автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования колесных энергосредств, работающих в составе машинно-тракторных агрегатов, за счет улучшения их тягово-сцепных свойств

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Основные показатели машинно-тракторных агрегатов.

1.2. Буксование как процесс.

1.3. Факторы, оказывающие влияние на процесс буксования.

1.3.1. Конструктивные параметры энергосредств.

1.3.2. Изменение буксования под влиянием внешних воздействий.

1.4. Постановка проблемы и задачи исследования.

2. Теоретическое исследование процесса буксования.

2.1. Теоретические и экспериментальные предпосылки для обоснования моделей процесса буксования.

2.2. Математическая модель процесса взаимодействия ведущего колеса с опорной поверхностью.

2.3. Выводы.

3. Методика экспериментальных исследований.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Испытательные стенды и измерительная аппаратура.

3.3. Методика проведения опытов.

3.4. Калибровка измерительных устройств.

3.5. Обработка опытных данных и погрешности измерения.

4. Результаты экспериментальных исследований.

4.1. Анализ результатов исследования процесса буксования.

4.2. Экономическая оценка результатов исследований.

Современное состояние аграрного сектора экономики требует постановки комплекса социальных, экономических и технических проблем, решение которых должно быть направлено на развитие аграрной политики и подъем сельскохозяйственного производства. Основа для решения этих вопросов -высокие эффективность и культура производства, что предполагает применение соответствующей техники, повышение ее эксплуатационных качеств и надежности. При этом под эффективностью подразумевается высокое качество выполняемых работ, а также высокая производительность агрегатов при возможно меньших затратах на единицу получаемой продукции.

Важнейшими эксплуатационными качествами, характеризующими эффективность работы МТА, считают его производительность, наибольшее крюковое усилие, развиваемое энергосредством, наиболее полное использование мощности двигателя, максимальный тяговый КПД и другие. Однако при этом любой из перечисленных параметров необходимо согласовывать с агротехническим критерием, в качестве которого можно использовать допустимую величину буксования. Необходимость использования величины буксования как агротехнического критерия обусловлена негативными проявлениями процесса взаимодействия движителя трактора с поверхностью качения - разрушением и уплотнением почвенного слоя, что в конечном итоге приводит к прогрессирующему снижению урожайности сельскохозяйственных культур, особенно при использовании колесной энергонасыщенной техники. Буксование, как результат взаимодействия ходовой части энергосредства с опорной поверхностью - сложный процесс, на течение которого оказывает влияние комплекс факторов, в состав которого входят: свойства опорной поверхности, параметры движителей, массовые и тяговые показатели 4 трактора, сопротивление сельскохозяйственной машины, работающей с ним в агрегате, и многие другие. Исследованиями в этой области занимались многие авторы (Водяник И.И., Гуськов В.В., Зангиев А.А., Кузнецов Н.Г., Кутьков Г.М., Станкевич Э.Б. и др.), однако степень влияния данных факторов на буксование, а также самого процесса на эксплуатационные свойства МТА и продуктивные свойства почвы остается вопросом открытым.

В этой связи одним из возможных путей решения этой проблемы являются предлагаемые в диссертации методы улучшения эксплуатационных свойств колесных энергосредств, разработанные с учетом условий работы трактора в составе машинно-тракторного агрегата.

Научная гипотеза диссертации заключается в том, что процесс взаимодействия ведущих колес трактора с почвой является значимым фактором в формировании вероятностного характера тягового усилия энергосредства. Объектом исследований является машинно-тракторный агрегат на базе колесного энергосредства, условия его работы и влияние этих условий на эксплуатационные свойства трактора.

Данная работа является составной частью исследований, проводимых в рамках НИР кафедры «Тракторы и автомобили» по теме «Повышение эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов на базе малогабаритных энергосредств за счет улучшения их эксплуатационных свойств», № государственной регистрации темы в ВНТИЦ - 01.20.00.04381.

Основные положения выполненной работы использованы для прогнозирования основных эксплуатационных показателей при проектировании новых образцов тракторов в ЗАО «Петербургский тракторный завод» и для совершенствования конструкции тракторных шин в ОАО «Ярославский шинный завод». Результаты исследований используются в учебном процессе в ВГМХА им. Н.В. Верещагина в курсах «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Тракторы и автомобили». 5

Общие выводы и предложения.

1. Теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в рамках изучения явлений, происходящих в зоне контакта ведущего колеса трактора с опорной поверхностью, доказывают что эти процессы достаточно динамичны и зависят в значительной степени от свойств поверхности качения, причем последние могут резко изменяться даже на незначительных расстояниях. Поэтому усредненные значения величины буксования, полученные экспериментально по стандартным методикам не отражают действительных явлений на почве и не могут быть использованы при изучении неустановившихся режимов работы МТА, характерных для реальных условий эксплуатации энергосредств.

2. Буксование колеса следует рассматривать как процесс, состоящий из двух фаз. В первой фазе происходит продольно-вертикальное уплотнение грунта за счет нормальной нагрузки и упора грунтозацепов колеса в почву, при этом между грунтозацепами колеса и в прилегающей к ним зоне образуются крупные, уплотненные почвенные структуры («грунтовые кирпичи»). Упругим деформациям на этом этапе помимо почвенного материала подвергается пневматическая шина колеса, а также элементы трансмиссии и двигателя, участвующие в создании касательной силы. Вторая фаза характеризуется разрушением уплотненного слоя. Здесь энергия, накопленная при упругом сжатии элементов трактора «выплескивается» в виде лавинного срыва грунтовых кирпичей и затрачивается на истирание почвы. Хаотическое чередование фаз уплотнения и срыва вызывает колебания, которые совместно с колебаниями тягового сопротивления сельскохозяйственной машины, работающей в составе МТА, формируют характер тягового усилия энергосредства.

115

3. Экспериментально подтверждено, что колебания силы тяги, вызванные буксованием при взаимодействии колеса с почвой, носят вероятностный характер, причем при отсутствии разрушения уплотненного слоя почвы распределение мгновенных значений силы тяги близко к нормальному. При наличии же разрушения уплотненного слоя, сопровождаемого истиранием почвенных частиц до пылевидной фракции, распределение отличается от нормального, что может быть критерием максимального значения коэффициента буксования из условия сохранения продуктивных свойств почвы. Для трактора Т-25А при его работе на легком суглинке начало разрушения уплотненного слоя лежит в пределах коэффициента буксования 10,6.13,0%.

4. Использованная при экспериментальных исследованиях методика определения тягового усилия энергосредства при фиксированном значении коэффициента буксования, в отличие от предусмотренной ГОСТ 7057-81, позволяет более точно определять тяговые и массовые показатели тракторов при значительно меньших затратах времени и труда.

5. При назначении режимов работы МТА необходимо учитывать, что степень загрузки трактора должна ограничиваться предельным уровнем буксования из условия сохранения продуктивных свойств почвы. Уменьшение загрузки до определенных оптимальных значений позволяет снизить затраты при производстве сельскохозяйственной продукции за счет:

- повышения урожайности культур, предопределенного сохранением плодородия почвы; роста производительности МТА, обусловленного некоторым увеличением рабочей скорости движения за счет снижения буксования;

- уменьшения расхода топлива на единицу обрабатываемой площади путем снижения непроизводительных потерь на буксование.

116

6. Снижение уровня буксования как способ повышения эффективности функционирования колесных энергосредств может быть достигнуто путем уменьшения тягового сопротивления сельскохозяйственной машины, работающей в составе МТА, например при использовании машин с изменяемой шириной захвата, либо улучшением характеристик ходовых систем, например при использовании тракторных шин, отличающихся повышенной жесткостью в тангенциальном направлении при сохранении ими положительных свойств шины радиальной.

117

1. Алекперов Д.К. Методика исследования буксования гусеничного трактора // Тракторы и сельхозмашины. - 1958. - №8. - с. 4 - 5.

2. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допустимых режимов работы машинно-тракторных агрегатов. JI: Колос, 1978. - 296с.

3. Агейкин Я.С. Ограничение тяговых возможностей колеса несущей способностью почвы // Тракторы и сельхозмашины. 1976. - №6. — с. 13 — 15.

4. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. -М.: Высшая школа, 1976. 328 с.

5. Бахмутов В.А., Любчич В.А. Агротехническое обоснование параметров колес сельскохозяйственных машин // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1983. - №4. - с. 56 - 57.

6. Бируля А.К. Исследование взаимодействия колес с поверхностью качения как основы оценки проходимости /'/' Проблемы повышения проходимости колесных машин: Сборник научных трудов АН СССР, 1959.

7. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. М.: Агропромиздат, 1988 г. - 240 с.

8. Бойков В.П., Ванцевич В.В., Стригунов С.И. и др. Тяговые характеристики шин универсально-пропашных тракторов классов 1,4 и 2 // Тракторы и сельхозмашины. 1986. - №1. - с. 10-14.118

9. Богомолов JI.K., Тургиев А.К. Буксование трактора при повышении скорости // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1968. - №6. - с. 41.

10. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. - 607с.

11. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. -М.: Колос, 1973. 200 с.

12. Войтиков А.В., Бойков В.П., Кривицкий A.M. О влиянии ширины и наружного диаметра шины на тягово-сцепные качества колес // Тракторы и сельхозмашины. 1982. - №9. - с. 11-12.

13. Водяник И.И. Влияние крутящего момента на взаимодействие колеса с почвой // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1984. - №6. - с. 37 - 39.

14. Водяник И.И. Погрешность измерения буксования тракторов // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства.- 1976.-№5.-с. 38.

15. Водяник И.И. Процессы взаимодействия тракторных ходовых систем с почвой (учебное пособие) Кишинев, 1986 г. 123с.

16. Водяник И.И. Сцепные свойства колеса с пневматической шиной // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства.- 1985. №4.-с. 20 -23.

17. Воронин В.А., Рябченко В.Н. Определение буксования движителей // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства.- 1970. -№7.-с. 44-45.

18. Гинцбург Б.Я. О коэффициенте сцепления и буксовании тракторов // Тракторы и сельхозмашины. 1968. - №9. - с. 4 - 6.

19. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1997. - 479 с.

20. Гончаров И.А. О влиянии скорости движения на буксование ведущих колес трактора // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1964. - №1. - с. 51 - 52.

21. ГОСТ 11.002.-73 Правила оценки анормальности результатов наблюдений. М.: Издательство стандартов, 1973. - 24 с.

22. ГОСТ 11.004-74 Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения. М.: Издательство стандартов, 1974. - 20 с.

23. ГОСТ 11.006-74 Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. М.: Издательство стандартов, 1974. - 24 с.

24. ГОСТ 20915-75 Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний. М.: Издательство стандартов, 1975. 13 с.

25. ГОСТ 7057-81 Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний. -М.: Издательство стандартов, 1981. 24 с.

26. ГОСТ 4.40-84 Тракторы сельскохозяйственные. Система показателей качества продукции. М.: Издательство стандартов, 1984. 7 с.

27. ГОСТ 27021-86 Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные. Тяговые классы. М.: Издательство стандартов, 1986. - 5 с.

28. Гуськов В.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. М.: Машиностроение, 1966. - 195с.

29. Гуськов В.В. Тракторы. Теория. Минск: Высшая школа, 1977. - 384с.

30. Гуськов В.В., Велев Н.Н., Атаманов Ю.Е. и др. Тракторы. Теория. М.: Машиностроение, 1988. - 376 с.

31. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 610 с.

32. Догановский М.Г., Клейн В.Ф., Еникеев В.Г. Статистические характеристики агрегата для совмещенной обработки почвы и посева120

33. Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1971. -№11. -с. 23 -25.

34. Зангиев А.А. Оптимизация эксплуатационных параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов. М.: МИИСП, 1986. - 80 с.

35. Зангиев А.А., Лышко Г.П., Скороходов А.Н. Производственная эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос, 1996. - 320с.

36. Зиновьев A.JI., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. -М.: Высшая школа, 1975. 264с.

37. Золотаревская Д.И. Влияние вязкоупругих свойств почвы и сил трения на тяговые свойства и уплотняющее воздействие колесных тракторов на почву // Тракторы и сельхозмашины. 1991. - №3. - с. 13 -17.

38. Иванов Г.А. Оптимизация параметров трактора по критерию минимума буксования // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1987,-№8.-с. 36-40.

39. Иофинов С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос, 1974.-480 с.

40. Испытания сельскохозяйственной техники за рубежом. Обзорная информация. -М.: ЦНИИТЭИ, 1981. 17 с.

41. Калацкий А.Н., Кононов A.M. Исследование прочностной характеристики суглинистой почвы как среды, взаимодействующей с движителем // Тракторы и сельхозмашины. 1982. - №4. - с. 18-20.

42. Кардашевский С.В., Погорелый Л.В., Фудиман Г.М. и др. Испытания сельскохозяйственной техники. М.: Машиностроение. 1979. - 246с.

43. Кацыгин В.В., Бобровник А.И. Анализ показателей разгона агрегата с учетом буксования // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1975. - № 10. - с. 32 - 35.

44. Кацыгин В.В., Горин Г.С. Анализ объемно-напряженного состояния почвы под колесом // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1982. - № 8. - с. 51 - 52.

45. Кацыгин В.В., Орда А.Н., Котлобай А.Я. Влияние параметров колесных движителей на тягово-сцепные свойства тракторов // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1982. - № 4. -с. 28- 30.

46. Корн Т., Корн Г. Справочник по математике. М.: Наука, 1978. - 832с. Коптев В.В., Шкарлет А.Ф. О тяговых испытаниях колесных тракторов // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства.- 1970.-№5.-с. 46 -47.

47. Ксеневич И.П., Тарасик В.П. Требования к САУ режимами загрузки двигателя с учетом буксования движителей трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1987. - № 4. - с. 14 - 20.

48. Кутин Л.Н., Кобазев А.В., Барышникова Г.А. Влияние колебаний остова трактора на его буксование // Тракторы и сельхозмашины. 1984. - № 12. -с. 5-6.

49. Кутьков Г.М. Основы теории трактора и автомобиля. М.: Изд. МГАУ им. В.П. Горячкина, 1995. - 273с.

50. Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля. М.: Колос, 1996. - 287 с.

51. Кутьков Г.М. Технологические основы и тяговая динамика мобильных энергетических средств. М.: МИИСП, 1992. - 154с.

52. Кутьков Г.М., Пучков B.C., Холин А.И. Анализ источников генерации колебаний нагрузки на двигателе с.-х. трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1975. - № 7.

53. Лихачев B.C. Испытания тракторов. М.: Машиностроение, 1974. - 288 с

54. Лурье А.Б. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления. Л.: Колос, 1979. - 243 с.

55. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. -М.: Колос, 1981.-382с.

56. Лурье А.Б. Статистические оценки тягового сопротивления почвообрабатывающих машин // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1972. - № 10.

57. Львов Е.Д. Теория трактора. М.: Машиностроение, 1952. - 388 с.

58. Митков А.Л., Кардашевский С.В. Статистические методы в сельхозмашиностроении. М.: Машиностроение, 1978. - 360 с.

59. Михайловский Е.В., Цимбалин В.Б. Теория трактора и автомобиля. М.: Сельхозгиз, 1960. - 336 с.

60. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.: ВАСХНИЛ, 1980. - 116 с.123

61. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. М.: ВНИИ экономики сельского хозяйства, 1998. - 219 с.

62. Мухамадьяров Ф.Ф., Лопарев А.А. Влияние ходовых систем сельскохозяйственных тракторов на свойства почвы и урожайность картофеля // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. — 2002.-№3.-с. 82-84.

63. Наумец Н.И. К определению тяговых усилий, необходимых для передвижения трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1958. - №1.

64. Нафиков М.З., Поляков И.С. Расчет сопротивления движению трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1968. - №1.

65. Нейченко В.Г., Приходько Л.С., Темняков-Покровский Р.А. и др. К вопросу имитации эксплуатационных нагрузок на крюке трактора при ускоренных ресурсных испытаниях // Тракторы и сельхозмашины. — 1970. -№12.

66. Огурлиев A.M., Тургиев А.К. Зависимость сопротивления качению колесного трактора от крюкового усилия // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1981. - №1. - с. 30 - 31.

67. Платонов В.Ф., Ленашвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины. М.: Машиностроение, 1986. - 296с.

68. Полетаев А.Ф. Качение ведомого колеса // Тракторы и сельхозмашины.1963. -№2.-с. 5-7.

69. Полетаев А.Ф. Качение ведущего колеса // Тракторы и сельхозмашины.1964. -№1,- с. 11-15.

70. Поляков О.А. Способ моделирования эксплуатационной загрузки колесного трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1971. - №2.

71. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. - 288 с.

72. Романов Ф.Ф., Коптяев В.А. Анализ компоновочных схем малогабаритных энергосредств с точки зрения их агрегатирования // Актуальные проблемы механизации агропромышленного комплекса: Сб. науч. тр. ВГМХА. Вологда: 1996. - с. 68-70.

73. Свирщевский Б.С. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Сельхозгиз, 1950. 503 с.

74. Свирщевский Б.С. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Сельхозгиз, 1958. 660 с.

75. Синкевич П.Н., Куневич П.А., Быков Н.Н. Определение воздействия ходовых аппаратов машин на почву // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1985. - №4. - с. 23 - 25.

76. Скотников В.А., Мащенский А.А., Солонский А.С. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. М.: Агропромиздат, 1986. - 383 с.

77. Создание приборов для проведения испытаний и исследований тракторов // Труды НАТИ, вып. 150. 1962. - 93 с.

78. Станкевич Э.Б. К теории расчета тягово-сцепных свойств тракторных шин // Тракторы и сельхозмашины.-1981. №11. - с. 4 - 6.

79. Станкевич Э.Б. Теоретические основы исследования тягово-сцепных свойств тракторных шин // Тракторы и сельхозмашины. -1985. №9. - с. 7-10.

80. Станкевич Э.Б. Зависимость силового нагружения колеса от его геометрических параметров // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. - №9. - с. 6 - 9.

81. Сураев Н.Г. Исследование тягового КПД и буксования трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1991. - №4. - с. 18-20.

82. Типовые нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые работы в сельском хозяйстве. Т.1 / ВНИЭСХ М.: Агропромиздат, 1990. - 352с.

83. Трепененков И.И. Эксплуатационные показатели сельскохозяйственных тракторов. М.: Машиностроение, 1959. - 192 с.

84. Цукуров A.M. Моделирование процесса уплотнения почв в зоне контакта с колесным движителем // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. -№9. с. 9- 11.

85. Цытович Н.А. Механика грунтов. М: Высшая школа, 1983. - 288 с.126

86. Чудаков Д.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. М: Колос, 1972. -384 с.

87. Шкарлет А.Ф. О тяговых показателях колесного трактора при неустановившейся нагрузке // Тракторы и сельхозмашины. 1969. - №7. -с. 4-5.

88. Шкарлет А.Ф., Гетьман Н.И. Влияние неравномерности момента сопротивления на тяговые показатели тракторов при испытаниях // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1978. - №1. - с 7 - 8.

89. Юшин А.А., Евтенко В.Г. Исследование характера нагрузок сельскохозяйственных тракторов при работе МТА на повышенных скоростях // Тракторы и сельхозмашины. 1972. - №4.

90. Яблонский О.В. Влияние буксования колес трактора на качество работы агрегата // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1978. - № 1. - с. 37 - 38.

91. Яблонский О.В. Влияние случайного характера нагрузки на буксование колесных тракторов // Тракторы и сельхозмашины. 1974. - №12. - с.17.

92. Яблонский О.В. Предельное буксование ведущего колеса // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1974. - №9. -с. 32 -34.

93. Яблонский О.В. Энергетика процесса качения эластичного ведущего колеса // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1984. - № 6.

94. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985. -512 с.1281. УТВЕРЖ^гЩ^1. Проректор ВГМХА им.доктор ---"---------------л»

95. УТВЕРЖДАЮ» /Директор ОАО «Петербургский тракторный завод», vA.II. Крикунов2000 г.1. АКТвнедрения результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ

96. Зам", гл. инженера ПТЗ В.М. Кретов129

97. УТВЕРЖДАЮ» * Ректор BfMXA им»\ ЫБ.ЛВе&Дграда ' -1. Щ|1;рстрецов

98. УТВЕРЖДАЮ» Главный инженер ОАО « "< * г \ФУ/4%UJ^2001 г.й ШЗ» Писмарев2001 г.1. АКТвнедрения результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ

99. Главный конструктор/ начальник БК ГиС ' Разумов1.lj130

100. Декан факультета механизациисельского хозяйства, д.т.н.1. Ф.Ф. Романов131