 и прицепа с центробежными дисбалансами на транспортных работах позволяет улучшить динамику разгона тракторно-транспортных агрегатов, повысить объем перевозимого груза и тягово-сцепные свойства тракторов.
Полученные экспериментальные зависимости позволяют сократить затраты времени и материальных средств на конструирование, совершенствование и доработку конструкций ходовых систем.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований внедрены в производство СК колхоза «Дим» Михайловского района, СХА колхоза «Родина» Константиновского района и КФХ «Жуковин А.Т.», КФХ «Волошин В.К.» Ивановского района. Результаты по уточнению теории внедрены в учебный процесс на кафедре тракторов и автомобилей ФГОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет» (ДальГАУ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГОУ ВПО ДальГАУ (2008, 2009гг.), на научно-практической конференции, посвященной 20-летию ГНУ ДальНИИМЭСХ Россельхозакадемии (2008г.), на региональных научно-практических конференциях БФ АмГУ г.Биробиджан (2008г.), «Молодёжь XXI века: шаг в будущее» (2009г.), на расширенном заседании кафедры тракторов и автомобилей ФГОУ ВПО ДальГАУ(2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборниках научных трудов ФГОУ ВПО ДальГАУ, депонированы в Центре информации и технико-экономических исследований агропромышленного комплекса РАСХН ВНИИЭСХ, в журнале «Сельский механизатор».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и пяти глав, общих выводов и списка литературы из 174 наименований (в том числе 8 на иностранном языке), 4 приложений.
Общий объем 135 с, в т.ч. 4 с. приложений, 40 рисунков, 7 таблиц.
Автор считает себя обязанным выразить глубокую признательность кандидату технических наук, доценту А.Н. Панасюку за помощь и критические замечания при написании диссертационной работы. Автор также признателен коллективу кафедры тракторов и автомобилей ФГОУ ВПО ДальГАУ, принимавших участие в организации и проведении исследований.
Анализ работы по определению эффективности использования колесных тракторов на транспортных работах
Важнейшую роль в производстве сельхозпродукции занимает транспорт, так как на выполнение транспортных работ требуются значительные энергетические и трудовые затраты. Нужно отметить, что сельскохозяйственное производство отличается от других производств большим разнообразием грузов (до 250 видов), соответственно возникает высокая потребность в транспортных средствах, его обслуживающих [48, 50, 62, 63, 64, 80].
За последние годы численность транспортных средств снизилась на 30-35%, но тракторы как универсальное транспортное средство все чаще стали применять в технологических процессах. В настоящее время состояние сельскохозяйственного транспорта характеризуется низким техническим уровнем имеющихся как транспортных, так и погрузочных средств, существенно снизился коэффициент пополнения и обновления, что напрямую повлияло на экономическую эффективность транспортных работ и ухудшило показатели безопасности. Поэтому так важно эффективно использовать находящиеся в эксплуатации транспортные средства, совершенствуя их конструктивные качества, таким образом, снижая энергозатраты на производство сельскохозяйственной продукции [47, 48, 49, 55, 56, 118, 120, 122].
По данным работы [41] тракторный транспорт позволяет выполнять более 35% среднего годового объема перевозок и по существу является единственно пригодным для перевозки легковесных грузов в объеме 180 млн. тонн. За рубежом доля использования тракторов на транспортных работах еще более высока [168]. Так во Франции в крупных хозяйствах перевозится тракторным транспортом до 90% сельскохозяйственных грузов, в Германии до 75%, в Польше до 52%, в США более 35%, в Венгрии - 77%, в Норвегии-более 90% [168, 170, 172].
Вопросу использования колесных тракторов на транспортных работах в различных дорожных условиях посвящены работы А.Е. Волощенко [28], В.А. Гобермана [33,34], В.В. Гуськова [41,42], Н.Е. Евтушенкова [47,48,49], Ф.С. Завалишина [55,56], А.Ю. Измайлова [61,62,63], С.А. Иофи-нова [65], В.М. Кряжкова [80], С.Д. Сменева [117,118], СВ. Щитова [161,162], В.Н. Шалягина [153,154] и многих других.
В работе B.C. Филонова [142] автор отмечает, что экономичность использования того или иного вида транспорта напрямую зависит от сферы его применения. В осенне-зимний период в условиях длительного бездорожья тракторный транспорт более выгоден на внутрихозяйственных перевозках, чем автомобильный, и если расстояние перевозок составляет 5...8 километров, предпочтение следует отдавать тракторам.
Определяя зависимость влияния расстояния грузоперевозок на производительность ТТА, автор в работе [96] отмечает, что при работе на небольших расстояниях следует применять транспортные средства малой грузоподъемности, так как с увеличением перевозок производительность в тонно-километрах увеличивается, в тоннах - уменьшается.
В работах [20, 37, 103] установлено, что тракторно-транспортные агрегаты (ТТА) оказываются более эффективными, чем большегрузные автопоезда, например при перевозке легковесных грузов. С учетом техногенного воздействия на почву, так как тракторный транспорт имеет более низкое давление в шинах, он является наиболее предпочтительным для работы на переувлажненных почвах.
Исследования, проведенные автором [6] показали, что при наличии транспорта малой грузоподъемности обеспечивается более гибкое управление процессом уборки зерновых культур, поскольку именно этим транспортом компенсируются случайные возмущения, образующиеся при функционировании уборочно-транспортной линии, что позволяет повысить производительность комбайнов на 20,9%.
Ряд авторов [38,39, 48, 49, 65] отмечают, что тракторы класса 1,4 до 80% годовой загрузки заняты на транспортных работах, и что при транспортировании сельскохозяйственных грузов наиболее целесообразно использовать легкие колесные тракторы с прицепами.
К основным эксплуатационным параметрам, определяющим производительность тракторных поездов, относятся тягово-сцепные и энергетические показатели трактора, состав тракторного поезда, грузоподъемность прицепов, их количество и тип, дорожные и почвенно-климатические условия, скорость движения, маневренность и интенсивность разгона, тормозные качества тракторного поезда и другое [41,42, 48, 50, 62, 63, 96, 117, 118, 120, 151].
Исследования, проведенные в работе [47] показали, что при транспортировании сельскохозяйственных грузов целесообразно применять легкие колесные тракторы с прицепами, также отмечается, что главное направление повышения производительности и экономической эффективности тракторно-транспортного агрегата - наиболее полное использование силы сцепления тракторных движителей и увеличение грузоподъемности. В тоже время автор [118] предлагает для правильного выбора соотношения грузоподъемности и скорости движения использовать такой критерий как удельный расход топлива, приходящийся на единицу производительности
Определение касательной силы тяги, развиваемой трактором в агрегате с прицепом имеющим центробежные дисбалансы
Предложенная оценка энергетического баланса позволяет провести исследование различных неустановившихся режимов движения и способствует созданию более совершенных механизмов и систем на скоростных МТА.
Исследования показали, что при введении упругих элементов в трансмиссию и в прицепное устройство, муфта сцепления работает более успешно, обеспечивается более высокая энергетическая отдача, динамические нагрузки на трактор уменьшаются. Влияние такого конструктивного параметра как податливость трансмиссии на разгон МТА, отмечают [2, 9, 12, 31, 32, 54, 78, 143 и др.]. Применение эластичного привода ведущих колес позволяет стабилизировать крутящий момент на 32...67%, крюковую нагрузку на 14...25%, уменьшить число изменения зазора в сцепке на 15...50%, посредством чего происходит более плавный, и в тоже время более интенсивный разгон агрегата [143]. Установка в трансмиссию трактора класса 1,4 упруго демпфирующего механизма позволяет не только снизить нагрузку на двигатель и ведущие колеса трактора, но и уменьшить буксование движителей, что положительно сказывается не только на их элементах, но и почве - уменьшается истирание, снижающее ее плодородие [78, 105,106]. С.Н. Абидуллин в работе [2] отмечает, что полностью ликвидировать влияние неравномерности на-гружения трактора в составе МТА крюковым усилием с помощью упругой навески не удается, утверждая, что в спектре частот вынужденных колебаний крюкового усилия сохраняется энергетический всплеск на частоте угловых продольных колебаний трактора. Автором предлагается использовать упругую навеску совместно с гидроувеличителем сцепного веса. Данный метод позволяет снизить коэффициент буксования, увеличить тяговый КПД, повысить производительность и скорость движения МТА.
Одна из причин возникновения буксования — это неустановившиеся режимы движения. Ходовая система создает динамическую нагрузку на почву вследствие проявления касательной силы тяги при изменениях режима работы. Это приводит к резкому увеличению буксования. Е.М. Асманкин в работе [9] указывает, что для лучшей приспособляемости к внешним нагрузкам нужно использовать гидромеханические трансмиссии, но считает, что более перспективным направлением снижения буксования является метод изменения схемы подвода силового потока к ведущим колесам, путем установки упругих элементов в приводе. В данной схеме сцепной вес передается на приводной вал шестерни, а не на ось движителя. Как показали исследования, такая трансмиссия позволяет более эффективно снижать динамические нагрузки, как в двигателе, так и в самой трансмиссии, посредством трансформации энергии колебаний системы в потенциальную энергию геометрических параметров центра масс трактора.
Ряд авторов [42, 74, 83, 116, 147] отмечает, что для улучшения работы фрикционных узлов является уменьшение влияния ведомых маховых масс. В работе [147] это достигается посредством использования нелинейного упругого звена в сцепке в виде пружины. При этом обеспечивается частичный разгон трактора без прицепа, уменьшается работа трения муфты сцепления на 30-40%, снижается сцепной вес трактора, КПД агрегата повышается на 10%.
В работах [116, 145, 151] исследован разгон тракторно-транспортного агрегата применительно к трактору с одним ведущим мостом. Но В.Г. Шевцов в работе [156] предполагает, что результаты этих исследований не могут отражать условий трогания и разгона таких энергонасыщенных тракторов как К-700, имеющих ряд конструктивных особенностей трансмиссии и шасси. Автор считает, что одним из важнейших факторов, влияющих на разгон МТА, является энергонасыщенность тракторов. Для более эффективного использования колесных тракторов на транспортных работах необходимо использовать в качестве тягачей мощные колесные трактора высокой проходимости, так как условия эксплуатации транспортных средств в сельской местности связаны с передвижением их по возделываемым полям и по грунтовым дорогам. Автором проведен анализ динамических качеств транспортного агрегата большой грузоподъемности и представлена математическая модель процесса трогания и разгона транспортного агрегата в виде дифференциальных уравнений с нелинейными функциональными связями. Проведенный анализ свидетельствует о том, что потенциальные возможности трактора К-700 с транспортным агрегатом грузоподъемностью 21 тонна недоиспользуются. При увеличении грузоподъемности на Зтонны, посредством установления определенных условий ограничения трогания и разгона, позволяет повысить производительность на 6-14% и снизить приведенные затраты на 4-12%. Автор отмечает, что используя данную модель, можно исследовать динамические качества не только транспортных агрегатов, но и любых других в различных эксплуатационных условиях.
С ростом энергонасыщенности тракторов все чаще встает проблема рационального использования их потенциальных возможностей. Опыт эксплуатации данных тракторов свидетельствует об ухудшении показателей топливной экономичности. Отсюда возникает вопрос улучшения работы их моторно-трансмиссионных установок. Данные трактора должны отличаться хорошей согласованностью параметров работы двигателя и трансмиссии, что обеспечить достаточный диапазон рабочий скоростей. Одним из перспективных направлений является применение на тракторах двигателей постоянной мощности (ДПМ), т.е. двигателей с такой характеристикой, корректорный участок которой отрегулирован на постоянную мощность в широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Целесообразность применения ДПМ на тракторах исследована многими отечественными организациями и за рубежом. Исследования, проведенные в работах [10, 84, 146, 152], показали, что применение ДПМ позволяет улучшить топливную экономичность и тягово-динамические показатели тракторов, разгонные качества, повысить производительность труда и снизить напряженность труда тракториста.
Объекты и условия проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях
Для проверки эффективности разработанной конструкции и подтверждения достоверности полученных аналитических и теоретических зависимостей, необходимо провести экспериментальные исследования. С этой целью необходимо решить следующие задачи: 1. На основе теории подобия исследовать в лабораторных условиях степень влияния кинематических, линейных и весовых параметров центробежных неуравновешенных масс на изменение инерционных сил. 2. В полевых условиях установить влияние неуравновешенных масс на тяговый баланс агрегата и динамику разгона. 3. В производственных условиях определить эффективность использования тракторно-транспортного агрегата с неуравновешенными массами на внутрихозяйственных перевозках и провести его экономическую оценку. Объекты и условия проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях Экспериментальные исследования проводятся в полевых и лабораторных условиях. Проведение всего комплекса испытаний в лабораторных условиях на натуральных образцах машин не всегда представляется возможным. Поэтому были проведены лабораторные исследования на макете с учетом теории подобия. Модель - упрощенная система, отражающая отдельные наиболее важные стороны явлений изучаемого процесса. Процесс моделирования должен удовлетворять следующим требованиям: - эксперимент на модели должен быть проще, экономичнее и оперативнее, чем на объекте; - по результатам испытания модели должны быть получены аналитические или эмпирические зависимости, отражающие поведение реального объекта. В качестве объекта исследования были выбрана лабораторная установка системы «платформа-дисбаланс». Лабораторная установка состоит из электродвигателя, который закреплен на платформе и пишущего устройства (рис. 3.1). Платформа опирается на четыре пружины, установленные в направляющих, которые прикреплены к нижней опоре. Пружины тарировались с помощью весов марки «CAS» и набора гирь, которые служат в качестве меры силы (рис.3.2-3.4). Загрузка пружин производилась с наименьшего значения до наибольшего, затем в обратном порядке производили ступенчатую разгрузку.
Для снятия показаний использовалось пишущее устройство, закрепленное на платформе. При работе установки на листе записываются полученные значения в виде вертикальных линий, которые равны по длине двум амплитудам. На валу электродвигателя закреплены два плеча, на которых фиксируются грузы разных масс (рис.3.5).
Число оборотов двигателя в течение одного опыта остается постоянным и регулируется реостатом. Для замера числа оборотов вращения центробежных дисбалансов, на плече установлены импульсные герконовые датчики, связанные со счетчиками оборотов (рис. 3.6, 3.7). В лабораторных условиях использовался полный факторный эксперимент 23 с учетом эффекта взаимодействия. Многофакторное планирование дает возможность активно участвовать в исследуемом процессе и значительно упрощает задачу определения оптимальных условий.
Для серии экспериментов было представлено три фактора, которым было представлено новое обозначение (табл. 3.1), факторы имели три уровня варьирования. Опыты проводились в трехкратной повторности. Для нахождения коэффициентов уравнения регрессии, описывающего модель, построена матрица ортогонального центрально-композиционного плана второго порядка (табл.3.2) [89], которая была обработана ПК программой SigmaPlot 11.0.
Результаты исследований зависимости силы инерции от ее составляющих в лабораторных условиях
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований, которые изложены в данной диссертационной работе, решена задача по повышению эффективности использования колесных тракторов класса 1,4 и прицепа 2 ПТС-4 на транспортных работах. По результатам исследований можно сделать следующие выводы: 1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что возникающая сила инерции от неуравновешенных масс, расположенных над передней осью прицепа, уменьшает равнодействующую нормальных реакций опорной поверхности на колесо прицепа пропорционально массе дисбалансов. 2. В результате теоретических исследований получены математические зависимости: интенсивности разгона, динамического фактора при разгоне агрегата от инерционных сил неуравновешенных масс и дифференциальное уравнение разгона тракторного агрегата при работе центробежных дисбалансов. 3. Экспериментально установлено, что при работе центробежных дисбалансов интенсивность разгона в полевых условиях увеличивается на 25...31%, а время разгона до установившейся скорости уменьшается на 4...11% в зависимости от массы перевозимого груза. 4. Установлены зависимости и закономерности изменения возникающей силы инерции от конструктивных параметров неуравновешенных масс и их режимов работы. Определены оптимальные конструктивные и режимные параметры центробежных дисбалансов обеспечивающие снижение коэффициентов сопротивления качению при трогании с места в 1,15. ..1,17 раза, которые составляют: масса грузов — 45 кг, радиус кривошипа - 0,265 м, пвом — 1000 об/мин при коэффициенте затухания колебаний п=27гс"1 и коэффициенте динамичности А=0,38. 5. При проведении исследований в полевых условиях установлено, что использование трактора МТЗ-80 в агрегате с прицепом 2 ПТС-4 с центробежными дисбалансами позволяет снизить коэффициент буксования при разгоне на 9... 10,7% и путь на 4,2...8,7% по сравнению с серийным тракторно-транспортным агрегатом, при этом коэффициент сопротивления качению в зависимости от массы прицепа снижался от 0,14...0,15 до 0,12...0,13. 6. Применение агрегата с центробежными дисбалансами на транспортных работах позволяет в типичных для Амурской области условиях, внутрихозяйственных перевозок увеличить транспортную скорость за счет снижения буксования на 8,7%, тяговую мощность на 6%. 7. Использование трактора МТЗ-80 с экспериментальным прицепом на подвозе минеральных удобрений дает экономию полных энергозатрат 7,71 МДж/т-км или в рублёвом эквиваленте 3,6 р. на 1 т-км по сравнению с серийным ТТА.
