Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ способов и средств повышения тягово-сцепных свойств колесных тракторов 16
1.1. Компоновка трактора 17
1.2. Колесная формула 19
1.3. Увеличение сцепного веса 23
1.3.1. Балластирование трактора 23
1.3.2. Догружатели ведущих колес трактора 25
1.4. Конструкция движителей 31
1.5. Цель и задачи исследования 42
Глава 2. Теоретические предпосылки повышения тягового усилия полноприводных тракторов со сдвоенными колесами равного размера 44
2.1. Описание конструкции переходного устройства для сдваивания бездисковых взаимозаменяемых колес 46
2.2. Определение конструктивных параметров устройства 49
2.3. Обоснование расстояния между сдвоенными колесами 51
2.4. Определение движущей силы сдвоенных колес трактора 56
2.4.1. Реакция почвы на почвозацепах 56
2.4.2. Образование колеи в зависимости от площади опорной поверхности и буксования 60
2.4.3. Сила трения меду почвой и сдвоенными колесами 64
2.5 Проходимость трактора и ее оценка 73
2.5. Выводы 75
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 76
3.1. Программа экспериментальных исследований 76
3.2. Выбор объекта исследования 77
3.3. Выбор и описание участков для полевых испытаний 78
3.4. Методика экспериментальных исследований 80
3.5. Лабораторное оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований 81
3.6. Тарировка и определение погрешности измерения 89
3.7. Методикаюпределения буксования трактора 93
3.8. Методика проведения лабораторно-полевых испытаний трактора 94
3.9. Обработка полученных данных 95
Глава 4. Экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания трактора к- 701 на сдвоенных колесах 97
4.1. Планирование многофакторного эксперимента 97
4.1.1 Экспериментальные исследования работы трактора К-701 с различными вариантами движителей (сдвоенные и одинарные колеса) 98
4.1.2. Экспериментальные исследования работы трактора К-701 на сдвоенных колесах 111
4.2. Результаты эксплуатационных испытаний трактора К- 701 на сдвоенных колесах на весенне-полевых работах 114
4.3. Выводы 118
Глава 5. Технико-экономические показатели работы трактора к-701 со сдвоенными колесами на ранневесеннем бороновании 120
5.1 Экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат і 120
5.2. Граница экономической эффективности применения тракторов К-701 на сдвоенных колесах 127
5.3 Выводы 128
Общие выводы 130
Литература 132
Приложения 144
- Догружатели ведущих колес трактора
- Образование колеи в зависимости от площади опорной поверхности и буксования
- Лабораторное оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований
- Экспериментальные исследования работы трактора К-701 с различными вариантами движителей (сдвоенные и одинарные колеса)
Введение к работе
Подъем сельскохозяйственного производства, состоит в его интенсификации, осуществить которую возможно путем внедрения комплексной механизации на основе укрепления материально-технической базы, достижений научно-технического прогресса, а также энерго- и ресурсосберегающих технологий.
В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства одно из основных требований к технике состоит в повышении ее производительности. Поэтому все большая роль отводится современным энергонасыщенным тракторам, способным выполнять технологические процессы с широкозахватными агрегатами и совмещать выполнение нескольких технологических операций за один проход по полю.
Основная доля выполняемых сельскохозяйственных работ, как в России, так и в развитых зарубежных странах, приходится на колесные трактора, так как они наиболее полно соответствуют современным требованиям, предъявляемым к сельскохозяйственной технике. Данные тракторы имеют больший диапазон использования по сравнению с гусеничными (могут использоваться как на полевых, так и на транспортных работах), имеют меньшую стоимость и, соответственно, меньшие эксплуатационные затраты. Поэтому колесные тракторы в общей структуре тракторов занимают большую часть (до 95% в некоторых экономически развитых зарубежных1 странах и примерно 55% в Российской Федерации).
В настоящее время наибольшее распространение среди энергонасыщенных колесных тракторов классов 3-5 получили полноприводные трактора с шинами равного размера, такие как К-701, К-744, Т-150К, ЛТЗ-155, ХТЗ-17022 и другие, так как они имеют лучшие тягово 14 сцепные свойства при той же массе по сравнению с классической компоновкой.
Однако, несмотря на явные преимущества энергонасыщенных колесных тракторов, имеется ряд недостатков: относительно низкие тягово-сцепные свойства (по сравнению с гусеничными тракторами) и проходимость, что ограничивает их применение на ранневесенних и осенних работах на полях с повышенной влажностью и низкой несущей способностью почвы; а также высокое удельное давление движителей на почву, что приводит к ее переуплотнению и как следствие к снижению плодородия.
В связи с этим поставлена цель работы - повышение эффективности работы машинно-тракторных агрегатов за счет улучшения тягово-сцепных свойств и проходимости полноприводных тракторов с шинами равного размера путем увеличения площади опорной поверхности за счет сдваивания колес.
Повышение тягово-сцепных свойств и проходимости энергонасыщенных колесных тракторов является актуальной задачей, и по своей экономической целесообразности имеет большое народнохозяйственное значение.
Актуальность работы подтверждается комплексной темой НИР № 13 Рязанской ГСХА им. проф. П.А.Костычева на 2001-2005 г.г. «Разработка элементов интенсивных, ресурсосберегающих технологий и средств механизации для возделывания сельскохозяйственных культур в условиях Нечерноземной зоны РФ», комплексной темой НИР Рязанской ГСХА им. проф. П.А.Костычева на 2006-2010 г.г. «Обоснование рационального состава МТП в сельскохозяйственных предприятиях Рязанской области при возделывании сельскохозяйственных культур по различным технологиям (энерго- и ресурсосберегающей: нулевой и минимальной; интенсивной и высокой)», а также договорными темами, заключенными с областным управлением сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области № 7 2003 «Оптимизация и оценка эффективности состава машинно-тракторных агрегатов на энергоемких операциях при возделывании полевых культур в АПК Рязанской области в условиях применения интенсивных технологий», № 8-2004 «Оптимизация формирования машинно-тракторного парка в сельскохозяйственных предприятиях Рязанской области на энергоёмких операциях при возделывании полевых культур» и № 3-2006 «Рациональное комплектование машинно-тракторных агрегатов при внедрении ресурсосберегающих технологий возделывания зерновых культур в условиях различных природно-климатических зон Рязанской области».
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты работы:
1. Конструкция переходного устройства для сдваивания бездисковых колес.
2. Теоретическое обоснование повышения тягово-сцепных свойств полноприводных тракторов с шинами равного размера путем установки сдвоенных колес.
3. Математическая модель образования колеи с учетом буксования трактора.
4. Результаты сравнительных испытаний машинно-тракторных агрегатов с учетом сдваивания колес.
Догружатели ведущих колес трактора
Широкое использование сельскохозяйственных навесных машин привело к развитию новых направлений в повышении тягово-сцепных свойств колесных тракторов. Увеличение сцепного веса трактора происходит за счет частичного или полного переноса веса сельскохозяйственной машины и вертикальной составляющей суммарной реакции почвы на е е рабочие органы на ведущие колеса трактора. При этом не только повышаются тяговые показатели трактора, но и снижается реакция на опорных колесах сельскохозяйственной машины и ее тяговое сопротивление [34-39].
Догружение ведущих колес трактора агрегатируемой сельскохозяйственной машиной получило наибольшее распространение, так как конструктивный вес трактора при этом не увеличивается и не ( ft требуется дополнительное время на его переоснащение. Догружатели ведущих колес трактора бывают следующих видов: механические и гидравлические. Механические догружатели ведущих колес. В механических догружателях ведущих колес перенос части веса навесного орудия и вертикальных реакций, действующих на него, происходит за счет изменения угла наклона центральной и продольных тяг механизма навески. Изменения угла наклона центральной и продольных тяг происходит ступенчато, за счет изменения их положений относительно кронштейнов [32, 34]. В результате изменения угла наклона центральной и продольной тяг изменяется расположение мгновенного центра вращения навесной машины Он, в результате и его плечо m заглубляющего момента RKp изменяется, что приводит к изменению догружающей силы (рис. 1.4). Однако практически такая переналадка навесного устройства представляет значительные неудобства и не может выполняться на ходу. Кроме того, положение мгновенного центра вращения навесной машины в известной мере влияет на равномерность глубины хода рабочих органов при движении трактора по неровностям поля и с этой точки зрения изменение его положения может иметь неблагоприятные последствия [35]. Наряду с перестановкой центральной тяги навесного устройства, существуют и другие механические догружатели оригинальной конструкции [41]. Например, разработанный догружатель переднего навесного устройства трактора ЛТЗ-155. Гидравлическое догружение ведущих колес. В гидравлических догружате лях сцепного веса (ГСВ) увеличение нормальных реакций на ведущих колесах трактора осуществляется за счет создания избыточного давления в полости подъема гидроцилиндра механизма навески (рис. 1.5) [34-37]. Догружение задних колес трактора и увеличение их сцепления с почвой происходит плавно в широких пределах. Управление сцепными свойствами трактора осуществляется трактористом из кабины во время движения. Гидравлические догружатели в свою очередь бывают: а) для агрегатирования с/х машины, имеющей опорное колесо (ГСВ); б) для агрегатирования с/х .і машины безопорного колеса, силовой и позиционный регулятор (СиПР) [34,37]. В работах [34, 36] установлено, что применение гидравлических догружателеи на некоторых типах почв значительно улучшает сцепные качества тракторов, и, как следствие, увеличивает производительность и экономичность агрегата. В зависимости от агрофона, передачи и удельного сопротивления почвы максимальное тяговое усилие увеличивается на 15.. .20%, а производительность - на 20...30%. К гидравлическим догружателям ведущих колес работающих с с/х машинами, относятся как было уже сказано ГСВ (рис. 1.6). При работе трактора с ГСВ с с/х машины на трактор переносится часть ее веса и вертикальных сил, действующих на ее рабочие органы. Гидрораспределитель трактора находится в плавающем положении, поэтому копирование с/х машиной рельефа происходит за счет опорного колеса [37].
Образование колеи в зависимости от площади опорной поверхности и буксования
Для уменьшения отрицательного воздействия колесных движителей на почву необходимо подобрать оптимальные режимы работы агрегатов, в частности режим буксования. Так как при работе колесо практически всегда движется с буксованием, происходит интенсивное разрушение почвы, образование колеи, и как следствие, ее уплотнение. Для того чтобы , подобрать оптимальный режим буксования, необходимо установить аналитическую зависимость между характеристикой почвы, удельным давлением на нее, конструктивными параметрами ходового аппарата, буксованием и глубиной образуемой колеи. Согласно источнику [87] глубина колеи, образуемая колесным движителем без учета буксования, находится по формуле: \f/ - коэффициент жесткости каркаса шины; D, В - соответственно диаметр и ширина колеса, м; с - коэффициент объемного смятия почвы, кН/м . Определение расчетной глубины колеи проводилось при действии на колесо только вертикальной нагрузки при условии отсутствия буксования и отсутствии почвозацепов. Поэтому будем считать, что наличие почвозацепов не изменяет глубины, колеи и ее формы. Последнее условие соответствует допущению о равенстве нулю продольного размера почвозацепа. Такой условный почвозацеп способен передавать горизонтальное усилие на почву, но не влияет на распределение вертикальной удельной нагрузки вдоль пятна контакта.
При подчинении деформации почвы линейному закону смятия почвы, ее несущая способность определяется объемом смятой почвы VCM. Объем смятой почвы колесом, заглубленным в нее на величину И. вертикальной нагрузкой, за счет действия крутящего момента, вызывающего буксование ведущего колеса величиной 8, в зоне максимальной деформации почвы будет равен [86]:
dVCM=SH(dl)2, (2.42)
где (dl)2 - площадь основания рассматриваемого столбика почвы в зоне ее максимальной деформации.
Вертикальная ., нагрузка, приходящаяся на рассматриваемую
элементарную площадку пятна контакта (dlx dl) при действии на колесо
крутящего момента, теперь будет восприниматься уменьшенной площадкой
(У/х(1 - 5) dl), а значит, и объем смятой этими силами почвы окажется меньшим, чем был при отсутствии крутящего момента. В результате этого происходит дополнительное смятие почвы на величину АН. Объем дополнительно смятой почвы при этом может быть подсчитан по формуле:
Полная расчетная глубина колеи Нм окажется теперь равной сумме глубины максимальной деформации почвы под действием вертикальной нагрузки G и дополнительной деформации почвы, вызываемой действием крутящего момента, то есть:
1. Установка сдвоенных колес позволяет увеличить движущую силу как за счет увеличения количества почвозацепов, находящихся в зацеплении, так и за счет «эффекта клина», возникающего между колесами.
2. Установка сдвоенных колес позволяет снизить глубину колеи, образуемую движителями, за счет увеличения площади опорной поверхности и снижения величины буксования.
3. Оптимальное значение расстояния между сдвоенными колесами зависит от их ширины, типа почв, и для трактора К-701 в условиях серых лесных почв должно находится в пределах от 184 до 205 мм. Окончательно принимаем расстояние 200 мм.
4. Постановка сдвоенных колес на трактор К-701 улучшает опорную проходимость на 85,7% по сравнению со стандартным трактором.
Лабораторное оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований
Для выполнения программы экспериментальных исследований по определению оптимальных значений параметров сдвоенных колес, влияющих на эксплуатационные показатели тракторного агрегата, был подобран комплекс приборов и оборудования, с помощью которого измерялись и регистрировались следующие параметры:
- тяговое усилие на крюке трактора;
- глубина образуемой колеи;
- напряжение в почвенном клине;
- рабочая скорость;
- пройденный путь;
- часовой расход топлива;
- частота вращен ия колес трактора.
Комплекс контрольно-измерительной аппаратуры осуществлял измерение и запись как непрерывно регистрируемых величин, так и дискретных.
Рисунок 3.3. - Динамометрирование К-701 на сдвоенных колесах с дисковой бороной БДТ-7,0
Усилия, развиваемые трактором на крюке, измерялись посредством гидравлического динамографа ДПМ-3 (рис 3.3) с дальнейшей записью на ленту.
Тарировка динамографа производилась на стенде (рис.3.4).
Рисунок 3.4 - Установка для тарировки динамографа. Измерение глубины колеи, образуемой колесами трактора, производилось при помощи прибора (рис.3.5 и 3.6), разработанного автором совместно с учеными Рязанской ГСХА. На данную конструкцию прибора был получен патент РФ на полезную модель № 43958 от 04 октября 2004г [107].
Прибор состоит из корпуса 1, изготовленного из толстостенной трубки, внутри которой расположен подвижный шток 2 с закрепленным на нем .і опорным наконечником 3. Во избежание полного выхода штока 2 из корпуса
1 на нем установлен ограничитель хода 4. Шток 2 кинематически связан с барабанным записывающим устройством 5. На корпусе 1 имеется неподвижный верхний рычаг 6 с распорным винтом 7 и нижний рычаг 8, который крепится к нему при помощи двух болтов 9. При ослаблении болтов 9 нижний рычаг 8 имеет возможность перемещаться по корпусу, благодаря чему прибор может устанавливаться на колеса с различными диаметрами обода.
Прибор работает следующим образом. Перед проведением замера прибор необходимо установить на колесо машины. Для этого необходимо ослабить болты 9 крепления нижнего рычага 8 и предварительно отрегулировать его положение на корпусе 1 в соответствии с диаметром колеса, на которое будет производиться установка, и зафиксировать его, затянув болты 9. После этого прибор устанавливают таким образом, чтобы нижний рычаг 8 и1 распорный винт 7 вошли в закраину обода колеса. Выворачивая распорный винт 7 необходимо добиться, чтобы прибор был жестко зафиксирован. После установки прибора на машину на площадке с твердым покрытием производят установку записывающего устройства на нулевую отметку. Во время движения машины по полю колесо образует колею, при этом прибор, вращаясь вместе с колесом, замеряет ее глубину. В момент касания опорным наконечником 3 почвы рядом с колесом, шток 2 начинает подниматься, при этом приводится в действие записывающее устройство 5, которое фиксирует высоту подъема штока 2 относительно нулевой отметки, что является величиной утопання колеса в почву. Принцип действия расходомера основан на преобразовании скорости потока топлива в частоту вращения одноопорной крыльчатки датчика, которая, в свою очередь, посредством магнитоиндукциопного генератора преобразуется в электрический сигнал переменного тока с частотой, пропорциональной частоте вращения крыльчатки. Электронный блок преобразует электрический выходной сигнал датчика в цифровую информацию мгновенного объёмного расхода (л/ч).
Измерения напряжений под колесом трактора проводились с помощью полевой измерительной установки, разработанной в Ленинградском Агрофизическом НИИ. Данная установка включает в себя полупроводниковый датчик давления. Их преимущества заключаются в высоком коэффициенте тензочувствительности, отсутствии гистерезиса, минимальном влиянии различных факторов на работу тензометров (температура, влажность и д.р.), а также портативность и малогабаритность. Благодаря этим преимуществам были применены датчики давления с полупроводниковыми кремневыми тензорезисторами. В опытах применяли датчики давлений мембранного типа диаметром 0,03 м.
Экспериментальные исследования работы трактора К-701 с различными вариантами движителей (сдвоенные и одинарные колеса)
Экспериментальные исследования проводились с целью определения рациональных конструктивных параметров и режимов работы двух вариантов движителей (одинарные и сдвоенные колеса) трактора К-701. Проверены адекватность теоретических исследований и подтверждения экономической эффективности применения сдвоенных колес.
Исследования проводились в 2003-2006 годах в колхозе «Шелковской» Старожиловского района, ЗАО «Авангард» Рязанского района, ЗАО «Малинищи» Пронского района, а также в ООО «Агрофирма МТС «Нива Рязани», землепользование которого расположено в нескольких районах Рязанской области.
Полевые испытания проводились на серых лесных почвах при влажности почвы от 20 до 28 %. Плотность почвы в слое от 0 до 10 см составляла в пределах 0,89 - 1,18 кг/см , твердость в слое от 0 до 10 см - от 2,7 кг/см до 4,3 кг/см , агрофон - культивированное поле. Установка сдвоенных колес осуществлялась при помощи переходного устройства [111].
При определении оптимальных режимов работы машинно-тракторных агрегатов с целью сокращения количества опытов применялась методика планирования многофакторного эксперимента [99].
Выбор параметров оптимизации и определение факторов планирования. Исходя из задач исследования и математической модели тягового усилия трактора, за параметры оптимизации многофакторного эксперимента принята величина буксования ходового аппарата трактора S,
глубина колеи Н, которая образуется при работе трактора, и тяговое усилие Ркр, развиваемое трактором на крюке. 4.1.1 Экспериментальные исследования работы трактора К-701 с различными вариантами движителей (сдвоенные и одинарные колеса) В качестве факторов оптимизации были определены следующие эксплуатационные параметры:
1. давление воздуха в шинах Рху;
2. площадь опорной поверхности S;
3. сцепной вес трактора Gm.
Для определения влияния параметров Pw; S; Gm на показатель буксования и глубины колеи при постоянной тяговой нагрузке Ркр = 51,2 кН нами был проведён полный факторный эксперимент 23 [98,99,100]. Интервал варьирования факторов был выбран следующим: Xj = Pw = 0,08 - 0,18 МПа; X2 = S =l,2-2,4M2;X3 = Gm =150-170 кН.
Эксплуатационные испытания проводились на весеннем бороновании зяби в два следа, предпосевной культивации, а также на посеве зерновых культур, при этом проводилось испытание агрегатов на базе стандартного трактора К-701, трактора К-701 со сдвоенными колесами (рис. 4.8, 4.9), и для сравнения агрегаты на базе импортного трактора «Челленджер Е-95» на резиновых гусеницах, имеющего тот же тяговый класс, что и трактор К-701.
При этом определялись: производительность агрегатов (сменная и часовая), расход топлива (за смену, за час работы и погектарный), воздействие движителей на почву (уплотнение и твердость почвы).
Во время подготовки почвы к посеву яровых культур было изучено влияние движителей тракторов на показатели плотности и твердости почвы (табл.4.5) [113,114]
Как видно из таблицы постановка на К-701 дополнительных колес значительно уменьшала давление агрегата на почву (с 1,7 до 0,86 кгс/см ). Значения плотности и твердости в различных слоях были ниже аналогичных показателей варианта с заводской комплектацией К-701 и находились примерно в одном диапазоне с гусеничным трактором «Челленджер Е-95».
При повышенной влажности почвы (26%) трактор К-701 на стандартном ходу увязал в почве, образовывая слишком глубокую колею (рис.4.10), тогда как у трактора со сдвоенными колесами она была гораздо меньше.
При определении производительности агрегатов (таблица 4.6) было выявлено, что производительность агрегатов на базе трактора К-701 со сдвоенными колесами была выше на 14-17%) (в зависимости от вида выполняемой работы), при этом расход топлива уменьшался на 10 — 19 % [115,116].
Также установка сдвоенных колес на трактор К-701 позволила расширить диапазон его использования. В частности, позволила использовать его на ранневесеннем бороновании, при этом по своим параметрам он приблизился к гусеничному трактору «Челленджер Е-95» (таблица 4.7).
1. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических выводов и позволили определить рациональные параметры и режимы работы трактора К-701.
2. Наиболее рациональной является работа трактора К-701 на сдвоенных колесах, при этом площадь опорной поверхности составляет примерно 2,4 м2).
3. Применение разработанного переходного устройства для сдваивания колес позволяет производить быструю переналадку трактора с одинарных на сдвоенные колеса. 4. Работа трактора на одинарных колесах с высокой тяговой нагрузкой, а также на почвах с повышенной влажностью невозможна из-за высокого буксования ведущих колес, превышающего допустимые агротехническими требованиями нормы, и образования глубокой колеи.
5. Увеличение расстояния между сдвоенными колесами (до определенного значения) приводит к снижению величины буксования и незначительному увеличению глубины колеи. Оптимальное значение о расстояния находится в пределах от 179 мм до 211 мм, что совпадает с
результатами теоретических исследований (расхождение составляет менее 5%).
6. Установка сдвоенных колес существенно снижает сопротивление передвижению трактора на почвах с повышенной влажностью (более 22%) и низкой несущей способностью, что позволяет эффективно использовать трактор К-701 на ранневесеннем бороновании, и на других весенне-полевых работах.
