автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования мобильного сельскохозяйственного агрегата путем улучшения его динамических параметров

л

\и'

Г) Національний аграрний університет

и

Хандрос Михайло Якович

УДК 631.372:631.306

Підвищення ефективності функціювання мобільного сільськогосподарської - агрегату шляхом поліпшення його динамічних параметрів

Спеціальність 05.20.01 - Механізація . сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Філіппов Анатолій Захарович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри тракторів і авгомобилів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Демидко Михайло Омелянович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації МТП; . ;

кандидат технічних наук, доцент Гурченко Олександр Петрович, Інститут механізації та електрифікації сільського господарства, старший науковий співробітник відділу механізації виробництва коренебульбоплодів.

Провідна установа - Харківський державний технічний університет сільського господарства Міністерства АПК України, кафедра експлуатації МТП

Захист відбудеться " Йі'. фе-р/ґ'ЛУ 2000 р.'о /£ годині на засіданні спеціалізованої /вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, ауд. 65, навчальний корпус З

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: м.Київ-41, вул. Героїв оборони,

11, навчальний корпус 10.

Автореферат розісланий " /О "

■ ■ ■ * /п

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради/У.. •Г. Войтюк

Актуальність теми. В умовах сільськогосподарського виробництва рух грегатів характеризується коливаннями зовнішнього навантаженення, їх оступальної швидкості та кутової швидкості двигуна, які викликаються ерівностями поверхні поля, змінними фізнко-механічними властивостями грунту і ослин та нестабільністю інших факторів. Наслідком коливань навантаження є ниження середніх значень енергетичних показників двигуна порівняно із ідповідними даними технічних характер истігк та зниження фактичної родуктивності всього агрегату порівняно із розрахунковою.

На енергомістких технологічних операціях зниження потужності сягає 10 -5%, а збільшення питомої виграти палива 10%, при несприятливих умозах - 30% і 6% відповідно. Необхідність нейтралізації і правильного врахування негативного пливу усталених коливань зовніиіного навантаження визначає актуальність даної оботи.

Мета і задачі дослідження. Мета - підвищення енергетичних показників і родуктивності мобільного сільськогосподарського агрегату при усталених зливаннях зовнішнього навантаження шляхом раціонального вибору його ішамічних параметрів .

Задачі:

1. Статистичний аналіз особливостей коливань енергетичних показників обільних сільськогосподарських агрегатів в усталених динамічних режимах зботи.

2. Розробка математичних моделей функціонування мобільних льськогосподарських агрегатів при змінному усталеному навантаженні.

3. Визначення раціональних співвідношень між динамічними параметрами, <і забезпечують поліпшення енергетичних показників агрегату' в експлуатаційних ловах.

4. Розробка методики інженерного розрахунку енергетичних показників -регату при змінному усталеному навантаженні.

Об’єктом дослідження є тяговий сільськогосподарський агрегат з жорстким 5о пружним зчепом при виконанні прямолінійних робочих ходів, а предметом ^слідження — прямолінійний нерівномірний рух агрегату під дією змінного ;таленого навантаження.

Об’єктами експериментального дослідження були обрані транспортний регат з жорстким та пружним зчепом, орний агрегат з причепним плугом та шосозбиральний агрегат.

Наукова новнзна. Результати досліджень мають такі елементи новизни.

1. Одержані додаткові дані про спектральні щільності та статистичні оментні характеристики коливань енергетичних показників транспортного

агрегату з жорстким га пружним зчепами, орного та силосозбирального агрегатів на різних робочих швидкостях. Для спектральних хдільностей отримані аналітичні вирази.

2. З рівнянь складових елементів із загально прийнятим рівнем формалізації, застосованих в оригінальній комбінації, отримано нові нелінійні рівняння дизельного двигуна при роботі із змінним усталеним навантаженням, та в’язким демпфером, прямолінійного руху агрегату з жорстким та пружним зчепом.

3. Розроблено новий варіант методу еквівалентної лінеарізації дифференційних рівнянь руху, який враховує несиметричний, нелінійний характер статичної швидкісної характеристики агрегату при роботі дизеля на регуляторі та негармонійний і негаусовий характер коливань кутової швидкості останнього на сільськогосподарських операціях.

4. Введено два нових критеріальних динамічних параметри двигуна. Визначено область значень цих параметрів, в межах якої забезпечується відсутність резонансних коливань кутової швидкості дизеля за будь-якої форми спектральної щільності коливань зовнішнього навантаження (зону інваріантності динамічної системи дизеля до резонансів).

5. Здійснено аналіз і оригінальну класифікацію втрат потужності на три якісних складові: втрати, викликані нелінійною формою статичної регуляторної характеристики дизеля, втрати, викликані інерційністю робочого процесу, втрати, обумовлені виникненюш паразитної потужності.

6. Виведеш оригінальну двопараметрову формулу буксування, яка не мас алгебраїчних особливостей і дійсна на всій області можливих значень буксування.

7. Розроблені оригінальна методика інженерного розрахунку енергетичних показників агрегату та його частин. Розрахунок базується на комп’ютерній технології і враховує особливості частотного спектру зовнішнього навантаження, статичних та амплітудно-частотних характеристик агрегату і дизельного двигуна.

Практичне значення. Практичне значення виконаної роботи полягає в тому, що вона розширює межі існуючих уявлень про динаміку мобільного сільськогосподарського агрегату і механізм впливу змінного усталеного навантаження на його енергетичні показники. Розроблені методичні підходи, рівняння та алгоритми мають достатньо універсальний характер і можуть бути використані в наступних дослідженнях динаміки різних типів мобільних, сільськогосподарських агрегатів та тракторів.

Практичне значення роботи також випливає з можливості використання отриманих експеримент ашіих результатів, рівнянь та комп’ютерних програм при тягових розрахунках мобільних агрегатів, а також при проектуванні тракторів і дизелів сільськогосподарського призначення. Деякі з розроблених в даній дисертації комп’ютерних програм до цього часу вже були використані багатьма іншими дослідниками при динамічних розрахунках га обробці експериментальних даних. Практичне застосування дисертації полегшується великою кількістю

таблиць статичних та динамічних параметрів агрегатів, коефіцієнтів формули буксування на різних фонах та ін.

Особистий внесок: здобувача. Основні результати дисертації автором отримані самостійно. При формулюванні задач дослідження використані ідеї к. т. н. А. П. Терехова та д. т. н. В. Г. Євтенка.

Апробація результатів. Основні результати роботи доповідалися і були схвалені на таких семінарах, засіданнях га конференціях:

Республіканська конференція “Математические методы прогнозирования производства” (Київ, 1970);

Республіканська конференція “Технический прогрес и перспективы развития комплексной механизации сельского хозяйства” (Київ, 1970);

Засідання конструкторської секції науково-технічного товариства ХТЗ (Математичне моделювання мобільних сільскогосподарських агрегатів на ЕЦОМ. Харьків, 1971);

Всесоюзная научно-техническая конференция “Инженерные проблемы кибернетики в сельском хозяйстве” (Ленінград, 1974);

Науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу факультету механізації сільського господарства НАУ (Київ, 1996 ... 1999 роки);

Другий науково-технічний семінар з поліпшення показників теплових двигунів та ресурсозбереженню. (Мелитопіль, 1996);

Публікації'. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 12 друкованих роботах, зокрема в 4-х брошурах та 8-х наукових статтях. Крім цього опубліковані тези трьох доповідей з цього питання. З інших питань опубліковані дві брошури, три наукових статті та два авторських свідоцтва.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і рекомендацій, списку використаної літератури, який містить 222 найменування. Налічує 313 сторінок, 34 рисунки, 37 таблиць, 311 нумерованих формул.

ЗМІСТ РОБОТИ

1. Стан питання і програма досліджень. У цій главі уточнена існуюча термінологія, визначена база для порівняння показників роботи агрегату в статичних та динамічних режимах, проведено огляд і критичний аналіз сучасного стану досліджень усталених динамічних режимів функціонування мобільних сільськогосподарських агрегатів, здійснено вибір напрямків власних досліджень для розв’язання поставлених задач.

Усталеним динамічним режимом роботи агрегату вважається такий, коли зовнішнє навантаження, кутова швидкість двигуна та інші показники є

стаціонарними функціями часу, тобто за певний період роботи мають сталі середні' значення та дисперсію. Статичним режимом вважається такий, коли зазначені показники на певному відрізку часу підтримуються сталими. Характеристики двигуна, отримані в лабораторних умовах, вважаються статичними. Для кутової швидкості та крутного моменту двигуна поняття сталості відноситься до їх середніх значень за цикл. В експлуатаційних умовах режим роботи мобільного сільськогосподарського агрегатує динамічним.

В даній роботі за базу для порівняння статичних і динамічних режимів прийнято середнє значення змінного усталеного навантаження. Порівнюються показники таких динамічного та статичного режимів, для яких середнє значення змінного навантаження і певне значення сталого навантаження збігаються. Погіршення показників мобільного сільськогосподарського агрегату в експлуатаційних умовах оцінюється в порівнянні з відповідним статичним режимом.

В главі проаналізовано внесок в проблему погіршення показників двигуна та агрегату в цілому таких вчених як В. Н. Болтінський, А. К. Юлдашев, А. Б. Свірщевськпй, В. Г. Євтенко, О. А. Гольверк, Г.М. Кутьков, С. А. Агеєв, А. М. Лисов та ін. Особливості змінного усталеного навантаження сільськогосподарських агрегатів вивчалися В.Н. Болтінським, В.М. Василенко, Ю.К. Кіртбая, В.П. Росляковим, А.Б. Лур'є, О.О. Юшишім, В. Г. Євтенко, А. А. Болотіним. ■

2. Статистичний аналіз динамічних режимів агрегату. Аналіз змінних усталених динамічних показників здійснювався з допомогою математичного апарату випадкових стаціонарних процесів. Експериментальні осцилограми для тягового зусилля, крутильного моменту на ведучих колесах, крутильного моменту та кутової швидкості фіксувалися через проміжки часу 0.05 с або 0.1 с і у вигляді дискретних числових послідовностей вводилися в комп’ютер. За цими послідовностями визначалися середнє значення, дисперсія, коефіцієнт варіації, асиметрія, ексцес та спектральна щільність. Асиметрія та ексцес слугували критеріями нормальності розподілу досліджуваних параметрів.

Спектральна щільность показника визначалась за формулою

5*=4т^- . о>

2Д^

де ак і Ьк - коефіцієнти Фур’є для частоти щ, визначені для функції, зафіксованої через дискретні проміжки часу за формулами Бесселя; Ь.ц/ - крок за кутовоїс частотою, що залежить від довжини осцилограми в с, Ау/= 2л/Т.

Взаємна спектршіьна щільность крутильного моменту та кутової швидкості через коефіцієнти Фур’є цих: показників визначалася за формулою

о я*А* +ЬкВк _ ,акВк-ЬкАк

ҐОЛ

Оскільки в літературі при тлумаченні спектральної щільності часто зустрічаються неточності, виникла необхідність уточнити її фізичний зміст в механічних системах. Спектральна щільність швидкості - це розподіл змінної кінетичної енергії мас агрегату за частотами. Спектральна идільность крутильного моменту - це розподіл потенційної енергії деформації валів за частотами. Дійсна частина взаємної спектральної щільності крутильного моменту та кутової швидкості - це розподіл змінної потужності по частотах.

При коливанні навантаженій для забезпечення усталеного руху, порівняно із статичним режимом в динамічній системі агрегату, повинні бути запасені додаткові порції кінетичної і поступальноі енергії

ЛЕ Леї >ДП = —— а2м , (3)

2 20-Ір

де агш, аі, — дисперсії кутової швидкості та крутильного моменту; І, Ір -динамічний і геометричний моменти інерції валу; /. С - довжина і модуль пружності валу.

Ця додаткова енергія витрачається на подолання тягового опору робочої машини. Середня потужність, що споживається тяговім навантаженням при лінійній залежності тягового опору від швидкості, дається формулою

N =а0У0 + аіУ02 +а,сг^ , (4)

де «о, «і - коефіцієнти лінійної залежності; Л'о, а\- середнє значення і дисперсія швидкості.

Витрати потужності на виконання технологічної операції при коливаннях більше на величину а], су у, ніж при статичному режимі. Збільшення витрат потужності має місце не тільки на робочих органах, айв трансмісії та двигуні - всюди, де

механічні втрати залежать від швидкості.

Оскільки в досліджуваному інтервалі частот коливань зовнішного

навантаження (0 ... 20 с'1) спектральні щільності змінних показників мають один

істотний пік, то для їх аналітичного подання використовувався вираз

Ь}

(гг->!)’+№ ’ (5)

де />о, Ь\, Ьг - сталі коефіцієнти, Ь\ і Ьг — мають розмірність частоти, а Ьа досліджуваного показника.

Коефіцієнти підбираються таким чином, щоб у аналітичного виразу (5) та обчисленої за експериментальною осцилограмою спектральної щільності збігалися дисперсія Ох та головний максимум 8тах на частоті Алгебраїчно задача пошуку коефіцієнтів зводиться до розв’язання кубічного рівняння відносно величини Ьг. Завдяки використанню аналітичного виразу для спектральної щільності вдається досягти значного ступеня згортання та концентрації

експериментальної інформації. Замість кількасот ординат спектральної щільно для аналізу достатньо зберігати три коефіцієнти.

3. Мзтеуіатична мотель агрегату в усталеному русі. В цій главі мобіліл сільськогосподарський агрегаг (МСА) розглядається як динамічна сисгеї характер руху якої визначається взаємодією двигуна, трансмісії, ходової частини робочих органів, мас між собою та із зовнішнім середовищем. Розрахункова схе агрегату подана на рис. 1.

Отримані на стенді статичні швидкісні характеристики двигуна описувалі такими виразами:

де аа, «і, Д, Ри jh-сталі коефіцієнти; а - к)ТОва швидкість.

Коефіцієнти з формули (6) визначатися методом обраних точок або метод найменших квадратів. Обиратися точки, що відповідають максимальному момен-номінальному моменту та холостому ходу. Обчислені коефіцієнти для 25 мар дизелів, результати цих обчислень зведені в таблицю, з якої видно, що жорсткіс регуляторної гілки статичної характеристики для тракторних дизелів змінюється межах від 6.19 (Д-21А) до 124.23 (дизель Д-130), двигун Д-240 має ja,j=$.l СМД-62- 34.94.

Статичні регуляторні характеристики дизелів істотно нелінійні. Врахуван цієї нелінійності дозволяє пояснити значну частину втрат потужності і знижен: швидкості агрегату, але одночасно обтяжує розрахунки. Тому цю нелінійніс необхідно лінеаризувати, але таким чином, щоб збереглися основні дослідокува ефекти. Оскільки стандартні методи лінеаризації в даному випадку виявили непридатними, було розроблено нову модифікацію методу еквіваленти лінеаризації, який застосовують в теорії нелінійних коливань. У відповідності цим методом нелінійну залежність F(cu) заступає лінійна L(ai)-q0 + q^co, яка і певному інтервалі зміни кутової швидкості має однакові з F(ri) середи крутильний момент і середню жорсткість. За таких умов коефіцієнти до та визначаються формулами:

де а>, А- середнє значення та середня амплітуда коливань кутової швидкос двигуна, А = 1.7аш (для гармонічних коливань А = 1.41 для коливань нормальним розподілом ординат А = 1.25аД

й)>соп (О < со„

(6)

ъ = +-А)2] “ ®іК ~ (" + А)]|

% = 2^{а>К ~ (®- а)] + |а[^» -("- А)2] + \p\vI ~ ~ А)3]+

+a0[(oJ+A)-(y„]+iai[(w+-A)2, (8)

сгов трактора; 2 — рама робочої машини; З — ведені колеса; 4 — ведучі колеса рактора; 5 — маховик двигуна; 6,7 —махові маси трансмісії; 8 — жорсткіш зчеп; 9 — олієний хід машини; 10 - робочі органи.

Виходячи з відомих рівнянь руху колінчастого валу двигуна як твердого отора, залежності між статичним та динамічним моментом двигуна при зливаннях навантаження та рівняння відцентрового регулятора, як складових гементів, було отримане нове рівняння двигуна при роботі зі змінним усталеним авантаженням. Це рівняння має вигляд

^+1^+0)$+1^=^Ь^^-(к+0)^-Мс(О, (9)

ї І— зведений момент інерції рухомих мас двигуна; у. О — сталі часу (інерційності) ;гулятора і робочого процесу; М*— навантаження на валу двигуна.

а основі аналізу та математичної обробки даних літературних джерел була сладена таблиця значень параметрів І, у, © для 13-ти марок тракторних дизелів, тдно даних таблиці момент інерції двигуна коливається в межах від 1.2 (Д-37 Е)

5 5.2 кгм2 (ЯМЗ-238 НБ), величини уу межах 0.031 (СМД-60) -0.111 с (Д-65 А), у межах 0.094 (Д-240) - 0.148 с (Д-35). ’

Заміна нелінійної функціональної залежності ¥(гі>) еквівалентною лінійною » дозволяє замість нелінійного диференційного рівняння (9) отримати дповідне лінійне. За лінійним диференційним рівнянням визначається квадрат з дуля частотної характеристики двигуна

Після алгебраїчних перетворень раціональна функція (10) набуває вигляду

Тут і/„- власна частота двигуна;/- безрозмірна частота коливань; /.(/) - коефіцієг динамічності двигуна; £\ і ~ безрозмірні параметри динамічного режиму. Дг. існуючих дизелів £ = 0.5 -1.8, с,г = 0.9- 3.1 і при цьому обов’язково £>

Дисперсія кутової швидкості двигуна визначається за формулою

де Бм( у) - спектральна щільність зовнішнього навантаження; ц/т- межа робочог діапазону частот.

Для мобільних с.-г. агрегатів величина у/т не перевищує ЗО сл.

Середне квадратичне відхилення кутової швидкості є динамічним критерієї роботи агрегату і його двигуна при змінному усталеному навантаженні. Чим менш ця величина, тим краще за однакових інших умов працює динамічна системг Формула (12) дає підхід до вибору динамічних параметрів агрегату. Оскільк: функція 5м((/) в умовах даної задачі є відомою, то для визначення динамічни параметрів використовувалася умова

Виконання умови (13) для двигунів 1 і 2 у всьому робочому діапазоні часто гарантує, що <т1и < и-и., тобто ия умова є достатньою.

Аналіз динамічного коефіцієнта показав, що графіки функцій М/) і залежності від співвідношення параметрів ^ і £2 можуть бути 3-х типів: монотонні спадаюча функція, що має максимум, рівний 1, в точці / = 0; функція, що маї мінімум, рівний 1, у точці/= 0 і максимум на частоті/= 0.4 ... 1.0; функція, що маї мінімум ДО) = 1, а далі послідовно мінімум і максимум в інтервалі частот 0.8 ... 2.4 Коефіцієнти динамічності сучасних тракторних дизелів сільськогосподарськоп призначення відносяться до другого типу; в зоні частот 0.2 ... 1.4 динамічниі коефіцієнт для них в кілька разів більший 1, що викликає збільшення середньо амплітуди коливань кутової швидкості. Для зменшення втрат потужності і експлуатаційних умовах, динамічні параметри Е,\ та треба вибирати так, щоб

(Н)

Де <7 = |<7,|, =р4і = */„/■

Ч*т

(12)

0

(13)

Рис. 2. Область значень безрозмірних динамічних параметрів дизеля: 1 -эаниш комплексних коренів характеристичного рівняння; 2 і 3 - граніщі від’ємних зренів; 4 - границя стійкості динамічної системи.

зиві М/) відносилися до першого або третього типу, причому другий максимум ЗИВОЇ третього типу повинен бути меншим 1.

У відповідності з формулою (11) і розробленим комп’ютерним алгоритмом /ла визначена область значень параметрів £\ і £,ь в якій величина

!< 1. Ця область на рис. 2 подана штрихуванням. Динамічні параметри дизеля юбхідно обирати в межах цієї області. Оскільки незалежних динамічних іраметрів І, к, 0, ц - чотири, а критеріальних безрозмірних параметрів тільки два, і умови вибору раціональних динамічних режимів роботи дизеля накладають імеження не на самі значення параметрів, а тільки на співвідношення між ними.

Ефективним корегуючим засобом, який нейтралізує коливання зовнішнього івантаження, с в’язкий демпфер. Принияп дії демпфера грунтується на взаємодії щінчастого вала з додатковим маховиком через шар в’язкої рідини у аповідності з дифереіщійним рівнянням

А і

(16)

ю

де юл, Ц /А - кутова швидкість, момент інерції та зведена в’язкість демпфера. І рівняння аналізувалося спільно з рівняннями (9) і (11), в результаті чого бу; отримані диференційне рівняння та частотна характеристика двигуна з демпферо; Частотна характеристика двигуна з демпфером визначається 6-ма динамічній параметрами у, 0, Ц\,ц, 1, !<#.

Відомі методики розрахунку демпфера грунтуються на тому, що останн повинен гасити коливання певної частоти. Специфічна робо' сільськогосподарських агрегатів полягас в тому, що цей демпфер повинен гасити усі коливання в робочому діапазоні частот. Аналіз частотної характернетш двигуна з демпфером показав, що за розрахункову частоту можна прийняти власі частоту двигуна. При цьому умова (13) виконується на всьому робочому діапазо частот. Динамічні параметри демпфера визначаються за формулами:

. , (15)

<7

де і параметр частотної характеристики двигуна з демпфером (обирається рівни 30 Н.мс). Конструктивні параметри демпфера зв’язані з динамічним співвідношеннями:

, = М(л?л+ *3І+= + * +|]

де г}, р - динамічна в’язкість рідини демпфера [Н-с■ .и'2] та густина матеріал маховика [кгл*°]; Ц Кь Я? - ширина та радіуси зовнішньої і внугрішньї циліндричних поверхонь маховика [л]; Н - зазор між маховиком та корпусом [л*].

При змінному навантаженні в балансі потужностей двигуна порівняно статичним режимом з’являються додаткові складові. Середня ефектові

потужність, розвинута двигуном

К = Н0-ДК-??М+Ї^ , (17)

де N0 - статична потужність; ЛЫ - втрата потужності в зв’язку з нелінійніст статичної регуляторної характеристики; Км - втрати потужності в зв’язку запізненням зростання динамічного моменту при збільшенні циклової пода палива; - паразитна потужність.

Механізм зниження потужності двигуна із-за нелінійності статичн

характеристики показаний на рис. 3.

Зменшення динамічного моменту двигуна порівняно із статичним в зв’язку запізненням визначаються формулою

ІлА

М = М0 - А<тшц—п------- , (18

Ы1

Є)

Рис. 3. Механізм зменшення кутової швидкості і потужності дизеля при адливаннях зовнішного навантаження: а) регуляторна характеристика, 1 -жвівалентна лінійна характеристика; б) змінне зовнішнє навантаження; в) характер (мінення кутової швидкості, 2 - при роботі на регуляторній г ілці характеристики, З - при роботі на корекгорній гілці.

іе 5*- значення спектральної щільності на частоті щ; М0 - статі гчний момент івигуна.

Величина ук визначається шляхом інтегрування функції

у(і) = ",-----1] --р=-і==С05(^^/-/), 0 <1<~,

у(і) = -соі(гкі) , (19)

¥к

1 . 0 соб/ = Втг = ~ї===Ц==*

^9 і/І+І

Іаразитна потужність виникає із-за неузгодженості по фазі коливань навантаження а кутової швидкості, вона генерується двигуном але не може бути використана на

корисну роботу. Величина її на частоті і// визначається формулою

Середнє значення паразитної потужності по всіх частотах - величина від’ємна. ]з перевитрати паніпа на створення середнього крутильного моменту та живлен паразитної потужності питома витрата лачива в експлуатаційних умовах порівня із статичними режимами збільшується.

Для динамічних розрахунків в роботі застосовується оригінальна форму буксування

де Ги г2 - коефіцієнти, що визначаються за експериментальними даними; ср = Р*/С Р*. - рушійна сила трактора; Ос - зчіпна вага.

Ця формула не має алгебраїчних особливостей і справедлива на всій облас можливих значень буксування. Параметри гі і г2 близькі між собою за величино) але завжди г2> г\. Величина г-, змінюється у межах 0.24 ... 2.61, а г2 у межах 0.24 2.67. Із збільшенням щільності грунтового фону та зчіпної ваги г\ та зменшуються, для гусеничних тракторів воїш менше за абсолютною величино! ніж для колісних. В роботі наведена таблиця коефіцієнтів г\ і гг для тракторів Т-2 Т-40АН, МТЗ-50, МТЗ-80, Т-150К, Т-150, К-700 та ін. на різних агротехнічні фонах.

На основі рівшннь (6), (7), (9), (21) у відповідності з розрахунковою схемо! (рис.1) було отримано диференційні рівняння усталеного руху трактора та агрегат}

З = 1 - е~г^ + —5— г2~г1 Г2 - Г1

г, -г,

(21)

(22)

(23)

це ті, ті - поступальні маси трактора та робочих машин; от,— зведена маса грактора; у - коефіцієнт зведення обертальних мас трансмісії та рушіїв до остова грактора; Р, Р/ - тягове зусилля та опір перекочуванню трактора; V - поступальна ивидкість; С!о, коефіцієнти статичної швидкісної характеристики трактора; д-эуксування рушіїв грактора; гк- радіус ведших коліс або початкового кола ведучої іірочки; іт цт - передаточне число та коефіцієнт корисної дії трансмісії; Я -гяговий опір робочих машин.

У відхиленнях змінних V і Р від своїх середніх значень рівняння трактора має гакий вигляд

іе £і, £,2 - безрозмірні динамічні параметри грактора; г - безрозмірний час; ц/п-їласна частота, 0 = -0\.

З діапазоні досліджуваних робочих частот трансмісія агрегату вважалася короткою. Така гіпотеза відповідає дійсності, оскільки крутильні коливання валів Збуваються в більш високому діапазоні частот. Тому для вибору динамічних іараметрів трактора та агрегату можна застосувати той же самий метод, що і для ікремого двигуна у відповідності з діаграмою на рис.2.

Для полегшення наступних динамічних розрахунків агрегатів в даній роботі іули складені таблиці динамічних параметрів для 10-ги марок тракторів з ксплуагаційними масами від 1.23 до 12 т, на п’яти робочих передачах. З таблиць идію, що зведена маса тракторів змінюється від 2.6 т (Т-25 А) до 867 т (К-700). )сновну частину зведеної маси гусеничних тракторів складає маса рухомих іеталей двигуна. На передачах, де реалізується гяговий клас трактора, ця доля кладає 80% ... 90%, а на транспортних передачах - не менше 55%. Для колісних ракторів на низьких передачах доля двигуна 80 ... 85% загальної маси, але на исоких транспортних передачах головну роль відіграє поступальна маса, питома ага якої сягає 80%. Жорсткість швидкісної характеристики тракторів в робочому ;іапазоні передач змінюється у межах від 7.4 до 650 Нс/м.

Жорсткість швидкісної характеристики тракторів в робочому діапазоні ередач змінюється у межах від 6.4 до 1400 Нс/м, власні частоти -факторів лежать межах від 1.4 до 10.1 с\ динамічний коефіцієнт £,\ змінюється в межах від 0.007

о 0.56, ^2 від 0.16 до 1.53. В багатьох випадках, не зважаючи на те, що стійкість оботи агрегату забезпечується, пари значень (&, £г) виходять за межі допустимої бласті (рис. 2), і виникає небезпека зменшення потужності і перевитрати палива. Цоб позбутися цього негативного явища, треба збільшувати момент інерції

(26)

двигуна, зменшувати інерційнісгь регулятора або застосовувати в’язк низькочастотний демпфер.

В роботі також вивчався вплив на ефективність роботи мобільного агрегг такого корегуючого пристрою як пружний зчеп. Визначалися умови, коли п змінному усталеному навантаженні пружний зчеп дає гарантований позитиви ефект. Робота пружного зчепу вивчалася з допомогою диференційного рівняння

сі% сҐ'К, с(3К, й2Ух (1\\ „

а^+а^+а^+а21Г+а>^Г+а^^

, с/'Я . с/2Я ,сЖ , _

= ^ + ’ а}=т,т2\®, а4 = т,т2(і>+0)+ т,НV© + тгНV©, (27)

а2 - т,т2 + т,С\<Е) + тгСі© + т,Н(у+в)+ т2Н(у+<д), а2 =;и,С(у40)+ тгС(у+0) + тг<2+ Ш'Н + тгН, о, = т,С + т2С + ()Н, а0 = ОС,

Ь} =-у©Н, Ьг = -(у + 0)Н-Сл£>, й,=-Н -С(уч-О), Ь0=-С .

В цьому рівнянні V], Я - відхилення середньої швидкості трактора та тягової опору машин від своїх середніх значень, С - жорсткість пружного зчепу [Я/лі], Н коефіцієнт демпфірування [Нс/м]. Агрегат з пружним зчепом має сім незалежнії динамічних параметрів т,, т2, С, у, ©, Н, 0>.

Параметри пружного зчепу повинні бути підібрані так щоб виконувалас умова доцільності, коли на всьому робочому діапазоні частот зовнішньог навантаження модуль частотної характеристики агрегату з пружним зчепо; |ф;(/>)| менше відповідного модуля агрегату з жорстким зчепом |Ф2(/у)|, аб

відношення цих модулів X менше ]. Процедура визначення параметрів пружног зчепу полягала в тому, шо для кожного набору параметрів т,, у, 0, <3, я і характеризують певний трактор, на комп’ютері підбиралися значення т2, С і Н, яь

б забезпечили виконання зазначеної умови або якесь прийнятне наближення до не; На жаль, в загальному випадку отримати таку комбінацію не вдалося, хоч і бул переглянуто десятки тисяч можливих варіантів параметрів. Була знайдена област значень параметрів, в якій умова виконується приблизно. В цій області відношенні тг/т, - величина мала, Оіт, — достатньо велика, а жорсткість <3 значно більша С демпфірування Н.

При такому співвідношенні динамічних параметрів вплив пружного зчегп визначається критеріальними параметрами щ, £ та безрозмірною частотою/

2 С , Н >//

Параметри пружного зчепу повинні бути підібрані так, щоб ^ = 2.5, а власна частота зчепу щ була в 1.5 ... 2 рази менше від власної частоти трактора у/„ на найнижчій робочій передачі. Зменшення інерційності регулятора та робочого процесу двигуна дозволить розширити границі доцільності використання пружного зчепу.

4. Експериментальні дослідження. В главі подана програма та методика експериментальних досліджень, методика динамічних розрахунків та їх комп’ютерне забезпечення, наведені результати експериментальних досліджень, виконано аналіз впливу динамічних показників двигуна на ефективність роботи агрегату.

Щоб дослідити вплив різних можливих типів зовнішнього навантаження, були використані такі експериментальні об’єкти: транспортний агрегат у складі трактора МТЗ-50ПЛ з двома причепами 2-ПТС-4, орний агрегат у складі трактора Т-74 з плутом П-5-35 “Труженик”, трактор Т-150К з силосозбиральним комбайном КС-2.6А, а також спеціально виготовлений пружний зчеп для транспортного агрегату.

Під час досліджень транспортного агрегату змінними керованими факторами були маса вантажу в причепах і передаточні числа трансмісії; для орного агрегату -передаточні числа трансмісії га робоча ширина захвату (кількість корпусів); для силосозбирального агрегату - передаточні числа. В процесі досліджень транспортного агрегату на осцилограмах фіксувалися тягове зусилля та крутильні моменти на ведучих колесах трактора, орного - тягове зусилля, крутильний момент і кутова швидкість двигуна, силосозбирального - крутильні моменти на вшіу відбору потужності та ведучих колесах, які приводилися до валу двигуна.

Результати експериментів представлені у вигляді таблиць. У таблицях містяться номер досліду, кількість точок (замірів), знятих з осцилограми, середнє значення показника, асиметрія, ексцес, числові значення критеріїв нормальності. Крім того, в таблицях наводяться дисперсія, параметри піка спектральної щільності, швидкості руху з пружним та жорстким зчепом, ефективна потужність, годинна витрата палива та ін.

Експерименти показати, ідо в більшості випадків розподіл значень тягового зусилля, крутильних моментів на колесах та кутової швидкості двигуна не може вважатися нормальним (гаусовим). На транспортних роботах частоти, на які припали максимуми спектральних щільностей тягового опору, змінюються в межах

0.1 ... 23 с'\ із збільшенням швидкості руху агрегату спектри помітно зміщуються у бік більш високих частот. Найбільше падіння потужності порівняно із статичним режимом складало 30%. В динамічних режимах середня кутова швидкість двигуна Д-48ПЛ, була на 20 ... 35 сл нижча за статичну, тобто при змінному' усталеному навантаженні має місце те саме явище, яке помітив В. Н. Болтінський при розгоні дизеля Д-35, коли навантаження теж змінне, але неусталене. Випробування пружного зчепу показали, що в більшості випадків він дає невеличке збільшення швидкісті руху на 2 ... 5%. В окремих випадках, незважаючи на те, що загальна

дисперсія тягового зусилля зменшується в кілька разів, все ж таки має міси невелике падіння швидкості руху. Це відбувається тоді, коли максимум спектральної щільності навантаження за частотою близький до максимум; амплітудно-частотної характеристики агрегату.

На оранці динамічні режими тривають в нижчому діапазоні частот, ніж н; транспорті; частота піку спектральної щільності крутильного моменту ні перевищувала 3.3 с \ а кутової швидкісгі - 5.12 с \ Втрати потужності порівняно і: статичним режимом складають в середньому 4%. Незначне падіння потужност пояснюється тим, що середня величина коефіцієнта варіації складала лише 14% ефект падіння потужності із-за нелінійності регуляторної характеристики буї малим. Синхронний запис крутильного моменту та кутової швидкості дозволш виявити експериментально паразитну потужність. Вона була завжди від’ємна невелика за абсолютною величиною, але присутня у всіх семи проведених дослідах

Для двигуна силосозбирального агрегату частоти піку спектральної щільност крутильного моменту змінювалися у межах 1.5 ... 3.2 с], істотні коливанш відбувалися в діапазоні 0 ... 12 с \ найбільше падіння потужності становила 11% Експериментальний двигун СМД-62 в зоні номіналу мав сходинку стало: потужності, що певним чином відбилося на результатах.

Для перевірки правильності і універсальності запропонованої методика визначення енергетичних показників двигуна при змінному навантаженні булі-обчислені падіння частоти обертання та ефективної потужності двигуна Д-35 відповідно до експериментів В. Н. Волинського. Точність розрахунків була вища зг ту, яку дають розрахунки, зроблені за спеціально підібраними для цього двигунг емпіричними формулами.

ВИСНОВКИ

З одержаних результатів роботи випливають такі висновки.

1. Підтверджено, що в експлуатаційних умовах втрати ефективної потужності дизеля порівняно із відповідним статичним режимом складають 10 ... 15%, а при несприятливому збігові діючих факторів - до 30%. В розрахунках продуктивності агрегатів і технічній документації на двигуни ці втрати необхідно враховувати.

2. В рівняннях руху агрегату враховується шість динамічних параметрів, які при аналізі можуть бути замінені двома комплексними безрозмірними параметрами 4і та 4г- параметри для нейтралізації негативного впливу коливань навантаження повинні знаходитись у таких межах: 4\ ~ від 0 до 0.17, 4г~ від 0 до 0.5. При цьому обов’язково 4г> 4\-

3. Розроблено універсальний метод інженерного розрахунку енергетичних показників агрегату та вибору його динамічних параметрів. Розрахунки, виконані у відповідності з цим методом показали, що дяя момента інерції двигуна 1 = 2 кглі2, за інших однакових умов, зменшення інерційності регулятора у три рази забезпечує

іниження втрат потужності на ЗО ... 40%. За малих значень момента інерції вплив нерційності регулятора істотніший, ніж за великих. Збільшення момента інерції у і’ять разів призводить до зниження втрат у 3 - 4 рази.

4. Якісно зниження корисної потужності і збільшення питомої витрати іалива двигуном в експлуатаційних умовах пояснюється нелінійним характером иввдкісної характеристики, зменшенням середнього значення динамічного момента порівняно із статичним та виникненням паразитної потужності, що за :воєю природою близька до реактивної потужності в електричних колах змінного :труму.

5. Ефективність роботи мобільного сільськогосподарського агрегату може іути підвищена шляхом встановлення на двигун в’язкого демпфера і застосування іружного зчепу. Розрахунковою частотою для визначення момента інерції і :веденої в’язкості демпфера повинна служити власна частота двигуна в шзькочастотному диапазоні. Ефективність пружного зчепу залежить від ;пектральної щільності навантаження. За будь-яких експлуатаційних умов пружніш чеп дає гарантований позитивний ефект, якщо зведена маса трактора щонайменше і 20 разів більше маси робочих машин і жорсткість швидкісної характеристики рактора істотно більша за жорсткість пружного зчепу.

6. Для об’єктивної оцінки енергетичних показників двигунів і тракторів, іризначених для роботи в умовах сільськогосподарського виробництва, іипробувальні стенди та динамометричні лабораторії бажано обладнати мітаторами коливань навантаження в діапазоні 2 ... 12 сл.

Основні положення дисертаціїопубліковані в таких працях:

1. Методика математического планирования экспериментов в исследованиях іроцессов сельскохозяйственного производства /Терехов А. П., Нагорная Е. И., {елемская Ж. В., Басун С. Р., Хандрос М. Я. - К.: Минсельхоз УССР, 1968. - с. 86. Розроблена математична модель для визначення оптимальних співвідношень між [івидкістю і щирішою захвату тракторних сільськогосподарських агрегатів).

2. Хандрос М. Я. Методы статистической обработки результатов ісследований в сельском хозяйстве. //Применение математических методов в ісследованиях процессов сельскохозяйственного производства. - К.: УНИИМЭСХ, 970. - с. 8 - 56.

3. Хандрос М. Я., Філігаюв А.З., Войлок С. Д. Дослідження впливу [инамічних параметрів на потужність тракторного двигуна при змінному сталеному навантаженні //Науковий вісник Національного аграрного університету.

■ К.: 1998. Вип. 9. - с. 322 -330. (Виведене диференційне рівняння усталених оливань кутової швидкості тракторного двигуна під впливом змінного овнішнього навантаження).

4. Терехов А. П., Хандрос М. Я. Математическое моделирование іинамических режимов машинно-тракторных агрегатов. //Механизация и лектрификация социалистического сельского хозяйства. - 1969. - № 5. - с. 45 -

49. (Розроблена математична модель двигуна та стаціонарних динамічни навантажень агрегату).

5. Хандрое М. Я. Дослідження динаміки машинно-тракторного агрегат методом спектрального аналізу //Застосування математичних методів дослідженнях складних процесів сільськогосподарського виробництва. - К Урожай, 1972, - с. 17-25.

6. Хандрое М. Я. Аналітичне дослідження впливу змінного зовнішног навантаження на показники роботи агрегату //Механізація і електрифікаці сільского господарства, № 29. -К.: Урожай, 1974. - Вип. 27.-е. 48 - 54.

7. Кудинов П. А., Хандрое М. Я. Планирование экспериментов исследованиях мобильных сельскохозяйственных агрегатов //Научные труді УСХА / - К.: УСХА, 1975. - Вып. 87. - Т. II. - с. 11 - 16. (Визначено аналітичь залежності продуктивності та тягового к.к.д. трактора Т-15ОК від тягового опору т поступальної швидкості).

8. Хандрое М. Я. Выбор жесткости упругого сцепа сельскохозяйственны агрегатов //Механизация и електрификация сельского хозяйства, № 38. - К. Урожай, 1977.-е. 83-87.

9. Инструкция: Обработка результатов многофакторных экспериментов і

определение оптимальных значений факторов на ЭВМ ЕС-1020 /Хандрое М. Я. Козицкий И. М., Костина Т. Б., Жерновой И.П., Филиппова Р. Н. - К.

ВНИИживмаш, 1979. - с. 13. (Розроблена математична модель для визначенню оптимальних значень факторів в експериментальних дослідженнях с.-г. машин агрегатів).

10. Жерновой И. П., Хандрое М. Я. Алгоритм и программа оптимлзашч конструктивных параметров сельскохозяйственных машин //Исследование і конструирование машин и оборудования для животноводства. Труды НПС ВНИИживмаш, - К.: 1989. - Вып. 14. - с. 126 - 130. (Алгоритм оптимізаці конструктивних параметрів сільськогосподарських машин).

11. Хандрое М. Я. Вплив демпфірування на показники дизеля прі

коливаннях навантаження // Материалы второго республиканского научнотехнического семинара по улучшению показателей тепловых двигателей у

ресурсозбереженню. - Мелитополь: ТГТА, 1996. - с. 21 - 22.

12. Хандрое М. Я. К вопросу статистического прогнозирования энергетических характеристик сельскохозяйственных агрегатов // Математические методы прогнозирования сельскохозяйственного производства. - К.: УкрНИИНТИ. 1970. Вып. 3.-е. 84-87.

13. Хандрое М. Я. Метод моделирования мобильных сельскохозяйственных

агрегатов на ЭЦВМ // Тезисы докладов республиканской научно-технической

конференции “Технический прогресс и перспективы развития комплексной

механизации сельского хозяйства”. - К.: УНИИМЕСХ, 1970. - с. 40.

14. Хандрос М. Я. Нелинейная динамическая модель движения мобильного с. х. агрегата // Всесоюзная научно-техническая конференция “Инженерные проблемы кибернетики в сельском хозяйстве”. — Л.: ЛСХИ, 1974. - с. 127.

АНОТАЦІЇ

Хандрос М. Я. Підвищення ефективності функціювання мобільного :іл>.ськогосподарського агрегату шляхом поліпшення його динамічних параметрів, - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за ;пеціальністк> 05.20.01 - Механізація сільськогосподарського виробництва. -Національний аграрний університет, Київ, 1999.

Досліджується негативний вплив усталених коливань зовнішнього іавантаження на енергетичні показники та хгродуктивність мобільного :ільськогосподарського агрегату. Одержано додаткові дані про спектральні цільності та статичні моменти коливань енергетичних показників транспортного, зрного та силозбирального агрегатів. Розроблено оригінальні рівняння трямолінійного нерівномірного усталеного руху агрегату та його складових частин.

З рівняннях враховані такі динамічні параметри: інерційності робочого процесу та )егулятора і зведений момент інерції двигуна, поступальні маси трактора та юбочих машин, жорсткість швидкісної характеристики та жорсткість пружного :чепу, момент інерції в'язкого демпфера та ін.

Підвищення ефективності функціонвання агрегату в таких умовах юсягаеться шляхом раціонального вибору допустимих співвідношень між щнамічними параметрами, завдяки чому втрати порівняно із статичними «ежимами руху зменшуються у 2 ... 4 рази.

Ключові слова: мобільний сільськогосподарський агрегат, коливання іавантаження, зниження енергетичних показників, динамічні параметри.

Хандрос М. Я. Повышение эффективности функционирования мобильного ельськохозяйственного агрегата путем улучшения его динамических параметров. -“уколись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по пециальности 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства. -Тациональный Аграрный університет, Киев, 1999 .

В эксплуатационных условиях движение мобильного сельскохозяйственного грегата характеризуется колебаниями внешней нагрузки, поступательной скорости

і других показателей. Из-за этих колебаний происходит снижение средних начеши энергетических показателей двигателя по сравнению с данными ехнических характеристик и соответствующее снижение фактической іроизводительности всего агрегата. На энергоемких технологических операциях меет место снижение эффективной и тяговой мощности на 10-15%, а увеличение асхода топлива на 10%, при неблагоприятных условиях снижение доходит до 30%

н 16% соответственно. Необходимость нейтрализации и правильного у1 отрицательного влияния установившихся колебаний внешней нагрузки энергетические показатели и производительность сельскохозяйственного агре! определяет актуальность данной работы.

Объектом исследования в теоретическом плане являлся тяго) сельскохозяйственный агрегат с жёстким или упругим сцепом, движение котор в процессе выполнения рабочих ходов является прямолинейным, неравномерн установившимся

Объектами экспериментального исследования служили транспортный агрс в составе трактора МТЗ-50 ПЛ с двумя прицепами 2-ПС-4, пахотный агрега составе трактора Т-74 с плугом П-5-35 “Труженик”, трактор Т-150К силосоуборочным комбайном КС-2.6 А, а также специально изготовлеш экспериментачьный упругий сцеп для транспортного агрегата.

В работе получены дополнительные данные о спектральных плотностя: статистических моментных характеристиках экспериментальных агрегатов различных рабочих скоростях.

По уравнениям соответствующих элементов с общепринятым уров] формализации получены новые нелинейные уравнения дизельного двигател) агрегатов с жёстким и упругим сцепом. Уравнения учитывают специф] движения мобильного сельскохозяйственного агрегата при перемем установившейся нагрузке. Для облегчения использования частотных мето, анализа работы динамической системы агрегата разработан новый вариант мет эквивалентной линеаризация дифференциальных уравнений движения, котос учитывает несимметричный, нелинейный характер статической скоросп характеристики агрегата при работе дизеля на регуляторе, а та! негармонический и негаусов характер колебаний угловой скорости последнего сельскохозяйственных операциях.

Введено два новых критериальных динамических параметра двигател; агрегата. Определены область допустимых значений этих параметр Осуществлён анализ и оригинальная классификация потерь мощности: потери и: нелинейности статической характеристики, потери из-за инерционности рабоч процесса, потери, обусловленные возникновением паразитной мощности.

Практическое значение выполненной работы состоит в том, что онг определенной мере расширяет границы существующих представлений о динам] мобильного сельскохозяйственного агрегата и механизме влияния установивше: переменной нагрузки на его энергетические показатели. Разработаш методические подходы, уравнения и алгоритмы имеют достаточно универсальн характер и могут быть использованы в последующих исследованиях и тяго! расчётах различных типов мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Ключевые слова: мобильный сельскохозяйственный агрегат, колеба! нагрузки, снижение опер готических показателей, дштмические параметры.

Handros M. J. Increasing of efficiency work of the mobile farm machine by the mproving it’s dynamic parameters. - Typescript.

Thesis on competition of the scientific degree of the candidate of engineering cienees on a speciality 05.20.01. - Farm mechanization. - National agricultural miversity of Ukrain, Kiev, 1999.

At the dissertation there are researched dynamic phenomenons, which is in the nobi'Ie farm machine and it’s engine under the influence of the variable outward' steady aading and make worse the energetical indexes, one of them — losses of power within 10 -15% on an averege, to 30% maximum.

Increasing of efficiency work of a aggregate in such conditions attain by the rule hoice of dynamic parameters and using of the viscous damper and elastic hitch. Thanles

3 these actions dynamic losses may be decrease 3^4 times.

Key words: mobile farm machine, tractor diesel, engine, variable outward steady jading, computer calculation.