Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Анализ факторов, влияющих на буксование трактора 6
1.2. Методы определения коэффициента буксования 9
1.3. Влияние скорости движения трактора на коэффициент буксования 12
1.4. Сопротивление перекатыванию колесного трактора 22
1.5. Применение упругих устройств между трактором и сельскохозяйственной машиной 26
1.6. Некоторые пути и средства снижения динамических нагрузок в трансмиссии трактора 38
Выводы по первой главе 42
Задачи исследования 43
2. Теоретические исследования 44
2.1. Влияние колебаний нагрузки на крюке на буксование 44
2.2. Влияние колебаний нагрузки на крюке на сопротивление движению трактора 48
2.3. Закон колебания сельхозорудия, соединенного упругим устройством с трактором 50
2.4. Определение жёсткости пневмогидравлического упругого устройства в навесной системе трактора МТЗ-80Л 61
2.5. Определение объема пневмогидравлического упругого элемента 65
2.6. Определение максимального усилия на штоке и хода поршня гидроцилиндра 68
2.7. Определение предварительного давления в пневмогидравлическом упругом устройстве 70
2.8. Пневмогидравлическая навесная система трактора МТЗ-80Л 74
Выводы по второй главе 76
3. Методика экспериментальных исследований 77
3.1. Программа исследования 77
3.2. Объект исследования 77
3.3. Измерительная аппаратура 78
3.4. Условия проведения эксперимента 88
3.5. Тарировка датчиков, приборов и оборудования 91
3.6. Обработка опытных данных 93
3.7. Оценка погрешности измерений 94
3.8. Определение спектральной плотности колебаний нагрузки на крюке трактора МТЗ-80Л 96
Выводы по третьей главе 101
4. Результаты экспериментальных исследований 102
4.1. Влияние упругой навесной системы на коэффициент буксования 102
4.2. Влияние пневмогидравлического упругого элемента в навесной системе трактора на частоту колебаний нагрузки на крюке 105
4.3. Влияние колебаний нагрузки на крюке на коэффициент буксования 108
4.4. Влияние скорости движения на коэффициент буксования трактора при выполнении различных с.х. операций 111
4.5. Влияние скорости движения на сопротивление передвижению трактора с различными типами навесок 114
4.6. Спектральная плотность амплитуды колебаний нагрузки на крюке 117
4.7. Влияние жесткости пневмогидравлического упругого элемента на тяговое сопротивление 121
Выводы по четвертой главе 126
5. Адекватность теоретических и экспериментальных исследований. экономическая эффективность 127
5.1. Соответствие теоретических предпосылок экспериментальным данным по буксованию 127
5.2. Расчет сопротивления качению трактора с серийной и опытной навесными системами 129
5.3. Соответствие расчетной жесткости упругого устройства и опытной 131
5.4. Определение колебания сельхозорудия 132
5.5. Определение жесткости пневмогидравлического упругого элемента 133
5.6. Экономическое обоснование эффективности применения пневмо- гидравл и ческой упругой навесной системы 135
Выводы по пятой главе 141
Общие выводы 142
Литература 144
- Влияние скорости движения трактора на коэффициент буксования
- Закон колебания сельхозорудия, соединенного упругим устройством с трактором
- Влияние упругой навесной системы на коэффициент буксования
- Экономическое обоснование эффективности применения пневмо- гидравл и ческой упругой навесной системы
Введение к работе
Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов является важнейшей задачей в сельскохозяйственном производстве. Одним из путей решения этой проблемы является, внедрение новейших достижений науки, техники и передовой практики. При этом большое внимание уделяется вопросам развития систем машин для сельскохозяйственных работ, повышения их производительности, снижения удельного расхода топлива тракторами и комбайнами.
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. 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.
Все перечисленные факторы снижают эффект от возросшей мощности трактора и, как следствие, приводят к уменьшению производительности машинно-тракторного агрегата (МТА), увеличению расхода топлива, снижению долговечности деталей и узлов [14,25,62,71,83,123]. С ростом неравномерности поступа-
5 тельной скорости движения МТА дисперсия значений всех технологических показателей обработки почвы увеличивается, в связи с чем качество обработки снижается, что приводит к снижению урожайности [67].
Отрицательные изменения в структуре почвы, подвергавшейся, воздействию движителей трактора типа МТЗ начинают проявляться в условиях Нижнего Поволжья при нагрузках, вызывающих их буксование в 12 %. В результате этого суммарная масса, имеющихся в почве после вспашки и вновь образовавшихся под действием колес частиц, подвергающихся ветровой эрозии, возрастает до 50-55 % [66].
Негативные явления, связанные с ростом динамичности нагружения трактора, возможно снизить путем совершенствования механизма передачи мощности двигателя к сельскохозяйственной машине (плугу, культиватору, сеялке). Это совершенствование может быть достигнуто за счет введения упругих звеньев.
Многими исследователями, в том числе и сотрудниками факультета механизации сельского хозяйства Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии под руководством профессора Н.Г. Кузнецова, доказано, что введение упругих элементов с правильно выбранными жесткостями позволяет снизить энергетические затраты на совершение технологического процесса. Для того чтобы защитить весь трактор от ударных воздействий из-за изменяющегося тягового сопротивления лучше всего установить упругую связь между трактором и сельхозмашиной. Этим местом является навеска трактора.
В данной работе рассматривается на примере трактора МТЗ-80Л, какое влияние оказывает на эксплуатационно-экономические показатели введение упругой связи в виде пневмогидравлической навески.
Автор выражает сердечную благодарность, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, Николаю Григорьевичу Кузнецову за оказанную помощь, поддержку и консультации при проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе результатов опытных данных.
Влияние скорости движения трактора на коэффициент буксования
Для снижения негативных явлений, вызываемых периодическим изменением нагрузки на крюке, необходимо снижать максимальные ускорения горизонтальной деформации почвы.
Таким образом, в работах [59,83] было установлено, что с увеличением неравномерности крюковой нагрузки коэффициент буксования трактора увеличивается. Следует отметить, что в работе указывается на ударные явления при взаимодействии колес с почвой и при этом скорость изменения нагрузки на крюке резко возрастает, а это оказывает решающее воздействие на величину коэффициента буксования. Далее профессор Н.Г. Кузнецов пишет: «И если не в силах изменить частоту воздействия неровностей (т.е. частоту изменения крюкового усилия), то можно достичь снижения ускорении путем сглаживания колебании крюко вой нагрузки при передаче их движителями на почву. Такое сглаживание может быть достигнуто введением в систему передачи нагрузок на движитель элементов, аккумулирующих энергию ударных явлений и растягивающих ее передачу на поч ву на весь межударный период времени. Сказанное означает, что ведущее колесо трактора как орган, передающий все нагрузки на почву должно быть изолировано упругим элементом от всех источников возбуждения вибронагрузок. Автор предлагает схему введения защитных упругих элементов от перечисленных колебаний (рис. 1.9) Интенсивность колебаний крюкового усилия снижается упругим элементом Уь Элемент у2 снижает частоту собственных колебаний трактора и ударные нагрузки на колеса трактора. Упругий элемент у3 выполняет роль защитного устройства от высокочастотных колебаний крутящего момента двигателя. У колесных тракторов при правильном выборе жесткости упругих элементов оно может быть защитным устройством трансмиссии и двигателя. Эффективность таких устройств на практике хорошо известно на примере гидротрансформатора гусеничного трактора ДТ-175С. Исследования применения гидротрансформатора показали, что коэффициент буксования в этом случае снижается. 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 [51]. 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, нагрузка на колеса и скорость движения [12,13,39,61,138]. 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. [119,120] с увеличением скорости сопротивление передвижению не изменяется. Богомолов Л.К. [19] при испытании энергонасыщенного колесного трактора ДТ-24-2 с двигателем «Татра-924» получил данные, показывающие неизменность сопротивления передвижению с ростом скорости (при нагрузке на крюке, не превышающей тягу класса). При исследованиях колесного трактора кл. 1,4 т [73] сопротивление передвижению с ростом скорости увеличивалось (рис. 1.10). Сопротивление перекатыванию пневматических ведомых колес подробно было изучено Беккером [138]. 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. По нашему мнению, 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 [129]. При работе на вспаханном поле с твердостью С - 0,392 кгс/см с увеличением скорости движения сопротивление перекатыванию, обусловленное смятием почвы и гистерезиоными 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. 1.11). С увеличением скорости от 4 до 14 км/ч сопротивление передвижению колесного трактора МТЗ-52 и МТЗ-50 увеличивается на 160 кгс [83].
Закон колебания сельхозорудия, соединенного упругим устройством с трактором
Академик В.Н. Болтинский в своих работах [22,23] указывал: «При выполнении трактором любой сельскохозяйственной операции наблюдаются непрерывные и значительные колебания нагрузки, т.е. характер нагрузки тракторного двигателя является неустановившимся. Колебания нагрузки объясняются следующим обстоятельством. Поле, по которому перемещается трактор, неоднородно по физическим свойствам почвы (плотность, влажность, растительный покров и др.), а его поверхность имеет различный микрорельеф. В силу этого сопротивление перекатыванию машинно-тракторного агрегата и сопротивление рабочих органов сельскохозяйственной машины — орудия непрерывно изменяется.
Проведенные многочисленные исследования [58,59,62,71,83,95,104] показали, что усилие на крюке трактора при работе с почвообрабатывающими машинами непрерывно меняются из-за неравномерности удельного сопротивления, неровностей поля и растительных элементов. В теоретических исследованиях профессор Н.Г. Кузнецов обосновал, что основной причиной увеличения частоты и амплитуды колебаний нагрузки на крюке являются изменение физико-механических свойств почвы перед рабочими органами, наличие препятствий на поле, и как результат, изменение скорости движения [83]. «В первом случае трактор, двигаясь по ровному полю, будет периодически изменять свою скорость за счет изменения нагрузки на крюке. Во - втором случае, когда трактор движется по неровному полю, даже при неизменном технологическом тяговом усилии - рабочее усилие на крюке будет меняться с частотой, равной частоте препятствий [83]».
В работе профессора Г.М. Кутькова [92] тяговое сопротивление Ркр рассматривается как случайная функция, которую можно представить в виде нескольких составляющих, различающихся амплитудой и частотой.
Первая составляющая с частотой 0,07...0,25 Гц и амплитудой 2,5...3 кН объясняется физико-механическими свойствами почвы. Вторая и третья составляющие совпадают с собственной частотой колебаний в подвеске трактора. «Результаты исследований динамики машинно-тракторных агрегатов на различных технологических операциях показали, что колебания нагрузки при культивации, севе, лущении и с навозоразбрасывателем больше колебаний нагрузки при вспашке, которую принято считать операцией, создающей наибольшую неравномерность тяговой нагрузки. Для транспортного агрегата, движущегося со скоростью в 2,3 раза больше, при математическом ожидании шх тягового усилия, среднеквадратическое отклонение сгх в 1,72 раза больше, чем для пахотного агрегата [92]». Таким образом, основной причиной колебаний тягового сопротивления, а следовательно и сельскохозяйственной машины, являются физико-механические свойства почвы, колебания трактора, вызванные неровностями поля, а также изменение скорости движения тракторов в значительной мере определяет частоту изменения крюкового усилия. Уменьшить колебания тягового сопротивления возможно за счет введения упругих связей между трактором и сельхозорудием. В результате появляются колебания сельхозмашины относительно трактора за счет деформации упругого устройства. При увеличении нагрузки сельхозорудие отстает от трактора, а при уменьшении - «догоняет» его. Перемещения орудия будут происходить до момента восстановления равновесия между тяговым сопротивлением рабочих органов и энергией сжатого газа. Уравнение Лагранжа для вынужденных колебаний сельхозорудия будет иметь вид [136] Возмущающая сила возникает при встрече с препятствием в виде импульса силы, действующей только в момент преодоления препятствия. Затухающие колебания орудия после встречи этого препятствия будут происходить с частотой собственных колебаний. При периодически повторяющихся изменениях Ркр колебания системы будут установившимися. Для определения закона таких колебаний надо знать характер изменения возмущающей силы. В первом приближении можно считать, что импульс силы при ударе создается постоянной силой [83] Р, действующей в течение промежутка времени То, повторяющейся через равные промежутки времени Т = — (А - угловая частота, характеризующая периодичность колебаний сельхозорудия. Описанная обобщенная сила не является дифференцируемой на всем промежутке Т, поэтому решить дифференциальное уравнение (2.7) в конечном виде нельзя. Уравнение (2.7) линейное, неоднородное дифференциальное второго порядка с постоянными коэффициентами.
Влияние упругой навесной системы на коэффициент буксования
Создан объект исследований на базе колесного класса 1,4 МТЗ-80Л с пневмогидравлической навесной системой, позволяющей провести тяго-во-динамические и эксплуатационные исследования с различными сельскохозяйственными машинами при выполнении различных с.х.операций, как с упругим вариантом навесного устройства, так и с жестким.
В процессе подготовки к полевым экспериментам создан измерительно-регистрирующий комплекс, позволяющий качественно и с необходимой точностью произвести измерение и регистрацию исследуемых параметров.
Разработана программа сравнительного исследования МТА с жесткой навеской и навеской с пневмогидравлическим упругим элементом, способным изменять жесткость в процессе исследования.
Разработанная программа позволяет анализировать изменения кинематических (коэффициента буксования) и силовых потерь МТА (сопротивления движению) независимо друг от друга, а значит, оценивать отклонения их от допустимых режимов работы по коэффициенту буксования и возможность доведения допустимых тяговых усилий скоростных тракторов до тихоходных.
Одним из путей повышения производительности МТА является работа на повышенных скоростях. Однако по данным многих исследователей с увеличением скорости движения повышается коэффициент буксования и сопротивление передвижению при работе с сельхозмашинами. Исследование коэффициента буксования важно с точки зрения правильности выбора КПД ходовой системы при определении тяговых показателей тракторов. В ряде работ профессора Н.Г. Кузнецова приводятся исследования и доказательства того, что уменьшение буксования и сопротивления передвижению возможно применением упругих устройств в навесных системах тракторов. При обработке и анализе результатов полевых испытаний трактора МТЗ-80Л было установлено влияние пневмогидравлического устройства в навесной системе на коэффициент буксования. Во время проведения экспериментов с разными сельскохозяйственными машинами жесткость упругого устройства подбиралась на основании теоретической характеристики (рис. 2.5) На рис. 4.1 показано изменение коэффициента буксования от нагрузки на крюке для серийного и опытного тракторов МТЗ-80Л. При движении трактора на 4 -ой передаче с нагрузкой на крюке 14 кН с серийной навесной системой коэффициент буксования достиг 22%. При работе трактора с этим же плугом ПЛН-3-3,5, но с пневмогидравлическим устройством в навесной системе среднее тяговое усилие уменьшилось до 13 кН, снизилось и буксование (кривая 2) до 15%, т.е. меньше на 7% по сравнению с серийной навесной системой (в абсолютных значениях). Другая серия опытов проведена с культиватором КПЭ-3,8 на 5-ой передаче с наибольшим буксованием. При нагрузке на крюке 14 кН коэффициент буксования с серийной навесной системой достиг 30%, при нагрузке 12 кН буксование составило 20%, а при 10 кН - 13%. При работе трактора с тем же сельскохозяйственным орудием, но с пневмогидравлическим устройством в механизме навески, коэффициент буксования достиг 23% при Ркр =14 кН. В результате выглубления рабочих органов с.х. орудия были получены следующие значения: при нагрузке на крюке 12 кН буксование составило 16%о, а при 10 кН - 10%о. Эта зависимость показана на рис. 4.2. Из вышесказанного, следует, что при работе трактора с одним и тем же сельскохозяйственным орудием на одном и том же участке среднее значение горизонтальной составляющей тягового усилия с пневмогидравлическим устройством в навесной системе трактора уменьшается. Соответственно увеличивается рабочая скорость, а со скоростью повышается производительность и снижается погектарный расход топлива. Кроме того, снижается интенсивность увеличения буксования.
Экономическое обоснование эффективности применения пневмо- гидравл и ческой упругой навесной системы
Совместный анализ теоретических расчетов и экспериментальных данных доказал, что расчетные данные по оптимальным жесткостям пневмо-гидравлического элемента навесного устройства лежат внутри экспериментальной области оптимальных жесткостей, включающий минимум крюкового сопротивления и зону незначительного его изменения.
Расширение зоны оптимального тягового усилия при эксперименте указывает, что управление жесткостью при смене технологической операции не потребует точной регулировки давления жидкости в силовом цилиндре, некоторые отклонения этого давления не вызовут нарушения устойчивости его функционирования. Этот факт может способствовать установлению постоянного давления в цилиндре на разных операциях за счет криволинейности процессов, происходящих в пневмогидроаккумуляторе.
Срок окупаемости дополнительных затрат на создание пневмогидравли-ческой навесной системы 1,3 года. Анализ теоретических разработок по тяговой динамике колесных МТА на тяжелых почвах Нижнего Поволжья показал: кинематические и силовые потери колесных тракторов при работе на сельскохозяйственных операциях возрастают с повышением скорости движения, их прирост зависит от частоты и амплитуды колебаний тягового сопротивления. 2. Разработан теоретико-экспериментальный метод определения жесткости пневмогидравлического упругого элемента по теоретическим предпосылкам в функции собственной частоты колебаний сельхозмашины и экспериментальным путем по минимизации тягового сопротивления. 3. На основании обработки экспериментальных данных установлено, что оптимальные жесткости пневмогидравлического упругого элемента в системе навески составили на пахоте 200...250 кН/м, культивации 170...225 кН/м и 125... 175 кН/м на севе. 4. Оптимальные жесткости упругого элемента обеспечили: - снижение среднего тягового усилия с упругим элементом в навеске по сравнению с серийной навеской на 1 кН (100 кгс) при выполнении одинаковых технологических операций; - уменьшение средних амплитуд колебания нагрузки на крюке на 40...50%; - снижение частот колебаний на 0,3...0,4 Гц при движении вдоль предыдущей обработки и на 0,5...0,7 Гц при движении поперек нее за счет повышения плавности переезда мелких препятствий. 5. Анализ спектральной плотности амплитуды колебаний тягового сопротивления показал смещение максимума спектра в область более низких частот (от 12 до 9 1/с) и уменьшение дисперсии исследуемого процесса на 40...50%. 6. Снижение показателей динамичности процесса нагружения способствовало уменьшению кинематических (коэффициента буксования) на 5...8% (в абсолютных единицах) и силовых потерь (на 16%). 7. Стабилизация нагрузочного режима МТА с упругими элементами при вела к увеличению допустимых режимов нагружения тяговым усилием энергонасыщенного колесного трактора класса 1,4 до 11 кН. 8. Совместный анализ теоретических расчетов и экспериментальных данных по оптимальным жесткостям пневмогидравлического элемента показал, что теоретические оптимальные жесткости лежат внутри экспериментального диапазона оптимальных жесткостей, включающего минимум крюкового сопротивления и зону незначительного его изменения. 9. Расширение зоны оптимального тягового усилия при эксперименте указывает, что управление изменением жесткости при смене технологической операции не потребует тонкой регулировки давления в силовом цилиндре, некоторые отклонения этого давления на ± 10...12% не вызовут нарушения устойчивости его функционирования. Этот факт может способствовать стабилизации давления на разных операциях за счет нелинейности процессов, происходящих в пневмогидравлическом аккумуляторе. 10.Стабилизация нагрузочного режима МТА в целом обеспечивает рост его производительности на 7...9% и снижение погектарного расхода топлива на 7...8%. 11.Дополнительные затраты на создание пневмогидравлического навесного устройства составили 10200 руб. Срок окупаемости 1,3 года
