Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Тенденции развития сельскохозяйственного производства в России 11
1.2 Развитие сектора малых форм хозяйствования в России в целом и Челябинской области в частности 13
1.3 Техническое оснащение фермерских хозяйств 16
1.4 Современная отечественная малогабаритная техника 18
1.5 Транспортное обеспечение сельскохозяйственного производства 20
1.6 Эффективность тракторных транспортных агрегатов (поездов) 21
1.7 Исследования в теории поворота колесных мобильных транспортных средств 24
Глава 2 Теоретические исследования стационарного поворота тракторного транспортного агрегата 29
2.1 Особенности ТТА и требования к их моделям поворота 29
2.2 Принципы построения модели поворота ТТА 30
2.3 Связи при криволинейном движении ТТА 30
2.4 Силовое взаимодействие опорной площадки с грунтом 32
2.5 Методы составления уравнений равновесия сочлененных конструкций 35
2.6 Особенности ТТА на базе МГТ «Уралец» 38
2.7 Модель стационарного поворота ТТА на базе МГТ «Уралец» с двумя одноосными пассивными прицепами 39
2.8 Преобразования координат 44
2.9 Основная модель движения 46
2.10 Модификации модели поворота ТТА 49
2.11 Вычислительная процедура 55
2.12 Некоторые оценки поворотливости ТТА на базе трактора «Уралец» 57
2.13 Выводы к главе 61
Глава 3 Экспериментальные исследования 64
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 64
3.2 Экспериментальный объект 64
3.3 Методика выполнения эксперимента 66
3.4 Лабораторные исследования 68
3.5 Лабораторно-полевые исследования 76
3.6 Оценка адекватности моделей поворота 87
3.7 Выводы к главе 90
Глава 4 Пути повышения эффективности ТТА на базе трактора «Уралец» (оценки и практические рекомендации) 91
4.1 Современные схемы и параметры ТТА 93
4.2 Зависимость производительности ТТА от его схемы и параметров 95
4.3 Выводы к главе 108
Основные результаты и выводы .110
Список литературы
- Развитие сектора малых форм хозяйствования в России в целом и Челябинской области в частности
- Принципы построения модели поворота ТТА
- Методика выполнения эксперимента
- Зависимость производительности ТТА от его схемы и параметров
Развитие сектора малых форм хозяйствования в России в целом и Челябинской области в частности
Разработанная модель движения ТТА в режиме стационарного поворота и программа ее численной реализации позволяют на ранней стадии проектирования обоснованно выбирать его конструктивную схему и основные параметры, а также комплектовать эффективный агрегат, исходя из заданных условий эксплуатации.
Выработанные практические рекомендации по усовершенствованию ТТА на базе трактора кл. 0,2 «Уралец» и агрегатируемых с ним прицепов позволяют повысить техническую производительность ТТА при выполнении транспортных работ.
Разработанная методика расчета характеристик поворота использовалась конструкторским отделом Челябинского тракторного завода при проектировании тракторного поезда, опытный образец которого в настоящее время проходит апробацию. Пакет разработанных программ позволяет проводить расчеты криволинейного движения ТТА с улучшенными характеристиками (конструкторский проект).
Принципиальное отличие колесного ТТА от шарнирно-сочлененной машины заключается в том, что углы взаимного складывания транспортных звеньев (частей машинно-тракторного агрегата) являются неизвестными величинами, формируемыми в процессе самого криволинейного движения под действием внешних сил, действующих со стороны грунта.
Методы исследования. Исследования проведены с использованием методов теоретической механики, теории тракторов и автомобилей, вычислительной математики и математической статистики.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на: – научно-технических конференциях ЧГАА 2004 г., 2006–2014 гг.; – расширенных заседаниях кафедр «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Теоетическая механика и теория механизмов и машин» ЧГАА (2008, 2010, 2011, 2014 гг.); – научно-техническом совете ООО «ГСКБ ЧТЗ» (2008 г.), ОАО «УралИЦ НАТИ» (2011–2014 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести научных работах (три статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 120 страницах основного текста, включает 39 рисунков, 57 таблиц; состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (107 наименований) и 7 приложений.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассматриваются тенденции развития сельскохозяйственного производства в России, происходящие изменения в отрасли и их влияние на структуру машинно-тракторного парка; отмечается возрастающая роль малогабаритной техники в основном сельскохозяйственном производстве и на транспортных работах, на долю которых приходится до 45 % материальных и финансовых затрат; анализируются пути повышения производительности тракторных транспортных агрегатов, показывается, что основными путями являются увеличение грузоподъемности и улучшение поворотливости агрегатов. Рассмотрено состояние и развитие теории поворота автомобильных и тракторных транспортных агрегатов (поездов). Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе «Теоретические исследования стационарного поворота тракторного транспортного агрегата» рассматриваются специфические особенности криволинейного движения тракторных транспортных агрегатов (малые скорости и стесненные условия) и их отличия от других транспортных машин. Особенностью тракторного транспортного агрегата, отличающего его от других транспортных систем, являются неизвестные углы взаимного расположения звеньев (углы складывания), обусловленные внешними силами, возникающими в процессе движения. Это выделяет тракторные транспортные агрегаты в отдельный класс транспортных средств, для описания движения которых требуются иные модели, чем для свободной машины или шарнирно сочлененного агрегата. Подход к составлению математических моделей тракторного транспортного агрегата на базе малогабаритного трактора «Уралец» с пассивными прицепами основан на методологических положениях, разработанных И. П. Трояновской [92]. Суть этих положений заключается в том, что тракторный агрегат рассматривается как управляемый объект с наложенными на него связями, обеспечиваемыми конструкцией и системой управления, звенья которого взаимодействуют с грунтом посредством плоских площадок, составляющих с ним пары с коэффициентом трения в точке площадки, годограф которого зависит от обстоятельств движения, а мгновенные центры вращения площадок удовлетворяют условиям ортогональности. Установлено, что транспортный агрегат представляет собой механическую систему переменной структуры, состояние которой определяется обстоятельствами движения. Составлена модель криволинейного движения агрегата с двумя пассивными прицепами, допускающая модификации в зависимости от схемы управления трактора, конструктивных особенностей прицепов и структурного состояния агрегата.
Разработана вычислительная процедура решения системы уравнений модели с использованием пакета MathСAD. Выполненные расчеты позволили установить основные закономерности изменения характеристик поворотливости ТТА в зависимости от нагрузки в прицепах, условий движения и составить план экспериментальных исследований.
В третьей главе «Экспериментальные исследования» изложены цель и задачи эксперимента, программа и методика исследований, оценена погрешность аппаратуры и результаты эксперимента, дана оценка адекватности математической модели.
В четвертой главе «Пути повышения эффективности ТТА на базе трактора «Уралец» (оценка и практические рекомендации)» выполнена оценка влияния схемы управления трактора-тягача, структурной схемы ТТА, конструктивных схем его транспортных (грузовых) звеньев на характеристики криволинейного движения в разных грунтовых условиях. Предложены пути совершенствования конструктивной схемы трактора «Уралец», структурных схем транспортных агрегатов на его базе с целью повышения их производительности и разработаны практические рекомендации.
Принципы построения модели поворота ТТА
Специфика применения ТТА невысоких тяговых классов в режиме криволинейного движения заключается в том, что они работают, как правило, в стесненных условиях с малыми скоростями. Это позволяет ограничиться исследованием стационарного поворота. Под стационарным поворотом понимают движение с постоянным радиусом и модулем скорости центра масс. Малые рабочие скорости позволяют пренебречь центробежными силами инерции и перейти к статическому повороту.
Принципиальное различие между сочлененной машиной и ТТА проявляется в характере связей между сочлененными звеньями. Дело в том, что у сочлененной машины углы складывания – углы между продольными осями шарнирно соединенных звеньев – имеют фиксированные значения или изменяются в соответствии с каким-либо заданным законом. Иначе говоря, эти углы являются управляющими параметрами.
У тракторного транспортного агрегата углы, характеризующие взаимное расположение тягача и прицепов, образуются под действием внешних сил, вызываемых движением тягача и управляемых колес прицепа в пределах, допускаемых конструктивными ограничениями. Углы складывания в этом случае являются величинами неизвестными и для своего определения при описании движения требуют дополнительных уравнений связей. При стационарном повороте ТТА все его звенья имеют единый центр, положение которого в пространстве основания неизменно.
Для описания криволинейного движения ТТА его математическая модель должна учитывать эти особенности и позволять: – рассматривать взаимодействие каждого колеса с грунтом отдельно; – учитывать схемные и конструктивные особенности каждого звена и агрегата в целом; – учитывать характерные особенности трансмиссии и системы управления; – описывать движение агрегата в различных грунтовых условиях; – модель должна легко перестраиваться при изменении системы управления и вариантов агрегатирования.
Принципы построения модели поворота ТТА
Основными проблемами при описании процесса криволинейного движения ТТА является вопрос о силах взаимодействия ходового аппарата с грунтом и связях, обеспечиваемых схемой агрегата, конструкцией его звеньев и системой управления.
Подход к составлению математической модели ТТА на базе малогабаритного трактора «Уралец» с пассивными прицепами основан на методологических положениях, разработанных И. П. Трояновской [92, 93]. Суть этих положений заключается в рассмотрении ТТА как управляемого объекта с наложенными на него связями, обеспечиваемыми конструкцией и системой управления, звенья которого взаимодействуют с грунтом посредством плоских площадок, составляющих с ним пары с коэффициентом трения, годограф которого в точке площадки зависит от обстоятельств движения.
Связи, определяемые взаимным расположением звеньев
Движение ТТА при шарнирном соединении звеньев существенно зависит от обстоятельств самого движения. При движении с малыми углами установки управляемых колес и большими радиусами движения углы складывания самоустанавливаются под действием сил, действующих со стороны грунта и внутренних сил в соединяющих шарнирах.
В тех случаях, когда углы складывания достигают значений, ограниченных конструктивными особенностями агрегата, происходит так называемое замыкание, взаимное перемещение некоторых звеньев прекращается, и дальнейшее их движение происходит совместно, как у сочлененной машины. Иначе говоря, ТТА является механической системой переменной структуры, зависящей от обстоятельств движения. Например, ТТА, состоящий из трех звеньев, может находиться в четырех состояниях: - замыкание отсутствует, и звенья сохраняют относительную подвижность; - замкнуты тягач и первый прицеп, первый и второй прицеп сохраняют относительную подвижность; - замкнуты первый прицеп и второй, тягач и первый прицеп сохраняют относительную подвижность; - все звенья замкнуты, агрегат движется как единое целое.
Связи, накладываемые особенностями качения колес
При криволинейном движении между параметрами (радиусами траекторий колес, углами их установки и радиусом поворота машины) существуют некоторые кинематические соотношения, даваемые теоремой ортогональности [75]. Согласно теореме ортогональности, на движущийся объект накладывается п геометрических связей (равно числу колес), уравнения которых имеют вид Vsing-jvcosg = 0, (2.1) где у - угол между осью машины (прицепа) и плоскостью вращения /-го колеса движителя; хс, ус - координаты мгновенного центра скольжения площадки контакта /-го колеса в общей системе координат с началом в центре поворота всего ТТА. Схема управления поворотом и особенности трансмиссии (ведомые, тормозные и ведущие колеса, наличие дифференциалов и др.) порождают кинематические связи n – 1, уравнение которых имеет вид Vi Vk (2.2) к Rt R где Vi, Vk – теоретические скорости движения i и k опор соответственно; Ri, Rk – расстояния от центра поворота машины до мгновенных центров скольжения i и k опор соответственно.
Уравнения вида (2.2) иногда удобнее записывать через силовые факторы, о чем подробнее будет рассказано при составлении математической модели движения.
Силовое взаимодействие опорной площадки с грунтом
В основу описания силового взаимодействия площадки с грунтом в [93] положена математическая теория трения Ф. А. Опейко [72] о взаимодействии фрикционной пары трения, разработанная им на основе трудов Н. Н. Шиллера [100] и Н. Е. Жуковского [26].
Согласно [72], возникающие в каждом контакте силовые факторы Tx, Ty, M при непоступательном скольжении с анизотропным трением являются функциями координат мгновенных центров скольжения x, y, записанные в местной системе координат опорной площадки (рисунок 2.1) [93]:
Методика выполнения эксперимента
1. Особенностью тракторного транспортного агрегата, отличающего его от других транспортных систем, например сочлененных машин, являются неизвестные углы взаимного расположения звеньев (углы складывания), обусловленные внешними силами, возникающими в процессе движения. Наличие дополнительных неизвестных требует дополнительного числа уравнений при описании криволинейного движения. Это выделяет тракторные транспортные агрегаты в отдельный класс транспортных средств.
2. Теоретически показано, что любой прицеп (в силу ведомой роли в тракторном транспортном агрегате) обеспечивает на одно уравнение кинематических связей больше, чем тягач. При пассивном прицепе число уравнений кинематических связей равно числу опор движителя (для каждой опоры записывается дополнительно уравнение равенства нулю тягового усилия).
3. Из различных подходов к составлению уравнений стационарного статического поворота тракторного транспортного агрегата предпочтительнее метод без разделения на части, который позволяет снизить число неизвестных и, соответственно, число уравнений на шесть в каждом шарнирном соединении.
4. На основе методологических положений И. П. Трояновской разработан подход к составлению математической модели криволинейного движения тракторного транспортного агрегата на базе малогабаритного трактора «Уралец» с пассивными прицепами. Суть подхода заключается в рассмотрении тракторного транспортного агрегата как управляемого объекта с наложенными на него связями, обеспечиваемыми конструкцией, системой управления, и взаимодействующего с грунтом посредством плоских площадок, составляющих с ним пары с переменным годографом коэффициента трения, зависящим от обстоятельств движения. Он позволяет решать силовую и кинематическую задачи совместно, при любой схеме ходовой системы и системы управления, включая нетрадиционную, такую, как у объекта исследования.
5. Модель агрегата на базе трактора «Уралец» с двумя пассивными прицепами, составленная на основе данного подхода, состоит из пяти уравнений движения всего тракторного транспортного агрегата, восьми уравнений геометрических связей и одного уравнения кинематических связей. В результате решения системы уравнений могут быть найдены все силовые и кинематические характеристики поворота. Модель движения допускает модификации, описывающие разные схемы агрегата и системы управления с помощью элементарных преобразований.
6. Вычислительная процедура, реализующая численное решение системы уравнений модели в пакете MathCAD, позволяет установить основные закономерности изменения характеристик поворотливости тракторного транспортного агрегата в зависимости от нагрузки в прицепах, условий движения и составить план экспериментальных исследований. 7. Существующая схема управления поворотом трактора «Уралец» (одно заднее ведущее колесо и два управляемых передних) обеспечивает поворотливость агрегата на твердом основании (асфальт, бетон). На твердом основании ограничение поворотливости наступает при любой нагрузке в прицепе из-за конструктивных ограничений (явление замыкания). Устранение замыкания позволит существенно улучшить поворотливость агрегата с одновременным увеличением его грузоподъемности.
8. На рыхлом грунте возможности движения ограничиваются замыканием, однако после устранения замыкания агрегат теряет подвижность из-за недостаточного сцепления с грунтом при нагрузках в прицепах, меньших их грузоподъемности. Некоторого увеличения производительности в этом случае удается достигнуть за счет уменьшения количества прицепов. Применение одного прицепа вместо двух позволяет обеспечить поворотливость агрегата при увеличенной на 25 % общей нагрузке в прицепах.
9. Одним из путей улучшения поворотливости агрегата является применение классической схемы управления трактора путем введения в схему трансмиссии межколесного дифференциала.
Тракторный транспортный агрегат с тягачом, снабженным межколесным дифференциалом, обладает существенно лучшей поворотливостью, чем с одним ведущим колесом. Ни при какой нагрузке в прицепе в этом случае не наблюдается явление замыкания. Существенно снижается буксование ведущих колес. Более чем в три раза может быть увеличена грузоподъемность прицепов без ухудшения поворотливости. Однако при нагрузках, допускающих криволинейное движение агрегата с минимальным радиусом, агрегат на базе трактора с одним ведущим колесом обладает лучшей поворотливостью, чем с дифференциалом.
Зависимость производительности ТТА от его схемы и параметров
Для малогабаритных тракторов прицепы с поворотным кругом в России не выпускаются, однако для полного анализа существующих конструктивных схем рассмотрим особенности движения агрегатов с прицепами этого вида. Зависимость производительности ТТА от его схемы и параметров
Для подсчета производительности агрегата в криволинейном движении преобразуем формулу (4.1). При заданной величине перевозимого груза производительность транспортного агрегата определяется временем прохождения криволинейного участка. Время прохождения криволинейного участка при движении с постоянной величиной скорости определяется формулой длина криволинейного участка, измеряемая по траектории какой-либо (характерной) точки одного из звеньев агрегата, м; V – скорость движения точки корпуса трактора, соответствующей измеряемой траектории, м/с.
При стационарном движении агрегата длина траектории пропорциональна радиусу траектории характерной точки R, углу поворота , и время ее прохождения равно
В качестве характерной точки примем точку трактора, сохраняющую при криволинейном движении ту скорость, которую она имела при прямолинейном движении. У трактора с одним отключаемым задним колесом (схема А на рисунке 2.5) этой точкой будет являться точка корпуса трактора, расположенная над мгновенным центром скольжения наружного ведущего заднего колеса. Тогда в качестве радиуса в формуле (4.8) должно стоять значение R2 (радиус траектории мгновенного центра скольжения второго колеса, в соответствии с принятыми ранее обозначениями).
У трактора с межколесным дифференциалом на задней оси два ведущих колеса и точка, сохраняющая скорость прямолинейного движения, находится между двумя мгновенными центрами ведущих колес, соответственно радиус в формуле (4.8) имеет значение: Rc = -yjR12 + R2 .
R04 – радиус поворота по наружному переднему колесу, определяющий минимальное ограничивающее пространство, необходимое для совершения маневра.
Из данных таблицы 4.4 следует, что ограничение поворотливости по тягово-сцепным возможностям тягача не наступает, более того, грузоподъемность прицепа может быть увеличена более чем в два раза с соответствующим увеличением производительности без ухудшения поворотливости агрегата. Однако при крутом повороте с полным поворотом руля наступает ограничение по замыканию, так как в этом случае угол складывания превышает максимальный, допускаемый конструктивными параметрами агрегата.
С двумя прицепами на твердом грунте, как и в предыдущем случае, ограничение поворотливости наступает только по замыканию даже при увеличенной вдвое грузоподъемности прицепов. Производительность по сравнению с серийной комплектацией агрегата может быть увеличена более чем в 3,8 раза.
При применении межколесного дифференциала на задней оси трактора на твердом грунте ограничения по замыканию наблюдаются такие же, как и с одним ведущим колесом. Однако характер этих ограничений изменяется. Так, при одном прицепе оно существует при малой нагрузке, а при полной нагрузке замыкание от 99 сутствует. При двух прицепах это ограничение исчезает уже при нагрузке около 100 кг в одном прицепе.
Производительность при применении дифференциала растет за счет снижения буксования ведущих колес, несмотря на увеличение кинематического радиуса поворота. Суммарное повышение производительности от применения дифференциала и двух прицепов увеличенной грузоподъемности достигает в этом случае 4,3 раза.
Из данных таблиц 4.4–4.11 следует, что характеристики движения на рыхлом грунте существенно отличаются от характеристик на твердом. Так, в агрегате с одним прицепом и трактором с одним ведущим колесом ограничение по замыканию существует практически во всем диапазоне грузоподъемности прицепа. Возможности увеличения грузоподъемности прицепа ограничиваются тягово-сцепными возможностями трактора.
В агрегате с двумя прицепами и одним ведущим колесом трактора при нагрузке в прицепе около 200 кг поворотливость ограничивается тягово-сцепными свойствами трактора, и при этом во всем диапазоне нагрузок движение ограничивается замыканием.
В агрегате с трактором, снабженным межколесным дифференциалом на задней оси с одним прицепом, ограничения по сцеплению не наступают даже при двукратном увеличении грузоподъемности прицепов. Нет в этом случае и ограничений по замыканию.
При дифференциале и двух прицепах грузоподъемность их может быть поднята до 500 кг, что в сумме превышает серийную почти в 3 раза. Производительность агрегата при применении дифференциала может быть повышена в 2,64 раза. ТТА с полуприцепом
Закономерности изменения характеристик движения на повороте агрегата с полуприцепом ничем не отличаются от аналогичных закономерностей агрегата с прицепом с соответствующим образом подобранными параметрами. ТТА с двухосным прицепом и неповоротными колесами Для сравнения схемных решений, дабы избежать влияния конструктивных особенностей прицепа, его параметры выбраны из следующих соображений: колея, параметры колес и нагрузки на оси приняты такими же, как у серийных прицепов 964-4С. База принята равной базе двух серийных прицепов за исключением длины lz.
Модификация модели выполнена в соответствии с п. 2.10.4. Следует отметить, что поворотливость таких агрегатов при максимальном повороте руля не обеспечена.
Результаты расчетов при углах поворота передних колес трактора 3 = 18 и 4 = 14 приведены в таблицах 4.12–4.15.
Таблица 4.12 – Условная производительность ТТА с базовым трактором-тягачом Т-0,2 (одно ведущее колесо) и одним двухосным прицепом на неповоротных колесах на твердом грунте
