Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Опыт использования гусеничных тракторов тяговых классов 6-10 в сельскохозяйственном производстве 9
1.2. Воздействие машинно-тракторных агрегатов на почву 17
1.3. Воздействие движителей гусеничных тракторов на почву и методы его оценки 21
1.4. Критерии оценки эффективности использования техники... -. 34
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 38
Глава 2. Обоснование формы опорной поверхности гусеничного движителя трактора с полужесткой подвеской 40
2.1. Разработка модели распределения давления гусеничного трактора с полужесткой подвеской на почву 40
2.2. Обоснование геометрии опорной поверхности и горизонтальной координаты центра масс трактора с полужесткой подвеской 51
2.3. Исследование влияния формы опорной поверхности на уплотнение почвы 52
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 57
3.1. Программа экспериментальных исследований 57
3.2. Объект исследования
3.3. Регистрируемые параметры и измерительная аппаратура 58
3.4. Методика определения воздействия движителя трактора на почву методом планирования и обработки экспериментальных данных 61
3.4.1. Подготовка к исследованиям з
3.4.2. Проведение измерений 63
3.4.3. Методика планирования и обработки экспериментальных данных 67
3.5. Методика тяговых испытаний 71
3.6. Методика энергетической оценки измерений и регистрации параметров 77
3.7. Методика определения эксплуатационных показателей работы МТА 81
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 85
4.1. Исследование воздействия ходовой системы гусеничного трактора на почву 85
4.1.1. Характеристика условий проведения экспериментальных исследований 86
4.1.2. Результаты исследований влияния формы опорной поверхности, тяги на крюке и ее точки приложения на характер распределения давления на почву 86
4.2. Сравнительные тяговые испытания 97
4.2.1. Определение показателей работы двигателя 97
4.3. Сравнительная энергетическая оценка МТА 112
4.4. Сравнительная эксплуатационно-технологическая оценка МТА 118
Глава 5. Экономическая эффективность исследований 121
Выводы 126
Литература
- Воздействие движителей гусеничных тракторов на почву и методы его оценки
- Обоснование геометрии опорной поверхности и горизонтальной координаты центра масс трактора с полужесткой подвеской
- Методика определения воздействия движителя трактора на почву методом планирования и обработки экспериментальных данных
- Результаты исследований влияния формы опорной поверхности, тяги на крюке и ее точки приложения на характер распределения давления на почву
Воздействие движителей гусеничных тракторов на почву и методы его оценки
Вопросы взаимодействия ходовых систем гусеничных тракторов с почвой и обоснование их рациональных параметров освещены в работах А.С. Антонова, Е.Д. Львова, Н.А. Забавникова, М.Г. Беккера, Дж. Вонга, М.И. Медведева, Е.М. Харитончика, В.В. Гуськова, А.В. Васильева, Е.Н. Докучаевой, О.Л. Уткин- Любовцова, М.И. Ляско, И.П. Ксеневича, В.А. Скотникова, И.П. Захматова, СБ. Ешеева, А.Ф. Мута, Д.Г. Валиахметова, Ю.М. Землянского, Б.Н. Пинигина, Б.М. Куликова, Д.И. Нарадового, А.Г. Карлова и др. ученых [28-61].
Как показывает анализ литературных источников, эпюру воздействия гусеничного движителя трактора с жесткой или полужесткой подвеской на почву принято изображать в виде трапеции (рис. 1.6), высота которой равна длине опорной поверхности, а ее основание пропорционально расстоянию от вертикальной поперечной плоскости, проходящей через центр масс трактора, до поперечной плоскости, проходящей через крайнюю точку опорной поверхности гусеницы. Первые три эпюры получаются тогда, когда центр давления трактора на почву смещен вперед от середины опорной длины гусеницы. При совпадении центра давления трактора на почву с серединой опорной длины гусеницы эпюра нормальных реакций почвы отображается прямоугольником, то есть нагрузка на почву по длине опорной поверхности одинакова. По мере смещения центра давления трактора назад от середины опорной длины гусеницы, последовательно получаются три последние эпюры нормальных реакций почвы. При этом оптимальной формой эпюры удельных давлений является прямоугольник. Такое представление эпюры давлений, без учета механики грунтов [64-75], делает довольно простым аналитические выводы по их количественной оценке.
В этом случае в качестве критериев оценки уплотняющего воздействия ходовой системы гусеничного трактора на почву принимаются среднее максимальное давление и максимальные нормальные напряжения в почве на глубине 0,5м [62]. Однако уплотнение почвы зависит не только от этих величин. Для оценки степени воздействия сельскохозяйственной техники на почву
Эпюра нормальных реакций почвы на опорную часть ходовой системы трактора предложено четыре группы показателей: плотность сложения, твердость и степень крошения почвы, урожайность сельскохозяйственных культур. Среднее давление qcp - наиболее распространенный критерий, исполь зуемый в качестве одного из основных агротехнических параметров в техниче ском задании на трактор. Для гусеничного трактора qcp рассчитывают по фор муле: qcp=mr-gl{W-Fr) (1.2) тг - масса, создающая статическую нагрузку на почву единичным гусеничным движителем, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; Fr - площадь контакта гусеницы с почвой, м2.
Максимальное (фактическое) давление движителей на почву qmax определяют теоретически с помощью расчетных зависимостей и экспериментально с применением сложной измерительной аппаратуры.
Величину максимального давления на твердом грунте (предполагая, что вес трактора передается только через траки, лежащие под опорными катками) можно определить по формуле [76] qmcx GJnbt (1.3) где G3 - эксплуатационный вес трактора, п - число опорных катков трактора; b,t- ширина и шаг трака; Величину максимального давления можно определить по следующей формуле [12] qm% = Є,тх l{tb + 2jbTcp/cJ (1.4) где Qmax - наибольшая нагрузка на опорный каток; Ъ - ширина гусеницы; Тср и сср - среднее значения натяжения гусеницы на опорной поверхности и коэффициента объемного смятия почвы. Tcp=0,25D0G3+T„, (1.5) где Do=P(/Gs (здесь Р0 - окружная сила на ведущем колесе трактора); Т0 - усилие предварительного натяжения гусеницы. Для определения давления в любой точке х приведена зависимость [76] где G, - сила тяжести трактора, приходящаяся на выделенную часть движителя; к - коэффициент объёмного смятия почвы; х - продольная координата выделенной части движителя; Ъ - ширина гусеницы; Г- натяжение гусеницы на выделенном участке; /0 - длина опорного участка гусеницы. Характер распределения давления по длине опорной поверхности гусеничного движителя с эластичной подвеской можно определить по формуле[77] f Ї I2 Ta±S(c-r) «( ) =—г== —- (1.7) яЬл!12-х2 at-n где l=0,5t - шаг звена гусеницы; Ъ - ширина звена гусеницы; d - расположение катка относительно середины звена; Т- нормальная нагрузка, приходящаяся на цапфы; S - горизонтальная нагрузка на цапфы (для передних катков балансир-ных тележек плюс); а - расстояние от оси цапфы до оси рассматриваемого катка; аш - расстояние между опорными катками каждой отдельно взятой балан-сирной тележки; г - радиус катка; с - расстояние оси цапфы до звена.
Эта зависимость позволяет определить текущие значения эпюры нормальных давлений в зависимости от места расположения опорного катка на звене гусеницы.
Максимальное нормальное напряжение в почве (сгь) по ГОСТ 26954-86 на глубине h=0,5 м в килопаскалях для каждого единичного движителя вычисляют по формуле
Рассматривая оба показателя с позиций экологической совместимости ходовой системы трактора и почвы можно сделать вывод, что критерий qcp неприемлем для оценки качества функционирования системы движитель - почва, так как функциональная связь между урожаем и среднем давлением отсутствует. Следует отметить, что функциональная связь между плотностью и скважностью почвы и qcp также отсутствует. Максимальное давление движителей на почву и максимальное нормальное напряжение тоже не могут быть приняты в качестве одного из оценочных параметров системы движитель - почва, так как не дает наглядного представления об уплотняющем воздействии по колее. М.И.Ляско [ 12] установил следующий норматив показателя уплотняющего воздействия на почву для тракторов с гусеничным движителем: U 75 кН/м. и = щтЛ + Х п), (1.9) где со - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров движителя; Ятах максимальное удельное давление движителей на опорную поверхность; X - коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагружениях; п - число повторных проходов движителя по одному следу.
Обоснование геометрии опорной поверхности и горизонтальной координаты центра масс трактора с полужесткой подвеской
На современном этапе развития механизации сельскохозяйственного производства наиболее существенным резервом является повышение продуктивности полей за счет своевременного выполнения работ на базе высокопроизводительной техники и снижения воздействия ходовых систем на почву.
Существующие методы оценки воздействия ходовых систем гусеничных тракторов на почву не отражают в полной мере реальные показатели и требуют дальнейшего совершенствования и экспериментального подтверждения.
Эффективность работы сельскохозяйственного агрегата зависит от прямых эксплуатационных затрат и от качества выполнения работы (негативного воздействия ходовой системы на почву). Поэтому в качестве критерия оценки сельскохозяйственного агрегата целесообразно применять показатели учитывающие факторы качества.
Применение гусеничных тракторов высоких тяговых классов на полевых работах при одинаковой мощности двигателя позволяет на 12..30% увеличить тяговую мощность и на 15...25% снизить расход топлива на единицу работы выполнить энергоемкие работы в неблагоприятных погодных условиях и своевременно выполнить ранне-весенние полевые работы. Их использование на землеройных, дорожно-строительных и других хозяйственных работах позволяет существенно снизить их себестоимость и обеспечить более полную загрузку механизаторов.
Однако большая масса трактора обуславливает высокое удельное давление на почву и значительные затраты энергии на передвижение трактора по полю. Проблему усугубляет плоская форма опорной поверхности, что создает зону увеличенного давления на почву первым и задним опорным катком, вызывая двукратное уплотняющее воздействии на почву, более глубокую колею и, соответственно, увеличенные затраты мощности на перекатывание трактора.
Рядом исследователей высказывалась идея совершенствования движителя трактора с полужесткой подвеской за счет реализации выпуклой опорной поверхности и доказана возможность улучшения тягово-сцепных свойств трактора [29, 32]. Однако не исследовалось влияние геометрии опорной части на уплотнение почвы, а обоснование геометрии опорной части осуществляется, в основном экспериментальным путем. Недостаточно учитывалось и влияние ряда параметров трактора.
Целью работы является снижение уплотняющего воздействия на почву гусеничного трактора с полужесткой подвеской при выполнении сельскохозяйственных полевых работ путем выбора рациональной геометрии опорной поверхности.
В качестве гипотезы выдвинуто предположение о том, что обоснованная рациональная геометрия опорной поверхности трактора типа Т-170М1.03-55 с учетом свойств почвы, массы трактора и его среднего давления на почву, нагрузки на крюке и точки приложения, а также расположения центра масс трактора позволит (обоснованно подобрать геометрию и параметры опорной поверхности гусеничного обвода) уменьшить уплотняющее воздействие на почву, улучшить тягово-сцепные и технико-экономические показатели работы трактора.
Для реализации цели сформулированы задачи исследования: 1. Разработать модель характера распределения давления на почву гусеничного движителя с полужесткой подвеской, учитывающего конструкционные параметры ходовой системы и нагрузочные режимы трактора. 2. Обосновать геометрию опорной части гусеничного движителя с полужесткой подвеской, обеспечивающую равномерное давление на почву по длине опорной поверхности и установить влияния формы опорной поверхности на уплотнение почвы. 3. Оценить эффективность трактора с рациональной геометрией опорной поверхности движителя в производственных условиях.
Уплотнение почвы ходовым аппаратом трактора, как отмечалось зависит не столько от среднего давления трактора на почву, сколько от конструкции ходовой системы и контактных напряжений, возникающих в опорной поверхности в процессе взаимодействия [12,63]. При этом значение максимального давления может превышать среднее давление трактора в два и более раз. В частности для тракторов высоких тяговых классов, к которым относится трактор двойного назначения Т-170М1.03-55, оно может достигать 0,245 МПа и экстремальные значения давления смещены к краям участка контакта (рис.2.1) [18,110]. В то же время максимальное давление движителей на почву при выполнении сельскохозяйственных работ по ГОСТ 26955-86 не должно превышать 0,08.. .0,21 МПа (в зависимости влажности и времени года).
Характер распределения давления в продольном сечении контакта гусеничного движителя с полужесткой подвеской больше соответствует распределению давлений плоского штампа под действием вертикальной силы.
Решение проблемы моделирования может быть получено с помощью методов, используемых в теории упругости [111-113], когда имеют дело с идеально однородной и упругой средой. В данном анализе такое допущение может показаться неоправданным, так как почва, и это очевидно, не является таким материалом. Но необходимо иметь в виду, что усложнения, вызванные неоднородностью структуры почвы, не меняют общего характера выводов, полученных при помощи теории упругости. Более того, до разрушения при пластической деформации почва ведет себя как упругая среда и даже "появляется определенное соотношение между напряжением и деформацией, подобное тому, которое известно для твердых тел" [111].
Методика определения воздействия движителя трактора на почву методом планирования и обработки экспериментальных данных
Длина участка L=40...70 -1,5...3,0 = 60...210 м. Длину зачетного гона L принимаем в исследованиях равной 150 м. Ординаты исследуемого процесса, снятые с осциллограммы в фиксированные моменты времени с использованием устройства Ф-04 и ПОПД-12 подвергались дальнейшей обработке методами математической статистики и приводились в соответствие с измеряемыми нагрузками умножением на масштаб измерения. Полученные результаты вводились в компьютер, где по программной среде Excel 97. Для определения полной характеристики работы машинно-тракторного агрегата эти данные обработаны с получением математического ожидания М, среднеквадратического отклонения а, нормированных корреляционных функций и спектральных плотностей S(co).
Определение эксплуатационных показателей МТА осуществлялось одновременно с определением агротехнических показателей работы агрегатов в соответствии с ГОСТ 24055-88, РД 10.1.1-92, ОСТ 70.4.1-80 и ОСТ 70.4.3-82 [136-139].
Агротехническая оценка включает в себя составление характеристики опытного участка и определение показателей качества работы сельскохозяйственных машин.
При составлении характеристики опытного поля тип почвы по механическому составу принимался идентичным типу, указанному в почвенной карте хозяйства. Влажность почвы определялась весовым методом. Количество влаги в почве в % отношении определялась по формуле: =iLZl2ioo% (3.43) Чг где, qi - масса пробы влажной почвы, г; q2 - масса пробы после высушивания при температуре 105 С до постоянного веса. Плотность почвы определялась по формуле: p=B/V, г/см3 (3.44) где В - масса образца почвы после высушивания при температуре 105 С до по-стоянного веса, г; V- объем образца, см . Замеры твердости проводились в горизонтальных слоях почвы 0-10 см, 10-20 см и 20-30 см с шестикратной повторностью на каждом уровне. Твердость почвы определялась почвенным твердомером Ревякина в местах определения ее влажности и плотности. Величина твердости почвы Р кг/см определялась по формуле: P=hcpq/S, (3.45) где hep - величина средней ординаты диаграмм твердости, см; q - масштаб пружины, кг/см; S- площадь поперечного сечения плунжера, см2. Среднюю ординату в мм определяли планиметрированием диаграммы и подсчитывали по формуле hcp=F/l (3.46) где F- площадь диаграммы, мм2; / - длина диаграммы, мм. Плотность почвы замерялась с помощью почвенного бура по горизонтам 0-5, 5-10, 10-20, 20-30 см в шестикратной повторности и определяется по формуле: p=B/V, г/см3 (3.47) где В - масса образца почвы после высушивания при температуре 105С до постоянного веса, г; V - объем образца взятой почвы, см3. Для оценки качества работы сельскохозяйственных машин и орудий замерялось глубина обработки, определялась сохранность стерни, крошение пласта, гребнистость поверхности поля и рабочая ширина захвата.
Ширина захвата и глубина обработки определялось путем измерения этих параметров. Ширина захвата определялась следующим образом. После каждого учетного прохода агрегатов измерялось расстояние от правого края до левого края обработанной полосы. Глубина обработки определялась щупом в тех же точках по всей ширине захвата через 1...2 м. Количество измерений было не менее 25...30.
Крошение почвы определяли методом взятия проб в четырех точках (две по ходу и две обратно). Выемку производили на площадках 0,5x0,5 м на глубину обработки. Пробы осторожно откапывались и разделялись на фракции: свыше с линейными размерами 200 мм, 200-100 мм, 100-50 мм и менее 50 мм - на решетах методом просеивания. Масса каждой фракции определялась с точностью 50 г, рассчитывались массовая доля комков по отношению к общей массе пробы в %. Вычисления производились до десятых долей процента. Отношение массы фракции менее 50 мм к общей массе почвенной пробы является показателем крошения почвы рабочими органами машины.
Гребнистость поверхности поля определяли измерением высоты гребней с помощью метровой рейки и линейки. После прохода агрегата по ширине захвата на каждой повторности накладывали рейку длиной 1 м и по длине рейки производили 10 измерений с интервалом 10 см. Повторность измерения трехкратная.
Методика определения эксплуатационных показателей включает в себя выбор режимов работы, расход топлива, определение производительности за час чистого сменного и эксплутационного времени.
При выборе скорости движения агрегата и глубины обработки почвы учитывались агротехнические требования и условия проведения опытов. Расход топлива определялся путем измерения израсходованного топлива при обработке определенной площади пашни. Большой объем выборки позволяет судить о достоверности полученного результата. Производительность определялась методом хронометрирования.
Результаты исследований влияния формы опорной поверхности, тяги на крюке и ее точки приложения на характер распределения давления на почву
По полученным значениям параметров построены графики распределения энергетических показателей агрегата (рис.4.20,4.21).
Значения энергетических показателей пахотного агрегата с эллипсной и серийной гусеничными обводами ходовой системы приведены в табл.4.10.
Анализируя полученные данные, можно отметить, что крюковое усилие в процессе вспашки изменяется в от 27,5 до 77,5 кН с наибольшей вероятностью в диапазоне от 47,5 до 52,5 кН для трактора с серийной ходовой системой и 42,5 ... 52,5 кН для эллипсного обвода. Математическое ожидание величины крюкового усилия при эллипсном обводе составляет 51,14 кН.
Действительная скорость пахотного агрегата изменяется от 5 до 5,5 км/ч с математическим ожиданием 5,3 и 5,1 км/ч соответственно для трактора с эллипсным обводом гусениц и серийной гусеницей. Повышение средних значений крюкового усилия на 1,3% и действительной скорости на 3,8% для трактора с эллипсным обводом гусеницы дает прирост среднего значения крюковой мощности на 4,9% и составляет 75,2 кВт.
Распределение вероятностей буксования находится в диапазоне 0...16% с математическим ожиданием 4,5% для серийного и 4,2% для эллипсного гусеничного обвода.
Распределения основных показателей трактора Т-170М1.03.55 с серийным и эллипсным гусеничным обводами на IV передаче Энергетические показатели МТА при вспашке зяби с Таблица 4.10 плугом ГШУ-9-35 Типгусеничногообвода Параметр NKP, кВт р кН 5,% Уд, км/ч Пд,об/мин Серийный Математическое ожидание 71,53 50,49 4,52 5,10 1168 Дисперсия 97,25 59,94 6,58 0,17 7678,9 Среднеквадратическое отклонение 9,86 7,74 2,56 0,41 87,63 Эллипсный Математическое ожидание 75,2 51,14 4,2 5,30 1196 Дисперсия 100,81 119,64 8,96 0,18 8133,2 Среднеквадратическое отклонение 14,06 10,94 2,99 0,42 90,18 Частота вращения коленчатого вала двигателя в процессе вспашки изменялась в интервале 960.. .1360 об/мин с математическим ожиданием 1167,8 для серийного обвода и 1195,7 об/мин эллипсного гусеничного обвода. Двигатель трактора с эллипсным гусеничным обводом работает ближе к зоне номинальных значений параметров скоростной характеристики дизеля Д-160.
По результатам сравнительных энергетических испытаний трактора Т-170М1.03-55 с эллипсным и серийным гусеничными обводами можно сделать следующие выводы:
1. Выходная крюковая мощность агрегата с эллипсным обводом увеличилась от 71,2 до 75,2 по сравнению с серийным обводом при практически равных тяговых усилиях (50,49-51,14) кН и повышении рабочих скоростей от 5,1 до 5,3 км/ч.
2. Двигатель трактора с эллипсным гусеничным обводом работает ближе к зоне номинальных значений параметров скоростной характеристики дизеля и при этом расход топлива за один час основного времени составил 28,85 и 30,1 кг/ч.
Трактор перед началом проведения эксплуатационных испытаний имел наработку 150 моточасов.
Поле, подготовленное для проведения испытаний, было очищено от соломы. Агрофон поля - стерня пшеницы. Зачетные участки поля были однородными по физико-механическому составу. Влажность и твердость почвы при испытаниях представлена в табл.4.11.
Испытания проходили при атмосферном давлении не менее 96,6 кПа и температуре окружающего воздуха от плюс 5 до 20 С.
Необходимые регулировки пахотного агрегата, предварительная настройка и опробование сельскохозяйственных орудий проводились на участке, идентичном по агрофону с тем, на котором проводились испытания.
Длина гона в процессе испытаний трактора - 400 метров.
Поле, подготовленное для вспашки, разбивали на участки (загонки) шириной 125 м. Размеры участка обеспечивали кратность проходов пахотного агрегата с наименьшими потерями по времени на его холостые перемещения при разворотах.
По предварительным опытам было установлено, что на выбранных полях при вспашке движение трактора с наивысшей рабочей скоростью достигается на четвертой передаче. Поэтому определение эксплуатационных показателей пахотного агрегата проводилось на четвертой передаче.
Испытания трактора двойного назначения проводились в агрегате с опытным плугом ППУ-9-35, изготовленным ОАО "Агромаш". Сбор информации для эксплуатационной оценки МТА проводился во время контрольных смен. За контрольную смену принималась работа агрегата продолжительностью в один полный рабочий день на одном фоне при заданных режимах и с определением основных агротехнических показателей. Измерение основных эксплуатационных показателей осуществлялось в течение трех контрольных смен.
При вспашке размеченных участков определялись следующие показатели: длина участка (гона), время рабочего хода, время перевода плуга в транспортное положение, время разворота, время перевода плуга в рабочее положение, расход топлива, объем выполненной работы в течение времени основной работы.
По замеренным параметрам при эксплуатационной оценке агрегата определялись: производительность МТА за один час основного времени W0; производительность МТА за один час эксплуатационного времени WCM; удельный расход топлива на гектар обработанной площади q. Результаты испытаний трактора Т-170М1.03-55 в агрегате с плугом ППУ-9-35 представлен в табл.4.12.
Похожие диссертации на Снижение уплотняющего воздействия гусеничного трактора на почву
