Введение к работе
Актуальность темы исследования. Внедрение в с.-х. производство энергонасыщенной техники привело к увеличению рабочих скоростей машинно-тракторного агрегата (МТА), а значит, и к дальнейшему росту динамической нагруженности составляющих его звеньев. Возросли колебания крюковой нагрузки относительно среднего значения до 30…35 %, что привело к появлению негативных явлений во взаимодействии ходовой системы трактора и почвы.
Достижение необходимой долговечности трансмиссии и повышения производительности МТА при одновременном снижении расхода топлива и улучшении условий труда механизатора обеспечивается за счет стабилизации нагрузочных режимов и снижения динамической нагруженности как на установившемся режиме работы МТА, так и на переходном режиме разгона путем введения в трансмиссию эластичных элементов.
Использование эластичных элементов на колесных тракторах позволило существенно повысить эффективность их работы. Так, производительность повысилась на 8,5…17,7 %, расход топлива снизился на 11…21 %, а долговечность трансмиссии повысилась в 2…3 раза. Достигается данный эффект как за счет стабилизации нагрузки (повышения вероятности работы на средней нагрузке), так и за счет снижения величины максимальных динамических нагрузок.
Снижение динамических нагрузок в трансмиссии машинных агрегатов путём совершенствования конструкций тракторов является значительным резервом и в повышении их долговечности. В связи с этим защита трансмиссии и ходовой части трактора от динамических нагрузок является важной проблемой, решение которой приведет к росту производительности, долговечности и надежности работы МТА.
Степень разработанности темы. Использование упругих элементов в трансмиссии колёсных тракторов позволяет повысить эффективность их работы. Вместе с тем, степень изученности воздействия упругих элементов на работу МТА при установке их в начальном звене (муфте сцепления) механической трансмиссии достаточно невелика. Поэтому необходимо решить проблему использования упругих приводов, сочетающих в себе свойства демпфирующего элемента и муфты сцепления, для снижения динамических нагрузок на двигатель и трансмиссию, где в качестве муфты сцепления предусмотрено устройство, обеспечивающее бесфрикционное соединение двигателя с ходовой частью трактора и обладающее упругими свойствами стабилизации режимов работы при установившемся движении и постоянством времени включения в рабочее состояние.
Совмещение в этом устройстве пневмогидравлической планетарной муфты сцепления (ПГПМС) со свойствами гасителя колебаний (стабилизатора) тяговой нагрузки и автоматического устройства по фиксации времени «разрыва – соединения» потока мощности свидетельствует о перспективности её использования в сельскохозяйственных тракторах.
Работа выполнена в соответствии с федеральной программой «Развитие АПК», задание 09 – «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства»; программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. Российской академии сельскохозяйственных наук; программой научных исследований, выполняемых ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, «Комплексное решение проблемы развития АПК Нижнего Поволжья на основе инновационных технологий в условиях глобального изменения климата» (задание 08 – «Техническое оснащение хозяйства, возможные технологические и технические решения для отраслей Нижнего Поволжья», раздел 05.20.01 – «Стабилизация режимов работы скоростных машинно-тракторных агрегатов»).
Цель работы – стабилизация режимов работы МТА использованием пневмогидравлической муфты сцепления путем снижения динамических нагрузок в трансмиссии трактора и гашения резких колебаний крюковой нагрузки при разгоне и установившемся движении.
Задачи исследований:
1. Разработать механизм для установки в трансмиссию колёсного трактора с пневмогидравлическим упругим элементом, сочетающим в себе свойства муфты сцепления и упруго-демпфирующего элемента силовой передачи.
2. Обосновать методику теоретического определения жёсткости и оптимальных параметров пневмогидравлического упругого элемента.
3. Обосновать оптимальные параметры пневмогидравлического аккумулятора (ПГА) пневмогидравлической планетарной муфты сцепления путём имитационного моделирования.
4. Выполнить экспериментальные исследования по выявлению влияния конструктивных параметров пневмогидравлического упругого элемента, а также типа его характеристики на эксплуатационные и динамические показатели МТА при установившемся движении.
5. Составить математическую модель разгона, эквивалентную колёсному МТА, для оптимизации параметров планетарной муфты сцепления с пневмогидравлическим упругим элементом и проверить адекватность математической модели реальному процессу разгона в экспериментальных условиях.
6. Изучить влияние пневмогидравлической планетарной муфты сцепления в процессе разгона трактора в составе МТА на эксплуатационные показатели двигателя и обосновать экономическую целесообразность внедрения предлагаемых технических решений.
Объект исследований – процесс функционирования универсально-пропашного колесного трактора МТЗ-80Л с планетарной муфтой сцепления и пневмогидравлическим упругим элементом.
Предмет исследований – закономерности и способы повышения показателей функционирования МТА путём стабилизации нагрузочных режимов и снижения динамической нагруженности в трансмиссии за счёт использования пневмогидравлического упруго-демпфирующего элемента в моторно-трансмиссионной установке.
Научную новизну работы представляют:
- методика определения оптимальной величины жесткости пневмогидравлического упругого элемента;
- методика определения конструктивных параметров пневмогидравлического аккумулятора как упругого элемента планетарной муфты сцепления;
- аналитическое обоснование параметров пневмогидравлической планетарной муфты сцепления на установившемся режиме МТА;
- аналитическое обоснование параметров пневмогидравлической планетарной муфты сцепления на разгонном режиме МТА;
- математическая модель разгона МТА с учетом физического процесса работы гидравлического блокирующего устройства и пневмогидравлического аккумулятора.
Новизна технических решений подтверждена авторским свидетельством на изобретение № 1592173 и четырьмя патентами РФ на изобретения №2277478, №2294850, №2422695, №2422297.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в усовершенствовании трансмиссии колёсного трактора путём оснащения её пневмогидравлической планетарной муфтой сцепления, способной уменьшить динамическую нагруженность механизмов и узлов трактора при разгоне, а также снизить сопротивление рабочих машин на эксплуатационных нагрузках путём гашения резких колебаний крюковой нагрузки скоростных МТА при выполнении различного вида сельскохозяйственных работ.
Результаты теоретических исследований по определению жёсткости и оптимальных конструктивных параметров пневмогидравлического упругого элемента реализованы в опытных образцах: муфта сцепления с пневмогидравлическим упругим элементом и планетарная упругая муфта с регулируемым расходом потока жидкости.
Предложенные методики обоснования оптимальных параметров пневмогидравлического упругого элемента и его жёсткости могут быть адаптированы по отношению к МТА с тракторами других классов.
Материалы теоретических и экспериментальных исследований приняты и используются при создании новых и модернизации существующих конструкций тракторов в ОАО «Тракторная компания ВгТЗ».
Техническая документация пневмогидравлической планетарной муфты сцепления передана для внедрения и используется в ООО «Волгоградагроснаб» г. Волгоград.
Кроме того, результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Волгоградского ГАУ для студентов инженерных специальностей и для слушателей института повышения квалификации кадров агробизнеса инженерных специальностей сельскохозяйственного производства.
Методология и методы исследований. Теоретические и аналитические исследования выполнены с использованием известных положений теории тракторов, теоретической механики, гидравлики позволяющих определить закономерности взаимодействия ходовой системы трактора с почвой в реальных условиях эксплуатации МТА. Экспериментальные и полевые исследования по оптимизации параметров упругого элемента пневмогидравлической планетарной муфты сцепления выполнены в соответствии с действующими ГОСТами. Обработка экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием программ Excel, Mathcad.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
- математическая модель функционирования пневмогидравлической планетарной муфты сцепления в моторно-трансмиссионной установке при установившемся движении МТА, оптимизирующая параметры упругого элемента, обеспечивающего необходимую жёсткость трансмиссии и движителей;
- методика определения оптимальных параметров пневмогидравлического аккумулятора как упругого элемента планетарной муфты сцепления;
- теоретическое определение конструктивных параметров планетарной муфты сцепления;
- математическая модель разгона МТА с учетом физического процесса работы гидравлического блокирующего устройства и пневмогидравлического аккумулятора;
- новые конструкции муфты сцепления с пневмогидравлическим упругим элементом, обладающие возможностью их адаптации к условиям работы и способностью совмещать в себе свойства муфты сцепления и упруго-демпфирующего элемента.
Степень достоверности и апробация результатов исследований определяется теоретическими исследованиями процессов функционирования моторно-трансмиссионной установки и подтверждается экспериментальными данными, полученными в условиях эксплуатации МТА.
Результаты теоретических исследований по определению жёсткости и оптимальных параметров пневмогидравлического упругого элемента реализованы в опытных образцах.
Созданы, прошли лабораторные и полевые исследования различные конструкции планетарной муфты сцепления с пневмогидравлическим упругим элементом. Экспериментальный МТА испытывался на полях учхоза «Горная поляна» Волгоградской области и показал высокую эффективность в условиях аграрного производства.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены:
- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ (1985…2014 гг.);
- на Всесоюзной научно-технической конференции НПО НАТИ
(г. Москва, 1985 г.);
- на научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 2001 г.);
- на международной научно-практической конференции института повышения квалификации кадров агробизнеса аграрной науки, дополнительного образования и производства (г. Волгоград, 2008 г.);
- на международной научно-практической конференции (г. София
«БялГРАД» ООД, 2014 г.).
Опытные образцы, созданные на основе научных исследований, демонстрировались на выставках «Сельскохозяйственный оптовик» (г. Волгоград, 2001 г.), «Волга – агротехмаш» (г. Волгоград, 2003 г.), «Агропромышленный комплекс» (г. Волгоград, 2006 г.), «Агропромышленный комплекс» (г. Волгоград, 2010 г.), «Агропромышленный комплекс» (г. Волгоград, 2012 г.), «Агропромышленный комплекс» (г. Волгоград, 2013 г.), «Агропромышленный комплекс» (г. Волгоград, 2014 г.). На всех выставках работы отмечены дипломами.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 68 научных работ, из них 2 монографии, 18 статей в изданиях ВАК при Минобрнауки РФ, 18 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения, 30 статей в других изданиях. Общий объём публикаций составляет 32,3 п.л., из них автору принадлежит 15,6 п.л.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми разделов, общих выводов, списка литературы из 258 наименований и приложение на 63 с. Диссертация изложена на 283 с., содержит 19 табл. и 84 рис.
