Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 10
1.1. Особенности работы тракторов в горной местности 10
12. Анализ конструкций шин со съемным протекшром 21
1.3. Выводы по главе, цель и задачи исследования 43
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса работы колесного трактора на склоновых землях А5
2.1. Исследование процесса работы агрегатов на склоновых землях 45
2-2, Обоснование конегруктивно-технологической схемы шины со съемным протектором 52
23, Математическая модель б\ксовапия двюкителя колесного трактора ... 57
2.4. Боковой увод колесного трактора при движении поперек склона 64
2.5. Выводы но главе ,.;... 71
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 73
3 Л. Программа .жепериментальных исследований 73
3.2. Методика проведения экспериментов и использованные измерительные средства 74
3.3. Выводы по главе 81
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 83
4.1. Результаты тяговых испытаний колесных тракторов 83
4.2. Влияние буксования на эксплуатационные показатели колесных тоактопрв. . 85
4.3. Вероятностно-статистическая характеристика работы трактора на склоновых землях 93
4.4. Влияние бокового увода колес на силу сопротивления движению трактора 102
4.5. Выводы по главе 114
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность применения колесного трактора со съемным протектором шин 116
5.1. Общее положения определения технико-экономической эффективности 116
5.2. Расчет технико-экономических показателей 118
5.3 Расчет производительности труда и трудоемкости выполненных работ 120
5.4. Расчет эксплуатационных заїрах 121
5.5. Расчет эффективности каїштшіьнмх вложений 126
5.6. Коэффициент (индекс) доходности и срок окупаемости капитальных вложений 128
5.7. Выводы по главе 129
Общие выводы 131
Список использованной литературы 133
Приложения 144
- Анализ конструкций шин со съемным протекшром
- Математическая модель б\ксовапия двюкителя колесного трактора
- Методика проведения экспериментов и использованные измерительные средства
- Вероятностно-статистическая характеристика работы трактора на склоновых землях
Введение к работе
Актуальность работы. В горном земледелии при обработке площадей с уклоном до 9…10 применяются колесные тракторы на пневматических шинах. Их работа на склонах, аналогично гусеничным тракторам, ограничивается не столько опасностью опрокидывания, сколько уменьшением их работоспособности и ухудшением сцепления с почвой. Особое внимание заслуживает работа колесных тракторов с боковым креном, когда на них действует боковая сила – составляющая веса трактора.
Работа трактора с боковым креном в горных местностях представляет эксплуатационный режим, при котором боковая сила действует на трактор постоянно. Боковой увод пневматических шин отрицательно влияет на устойчивость в направлении движения и на управляемость трактора, вызывает дополнительный расход энергии, в связи с чем ухудшается топливная экономичность. Вследствие этого возникает необходимость в разработке и усовершенствовании формы и состояния протекторов шин для тракторов, предназначенных для разных эксплуатационных условий.
Успешное проведение сельскохозяйственных работ во многом зависит от надежной и качественной работы ходовой части колесных тракторов при различных погодных условиях, характеристиках почвы и рельефах местности. Качественная же работа колес во многом определяется состоянием шин и их протекторами. Использование колес с изношенными протекторами негативно влияет не только на качество выполнения сельскохозяйственных работ, но и за счет буксования трактора снижается производительность агрегата.
Тракторные колеса, выпускаемые в настоящее время промышленностью, в основном являются классическими с заданными протекторами. Этот фактор не дает возможности увеличить срок службы шин.
Вопрос использования колесных тракторов в сложных почвенно-климатических условиях Кабардино-Балкарии, в частности на склоновых землях, до настоящего времени недостаточно изучен.
В связи с этим и с учетом особенностей природных условий склоновых земель Кабардино-Балкарской Республики существует необходимость комплексного изучения работы сельскохозяйственных агрегатов, а перспектива улучшения работы колесных тракторов на местности со сложным рельефом за счет применения колес со съемным протектором шин обуславливает актуальность выполнения данной научно-исследовательской работы.
Работа выполнена на кафедре механизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В. М. Кокова» в соответствии с научно-технической программной фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2001…2005 и 2006…2010 гг. и НИПР ФГОУ ВПО «КБГСХА им. В. М. Кокова» по теме «Разработка и внедрение в условиях КБР экологически безопасных, энергосберегающих, противоэрозионных технологий возделывания с/х культур».
Цель исследований состоит в повышении эффективности использования колесных тракторов при обработке склоновых земель.
Объектом исследований являлся движитель колесного трактора при работе на склоновых землях со сложным рельефом местности.
Предмет исследований – закономерности работы колесного трактора, процессы буксования и бокового увода колесных тракторов при работе на склоновых землях со сложным рельефом местности.
Методика исследований включала: теоретические исследования процесса работы колесного трактора на склоновых землях со сложным рельефом местности с использованием математического анализа, экспериментальное исследование с применением современного тензометрического оборудования, методов планирования многофакторного эксперимента, оценки адекватности и достоверности полученных результатов, определения экономической эффективности.
Для проведения экспериментальных исследований были использованы существующие и разработанные лабораторные установки. Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса буксования и бокового увода при движении колесного трактора по контуру склона со сложным рельефом. Получена эмпирическая регрессивная модель, устанавливающая взаимосвязь между основными параметрами протектора колеса и качественными показателями его работы.
На основе исследований предложен съемный протектор для пневматических шин, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение
№ 2245795.
Практическая значимость работы. Предложенные аналитические зависимости и методика расчета могут быть использованы при проектировании новых движителей колесных тракторов и расчете конструктивных параметров колеса, устойчивости работы тракторного агрегата на склоновых землях.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены и рекомендованы к публикации на научных конференциях КБГСХА им. Кокова (Нальчик, 2007–2009 гг.), на Всероссийском смотре конкурсе лучших научных работ ученых вузов МСХ РФ, АЧГАА (Зерноград, 2009 г.), на научных конференциях Адыгской (Черкесской) Международной академии наук АМАН (г. Нальчик, 2007 г., г. Майкоп, 2008 г., г. Черкесск, 2009 г.), на Международной научно-практической конференции «Стратегия инновационного развития Юга России: Проблемы, перспективы, направления» (г. Сочи, 2008 г.).
Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований и проект съемного протектора для пневматических шин колесных тракторов приняты ОАО «Шиноремонтный завод» (г. Нарткала, КБР) для изготовления опытной партии и внедрения в производство.
Публикации результатов исследований. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение. Общий объем опубликованных работ составляет 3 печатных листа, из которых соискателю принадлежит 2,5 печатных листа. Личный вклад соискателя по совместному исследованию составляет 85%.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит
4 таблицы, 35 рисунков, список использованной литературы из 140 наименований, 5 приложений.
Анализ конструкций шин со съемным протекшром
Движителями колесных тракторов, как и в автомобилях, служат колеса с пневматическими шинами. Общее число колес у тракторов четыре, у некоторых специализированных тракторов - три. Универсально-пропашные тракторы с одним (задним) ведущим мостом (Т-25А, МТЗ-80, МТЗ-100) имеют задние колеса большего размера, чем передние. Задние ведущие колеса воспринимают до 80% нормальной нагрузки, что обеспечивает достаточную с\л-лу их сцепления с опорной поверхностью. Передние управляемые колеса воспринимают меньшие нагрузки, поэтому ими легче управлять [25, 36, 37,
Тракторы с четырьмя ведущими колесами выполняют с передними и задними колесами разного и одинакового размеров. Первые представляют собой разновидности универсально-пропашных тракторов (Т-ЗОА, MT3-S2, МТЗ-102), а вторые-тракторов общего назначения (Т-150К, К-701) [48, 52].
Колесо трактора, как и автомобиля, может быть дисковым и бездисковым. Широко распространены дисковые колеса, состоящие из обода, диска и пневматической шины. При этом диск колеса может быть жестко соединен с ободом или прикреплен к нему болтами. Болтовое соединение используют для изменения колеи трактора, В некоторых конструкциях к диску колеса болтами прикреплена ступица.
Почти всё движение на земле немыслимо без колес с пневматическими шинами. Без них остановятся автомобильный транспорт, мотоциклы, карьерные самосвалы, сельхозмашины, современные поезда метро, не смогут взлетать и садиться самолеты. Шина - основной конструктивный элемент большинства транспортных средств. Ключевые характеристики их движения — скорость, безопасность, устойчивость, управляемость, проходимость, топливная экономичность, уровень шума, комфортабельность и др. — непосредственно связаны с шинами.
Шина - это резиновый или металлический (на телегах) обруч, оболочка на ободе колеса. В общем случае она представляет из себя упругую оболочку, которая взаимодействует с дорогой, частично смягчая удары и поглощая толчки от дорожных неровностей [73,103,106, 107] (рис. 1.3).
Советская шинная промышленность начала свое формирование в СССР, благодаря широкому развитию отечественных гигантов автомобилестроения, в том числе заводов по производству колесных тракторов, электрокаров, погрузчиков и сельхозтехники. Заводы по производству шин появлялись в тех советских республиках, которые специализировались на выпуске автотракторной техники. Это были РСФСР, Украина и Белоруссия,
Первопроходцем в развитии отечественного шинного производства стал Ярославский шинный завод. Его запуск состоялся 6 ноября 1932 года. Первыми в мире освоедие отечественного синтетического каучука (СК) начали как раз на ЯШЗ, Это дало возможность отказаться от импорта дорогостоящего сырья. В 1938 году проектная мощность завода составляла свыше 3 миллионов шин в год. Данное предприятие во многом сохраняет свои позиции и до сегодняшнего дня.
В 50-е годы прошлого столетия ЯШЗ стал первым производством в СССР, на котором начался выпуск бескамерных шин для легковых автомобилей. Именно здесь впервые разработали конструкцию бескамерной арочной шины для грузовика ЗиС-150. В 60-х годах на ЯІ1ГЗ создали абсолютно новые конструкции радиальных шин, среди которых и шины со съемным протектором. 90-е годы ознаменовались для ЯШЗ новым производством грузовых ЦМК-пшн. На заводе существует собственный научно-технический центр, где и разрабатываются все новые модели ярославских шин. Их испытания проходят на собственном полигоне. Примерно 160 моделей шин сходят с конвейера предприятия и в настоящее время.
Решение о строительстве шинного завода в Москве правительство приняло в 1940 году. Планировалось, что предприятие освоит выпуск до полутора миллионов шин в год. Оборудование для оснащения завода было закуплено в США. Завод начал выпуск продукции после окончания Великой Отечественной войны.
Математическая модель б\ксовапия двюкителя колесного трактора
Эффективность использования колесных тракторов в заданных условиях в значительной степени зависит от показателей, характеризующих тяго-во-сцелные свойства трактора. Эти показатели экеплутационных свойств траісгора определяют по результатам его тяговых испытаний [13], Однако получаемая при этом информация не обобщается до уровня математических моделей, что не позволяег использовать се за пределами условии, сопутствующих эксперименту [15].
Единого общепринятого мнения по вопросу учета взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью пока нет. При качении любого колеса всегда имеются скользящие точки относительно опорной поверхности. В связи с этим имеется два мнения по вопросу начала буксования колеса: первое — при качении любого деформируемого колеса имеется буксование; аторое — начало буксования колеса происходит в момент превышения силы тяги на колесе Рк, максимально возможной по условию сцепления колеса с опорной поверхностью
где ф — коэффициент сцепления с опорной поверхностью; GH — вес машины, приходящийся на ведущее колесо.
Во втором случае считается? что при Рк cpGK радиус качения ведущего колеса гк уменьшается линейно в зависимости от подводимого вращающего момента (упругое скольжение) ко формуле:
где гЕ -радиус качения колеса в ведомом режиме, м;
X - коэффициент тангенциальной эластичности шины, характеризующий изменение радиуса качения колеса от вращающего момента, подводимого к нему Мк.
При Рк (pGK колесо начинает буксовать, и поступательная скорость движения машины в зависимости от частоты вращения колеса фч вычисляется с учетом коэффициента буксования Ss ПО формуле
V-r Cl-Se).
Коэффициент сцепления шины с опорной поверхностью изменяется в зависимости от состояний и типов опорной поверхности и шины в широких пределах. Более того? его значение для реального дорожного покрытия зависит от величины $в и скорости движения, т.е. Ф = p(sfi,v).
Для фиксированной скорости движении существует значение коэффициента- фиs соответствующее началу буксования колеса при М q)GKrK, Увеличение значения Мк приводит к возрастанию коэффициента сцепления ф до некоторого значения фтях, соответствующего значению коэффициента буксования Sg. Дальнейшее увеличение Мк приводит к уменьшению значения
При Str = 1 коэффициент сцепления равен некоторому значению фк При моделировании показателен эксплуатационных свойсти колесных тракторов показатели буксования движителей можно подразделить на основные и производные, определяемые через основные. К числу основных оч носят:
- частоту вращения вала двигателя w;
- часовой расход топлива G;
- показатель буксования 3;
радиус ведущих колес гф (фактический). Все остальные показатели: скорость К крюковая мощность ЭДр, тяго вая к. п. д. 7}т, условный тяговый к, п. д. і]т и удельный расход топлива g p
производные выражают через основные показатели [33].
Методика проведения экспериментов и использованные измерительные средства
Методика проведения экспериментов с трактором МТЗ-80 разработана на основе ГОСТ 7057-73 [98, 99, 101]. При разработке планов экспериментов для получения данных о характере влияния почвенных условий на все рассматриваемые показатели было предусмотрено проведение опытов при нескольких (4-5) состояниях почвы.
Результаты тяговых испытаний были обработаны с использованием методов математической статистики. Тяговую загрузку фактора осуществляли динамоментрованием сельскохозяйственных агрегатов с колесным трактором в полевых условиях с помощью динамометра типа ДПУ-5-1 (рис. 3.1). Показания динамометра снимались на установленную над ним видеокамеру Panasonic NV — RX30A. По стандартной методике [18] в соответствии с установленными требованиями [2, 49...51, 53...56] проводился хронометраж работы сельскохозяйственных агрегатов.
В процессе опытов с трактором число оборотов за опыт ведущих колес определяли тахометром, а показатель буксования с помощью приборов, приведенных на рис, 3.2 и 3.3.
Лабораторные исследования проводились на почвенном каяалекафед-ры «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии им. В. М. Кокова. Почвенный канал представляет собой заполненную почвой траншею длиной 15 м, шириной 1,5 м и глубиной 0,5 м.
Для характеристики условий проведения экспериментов по общепринятой методике [1, 7, 16, 62, 63, 100, 102] определялись тип, влажность, плотность и твердость почвы. Приборы для определения влажности и плот-ности почвы по горизонтальным глубинам показаны на рис, 3.4 и 3.5.
В основе работы влагомера лежит нейтронный способ измерения влажности, основанный на облучении влажной почвы потоком быстрых нейтронов и измерений плотности потока, образовавшихся медленных нейтронов счетчиком (газоразрядным детектором).
Для связанных грунтов изменения твердости почвы при действии вертикальной нагрузки на грунт можно наблюдать но графику на рис. 3.6? и выразить ее уравнением следующего вида:
Rs=NQtg p + C0, (3.1)
где: No — сила нормального давления, Н; р —угол внутреннего трения; CQ - сила, соответствуюоїая сопротивлению сдвигу и сжатию, Н,
Бели tg(p обозначить через/— коэффициент внутреннего фения, то уравнение прямой приобретает вид формулы силы сопротивления трению, предложенной Кулоном [119]:
Лабораторные исследования проводились в почвенном канале кафедры «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии. Производственные испытания проводились на полях Кабардино-Балкарского научно-исследовательского института сельского хозяйства (ОПХ «Нартан»). 4-І, Результаты тяговых испытаний колесных тракторов.
Для апробации методики моделирования показателей функционирования движителя колесного гракгора и для проверки правильности принятых при ее обосновании допущений были проведены тяговые испытания трактора класса 14 кН (МТЗ-80) по принятой программе па полях Кабардино-Балкарскою научно-исследовательского института сельского хозяйства (ОПХ «Нартан»). Уклон местности соситвлял Й-16.
В процессе опытов измерению подлежали следующие показатели: тяговое усилие на крюке; момент ведущего колеса и путеизмерительного колеса; время опыта; твердость и плотность почвы на участках, где проводили исследования.
Вероятностно-статистическая характеристика работы трактора на склоновых землях
Устойчивость движения трактора по контуру склона характеризуется дисперсией траектории относительно средней оси движения, отклонением этой оси от горизонталей местности, а также спектральным составом процес На рис. 4.6-а, вг изображена дисперсия процесса у (I) для различных условий движения трактора. Данные опытов показывают увеличение дисперсии процесса у (І) по мере возрастания крутизны склона. Такая зависимость объясняется тем, что на склонах большой крутизны возрастает самопроизвольный полорот трактора в сторону спуска, затрудняется сохранение прямолинейности его движения вдоль горизонталей местности, увеличивается отклонение от заданного направления, в результате чего дисперсия процесса у (І) возрастает.
Очевидно, что в зависимости от сцепных качеств колес с почвой, состояния поверхности почвы и других причин интенсивность процесса Dy = f(v) изменяется [Dy — дисперсия процесса (%?].
Поведение водителя существенно влияет на дисперсию Dy -f{v), несмотря на это результаты опытов, проведенных при участии нескольких водителей, показывают, что в болышшетве случаев при увеличении крутизны склона прямолинейность движения тракторов вдоль горизонталей местности нарушается. При этом характер зависимостей, изображенных на рис. 4,5, видоизменяется незначительно.
Известно, что главная причина самопроизвольного поворота трактора по склону вниз — появление составляющей силы тяжести трактора, направленной по наименьшему скату. Ва кругых склонах эта составляющая больше, и поэтому отклонение трактора вниз происходит более интенсивно. Но здесь существенное значение имеет точка приложения указанной силы, т. е. место нахождение центра тяжести тракторш , "
Опытные данные показывают, что смещение центра тяжести колесного трактора в сторону задней оси. уменьшает дисперсию траектории кинематического центра аїрегата; Он движется более устойчиво, лучше, сохраняет на-правление движения, от горизонталей местности отклоняется незначительно; На траекторию движения колесною трактора большое, влияние оказы вает его скорость. Влияние ее на характер движения колесных тракторов при работе на склонах исследовано недостаточно: По опытным данным при дви жении трактора но контуру склона с увеличением его скорости повышается дисперсия процесса - (). Это значит, что трактор больше отклоняется от оси движения. Однако в некоторых случаях при сочетании некоторых внешних условий такая зависимость может нарушиться.,, Дисперсия, процесса у () не может служить исчерпывающей характеристикой устойчивости движения трактора по контуру склона. Нужно рассматривать также спектральный состав процесса у ()."Hsi рис. 4.7 а, 6, в по казаны кривые нормированных спектральных плотностей процессов у () при . различных условиях движения трактора. І Во всех случаях (рис. 4.7), как при различном расположении центра тяжести трактора, так и при различных скоростях движения последнего, при возрастании крутизны склона преобладающие частоты процесса () пере мещаются в сторону больших значений круговых частот. Это говорит о том, что на склонах большой крутизны водители чаще пользуются механизмом управления. При работе по контуру склона прямолинейность траектории движения колесных тракторов значительно ниже, чем на горизонтальной местности. Прямолинейность траектории нарушается уже на склонах с поперечной крутизной 5, на склонах более высокой крутизны она уменьшается более значительно. Это одна из главных причин, снижающих качество сельскохозяйственных операций, осуществляемых на склонах.
С увеличением крутизны склона максимальные значения нормированных спектральных плотностей уменьшаются. Причем чем больше „, тем интенсивнее происходит это снижение. Оно свидетельствует о том, что с увеличением крутизны склона водители менее регулярно восстанавливают направление движения, т. е. интервал времени, после которого трактор направляется по склону вверх, становится неодинаковым, хаотичность процесса у() возрастает. Однако эта зависимость характерна не для всех водителей тракторов.
Опыты, проведенные с участием другой группы водителем, дали иные результаты. С возрастанием крутизны водители работали более сосредоточенно и максимальные значения кривых нормированных спектральных плотностей процесса у () полечились более высокими.
Однако при такой напряженной работе они быстро уставали. С повышением крутизны склона водители действовали более внимательно и четко. Конечно, это не единственная и не основная причина, затрудняющая работу водителей тракторов на склонах, однако она имеет довольно важное значение.
Опытные данные, приведенные на рис. 4.7 а, б, в, показывают, что изменение расположения центра тяжести трактора существенно влияет на спектральный состав процесса у (). По мере удаления центра тяжести от задней оси, т. е. с увеличением расстояния llt преобладающие частоты процесса перемещаются в сторону больших значений круговых частот. Это обстоятельство особенно характерно для склонов большой крутизны, следовательно, регулирование направления движения трактора по мере увеличения расстояния }1 затрудняется и водитель чаще прибегает к механизму управления.
