автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование функционирования МТА с колесным трактором класса I,4 на основе оптимизации параметров пневматических шин

Диссертация Пархоменко Сергея Геннадьевича защищена на заседании диссертационного совета К120.13.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии 28 мая 1999 года (протокол №9)

Ученый секретарь диссовета К 120.13.01, к.т.

М.А. Юндин

АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МТА С КОЛЕСНЫМ ТРАКТОРОМ КЛАССА 1,4 НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ШИН

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук,

доцент ЯРОВОЙ В.Г. Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент КРАВЧЕНКО В.А.

Зерноград -1999

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................ Ю

1.1. Анализ условий функционирования машинно-тракторного агрегата........................................................................................................ 10

1.2. Обзор работ по исследованию функционирования

колесных машин......................................................................................... 17

1.3. Направления совершенствования использования сельскохозяйственных колесных тракторов........................................................ 29

1.4. Выводы. Задачи исследований.......................................................... 37

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................... 40

2.1. Динамическая модель МТА............................................................... 40

2.2. Математическая модель МТА........................................................... 41

2.2.1. Двигатель................................................................................... 41

2.2.2. Фрикцион................................................................................... 43

2.2.3. Силовая передача..................................................................... 43

2.2.4. Ведущее колесо........................................................................ 44

2.2.5. Остов трактора с рабочей машиной...................................... 46

2.3. Методика решения дифференциальных уравнений

движения МТА........................................................................................... 49

2.4. Результаты теоретических исследований........................................ 53

2.5. Выводы................................................................................................. 61

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............... 63

3.1. Задачи экспериментальных исследований...................................... 63

3.2. Методика экспериментальных исследований

пневматических шин.................................................................................. 64

-33.2.1. Объект исследований............................................................... 64

3.2.2. Установка для испытаний пневматических шин................. 65

3.2.3. Определение жесткостных и демпфирующих характеристик пневматических шин............................................... 68

3.2.4. Исследование деформации пневматических шин............... 72

3.2.5. Методика тяговых испытаний пневматических шин.......... 74

3.2.6. Методика определения площади контакта пневматических шин...................................................................................... 77

3.2.7. Оценка уплотнения почвы...................................................... 79

3.2.8. Методика исследования влияния конструктивных факторов на показатели пневматических шин............................... 80

3.3. Методика исследования микропрофиля поля................................. 81

3.4. Методика экспериментальных исследований функционирования агрегата МТЗ-80+КРН-5,6...................................... 85

3.4.1. Объект исследования............................................................... 85

3.4.2. Измерительный комплекс....................................................... 85

3.4.3. Лабораторно-полевые испытания.......................................... 95

3.4.4. Определение энергозатрат на обработку почвы

. по следу трактора............................................................................... 96

3.4.5. Эксплуатационные испытания культиваторного

агрегата................................................................................................ 98

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........100

4.1. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований...............................................................................................100

4.2. Результаты исследования микропрофиля поля...............................103

4.3. Деформационные характеристики пневматических шин..............107

4.4. Тяговые показатели пневматических шин .....................................111

-44.5. Оптимизация внутреннего строения пневматических шин диагонально-параллельного типа.............................................................113

4.6. Уплотняющее воздействие шин на почву.......................................116

4.7. Энергозатраты на обработку почвы по следу трактора.................116

4.8. Влияние конструкции шин на показатели функционирования культиваторного МТА................................................................117

4.9. Результаты эксплуатационных испытаний культиваторного агрегата........................................................................................................123

5. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРЕГАТА...........................................125

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ........................................................................128

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................146

-5-

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование функционирования машинно-тракторного агрегата (МТА) при обработке почвы было и остается наиважнейшей проблемой сельскохозяйственного производства.

Основными направлениями при создании новых и совершенствовании существующих тракторов являются: повышение рабочих скоростей, снижение расхода топлива, уменьшение эксплуатационной массы трактора и др. Успешное решение этих задач во многом зависит от того, насколько конструкции тракторов и вопросы эксплуатации будут увязаны с особенностями работы тракторов в производственных условиях.

В реальных условиях эксплуатации МТА подвергается непрерывно изменяющимся внешним воздействиям, которые оказывают отрицательное влияние на такие показатели его функционирования, как колебания скорости движения, буксование ведущих колес трактора, ускорения в зоне рабочего места водителя, нагруженность трансмиссии, расход топлива.

Одним из путей повышения производительности труда в сельском хозяйстве является повышение энергонасыщенности сельскохозяйственных колесных тракторов и, как следствие, повышение рабочих и транспортных скоростей движения МТА. Однако с увеличением скоростей движения МТА ухудшается его плавность хода, что отрицательно сказывается на условиях труда водителей и динамической нагруженности остова трактора, а также на агротехнических показателях МТА. В результате этого водитель вынужден снижать скорость движения и, следовательно, мощность трактора используется не полностью. Внедрение в сельском хозяйстве энергонасыщенных тракторов привело к необходимости решения проблемы сохранения плодородия почвы. Проблема эта является неотъемлемой частью технического перевооружения сельского хозяйства. Значимость

данной проблемы возрастает в связи с настоятельной необходимостью обеспечить сохранение потенциального плодородия почвы при выполнении машинами полевых работ, поскольку почва, являющаяся сложнейшей биологической средой, обладает бесценным свойством - плодородием, т.е. способностью давать урожаи.

Применительно к любому машинно-тракторному агрегату это означает минимальное воздействие на почву, чтобы не разрушалась ее структура, не усиливалась ее эрозия, не возрастали энергозатраты на последующую обработку, не нарушались процессы водообмена и аэрации в почве, влияющие на рост и развитие растений.

Все это ужесточает требования, предъявляемые к качеству работы машинно-тракторных агрегатов, обеспечить которые можно лишь на основе комплекса показателей функционирования МТА, основными из которых являются:

- общетехнические - показатели, определяющие плавность хода, устойчивость, маневренность и др.;

- технико-экономические - сопротивление качению, КПД, расход топлива на движение агрегата;

- агротехнические - средние и максимальные давления в контакте шин с почвой, напряжения и деформации почвы в пахотном и подпахотном горизонтах и показатели агрофизических свойств почвы.

Одним из факторов, влияющим на показатели функционирования МТА, является совершенство движителей, среди которых колесные являются доминирующими.

В общем случае при движении ведущего колеса по деформируемой поверхности (почве) происходит радиальная и тангенциальная деформации шины, радиальные колебания элементов шины, смятие грунта, проскальзы-

вание отдельных частей пятна контакта шины относительно опорной поверхности, вертикальные колебания и пробуксовывание колеса. На все это затрачивается энергия, полученная шиной от двигателя. Тягово-сцепные свойства тракторов могут быть улучшены путем выбора оптимальных для данных условий работы размеров шин, давления воздуха в шинах и нагрузки на шины, применением дополнительных приспособлений (полугусеничного хода, дополнительных почвозацепов, ведущих осей и сдвоенных шин).

Процесс взаимодействия движителей с почвой определяется характером изменения напряжений и деформаций в почве при воздействии на нее движителя и характеризуется затратами энергии на образование колеи, сопротивление перекатыванию и буксование и величиной реализуемой движителями касательной силы тяги.

Оптимизация параметров пневматической шины как одного из звеньев колебательной системы и основного элемента колесного движителя является одним из направлений совершенствования функционирования МТА.

В соответствии с вышеизложенным, целью работы является исследование влияния на показатели функционирования агрегата внешних воздействий и характеристик применяемых шин ведущих колес трактора, а также совершенствование функционирования МТА путем оптимизации параметров пневматических шин.

В представляемой к защите диссертационной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования закономерностей процесса функционирования культиваторного МТА. Разработаны корректные динамическая и математическая модели машинно-тракторного агрегата с учетом воздействий микропрофиля поля и тягового сопротивления на рабочих органах, а также радиальной, крутильной и продольной податливости

пневматических шин, что позволило более точно учесть взаимодействие ведущих колес трактора с опорным основанием и рассчитать энергетические потери в движителе. На основании теоретических и экспериментальных исследований работы МТА с колесным трактором класса 1,4 определено влияние внешних воздействий, а также параметров пневматических шин ведущих колес трактора на показатели функционирования агрегата. Определено оптимальное сочетание конструктивных факторов опытной пневматической шины. Разработаны приспособления для проведения экспериментальных исследований и испытаний пневматических шин (патенты Яи 2085891, БШ 2092806, Ш 2107275), динамометрирования навесных сельскохозяйственных машин, исследования микропрофиля полей. Для ЮМ-совместимого персонального компьютера разработаны программы моделирования работы МТА и обработки экспериментальных данных. На защиту выносятся следующие основные положения:

- математическая модель процесса функционирования культиваторного МТА, позволяющая учитывать взаимодействие пневмоколеса с опорной поверхностью, влияние на работу агрегата колебаний тягового сопротивления на рабочих органах, воздействия микрорельефа поля;

- методика оценки влияния внешних воздействий на показатели функционирования МТА;

- методика экспериментальных исследований;

- рекомендации по выбору оптимальных параметров пневматических шин.

способ совершенствования функционирования МТА путем комплектации ведущих колес трактора шинами диагонально-параллельного типа конструктивного исполнения.

Данная работа выполнена на кафедре тракторов и автомобилей Азо-

во-Черноморской государственной агроинженерной академии в соответствии с научно-технической программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996-2000 г. (п.12 «Разработать научные основы развития системы технолого-технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики») и планом НИР АЧГАА (№03.07/01.02).

Элементы методики исследований характеристик пневматических шин и экспериментальная установка «шинный тестер» внедрены в испытательном центре Северо-Кавказская машиноиспытательная станция. Теоретические разработки и элементы методики экспериментальных исследований, а также пакет программ анализа работы МТА используются в учебном процессе на кафедре тракторов и автомобилей Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ условий функционирования машинно-тракторного

агрегата

В реальных условиях эксплуатации сельскохозяйственный машинно-тракторный агрегат подвергается непрерывно изменяющимся внешним воздействиям /6, 17, 22,23,24,25, 44, 48, 49, 64, 77, 93 и др./.

Динамические процессы в тракторах многообразны. Это переходные и установившиеся динамические процессы, низкочастотные и высокочастотные колебания, как отдельных деталей, так и трактора в целом, периодические и случайные процессы, возникающие при взаимодействии движителей трактора и рабочих органов с почвой. Возникновение колебаний обусловлено различными причинами.

Изменения внешних возмущающих процессов при выполнении машинно-тракторным агрегатом различных сельскохозяйственных операций вызываются природно-климатическими, конструктивными и эксплуатационными факторами /50/.

К природно-климатическим факторам относятся /50/ тип и состояние почвы, наличие в ней хрящевых и каменистых включений, метеорологические условия и т.д.

К конструктивным факторам /50/, влияющим на удельное сопротивление машин, относятся тип, форма и число рабочих органов, вес машины, наличие вспомогательных устройств, тип и устройство ходового аппарата.

К эксплуатационным факторам относятся техническое состояние

машины и эксплуатационные режимы работы машинно-тракторного агрегата (скорость движения, глубина обработки и др.).

В дальнейшем анализе выделим следующее. Как отмечается различными исследователями, колебательные процессы в машинно-тракторных агрегатах обусловлены переменными физико-механическими свойствами почвы в зоне работы движителей трактора и рабочих органов, характером чередования неровностей рельефа, упругими свойствами шин, подвесок, сцепных устройств и др. элементов системы, особенностями конструкций рабочих органов, характером действующих сил и моментов, собственными частотами системы и ее частей, появлением резонансных режимов, автоколебаний и т.п. Наиболее интенсивные колебания связаны с наличием значительных неровностей поверхности поля в сочетании с высокой плотностью верхнего слоя /120/.

Существенной особенностью всех процессов при работе сельскохозяйственных агрегатов в условиях рядовой эксплуатации является их случайный характер /80/.

На характер нагрузки, действующей на трактор, влияют следующие факторы /89/:

величина и характер изменения тяговой нагрузки, действующей на трактор через прицепную скобу или рычаги навесной системы;

величина и характер изменения реактивных сил со стороны почвы (грунта) на ходовую систему трактора;

корректировка направления движения трактора (подвороты); конструктивные особенности трактора (параметры динамической системы).

В свою очередь, величина и характер изменения тягового сопротивления и реакций почвы на ходовую систему трактора определяются релье-

фом поля и физико-механическими свойствами почвы (грунта), а также конструкцией агрегатирующихся с трактором сельскохозяйственных, строительно-дорожных, погрузо-разгрузочных и других машин. Перечисленные факторы являются взаимосвязанными, и изменение одного из них влечет изменение вида действующей на трактор нагрузки.

Известно, что колебания нагрузки носят случайный характер, и их интенсивность зависит от:

типа машины-орудия (плуга, сеялки и др.) и ее характеристик (количества корпусов, ширины захвата и др.);

технологического режима (глубины обработки, угла развала и др.); количества машин-орудий в агрегате; скорости движения агрегата; типа фона и его состояния; зональных условий (удельного сопротивления, глыбистости почвы и т.д.)/89/.

Исследованиями, проведенными в нашей стране и за рубежом, установлено отрицательное влияние колебательных процессов в машинно-тракторных агрегатах на показатели их функционирования.

В одинаковых условиях работа колесного трактора с переменной (колеблющейся) тяговой нагрузкой сопровождается большим его буксованием, чем при стабильном нагрузочном режиме. Так, при среднем тяговом усилии трактора МТЗ-5ЛС 10 кН его буксование увеличилось на 4,7% /89/. Повышенное буксование трактора снижает его максимальную силу тяги по сцеплению.