Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ работ но исследованию процесса функционирования МТА. Постановка задач исследования 8
1.1 Работы по исследованию функционирования колесных машин и МТА : 8
1.2 Обзор и анализ моделей качения колеса с пневматической шиной 20
1.3 Задачи исследования 36
Глава 2. Тягово-энергетичеекие показатели культиваторного агрегата при криволинейном движении 38
2.1 Закономерности бокового увода ведущих колес трактора на сминаемом опорном основании 38
2.2 Тяговая динамика в процессе функционирования ведущего колеса при боковом уводе шины 44
2.3 Расчет коэффициентов сопротивления уводу шин по тягово-энергетическому критерию функционирования агрегата 48
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований шин и пропашного агрегата 64
3.1 Проірамма исследования 64
3.2 Методика тестерных исследований шин 64
3.3 Методика экспериментальных исследований пропашного агрегата 73
3.4 Методика определения параметров контакта шин с опорным основанием 78
3.5 Определение показателей качества работы агрегата 81
3.6 Характеристика шин и агрофонов 82
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований процесса функционирования пропашного культиваторного агрегата 86
4.1 Проверка адекватности результатов аналитических расчетов и экспериментальных исследований 86
4.2 Характеристики бокового увода пневматических шин 16,9-30 89
4.3 Тяговые показатели ведущего колеса с учетом бокового увода шины 93
4.4 Оптимизация внутреннего строения диагонально-параллельных шин 16,9-30 99
4.5 Статистические показатели функционирования агрегата 109
4.6 Показатели качества работы и энергооценка культиваторного агрегата 111
5. Оценка экономической эффективности результатов исследований 114
Выводы и предложения % 120
Литература 123
Приложения 137
- Работы по исследованию функционирования колесных машин и МТА
- Закономерности бокового увода ведущих колес трактора на сминаемом опорном основании
- Тяговая динамика в процессе функционирования ведущего колеса при боковом уводе шины
- Проверка адекватности результатов аналитических расчетов и экспериментальных исследований
Введение к работе
Повышение эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов (МТА) является неотъемлемой частью общей проблемы увеличения производства сельскохозяйственной продукции и снижения энергозатрат на ее получение. При этом весьма значимая роль принадлежит агрегатам, связанным с возделыванием пропашных культур, и среди них — культиватор-ным агрегатам.
Общим в работе всех агрегатов является их управляемое водителем движение при выполнении полевых технологических операций с непрерывно изменяющимися внешними воздействиями. Воздействия особенно выражены при фронтальном расположении рабочих органов машины-орудия, что характерно для культиваторных агрегатов.
Также общее при работе агрегатов — это их криволинейное движение (движение по траектории). Зачастую такая траектория не обусловлена технологическим процессом выполняемой операции. Она, как правило, является следствием воздействия различных возмущающих факторов, в том числе и ошибок водителя, управляющего агрегатом. Его труд становится более напряженным, качество работы ухудшается, а производительность агрегата снижается. В отдельных случаях снижение производительности в результате криволинейного движения составляет до 10%.
Для агрегата с колесным трактором решающее значение в движении по . заданной траектории приобретают характеристики пневматических шин трактора. Это особенно актуально в связи с тем, что в настоящее время ко-лесные движетели сельскохозяйственных тракторов получили преимущественное распространение. В Российской Федерации они составляют более 65%, в других странах мира - более 85%. Вместе с тем, пневматическая шина представляет собой дорогостоящую продукцию, .в производстве которой используется различные дефицитные сырье и материалы. Затраты на шины в сельскохозяйственных предприятиях достигают 17% от общих затрат на эксплуатацию всего машинно-тракторного парка.
5 Одним из факторов, отрицательно влияющих на показатели функционирования агрегатов с колесными тракторами при криволинейном движении, в том числе и культиваторных, является увод пневматических шин ведущих и направляющих колес трактора. Влияние увода шин усугубляется в связи с установившейся тенденцией повышения рабочих скоростей агрегатов. Из-за бокового увода шин ухудшаются тяговые характеристики ведущих колес и трактора в целом, и, естественно, устойчивость движения, качество работы и управляемость агрегата. Чтобы обеспечить требования, предъявляемые к качеству работы машинно-тракторных агрегатов, необходимо выполнение комплекса основных показателей функционирования. Для культиваторного агрегата, выполняющего обработку междурядий пропашных культур, этот комплекс составляют такие основные показатели:
- технико-экономические - сопротивление качению, тяговый КПД,
расход топлива на движение агрегата;
общетехнические — устойчивость движения, управляемость;
агротехнические — давление в контакте шин с почвой, показатели ее агрофизических свойств.
Улучшение функционирования агрегата и, значит, комплекса указанных показателей возможно (среди других общепризнанных мероприятий [42]) на основе разработок, связанных с совершенствованием конструкции и, следовательно, характеристик шин. Основные из них тяговые характеристики, полученные в реальных условиях эксплуатации, с учетом бокового увода. Это тем более важно, что шина является конечным звеном динамической системы при реализации силы тяги и начальным звеном при восприятии внешних воздействий на трактор.
Очевидно, следует признать более совершенными те шины которые обеспечивают лучшие показатели функционирования культиваторного агрегата, и меньшее ухудшение их тяговых характеристик вследствие бокового увода. Поэтому оптимизация параметров армирования шин, опреде-
ляющих их характеристики, и является одним из мероприятий повышения эффективности функционирования указанного агрегата.
В соответствии с выше изложенным, целью настоящей работы является снижение энергозатрат при функционировании пропашного агрегата за счет изменения структуры шин трактора класса 1,4.
В представляемой к защите диссертационной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования закономерностей процесса функционирования культиваторного МТА при его движении по криволинейной траектории. Разработаны корректорные математические модели агрегата как объекта управления и как замкнутой системы управления со звеном «водитель». Учтены особенности характеристик бокового увода шин ведущих колес трактора на сминаемом опорном основании (почве). Показано влияние увода шин на тягово-энергетические свойства ведущих колес трактора и установлены допустимые значения углов увода. Определено оптимальное по тяговым свойствам сочетание конструктивных факторов опытной пневматической шины с учетом ее бокового увода. Разработаны устройства и приспособления для проведения исследований и испытаний пневматических шин, динамометрирования навесных сельскохозяйственных машин. Для IBM-совместимого персонального компьютера разработаны программы обработки экспериментальных данных.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Математическая модель процесса функционирования культиваторного МТА при криволинейном движении, учитывающая взаимодействие ведущего пневмоколеса с почвенным опорным основанием.
Методика оценки влияния бокового увода шины на показатели функционирования - сопротивление качению, силу тяги, буксование и тяговый КПД ведущего колеса трактора.
Рекомендации по выбору оптимальных параметров пневматических шин для ведущих колес.
- Способ улучшения функционирования МТА путем комплектации ведущих колес трактора шинами нового, диагонально-параллельного типа,. конструктивного исполнения.
Работа выполнена на кафедре тракторов и автомобилей Азово-Черно-морской государственной агроинженерной академии в соответствии с научно-технической программной фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2001-2005 и 2006-2010 гг., координационной программой РАСХН и планом НИПР АЧГАА 03.23.04 «Способы повышения технико-экономических показателей мобильной сельскохозяйственной техники».
Элементы методики исследований характеристик пневматических шин . и экспериментальная установка «шинный тестер» внедрены в испытательном центре ФГУ «Северо-Кавказская машиноиспытательная станция». Теоретические разработки pi элементы методики экспериментальных исследований, а также пакет программ анализа работы МТА используется в учебном процессе на кафедре тракторов и автомобилей Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии.
Работы по исследованию функционирования колесных машин и МТА
При выполнении полевых технологических операций процесс функционирования агрегата с колесным трактором носит сложный характер. Трактор и машина-орудие испытывают непрерывно изменяющиеся внешние воздействия [4, 5, 7, 11, 12, 13, 28, 30, 38, 43, 44, 48, 53, 54, 56, 67, 82, 92, 116, 117 и др.]. В результате работа силовых механизмов трактора происходит в колебательном режиме, трактор и машина-орудие также совершают колебания в продольно-вертикальной и поперечно-горизонтальной плоскостях [43, 44, 55, 56, 57, 66, 70, 72, 92, 104]. Управляемое движение агрегата проис- ходит по криволинейной траектории [22, 26, 37, 41, 52, 64, 77, 89, 95, 108, 112,125].
Такой сложный процесс функционирования МТА чрезвычайно затрудняет его исследования в аналитическом плане. Уравнение движения получаются громоздкими. Большое число коэффициентов в них, величина которых зачастую не является стабильной и варьируется в определенном диапазоне, трудность учета одновременно всех факторов - все это приводит к неоправданно низкой точности расчетов.
В подавляющем большинстве исследований процесс функционирова- ния МТА считают, учитывая сложность изучаемого вопроса, состоящим из не связанных между собой вышеуказанных движений [52, 57, 89, 125]. Чтобы это требование можно было выполнить, вполне оправданно, применяют метод «замораживания» коэффициентов [21, 24, 57, 89]. Например, при исследовании криволинейного движения агрегата полагают скорость трактора в направлении его продольной оси постоянной по величине [21, 24, 89, 125]. Однако при анализе результатов экспериментальных исследований вовсе не исключается возможность увязать между собой практически все показатели функционирования агрегата.
Особенность всех процессов при работе сельскохозяйственного МТА -их случайный характер [5, 30, 55, 56, 82]. Отмечено, что определяющими при этом являются следующие факторы: - величина и характер нагрузки, действующие на рабочие органы машины-орудия; - корректировка направления движения агрегата, то есть параметры его управляемого движения по заданной траектории; - конструктивные особенности трактора, обусловленные, в том числе и свойствами его движителя, для колесного трактора - свойствами пневматической шины.
Изучение процессов функционирования МТА и других агрегатов в реальных условиях эксплуатации, влияния колебаний внешней нагрузки, параметров силового механизма, пневматических шин посвящены работы Л.И. Агеева, В.Я. Аниловича, В.И. Аврамова, И.Б. Барского, В.Н. Болтинско-1 го, Н.М. Беспамятной, В.П. Бойкова, Л.В. Гячева, Ю.А. Ганькина, В.В. Гусь-кова, В.П. Жарова, С.А. Иофинова, И.П. Ксеневича, Г.М. Кутькова, В.В. Коптева, М.Н. Коденко, Н.Н. Кузнецова, В.В. Котлярова, А.Н. Кожухан-цева, В.А. Кравченко, А.Б. Лурье, В.А. Оберемка, С.Г. Пархоменко, А.Б. Ро-славцева, В.Б. Рыкова, Э.Б. Станкевича, А.Б. Свирщевского, В.А. Скотнико-ва, В.Л. Строкова, В.Е. Степанова, Ю.С. Толстоухова, А.И. Тимофеева, В.П. Тарасика, В.И. Фортуны, А.Ф. Шкарлета, В.Г. Ярового и других ученых.
Исследование процессов функционирования сельскохозяйственных МТА с колесными тракторами традиционно развивалось по нескольким на-, правлениям. Одно направление отражало вертикальные колебания трактора (комбайна), возникающие при движении агрегата по неровностям. Целью работ этого направления было достижение требуемой плавности хода, исходя из условий ограничения максимальных вертикальных ускорений на рабочем месте водителя и нагруженности остова, деталей подвески и осей. Данные работы, как правило, сохраняют преемственность с исследованиями плавности хода автомобилей и других колесных машин [5, 25, 43, 44, 106].
Другое направление посвящено исследованиям колебаний крутящего момента на коленчатом валу двигателя и скорости вращения вала из-за изменения силы тяги на «крюке» трактора. При этом определялись показатели динамической нагруженности трансмиссии, стабильности скорости движения агрегата, экономичности работы двигателя [3, 11, 12, 13, 30, 31, 36, 48, 66, 73,117].
Особое направление связано с исследованиями и стабилизацией хода машины-орудия и, прежде всего, навесной в продольно- и поперечно-вертикальной плоскостях. При этом, рассматривают движение агрегата как ансамбля тел - трактора и машины-орудия [8, 39, 55, 56, 57].
Закономерности бокового увода ведущих колес трактора на сминаемом опорном основании
Особенностью бокового увода колес с пневматической шиной на сминаемом опорном основании является, как известно, то, что увод обусловлен не только боковой эластичностью шины, но и скольжением ее контактной площадки из-за податливости опорного основания. Для получения аналитических зависимостей, необходимых для расчета показателей криволинейного движения агрегата и оценки его тяговых свойств, воспользуемся в дальнейшем анализе уравнениями кинематических связей М.В. Келдыша [25] и выводами Е.А. Чудакова [114] о соотношении сил и скоростей скольжения для контактной площадки шины на твердом опорном основании.
Кроме этого, применим введенное в работах [20, 21, 37] понятие опорной площадки. Под ней подразумевается тонкий слой почвы, на котором расположен отпечаток шины. Считается, что качение колеса по опорной площадке происходит без проскальзывания. Проскальзывает относительно неподвижного опорного основания сама опорная площадка.
Считаем, также, что качение с боковым уводом ведущего тракторного колеса на реальных агрофонах сопровождается одновременным скольжением опорной площадки и в продольном, и в боковом направлениях [97]. При этом скорости скольжения пропорциональны действующим в тех же направлениях силам (рисунок 2.1). где Vcyk, V k - скорость скольжения опорной площадки соответственно в боковом и продольном направлениях; P , Рх- боковая и продольная силы, действующие на колесо.
Для расчета с необходимой точностью криволинейного движения ма-шино-тракторного агрегата достаточно воспользоваться уравнениями кинематических связей, соответствующих модели бокового увода первого порядка, и даже безинерционной модели увода [25].
Такое упрощение уравнений М.В. Келдыша, как известно, получится, если пренебречь запаздыванием угловой деформации шины у по отношению к линейной у, что из физической сущности явления бокового увода будет означать прямолинейность средней линии протектора в окрестностях центра пятна контакта шины «О» на опорной площадке (рисунок 1.2).
Учитывая то, что в реальных условиях эксплуатации угол увода от боковой эластичности шины не превышает 3...40, считаем теоретическую скорость колеса в продольной плоскости равной теоретической скорости в на- -правлении движения. Следовательно Формула (2.11), полученная несколько другим способом [124], в принципе представляет собой частный случай зависимости, предложенной в работе [20]. Однако, с учетом принятых допущений, она является более универсальной, так как применима, в отличие от указанной зависимости, и для случая, когда силы Р иР соизмеримы. Выполненные по ней расчеты (рисунок 2.3) дают приемлемое совпадение, как будет показано ниже, с результатами натурных испытаний.
Приведенные зависимости свидетельствуют о значительном влиянии. буксования ведущего колеса на сопротивляемость шин боковому уводу. Так, коэффициент сопротивления уводу шины при буксовании 8% снижается в зависимости от угла увода на 35-50% по сравнению со свободным режимом качения, когда нет создающей буксования силы тяги (рисунок 2.2). Следовательно, мероприятия по улучшению сцепных качеств пневматических шин, будут действенными и в отношении боковой (курсовой) устойчивости ведущих колес трактора.
Влияние силы тяги колеса следует рассматривать также в связи с буксованием. Реализация колесом большей силы тяги приводит, естественно, к увеличению буксования колеса и, вследствие этого, - к снижению сопротивляемости боковому уводу. При определенных условиях (значительная величина силы тяги, податливая почва) составляющая увода от скольжения контактной площадки может оказаться превалирующей. В результате более эластичная в боковом направлении, но с лучшими сцепными качествами шина может совершать движение с меньшим боковым уводом, чем шина более жесткая и с худшим сцеплением
Тяговая динамика в процессе функционирования ведущего колеса при боковом уводе шины
Задача исследования заключается в том, чтобы установить параметры культиваторного агрегата и, в частности, значения коэффициентов сопротивления боковому уводу колес трактора, при которых увод ведущих колес не выходил бы за допустимые пределы. Ограничения углов увода объясняется необходимостью свести к минимуму потери тяговых качеств трактора из-за увода при криволинейном (траекторном) движении агрегата. При этом подразумевается, что водитель, управляющий пропашным агрегатом, обеспечивает его движение в заданном междурядьями коридоре.
Предварительно составим уравнение бокового (траєкторного) движения агрегата, считая его плоскопараллельным. Ограничимся наиболее простой формой их представления в проекции на связанную с остовом трактора систему координат Х0О0У0 (рисунок 2.5), где Оо - центр инерции агрегата в горизонтальной плоскости при блокированной в боковом направлении навеске культиватора. Применяя способ «замораживания» коэффициентов, считаем скорость движения агрегата V в направлении его продольной оси (оси OQX0) постоянной: V — const.
Вследствие этого силы, действующие на агрегат, в проекции на данную ось, рассматривать не будем. Согласно принципу Д Аламбера (Даламбера) запишем условия равновесия сил в проекции на ось ОоУо и равновесрія моментов относительно центра инерции О0: (2.18) P. + Y cos в + Y3 + YM - Р cos ер - Pf sin 0 = 0, MJ+bY3+cYM-aYncose + P/asme-M = 0, где M и P. — инерциальный момент агрегата относительно его центра инерции О0 в горизонтальной плоскости и сила инерции центра О в боковом направлении; Yn,Y3iYM- боковые реакции почвы соответственно на передних и задних колесах трактора и на рабочих органах культиватора; Р- центробежная сила инерции агрегата в горизонтальной плоскости; М- отклоняющий момент вследствие неравномерности тягового сопротивления по ширине захвата рабочих органов культиватора; а, Ь, с- координаты центра инерции Оо, в и Pf— угол поворота и сила сопротивления качению управляемых колес. Принимая безинерционную модель бокового увода и распространяя ее и на рабочие органы культиватора [20, 89, 125], запишем Y =К -а , где ап ,а3,ам и Кп,К3, Км - углы бокового увода передних, задних колес трактора и рабочих органов машины-орудия (культиватора) и соответствующие коэффициенты сопротивления уводу. Считая углы бокового увода, а также поворота управляемых колес в при криволинейном движении пропашного агрегата малыми по величине, и, следовательно тангенсы и синусы этих углов равными самим углам, а косинусы - единице, получим из схемы, изображенной на рисунке 2.6:
Таким образом, выходными показателями пропашного агрегата в криволинейном движении теперь будут угол увода ведущих колес трактора а3 и угловая скорость поворота Q. Входные показатели: управляющее воздейст ви - угол поворота управляемых колес в и возмущающее воздействие - отклоняющий момент М.
Такие входные показатели будут у агрегата как объекта управления. Если рассматривать агрегат как замкнутую систему управления, где одним из основных звеньев является водитель, то входным показателем следует считать только возмущающее воздействие, то есть отклоняющий момент М. Вследствие этого и решение поставленной задачи выполнены для двух указанных вариантов.
Проверка адекватности результатов аналитических расчетов и экспериментальных исследований
Проверку адекватности теоретических зависимостей и результатов экспериментальных исследований выполним на основе двух примеров, отражающих особенности плоскопараллельного движения пропашного культива-торного агрегата.
Первым из них является соотношение коэффициентов сопротивления боковому уводу и буксования ведущего колеса. Приведенные на рисунке 4.1 теоретические зависимости К (S) получены по формуле (2.11), где действующая на колесо продольная сила Рх скорректирована с учетом выражения (2.12) для силы тяги колеса Рт . Экспериментальные кривые Ky(S) построены на основе результатов натурных испытаний шин с определением при этом одновременно действующих на ведущее колесо боковых Р, и продольных Рх сил.
Вторым примером служат статистические показатели культиваторного агрегата при его движении по заданной траектории. В качестве них приняты средние квадратические отклонения 7а и спектральные плотности Sa (со) угла бокового увода ведущих колес трактора. Теоретические значения показателей получены расчетным путем по формулам (2.59 и 2.65), экспериментальные - после статистической обработки по стандартной методике [15, ПО] массива соответствующих данных по углу бокового увода ведущих колес трактора а, который был определен при натурных испытаниях агрегата. Совмещенные кривые спектральных плотностей Sa(co) представлены на рисунке 4.2.
Сравнение графиков в обоих примерах показывает, что характер изменения указанных параметров идентичен. Это свидетельствует о корректности математических моделей увода шин и плоскопараллельного криволинейного движения агрегата.
Для количественной оценки соответствия теоретических и экспериментальных исследований в качестве критерия было выбрано среднее квадрати-ческое отклонение, определяемое по известной зависимости [29]: где х., х. - значения исследуемого показателя соответственно экспериментальной и теоретической кривых; п - число измерений. Для проверки на наличие грубых ошибок [29] было определено отношение наибольшего по абсолютному значению (х — х ") к а. В данном случае это отношение меньше трех, что говорит об отсутствии грубых ошибок [29].
Относительная погрешность результатов теоретического и экспериментального исследований равна
Приняты два варианта комплектации шинами ведущих колес трактора: серийный - шинами радиальной конструкции и опытный - диагонально-параллельными шинами.
Сравнение средних квадратических отклонений угла бокового увода ведущих колес трактора, которые равны 0,35 (эксперимент) и 0,32 (расчет) при опытных шинах и соответственно 0,40 и 0,36 при шинах серийной конструкции показывает, что относительная погрешность расчета этих показателей находится в пределах 8,6 - 10,0%.
Данные таблицы 4.1 свидетельствуют о том, что относительная погрешность результатов аналитических расчетов и натурных испытаний не превышает 2,8 - 10,0%. Исходя, из указанной выше и отмеченной в таблице 4.1 погрешности, можно утверждать об удовлетворительной адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса функционирования культиваторного агрегата.
Характеристики бокового увода шин представляют собой зависимость боковой силы Р,, действующей на колесо, от угла увода а (рисунок 4.3) и соотношение боковых Р и продольных Рх сил при разных углах увода (рисунок 4.4). Обобщающей характеристикой увода для ведущего колеса, может быть зависимость коэффициента сопротивления боковому уводу от величины буксования при заданной силе тяги. На твердом опорном основании - асфальтобетоне при ведомом режиме качения колеса зависимость Р (а) имеет до определенного угла увода четко выраженный прямолинейный участок. Для радиальной шины этот угол а0 составляет 2, для диагонально-параллельной - 3,5. При большей величине угла увода зависимость
