автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов на базе колёсных тракторов



На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Владимир Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ КОЛЁСНЫХ ТРАКТОРОВ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 ОКТ 2012

Зерноград - 2012

005053818

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная академия» (ФГБОУ ВПО АЧГАА)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Краснов Иван Николаевич

Официальные оппоненты: Черноволов Василий Александрович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

Рыков Виктор Борисович

доктор технических наук, ст. науч. сотрудник (ГНУ СКНИИМЭСХ, зам. директора по науке)

Ревин Александр Александрович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО ВолгГТУ, зав. кафедрой)

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ГНУ ВИМ) Российской Академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится «28» декабря 2012г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, Ростовская обл., г. Зерноград, ул. Ленина, 21, в зале заседания диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азо-во-Черноморская государственная агроинженерная академия»

Автореферат разослан "28" сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор ' Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и решаемая научная проблема. Сельскохозяйственное производство неразрывно связано с его оснащенностью высокопроизводительной техникой и зависит от уровня и темпов развития тракторов и сельскохозяйственных машин. Основными направлениями экономического и социального развития страны в ближайшее время предусмотрено повышение технического уровня и качества машин и оборудования, необходимых для комплексной механизации сельскохозяйственного производства.

Важным резервом повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве является применение скоростных энергонасыщенных тракторов. Однако решение этой проблемы встречает ряд трудностей, связанных с неустановившимися процессами при движении машинно-тракторных агрегатов (МТА).

В этой связи актуальным становятся решение проблемы: разработать методологию, методы, алгоритмы и технические средства снижения динамичности и энергоёмкости МТА. Значимость этой проблемы возрастает в связи с настоятельной необходимостью обеспечения и сохранения плодородия почвы при выполнении машинами полевых работ.

Неустановившийся режим движения имеет место при трогании и разгоне МТА, при переключении передач на ходу, а также при случайных колебаниях нагрузки. При этом происходит изменение кинетических энергий масс агрегата и потенциальных энергий в связях, от чего влияние поступательных и вращательных масс агрегата на показатели его движения существенно возрастает. Особенно заметно это проявляется при начальном процессе движения, который является одним из наиболее тяжёлых режимов работы МТА.

Современные скоростные тракторы характеризуются повышенным значением приведенных масс, что обусловливает большое их влияние на характер неустановившегося движения агрегата. Возникающие значительные инерционные нагрузки приводят к потерям части мощности двигателя, из-за чего МТА работает с меньшей производительностью и экономичностью. Повышение рабочих скоростей МТА и необходимость резервирования мощности двигателя для осуществления разгона заставляют изыскивать пути улучшения разгонных качеств МТА.

Существенно влияние и характеристик движителей на динамические качества мобильных агрегатов в условиях колебаний внешней нагрузки. Совершенство движителя колёсных тракторов определяет его тягово-сцепные качества и проходимость. Однако выбор движителей колёсных тракторов до недавнего времени осуществлялся по несущей способности и сроку службы шин. Для улучшения тягово-сцепных показателей трактора часто практикуется увеличение нагрузки на шину, что приводит к большему уплотнению почвы в пахотных и подпахотных горизонтах.

Цель работы - повышение эффективности функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов на базе колёсных тракторов путём разработки методологии и технических средств снижения их динамичности и энергоёмкости.

Объект научных исследований - технологические процессы функционирования сельскохозяйственных МТА, их параметры и режимы работы.

Предмет научных исследований - закономерности и способы повышения показателей функционирования сельскохозяйственных МТА путём сокращения динамических нагрузок на исполнительные подсистемы МТА и оптимизации тягово-сцепных свойств движителей.

Методы исследований представлены комплексным использованием динамического анализа, системного подхода, теории вероятностей, математической статистики, разработкой усовершенствованных методик испытаний МТА, методов планирования многофакторных экспериментов. В отдельных случаях разрабатывались частные методики испытаний и оригинальное оборудование к ним.

Научную новизну исследований представляют:

- разработанная динамическая модель сельскохозяйственных МТА на базе колёсного трактора, позволяющая анализировать затраты энергии при переходных процессах, возникающих при колебаниях тягового сопротивления, работу трения муфты сцепления при разгонах, буксовании ведущих колёс в зависимости от параметров двигателя, трансмиссии и движителей;

- рациональные параметры и режимы автоматического управления «дополнительной инерционной вращающейся массой» двигателя для улучшения устойчивости показателей функционирования МТА;

- предлагаемая схема динамической системы тракторного агрегата, в которую включён упругодемпфирующий механизм, позволяющий оптимизировать динамические нагрузки в трансмиссии, обеспечить защиту двигателя от колебаний внешней нагрузки, улучшить процесс работы сельскохозяйственных машин и орудий;

- оптимальные параметры упругодемпфирующего механизма в трансмиссии МТА;

- оптимизация момента инерции привода упругодемпфирующего механизма в трансмиссии трактора от частоты колебаний нагрузки от технологических машин в составе МТА;

- методы испытания и оптимизации конструктивных параметров шин, обеспечивающих высокие динамические и агроэкологические свойства колёсных движителей тракторов в составе МТА.

Практическую значимость диссертации составляют:

- предложения на основе модели МТА по методам исследования динамических процессов и расчётам режимов движения сельскохозяйственного агрегата по агрофону, обеспечивающих улучшение показателей функционирования в реальных условиях эксплуатации;

- методы и основные параметры автоматического управления дополнительным моментом инерции от вращающейся массы двигателя (а.с. №1105339);

- способы повышения упругодемпфирующих свойств трансмиссии трактора в составе МТА и системы автоматического переключения передач, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения (а.с. №№748036, 798395, 861123, 1062035, патенты №№83458, 2222440, 2252148, 2299135,2398147);

- разработки по «шинному тестеру» для экспериментальных исследований и испытаний пневматических шин, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения (а.с. №№1557469, 1654715, 1767381, патенты №№2085891, 2092806, 2107275,2131119, 2167402, 2221998);

- предложения по динамометрированию навесных сельскохозяйственных машин и исследованию микропрофиля полей;

- методика экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров шин на функциональные показатели МТА (а.с. №1701822).

Результаты исследований переданы и используются производственным объединением «Кировский завод», Министерствами сельского хозяйства и продовольствия Ростовской области и Карачаево-Черкесской Республики, отдельными хозяйствами и внедрены в учебный процесс ряда сельскохозяйственных вузов. Методика исследований пневматических шин и установка «шинный тестер» внедрены на Северо-Кавказской машиноиспытательной станции.

Апробация научных результатов - основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях АЧГАА, ВНИПТИМЭСХ, Ставропольского ГАУ, Челябинского ГАУ, МГАУ, УНИМЭСХ, ХИМЭСХ, ЛСХИ, Волгоградской СХА и др.

На защиту вынесены следующие положения:

- уточнённый анализ условий функционирования сельскохозяйственных МТА и путей дальнейшего улучшения их эксплуатационных показателей;

- динамическая модель процесса функционирования сельскохозяйственных МТА с учётом взаимодействия пневмоколеса с опорной поверхностью, колебаний тягового сопротивления и воздействия микрорельефа поля;

- методика оценки влияния внешних воздействий на показатели функционирования МТА при выполнении основных сельскохозяйственных операций;

- методы автоматического управления дополнительной инерционной вращающейся массой двигателя;

- научные разработки упругодемпфирующего механизма и систем автоматического переключения передач;

- методика оптимизации конструктивных параметров шин, обеспечивающих высокие динамические и агроэкологические свойства колёсных движителей тракторов в составе МТА;

- способ повышения эффективности функционирования МТА путём комплектации ведущих колес трактора шинами рационального конструктивного исполнения.

Основные положения диссертации отражены в 92 работах, в том числе 15 в изданиях, рекомендуемых ВАК. По результатам диссертации получено девятнадцать авторских свидетельств и патентов на изобретения, издано две монографии и четыре учебных пособия, одно из которых имеет гриф Министерства высшего образования РФ, одно - гриф Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ и два - гриф УМО по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 378 страницах, содержит 156 рисунков, 111 таблиц. Библиографический список включает 246 наименований, в том числе 11 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность научной проблемы, определены цель, объект и методы исследований. Дано краткое изложение глав диссертации. Показана научная новизна, практическая значимость и степень реализации результатов исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы повышения показателей работы сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов» представлен анализ состояния проблемы повышения показателей функционирования сельскохозяйственных МТА. Отмечена необходимость дальнейшего поиска реальных путей повышения эффективности сельскохозяйственных технологий, снижения себестоимости производимой продукции, составляющих важную народнохозяйственную проблему, решению которой посвящены работы ведущих коллективов научных и высших учебных заведений (ВИМ, СКНИИМЭСХ, КубНИИТИМ), а также известных в нашей стране и за рубежом учёных. Фундаментальные исследования в разработку технологических процессов, создание и совершенствование сельскохозяйственных машин и тракторов, развитие учения о земледельческой механике заложили В.П. Го-рячкин, И.И. Артоболевский, В.Н. Болтинский, П.М. Василенко, В.А. Жели-говский, Е.Д. Львов, А.Б. Лурье, Б.С. Свирщевский, С.А. Иофинов, Д.А. Чудаков и другие. В решение проблемы на основе комплексного подхода к повышению эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов значительный вклад внесли И.П. Ксеневич, Г.М. Кутьков, Ю.К. Киртбая, В.Я. Анилович, И.Б. Барский, Л.В. Гячев, Л.И. Гром-Мазничевский, Н.Г. Кузнецов, Ю.А. Тырнов, A.C. Солонский, В.Л. Строков, A.A. Карсаков, Н.М. Шаров, Л.Е. Агеев, В.А. Русанов, Э.И. Липкович, В.В. Коптев, О.Г. Ангилеев, В.Б. Рыков, В.А. Черноволов, Н.М. Беспамятнова, A.M. Цукуров, И.И. Водяник и другие. Полученные ими данные на современном этапе требуют дальнейшего развития, уточнения и корректировки.

На основе анализа литературных источников сформулированы научная и рабочая гипотезы, задачи исследования.

Научная гипотеза: снижение энергоёмкости МТА может быть достигнуто разработкой методологии, методов и алгоритмов оптимизации технических средств, снижающих энергозатраты при переходных процессах.

Рабочая гипотеза: снижение энергоёмкости МТА может быть достигнуто оптимизацией конструкции и параметров трансмиссии и движителей на основе динамических моделей функционирования, учитывающих затраты энергии при переходных процессах, возникающих при колебаниях тягового сопротивления, работу трения муфты сцепления при разгонах и буксование ведущих колёс.

Исходя из этого необходимо было решить следующие задачи:

- разработать математическую модель МТА с учетом жесткости и демпфирующих свойств трансмиссии и движителей, а также нагрузки от сельскохозяйственных машин и орудий;

- провести теоретические исследования по сокращению времени переходных процессов при неустановившейся тяговой нагрузке и влиянию их на динамические показатели, режимы работы и производительность МТА в реальных условиях эксплуатации;

- разработать методы и механизмы автоматического управления приведённым моментом инерции вращающейся массы двигателя на соответствующих этапах движения МТА, жёсткостью трансмиссии и переключением передач, повышающих устойчивость и производительность их;

- обосновать оптимальные параметры пневматических шин движителей сельскохозяйственных тракторов в составе МТА;

- провести проверку теоретических положений экспериментальными исследованиями машинно-тракторных агрегатов на различных режимах движения: при разгоне, переключении передач на ходу, движении агрегатов в условиях выполнения сельскохозяйственных работ.

Во второй главе «Разработка динамической модели функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов» рассмотрены общие методологические и концептуальные подходы к разработке математической модели функционирования сельскохозяйственных МТА.

Сельскохозяйственный МТА может рассматриваться как многомассовая динамическая модель (рис. 1), в которой: масса с моментом инерции Ji заменяет вращающиеся и поступательно-перемещающиеся детали двигателя; масса с моментом инерции - вал муфты сцепления; масса с моментом инерции Зг — детали трансмиссии трактора; массы с моментами инерции Зъ и имитирует колёса трактора и та - поступательно-движущиеся массы всего агрегата в совокупности с сельскохозяйственными машинами и орудиями.

В этом случае МТА как систему можно представить последовательно соединёнными звеньями: двигатель - силовая передача - ведущее колесо -нагрузка от рабочих машин, с отображением реальных связей между ними.

Модель составлена при следующих основных допущениях:

- остов трактора вместе с кабиной рассматривается как твердое тело;

- колебания рассматриваются от положения статического равновесия с началом координат в центре тяжести трактора;

- трактор движется прямолинейно;

- упругие элементы имеют линейную характеристику;

- воздействия на правое и левое колеса одинаковые и одновременные;

- силы инерции в регуляторе двигателя и неподрессоренные массы переднего моста трактора пренебрежимо малы;

- силы вязкого трения в элементах шины и трансмиссии пропорциональны относительным скоростям, а силы неупругого сопротивления - действующим усилиям на рабочие органы сельскохозяйственных машин.

Математическая модель включает уравнения двигателя и регулятора, муфты сцепления, силовой передачи, ведущего колеса, продольно-вертикальных колебаний трактора и нагрузки от сельскохозяйственных машин в составе МТА.

Поведение такой динамической модели определяется следующими обобщенными скоростями системы: угловыми скоростями о, коленчатого вала двигателя, сомс вала муфты сцепления, со2 первичного вала трансмиссии, а} оси ведущих колес трактора, ео^ беговой дорожки движителя, а>н ротора турбонагнетателя; Уа — скоростью МТА; г - скоростью перемещения муфты регулятора.

Движение МТА осуществляется под действием: М) - крутящего момента двигателя; Мсц - момента трения муфты сцепления двигателя; Мфр - момента

трения фрикциона переключения передач; Мупр - момента упругих сил связи в трансмиссии трактора; Мшк - момента закрутки шины; Мш - момента, обусловленного упругостью и демпфированием шины; т(л) - усилием в контакте отпечатка шины; Рс - усилием сопротивления рабочих органов машин.

Необходимо учесть также при расчете сил и моментов сухое и вязкое трения в трансмиссии, шинах и сельскохозяйственных машин, жесткость трансмиссии, жесткость шины, буксование движителей, характеризуемые со-

ответствующими коэффициентами атр, ак, аг, ах

р< Ск> сг> сх И 8 •

Тогда математическая модель серийного агрегата имеет вид: Jl •£), =а, •<у, +а2 -тн +а3 -2-Мп;

Мсц =п-Рпр- гср ■ (1 - в'* )• - АМ ■ [1 -

■]н '0}„ =«1®! +в2ю1 +в2г; тр-2 + /3-г + с1 -г = с2 •©,;

¿мс ' ®мс = мс

-М,

фр'

Мфр=гп,р-*ср-Р-Ртах

■ (1 - е-Ь■')■ {( - -^ ■ й)2 =Мфр-{Му„р +а'-а>2}

Мупр = стр ■ [<р2 - 1прср3)+атр (ф2 -/тр-ф3)+М ■ ¡¡гп{ф2 - 1тр ■ ф2 )

■V ¿>з = ■ хтр - Мшк; Мшк - Мш;

мшк = с,2 ■{<Ръ-<Рь )+ ак2 ■ Ц - о4);; мш = (сх ■ х + ах -х)-гд+ Р ■ а2

т„ ■ г„

-Я,) + аг, -(¿, -д,) + сг2 .(г,-д2) + аг2-(¿2-¿¡2); •*с-Фе= к, • (2, -$,) + «„• (г, - )]■ в - [сг2 • (г2 -д2) + а12- (¿2 -д)]-Ь +

+ [сх2 ■ х2 + ах2 ■ х2]• (г + Ис)-Рс-Ис; г! =гс+а-фс; гд=га-Ъ-фс-д + га;

та-Усх=сх-х + ах-х~Рс-тс Рс = [Рс0 +АРС-(Усх-У0)}.(1-ек^)+

со Л -Гп

1 -е,-Р2-е2---signco¡t - X

6 =

О, если Т(Л)<д>аЯ

■(1-4-

1п

<рЯ-Т(Л) (<р-<р0)Я

К6

0,9, если Т(Л) ><р Я

, если <рйЯ ¿Т(Л) <(рЯ.

(1)

Анализ модели и решение её методом Рунге-Кутта даны в последующих главах диссертации, они позволяют определить показатели функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов в реальных условиях эксплуатации.

В третьей главе «Аналитические исследования показателей функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов»

приведены исследования влияния различных методов и технических средств на показатели функционирования сельскохозяйственных МТА.

Анализ решений (1) показал, что на динамику МТА большое влияние оказывают приведенные моменты инерции вращающихся масс двигателя. Уравнения баланса моментов для первой и второй фаз разгона МТА имеют вид:

Мх+Зх-ах=Мсл-Зг-юг, M^=Mc+(Jx+Jг)■й)2, (2)

где Мс - приведённый момент технологического сопротивления машины.

По уравнениям (2) «инерционные массы» в первой фазе способствуют разгону и разгрузке двигателя, а во второй - тормозят движение и обуславливают перегрузку двигателя. Если на этой стадии отключить часть «инерционной массы» двигателя, то разгон агрегата будет более интенсивным и с меньшей перегрузкой двигателя (рис. 2). Следовательно, для увеличения минимальной частоты вращения вала двигателя и уменьшения времени разгона агрегата необходима установка на двигатель переменной «инерционной массы»: увеличенной в первой фазе разгона и уменьшенной во второй.

Рис. 2. Изменение угловой частоты вращения вала двигателя при отключении и без отключения дополнительной массы

Уравнения движения при тро-гании и разгоне с дополнительной «инерционной вращающейся массой» имеют вид:

Н с

I 3, » 3.5кГн* 2. 3, - і.5кГмг— - без отключения с отключением— дополнительного мохойико 1

К С

- для трогания

- для разгона

(3^ + =М1-М1, У2-®2=М;-Л/С;

(3)

где

Ми

(4)

Jд - приведенный момент инерции дополнительной «инерционной

вращающейся массы»; Мс, М, - приведенные крутящие моменты соответственно двигателя, технологического сопротивления и муфты сцепления.

В результате решения уравнений (3) и (4) получены показатели процесса разгона:

■Л

1 Мн(Р-г) + 1 + Д, 1 + 4, с-Дг

*7=-

й>р-шс4і+с-/!2/(і+^)]

К(г-х)

(5)

где с = (/}-г)/{р-х);

а)Хмт - минимальная угловая скорость коленчатого вала двигателя; еох, ар - угловые скорости вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и при работе с установившейся нагрузкой; <!, ¡2 - длительность трогания и разгона агрегата.

Из уравнений (5) следует, что увеличение «инерционной массы» двигателя уменьшает падение угловой скорости его коленчатого вала. Во второй фазе отключение дополнительного маховика обуславливает форсированный разгон всех «инерционных вращательных масс» МТА, от чего уменьшается время второй фазы г2 и полное время разгона 1р (рис. 3). Как показали расчеты, при разгоне агрегата с подключенным дополнительным маховиком с моментом инерции 2 кг-м2 угловая скорость вала двигателя на первом этапе повышается на 16% и более по сравнению с серийным вариантом. При отключении дополнительного маховика во второй фазе полное время разгона уменьшается на 12...20%.

Рис. 3. Параметры разгона МТА на базе трактора класса 1,4 при различных вариантах отключения дополнительной маховой массы

Наибольшее сокращение времени разгона МТА наблюдается при отключении дополнительного маховика в точке Б 0 1 2 3 i 5 6 7 t С (рис. 3), соответствующей минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Дифференциальное уравнение движения масс двигателя при неустановившейся нагрузке может быть представлено в отклонениях от равновесного режима следующим выражением:

(J^+J2+Jd)-Aáx=~Y Мсср ■ 5С ■ sin а, (6)

где Мсср - среднее значение приведенного момента сопротивления; 8С - степень неравномерности касательной силы тяги. Тогда максимальное приращение угловой скорости вала двигателя при

Р г -5

P't~я будет: = —г^-г—°-¡— > (7)

Р ' 1тр ' Чтр ' J агр

где Jaí - приведенный момент инерции масс агрегата, т.е. двигателя, трансмиссии, движителя, поступательных масс трактора и прицепа; >тр' 'Imp ~ передаточное число и коэффициент полезного действия трансмиссии трактора; р - частота колебаний силы тяги.

Полученное значение амплитуды угловой скорости вала двигателя определяется величиной силы тяги, амплитуды ее колебания, значением приве-

денных масс агрегата и передаточных чисел трансмиссии:

/у г ■ ) _ • X тдгр ' Гк , 3 {•>агр'1тр) - 'тр '°ер' .2 '

(8)

о)'

(9)

где двр, сг,,

>2' тр

коэффициенты, учитывающие влияние маховых масс

агрегата, вращающихся масс двигателя, движителя; трансмиссии. Экстремальное значение функции будет при /<Итр = 0, тогда

1 + сг2 + ктр -О-,-ігтр=2-ктр -ст,-¡1р, гтр=^ + °2)/{ктр ■<*')■

Функцию (8) можно представить в виде:

(10)

/(¿а* ■ 'тр )мт = 2 ' ™агр ' Л? ' ^ + ' д/^

При увеличении момента инерции дополнительной вращающейся массы коэффициент влияния масс двигателя возрастает и функция ¡(ЗагрЛтр)кт увеличивается. При подключении дополнительного маховика к трансмиссии коэффициент влияния вращающихся масс движителя а2 и функция Г(^гр.>тр)мт также увеличиваются.

Для оценки защиты двигателя от колебаний внешней нагрузки предложен коэффициент «прозрачности» П - отношение текущей амплитуды колебаний угловой скорости с дополнительной инерционной массой к амплитуде колебаний без дополнительной массы:

I агр ' 'тр )о .

я =

Л°>х

Лсоип%

I(^а?р' 'тр )х

П =

(П)

агр' тр /х

По нему с увеличением момента инерции дополнительной вращаю-

ау, щейся массы «прозрачность» трансмис-к"/4 сии уменьшается (рис. 4), а поэтому защита двигателя от колебаний момента сопротивления внешних сил в составе МТА увеличивается.

Рис. 4. Зависимости амплитуд колебания скоростей аш и ау от Зд:

--амплитуда колебания угловой скорости

двигателя с!о);

--------амплитуда колебания действительной

скорости ¿У;

----коэффициент прозрачности Я;

1,2,3 — период колебания, соответственно 0,4; 1,0; 2,0 с.

0.5 1.0 15 2.0

к

м/с

2,12

2,0В 2.01* 2,00 1.96 1.92

Исследования реакции системы «двигатель - силовая передача - колесо - нагрузка» на колебания, возникающие при выполнении сельскохозяйственных операций, показали, что скорость движения, а следовательно, и производительность пахотного агрегата на базе трактора класса 5 незначительно меняются при частотах выше 1 Гц и резко падают при частотах менее 1 Гц (рис. 5). Это объясняется значительным увеличением амплитуды изменения скорости агрегата, упругого момента и других показателей, а также резонансной частотой упругого момента - около 0,7 Гц.

Увеличение производительности пахотного МТА на базе трактора класса 5 при колебаниях внешней нагрузки с частотой 0...1 Гц достигается маневрированием передач.

Рис. 5. Зависимости скорости V и упругого момента М пахотного

агрегата на базе трактора 5 от частоты колебаний нагрузки: степень колебания тяговой нагрузки 8С: 1 - 0,083; 2 - 0,25; 3-0,33; 4-0,40

По модели (1) переключение передач на ходу обеспечивает повышение производительности пахотного агрегата (рис. 6) на базе трактора класса 5 при частоте колебаний нагрузки /= 0,1 Гц на 1,8%, а при частоте /= 0,05 Гц - на

4,8%,

: 1

I

п/А I

/ ( I

7 !

2.2 Г. гц

2.2 I гц

V,

п/с

2,02 1.98 1% (90

\ ! 1 |

А оте чциольно |чех арос. ть МТА I

V • /'/ У/ у/ / л -С-

1 \ У/,

' / ,

V/,

у

/ 1 8

/ !

I \

с уменьшением удельного расхода топлива, соответственно, на 1,9% и 4,4%.

Рис. 6. График изменения скорости (производительности) МТА:

- без переключения

передач; — — — с переключением передач

О 0.2 ОЛ 0.6 0.3 10 12 Г, Гц Как показали аналити-

ческие исследования пахотного агрегата на базе трактора класса 5, невоз-

можно добиться полного использования потенциальной тяговой мощности трактора, не меняя параметров его трансмиссии. Для повышения производительности МТА на базе трактора класса 5 в диапазоне частот 0...1 Гц необходимо снизить влияние колебаний внешней нагрузки на работу двигателя трактора, что достигается с помощью разработанного нами упругодемпфи-рующего механизма (УДМ).

УДМ (рис. 7) состоит из планетарного редуктора 1, привода масляного насоса 5, коробки передач 12, гидравлической системы и системы управления трактором; масляных магистралей устройства с системой дозировки и предохранения; пневмогидроаккумулятора 22 с системой заправки и предохранения.

где п0 — относительное число оборотов масляного насоса; г?„ и У„~ коэффициент подачи и рабочий объём насоса; к- - коэффициент пропорциональности; Рй - давление воздуха; п - показатель политропы; ¡„р, т)„р - передаточное число и КПД привода насосов; \ро - передаточное число планетарного редуктора.

Ведущий момент М, приложенный к водилу, нарастает вначале плавно (рис. 8). Поэтому в первоначальный период трогания агрегата начинают вращаться солнечная шестерня планетарного редуктора и гидронасос, нагнетая масло в пневмогидроаккумулятор. Так как момент сопротивления на ведущем валу коробки передач имеет большое значение, трактор стоит на месте

Рис. 7. Принципиальная схема УДМ в трансмиссии трактора:

1 - планетарный редуктор; 2 - коронная шестерня; 3 - солнечная шестерня; 4 - шестерня привода масляного насоса; 5 - масляный насос; б - подвижные грузы; 7 - сателлиты; 8 - регулятор положения грузов; 9 - всасывающий канат, 10 - нагнетательный канал; 11 - вал водила; 12 - коробка передач; 13 - муфта сцепления; 14 - двигатель; 15 - регулируемый дроссель; 16 - вход в дроссель;

17 - предохранительный клапан;

18 - кран управления; 19 - демпферный клапан; 20 - гидробак; 21 - сжатый воздух; 22 - пневмогидроаккумулятор; 23 - подвижный поршень; 24 - маслопровод

Момент на водиле планетарного редуктора составляет:

(12)

до тех пор, пока сопротивление на солнечной шестерне меньше, чем на водиле. При дальнейшем нарастании давления в пневмогидроаккумуляторе трактор начинает плавно разгоняться, а насос постепенно останавливается.

Практически движение трактора в составе МТА начинается в точке 1, где ведущий момент на валу коробки передач равен приведенному моменту сопротивления.

Рис. 8. Зависимость ведущего момента от оборотов вала насоса

Скорость нарастания ведущего момента можно регулировать, изменяя проходное сечение дросселя. В конце первой фазы разгона происходит резкое возрастание ведущего момента и, чтобы предупредить динамические нагрузки в трансмиссии трактора, предусмотрен предохранительный клапан. В точке 2 предохранительный клапан срабатывает и этим ограничивается ведущий момент. Во второй фазе разгона ведущий момент постепенно снижается до значения приведенного момента сопротивления. На установившемся режиме движения агрегата насос стоит, то есть работает в режиме "стоп", и трансмиссия практически ничем не отличается от серийной.

В динамической модели агрегата с УДМ в трансмиссии трактора обозначены (рис. 9):

- движущиеся массы коронной шестерни планетарного механизма - с моментом инерции Л;

- массы водила планетарного механизма - с моментом инерции

- массы центральной шестерни планетарного механизма и привода масляного насоса - с моментом инерции

-І1

J М

ІҐ1 'і

I м с

->& 1 'фр >-пір

м

Мі

мс

ниь

(И®

їпЧ^и

шп

— Плуг

Сея/* а

Культи Ьатор

бр. с/х машины

Рис. 9. Схема динамической модели, эквивалентной агрегату с УДМ в трансмиссии трактора

Поведение такой динамической модели дополнительно определяется угловыми скоростями соответственно центральной шестерни ОД водила Ов)

и коронной шестерни (а„).

Движение МТА с УДМ в трансмиссии трактора описывается уравнениями математической модели (1) и дополнительно следующими функциональными зависимостями:

"к~(2ге+гц) Шц + (2гс+гц)

а гс+гц)

■М^-Ун-клод-Рн;

Ун - о Г0-Ь0+-и—

2л-Рс

0 2л ■

пр Ч .2 "Р

£> = .

Кроме того, пятое уравнение модели (1) принимает вид:

2г„ + г.

-■Мсц-Мфр.

Н Нм

1200 1000 800 600 т 200 о

рсй/с Ж

160

по

120

Рис. 10. Диаграммы разгона МТА с опытной и серийной трансмиссиями: ——- - серийная трансмиссия;

------опытная трансмиссия;

1,2- угловые скорости двигателя и первичного вала трансмиссии;

3 - момент упругой связи; 4 - коэффициент буксования

Анализ диаграмм разгона (рис. 10), полученных при решениях математических моделей МТА (серийного и опытного) на базе трактора класса 5, показывает, что УДМ в 0.2 трансмиссии трактора оказывает существенное влияние на характер протекания показателей разгона МТА.

Изменение угловой скорости двигателя (кривая 1) в сравниваемых вариантах происходит по-разному. В серийном исполнении трансмиссии по истечении двух секунд от начала разгона резко снижается угловая скорость двигателя (минимальное значение её составляет 165,8 рад/с). Разгон МТА с УДМ в трансмиссии сопровождается также уменьшением угловой скорости двигателя, но по сравнению с серийной трансмиссией она на 12 рад/с больше, что способствует улучшению условий работы двигателя. Конец первой фазы разгона, определяемый равенством угловых скоростей двигателя и первичного

!/ \

А......Щ и 1! // Г2 !

* /' / ч * /' / 3 \ ;

/ ¿¿¿^

< с

вала трансмиссии, наступает в сравниваемых вариантах практически в одно и то же время. Угловая скорость первичного вала трансмиссии (кривая 2) нарастает в обоих случаях почти одинаково, и весь процесс заканчивается за 3,5...4,0 с.

Изменение момента упругой связи в серийной трансмиссии (кривая 3) сопровождается резким увеличением, а затем уменьшением его значения в пределах четырёх секунд. Пикообразный участок кривой и максимальное значение момента, равное 1205 Н-м, находится в интервале 3...4 с. Динамические нагрузки в этом варианте оцениваются коэффициентом динамичности, равным 2,8. Процесс изменения момента упругой связи в опытной трансмиссии существенно отличается. Работа дросселя и предохранительного клапана делает вершину кривой более растянутой и пологой. В интервалах 0...2,5 с и 3,5...7,0 с значения момента упругой связи в опытном варианте на 3...10 Н-м больше, чем в серийном. Изменение момента упругой связи в опытном варианте отличается плавностью, отсутствием пикообразного участка. Максимальное значение момента на 24,5% меньше (910 Н-м), а установившееся значение такое же, как и в серийном варианте - 420 Н-м. Коэффициент динамичности в этом варианте равен 2,2, т.е. динамические нагрузки в трансмиссии трактора с УДМ уменьшаются на 25,3?/о.

Максимальное значение коэффициента буксования ведущих колёс, определённое б процессе теоретических исследований (кривая 4) серийного МТА больше, чем опытного (0,27 - для серийного и 0,24 - для опытного вариантов) и получено в пределах 3...4 секунд. Установившееся значение коэффициента буксования равно 0,03...0,04 для обоих вариантов.

По данным теоретических исследований определена работа трения фрикциона, которая составила 207,5 кДж для серийной трансмиссии и 154,3 кДж для трансмиссии с УДМ. Уменьшение работы трения фрикциона в опытном варианте определяется разницей в значениях угловых скоростей водила и первичного вала трансмиссии.

Условия работы двигателя при разгоне МТА с УДМ в трансмиссии улучшаются, что подтверждается характером изменения угловой скорости коленчатого вала двигателя и её минимальным значением, которое оказалось на 6,4% больше, чем в серийном варианте.

Оптимальное значение коэффициента запаса фрикциона при наличии УДМ в трансмиссии равно 3...4. При включённой передаче и открытом кране 18 насос 5 (рис. 7) вращается вхолостую, перекачивая масло в бак. Длительность закрытия крана на плавность трогания существенного влияния не оказывает, так как закон нарастания момента определяется диаметром дросселя и процессом сжатия воздуха в пневмогидроаккумуляторе. В первый период трогания трактора работа УДМ осуществляется с переменным передаточным числом редуктора: идёт «скольжение» податливого звена. Затем, после остановки насоса, когда передаточное число редуктора станет постоянным, начинается общий разгон агрегата, как и после замыкания фрикциона в серийной

трансмиссии. При трогании на опытном механизме относительно большой период времени идёт натяг звеньев агрегата до равенства ведущего момента М и момента сопротивления Мс. Затем происходит резкое возрастание ведущего момента и после срабатывания предохранительного клапана 8 его значение устанавливается постоянным. Работа УДМ при переключении передач на ходу и при поэтапном разгоне во многом сходна с его работой при разгоне МТА.

Результаты расчётов (рис. 11), проведённых для пахотного (Кт = 1) и транспортного агрегатов (Кт = 5) при различных значениях загрузки двигателя х> свидетельствуют о том, что к нижнему пределу коэффициента запаса муфты сцепления (фрикциона) относятся Р = 1,5... 1,6, а верхнему пределу, при котором можно получить минимальную работу трения фрикциона, соответствуют значения р = 3,5...4,0. Учитывая, что основным критерием надёжной работы муфты сцепления является работа трения, целесообразно принять /3=3...4.

и

кйж

200

150

100

1 2 3 4 Р 1 2 3 р

а б

Рис. 11. Зависимость работы трения (а) и минимальной угловой частоты вращения коленчатого вала двигателя {б) от коэффициента запаса фрикциона р, степени загрузки двигателя х и коэффициента относительных масс Кт: 1-Х = 0,5; 2 - х = 0,6; Ъ-- % = 0,7; 4 - £ = 0,8; 5 - х = 0,9; 6 - х =1,0

Для определения работы трения фрикционных муфт трактора при разгоне использовали схематизированные диаграммы процессов в линеаризированном виде (рис. 12). По представленным диаграммам элементарная работа трения составит:

¿¡■тр=мФр(0>б.-<0\)-А = Мфр-/£ад_^, (13)

суммарная работа трения

'О

а элементарная полезная работа

АЬ„а,=Мфр-согА1, (15)

где Фд, а>1 - угловые скорости коленчатого вала двигателя и промежуточного вала коробки перемены передач; Мфр - момент фрикциона; - пло-

щадь между линиями шд и о, по рис. 12 б.

Рис. 12. Схематизированные диаграммы разгона МТА:

а - при трогании фрикционной муфтой сцепления; б - при трогании с помощью упругодемпфирующего механизма

Полезная работа в этом случае определяется площадью, заключённой под линией й>,.

При использовании механизма безразрывности включение фрикциона последующей передачи начинается почти одновременно с выключением фрикциона предыдущей передачи. Диаграммы моментов трения при переключении передач (рис. 13) в линеаризированном виде показывают, что процесс протекает за время /„, а точка А соответствует равенству моментов трения, передаваемых первым и вторым фрикционами. На диаграммах моментов трения нижние заштрихованные площади представляют собой области проскальзывания фрикционов.

. .. 4

а б

Рис. 13. Схемы диаграмм моментов трения при переключении передач: а - при переключении с низшей на высшую передачу; б - при переключении с высшей на низшую передачу

Работа трения при переключении передач с низшей на высшую: 1тр, = V/ • ®с/ • Л + )м, ■ тсЫтс ■ Л ; Ьтр11 = )м„ ■ еос1Ыакс ■ Л + \М„ ■ 0)с„ • Л, (16)

•а >б °

а при переходе с высшей на низшую передачу:

V = )М! ■ асЫакс ■ Ж ; V/ = 1Ми ■ 'Л- (17)

О кI

Предлагаемая методика определения работы трения муфты сцепления при разгоне МТА позволяет провести экспериментальные исследования функционирования такого агрегата с минимальными трудозатратами.

УДМ выполняет также функции защиты агрегата от колебаний внешней нагрузки, которые оцениваем показателем «степень прозрачности»:

П = йа)\ /¿1й>,„, или П = (18)

Д® 1м

где П - «степень прозрачности»; Л со Ла -текущее и максимальное значения амплитуды частоты вращения двигателя; Лтч - текущее значение амплитуды частоты вращения шестерни 3 (рис. 7); ¡ро - передаточное число редуктора при неподвижной шестерне 3 (рис. 7).

При Я = 0 «прозрачность» редуктора равна нулю, т.е. он будет полностью гасить колебания, передаваемые на двигатель, а при П = 1 редуктор абсолютно «прозрачный» и двигатель остается незащищенным от колебаний тяговой нагрузки, как в серийных трансмиссиях.

Приняв изменение приведенного момента тяговой нагрузки по закону синуса, получим дифференциальное уравнение в приращениях:

Мс ' 3

(у, - У)• Лсох = &МС = {),ЪМсср ■ дс ■ или ЛсаХи = ^ ^ • гро> (19)

где Мсср - среднее значение приведенного к валу водила крутящего момента тяговой нагрузки; 8С - степень колебаний тяговой нагрузки; р - частота колебаний тяговой нагрузки; J — моменты инерций двигателя и агрегата, приведенные к валу двигателя.

Амплитуда Лсоч частоты вращения шестерни 3 (рис. 7) определится при решении дифференциального уравнения масс шестерни 3, масляного насоса и привода 4 с грузами 6 (JЧ):

Jч■Лcoч=-c■Л<pJ+AFi■r2, или Лсрц +к2Л(рч = И-5тр-1, (20)

где к = ^ТТ„ - циклическая частота свободных колебаний; И = Рч0 -гъ-5с/ич - модуль амплитуды возмущающей силы;

р = 2п/т - циклическая частота вынужденных колебаний; Т— период вынужденных колебаний; С - коэффициент жесткости пневмогидроаккумулятора. К массе Зц приложена сила Ечо ± АРЦ, тогда

Ac¿>„

. F„-ry8e

1 MCPSC

при p >k, Aco„=---

4 2 p.y,

^-^прирСА. (21)

2-У, " " 2 р-У, 1-^/р

По этому выражению показатель «прозрачности» определяется соотношением частот УДМ к и внешней нагрузки р. Для уменьшения «степени прозрачности» УДМ необходимо, чтобы функция 1 -к2 /р2 была положительной (вынужденные колебания массы имели бы большую частоту, а механизм демпфера - минимальную собственную частоту). На «степень прозрачности» влияют моменты инерции всех масс агрегата, включая массы УДМ. При уменьшении коэффициента кц «степень прозрачности» П уменьшается и защитные качества механизма повышаются. На низких частотах колебаний внешней нагрузки (рис. 14) при /<1,0 Гц «прозрачность» механизма резко снижается при всех значениях Хи. На частотах / > 1,0 Гц «степень прозрачности» УДМ изменяется незначительно, но снижается при уменьшении \.

П

0.6

0.5

Рис. 14. Зависимость «степени прозрачности» УДМ П от частоты колебаний тяговой нагрузки /:

1.0 1.5 Z0 2.5 3,0 3.5 Í.O ¿ Гц

1 - Д„ = 0,030; 2- Лч = 0,035; 3 - Лч = 0,040; 4 - Л„ = 0,045; 5 - = 0,050; 6 - Д„ =0,055

Это качество позволяет работать трактору при выполнении сельскохозяйственных операций с постоянной частотой вращения коленчатого вала двигателя. Установка предлагаемого УДМ в трансмиссию при переменной тяговой нагрузке повышает производительность МТА более чем на 5% при уменьшении удельного расхода топлива в среднем на 4%.

В четвёртой главе «Повышение показателей функционирования машинно-тракторных агрегатов путём оптимизации характеристик колёсных движителей» представлено теоретическое обоснование повышения эксплуатационных показателей МТА путём оптимизации конструктивных параметров пневматических шин колёсных движителей. Анализ известных работ по взаимодействию колёсных движителей с опорным основанием показывает, что лишь в немногих работах эксплуатационные качества колёсных движителей оценивались с учётом качественных показателей МТА, в том числе — уплотняющего воздействия ходовых систем на почву.

Моделирование работы пахотного МТА на базе трактора К-701М показало, что оптимальное значение продольной податливости шин ведущих колёс должно быть в пределах 3000...3500 кН/м, что соответствует тангенциальной жёсткости единичной шины 480...520 кН-м/рад. Для определения зависимости характеристик единичного колеса от конструктивных параметров пневматической шины использована методика рационального планирования

эксперимента для комплекта радиальных шин 30.5R32 с разным внутренним строением оболочки. Комплект состоял из 16-ти шин с одинаковой внешней геометрией протектора, построенный по греко-латинскому (4x4) квадрату в комбинации разных факторов. В качестве независимых переменных были приняты: Хх - слойность брекера п6\Х1-угол наклона нитей корда брекера а ; Хъ - слойность каркаса пк\ Х4 - угол наклона нитей корда каркаса р. В результате исследований получены данные по влиянию этих факторов на тяговый КПД ведущего колеса, тангенциальную (продольную) жёсткость, средние контактные давления, несущую способность шины, оцениваемую коэффициентом относительной деформации. Так, для шины 30,5R32 модели Ф-81 зависимости тягового КПД колеса г,т (%) и тангенциальной жёсткости сг (кН-м/рад), относительной деформации hon„ (%) и средних контактных давлений qcp (кПа) от исследуемых факторов (пб, аб, пк, ак) описаны полиномами:

7}Т =51,2 + 1,21-п5 +0,58-агб + 0,63-пк -0,15-а,-

- 0,14 • п] - 3 • 10'3 • а] - 7,8 • 10"2 • пгк - 8 • 10"4 • а2к; hgm =16,5- 0,124 • пб + 0,047 ■ аб - 0,438 • и, - 0,131 • сск; (22)

сг = 4982,3 + 8,73 • п6 -135,5 ■ аб + 20,05 • пк - 0,366 • ак -

-1,278 ■ пгб + 0,09 - а j + 0,172 • п\ + 0,986 • а\ ; qcp = 94,05 +1,21 • п6 - 0,22 • а6 +1,63 • пк - 0,63 • а„.

Их анализ (рис. 15) показывает существенное влияние конструкции шины на выходные показатели ведущего колеса. При этом следует отметить значительную вариацию тангенциальной жёсткости шин, значение которой колеблется в пределах от 374,5 до 883,0 кН-м/рад. Статические характеристики шин хорошо коррелируются между собой. Величина относительного прогиба пневматической шины отличается большей стабильностью с изменением её внутреннего строения, так как несущая способность её в большей степени, чем тангенциальная жёсткость, определяется внутренним ^давлением воздуха. При изменении угла наклона нитей брекера от 55 до 70 тангенциальная жёсткость шины понижается в 1,36 раз, а относительная деформация шины при этом увеличивается на 4,3%. Однако характер и темп изменения тангенциальной жёсткости и относительного прогиба шины с изменением перечисленных факторов различен.

Отмечена неинвариантность площади контакта пневматических шин относительной деформации: прирост радиальной деформации не сопровождается равнозначным увеличением площади контакта. При этом для максимального использования прогиба шин на развитие площади контакта необходимо повышение эластичности коронной части шины. Наибольшее влияние на величину контактных давлений оказывает конструкция каркаса шины. Если с увеличением слойности каркаса с 2-х до 8-ми слоёв величина контактных давлений повышается на 11,2%, то аналогичное изменение слойности

брекера сопровождается увеличением контактных давлений всего на 7,8%. Увеличение угла наклона нитей корда каркаса от 0° до 15° повышает средние давления в пятне контакта на 10,8%.

с-то]

160 к о

кН/рад

700

ч 600

500

2 4 6 п„ пх

0 5 ? 15 р

j

!

- • ' , *

2 і 6 8 n6.nt

0 $ ' 10 ' ІЬ р°

Рис. 15. Зависимости относительного прогиба hQmK (а), тангенциальной жёсткости ст (б) и средних контактных давлений g.p (в) шины от параметров

армирования каркаса: -от слойности брекера п5;

— • — от слойности каркаса пк;

--от угла наклона нитей корда брекера а ;

—---от утла наклона нитей корда каркаса

Характерной особенностью для всех сравниваемых вариантов шин является превалирующее значение энергетических затрат на качение при работе колеса в зоне номинального тягового усилия, которые составляют 17...22% мощности, подводимой к оси колеса. Эти затраты практически определяют уровень коэффициента полезного действия колеса цк, максимальное значение которого для заданных условий эксплуатации достигалось в диапазоне тяговых усилий 10,5... 11,0 кН. Наиболее существенное влияние на принятый показатель эксплуатационной эффективности шины оказывает угол наклона нитей корда каркаса. Увеличение угла закроя нитей корда каркаса к меридиональной плоскости приводит практически к линейному уменьшению тягового КПД шины. Наибольшее влияние на силу сопротивления качению при работе шины'на грунтовых основаниях оказывает угол наклона нитей корда каркаса: увеличение его от 0° до 15° повышает затраты мощности на качение (свыше 8,5%). С увеличением угла наклона нитей корда брекера от 55 до 70 уменьшаются затраты энергии на качение (до 6,6%).

При решении задачи оптимизации сочетания конструктивных параметров пневматических шин нами был использован метод «исследование пространства параметров». Оценка качества исследуемых шин производилась по

трём основным критериям: тяговому КПД колеса; тангенциальной податливости; среднему давлению в контакте шины с опорным основанием. Задача оптимизации была записана в виде: найти тахФ^А) при условии, что ф;(А)<Ф2(А)<Ф"(А); Ф;(А)<Ф3(А)<Ф"{А); /4*(л)</4(Л)</ЛЛ); а; <«, <«,", где Ф, - тяговый коэффициент полезного действия колеса; А - "пространство параметров, состоящее из точек А с декартовыми координатами А = (аг|,...аг4); а, - варьируемые параметры шины; Ф2 - тангенциальная жёсткость шины; Ф3 - среднее давление шины в контакте с опорным основанием; /4 - относительная деформация шины; а', а" - минимальные и максимальные значения параметров.

В качестве ограничения задачи принята относительная деформация шины, определяемая внутренним давлением воздуха в ней и нормальной нагрузкой на ось колеса. Проведённые аналитические исследования показали, что исходный вариант шины Ф-81 не является оптимальным ни по технико-экономическим, ни по агроэкологическим качествам, а применение варианта шины с рекомендуемыми параметрами (п5= 4, а6= 70°, пк=6, аг =0°) обеспечивает повышение тягового КПД на 6,6% и снижение давлений в контакте шины с почвой на 15,8%.

Далее методом подобия по шине 30,51132 модели Ф-81 для тракторов класса 5 определены оптимальные свойства шины оригинала 18,41138 для тракторов класса 1,4: жёсткость - тангенциальная сТ =180...260 кН/м, радиальная сг =360...440 кН/м. Затем по ней были определены оптимальные параметры внутреннего армирования для опытной модели УЬ-32 типоразмера 18,41138: п6= 4, а6-70°, пк=Ъ, а„= 5°. Исследования влияния колебаний тягового сопротивления на работу МТА показали, что при одинаковом давлении воздуха р№ =0,11 МПа максимальную частоту вращения коленчатого вала двигателя обеспечивают шины опытной модели УЬ-32; варьирование параметров движения агрегата на них характеризуется наименьшей дисперсией.

В пятой главе «Методика экспериментальных исследований» изложена программа и методика экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования неустановившихся режимов движения МТА проводились на бетонном основании, стерне и в поле, подготовленном под посев. Тяговые и эксплуатационные испытания тракторов проводились на полях ОАО «Учхоз Зерновое» и учебного фермерского хозяйства ФГБОУ ВПО АЧГАА.

В измерительный комплекс входили приборы, которые позволяют осуществить измерения частоты вращения двигателя сох, первичного вала трансмиссии а2, ведущих колёс со}, путеизмерительного колеса сок, масляных насосов <оч и дополнительной «инерционной массы» со; крутящих моментов М, на первичном валу трансмиссии и на осях ведущих колёс; тягового усилия Рс; вертикальных и горизонтальных ускорений трактора; давлений

масла на выходе из гидронасоса Р, (до дросселя) и в пневмогидроаккумуля-торе Р2 (после дросселя); объёма пневмогидроаккумулятора и расхода топлива.

Горизонтальная составляющая тягового сопротивления навесных сельскохозяйственных машин определялась с помощью специальной динамометрической автосцепки.

Для измерения момента инерции двигателя в процессе движения агрегата была изготовлена установка, состоящая из редуктора и дополнительной «инерционной вращающейся массы». Приведенный момент инерции двигателя менялся в результате подключения одного или двух маховиков вместе, а также включением различных передач редуктора.

Момент инерции всех деталей трансмиссии определялся методом выбега с дополнительной «инерционной массой»:

Щтр ■ •Х\=рс> т0г„р ■ 8,Рг • *2 = Рс > (23)

где т0 - масса трактора; Зер] - коэффициент учёта вращающихся масс трактора; х, - перемещение трактора; Рс - сила сопротивления движению трактора; 8ер2 - коэффициент учёта вращающихся масс трактора с дополнительной массой; хг - перемещение трактора с дополнительной «инерционной массой».

Коэффициенты учёта вращающихся масс определяли по зависимостям: ¿„,=1 + б2+бп-4, вер1=\ + б2+би-12тр+6гч1р, (24) где би - коэффициент влияния «инерционных масс», соответствующий известной массе;

б2 - коэффициент влияния дополнительных «инерционных масс»: б2 =1х-Г1,„РАт0тр-Г«\

Решая (25), (26) при х = ЛУ/Лг, получим

где ¿4/,, А!2 - время выбега трактора соответственно без дополнительной массы и с ней.

В эксплуатационных испытаниях МТА использовалась система автоматического управления загрузкой двигателя.

Структурная схема МТА, оборудованного системой автоматического переключения передач (САПП), включала (рис. 16) матрицу передаточных функций агрегата и характеристики элементов регулятора скорости

МТА. Регулятор скорости состоял из датчика с передаточной функцией IV (р), релейного и импульсного элементов и исполнительного механизма с программным реле 4?,г). САПП трактора состояла из трёх элементов: следящего механизма, исполнительного механизма и обратной связи.

Задача проектирования следящего устройства заключалась в рациональном подборе параметров и обеспечения прохождения входного сигнала с оптимальной фильтрацией по частоте и фазе. Входным сигналом системы являлся крутящий момент двигателя, выходным - перемещение золотника л: чувствительного элемента.

В реальных условиях эксплуатации изменение нагрузки на крюке трактора и, следовательно, крутящего момента двигателя является случайным процессом по времени, характеризуемым в частотной области спектральной плотностью (со).

м.

К(Р)

<?1

РК'

ш

5-0£

0<5<КГ\

н*

! 5-30 \ 5^0)

30<5<Ю!

¡>0=>и^0 ¡=0=>и=и'

гп

и и' и г Л

J Л

т

Рис. 16. Структурная схема МТА с САПП

Оптимальная фильтрация по частоте должна обеспечить полосу пропускания определённых частот внешнего воздействия М. При этом. выходной сигнал л: во временной области должен запаздывать относительно входного на величину т, что исключает срабатывание чувствительного элемента при случайных импульсах внешней нагрузки. Следящее устройство — линейная система, определяемая двумя последовательными звеньями. Первое звено осуществляет связь спектральной плотности на выходе 5'м(со) со спектральной плотностью на входе и ограничивает полосу пропускания приемлемыми частотами, а

второе звено - временное запаздывание т. Для первого звена:

где |РГ,(/®)| — модуль передаточной функции звена.

Нормированная спектральная плотность крутящего момента:

Ь2

-рП^+Р})'

5и(со) =

(26)

(27)

а выхода первого звена:

[со2 + а2)-[а>2 + а2)'

(28)

Коэффициенты а, а,, а2 выбираются так, чтобы распределение дисперсий по частотам было примерно постоянным в рабочей полосе (0...а{), а (со) = 0 при со > . По условиям работы САПП полоса (0... да,) должна ограничиваться зоной низких частот, по расчётам ©,=0,7...0,8 рад/с. На основании зависимостей (26), (27), (28) следует:

<у2 + [}\

, или М\(р)-

а р2+(р1+р2)-р + ргр2 Ъ р2 +(а,+а2)р + а,-а2

(29)

Передаточная функция второго звена

1Г2(р) = е~". (30)

По опыту Боде и Шеннона спектральная плотность входного сигнала звена запаздывания (о) будет:

2

У»=/2 Л(2 2у ИЛИ 5-» = -Г7-\*7-Г7-V (31)

Передаточная функции первой части запаздывающего устройства

уа'(р)=—I =(р + °нУ(Р + "»), (32)

5,4 Р) а

а второй - найдём на основе оптимальной импульсной переходной функции получаемой после обратного преобразования Лапласа для

0 при г < г 1

Ї2« =

при Г >Т I

(33)

Функция физически реализуема, так как д2(') = 0 ПРИ '<0В результате прямого преобразования Лапласа для д2(г) полним

}Г2'(р) = К/(р + а'У. (34)

Следовательно, передаточная функция второго звена

щ(р)=К.(р + аИ)-(р + а2^ (35)

а-(р + а )

а оптимальная передаточная функция следящего устройства

1Г(р) = Щ(р)-1Ш = -Т-7Г-¡Г' (36)

р- + £), • р + В2

САПП можно настроить с помощью дросселей демпфера и пневмогид-роаккумулятора на любой режим, а прямые оценки её качества составили: время переходного процесса (2...4 с), колебательность (0) и перерегулирование (0%), что отвечает предъявляемым к системе требованиям.

Оценка тягово-сцепных и энергетических показателей шин проводилась на установке «Шинный тестер», конструкция которого позволяла измерять тяговое усилие колеса; крутящий момент, подводимый к оси колеса; действительный путь, проходимый осью колеса; угловые перемещения обода колеса и продолжительность проведения опыта. Контурная площадь контакта шины определялась на жестком основании по ГОСТ 26953-86. Площадь контакта на почвенном опорном основании определялась при качении колеса в ведомом режиме по контактным давлениям с использованием потенциомет-рических датчиков на выступах грунтозацепов в плечевых зонах, по экватору и между экватором и плечевыми зонами пневматической шины.

Максимальное давление (кПа) колёс на почву определялось по ГОСТ 26953-86, а максимальное нормальное напряжение (кПа) под движителем по ГОСТ 26954-86. Измерение напряжений в пахотном и подпахотном горизонтах почвы производилось при помощи датчиков, устанавливаемых в ниши 2

(рис. 17) вертикальной скважины 3 на различной глубине (5, 10, 20, 30, 40, 50 см). Провода от датчиков 4 выводились к регистрирующей аппаратуре 5, после чего в скважину устанавливалась заглушка 6. Движение трактора осуществлялось так, чтобы наиболее нагруженный движитель проходил над датчиками.

Рис. 17. Схема установки датчиков напряжений в почве

Из агротехнических показателей взаимодействия движителей с почвой оценивались: глубина и ширина колеи, твёрдость почвы после прохода трактора, а также влияние ходовой системы трактора в полевых условиях на изменение характеристик почвы и урожайность зерновых культур (озимой пшеницы). Твёрдость почвы определялась почвенным твердомером ПС-30 конструкции ВИМ. Влияние ходовой системы трактора в полевых условиях на урожайность зерновых культур (озимой пшеницы) проводилось «по следу - вне следа» и «по общей оценке».

Характеристики неровностей поля записывали с помощью специального приспособления.

Определение регуляторных характеристик производилось по ГОСТ 18509-88, а тяговые испытания тракторов - по ГОСТ 7057-81.

В шестой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены проверка адекватности аналитических исследований, определены коэффициенты моделей и дан анализ показателей функционирования усовершенствованных машинно-тракторных агрегатов, а также приведены их агротехнологическая и агроэкологическая оценки.

При использовании дополнительной «инерционной массы» двигателя на разгоне МТА с трактором класса 1,4 работа трения и КПД при трогании зависят от приведённых масс J} и их соотношения. При увеличении «инерционных масс» двигателя ./, от 1,5 кг-м2 до 4,33 кгм2 работа трения муфты сцепления возрастает практически по линейному закону (на 12,8...20,5%). Увеличение массы Зъ из-за повышения общих затрат энергии на раскручивание также повышает работу трения муфты сцепления. КПД муфты сцепления колеблется в пределах 0,28...0,58 при изменении «инерционной» массы двигателя J¡. Эксперименты подтвердили, что буксование колес трактора в составе МТА не зависит от величины «инерционной массы» двигателя.

Опытные данные подтверждают основные аналитические выводы по элементам энергетического баланса. При трогании МТА на стерне, работа

трения муфты сцепления в 1,5...2,0 раза больше аналогичных значений, полученных на бетоне. Для тракторов класса 1,4 с целью улучшения основных показателей фазы трогания и КПД муфты сцепления необходимо увеличивать момент инерции двигателя до 4,0...4,5 кг-м2. При разгоне агрегата и переходе с низшей передачи на высшую энергетический баланс улучшается, а КПД муфты сцепления повышается за весь период разгона.

Степень возрастания действительной скорости МТА в первой фазе разгона прямо пропорциональна коэффициент)' изменения угловой скорости двигателя аа и зависит от величины приведенного момента инерции его. Длительность второй фазы ^ прямо пропорциональна приведенной маховой массе агрегата. Продолжительность ^ всегда увеличивается на высших передачах и в большей мере для инерционных агрегатов. Ускорение МТА при разгоне во второй фазе обратно пропорционально его приведенной массе и увеличивается при уменьшении этой массы. «Инерционные массы» двигателя в первой фазе разгона способствуют разгрузке двигателя, а во второй -тормозят движение и обуславливают его перегрузку. Если «инерционную массу» двигателя сначала увеличить, а потом, во второй фазе разгона, уменьшить, то энергия двигателя при разгоне МТА используется более полно. При увеличении момента инерции масс двигателя J^ его угловая скорость меньше снижается в конце первой фазы, что приводит к уменьшению перегрузки двигателя и напряженности его работы при разгоне. При этом длительность первой фазы возрастает, а второй фазы снижается на 30...50%, что уменьшает и общее время разгона.

В реальных условиях эксплуатации МТА режим тягового нагружения трактора является случайным. Статистические зависимости показали, что на показатели движения МТА существенно влияет «инерционная масса» двигателя. С «инерционной массой» =4,3 кг-м2 по сравнению с ,/ич, = 2,5 кг-м2 тяговое сопротивление культиватора снижается на 5,7%, одновременно возрастает угловая скорость вала двигателя на 4,2% и поступательная скорость трактора на 4,7%. Снижаются и колебания этих величин относительно их

средних значений. Объясняется это тем, что тяговое сопротивление является для МТА внутренней силой, а внешние воздействия в меньшей мере передаются звеньям динамической системы.

Корреляционные функции (рис. 18) быстро убывают, что свидетельствует о его стационарности.

Рис. 18. Нормированные автокорреляционные функции тяговой нагрузки (1) и скорости движения опытного агрегата (2) на операциях пахоты

т. с

Результаты агротехнической оценки качества работы МТА свидетельствуют о том, что глубина пахоты экспериментального агрегата по сравнению с серийным была более равномерной на всех передачах. Коэффициент вариации глубины пахоты для экспериментального агрегата в сравнении с серийным был меньше в 1,5...2,0 раза. У экспериментального агрегата с повышением скорости движения наблюдается улучшение качества обработки почвы - лучше заделываются растительные остатки, улучшаются подрезание и оборот пласта, пашня становится более слитной. Лучшие показатели и устойчивости ширины захвата: среднеквадратическое отклонение ширины захвата агрегата колеблется в пределах 0,98... 1,65 см против 1,98...2,28 см для серийного. Применение «дополнительной инерционной массы» двигателя позволило повысить производительность пахотного агрегата (например, на базе трактора класса 1,4) на 23,0...52,8% при уменьшении расхода топлива на 9... 13%, а на культивации увеличить скорость движения агрегата на 4,7% при снижении сопротивления культиватора на 5,7%.

В результате дисперсионного и регресссссионного анализов процесса разгона МТА на базе трактора класса 5 установлено оптимальное значение объёма пневмогидроаккумулятора (3...4)Т0"3 м'3, соответствующее минимальным работе трения фрикциона, продолжительности разгона и угловой скорости коленчатого вала двигателя. Оптимальная площадь сечения дросселя (у= з-Ю"5 м2) определена при оценке влияния этого параметра на минимальную угловую скорость коленчатого вала двигателя аш„.

Установка УДМ в трансмиссию трактора класса 5 способствует уменьшению выброса момента двигателя на 30...47%, увеличению минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя <яш„ до 15%, уменьшению удельной работы трения фрикциона. Коэффициент динамичности К (отношение максимального значения момента упругой связи к его установившемуся значению) при разгоне МТА с УДМ в трансмиссии трактора находился в пределах 2,16...2,20, а в серийном варианте - 2,75...3,20.

Анализ процесса разгона показывает, что полезная работа и удельные показатели фрикциона выше во всех случаях с использованием УДМ. Самые благоприятные условия для работы фрикциона создаются при трогании только на УДМ, когда работа трения его равна нулю. Работа трения фрикциона составила 207,5 кДж в серийном варианте и 154,3 кДж при трогании с помощью УДМ и фрикциона.

Сравнение полученных данных подтверждает достоверность разработанной математической модели МТА и положительное влияние УДМ на динамические показатели.

Применение УДМ снижает динамические нагрузки в трансмиссии в 1,5 раза. При увеличении коэффициента запаса фрикциона р с 1,6 до 3,2 минимальная угловая скорость коленчатого вала двигателя снижается с 130 до 118 рад/с.

Оптимальные параметры УДМ в трансмиссии трактора определены посредством имитационного факторного эксперимента нахождением условного минимума функции отклика - степени «прозрачности» трансмиссии.

В исследованиях приняты следующие факторы: йд - площадь сечения дросселя (Х[); Уяга - объём пневмогидроаккумулятора (Х2); Рпга - давление воздуха в нём (Х3); момент инерции привода УДМ (Х4) и / - частота колебаний тяговой нагрузки (Х5).

Поверхность отклика описана уравнением регрессии У = Ьа + 6, - А', +¿>2 -Х2 +г>3 -Хг +ЬА -Х4 +Ь5 -Х5 +6,2-Х1 -Х2 +613 -X, ■Х3 + +ьн-х1 .ХА +Ъп-Хх.аг5 +ь2)-Х2-Хъ+Ь2,-Хг-ХА +Ь25-Х2-Х5 +ЬМ-Х3-Х4 + (37)

+ &35 Xз Х$ +Ь45 -Х4 -Х5+ + 6ц -Х\ +¿22 'Х1 + ^44 '-^4

Анализом поверхности отклика и линий уровня определены оптимальные значения для МТА на базе трактора класса 1,4: площадь сечения дросселя = 3,494-Ю"4 м2; объём пневмогидроаккумулятора У„га = 4,44-Ю'3 м3; предварительное давление в пневмогидроаккумуляторе Рв = 4-105 Па; момент инерции привода Jnp = 56,91-Ю'3 кг-м2. «Степень прозрачности» трансмиссии» составила П =0,573. Аналогично определены оптимальные параметры УДМ для других агрегатов.

Корреляционная функция процесса изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя при опытном исполнении убывает медленно и при полученной длине реализации не достигает нулевых значений, что свидетельствует о большей плавности процесса.

Энергооценка агрегата, оснащенного УДМ в трансмиссии трактора класса 1,4, показала, что его тяговое сопротивление снижается на различных операциях на 1...11%. Вследствие этого обеспечивается снижение нагрузки на двигатель и ведущие колеса трактора, рост поступательной скорости трактора на 6,0...12,3%, снижение колебания внешней тяговой нагрузки на 15...20% в полевых условиях и на 30...40% на твердых устойчивых фонах, увеличение производительности агрегата до 10,1%, уменьшение часового расхода топлива до 9% и снижение погектарного расхода топлива до 18,0%. Применение УДМ позволяет снизить дисперсию буксования на 60%, неравномерность буксования до 21%, а математическое ожидание буксования - на 2%.

Результаты экспериментальных исследований агрегата при пахоте стерни озимой пшеницы на глубину 25...27 см показали существенное повышение производительности МТА с УДМ в трансмиссии трактора при чувствительности САПП менее /=0,125 Гц.

Установка УДМ в трансмиссию трактора приводит к улучшению агротехнических показателей выполнения сельскохозяйственных операций на 12,1...34,8%.

В исследованиях МТА с различной комплектацией движителей были приняты три типоразмера шин: 720-665Р (ФД-12), 30,51132 (Ф-81) и 24,51132 (Ф-85). Наибольший тяговый КПД г7, на стерне ярового ячменя (рис. 19) и на поле, подготовленном под посев, у шин ФД-12 и Ф-81, существенно ниже - у шины Ф-85.

П -г- п—л--Пі —------

кН

-6 0,9 0.8 -4 0.7 --3 0,6 -2 0.5

20 Ркр. кН

1 а 12 16 20~Ркр, кН "'77 і 8 12

а б

Рис. 19. Зависимость тяговых показателей шин от силы тяги колеса на стерне ярового ячменя при нагрузке на колесо 2 = 40 кН:

давление воздуха в шине: а - Ра, =0,16 МПа; 6-0,13 МПа

-- Ф-81;

— ФД-12;

-Ф-85

С ростом вертикальной нагрузки на колесо буксование уменьшается и сила тяги, соответствующая максимуму тягового коэффициента 1)Ыа1, смещается в сторону больших значений. Для шины Ф-81 эти значения на стерне ярового ячменя составляют 12,5, 15 и 17 кН соответственно при вертикальных нагрузках 40, 45 и 50 кН.

Влияние внутреннего давления воздуха в шине сказывается в меньшей мере и на стерне, и на поле, подготовленном под посев. Снижение давления воздуха в шине с 0,16 МПа до 0,13 МПа несколько повышает величину тягового КПД iji. Сила тяги колеса, соответствующая максимуму КПД t]Lvax, у шины Ф-85 меньше на 8...40% на стерне ярового ячменя и поле, подготовленном под посев, по сравнению с шинами Ф-81 и ФД-12.

Изучение влияния ходовой системы на почву осуществлялось при посеве сеялочными агрегатами по следующим вариантам: трактор К-701М с шинами 30,5Л32 (Ф-81) с внутренним давлением 90 кПа во всех колёсах; трактор К-701 с шинами 28,1 R 26 с внутренним давлением в передних колёсах 140 кПа и в задних - 110 кПа; трактор Т-150 -контроль. Средняя за три года урожайность по следу трактора К-701 М стала выше, чем по следу трактора К-701 на 1,8 ц/га, что подтверждает превосходство агротехнических свойств движителей трактора К-701М против движителей трактора К-701. Площадь контакта опытных шин на почвенном основании больше, чем у шин исходной модели, что дости-

гается за счёт увеличения длины контакта. Установлено (рис. 20), что характер изменения нормальных напряжений в почве идентичен характеру изменения давлений в контакте шины с опорным основанием, причём в почве они достигают максимального значения при наезде колеса на участок измерений, после чего снижаются до уровня остаточных напряжений. Максимальная глубина распространения деформаций в почве определяется давлением воздуха в шинах и составляет 0,5...0,6 м.

кГЬ

160

120 80 10

3 = ¿С р., *0- кН ОмПа

Чч

\ ч \ N ч к ч Ч ч

\ Ч V"ч ч Л

0.1 02

ОЛ 0,5 Пп

0.16 р» мЛа

0.3

а б Рис. 20. Распределение напряжений под единичным движителем по глубине слоя почвы (а) и зависимость нормальных напряжений в почве (б) от внутреннего давления воздуха в шинах (А в см): --шина Ф-81Э;-----шина Ф-81

Для сравниваемых вариантов шин при работе со сниженным давлением воздуха характерна «вогнутая» форма кривой, обеспечивающая «арочный» эффект. При этом образуется двойной участок уплотнения и улучшаются показатели сцепления колеса с опорной поверхностью. Нормальные напряжения в почве при переходе в более глубокие слои уменьшаются. Минимальные напряжения в пахотном и подпахотном горизонтах создают шины Ф-81Э. По уровню нормальных напряжений в почве на глубине 0,5 м при влажности почвы в слое 0...30 см от 0,7 до 0,9НВ экспериментальный движитель соответствует требованиям ГОСТ 269555-86 при внутреннем давлении воздуха в шине 0,10...0,11 МПа. Исходный вариант движителя при рекомендуемом давлении воздуха в шинах (0,11 мПа) требованиям ГОСТ 269555-86 не удовлетворяет.

Проверка результатов теоретических исследований влияния характеристик движителей на динамические качества мобильных агрегатов в условиях колебаний внешней нагрузки (рис. 21) проведена на пахотных работах, как наиболее энергоёмких. Качественные показатели работы пахотного агрегата К-701М+ПТК-9-35 при комплектации трактора сравниваемыми вариантами шин (ширина захвата, глубина обработки) оценивались средним значением процесса т, среднеквадратическим отклонением с и коэффициентом вариации V.

При практически одинаковых значениях показателей крошения и вспушенности почвы (К„=80...82%, Квс= 31...32%) следует отметить несколько большую стабильность характеристик глубины вспашки и ширины захвата агрегата с рекомендуемыми шинами: коэффициент вариации глубины вспашки снизился с 9,26 до 7,46% при одновременном снижении коэффициента вариации ширины захвата с 2,97 до 2,16%.

Улучшение стабилизирующих свойств движителя позволило снизить коэффициент потерь мощности двигателя на 2,6%, улучшились и

тягово-сцепные свойства энергетического средства: при равном тяговом сопротивлении плуга снижение коэффициента буксования составило с 15,6% до 10,8%.

Рис. 21. Нормированные корреляционные функции и спектральные плотности процесса пахоты Pc{t) в условиях колебаний внешней нагрузки (пахотный МТА с трактором К-701М):

а - К-701М+Ф-81Э+ПТК-9-3 5; б-К-701М+Ф-81+ПТК-9-35

Производительность пахотного агрегата повысилась с 2,11 до 2,32 га/час, а удельный расход топлива снизился на 12,4%.

Результаты полевых опытов по оценке уровня воздействия на почву дви-10 ^ с жителей тракторов класса 5

показывают возможность работы шины с пониженным давлением на рыхлых почвах.

В тракторе К-701М при уменьшении давления в шине Ф-81 от 0,14 МПа до 0,10 МПа давление в контакте с почвой уменьшается в 1,28 раза, а максимальные нормальные напряжения — в 2,25 раза. По экспериментальным данным трактор К-701М на шинах Ф-81Э удовлетворяет требованиям ГОСТ по максимальным напряжениям при давлении в них

0,10 МПа, но не отвечает этим требованиям по максимальным давлениям.

При оценке эффективности сдваивания колёс использовались шины Ф-81Э с шинами Ф-86 типоразмера 24,5R30. Установлено, что сдваивание шин является единственным из исследованных вариантов комплектации движителей тракторов класса 5, который отвечает требованиям ГОСТ 26955-86 как по максимальному давлению, так и по максимальным напряжениям.

Тяговые испытания импортной TM300S, серийной 206Б и опытной шин 18,4R38 (VL-32) с оптимальным внутренним строением показали, что при давлении воздуха pw= 0,11 МПа шина VL-32 имеет наибольший среди трёх вариантов тяговый КПД ?7„. При понижении давления воздуха с 0,11 до 0,08 МПа на поле, подготовленном под посев, тяговые показатели шины VL-32 пйвышаются из-за увеличения площади контакта. Наименьшие глубина и ширина колеи и увеличение твёрдости почвы во всех слоях наблюдались после прохода и культиваторного агрегата на опытных шинах VL-32. Комплектация его опытными шинами способствует повышению стабильности технологического процесса культивации. По сравнению с серийными 206Б шины VL-32 обеспечивают повышение производительности агрегата на 8,1% при внутреннем давлении в шинах pw= 0,11 МПа и на 12,9% при внутреннем давлении pw= 0,08 МПа.

В седьмой главе «Экономическая эффективность предлагаемых мероприятий по повышению показателей функционирования машинно-тракторных агрегатов» дана экономическая оценка эффективности результатов исследований по улучшению показателей МТА. Установлено, что внедрение результатов исследований в модельном хозяйстве для Южной зоны России позволит сократить парк энергосредств на 3 единицы за счет тракторов типа МТЗ-80. При этом экономия эксплуатационных затрат в варианте установки дополнительных «инерционных масс» двигателя и УДМ в трансмиссии тракторов в составе МТА составит 1568,41, а в варианте комплектации энергосредств шинами с оптимальным внутренним строением - 2373,05 тыс. руб. Размер чистого дисконтированного дохода в первом варианте составил 2780,09 тыс. руб., а во втором - 8124 тыс. руб., что в расчете на гектар пашни составило - 278 и 812 руб. Срок окупаемости капвложений - около 5 лет при ставке дисконта 0,12.

В расчёте на регион (Ростовская область) годовая экономия может составить более 4 млрд. руб.

Общие выводы

1. Основой методологии совершенствования показателей работы сельскохозяйственного МТА является разработанная нами динамическая модель агрегата, учитывающая конструктивные параметры и эксплуатационные ре-

жимы его нагружения. Составленные на её основе дифференциальные уравнения движения агрегата отражают с достаточной точностью реальные процессы функционирования МТА и позволяют проводить теоретические исследования их (расхождение аналитических расчётов с результатами испытаний не превышает 6%, критерии Стьюдента и Фишера не превышают табличных значений, а коэффициент корреляции находится в пределах от 0,728 до 0,928 и показывает тесную связь сравниваемых результатов).

2. Одними из основных факторов, определяющих выходные показатели МТА, являются «инерционные вращающиеся массы» двигателя. Для трактора класса 1,4 оптимальной автоматически управляемой дополнительной «инерционной» вращающейся массой двигателя является 1,8...2,0 кг-м , что по сравнению с серийным агрегатом при трогании и разгоне МТА уменьшает загрузку двигателя на 5...8%, общее время разгона на 35...40%, а при переключении передач под нагрузкой обеспечивает повышение скорости движения на 5%.

3. В реальных условиях работы культиваторного агрегата с колёсным трактором класса 1,4 тяговая нагрузка на трактор, угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя и скорость движения агрегата представляют собой стационарные случайные функции. Увеличение «инерционной вращающейся массы» двигателя от 2,5 кг-м до 4,3 кг-м позволяет повысить среднее значение тяговой нагрузки на 5,7%, угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя на 4,2% и скорости движения агрегата на 4,7%, а амплитуды среднеквадратических отклонений этих показателей снижаются соответственно на 16,7%, 9,6% и 3,5% при смещении преобладающих в случайном процессе частот с 5,0...5,1 с'1 до 2,1...2,2 с"1, что уменьшает динамическую нагруженность трансмиссии.

4. На установившемся режиме движения агрегата с дополнительными «инерционными массами» двигателя тяговая нагрузка на трактор уменьшается на 4...6%, а загрузка его двигателя на 5...9%, скорость движения агрегата возрастает на 5...6% при снижении введённого нами показателя «прозрачности» трансмиссии на 25...30%.

5. Применение УДМ в трансмиссии трактора при разгоне МТА уменьшает работу трения муфты сцепления (фрикциона) на 22%, увеличивает угловую скорость коленчатого вала двигателя на 10%, снижает динамические нагрузки в 1,2... 1,5 раза. При поэтапном разгоне агрегата на базе трактора класса 5 с УДМ в трансмиссии максимальное значение ведущего момента снижается в 1,1... 1,4 раза, а угловая скорость колёс при переключении передач увеличивается на 9... 10% по сравнению с серийным вариантом.

6. Использование УДМ в трансмиссии трактора в реальных условиях эксплуатации МТА позволяет: снизить колебания внешней тяговой нагрузки, передающейся на двигатель, на 15...40%; улучшить агротехнические показатели выполнения сельскохозяйственных операций на

12%; снизить дисперсию буксования на 60%; увеличить производительность агрегата более чем на 10%; уменьшить расход топлива на 9%, а погектарный расход — на 18%.

7. Пневматические шины ведущих колёс трактора — одно из основных звеньев трансмиссии, определяющих её жёсткость, которая учтена в уравнениях деформации включением последовательно сменяемых элементов шины при качении колеса. Оптимальным внутренним строением радиальных шин ведущих колёс тракторов в составе агрегата являются: для класса 5 — норма слойности каркаса и брекера 6 и 4, углы нитей корда и брекера 5° и 70°; для класса 1,4 — норма слойности каркаса и брекера 4 и 3, углы нитей корда и брекера 5° и 70°.

8. Использование в МТА энергосредств на шинах с оптимальным внутренним строением позволяет увеличить тяговый КПД их, повысить производительность МТА более чем на 10%, снизить удельный расход топлива на 10...12% при одновременном уменьшении уплотняющего воздействия на почву до 20%.

9. Внедрение результатов исследований проблемы в модельном хозяйстве южных регионов России может обеспечить:

- сокращение капитальных вложений на 1260,07 тыс. руб. в варианте установки дополнительных инерционных масс двигателя и УДМ в трансмиссии трактора и на 5182,13 тыс. руб. в варианте использования экспериментальных шин, что соответствует экономии на 0,6 и 2,5%;

- экономию эксплуатационных затрат при модернизации трансмиссии тракторов в составе агрегатов на 1568,41 тыс. руб., а при комплектации трактора шинами с оптимальным внутренним строением - 2373,05 тыс. руб., что ниже соответственно на 2,6 и 4,0% существующих технологий;

- снижение затрат труда на 2,4...3,1% и потребность хозяйства в механизаторах;

- чистый дисконтированный доход при модернизации трансмиссии тракторов в составе агрегатов 2780,09 тыс. руб., а при комплектации трактора шинами с оптимальным внутренним строением - 8124 тыс. руб., что в расчете на гектар пашни составляет — 278 и 812 руб;

- срок окупаемости затрат по обоим вариантам около 5 лет при ставке дисконта 0,12.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

а) Публикации в гаданиях, рекомендованных ВАК

1. Кравченко, В.А. Методы оценки воздействия на почву колёсных движителей сельскохозяйственных машин / В.Г. Яровой, В.А. Кравченко, В.Ф. Ялам о в и др. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 1994. -№ 3 -4. - С. 179... 188.

2. Кравченко, В.А. Повышение эксплуатационных качеств колёсных движителей / В.В. Коптев, В.А. Кравченко, В.Г. Яровой и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2000. -№ 5.- С. 33...34.

3. Кравченко, В.А. Тестерные испытания шин для трактора тягового класса 1,4 / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, М.В. Годунов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2001. -№ 1. - С. 29...30.

4. Кравченко, В.А. Совершенствование пневматических шин мобильной сельскохозяйственной техники / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, А.Ф. Шкарлет и др. // Тракторы и сельхозмашины. - 2001. - № 7. - С. 27.. .30.

5. Кравченко, В.А. Пути повышения эффективности сельскохозяйственных МТА / В.А. Кравченко // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Процессы и машины агроинженерных систем. Технические науки.Приложение № 1. - 2004. - С. 95...99.

6. Кравченко, В.А. Исследование эффективности упругого элемента в трансмиссии трактора класса 5 / В.А. Кравченко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2004. - № 2. -С. 95...97.

7. Кравченко, В.А. Влияние эластичного привода ведущих колёс трактора класса 1,4 на показатели функционирования МТА / В.А. Кравченко // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2005. - № 1. -С. 85...86.

8. Кравченко, В.А. Некоторые результаты аналитических исследований машинно-тракторного агрегата с упругим элементом в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич //' Известия вузов Северо-Кавказского региона. Технические науки. Спецвыпуск. - 2005. - С. 78...83.

9. Кравченко, В.А. Обоснование нелинейного упругого элемента в трансмиссии трактора класса 5 / В.А. Кравченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. Специальный выпуск. Посвящён 75-летию АЧГАА. - 2005. - № 3. - С. 9...11.

10. Кравченко В.А. Исследование влияния упругодемпфирующего механизма на показатели работы посевного машинно-тракторного агрегата / В.А. Кравченко, A.A. Сенькевич, С.Е. Сенькевич // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 11. - С. 21.. .23.

11. Кравченко, В.А. Показатели машинно-тракторных агрегатов с упру-годемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 / В.А. Кравченко. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2008.-№8. -С. 6.

12. Кравченко, В.А. Оптимизация параметров упругодемпфирующего механизма в трансмиссии трактора класса 5 / В.А. Кравченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. -№ 8. - С. 13... 14.

13. Кравченко, В.А. Модернизация посевного агрегата с введением в трансмиссию трактора упругодемпфирующего элемента / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич, A.A. Сенькевич, В.А. Максименко // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2008. -№ 9. - С. 57...62.

14. Кравченко, В.А. Упругодемпфирующнй механизм в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко, Д.А. Гончаров, В.В. Дурягина // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. С. 40.. .41.

15. Кравченко, В.А. Некоторые статистические показатели функционирования посевного МТА с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич, A.A. Сенькевич // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2009. — № 9. - С. 32...34.

16. Кравченко, В.А. Снижение динамической нагрузки в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. -№ 7. - С. 9... 12.

Монографии

17. Кравченко, В.А. Эксплуатационные свойства сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора: монография / В.А. Кравченко. - Зерно-град: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2006. - 82 с.

18. Кравченко, В.А. Повышение динамических и эксплуатационных показателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов: монография / В.А. Кравченко. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. - 224 с.

б) Патенты

19. A.c. 748036 СССР, МКИ2 F 15 В 1/02, F 15 В 7/06, В 60 К 17/10. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии транспортного средства / В.В. Котляров, Ю.И. Деянов, В.А. Кравченко, Ю.С. Толстоухов, Н.И. Зубарев (СССР). -№ 2576948/25-06; заявл. 01.02.78; опубл. 15.07.80, Бюл. № 26. -4 е.: ил.

20. A.c. 798395 СССР, МКИ3 F 16 Н 47/00. Система автоматического переключения передач ступенчатой трансмиссией транспортного средства [Текст] / В.В. Котляров, В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, Ю.С. Толстоухов, В.Н. Гоголев (СССР). - № 2735193/25-06; заявл. 11.03.79; опубл. 23.01.81, Бюл. №3.-4 е.: ил.

21. A.c. 861123 СССР, МКИ3 В 60 К 41/06. Устройство для автоматического переключения передач ступенчатой трансмиссии транспортного средства / В.В. Котляров, В.А. Кравченко, Ю.С. Толстоухов, В.Г. Яровой (СССР).

— № 2694869/27-11; заявл. 27.11.78; опубл. 07.09.81, Бюл. № 33. -4 е.: ил.

22. A.c. 1062035 СССР, В 60 К 17/10. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии транспортного средства / В.В. Котляров, Ю.С. Толстоухов,

B.А. Кравченко, В.Н. Гоголев (СССР). - № 3490343/27-11; заявл. 07.09.82; опубл. 23.12.83, Бюл. № 47. - 3 е.: ил.

23. A.c. 1557469 СССР, G 01 М 17/02. Шинный тестер / В.Г. Яровой,

C.Г. Бурминский, В.А. Кравченко, В.П. Шоколов, Ю.С. Толстоухов (СССР).

- № 4465741/27-11; заявл. 22.07.88; опубл. 15.04.90, Бюл. № 14. - 4 е.: ил.

24. A.c. 1654715 СССР, G 01 М 17/02. Шинный тестер / В.Г. Яровой, В.П. Шоколов, С.Г. Бурминский, В.А. Кравченко, А.Н. Щеглов (СССР). -№ 4711959/11; заявл. 27.06.89; опубл. 07.06.91, Бюл. №21.-4 е.: ил.

25. A.c. 1701822 СССР, E 02 D 1/00. Устройство для измерения послойных вертикальных деформаций грунта / А.Н. Щеглов, В.Г. Яровой, С.Г. Бур-минский, В.А. Кравченко, М.К. Чернышков (СССР). - № 4787635/33; заявл. 31.01.90; опубл. 30.12.91, Бюл. № 48. -4 е.: ил.

26. A.c. 1767381 СССР, G 01 М 17/02. Шинный тестер / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, С.Г. Бурминский, М.К. Чернышков, А.Н. Щеглов (СССР). -№ 4799442/11; заявл. 06.03.90; опубл. 07.10.92, Бюл. № 37. - 3 е.: ил.

27. Патент 2085891 Российская Федерация, С1 6 G 01 М 17/02. Шинный тестер / С.Г. Пархоменко, В.Г. Яровой, В.А. Кравченко, И.М. Меликов; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 95111419/11; заявл. 03.07.95; опубл. 27.07.97, Бюл. № 21. - 4 е.: ил.

28. Патент 2092806 Российская Федерация, С1 6 G 01 М 17/02. Шинный тестер / И.М. Меликов, В.Г. Яровой, A.B. Яровой, В.А. Кравченко, С.Г. Пархоменко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. -№ 96103746/11; заявл. 26.02.96; опубл. 10.10.97, Бюл. № 28. -4 е.: ил.

29. Патент 2107275 Российская Федерация, С1 6 G 01 М 17/02. Шинный тестер [Текст] / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, С.Г. Пархоменко, И.М. Меликов, A.B. Яровой; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. -№ 96109279/28; заявл. 0.5.05.96; опубл. 20.03.98, Бюл. №8. -4 с: ил.

30. Патент 2131119 Российская Федерация, С1 6 G 01 М 17/02. Шинный тестер / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, К.Н. Уржумов, М.В. Годунов, A.B. За-царинный; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. -№ 98105093/28; заявл. 26.03.98; опубл. 27.05.99, Бюл. № 15. - 5 е.: ил.

31. Патент 2167402 Российская Федерация, С2 7 G 01 М 17/02. Шинный тестер / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, М.В. Годунов, К.Н. Уржумов, A.B. За-царинный; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. -№ 99114900/28; заявл. 08.07.1999; опубл. 20.05.2001, Бюл. № 14. - 5 е.: ил.

32. Патент 2221998 Российская Федерация, С1 7 G 01 М 17/02. Шинный тестер / В.Г. Яровой, В.А. Кравченко, М.В. Годунов, М.В. Мирошников, Н.В. Сергеев, A.B. Чайковский; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 2002125848/11; заявл. 27.09.2002; опубл. 27.01.2004, Бюл. № 2. - 5 е.: ил.

33. Патент 2222440 Российская Федерация, C1 В60К 17/10. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии транспортного средства / В.А. Кравченко, A.A. Сенькевич, С.Е. Сенькевич, Ю.С. Толстоухов, В.Г. Яровой; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 2002129554; заявл. 04.11.2002; опубл. 27.01.2004, Бюл. № 3. -4 е.: ил.

34. Патент 2252148 Российская Федерация, С1 В 60 К 17/10, F 15 В 1/24. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии машинно-тракторных агрегатов / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич, A.A. Сенькевич, A.C. Галайко, Р.Н. Морозов, В.Г. Яровой, Ю.С. Толстоухов, А.К. Верховцев; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 20003135567/11; заявл. 05.12.2003; опубл. 20.05.2005, Бюл. № 3.-5 е.: ил.

35. Патент 2299135 Российская Федерация, Cl В 60 К 17/10, F 15 В 1/24. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии машинотракторных агрегатов / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич, A.A. Сенькевич; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 2005138603/11; заявл. 12.12.2005; опубл. 20.05.2007, Бюл. № 14. - 6 с: ил.

36. Патент 2398147 Российская Федерация, Cl F 16 H 47/04. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии машинно-тракторного агрегата / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич, A.A. Сенькевич, Д.А. Гончаров, В.В. Дуря-гина; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 2008153010/11; заявл. 31.12.2008; опубл. 27.08.2010, Бюл. № 24. - 7 е.: ил.

37. Патент на полезную модель 83458 Российская Федерация, U1 В60К 17/10. Устройство для снижения жёсткости трансмиссии машинно-тракторных агрегатов / В.А. Кравченко, A.A. Сенькевич, С.Е. Сенькевич; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 2008152960/22; заявл. 31.12.2008; опубл. 10.06.2009, Бюл. № 16. - 5 е.: ил.

в) Прочие nyónuKaijuu

38. Кравченко, В.А. К выбору системы автоматического переключения передач для тракторов класса 50 кН / В.А. Кравченко, В.В. Котляров, В.Г. Яровой // Вопросы исследования гидроприводов и тепловых процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. / РИСХМ. - Ростов-на-Дону, 1979.-С. 156... 162.

39. Кравченко, В.А. К методике проектирования регулятора скорости для сельскохозяйственного трактора / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, Ю.С. Толстоухов // Научные основы проектирования сельскохозяйственных машин / РИСХМ. - Ростов-на-Дону, 1980. - С. 60.. .67.

40. Кравченко, В.А. Некоторые результаты испытаний CAI 111 для тракторов класса 50 кН / В.А. Кравченко // Исследование, проектирование и производство рабочих органов сельскохозяйственных машин: сб. науч. тр. / РИСХМ. - Ростов-на-Дону, 1980. - С. 43...47.

41. Кравченко, В.А. Некоторые результаты агротехнической оценки МТА на базе трактора класса 1,4 / В.А. Кравченко, H.H. Мелешик // Механизация и электрификация производственных процессов в животноводстве: сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1996.-С. 168...171.

42. Кравченко, В.А. Влияние переменной инерционной массы двигателя на выходные показатели МТА с трактором класса 1,4 / В.А. Кравченко, H.H. Мелешик // Совершенствование технологических процессов, машин и аппаратов в инженерной сфере АПК: сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1996. — С. 217...221.

43. Кравченко, В.А. Результаты тяговых испытаний трактора класса 1,4 с различными шинами типоразмера 18,4R38 / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, М.В. Годунов // Совершенствование технологических процессов, машин и аппаратов в инженерной сфере АПК: сб науч. тр. / ФГОУ ВПО АЧГАА. -Зерноград, 1999.-Вып. 1.-С. 56...57.

44. Кравченко, В.А. Результаты сравнительных тяговых испытаний шин VL-32, 206Б и TM300S / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, М.В. Годунов // Совершенствование технологических процессов, машин и аппаратов в инженерной сфере АПК: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 1999. -Вып. 1.-С. 57...58.

45. Кравченко, В.А. Математическая модель культиваторного агрегата / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, С.Г. Пархоменко // Адаптивные технологии и технические средства в полеводстве и животноводстве: сб. науч. тр. / ВНИП-ТИМЭСХ. - Зерноград, 2000. - С. 67...72.

46. Кравченко, В.А. Комплексная оценка работы культиваторного агрегата / В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, М.В. Годунов // Технологии и средства механизации полеводства: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 2002. — С. 153...156.

47. Кравченко, В.А. Транспорт в сельскохозяйственном производстве / В.А. Кравченко. - Зерноград, АЧГАА, 2003. - 320 с.

48. Кравченко, В.А. Исследование влияния дополнительной инерционной массы двигателя на разгон машинно-тракторного агрегата / В.А. Кравченко, H.H. Мелешик // Совершенствование конструкций и повышение эффективности функционирования колёсных и гусеничных машин в АПК: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 2007. - С. 59...63.

49. Кравченко, В.А. Результаты полевых испытаний культиваторного машинно-тракторного агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич // Совершенствование конструкций и повышение эффективности функционирования колёсных и гусеничных машин в АПК: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 2007.-С. 64...65.

50. Кравченко, В.А. Математическая модель машинно-тракторного агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко, A.A. Сенькевич, С.Е. Сенькевич // Совершенствование конструкций и повышение эффективности функционирования колёсных и гусеничных машин в АПК: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО АЧГАА. - Зерноград, 2007. -С. 66...71.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 27.09.2012. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 355.

РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ'

В.А. Кравченко

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ КОЛЁСНЫХ ТРАКТОРОВ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

£2 Научный консультант - доктор технических наук

^ профессор И.Н. Краснов

00 о

ю о

Зерноград 2012

Содержание

Введение................................................................................6

1. Состояние проблемы повышения показателей работы сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов.................13

1.1. Обзор и анализ функциональных схем машинно-тракторных агрегатов..........................................13

1.2. Классификация машинно-тракторных агрегатов сельскохозяйственного назначения

и их эксплуатационных свойств..........................................18

1.3. Анализ исследований параметров

и условий функционирования сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата...........................................23

1.3.1. Основные особенности разгона машинно-тракторного агрегата........................................23

1.3.2. Влияние колебаний нагрузки на показатели сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов.........38

1.3.3. Экологические проблемы использования энергонасыщенных тракторов

в сельскохозяйственном производстве..............................50

1.4. Основные направления совершенствования машинно-тракторных агрегатов на механизированных сельскохозяйственных процессах...........................................56

1.5. Цель и задачи исследований...............................................65

2. Разработка математической модели функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов..................70

2.1. Уравнения движения звеньев динамической модели серийного машинно-тракторного агрегата..............................70

2.1.1. Математическая модель двигателя.................................72

2.1.2. Математическая модель муфты сцепления.......................73

2.1.3. Математическая модель силовой передачи.......................76

2.1.4. Уравнение движения ведущего колеса.............................76

2.1.5. Математическая модель остова трактора

и внешней нагрузки......................................................78

2.1.6. Система дифференциальных уравнений движения агрегата с серийной трансмиссией трактора.......................81

2.1.7. Расчёт топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов......................................83

2.2. Методика решения дифференциальных уравнений

движения МТА..............................................................84

3. Аналитические исследования показателей функционирования

машинно-тракторных агрегатов................................................87

3.1. Влияние дополнительных «инерционных масс двигателя»

на показатели разгона машинно-тракторного агрегата................87

3.2. Влияние дополнительной «инерционной массы»

на показатели поэтапного разгона агрегата.............................90

3.3. Влияние «инерционной массы» двигателя на показатели функционирования машинно-тракторного агрегата...................95

3.4. Теоретические исследования показателей функцонирования МТА при выполнении сельскохозяйственных работ..................98

3.5. Влияние упруго демпфирующего механизма в трансмиссии трактора на функционирование машинно-тракторного агрегата...107

3.5.1. Описание схемы и работы

упругодемпфирующего механизма................................107

3.5.2. Математическая модель машинно-тракторного агрегата

с упруго демпфирующим механизмом в трансмиссии трактора.112

3.5.3. Анализ показателей разгона машинно-тракторного агрегата с упругодемпфирующим механизмом

в трансмиссии трактора класса 5.......................................119

Выводы...............................................................................135

4. Повышение показателей функционирования машинно-тракторных агрегатов путём оптимизации характеристик колёсных движителей.......................................138

4.1. Современный научный подход к обоснованию конструктивных параметров сельскохозяйственных шин...........138

4.2. Методика рационального планирования

при испытаниях тракторных шин.........................................140

4.3. Обоснование оптимальных параметров

пневматических шин сельскохозяйственных тракторов.............148

4.4. Моделирование тракторных шин методом подобия................156

4.4.1. Моделирование тяговых свойств шин...........................156

4.4.2. Моделирование упругих свойств шин............................157

4.4.3. Результаты моделирования шин для тракторов класса 1,4...158

4.4.4. Результаты теоретических исследований

шин тракторов класса 1,4.............................................160

Выводы................................................................................164

5. Методика экспериментальных исследований.............................166

5.1. Программа экспериментальных исследований......................166

5.2. Объект исследований......................................................167

5.3. Измерительный комплекс................................................172

5.4. Место проведения опытов................................................182

5.5. Устройства для измерения инерционных масс двигателя

и параметров трансмиссии.................................................182

5.6. Установка для автоматического управления дополнительной «инерционной вращающейся массой» двигателя............................185

5.7. Методика определения моментов инерции

вращательных масс двигателя и движителей...........................191

5.8. Методика определения момента инерции

трансмиссии трактора.......................................................193

5.9. Разработка системы автоматического переключения передач... 194

5.9.1. Требования, предъявляемые к системе автоматического переключения передач..........................194

5.9.2. Обоснование датчика загрузки двигателя.......................195

5.9.3. Устройство и работа системы

автоматического переключения передач..........................198

5.9.4. Определение оптимальных параметров

следящего устройства.................................................206

5.9.5. Методические аспекты лабораторного обоснования параметров экспериментальной системы

автоматического переключения передач..........................209

5.10. Методика лабораторно-полевых исследований....................219

5.10.1. Методика лабораторно-полевых исследований

агрегатов с переменной «инерционной массой» двигателя...220

5.10.2. Методика лабораторно-полевых исследований

на бетоне агрегатов с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора...............................................222

5.10.3. Методика исследования влияния конструктивных факторов упругодемпфирующего механизма

в трансмиссии трактора на показатели работы

агрегата при имитационном эксперименте........................224

5.11. Методика экспериментальных исследований пневматических шин.........................................................225

5.11.1. Объект исследований...............................................225

5.11.2. Описание конструктивной схемы

и измерительного комплекса «шинный тестер».................225

5.11.3. Методика исследований деформаций

пневматических шин...................................................230

5.11.4. Методика тяговых испытаний пневматических шин........231

5.11.5. Методика определения площади контакта пневматических шин...................................................234

5.11.6. Методика оценки агроэкологических качеств сравниваемых шин.....................................................235

5.11.7. Методика исследования микропрофиля поля.................240

5.12. Стендовые испытания двигателя......................................241

5.13. Методика тяговых испытаний трактора.............................242

5.14. Методика экспериментальных исследований

показателей функционирования машинно-тракторного агрегата..244

5.15. Точность измерений......................................................245

6. Результаты экспериментальных исследований............................247

6.1. Сравнительный анализ теоретических

и экспериментальных исследований МТА..............................247

6.2. Влияние дополнительных «инерционных вращающихся масс» двигателя на функционирование

машинно-тракторного агрегата............................................251

6.2.1. Результаты экспериментальных исследований влияния дополнительной «инерционной массы» двигателя на разгон машинно-тракторного агрегата на базе трактора класса 1,4..251

6.2.2. Статистическая оценка выходных показателей культиваторного машинно-тракторного агрегата на базе трактора класса 1,4 с дополнительной

«инерционной массой» двигателя...................................260

6.2.3. Исследования влияния дополнительной «инерционной массы» двигателя

на агротехнические показатели работы

пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4.......................263

6.3. Влияние упругодемпфирующего механизма

в трансмиссии трактора на показатели функционирования машинно-тракторных агрегатов...........................................268

6.3.1. Анализ влияния объёма пневмогидроаккумулятора

на показатели разгона трактора класса 5..........................268

6.3.2. Определение оптимальной площади сечения дросселя упругодемпфирующего механизма

в трансмиссии трактора класса 5....................................272

6.3.3. Результаты исследований разгона транспортного машинно-тракторного агрегата

с упругодемпфирующим механизмом

в трансмиссии трактора класса 5....................................274

6.3.4. Результаты исследований машинно-тракторного агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 при колебаниях тяговой нагрузки.........283

6.4. Повышение показателей функционирования машинно-тракторных агрегатов путём

оптимизации характеристик колёсных движителей..................299

6.4.1. Результаты сравнительных испытаний

серийных крупногабаритных шин тракторов класса 5............299

6.4.2. Оценка уровня воздействия движителей

тракторов класса 5 на почву.............................................322

6.4.3. Результаты исследований шин тракторов класса 1,4.........336

Выводы................................................................................348

7. Экономическая эффективность предлагаемых мероприятий

по повышению показателей функционирования

машинно-тракторных агрегатов.............................................353

Общие выводы и предложения..................................................357

Литература...........................................................................360

Приложения..........................................................................379

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее и будущее сельскохозяйственного производства неразрывно связаны с его оснащенностью высокопроизводительной техникой и зависят от уровня и темпов развития тракторов и сельскохозяйственных машин.

Основными направлениями экономического и социального развития страны в ближайшее время предусмотрено повышение технического уровня и качества машин и оборудования, необходимых для комплексной механизации сельскохозяйственного производства, позволяющей добиться оптимальных агротехнических сроков проведения работ и сокращения трудовых затрат.

Важным резервом повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве является применение скоростных энергонасыщенных тракторов. Однако решение этой проблемы встречает ряд трудностей, связанных с неустановившимися процессами при движении машино-тракторных агрегатов (МТА). Машинно-тракторные агрегаты на базе скоростных тракторов характеризуются повышенным значением приведенных масс, что обусловливает большое их влияние на характер неустановившегося движения. Возникающие значительные инерционные нагрузки приводят к потерям части мощности двигателя, из-за чего машинно-тракторный агрегат работает с меньшей производительностью и экономичностью.

Неустановившийся режим движения, как известно, имеет место при тро-гании и разгоне машинотракторных агрегатов, при переключении передач на ходу, а также при случайных колебаниях нагрузки. При этом происходит изменение кинетических энергий масс агрегата и потенциальных энергий в связях, отчего влияние поступательных и вращательных масс агрегата на показатели его движения существенно возрастает. Особенно заметно это проявляется при начальном процессе движения, который является одним из наиболее

тяжёлых режимов работы машинно-тракторного агрегата, так как в связи с ростом приведенного момента инерции ведомой части агрегата двигатель преодолевает дополнительные сопротивления по сравнению с установившимся режимом движения. Возникающие при разгоне значительные инерционные нагрузки приводят к перегрузке двигателя, что приводит к необходимости уменьшения его загрузки для осуществления разгона. Поэтому при установившемся режиме движения двигатель будет работать с недогрузкой и, следовательно, с меньшей производительностью и экономичностью. Повышение рабочих скоростей машинно-тракторных агрегатов и связанное с ним резервирование мощности двигателя для осуществления разгона вызывают-необходимость изыскивать пути улучшения их разгонных качеств.

Существенное влияние и характеристик движителей на динамические качества мобильных агрегатов в условиях колебаний внешней нагрузки. Совершенство движителя колёсных тракторов определяет его тягово-сцепные качества и проходимость. Однако выбор движителей колёсных тракторов до недавнего времени осуществлялся по несущей способности и сроку службы шин. Для улучшения тягово-сцепных показателей трактора часто практикуется увеличение нагрузки на шину, что приводит к большему уплотнению почвы в пахотных и подпахотных горизонтах.

В связи с этим актуальным становится решение проблемы: разработать методологию, методы, алгоритмы и технические средства снижения динамичности и энергоёмкости машинно-тракторных агрегатов.

Значимость этой проблемы возрастает в связи с настоятельной необходимостью обеспечения и сохранения плодородия почвы при выполнении машинами полевых работ. Применительно к любому машинно-тракторному агрегату это означает, по крайней мере, 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 их функционирования.

В диссертации представлены теоретические и экспериментальные исследования влияния различных механизмов и устройств, не требующих значительных конструктивных изменений трактора, на разгон и показатели функционирования машинно-тракторных агрегатов.

Для улучшения показателей работы сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата рекомендована установка в трансмиссию тракторов различных классов дополнительной «инерционной массы» и упругодемпфи-рующего механизма с нелинейной характеристикой, что способствует повышению показателей разгона и ограничивает «прозрачность» механической трансмиссии. Определены режимы подключения дополнительной «инерционной массы» и параметры упругодемпфирующего механизма. Предложена методика, на основании которой выбрано оптимальное внутреннее строение шин движителей колёсных тракторов при выполнении различных сельскохозяйственных операций.

Объект научных исследований - технологические процессы функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов, их параметры и режимы работы.

Предмет научных исследований - закономерности и способы повышения показателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов путём сокращения динамических нагрузок на исполнительные подсистемы МТА и оптимизации тягово-сцепных свойств движителей.

Научные исследования проводились на кафедре тракторов и автомобилей ФГБОУ ВПО АЧГАА в соответствии с:

- программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований в рамках задания 16.06 ведомственного плана Министерства сельского хозяйства СССР на 1980... 1985 годы «Разработка основ теории и кон-

струкции тракторов с улучшенными эксплуатационными качествами для работы на повышенных скоростях»;

- Общесоюзной научно-технической программы на 1986... 1990 годы «Разработать и внедрить систему машинных и технологических процессов и технических средств для комплексной механизации и электрификации сельскохозяйственного производства»;

- планами НИР АЧГАА на 1991... 1995 годы «Разработать макеты новых типов крупногабаритных тракторных шин сельскохозяйственного назначения, обеспечивающих низкое давление на почву»;

- планами НИР АЧГАА на 1996...2000 годы «Способы повышения технико-экономических показателей мобильной сельскохозяйственной техники» (№03.07/01.01 и №03.07/01.03)

Апробация научных результатов - основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях АЧГАА, ВШШТИМЭСХ, Ставропольского ГАУ, Челябинского ГАУ, МГАУ, УНИМЭСХ, ХИМЭСХ, ЛСХИ, Волгоградской СХА и др.

Основные положения диссертации опубликованы в 92 трудах, в том числе 15 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

По результатам диссертации получено девятнадцать авторских свидетельств и патентов на изобретения, издано две монографии и четыре учебных пособия с грифами Министерства высшего образования РФ, Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ и УМО по образова