Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 .Основные направления развития сельскохозяйственного тракторостроения 9
1.2. Анализ надежности трансмиссий сельскохозяйственных тракторов .. 14
1.3. Анализ надёжности универсально - пропашного трактора ЛТЗ-155..18
1.4. Анализ основных видов повреждаемости зубчатых колёс, и способы повышения их долговечности 27
1.4.1.Основные виды износа и повреждаемости зубчатых колёс 27
1,4.2.Технологическая обработка ' 32
1.4.3.Выбор материала и способа химико—термической обработки 34
1.4.4.Влияние точности изготовления и сборки узлов на их долговечность 38
1.4.5.Влияние динамических нагрузок на равномерность работы передачи. 43
1.4.6.Влияние условий эксплуатации на долговечность зубчатых колёс 45
1.4.7.Влияние эксплуатационных мероприятий 46
Раздел 2. Теоретические исследования причин пониженной долговечности конечных передач тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 50
2.1.Определение нагруженности конечных передач тракторов ЛТЗ-155 иРТ-М-160 50
2.2. Расчетная оценка контактных напряжений на зубе шестерни 55
2.3. Распределение нагрузки и напряжений по длине зуба, работающего с перекосом 60
2.4,Определение возможных величин перекосов в зацеплении шестерён конечной передачи 69
Раздел 3. Программа и методика экспериментальных исследований .76
3.1 .Программа экспериментальных исследований 76
3.2.Выбор объекта исследования 76
3.3. Общая методика экспериментальных исследований, экспериментальное оборудование 78
3.4.Тарировка и определение погрешности измерения 88
3.5.Методика проведения лабораторно-полевых испытаний трактора...91
З.б.Обработка полученных данных -..92
Раздел 4. Экспериментальные исследования нагруженности конечных передач тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 на пахоте 93
4.1 .Программа исследования фактических нагрузок тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 на пахоте 93
4.2. Результаты экспериментальных исследований нагруженности трансмиссий тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 на пахоте 94
4.3.Определение неравномерности распределения нагрузки и износа по длине зуба 101
4.4. Определение угла перекоса в зацеплении конечной передачи 108
4.5. Выводы ПО
Раздел 5. Экономическая оценка повышения долговечности конечных передач тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 112
Общие выводы 117
Список использованной литературы
- Анализ надежности трансмиссий сельскохозяйственных тракторов
- Расчетная оценка контактных напряжений на зубе шестерни
- Общая методика экспериментальных исследований, экспериментальное оборудование
- Результаты экспериментальных исследований нагруженности трансмиссий тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 на пахоте
Анализ надежности трансмиссий сельскохозяйственных тракторов
Основными показателями технического уровня тракторов является их энергонасыщенность и долговечность. Долговечность трактора определяется сроком службы его сборочных единиц. В условиях эксплуатации ресурс трактора в значительной степени зависит от технического состояния его трансмиссии, на долю которой приходится до 30% всех отказов (рисунок 1.5) [4,5,6].
Из практики эксплуатации гусеничных тракторов известно [7], что 25-30% всех неисправностей и отказов приходится на трансмиссию. Так наблюдения за тракторами Т-4А в условиях рядовой эксплуатации, выявили отказы следующих агрегатов трактора: двигатель - 40%, трансмиссия -30%, ходовая часть — 15%, гидросистема — 5%, электрооборудование — 8%, остальных узлов - 2%.
Соотношение отказов в агрегатах трансмиссии по данным Г. П. Лит-виненко [8] выглядит следующим образом: коробка передач 44-45%, главная передача 14-25 %, конечная передача 12-18 %, подшипники 11-20 %.
Согласно данным Е.А. Шувалова [9] при наработке тракторами К-701 до 3000 мото-ч в условиях машиноиспытательных станций наработка на отказ трансмиссии составила 526 мото-ч, ходовой части - 3000, вспомогательных агрегатов двигателя 1306 мото-ч.
Таким образом, наихудшие показатели безотказности среди подсистем тракторов различных марок имеет трансмиссия.
Сборочные агрегаты трансмиссии современных сельскохозяйственных тракторов работают в тяжелых условиях, которые характеризуются перемен- "" ными температурными и нагрузочно - скоростными режимами работы, динамическим характером приложения нагрузки, высокими контактными, на- -пряжениями на рабочих поверхностях зубчатых колес и подшипников качения, высокой запыленностью окружающей среды и другими.
Нагрузки, действующие в трансмиссии трактора, непрерывно изменяются как по частоте (в пределах 1...2 с) , так и по амплитуде (в пределах ± 60% средней величины) [10]. Нагрузочный режим характеризуется минимальными и максимальными нагрузками, продолжительностью их воздействия, амплитудой и цикличностью, а также частотным составом.
Таким образом, зубчатые колеса трансмиссии трактора работают в условиях действия высоких циклических нагрузок, вызванных резким переменным характером режима МТА, значительной величиной передаваемых крутящих моментов, а также другими факторами [11].
Согласно ГОСТ 19677-85 нормативная долговечность (80%-й ресурс) трансмиссии сельскохозяйственных тракторов до первого капитального ре монта для тяговых классов 1,4; 2,0; 5,0 составляет 8000... 10000 мото-ч, для остальных - 6000...8000 мото-ч. При этом установлены сроки службы от 7 до 11 лет. [6,12]. В условиях рядовой эксплуатации ресурс агрегатов трансмиссии тракторов значительно ниже нормативного и составляет 2847...4500 мото-ч до капитального ремонта [7,13], межремонтный ресурс агрегатов трансмиссии 1550...2700 мото-ч [14,15].
В процессе совершенствования конструкции машин нагруженность зубчатых колес и подшипников качения трансмиссии трактора постоянно возрастает, что обусловлено наметившейся в тракторостроении тенденцией к значительному повышению энергонасыщенности новых тракторов при сохранении их тягового усилия, габаритных показателей и одновременном увеличении срока службы до первого капитального ремонта.
Значительное повышение мощности и скорости трактора зачастую производят без существенного изменения конструкции зубчатых колес и их геометрических параметров [9]. Это связано с необходимостью сохранения преемственности конструкции, технологического оборудования и взаимозаменяемости трансмиссии новых и базовых моделей тракторов. Повышение единичной мощности машин сопровождается значительным повышением нагруженности зубчатых колес трансмиссии трактора [9]. В этих условиях особое значение приобретают факторы, влияющие на увеличение передаваемых нагрузок, а так же виды износа, которым подвержены зубчатые колеса тракторных трансмиссий в процессе эксплуатации.
В связи с этим на первое место выходят вопросы рациональной конструкции деталей, узлов и агрегатов трактора, которое невозможно правильно решать без глубокого изучения фактических нагрузок, действующих на детали и узлы, а так же без исследования особенностей работы отдельных узлов и их взаимосвязи с другими деталями.
Расчетная оценка контактных напряжений на зубе шестерни
Из теоретического расчета видно, что в среднем моменты на осях трактора при агрегатировании пятикорпусного плуга по сравнению с четырёх-корпусным увеличиваются незначительно 10-15%, и близки к расчетным для данного вида работ. Это в первую очередь свидетельствует о том, что повышение нагрузок, вызванное расширением функциональных возможностей трактора не может являться причиной пониженной долговечности солнечной шестерни бортового редуктора. Однако для полной уверенности, необходимо так же изучение фактических нагрузок, возникающих в бортовом редукторе при работе на самой нагруженной операции - пахоте.
Кроме того, помимо изучения нагруженности конечных передач и трактора в целом, следует рассмотреть и другие возможные причины уменьшения долговечности солнечной шестерни.
Известно, срок службы конечной передачи трактора лимитируется контактной прочностью зубьев шестерни. Поэтому оценку долговечности конечной передачи произведём на основе определения усталостной прочности по контактным напряжениям зубьев ведущей шестерни.
Существующая методика расчета на контактную выносливость активных поверхностей зубьев, основана на формуле Герца [72], и предусматривает определение контактных напряжений на участке профиля зуба, соответствующем полюсу зацепления. Однако как известно на полюсной линии выкрашивание рабочей поверхности не наступает, так как в этой точке профиля зуба происходит только качение без скольжения профилей один относительно другого.
Предлагаемый ниже расчет рабочих поверхностей зубьев зубчатых колёс на контактную прочность основан на определении контактных напряжений в наиболее нагруженной околополюсной зоне [102].
Для этого рассмотрим как распределяется нагрузка в зацеплении по высоте зуба (рисунок 2.3.). Энергия передаётся от шестерни к ведомому колесу по линии зацепления NjN2 в торцовом сечении (рисунок 2.3а). При меньшем ведущем колесе ножка его зуба входит в контакт с головкой зуба сопряжённого колеса в точке р2. Точка контакта, перемещаясь по линии зацепления и по профилям зубьев, проходит зоны двупарного (р2а и bpi) и од-нопарного ab зацеплений, где приведённая удельная нагрузка qn достигает максимального значения (см. рисунок 2.3. а). На рисунке 2.3.6 показано распределение приведённой удельной нагрузки qn по рабочему участку профиля зуба. В точке а, находящейся на ножке зуба шестерни и соответствующей началу однопарного зацепления, резко возрастает qn в результате выхода из зацепления предыдущей пары зубьев.
Обозначим положение контакта зубьев на линии зацепления расстоянием f, принимая за начало отсчёта точку Ni. Тогда рх = f,p2 = aw sin aw - f, а приведённый радиус кривизны для внешнего зацепления. f2 Pn=f : (2.6) awsmaw где aw- рабочее межосевое расстояние; aw- рабочий угол зацепления.
Выражение (2.6) представляет уравнение квадратичной параболы, график которой показан на рисунок 2.3а. эпюры распределения приведённой удельной нагрузки qn по линии зацепления и по профилю зуба (см. рису-нок.2.3б) показывают, что скачкообразное увеличение её до максимального значения происходит в точке а профиля зуба, в которой наиболее вероятно выкрашивание рабочей поверхности зуба шестерни, так как этот участок подвергается наибольшему числу циклов нагружения при резком возрастании qn до максимального значения, что приведённый радиус кривизны -меньше всего на участке однопарного зацепления (рисунок 2.3а), а поверхность ножек является «обгоняемой» и наиболее подвержена разрушению.
Общая методика экспериментальных исследований, экспериментальное оборудование
На основе анализа отечественного и зарубежного тракторостроения, проведённого в 1 главе, установлено, что наиболее перспективными тракто рами, на ближайшие десятилетия являются колесные тракторы с шинами равного размера тягового класса 20-3ОкН и мощностью двигателя 95-110 кВт, такие как тракторы производства Липецкого тракторного завода - ЛТЗ-155 [105] и Нижнетагильского «УРАЛВАГОНЗАВОДА» - РТ-М-160.
Родоначальником такого направления в тракторостроении является трактор Липецкого тракторного завода ЛТЗ-155. как отмечалось выше, трактор изначально создавался как универсально-пропашной трактор класса 2,0, но благодаря большой мощности двигателя и оригинальной трансмиссии, ЛТЗ-155 успешно используется с агрегатами и сельскохозяйственными машинами не свойственными данному классу: с широкозахватными сеялками и культиваторами; четырьмя зерновыми сеялками СЗ-3,6; пятикорпусным плугом ПЛН-5-35.
В 2003 году Нижнетагильский «УРАЛВАГОНЗАВОД» приступил к выпуску нового интегрального, колёсного трактора с шинами равного размера — РТ-М-160., прототипом для которого явился липецкий трактор ЛТЗ-155. РТ-М -160 являясь преемником конструкции трактора ЛТЗ-155 сочетает в себе как преимущества, так и его недостатки.
Наиболее энергоёмкой сельскохозяйственной операцией, выполняемой трактором, является пахота, которая согласно заводской инструкции по эксплуатации должна проводиться с четырёхкорпусным плугом ПЛН-4-35. Однако анализ потенциальных возможностей тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 и проведённые исследования [105], выявили, что трактор может агрегатиро-вать пятикорпусный плуг ПЛН-5-35. Однако при работе трактора с пятикорпусным плугом ПЛН-5-35 сила тяги на крюке увеличивается на 20-25% [17], что несомненно увеличивает нагрузку на трансмиссию и снижает её ресурс.
В связи с этим требуется тщательное изучение фактических нагрузок, действующих на детали и узлы трактора, а так же разработка мероприятий, способствующих уменьшению этих нагрузок, и как следствие увеличивающих долговечность составных частей трактора.
Таким образом, в соответствии с вышеизложенными и поставленными задачами, в качестве объекта исследований определен пахотный агрегат в составе трактора РТ-М-160 и пятикорпусного плуга ПЛН-5-35 (рисунок 3.1).
Полевые исследования проводили на специально оборудованных тракторах ЛТЗ-155 и РТ-М-160, работающих в составе пахотных агрегатов ПЛН-4-35 и ПЛН-5-35. Испытания пахотных агрегатов проводились на основных агрофонах и типах почв, характерных для Поволжья.
С целью исключения влияния дополнительных факторов использовались методы контрольных опытов и рекомендации по исключению резко изменяющихся факторов [106].
Для определения основных зависимостей и построения графиков, характеризующих исследуемые процессы, предусматривалось измерение следующих показателей: - усилий в механизме навески; - крутящих моментов на полуосях трактора; - рабочей скорости; - пути, пройденного трактором; - частоты вращения ведущих колес трактора; - расхода топлива за опыт; - усилия на зубе солнечной шестерни; - радиальное биение солнечной шестерни.
Все эти параметры записывались на ленту осциллографа, а такие пара метры как расход топлива, частота вращения ведущих колёс и «пятого коле са» регистрировались ещё и электронными счетчиками импульсов. Кроме пе речисленных параметров в журнале испытаний регистрировались: номер пе редачи, глубина пахоты, фон, почва, метеоусловия. - j.
Комплекс контрольно измерительной аппаратуры состоит из светолуче вого многоканального осциллографа К-20-22, тензометрического усилителя «Топаз-3-02», блока электронных счетчиков импульсов, расходомера топлива ИП-179, отметчиков оборотов ведущих колес и «пятого» путеизмерительного колеса, первичных датчиков тензозвеньев, датчика давления масла в гидро цилиндре.
Питание элементов тензометрической установки осуществляется раздельно от АКБ. С целью предотвращения «наводок» от возможных источников электромагнитного излучения все элементы тензометрической установки и корпус трактора соединялись «нулевым» проводом. Основные элементы тензометрической установки и АКБ устанавливались на платформе, расположенной на задних крыльях трактора (рисунок 3.3). Управление приборами осуществлялось дистанционно из кабины трактора.
Результаты экспериментальных исследований нагруженности трансмиссий тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 на пахоте
Целью проведения экспериментальных исследований нагруженности тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160 на пахоте является определение фактических нагрузок в трансмиссии трактора, и определение их влияния на долговечность конечной передачи трактора и в частности на долговечность солнечной шестерни. Кроме того следует отметить, что данные трактора имеют во многом схожую конструкцию, в том числе оба трактора имеют одинаковую трансмиссию. Поэтому для проведения аналогии по отказам узлов и агрегатов, необходимо знать соотношение между нагруженностью данных тракторов.
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что тяговое усилие, развиваемое тракторами ЛТЗ-155 и РТ-М-160 при блокированном приводе достаточно для агрегатирования дополнительного пятого корпуса плуга, на средних и тяжелых почвах с удельным сопротивлением 50-80 кПа, на передачах: П-2, И-3, III-1 при глубине обработки 22-30 см.
Во время работы трактора с плугом ПЛН-5-35 имеющего одно опорное колесо, при положении золотника гидросистемы «плавающее», в звеньях механизма навески: центральной тяге, вертикальных раскосах и нижних горизонтальных тягах возникают усилия (табл. 4.1), величина которых определяется тяговым сопротивлением плуга Ркр и углом действия силы тяги у ё5.
Результаты замера усилий в звеньях механизма навески получены при следующих условиях: передача II-2, П-3, глубина вспашки - 25 см, фон -стерня.
Сравнивая результаты эксплуатационных испытаний тракторов ЛТЗ-155 (см. таблицу. 4.3) и РТ-М-160 (рисунок 4.2) на пахоте выявили соответствие крутящих моментов на осях тракторов, что объясняется преемственностью конструкции трансмиссии.
Проведенный анализ результатов экспериментальных исследований также выявил фактическое распределение крутящих моментов по осям трактора. Как видно из таблицы 4.3, соотношение между нагруженностью переднего и заднего моста при агрегатировании плугов ПЛН-4-35 и ПЛН-4-35 составляет примерно 40 : 60 %. При этом следует отметить, что крутящие моменты на осях трактора имеют достаточно высокий коэффициент вариации Кв 20%, исключение составляет только задняя правая ось, у которой Кв=19,2%. Кроме того исследования выявили соотношение между нагруженностью колёс передней и задней оси, так при агрегатировании трактором плуга ПЛН-4-35 правое (бороздовое) колесо нагружено примерно в 1,3 раза больше, чем левое. А при агрегатировании плуга ПЛН-5-35 распределение моментов между колесами трактора происходит гораздо более равномерно (за счет изменения схемы движения) примерно 1:1.
Именно более равномерным распределением моментов по осям и колесам трактора, а так же равенством тягово-сцепных свойств колес левой и правой стороны, объясняется непропорциональное изменение крутящих моментов и касательной силы тяги трактора.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования по определению фактических нагрузок, возникающих в трансмиссии тракторов при агрегатировании плугов ПЛН-4-35 и ПЛН-5-35, выявили эденитичность их нагрузочных режимов; определили, что изменение моментов происходит на 10 - 15% (рисунок 4.3) и не превышают расчетные значения нагрузок для данных тракторов, в то время как касательная сила тяги увеличивается на 20-25% и происходит снижение погектарного расхода топлива на 5-8 %.
С целью определения влияния материала солнечной шестерни на её долговечность и долговечность конечной передачи, были проведены исследования по выбору материала солнечной шестерни. Так использование Липецким тракторным заводом в качестве материала солнечной шестерни планетарного ряда с 4МЯ сателлитами стали 20ХГНМТА и стали 20ХГНМТА с покрытием хромом [119] показали недостаточную работоспособность конечной передачи. Наши исследования солнечных шестерен планетарного ряда с 4МЯ сателлитами, изготовленных из стали 18Х2Н4ВА, 20ХНЗА и стали 20Х2Н4А так же указывают на низкую работоспособность и долговечность конечной передачи. Эти результаты показывают, что решение возникшей проблемы повышения работоспособности и долговечности конечных передач тракторов ЛТЗ-155 и РТ-М-160, только за счет дальнейшего повышения ле-гированности используемых сталей нецелесообразно.
