Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задача исследования
1. Анализ негативных факторов, проявляющихся при увеличении рабочей скорости движения 8
1.1 Влияние скорости движения трактора на коэффициент буксования 8
1.2 Влияние скорости движения на сопротивление перекатыванию колесного трактора 16
1.3 Влияние скорости движения на параметры колебаний вертикальных и горизонтальных нагрузок движетелей трактора 23
1.4 Влияния влажности почвы и микрорельефа на тяговые свойства тракторов. 29
1.5 Влияние скорости движения на качество технологического процесса, 32
1.6 Некоторые пути снижения негативных явлений, возникающих при увеличении рабочих скоростей МТА 37
Выводы по первой главе 41
Задачи исследования 42
ГЛАВА 2. Теоретические исследования
2.1 Несущая способность почвы и тяговые возможности колесных движетелей на почвах разной влажности 43
2.2 Теоретические исследование влажности почвы на ее прочностные характеристики 54
2.3 Зависимость сопротивления почвообрабатывающей машины от влажности почвы 59
2.4 Анализ работы движетелей на увлажненной почве 66
2.5 Оптимизация влажности почвы в орошаемых хозяйствах при проведении почвообрабатывающих операций 74
Выводы по второй главе 84
ГЛАВА 3. CLASS Методика CLASS экспериментальных исследований
3.1 Программа исследования 85
3.2 Объект исследования 86
3.3 Регистрируемые параметры 87
3.4 Размещение и тарировка датчиков... 92
3.5 Условия проведения эксперимента 101
3.6 Обработка экспериментальных данных 104
3.7 Оценка погрешности измерений 106
Выводы по третьей главе 109
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований.
4.1 Исследование затрат на самопередвижение трактора в зависимости от влажности почвы 110
а) Влияние влажности почвы на силовой радиус ведущих колес 110
б) Влияние влажности почвы на кинематический радиус ведущих колес . 113
4.2 Исследование влияния влажности поля на динамичность нагружения трактора в составе МТА 116
а). Влияние влажности почвы на среднеквадратическое отклонения крюкового усилия и вертикальных нагрузок 116
б) Спектральный анализ параметров машинно-тракторного агрегата на полях различной влажности 119
4.3. Влияние рабочей скорости движения на к.п.д. ходовой системы, на полях различной влажности 123
4.4 Зависимость крюковой нагрузки от влажности поля и скорости движения МТА на различных сельскохозяйственных операциях 129
а). Влияние влажности почвы на крюковое усилие и силы сопротивления перекатыванию МТА 129
б) Влияние скорости движения МТА на крюковую нагрузку 131
4.5. Производственные показатели МТА на полях разной влажности 134
Выводы по четвертой главе 137
ГЛАВА 5. Экономическое обоснование введения в технологические операции обработки почвы предварительного полива 134
Выводы по пятой главе 137
Общие выводы 138
Список использованной литературы 140
Приложения 163
- Влияние скорости движения трактора на коэффициент буксования
- Несущая способность почвы и тяговые возможности колесных движетелей на почвах разной влажности
- Оптимизация влажности почвы в орошаемых хозяйствах при проведении почвообрабатывающих операций
- Влияние влажности почвы на кинематический радиус ведущих колес
Введение к работе
Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов является важнейшей задачей в сельскохозяйственном производстве. Одним из путей решения этой проблемы является, ускорение выполнение операций, направленное на сокращение сроков проведения работ и снижение количества занятых на этих операциях людей. При этом большое внимание уделяется следующим вопросам: определению пределов возможного повышения рабочих скоростей движения и допустимых тягово-сцепных параметров тракторов; созданию машин-орудий более прогрессивных характеристик; разработке технологических операций и их рациональной организации с целью снижения эксплутационных расходов; улучшение условий труда обслуживающего персонала машинно-тракторных агрегатов; устранению отрицательного влияния вибраций на прочность и работу различных агрегатов трактора.
Выполнение поставленных задач непосредственно связано с разработкой оригинальных технических решений, направленных на совершенствование конструкций тракторов, которые являются основным мобильным энергетическим средством в сельском хозяйстве. Колесные тракторы находят более широкое применение, так как они выполняют практически все операции по возделыванию сельскохозяйственных культур, а также используются на транспортных работах.
Однако наряду с первыми успехами был отмечен и негативный результат, вызванный ростом рабочих скоростей: ожидаемого повышения производительности МТА, работающего на скоростях 6...9 км/ч в производстве, не получено. Связано это с тем, что все виды сельскохозяйственных работ характеризуются неравномерной загрузкой трактора и возникновением больших динамических нагрузок. Это обусловлено изменением крюковой нагрузки, неровностями поверхности поля, наличием почвозацепов на ведущих колесах и другими факторами. Полученные в разных регионах нашей страны данные свидетельствует об увеличении частоты и амплитуды колебаний тягового сопротивления с повышением рабочих скоростей движения. Эти негативные явления приводят: к увеличению нагруженности механизмов и узлов трактора, динамических воздействий их ходовых частей на почву, ухудшению условий нагружения двигателя, уменьшению его коэффициента загрузки, увеличению буксования и снижению скоростного режима.
Таким образом, работа на повышенных скоростях в производственных условиях на полях, имеющих неровности различного рода, с нагрузкой, меняющейся во времени и зависящей от скорости движения, довольно значительно изменяет параметры трактора и его экономичность. Особенно заметно это сказывается при более резком повышении рабочих скоростей.
Негативные явления, связанные с ростом рабочих скоростей трактора, можно снизить путем уменьшения динамичности взаимодействия рабочих органов с обрабатываемом материалом и ходовых систем с почвой.
Достигается это с помощью мер стабилизации режимов нагружения тракторов в составе МТА. К таким мерам относятся: проведение подготовительных работ по выравниванию полей, использование специальных двигателей (ДПМ-двигатель постоянной мощности), применение упругих элементов в системе «валопровода»-механизма навески, движетелях, муфте сцепления, в креплении рабочих органов с.х машины.
Все перечисленные способы снижения, динамичности процесса связаны с конструктивным изменением в узлах и механизме трактора, рабочей машины.
В хозяйствах работающих по технологиям орошаемого земледелия для снижения нагруженности тракторов при выполнении почвообрабатывающих операций возможен другой путь, связанный с изменением прочностных характеристик обрабатываемого материала-почвы. Вопросом оптимизации условий взаимодействия серийных тракторов и сельскохозяйственных орудий путем использования операции предварительного полива посвящена предлагаемая работа.
Влияние скорости движения трактора на коэффициент буксования
При движении эластичного колеса по грунтовой деформируемой поверхности происходят деформации почвы и шины, которые вызывают затраты энергии на поверхностное трение элементов шины по опорной площадке и на внутреннее трение в слоях почвы и материале колеса (гистерезисные потери). Эти потери составляют 10 - 15% от общей энергии, затрачиваемой на качание эластичного колеса [60]. Большая часть энергии расходуется на образование колеи, т.е. на необратимую деформацию почвы [11].
Сопротивление передвижению зависит от многих факторов, главными из которых являются нагрузка на крюке, механические свойства почвы, конструктивные параметры ходового аппарата, давление воздуха в шинах, нафузка на колеса и скорость движения [12,13,46,72,172].
По влиянию скорости движения на сопротивление перекатыванию трактора в литературе имеются две точки зрения, подтверждаемые опытными данными. По данным Поляка А.Я. и Щупака И.Д. [148,149] с увеличением скорости сопротивление передвижению не изменяется.
Богомолов Л.К. [20] при испытании энергонасыщенного колесного трактора ДТ-24-2 с двигателем «Татра-924» получил данные, показывающие неизменность сопротивления передвижению с ростом скорости (при нафузке на крюке, не превышающей тягу класса).
При исследованиях колесного трактора класса 1,4 т [87] сопротивление Сопротивление перекатыванию пневматических ведомых колес подробно было изучено Беккером [173]. В результате опытов было установлено, что на скоростях до 7,5 км/час исследуемый параметр мало менялся. При дальнейшем повышении скорости его величина значительно снижается, что объясняется уменьшением глубины колеи в результате повышения сопротивляемости грунтов сдвигу при сокращении времени взаимодействия шины с почвой. Такое изменение сопротивления перекатыванию было получено на хорошо выровненной почве. В этой же работе указывается, что проезд колеса через неровность вызывает дополнительные потери энергии. С повышением скорости движения и увеличением размеров неровностей эти потери возрастают.
Последнее в этой работе является интересным с той точки зрения, что с возрастанием скорости движения и увеличением размеров неровностей повышаются вертикальные колебания и удары колес о препятствия, являющиеся одной из причин появления дополнительных затрат на самопередвижение.
Опыты, проведенные в НАТИ показали, что увеличение скорости движения с 4 до 28 км/час вызвало повышение коэффициента сопротивления передвижению на 40% при холостом ходе на плотной почве и на 100% на мягком грунте. В диапазоне скоростей 6 — 9 км/час для практических расчетов можно принимать коэффициент сопротивления передвижению постоянным [161].
При работе на вспаханном поле с твердостью С=0,392 кгс/см с увеличением скорости движения сопротивление перекатыванию, обусловленное смятием почвы и гистерезионными потерями в шинах, увеличиваются с 80 до 90 кгс. Увеличение сопротивления передвижению от роста крутящего момента на колесах от 665 до 750 кгс составило от 135 до 156 кгс. На долю составляющей Pf, вызванной наездом на препятствие остается при Рср = 685 кгс - 72 кгс при скорости 5 км/ч.
Экспериментально в этой же работе получено, что с увеличением скорости движения сопротивление перекатыванию при неизменной нагрузке на крюке увеличивается. При возрастании нагрузки на крюке сопротивление передвижению трактора также повышается (рис. 1.9). С увеличением скорости от 4 до 14 км/ч сопротивление передвижению колесного трактора МТЗ-52 и МТЗ-50 увеличивается на 160 кгс [104].
Работы профессора Н.Г. Кузнецова [104] показывают, что с увеличением скорости движения растет сопротивление движению трактора. Это объясняется тем, что на любом поле имеются различного рода препятствия в виде почвенных глыб разного диаметра (на пашне), борозд от колес уборочных машин или размытых почвенных глыб (на стерне), расположенных почти равномерно. При наезде трактора на препятствие возникают вертикальные колебания его остова, которые изменяют условия взаимодействия ходовой системы трактора с почвой. С повышением скорости движения частота воздействия препятствий на ходовую систему, а, следовательно, и частота вынужденных колебаний трактора увеличиваются. Вместе с тем увеличиваются и энергетические затраты на деформацию шин и почвы. И если энергия. Затраченная на деформацию шин, частично возвращается колесам при снятии нагрузки, то энергия на дополнительное смятие почвы при ударе шин о препятствия теряется безвозвратно, поскольку частичное восстановление деформированной почвы происходит уже после ухода трактора с этого участка. Величина затрат на дополнительную деформацию почвы определяется частотой соударений почвенных препятствий и ходовой системы трактора (т. е скоростью его движения), величиной и физическими свойствами препятствий.
Несущая способность почвы и тяговые возможности колесных движетелей на почвах разной влажности
Для проведения теоретического исследования необходимо проверить соответствие характеристик почвы перечисленным в предыдущем разделе допущениям.
Влагу, содержащуюся в почве, принято делить на гравитационную, капиллярную и гигроскопическую [154]. Гравитационная вода стекает под действием силы тяжести сквозь крупные скважины, а при достаточном ее количестве может соединится с грунтовыми водами, содействуя в подпитке почвенного слоя ими. При испарении почвенной влаги с поверхности почвы за счет капиллярной силы грунтовые воды подтягиваются к корням растений. Капиллярная вода является физиологически доступной влагой почвы для растений. Капилляры создают силу для подъема воды к корням растений, а в случае отсутствия связи между капиллярной и грунтовой водой образуют подвешенную воду, пополняемую осадками и используемую растениями. Связная вода (гигроскопическая) молекулярными связями обволакивает частицу почвы, а при полной влагонасыщенности окружающего воздуха адсорбированный слой воды будет соответствовать десяткам и сотням молекул воды. Максимальная гигроскопическая влажность для почв составляет около 7% (по данным Зюбина Л.П. для светло-каштановых почв 4,6%). Она недоступна растениям (мертвый запас влаги). Для большей сравнимости степени увлажнения различных почв и грунтов используется понятие относительной влажности почвы: где WH - полевая влагоемкость почвы, %, количество воды, которое способна удержать почва после стекания гравитационной воды, ее величина зависит от типа почв. Использование относительной влагоемкости позволяет установить некоторые общие свойства грунтов, соответствующие определенным зонам влажности. Так, например, проявление липкости почвы у почв нагруженной структуры осуществляется при 50...60% относительной влажности, а у структурных почв -60...70%. Липкость характеризует напряжения отрыва почвы от основной почвы за счет прилипания ее к какому-либо действующему на нее предмету (колесу, лемеху, режущему орудию). Прилипание возможно и при сжатии, и при скольжении почвы по поверхности другого тела, то есть как по превышению липкости по напряжениям сжатия, так и касательным напряжениям. Липкость возрастает с ростом дисперсности почвы, содержания органических веществ (гумуса) и от увеличения давления. Поэтому несмотря на снижения коэффициента сцепления с0 несущая способность почвы в горизонтальном направлении в некотором диапазоне изменения влажности не снижается, а с некоторой влажности (за счет повышению коэффициента внутреннего трения и коэффициента скольжения) резко растет увеличивая сопротивление на обработку почвы (сгруживание почвы, образование почвенного клина). Анализ работы почвообрабатывающего машинно-тракторного агрегата на любых почвах позволяет выявить влияние прочностных свойств почвы на формирование нагруженности трактора. Крюковая нагрузка трактора в составе почвообрабатывающего МТА определяется сопротивлением почвы сжатию до образования поверхностей сдвига и напряжениями сдвига (образование в почвенных слоях под действием каса 56 тельных сил плоскостей раздела и последующее скольжение относительно друг друга), а также трением почвы по материалу орудия. Из всех видов деформации (сдвиг, сжатие, разрыв) наиболее энергоемкой является сжатие, этот способ разрушения почвенного пласта в почвообрабатывающих машинах — орудиях является преобладающим. Сопротивление движению трактора при фиксированном крюковом усилии в основном зависит от жесткости (твердости) почвы, а также через коэффициент буксования от напряжений сдвига (среза) по поверхности «почвенного кирпича», образованного почвозацепами движителя. Для числового прогнозирования изменения показателей МТА при работе на орошаемых участках нужны экспериментальные данные, устанавливающие зависимость перечисленных напряжений в почве от ее влажности. Наиболее широкие экспериментальные работы по изучению физико-механических свойств светло-каштановых и солонцовых почв, характерных для засушливых зон, проведены сотрудниками Волгоградской ГСХА в семидесятые годы прошлого века [88,89]. Основные выводы из этих работ могут быть выражены в следующих тезисах: а) наличие в зависимостях напряжение - деформация линейных зон (зон с прямой пропорциональностью между напряжениями и деформациями); б) резкое снижение прочностных свойств почв (предельных напряжений сжатия опр, твердости почвы Т, максимальных касательных напряжений ттак при сдвиге) при умеренном увеличении влажности (до полной полевой влаго емкости Wn %); в) подчинение зависимости максимальных касательных напряжений при сдвиге от нормальной нагрузку закону Кулона при увеличенном значении ко эффициента внутреннего трения. Нижеприведенные графические материалы из ранее перечисленных работ подтверждают отмеченные свойства увлажненных почв.
Оптимизация влажности почвы в орошаемых хозяйствах при проведении почвообрабатывающих операций
Решением системы будет значение VyBj,, соответствующее положительному значению. Использование этого на функциональной зависимости для расчета ко увл при текущей влажности Wa приводит к получению такой функции цели, при оптимизации которой получается алгебраическое уравнение относительно Wa степенью выше, чем четвертая. Точного решения этого уравнения получить нельзя. Поэтому нами предлагается вести оптимизацию работы МТА на увлажненной почве не по ширине захвата почвообрабатывающего орудия, а целесообразность использования МТА при прежней ширине захвата на повышенной скорости проводить при фиксированных значениях влажности Wa cyK и Wa увл, т.е. при влажностях сухого поля и оптимальной по ширине захвата влажности увлажненного поля. Для этого необходимо по выражению (2.20) определить Vyfll и подсчитать возможное снижение затрат на работу МТА на повышенной скорости по выражению (2.19). Экономическая целесообразность введению операции предварительного полива полей в хозяйствах с орошаемым земледелием в технологию обработки почвы просматривается в следующем анализе: Шина ведущего колеса трактора является автоматическим устройством, обеспечивающим сохранение тяговых способностей трактора (максимально возможное толкающие усилие и допустимый коэффициент буксования) при изменении свойств почвы (жесткости и несущей способности в горизонтальном направлении). -крюковая нагрузка может быть снижена в 1,4...1,6 раз; -энергетические затраты на работу самого трактора могут быть сохранены на прежнем уровне или даже уменьшены. -динамическая нагруженность трактора может быть уменьшена, что обеспечит возможность с большей эффективностью использовать потенциальные возможности энергонасыщенных колесных тракторов. -снижение динамичности работы тракторов будет способствовать повышению реализуемой трактором мощности двигателя. Оптимальная влажность почвы при проведении основных почвообрабатывающих операций, как с точки зрения повышения производительности агрегата, так и с точки зрения снижения суммарных расходов на выполнение почвообрабатывающих работ должна находится в пределах 19-22%. Для оценки эффективности работы колесного трактора при выполнении различных сельскохозяйственных работ на полях различной влажности были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальная часть работы выполнена на полях УЧХОЗа «Горная Поляна» на типичных светло-каштановых почвах, в период с мая по сентябрь 2004 года. Методикой экспериментальных исследований предусмотрено сравнение результатов обработки данных экспериментальных исследований работы МТА на полях различной влажности при выполнении различных с/х. работ, проведение оценки достоверности теоретического расчета оптимальной влажности почвы и разработка рекомендаций по повышению энергетических и эксплуатационных показателей МТА. Программа экспериментальных исследований включает следующие вопросы: подбор, сборка, подключение, подготовка к работе и размещение на тракторе измеряющей и регистрирующей аппаратуры. тарировка датчиков, проверка исправности всех приборов и готовности для полевых испытаний. установление эксплуатационных показателей выбранных режимов работы скомплектованных МТА, получение требуемых показателей на осциллографе в процессе проведения экспериментов. обработки полученных данных. сведение полученной информации в таблицы, построение графиков. Объектом исследования был опытный образец сельскохозяйственного колесного трактора общего назначения МТЗ-80Л Минского тракторного завода. Трактор МТЗ-80Л предназначен для работы в агрегате с навесными, полунавесными и прицепными гидрофицированными и негидрофицированными машинами и орудиями на скоростях 9....15 км/час.
Влияние влажности почвы на кинематический радиус ведущих колес
Оценку спектральной плотности тягового сопротивления и вертикальных нагрузок на задний мост трактора, проведем не по распределению дисперсии yfs1 " [кгс с0 5], а по распределению среднеквадратичного отклонения по частотным полосам.
Полученные спектральные плотности тяговых сопротивлений SAPKp при работе МТА на полях различной влажности имеют два ярко выраженных максимума. Первая составляющая формируется за счет взаимодействия рабочих органов сельскохозяйственной машины с почвой, неоднородностью ее физико-механических свойств и макрорельефа. Вторая составляющая вызвана продольно угловыми колебаниями трактора. Максимальный спектр расположен в узкой полосе от 0,5 до 1.2 Гц с незначительным его смещением в область более высоких частот при переходе от вспашки к культивации и посеву. Данный эффект объясняется повышением рабочей скорости МТА.
Повышение влажности почвы до 20-22% позволило снизить дисперсию амплитуды колебаний нагрузки в 1.4....2.2 раза. Уменьшается и частота вынужденных колебаний. Этим можно объяснить и значительное снижение значений среднеквадратических отклонений. Таким образом, увеличение влажности почвы до 20-22% позволяет снизить среднеквадратическое отклонение, среднее значение тягового сопротивления на различных сельскохозяйственных операциях. Причем наибольшая эффективность наблюдается при выполнении работ с максимальными колебаниями нагрузки (вспашка). Особенность изменения спектральной плотности при работе на сухих и увлажненных почвах проявляется не только в снижении энергетического уровня колебаний в рассматриваемой области частот, но и в распаде второго всплеска спектра на два. Появление этого энергетического всплеска частот связано с угловыми и вертикальными колебаниями трактора. Снижение интенсивности колебания крюкового усилия снизило уровень угловых колебаний, поэтому влияние вертикальных колебаний явно высветилось в областях частот собственных вертикальных колебаний (19....21,5 1/с) для разных почвенных фонов. [104] Спектральные плотности вертикальной, нагрузки на задний мост подтверждают это (рис 4.13-4.15).
Как видно из выше сделанного спектрального анализа, увеличение влажности почвы до 20-22% позволяет снизить дисперсию амплитуды колебаний нагрузки, а также ее частоту, снизить значения среднеднеквадратических отклонений действующих нагрузок и интенсивность их роста при увеличении рабочей скорости МТА. Что приводит к более эффективной и надежной работе МТА.
На основании материалов предыдущего раздела можно сделать вывод, что интенсивность динамического нагружения трактора на полях умеренной влажности снижается. Однако, как свидетельствуют спектральные плотности крюкового нагружения и вертикальных нагрузок, с ростом скорости их негативное явление будет продолжать сказываться, как и на сухих полях.
Для подтверждения этого приведем зависимости к.п.д. ходовой системы от скорости движения на полях различной влажности, при выполнении МТА различных сельскохозяйственных операций (рис 4.17-4.19).
