автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Моделирование и синтез управляемой подвески многоопорных машин

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ОПЕЙКО Александр Федорович

УДК 629.114. 4. 012. 8. 001. 24: 681. 3

!.»ДЕЛЛРОВАНИЕ_И СИНТЕЗ УПРАВЛЯВШИ ПОДВЕСКИ 12ЮГООПОР1ШХ 1!АПШ

05. 05. 03 - автомобили и тракторы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск 1993

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

РТс од---

1 г июн ть

На правах рукописи

ЯКУБОВИЧ Олег Анатольевич УДК 631.372:029.114.2.02

ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТ13А КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА КЛАССА 1,4 Б РЕЖИМЕ ВЫПОЛНЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ С БОКОВЫМ НАКЛОНОМ

05.05.03 - Автомобили и тракторы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск I9 Я 4

Работа выполнена на кафедре "Тракторы" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ЗЕЛЕНЫЙ П.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор СКОЙБЕДА А.Т.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник МЕЛЬНИКОВ Е.С.

Ведущее предприятие - ПО "Минский тракторный завод"

Защита диссертации состоится 1994 г. в

10.00 часов на заседании специализированного совета K.056.Q2.06 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Белорусской государственной политехнической академии по адресу : 220027, г. Минск, проспект Франциска Скорины, 65, Белорусская политехническая академия.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в- двух экземплярах, .-заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан " ^¿¿Я. 1694 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических нау^,, [

доцент

Р. Бартош

© Белорусская государственная' политехническая академия, 1994.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсификация, повышение рентабельности и эффективности использования земельных угодий возможны на основе использования энергетических средств с высокими технико-оксплуатационными свойствами. Одной из причин ухудшения технико-эксплуатационных свойств трактора является вынужденный наклон его остова при выполнении сельскохозяйственных процессов. Вынужденный наклон остова трактора обусловлен рельефом местности и отдельными сельскохозяйственными операциями, например, пахотой. Это характерно не только для горного земледелия, где основные земельные угодия расположены на склонах, но и для Республики Беларусь, пахотные земли которой в отдельных областях имеют пересеченный рельеф местности, а при пахоте совокупный угол наклона может достигать 20 град . Нарушение вследствие наклона остова равенства нагрузок на колеса одного моста ухудшает условия движения, а в итоге снижается топливная экономичность, нарушается устойчивость курсового движения, управляемость и поворачиваемость, в предельном же случае теряется устойчивость трактора' к опрокидыванию, т.е. не реализуются его основные технико-эксплуатационные свойства.

Цель работы состоит в исследовании технико-эксплуатационных свойств трактора при работе в режиме выполнения сельскохозяйственных процессов с боковым наклоном остова и разработке рекомендаций по созданию модификации колесного трактора с высокими технико-эксплуатационными свойствами.

Объект исследования - макетный образец разработанной модификации трактора класса 1.4 повышенной устойчивости на базе трактора МТЗ-80.

Методика исследований включала: анализ потенциальных конструкторских возможностей серийной модели универсально-пропашного трактора семейства "Беларусь" с целью сравнительно несложной его модификации для эффективней работы в наклонном положении; исследование технико-эксплуатационных свойств созданной модификации трактора в агрегате с основными сельхозмашинами и орудиями путем математического моделирования и машинного расчета; сравнительные испытания в сложных полевых условиях по практическому выявлению эффективности предложенного пути модификации трактора.

Научная н о в и з и а. 1.11 редлагается новый способ обеспечения работы трактора в сложных рельефных условиях, обеспечивающий технико-эксплуатационные свойства его на уровне базовой модели при работе с боковым наклоном остова.

2. Обосновывается и реализуется решение для обеспечения устойчивости курсового движения трактора на склоне.

3. Разработана математическая модель курсового движения трактора с учетом воздействий агрегатируемой машины в условиях наклонного выполнения сельскохозяйственных технологических операций и с учетом специфических конструкторско-компоновочных особенностей предложенной модификации трактора для работы в указанных условиях.

4. Предложены аналитические зависимости, позволившие провести исследования специфических параметров модификации трактора, а также зависимости, дополняющие известные модели взаимодействия колеса со сминаемой поверхностью склона.

Практическая ценность. Совокупность выполненных теоретических и экспериментальных исследований конструкторских разработок обеспечили создание макетного образца и обоснование модификации колесного трактора повышенной устойчивости. Предложенная модификация трактора способна выполнять сельскохозяйственные работы на склонах, при боковом наклоне остова, позволила сохранить весь комплекс агрегатируемых машин в базовой модели и обеспечить высокие технико-эксплуатационные свойства.

Реализация работы. Разработанные теоретические положения и авторские свидетельства использованы при создании ' опытного образца трактора повышенной устойчивости с высокими технико-эксплуатационными свойствами в режиме работы с боковым наклоном остова или при работе на склонах. Результаты исследований переданы ГСКБ по универсально-пропашным тракторам Минского тракторного завода для использования при создании перспективных моделей тракторов, а также используются и учебном процессе кафедры ''Тракторы" для обучения студентов по специальности "Автомобиле- и тракторостроение".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава БГПА (1988 - 1693 гг.), 2

региональной научно-практической конференции "Повышение эффективности проектирования, испытаний, гкеплуатаций автомобилей и тракторов" (г. Горький, 1988), республиканской научно-технической конференции "Конструирование и испытания машин для внесения минеральных удобрений" (г. Нефтекамск, 19К8), республиканской научно-технической конференции в Кишиневском политехническом институте им. С.Лооо (г. Кишинев, 1989), всесоюзной научно-технической конференции "Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения" (г. С.-Петербург, 1992).

Публикации. Но теме диссертации опубликовано 12 Печатных работ, в том числе получено 5 авторских свидетельств.

Объем работы. Работа изложена на 220 страницах, содержит 71 рисунок, 20 таблиц и состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Список литературы включает 124 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа условий эксплуатации сельскохозяйственной техники в наклонном положении, компоновочных схем специализированных для этих условий модификаций колесных тракторов, а также теоретических и экспериментальных исследований в области механизации земледелия на склонах сформулированы нерешенные в свете цели данной диссертационной работы научные и практические задачи, намечены пути их решения с использованием современных вычислительных средств и методов испытаний.

Анализ условий роботы сельскохозяйственной техники показывает, что такая сельскохозяйственная технологическая операция, как пахота отвальным плугом, создает условия,сходные с движением трактора на склоне, т.е при пахоте боковой наклон трактора может достигать 12 град (рис. 1 а). Это при условии, что обрабатываемая поверхность горизонтальная. Если же учитывать угол ее наклона хотя бы в 5-0 грэд, что вполне; реально г» районах белорусских возвышенностей, то суммарный угол бокового наклона составит 17-20 град (рис. 1 б). Это приводит к нарушению равенства опорных реакций ведущих колес до 20 % и более, что ухудшает технико-эксплуатационные свойства трактора при выполнении

именно пахотных работ в условиях Беларуси. Проблеме выравнивания опорных реакций трактора при работе в горных условиях уделялось достаточно много внимания и в результате выработан эффективный способ ее решения - стабилизация остова и ходовой части. Движению трактора с боковым наклоном на пахоте должного внимания не уделялось, тем не менее наклон остова трактора даже на б град существенно изменяет распределение нагрузок по бортам, что характерно при работе трактора на склоне. Исследованиями работы трактора на склоне ученых грузинской (Двалм Р.Р., Маргвелашвили О.В., Хухуни Т.В.) и белорусской школ (•Ксеневич И.П., Гуськов В.В., Амельченко П.А.) обоснована необходимость создания специальных тракторов при работе трактора в условиях пересеченного рельефа местности.

Рис. 1. Наклон положения остова трактора класса 1.4 при пахоте на глубину 300 мм трехкорпусным отвальным плугом шириной захвата 1050 мм в условиях движения по горизонтальной поверхности (а) и по аслону 8 град (6) : 1 - задние ведущие колеса трактора; 2 -невспаханная поверхность поля под колесами левого борта; 3 - дно борозды под колесами правого борта; 4 - пласты почвы, подлежащие вспашке; 5 - перевернутые пласты вспаханной почвы; 6 - продольная плоскость симметрии трактора; 7 - нормаль к поверхности поля; 8 -вертикаль; обВ" - угол поперечного наклона трактора, обусловленный бороздой; Фс - угол склона; ей - суммарный угол наклона трактора.

Из анализа многочисленных исследований работы трактора (Хачатрлна Х.А., Зеленого П.В., Поспелова Ю.А., Ефремова Д.А.) 4

даже на безопасных с точки зрения опрокидывания сююнах выявляется еще один важный фактор, без решения которого невозможно качественное выполнение сельскохозяйственных технологических операций, - это устойчивое курсовое движение агрегата. Так, по расчетам Зеленого П.В., курсовой угол трактора не должен превышать 1.0-1.5 град в междурядьях 0.7 м и 2.1-2.6 град в междурядьях 0.9 м. В действительности его значения даже у крутосклонного трактора на склоне 10-15 град составляют 2.9-4.0 град. Устойчивое движение агрегата вдоль горизонталей местности необходимо и с точки зрения сдерживания развития водной эрозии склоновых земель. Отклонение от горизонталей на угол даже в 1 град приводит к уклону образуемых рабочими органами сельхозмашины борозд, что, согласно исследованиям Хачатряна Х.А. и Мисакяна Р.Х., приводит к появлению эрозийных процессов. На зависимость эрозийных процессов от характера движения сельхозтехники указывают и ряд других исследователей - Хохлов И.М., Трощинский И.А., Гугушвили М.М., Керткоев Л.Ф.

Таким образом, выравнивание опорных реакций по бортам для достижения высоких тягово-сцепных свойств и устойчивости к опрокидыванию трактора, а также устойчивое курсовое движение по агротехническим и экологическим условиям - это первоочередные задачи, которые необходимо решать при создании техники для обеспечения эффективной работы в вынужденном наклонном режиме движения. Первая из этих задач решается двумя путями, как следует из сложившегося направления модификации базовых моделей тракторов. Частично, т.е. путем не полного выравнивания нагрузок по бортам, а лишь уменьшением их разницы при наклоне трактора за счет уширения колеи и понижения центра масс. Этот путь хотя и недостаточно эффективен, что особенно касается механизации пропашных работ, освоен в производстве на Минском и Липецком тракторных заводах благодаря своей простоте. Полное решение проблемы выравнивания опорных реакций «частичное —в отношении курсовой устойчивости дает стабилизация остова и ходовой части трактора в вертикальное положение. Но эти работы, нашедшие отражение в трудах грузинских и белорусских ученых, пока не вышли за рамки рекомендаций производству, а по последним моделям тракторов МТЗ-102 К и МТЗ-102 ГР находятся в стадии исследований вследствие необходимости значительных производственных мощностей для их освоения. Поэтому в нынешних

сложных экономических условиях реально рассчитывать на освоение производства такой модификации трактора для эффективной работы в наклонном режимо, которая по сложности незначительно отличалась бы от базовой модели. Исходя из допустимых по производственным возможностям усложнениям конструкции серийного трактора, стратегия поиска приемлемой модификации трактора строилась таким образом, чтобы модификация трактора была значительно более эффективной, чем низкоклиренсная, и менее сложной конструктивно, чем крутосклонная.

Что касается теоретических и экспериментальных исследований, предварявших и сопутствовавших разработке и созданию модификаций тракторов для работы в сложных рельефных условиях, то следует отметить исследования : в области качения колеса по «слону ( Хухуни Т.В., Гуськов В.В., Ксеневич И.17., Амельченко H.A., Зеленый П.В., Якубович А.И., Гогелидзе Г.Д., Шашимелашвили Г.И., Кацитадае Д.В., Гинзбург Б.Я.); в области противодействия уводу и сползанию колес ( Мшвилдадзе О.П., Войтиков A.B., Непаридзе Г.М., Хантадзе Г.А.); в обласш динамики трактора на склоне (Балиашвили З.Н., Амарсв Е.О., Бадалов М.-Я.М., Кембель Э.Э., Gibson H.G., Davis DC., Reh Kugler G.E., Biller C.J.); в области поворачиваемости ' (Войтешонск B.C.) и рационального агрегатирования^(Самадалашвили А.Г.). На основании этих исследований строились теоретические и экспериментальные исследования данной работы, с учетом тех особенностей, которые обуславливались новизной предложенного направления модификации трактора.

Согласно цели настоящего исследования, анализу условий эксплуатации тракторов в вынужденном наклонном положении, состоянию научных исследований, положенных в основу выполненных разработок, и сложившимся концепциям в области создания специальной техники для сложных рельефных условий, намечены следующие задачи, решению которых и посвящена диссертационная работа:

- разработать способ, облегчающий работу трактора в режиме с боковым наушном в сложных рельефных условиях, и обосновать компоновочно-конструкторские решения эффективной модификации трактора, но конструктивной сложности находящегося на уровне иизкоклиренсных модификаций и обладающего повышенной устойчивостью курсового движения для удовлетворения агротехни-

ческих и экологических требований;

- предложить математические зависимости для исследования влияния компоновочных параметров модифицированных узлов на параметры трактора;

- теоретически исследовать и экспериментально подтвердить эффективность предложенного способа модификации, трактора, обосновав достаточность вводимых конструктивных решений.

Во второй главе обоснованы способ обеспечения работы трактора в сложных рельефных условиях и модификация колесного трактора с повышенными технико-эксплуатационными свойствами в .наклонном режиме движения, представлены результаты ее конструктивной проработки.

Целесообразность поиска модификации трактора обоснована исходя из анализа конструктивной сложности вводимых в базовую модель узлов с сопоставлением той отдачи, которую они обеспечивают в повышении технико-эксплуатационных свойств трактора и агрегата в целом на его основе. Такой анзлиз проведен в сравнении с тремя основными модификациями тракторов класса 1.4 Минского тракторного завода: освоение;'! производством низкоклиренсной -МТЗ-82Н;рекомендованисй к производству крутосклонной - МТЗ-82К и экспериментальной горно-равнинной - МТЗ-82ГР. Из анализа следует, что низкоклирепепый трактор настолько не усложнил базовую модель, что даже те небольшие достоинства, которыми он обладает, сделали реальным его производство.

Крутосклонный трактор, обладая большими достоинствами, практически максимально возможными, конструктивно сложен и даже несмотря на рекомендации в производство т~к и не был внедрен. Усложнение конструкции повлекло и увеличение его веса, что нежелательно ввиду актуальности в последнее время, согласно исследованиям под руководством профессора Войкова В.П., снижения опорных давлений сельскохозяйственной техники. Кроме тего, стабилизация остова тут же потребовала возвращения навешенной машины в параллельное склону положение. Механизм стабилизации этого трактора нарушил его основные параме тры как пропашного. Эти параметры позволила обеспечить горно-равнинная модификация трактора МТЗ-82ГР, но остальные проблемы стабилизируемого трактора так и не были решены. Отмеченные проблемы послужили ориентиром з поиске нозой модификации трак-юра. Стабилизация

только задних колес трактора (рис. 2) представляется наиболее реальной концепцией приспособления базовой модели к движению с длительным вынужденным боковым наклоном.

Благодаря специфическим особенностям пропашного трактора--задние колеса большого- диаметра, распределение на них не менее 2/3 массовой нагрузки - обеспечиваются основные достоинства стабилизируемых моделей на практически таком же уровне, в том числе и основного из них - высокой устойчивости к опрокидыванию (кривая 4 на рис.З). В оптимальном по компоновочным возможностям варианте приблизиться вплотную к достоинствам стабилизируемых тракторов предложенная концепция модификации базовой модели трактора позволяет при условии расположения общего центра масс (5, рис.2) трактора и навешенной машины не выше уровня геометрической оси задних колес и расположение геометрических осей (3 и 4) поворота колес при стабилизации в центральных продольных плоскостях последних. Возможное несоблюдение последнего условия,влияющее на положение навешенной машины относительно поверхности поля,не должно превышать 0,03 м. Еще один компоновочный параметр, влияющий на удовлетворение агротехнических Рис. 2. Условия оптимальности стабилизации требований и опреде-задних колес трактора: 1-остов; 2-стабилизирован- ляемый по предло-ное сиденье; 3,4-точки оптимального расположения же1ШОЙ зависимости ,-шкворня; 5 - точка оптимального расположения

центра масс; 6-поверхиость склона; 7-иавешенная это разность Н ■$ ( о -машина; 8 - траектории перемещения указанных Ъ) / 2 ьт об высот точек при стабилизации; 9 - топливные баки, расположения осей ограничивающие стабилизацию колес. поворота задних колес

8

и бортовых рычагов передних колос ( в случае выполнения переднего моста также стабилизируемым ). Соблюдение этого условия необходимо, чтобы Передние колеса при стабилизации вписывались в поперечный габарит задних (рис. 4) для обеспечения модифицированной модели трактора проходимости в междурядьях.

и |

Рис.3, Зр.шюпмость опорной реакции вышераспо паженного колеса от угла наклона опорной псперхности: 1 - базовый МТЗ-82; 3-модификация со стабилизируемыми задними колесами и параметрами МТЗ-02; 4 - то же, но с оптимальными, согласно рис.2, параметрами;5-горпоравнипный МТЗ-82 ГР; 6- крутосклонный МТЗ-82 К.

I

На это, а также на удовлетворение других агротехнических требований и требований по сдерживанию водной эрозии почвы направлено предложение по регулированию углового положения Р геометрической оси АВ (рис. 5) шкворня механизма стабилизации задних колес поворота Ё"** а функции угла склона согласно

рис. б. При этом необходимый угол поворота колеса вокруг шкворня при стабилизации определяется по формуле

^ Шр

и служит одним из основных исходных параметров привода задних колес. При зыборе силового механизма стабилизации задних колес необходимое значение максимального усилия, затрачиваемого им на стабилизацию, определяется по предложенной .'зависимости

д $з[.0.эЬШс6 - 9)СОЗсО !}цг) 31ПсСг]+ Ми

(3 сазы, + е)-у! +■ созж

р

Рис. 4. Расчет допустимой разницы Н высот расположения геометрических осей 1 и 4 поворота соответственно передних 2 и задних с колес трактора при их стабилизации: максимальное значение этой разницы ограничено возможностью списывания ходовой части в междурядья пропашных культур.

Рис. 5. Схема смятия почвы колесом на наклонном основании: 1-поверхность основания; 2 - стабилизированное колесо; 3-линии сечения колеса его продольной плоскостью;^ -направление положительного наклона колеса;/^ - боковая сила; 4 в - смещение центра давления; &см - угол отклонения траектории качения колеса вследствие бокового смятия почвы;-«/1 - вертикальная деформация смятия почвы в центре давлеиия;Д - боковая составляющая деформации смятия; 4 - линия, ограничива- . ющая зону смятия; 5 - линии г сечения зоны смятия почвы продольной плоскостью; - угол наклона опорного основания; Их -вертикальная нагрузка на колесо; Р$- результирующая боковых сил, нагружающих грунт;-£<< - длина пятна

контакта; 6 - линия наибольшего наклона основания; колеса его вертикальной диаметральной плоскостью. 10

7 - линия сечения

где Ст.) - массовая нагрузка на задние колеса;*? - смещение центров их давления;^«? - высота расположения центра масс; /сц - коэффициент сцепления шины с- опорной поверхностью; Ми - момент инерции трактора. На пахоте, равно как и в междурядьях, рациональное агрегатирование сельхозмашин должно осуществляться с учетом их смещения

Л _ В -1400 ап ------

г

Л- гЬ^оО,

что является особенностью предложенного принципа стабилизации .задних колес, где Т - радиус заднего колеса. В созданном по предлагаемым рекомендациям макетном образце трактора выдержаны оптимальными практически все основные параметры, проиллюстрированные на рис.2.

Рис. в. Зависимость угла поворота стабилизируемого колеся от угла наклона трактора , равного углу склона.

В третьей главе приведено математическое моделирование технико-эксплуатационных свойств модифицированного трактора в наклонном режиме выполнения сельскохозяйственных процессов.

Из анализа ряда способов составления динамических дифференциальных уравнений движения механических систем (Аппеля, Лагранжа с неопределенными множителями, Эйлера-Лагранжа, Чаплыгина, Воронца, Ненова) выбран способ, наиболее приемлемый для описания конкретной моделируемой системы "трактор - поверхность поля - воздействия агрегатируемой машины" (рис. 7). Обоснованы принятые допущения по идеализации расчетной модели, поскольку учет большого количества влияющих фактороз, как правило, вуалирует основную картину исследуемого явления.

Уравнения движения системы, разработанные на основе общего уравнения Аппеля, имеют вид:

-P/u^Su-RsaSinSu+iP^-Pm)oosSJ2-

Sin sin SJ2 +(PX3Í ~P/2i)co¿ 8¿t -Pfizi sin 5л +(Ps22 -Pf22)cosda -£$22 Sin ójz~Pxp cosjf - Gsincóeeincp;

IQT(jh = (A/s -Р/л)з1п +£¿>U гоа8и+(Рки -Р/а)з1п8а -

+ BoaC03&a +(Px2t-Pf2i)3in8J>1 +P¡82íCoS&2í +(Px22 -Pyjájsmó'n

*Шз - До sinY - Güín ríe соз<р ;

JDrjOrJ} = L- (Asi - P/J1)COZ Su +RSu Sin 8iíJ[(ñí¡2 -C(i-GQ3¿>ii)u + [(Pxií -P/ii)sin¿tí + Psa CoSSuJfL-Q-ÚSitlSu) +[(Ли2 -C0b1Óí2 - Ufa SÍn&i2J£(3i/2)-¿(l-C0S&J2)]+[(Pt¡í2-Pffí)3Ínl)i2

C03ffu2J(L-a* ¿sin ff/2)+[-(PX2i -Pfu)eo$ • (82/2) + [-(jr£H -Pj2i)sül&2í - Pó'2í СОИ faja + [%22 -P/22)C0S&. Sfa вIB &2 J(B2/2) + [~(Px22 ~P/22)sm &2-J}f22COS622ja +

где обозначения представлены на схеме рис. 7, за исключением и ^¿.представляющих собой, соответственно, квазиускорение и квазискорость по I -той обобщенной координате

Для перехода к текущим координатам в неподвижной системе координат использовались уравнения:

ХТ = соз/>1 -¿г2 5тп/>л ; У г зт ;

12 J>^-<jгз •

Опорные реакции под колесами трактора могут бить представлены двумя составляющими: нормальной к поверхности склона и параллельной склону, направленной в сторону, поверхности склона и параллельной склону, направленной а сторону, противоположную наклону остова и противодействующей сползанию трактора. Получены выражения для нормальных составляющих опорных реакций. Вторые составляющие (J?tj, i-; J-J,2 ) этих реакций, лежащие на плоскости поверхности склона, равны результирующим боковых сил на колесо, которые они уравновешивают:

Рщ ~PiJ COSQ^axij - d'g), (Ы 1,2 ;J -1,2),

где PiJ - боковая составляющая вертикальной нагрузки на колесо; ^ Pj~ij - боковая сила, приложенная к колесу со стороны остоиа;а/£> угол наклона касательной к профилю протектора и центре давления, необходимый для вычисления P{J ¿¿nxij - угол склона в

поперечной плоскости колеса (рис. 5), определяемый но зависимости для задних колес

(¿rixij - tg* cosfy + cxrctgCty* ■ tgj>)J

и для передних управляемых

^nxij cos (</> + д'у),

где - курсовой угол трактора; Sij - угол поьорэта J - того переднего колеса.

Входящие в уравнения движения разработанной динамической системы 'трактор-поверхность поля-воздействия агрегатируемой машины" два других силовых параметра - сила сопротивления качениюPt'ij и касательная сила тяги P&i} - моделировались по методике Зеленого П.В., но с учетом особенностей взаимодействия колеса со склоном, обусловленных его поворотом при стабилизации вследствие наклонного под умом р (рис. 5) расположения шкворня механизма стабилизации.

Помимо силовых, в уравнения движения системы зходят кинематические параметры - углый^( i = 1,2; ] = 1,2 ) поворота колес. При прямолинейном движении, соответствующем рабочим ходам агрегата, математические ожидания этих углов должны быть равны углам отклонения векторов скорости колес от плоскостей вращения в результате увода ( ffyStj ) шины, бокового сдига ( ScdiJ ) почвы вследствие буксования колеса и смятия (d'cuij ) почвы в боковом направлении боковой силой при кслееобразовании

д]у — ¡Зуду + Зсдд 'h ScMij ■

На основе методик А.Ф. Андреева и П.В. Зеленого получено более полное выражение для вычисления этого суммарного угла :

j*_ wy _ иц гв у ^ 2 Pighrij

~~Xyy(ty-Qö</yJ U-ЯдЩ GtijLoiij '

гдеб^у- нагрузка на колеса; вд - смещение его центра давления; KyiJ - коэффициент сопротивления шины боковому уводу; и

dij - внешний радиус и посадочный диаметр шины; ff{j - буксование колеса; forij и - глубина колеи и длина пятна контакта колеса на

склоне, 1,0

ipai

<r«

0,015 ШО

O-.QlQ

Рис. 8. Составляющая отклонения вектора скорости колеса как следствие бокового смятия почвы в зависимости от глубины смятия (колеи)^/, просчитанная для шины трактора "Беларусь" 15,5-38" при условии,что Ун =0\Р& =0; (гк =15 кН;«> =5 град (1); 10 град (2); 15 град (3); и 20 град (4).

Пг

Интенсивность возрастания отклонения вектора скорости колеса от плоскости вращения в функции глубины колеи, наиболее выраженная вначале для значительных углов наклона опорного основания (кривые 3 и 4, рис. 8), постепенно снижается, принимая характер, близкий к прямолинейному. Эго важно учитывать при моделировании курсового движения колеса по мягкой почве. Наиболее существенное влияние, с учетом всех составляющих, на отклонение вектора скорости колеса угол поперечного наклона опорного основания оказывает в случае, когда колесо перпендикулярно к нему (кривая 2 на рис. 9), В вертикальном положении (кривая 1) влияние увода ослабевает, и основная доля отклонения вектора скорости колеса приходится на составляющие

сдвига и смятия грунта.

Рис. 9. Суммарное отклонение век гора скорости колеса в зависимости от угла наклона опорного основания при стабилизации колеса в вертикальном положении — 0 (1) и неста-билизированного =-а'(2): 0х =15 г.Н,Лг ^0,05 :г ширина - 16,5-38" <Г -0.15;/а -7,0 кН.

14

//

vai

/

У /

/о

го

На основе полученных по второй н третьей главах уравнений и аналитических зависимостей для определения входящих в эти уравнения параметров, учитывающих особенности предложенной модификации трактора для работы в вынужденном наклонном положении и предварительно теоретически исследованных ( рис. 3, 6, В и 9), составлялась машинная модель движения трактора и агрегата в целом с помощью алгоритмического языка Фортран, реализованная на персональном компьютере. Основные результаты машинного расчета (рис. 10) показали, что наклонное расположение шкворневых механизмов стабилизации задних ведущих колес янляется эффективным средством влияния на курсовой угол ¡р трактора и агрегата на его базе. Необходимый диапазон его возможной установки в зависимости от физико-механических свойств почвы составляет 6-16 град.

Рис. 10. Расчетные зависимости курсового >глз^ трактора от угланаклона геометрической оси шкворневого механизма стабилизации задних ведущих колес, полученные и результате разработанной математической модели движении трактора на персональном компьютере: 1-поле под посей; 2-укатдиное поле; 3 - стерня; угол склона-14 град; крюкозил нагрузкь-МкН.

3 3 г:

г г V

г

А

В четвертой главе изложены структура, цель и задачи экспериментальных исследований технико-эксплуатационных свойств модифицированного трактора. Лабораторные исследования позволили определить конструктивные параметры трактора согласно ГОСТ 705781. Координаты его центра масс определялись по ГОСТ 12.2.019-86, а параметры пятен контактов колес - по ГОСТ 7057-01. Полевые-исследования основывались на разработанной методике, в основу которой были положены требования ГОСТ 7057-01. Для повышения достоверности полевых испытаний уделялось внимание условиям их проведения, в частности, управление трактором осуществлялось в двух вариантах, наиболее характерных в типичных условиях его эксплуатации и соответствующих прямолинейному движению по заданной траектории ( междурядья, движение по следу маркера,

например, на посеве) и движению, когда выдерживается только заданное направление (транспортировка вне дорог, ряд операций по предпосевной обработке поля). Загрузка исследуемого трактора имитировалась другим трактором, а также обеспечивалась путем агрегатирования с рядом сельхозмашин и орудий.

Измерительно-регистрирующая аппаратура позволила

фиксировать: скорости вращения всех колес, углы их поворота, курсовой угол трактора, крюковую нагрузку. Для измерения использовались газогенераторы, круговые и ползунковые потенциометры, гирополукомпас, тснзосцепка, отметчик времени, а для регистрации -шлейфовый двадцатиканальный осциллограф, скоммутирозанный с перечисленными датчиками через пульт управления. Обработка экспериментальных данных проводилась на ПЭВМ с использованием преобразователя графиков Ф018.

В пятой главе приведены и всесторонне проанализированы результаты экспериментальных исследований, подтвердившие теоретические предпосылки и обоснования предложенного компромиссного направления модификации базовой модели трактора, способной эффективно с высокими технико-эксплуатационными свойствами выполнять сельскохозяйственные технологические операции в наклонном режиме движения (на склоне, пахоте отвальным плугом).

Установлено, что выравнивание задних ведущих колес в вертикальное положение путем поворота вокруг оси стабилизации при наклоне остова тоактора приводит к уменьшению площади контакта с опорной поаерхностью на склоне 14 град на 39,3 % по сравнению с горизонтальной поверхностью. Удельные давления на опорную поверхность при выравнивании для нижнего и верхнего по склону колес одинаково. Значения удельных давлений колес ка всех режимах работы не превышают норм, установленных ГОСТ 26955-66 "Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву". Оценка тягово-сцепных качеств трактора с включенным механизмом управления задними ведущими колесами проводилась для сравнения с трактором при отключенном механизме управления. Буксование трактора при выравнивании зедущих колес во всем диапазоне нагрузок уменьшается, что свидетельствует о его более высоких тягово-сцепных качествах. Так, например, при угле бокового наклона 14 град на фоне стерня (рис. 11) при Ркр = 14 кН буксование трактора с включенным механизмом управления задними ведущими -солесами составляет 14 %, при отключенном - 19 % 16

11/1

Л,

При отключенном механизме управления задними ведущими колесами разность коэффициентов буксования верхнего и нижнею по склону колес при силе тяги Ркр = 14 кН составляет 6-8 % При выравнивании колес в вертикальное положение буксование верхнего и нижнего ведущих колес практически одинаково, что объясняется такой особенностью данной модификации трактора, как отсутствие перераспределения нагрузки по бортам.

Максимальная тяговая мощность исследуемого трактора составляет 20,6 кВт при силе тлги Ркр = 14 кН, что выше на 1,2 кВт, чем у трактора с отключенным механизмом управления. Так, на склона 14 град, фон стерня, максимальное значение тягового КПД при включении механизма управления задними ведущими колесами увеличивается на 5,8 Анализ тягозых характеристик движения трактора с различным боковым наклоном при различных условиях эксплуатации показывает, что тяговый КПД трактора при включении механизма управления задними ведущими колесами увеличивается на 12-18 %.

Тягово-сцепные качества модифицированного трактора с выравненными ведущими колесами по закономерностям изменения

17

V

\\

с. Ч.

.. -Л4 IX

у

--А

и»

на .

к 1,

¡о

н

V

Р>р •

щи

/ц т и

Рис. 11. Тягово-сцепная характеристика модификации серийного трактора кл.1,4 фон-стерая, угол наклона - 14 град: т-— - механизм управления задними ведущими колесами включен; -5-*— механизм управления задними ведущими колесами вьислючен.

Таблица 1

Технико-эксплуатационные параметры трактора МТЗ-80У

№ п/п Наименование параметра Значение параметра Примечание

1 Масса трактора, кг зеео

2 Мощность двигателя, кВт 55,2 п.2.,.4 соответствуют

базовому трактору

3 Частота вращения двигателя, 2200

об/мин

4 Удельный рзсход топлива, .2 СЗ

г / ( кВт • ч )

5 Эпергонасыщемность, кВт/ч 14,3

6 Тяговая мощность, кВт 20,11 п.6-11 показаны прп

максимальной мощ-

ности, агрофон-стерня,

на склоне 14 град;

7 Тяговое усилие, кН 15,57

8 Скорость, км/ч 6,73

9 Буксование, % 22,4

10 Тяговый КПД 50,2

И Удельный расход топлива, 410

г/(кВт*ч)

12 Статическая устойчивость

трактора,град:

- продольная 45/65 В числителе на

подъем, в знаменателе

под уклон.

13 - поперечная 54

Поперечный угол склона,

допускающий устойчивую

работу трактора, град 18

14 Наименьший радиус

поворота ,м 4.58 В числителе параметр

15 Статическое давление на горизонтальной

пневматических колес на 43/71 поверхности,в знаме-

почсу, кПа нателя - на склоне 14

подчиняются закономерностям изменения тягово-сцег.ных свойств крутоислонного трактора.

Исследованиями курсовой устойчивости модифицированного трактора установлено, что отклонение от заданного направления движения в конце гона 50 м при боковом наклоне 14 град и Ркр = 14 кН составило 0,42 + 0,04 м с включенным механизмом управления задними ведущими колесами и 8,5 + 0,6 м при отключенном механизме управления. Курсовой угол трактора при включенном механизме управления и Ркр = 14 кН равен 0,5 рад, а при отключенном - 4 рад. Использовании на • тракторе устройств выравнивания задних ведущих колес в вертикальное положение с одновременным подворотом их взерх по склону приводит К повышению устойчивости курсового движения трактора в сложных рельефных условиях.

Исследования поворачиваеиости и управляемости модификации трактора на склоне подтвердили эффективность разработанного способа стабилизации. Радиус поворота трактора на склона 14 град составляет 14,57 м при включенном механизме управления и 16,31 м при выключенном механизме управления.

Оценка агрегатируемоети исследуемого трактора проводилась при агрегатировании его с плугом ПН-3-35, культиватором КПС-4-03, дисковой бороной БДН-3, сеялкой зернотукопой С3-3,6 А, граблями поперечными полунавесными ГПП-Й. Экспериментальные исследования показали, что качество выполняемых работ по обработке гючвы, посеву, заготовке кормов машинно-тракторным агрегатом на базе модификации трактора с выровненными задними ведущими колесами обеспечивается как на равнинной поверхности, так и на склонах.

В таблице 1 представлены технико-эксплуатационные параметры модификации трактора, подтверждающие эффективность разработанного способа обеспечения качественного выполнения сельскохозяйственных процессов при боковом наклоне остова трактора.

выводы

1. Условия работы универсально-пропашного трактора на пахоте, вследствие движения в борозде с наклоном остова до 12 град (при максимальной глубине вспашки 30 см), могут быть отнесены к сложным, особенно, если учесть, что значительные площади сельскохозяйственных угодий расположеные на местности, даже относящейся к равнинной, имеют наклонное расположение полей, увеличивающее суммарный крен трактора.

2. Рынок сельскохозяйственных тракторов для сложных рельефных условий не должен ограничиваться малоэффективной низкоклиренсной модификацией и в трудных нынешних экономических условиях, когда освоение производства полностью стабилизированного трактора является нереальным, надежды следует возложить на предлагаемую модификацию трактора, при минимальном усложнении конструкции которого обеспечиваются в наклонном режиме движения (на склоне и пахоте) высокие технико-эксплуатационные показатели, близкие или даже превышающие некоторые показатели полностью стабилизируемого трактора.

3. Предложенное компромиссное направление модификации трактора для эффективной работы в вынужденном наклонном режиме движения синтезировало в себе положительные качества стабилизируемых (крутосклонного и горно-равнинного) направлений модификаций - выравнивание опорных реакций по бортам, устойчивое в направлении движения положение колес, а также такое положительное качество базовой модели, как сохранение агротехнических параметров трактора и параметров агрегатирования его с сельхозмашинами, при уровне усложнения конструкции, соизмеримом с уровнем освоенных производством модификаций (рисоводческой, низкоклиренсной).

4. Установлены особенности универсально-пропашного трактора классической компоновки с задними колесами большого диаметра, воспринимающими не менее 2/3 массовой нагрузки агрегата, которые показали, что основная доля в эффекте стабилизации приходится на задние колеса и что в случае расположения центра масс на уровне оси этих колес, стабилизация остова не влияет на распределение опорных реакции по бортам и эффект от стабилизации переднего

моста несоизмерим с затратами на усложнение конструкции трактора.

5. Предлагаются оптимальные компоновочные параметры модификации трактора - расположение геометрической оси шкзорня механизма стабилизации задних колес в продольных плоскостях их симметрии и соотношение взаимного расположения по высоте шкворней и шарниров поворота бортовых редукторов передних колес (в случае выполнения их стабилизируемыми), и то и другое необходимо для удовлетворения агротехнических требошшии удержания машины в параллельном поверхности поля положении, вписывания ходовой части в междурядья пропашных культур.

6. Наклонное регулируемое расположение шкворня механизма стабилизации задних колес обеспечивает одновременно и их подаорот при стабилизации в плоскости качения ь функции угла наклона опорной поверхности, причем учет других факторов, например, физико-механических свойстз почвы на курсовое движение трактора и агрегата в целом возможен изменением угла наклона шкворня в пределах от 9 до 16 град

7. Модификация универсально-пропашного трактора для работы на склоне путем выравнивания ведущих колес и вертикальное положение при сохранении нормалшого положения остова трактора к опорной поверхности улучшает тягопо-сцепные качества, курсовую устойчивость в сравнении с низкоклиринсным трактором, обеспечивает агрегатирование всего комплекса сельскохозяйственных машин и орудий базовой модели, агротехнические требования при выполнении сельскохозяйственных работ на склоне, как и на горизонтальной поверхности, в сравнении с крутосклонным трактором.

8. Взаимодействие ведущих колес с почвой предлагаемого и крутосклонного тракторов идентичны, что подтверждается характером деформации шин, уменьшением площади контакта колес с почвой на склоне в одних и тех же пределах,. однако опорные давления у предложенной модификации трактора значительно ниже, чем у крутосклонного, благодаря меньшей (около 20%) металлов мкости.

9. Выравнивание ведущих колес положительно сказывается на показателях тягобс-сцепных свойств трактора на склоне :

буксование ведущих колес трактора при включении механизма стабилизации на склоне крутизной 14 град уменьшается до 22 действительная скорость увеличивается от 6 до 26 сила тяги - до 22 крюковая мощность - от 11 до 26 %, тяговый КПД трактора повышается от 10 до 18 %. В целом же показатели тлгово-сцеппых качеств трактора при выравнивании колес на склоне по характеру изменения подчиняются закономерностям изменения параметров тягово-сцегшых качеств крутосклонного трактора.

10. На склоне крутизной 6-С град, характерном для ряда регионов Республики Беларусь,показатели тягово-сцепных качеств модифицированного трактора соизмеримы в пределах + 3 % с их значениями на горизонтальной поверхности, что свидетельствует о эффективности предложенной модификации трактора.

11. Экспериментально подтверждено, что разработанная схема (а.с. К? 1726239) подворота задних колес взерх по склону является эффективным средством повышения курсовой устойчивости трактора, позволяющим улучшить агротехнические показатели при возделывании сельскохозяйственных культур в сложных рельефных условиях. Курсовой угол при движении трактора с включенным механизмом управления ведущими колесами на склоне крутизной 14 град уменьшается с 4 до 0,5 град.

12 Экспериментальные исследования агрегатируемости подтверждают, что предложенная модификация трактора пригодна для работы в сельскохозяйственном производстве с навесными, полунавесными и прицепными машинами с одновременным обеспечением тяги vi приводом рабочих органов от вала отбора мощности, при этом обеспечивается качественное выполнение сельскохозяйственных операций вследствие сохранения параллельности рабочих органов машин обрабатываемой поверхности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Якубович O.A. "Колесный крутосклонный трактор со стабилизацией колес". Сборник XXXI студенческой конференции республик Прибалтики, Белоруссии и Молдавии. Кишинев, апрель 19Е7 г.

2. Зеленый П.В., Якубович O.A. "Повышение вездеходности

колесных машин о сложных рельефных условиях". Сборник региональной 1ЛТК "Повышение эффективности проектирования, испытаний, эксплуатации автомобилей и строительно-дсрожных

3. Зеленый П.В., Зарецкий В.П., Якубович О.А, "Особенности конструктивных параметров МТА для внесения минеральных удобрений в сложных рельефных условиях'. Сборник тезисов республиканского НТК "Конструирование и испытания машин для внесения минеральных удобрений".г.Нефтекамс1с,1-2 декабрлЮОС г.

4. Зеленый П.Б., Якубович O.A. Обоснование стабилизируемой ходовой части универсально-пропашного трактора повышенной устойчивости // Конструирование и эксплуатация автомобилей и трак-гороз. Мн.,1989.Вып.4,с.60-64.

5. Зеленый П.В., Якубович O.A. "Кинематика механизма стабилизации колес пропашного трактора в вертикальном положении на склоне". Сборник республиканского НТК, посвященный 25-летию образования ШШ, г. Кишинев, 10-21 апреля 1689 г.

6. Якубович O.A. К оценке курсовой устойчивости движения трактора со стабилизируемой ходовой частью на поперечном склоне // Конструирование и эксплуатация автомобилей и тракторов. Ми, 1Э90. Вып.5, с. 73-76.

7. Якубович O.A. "Универсально - пропашной трактор кл. 1,4 повышенной устойчивости". Сборник всесоюзной научно-технической конференции "Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения", г.С.-Петербург, 26-27 ноября 1992 г.

8. АС. 1364914 СССР. Сленд для испытания транаюршых средств / П.В.Зеленый, В.В. Гуськов, O.A. Якубович, В.Н. Зарецкий.

9. A.C. 1726289 СССР. Трактор для работы на склоне / П.В.Зеленый, В.В.Гуськоо, О.А.Якубович, В.Г1 Зарецкий.

10. А.С 1411161 СССР. Крутосклонный трактор / П.В. Зеленый, В.В.Гуськоо, В.Ф.Чибан, О А.Якубович.

11. A.C. 1518151 СССР Пропашной трактор для работы на склонах / П.В.Зеленый, В.В. Гуськов, ШТКсенеиич, II А.Амельченко, А.И.Якубович, О.Л.Якубович.

12. A.C. 1713839 СССР. Подвеска задних колес крутосклонного трактора / П.В.Зеленый, О А.ЯкуСови«!, П.Н.Степанкж, В .¿.Пищало,

машин". Горький, ноябрь 1988 г.