автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности машинно-тракторных агрегатов с колесными тракторами классов 1,4, 2 и 3 на основе оптимизации параметров движителей

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Методы улучшения тягово-сцепных показателей колесных тракторов.

1.2 Анализ процесса возникновения нормальных и касательных напряжений в пятне контакта колеса с почвой.

2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ОПОРНЫМ

ОСНОВАНИЕМ.

2.1 Вопросы кинематики взаимодействия деформируемого колеса с опорным основанием.

2.2 Метод расчета касательной силы тяги эластичного колеса.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Оценка показателей взаимодействия единичного пневматического движителя с опорным основанием.

3.1.1 Объекты и цель проведения исследований.

3.1.2 Приборное оснащение.

3.1.3 Методика определения площади пятна контакта и нормальных давлений под грунтозацепами.

3.1.4 Методика определения сопротивления качению одиночных движителей.

3.2 Оценка тяговых показателей тракторов, оснащенных шинами различных типоразмеров.

3.2.1 Объекты и цель проведения исследований.

3.2.2 Приборы и оборудование.

3.2.3 Методика определения тяговых показателей тракторов.

3.3 Эксплуатационно-технологическая оценка работы тракторных агрегатов.

3.3.1 Объекты и цель проведения исследований.

3.3.2 Приборы и оборудование

3.3.3 Методика выполнения работ.

3.4 Оценка уровня воздействия на почву объектов исследований

3.4.1 Цели и задачи исследований.

3.4.2 Приборы и оборудование.

3.4.3 Методика проведения работ.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Показатели взаимодействия единичного движителя с опорным основанием.

4.1.1 Деформационные характеристики шин.

4.1.2 Определение площади контакта шин с деформируемым опорным основанием.

4.1.3 Изменение пятна контакта при движении колеса с различной скоростью в ведомом режиме.

4.1.4 Расчетный метод определения площади пятна контакта колесного движителя на жестком опорном основании.

4.1.5 Определение давлений под грунтозацепами движущегося колеса.

4.1.6 Обобщение результатов оценки взаимодействия одиночных движителей с опорным основанием.

4.2 Тяговые показатели тракторов, оснащенных колесными движителями различных типоразмеров.

4.2.1 Тяговые показатели трактора МТЗ-80.

4.2.2 Тяговые показатели трактора МТЗ-1221.

4.2.3 Тяговые показатели трактора Т-150К.

4.2.3.1 Оценка расхода топлива и сопротивления качению трактора Т-150К.

4.2.3.2 Результаты тяговых испытаний трактора Т-150К на стерне колосовых.

4.2.3.3 Тяговые показатели трактора Т-150К на поле, подготовленном под посев.

4.3 Зависимость тягово-сцепных показателей тракторов класса

1,4 и 3 от площади опорного основания движителей.

4.4 Результаты изменения агрофизических свойств почвы в следах тракторов.

4.4.1 Уровень воздействия на почву тракторов МТЗ-80 и МТЗ-1221.

4.4.2 Результаты изменения агрофизических свойств почвы при воздействии движителями трактора Т-150К.

4.5 Эксплуатационно-технологические показатели тракторов

4.5.1 Показатели работы машин и орудий, агрегатируемых с трактором Т-150К.

4.5.2 Эксплуатационно-технологическая оценка работы агрегатов с трактором МТЗ-80.

4.5.3 Оценка работы агрегата МТЗ-1221+СП-11+ +2КПС-4+8БЗСС.

4.6 Краткие выводы.

5 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРОВ С ДОПУСТИМЫМ УРОВНЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ.

5.1 Общие положения.

5.2 Расчет эффективности инвестиций по внедрению широкопрофильных шин на трактор Т-150К.

5.3 Расчет экономической эффективности использования трактора МТЗ-80 с двумя вариантами движителей.

Технический уровень ходовой системы трактора, прежде всего, определяется тягово-сцепными качествами, степенью воздействия ее на почву, надежностью, материалоемкостью, плавностью хода, грузоподъемностью, устойчивостью, управляемостью и др. показателями /13/

Тягово-сцепные качества определяют производительность машинно-тракторного агрегата, его расход топлива, зависимость от неблагоприятных погодных условий. Воздействие на почву - важнейший показатель для трактора, так как он непосредственно влияет на продуктивность почв, определяет энергозатраты на последующую обработку полей. Плавность хода также относится к основным функциональным характеристикам движителя, так как именно она ограничивает скорость агрегата, определяет качество полевых работ и комфортность условий труда механизатора, уровень вибронагружен-ности узлов машины.

Рассмотрим основные критерии технического уровня ходовой системы: уровень воздействия на почву и тягово-сцепные качества.

Сохранение плодородия почв - глобальная задача и в ее решении велика роль движителей полевой техники. К сельскохозяйственному движителю предъявляются особые требования, так как он взаимодействует с почвой, которая одновременно является опорным основанием и обрабатываемым материалом - сложной биоминеральной средой. Уплотнение почвы и интенсивное перетирание ее структурных составляющих в результате буксования, отрицательно сказывается на плодородии, сопутствует развитию эрозии, ведет к деградации почв.

В первую очередь существенно ухудшаются основные физические и технологические свойства пахотного и подпахотного слоев почвы и снижается плодородие. Ухудшается структурное состояние почвы, вследствие разрушения не только макро-, но и микроструктурных агрегатов, повышается содержание пыли в пахотном слое. В колее тракторов резко возрастает плотность и твердость почвы /58/. Например, плотность Кубанских черноземов

3 3 при проходах колесных тракторов повышается с 1,1-1,3 г/см до 1,4-1,6 г/см . На 10-20% уменьшается общая пористость почвы и на 30-60% пористость аэрации.

Образующаяся колея затрудняет в дальнейшем работу сельхозмашин, вызывает неравномерную заделку семян, снижение их полевой всхожести, обуславливает многоярусность посевов и неодновременность их созревания. Это в конечном итоге ведет к недобору урожая сельскохозяйственных культур, который по оценкам ВИМ и Почвенного института им. В. В. Докучаева, только по зерновым составляет 13-15 млн. т. в год, сахарной свекле — более 2 млн. т., зерну кукурузы - около 0,5 млн. т. в год /61/.

Снижение урожайности происходит не только в год уплотнения, но и в последующие: 2-й и 3-й годы, так как процессы разуплотнения пахотного и подпахотного слоев проходят в течение нескольких лет. Для устранения уплотнения подпахотных слоев требуется дополнительная обработка, связанная со значительными трудозатратами и дополнительным расходом топлива.

Одним из основных факторов, оказывающего воздействие на урожайность, является уменьшение количества пор и их размеров /53/. В результате происходит снижение водозадерживающей способности почвы, ее инфильтрация, что ухудшает развитие корневых систем растений.

Деградацию структуры почвы (ДСП) можно рассматривать как в рамках морфологии почвы (описание профиля), так и в рамках измерительных характеристик. Плотность — наиболее распространенный визуальный признак ДСП. Почвенные агрегаты спрессовываются в крупные и плотные блоки, объем которых равен объему вытесненного воздуха. Вторым визуальным признаком является «пластообразность» структуры почвы. Такая структура — серьезное препятствие для проникновения корней и влаги в нижние слои. На рисунке 1 показаны срезы почвы в зоне движения техники (а) (глубина 0.24 см) и в зоне (б) свободной от уплотнения. На (а) явно различима деградация структуры почвы в виде пластинчатой структуры, в то время как на (б) почва имеет рыхлую структуру, изобилующую порами (черный цвет) особенно в верхнем слое.

Рисунок 1 Изображение структуры почвы в зоне движения техники (а) и на участке, свободном от воздействия движителей (Ь)

Для обработки сильно уплотненных почв затрачивается дополнительная энергия, снижается производительность агрегатов. В СКС ВИМ в течение нескольких лет изучали влияние уплотнения почвы на сопротивление ее при обработке плугами. Выяснилось, что удельное сопротивление при вспашке почвы на глубину 20-22 см по следам гусеничных и легких колесных тракторов было выше на 12-25%, чем вне следов /58/, по следам тракторов Т-150К и К-701 на 44% выше, автомобилей и комбайнов - на 60-64%, транспортных тракторных агрегатов с прицепами - на 72-90%, что приводит к годовому перерасходу топлива около 1 млн. т. /61/.

Для уменьшения отрицательного воздействия ходовых систем машино-тракторных агрегатов применяются технологические, агрономические и конструкторские мероприятия /45/.

Технологические мероприятия: снижение числа проходов сельскохозяйственной техники по полям, совмещенные технологии, рациональная маршрутизация движения, применение комбинированных и широкозахватных агрегатов, минимальной обработки почвы, устройство постоянных полос для проезда техники, использование перегрузочной технологии при взаимодействии с транспортными средствами.

Агрономические - повышение способности почвы противостоять уплотняющим и сдвигающим нагрузкам благодаря внесению удобрений (главным образом органических), введение дополнительной операции разуплотнения (путем глубокого ступенчатого чизеливания, глубокой вспашки и вспашки с полосным рыхлением /57/).

Конструкторские - совершенствование тракторов и сельхозмашин, их движителей, снижение их материалоемкости, применение движителей с увеличенной опорной поверхностью, повышение их тягово-сцепных свойств. Ухудшение последних ведет к снижению рабочей скорости и тягового усилия, увеличению расхода топлива, повышению изнашиваемости элементов трансмиссии и ходовой системы из-за повышенного буксования.

Конструкторское направление — наиболее эффективное средство решения проблемы переуплотнения почвы, так как легче и дешевле предотвратить механическое воздействие движителей на почву, чем затем устранять его последствия. Следует также отметить, что агрономическое направление хотя и снижает негативное воздействие переуплотнения почв, но не может устранить его полностью /45/.

Следовательно, основной должна быть задача по совершенствованию движителей (и ходовой системы в целом) тракторов и сельхозмашин, поскольку требования, предъявляемые сегодня к ходовым системам машин, вытекают из общих требований охраны окружающей среды, включающих обеспечение сохранности почвы и ее плодородия.

Задача создания для сельскохозяйственной техники агрофильных движителей, которые при работе на поле не оказывали бы негативного влияния на плодородие почв и урожайность культур, решается в основном двумя путями: совершенствование колесных движителей, совершенствование гусеничных движителей.

Немецкие исследователи считают, что гусеничный трактор по уровню давления в статике имеет преимущества по сравнению и колесным, однако медленный характер нагружения в сочетании с вибрацией увеличивает остаточное уплотнение почвы /76/. Кратковременно действующая нагрузка уменьшает пористость в меньшей степени и с увеличением скорости с 6 до 10 км/ч уплотнение уменьшается на 2/3.

Анализ, проведенный фирмой «Джон Диир» (США) показал, что трактор с четырьмя ведущими колесами имеет на 22% большую производительность по сравнению с гусеничными сельскохозяйственными тракторами такой же массы. Затраты из расчета на 1 га на 33% ниже, чем при эксплуатации гусеничного трактора аналогичного класса 191.

Следует также отметить, что масса ходовой части гусеничного трактора составляет до 40% массы машины, а масса использованных запасных частей за срок службы трактора в отдельных случаях превышает его массу /15/. Невозможность использования гусеничных тракторов на транспортных работах, особенно на дорогах с твердым покрытием значительно сужает перспективы использования этого типа движителей. Пневмогусеничный движитель, компенсируя некоторые недостатки металлической гусеницы, имеет также некоторые отрицательные стороны: сложность конструкции, низкая надежность, особенно при низких температурах, высокие потери на перемещение при движении на твердом покрытии, недостаточную проходимость на почвах со слабой несущей способностью /10/.

Учитывая недостатки конструкции гусеничных движителей и широкое распространение в настоящее время колесных машин (их доля в структуре тракторного парка составляет около 70% /44/), можно сделать вывод об актуальности задачи совершенствования колесных движителей. Оптимизация параметров пневматических шин необходима для решения проблемы реализации мощности двигателя трактора, повышения тягово-сцепных свойств, снижения уровня воздействия на почву, улучшения плавности хода и маневренности.

Создание методов, позволяющих корректно оценить зависимость тягово-сцепных, агроэкологических и эксплуатационных показателей трактора от типа применяемых колесных движителей (на основании изучения процесса взаимодействия эластичной шины с различными видами опорного основания, их теоретического обобщения и анализа) - представляется важной и актуальной задачей.

В качестве основных показателей взаимодействия колес с почвой приняты: контактные давления (напряжения), деформации взаимодействующих тел (шины и почвы), сопротивление качению, тягово-сцепные качества тракторов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа и обобщения методов повышения тягово-сцепных показателей колесных тракторов, установлено, что недостаточно освещен вопрос разработки научно обоснованных рекомендаций по увеличению тяговой эффективности колесных движителей и снижению их негативного воздействия на почву путем оптимизации параметров пневматических шин.

2. Существующие математические модели, описывающие кинематику движения эластичного колеса, не в полной мере отражают реальные процессы, происходящие при взаимодействии шины с различными видами опорного основания. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили:

- уточнить математическую модель кинематики качения эластичного колеса, отличающуюся введением переменного радиуса резинокордной оболочки;

- обосновать метод расчета касательной силы тяги колеса, отличающийся тем, что нормальные давления в пятне контакта аналитически связаны с тангенциальными напряжениями, определяющими величину тягового усилия развиваемого трактором.

3. Предложенная методика расчетной оценки тягово-сцепных показателей тракторов классов 1,4 и 3 может служить основой для построения теоретической тяговой характеристики вновь проектируемых мобильных энергетических средств соответствующей весовой категории и колесной формулы.

4. Экспериментально полученные закономерности изменения размера, формы пятна контакта и эпюр распределения контактных напряжений под грунтозацепами являются основой оптимизации внутришинного давления с целью рационального использования размерного потенциала шин.

5. Оценка сопротивления качению тракторов и движителей на почве выявила, что увеличение опорной поверхности ведущих колес повышает тяговый КПД тракторов не только за счет снижения потерь на буксование, но и уменьшения затрат энергии на деформацию грунта, доминирующих над гис-терезисными потерями в резинокордной оболочке.

6. Тяговые испытания тракторов МТЗ-80, оснащенных низкопрофильными шинами с оптимальным уровнем деформации (20.22%) показали, что на поле, подготовленном под посев, коэффициент использования сцепного веса фкр (при 15%-ном буксовании) возрос на 24,1.26,3%, на стерне - на 18,6%.

7. Условный тяговый КПД трактора Т-150К с широкопрофильными шинами 66x43-25, независимо от почвенного фона, выровнялся во всем диапазоне тяговой нагрузки и составил, в среднем, 0,72.0,77. Коэффициент использования сцепного веса фкр увеличился на поле, подготовленном под посев на 34,3%, на стерне - на 27,3%.

8. Максимальные давления на почву и глубина следа тракторов с широкопрофильными шинами в 1,8.2 раза ниже, чем с серийными. Плотность почвы в следе тракторов не превысила верхний предел ее оптимального значения - 1,2 кг/см3. Степень крошения почвы в следах широкопрофильных шин незначительно отличается от показателей вне следа.

9. Эксплуатационно-технологическая оценка показала, что агрегаты с трактором класса 1,4, ведущие колеса которого оснащены шинами 281Л26, обеспечивают прирост производительности на вспашке-18,5%, на безотвальном рыхлении-19%, на культивации -11%, на севе- 9%. Удельные энергозатраты снижаются в среднем на 15%.

10. Трактор Т-150К с широкопрофильными шинами 66x43-25 повышает эксплуатационные показатели агрегатов на вспашке - на 36.40%, на культивации - на 18%, на севе - на 19%, на дисковании - на 21%. При этом, удельный расход топлива снижается соответственно на 27,4; 17; 14,6 и 13,5%.

11. Оснащение сельскохозяйственных мобильных энергосредств низко- и широкопрофильными шинами обеспечивает получение годового экономического эффекта при использовании агрегатов с тракторами класса 1,4 в сумме 30,8 тыс. руб., с тракторами класса 3 - 37,9 тыс. руб.

1. Агафонов В. И., Седов М. В. и др. Изменение площадей контактов шин в зависимости от режима их качения. Сборник научных трудов ВИМ. т.118. — 1988. с.164 - 169.

2. Агейкин Я. С. Вездеходные колесные и комбинированные движители (теория и расчет). -М.: Машиностроение, 1972. 184 с.

3. Агейкин Я. С. Моделирование движения автомобиля по мягким грунтам: проблемы и решения // Автомобильная промышленность. 2004. — № 10.

4. Аксенов П. В. Многоосные автомобили. — 2-е изд. — М.: Машиностроение, 1989.-280 е.: ил.

5. Анискин В. И., Антышев Н. М., Бычков Н. И. Концепция развития сельскохозяйственных тракторов и тракторного парка России на период до 2010г.-М.: ВИМ, 2002.-51 с.

6. Баранский А. Н. Улучшение эксплуатационных показателей и использования тракторов. Минск: Урожай, 1968.

7. Беккер М. Г. Введение в теорию системы местность — машина. — М.: Машиностроение, 1973. 520 с.

8. Белковский В. Н., Пачев В. П., Шкурко Г. А., Ищенко В. А., Русанов В. А. Методические указания по выбору параметров колесного движителя с допустимым по ГОСТ 26955-86 воздействием на почву. Днепропетровск - Москва: НИИКГШ - ВИМ, 1989. - 18 с.

9. Белковский В. Р., Варивода В. И. Шины низкого давления для сельскохозяйственной техники. ЦНИИТЭИ нефтехим. М., 1985.

10. Бойков В. П., Белковский В. М. и др. Состояние и перспективы развития работ по тракторным шинам. М.: ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш, 1983. - № 5. - С. 1-61.

11. Бочаров Н. Ф., Гусев В. И., Семенов В. И. и др. Транспортные средства на высокоэластичных движителях. М.: Машиностроение, 1974. — 203 с.12.13,14