автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности мобильных транспортных машин в сельском хозяйстве путем согласования их характеристик с условиями функционирования

На правах рукописи

ШИРИЯЗДАНОВ Рустэм Рафисович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ПУТЕМ СОГЛАСОВАНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК С УСЛОВИЯМИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- гсЕнт

Казань 2015

005561866

005561866

Работа выполнена на кафедре тракторы, автомобили и энергетические установки Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Казанский ГАУ)

Научный руководитель: Халиуллин Фарит Ханафиевич кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Арютов Борис Александрович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Физика и прикладная математика» ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Вахрамеев Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Тракторы, автомобили и сельскохозяйственные машины» ФГБОУ ВПО «Ижевская

государственная сельскохозяйственная академия»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова»

Защита состоится «24» сентября 2015 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», ФГБОУ ВПО Казанский ГАУ по адресу: 420011, г. Казань, ул.Р. Гареева, 62, ауд. 213.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ и на сайте http://www.bsau.ru/science/dissertation_council/d4/

£

Автореферат разослан Д ^ ^^ 2015 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На транспортные работы в сельском хозяйстве приходится до 35% затрат труда, до 40% стоимости механизированных работ, а также до 50% затрат энергии. При этом до 30% перевозок в сельском хозяйстве осуществляется тракторными агрегатами, до 70% - автомобилями, среди которых основную долю занимают автомобили общего назначения, не всегда приспособленные к характерным для сельского хозяйства условиям функционирования. С учетом проблематики настоящего исследования все указанные транспортные средства классифицированы как «мобильные транспортные машины (МТМ)». В настоящее время существует ряд проблем, связанных с парком МТМ в сельском хозяйстве России: 62% тракторов находятся в эксплуатации свыше 10 лет, показатель износа грузовых автомобилей составляет 60%, обеспеченность тракторами составляет 71%, обеспеченность автотранспортом — 50%. При этом до 50% новой техники, представляемой производителями на машиноиспытательные станции, не соответствует техническим условиям по эксплуатационным характеристикам. Таким образом, актуальной является проблема рационального использования имеющейся техники и создания новых МТМ с учетом требований сельскохозяйственного производства. Одним из комплексных путей решения этой проблемы является обоснование оптимальных конструкционных параметров и режимов работы МТМ на базе усовершенствованной методики согласования характеристик МТМ с условиями функционирования, с использованием имитационного математического моделирования.

Работа (государственный регистрационный номер темы во ВНТИЦентре 01201562246) выполнена в рамках комплексной темы «Эффективное использование мобильной техники» кафедры тракторы, автомобили и энергетические установки Казанского ГАУ в соответствии с программой «Развитие сельского хозяйства» республики Татарстан до 2020 года.

Степень разработанности. Существующие методики согласования характеристик МТМ в сельском хозяйстве с условиями их функционирования не всегда в достаточной мере учитывают сложную структуру системы «мобильная транспортная машина — условия функционирования». В то же время существует хорошо разработанный программный инструментарий для разработки математических моделей, недостаточно широко применяемый для расчета машин в сельском хозяйстве. Поэтому создание инструмента, способного охватить широкий круг задач согласования характеристик МТМ с условиями их функционирования на основе современных достижений математического моделирования, является актуальной и значимой задачей.

Цель работы. Повышение эффективности МТМ путем согласования их характеристик с условиями функционирования в сельском хозяйстве.

Задачи исследования:

1. Провести анализ состояния вопроса и разработать методику согласования характеристик МТМ с условиями функционирования в сельском хозяйстве.

2. Разработать имитационную модель МТМ, функционирующей

в условиях сельскохозяйственного производства, с учетом работы совокупности ее систем, изменения внешней нагрузки и воздействий оператора во времени.

3. Разработать решения и рекомендации по согласованию характеристик МТМ с условиями их функционирования.

4. Определить экономическую эффективность предлагаемых решений по согласованию конструкционных параметров и режимных работы МТМ с условиями функционирования.

Объект исследований. Функционирование мобильных транспортных машин в условиях сельскохозяйственного производства.

Предмет исследования. Закономерности влияния условий функционирования мобильных транспортных машин в -сельском хозяйстве на их характеристики.

Методика исследования. В исследовании применяются основные положения теории трактора и автомобиля, теории двигателей внутреннего сгорания, теории механизмов и машин, теоретической термодинамики, методы имитационного математического моделирования, методы моделирования динамических систем, методы теории планирования эксперимента, теории экспериментальных исследований и теории обработки сигналов.

Научная новизна:

- Методика согласования характеристик МТМ на основе критерия согласованности по удельному расходу топлива на транспортную работу, учитывающая как условия функционирования в сельском хозяйстве, так и сложную структуру современных мобильных транспортных машин;

- имитационная математическая модель системы «МТМ - условия функционирования», отображающая последовательность развития процессов в исследуемом объекте и учитывающая взаимное влияние совокупности характеристик отдельных элементов системы «мобильная транспортная машина — условия функционирования» на ее выходные показатели;

- коэффициент согласованности характеристик МТМ с условиями функционирования по удельному расходу топлива на транспортную работу.

Теоретическая значимость работы. Разработанные математические модели являются теоретической основой дальнейшего исследования механизмов влияния условий функционирования МТМ на их характеристики. Предложенные зависимости для определения коэффициента согласованности характеристик МТМ с условиями функционирования по удельному расходу топлива на транспортную работу могут быть использованы для разработки аналогичных коэффициентов по другим показателям эффективности.

Практическая значимость работы. Полученные практические рекомендации и программы для ЭВМ могут использоваться конструкторами при разработке новых МТМ, операторами МТМ при выполнении транспортных работ в полевых и дорожных условиях, а также инженерно-техническим персоналом при планировании механизированных транспортных работ. По результатам исследований получены свидетельства о регистрации программы для ЭВМ (1Ш 2014662861 от 20.10.2014, ГШ 2010610809 от 25.01.2010), патент на полезную модель № 151482 от 04.03.2015.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в качестве базиса исследования основных положений фундаментальных и технических наук, корректностью применяемого математического аппарата, проверкой теоретических положений экспериментальными исследованиями с адекватным метрологическим обеспечением, публикацией результатов исследования в ведущих рецензируемых изданиях, обсуждением результатов исследования на конференциях и научных семинарах, практическим внедрением результатов.

Личный вклад автора в проведенное исследование. Автором лично получены все основные результаты: разработана методика согласования характеристик МТМ в условиях сельского хозяйства, получена математическая модель функционирования МТМ, составлена программа экспериментальных исследований, проведены эксперименты и проанализированы их результаты, предложены рекомендации по согласованию характеристик МТМ с условиями функционирования в сельском хозяйстве, разработаны программы для ЭВМ.

Реализация результатов работы. Полученные результаты используются в ОАО «Сэт Иле», УСХиП Арского района республики Татарстан, НТЦ ОАО «КАМАЗ», а также внедрены в учебный процесс Института механизации и технического сервиса Казанского ГАУ.

Апробация работы. Положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «АНТЭ-2009», (Казань, 2009), Международной научной конференции "XVIII Туполевские чтения" (Казань, 2010), ежегодных научно-практических конференциях Казанского ГАУ в 20102014 гг., Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2011), Международной научной конференции 10-th International Scientific Conference, (Штутгарт, 2014), Международной научной конференции Global Science and Innovation, (Чикаго, 2014), научно-практическом семинаре «Чтения академика ВАСХНИЛ В.Н.Болтинскош» (Москва, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Из них 12 являются публикациями в научных периодических изданиях и материалах конференций, в том числе 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Из всех работ 2 - без соавторов. Получены два свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений, и содержит 189 страниц основного текста, включающего 91 иллюстрацию, 32 таблицы, список использованной литературы из 181 наименования.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- Методика согласования характеристик МТМ с условиями их функционирования в сельском хозяйстве;

- имитационная математическая модель системы «МТМ - условия функционирования»;

- конструкционные параметры и режимные характеристики МТМ, обеспечивающие их согласованную работу с условиями функционирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность работы, цель, задачи, объект, предмет и методы исследований; научная новизна; теоретическая и практическая ценность; апробация работы; реализация и внедрение результатов диссертационных исследований; основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ состояния вопроса» проведен анализ условий функционирования мобильных транспортных машин в сельском хозяйстве, исследованы вопросы оценки эффективности МТМ и существующие методики согласования их характеристик с условиями функционирования, математические модели структурных элементов МТМ и средства математического моделирования, поставлены цели и задачи исследования. Вопросам повышения эффективности механизированных процессов в сельском хозяйстве посвящены работы А.Ю. Измайлова, Н.В. Бьппова, И.А.Успенского, И.А. Юхина, Т.Д. Дзоценидзе, Д.А. Вахрамеева, Д.А. Загарина, Б.А. Арютова и др. Исследование условий движения мобильных (в том числе и транспортных) машин представлены в работах Я.С. Агейкина, М.Г. Беккера, В.И. Кнороза, В.А. Скотникова, Б.А. Афанасьева и многих других. Исследованиями неустановившихся режимов работы двигателей в условиях сельского хозяйства занимались В.Н. Болтинский, В.М Архангельский, В.И. Андреев, Н.Х. Дьяченко, IO.K. Киртбая, A.C. Эпшгейн, В.И. Анохин, B.C. Шкрабак, А.К. Юлдашев, Г.Г. Галеев, А.М. Гусячкин, М.Ш. Гумиров. Ф.Х. Халиуллин и другие. Исследованием динамики систем «мобильная машина - нагрузка» и их элементов занимались А.Б. Лурье, А.Х. Зиматулов, И.Б. Барский, Г.М. Кутьков и др. Вопросы ре1улирования двигателей и управления топливоподачей изучаются в работах В.И. Крутова, М.И. Левина, И.В. Леонова, P.M. Баширова, И.И. Габитова, Ф.З. Габрафикова, P.P. Галиуллина и других. Вопросы эффективности использования мобильных машин в сельском хозяйстве рассматриваются в работах С.А. Иофинова, Ю.К. Киртбая, К.А. Хафизова и др.

Во втором разделе «Теоретические исследования согласования характеристик мобильных транспортных машин с условиями их функционирования» предложена методика согласования характеристик МТМ с условиями функционирования. Разработанная методика базируется на структурном и имитационном подходах с учетом феноменологии исследуемых систем. Структура имитационной модели при этом определяется структурой реальной МТМ: векторами входных воздействий X = {xt, Xi, ..., x„.i, х„} и выходных показателей У - {у,, у2,..., у „-и Уп), как представлено на рисунке 1.

Мобильная транспортная машина

Уклон пойфхности

г!

Плотность боздухо

IF-

Энергетическая угтонойка

Ч Уп

Сиегтые

Y-

Х.4 ,_^t* ^

Конечная передача

х

-^-Ц Ходойая час/т \—-

-й.

у.

Рисунок 1 — Абстрактная схема системы «мобильная

транспортная машина -условия функционирования»

На рисунке структурная

представлена реализация

модели грузового автомобиля. Обозначения на рисунке 2: М, — момент, Нм;

\ после чего итерационное имитационной эвристическим оптимальных

Характеристики

1 - система «энергетическая установка»; 2 - система динамической «трансмиссия»; 3 - система «ходовая часть»; 4 - система являются «условия движения»; 5 - подсистема «Забор воздуха»; преобразования - подсистема «положение дроссельной заслонки»

щ - частота вращения, мин"1; ^ - усилие, Н; т] - масса вещества в данном замкнутом о&ьеме, кг;Р, — давление, Па; Т—температура, К; V- скорость, м/с, коэффициент сопротивления качению, ^ -момент инерции, кгм2. Обозначения индексов понятны из рисунка 2.

____________На рисунке 3 представлена

< 13_ блок-схема согласования

характеристик МТМ с условиями функционирования. В задаче оптимизации устанавливаются варьируемые параметры и целевая функция, производится решение модели с поиском параметров. МТМ как системы функциями входных в выходные и предложенная позволяет множество характеристик (часовой расход топлива, мощность двигателя, крутящий момент, скорость МТМ и т. д.). Интегральным критерием эффективности принят удельный расход топлива О„т„„имчио„„аятде/,ь" на транспортную работу (кг/100ткм), поскольку он связывает между собой две важные

характеристики МТМ — часовой расход топлива ..-'задач» оптимимци^.-'

и производительность. При условии отсутствия | _____________

изменения внешней нагрузки, часовой расход топлива определяется известным выражением:

В=3,6к>дчш,.,., (1)

где кк=1э/(лхй) , ¡д — число цилиндров двигателя; Та — тактность двигателя; дч —

цикловая подача, кг/цикл; со,.,. - угловая скорость ; г ^^„.е покааягепи т |

коленчатого вала двигателя, рад/с. Тогда ~

удельный расход топлива на транспортную работу, с учетом выражения (1) и известных выражений для связи цикловой подачи топлива с крутящим моментом, запишется как:

в.= 3б0.р->:. , (2)

7 - «подача топлива»; 8 — подсистема «цилиндр ДВС»;

9 - подсистема «маховик»; 10 - подсистема «сцепление»; 11 - подсистема «агрегаты трансмиссии»; рассматривэть 12 - подсистема «движители»; 13 — подсистема прицеп ^ш1ГТ^ИГТИ1(. Рисунок 2 — Структура МТМ

параметров показатели, модель

1 Начало :

"......

! Имитационная модель I С Начало Ч)

^'''Входные параметры {Х}у ' | Численное решение модел^

Выбсрновых , - ч*

входных /у? = /у

параметров | ~~

Р0_1

/ Вывод \

. _/ОГГГИМаЛЬНОГО • решения !

\ (У.__} I

Рисунок 3 - Схема имитационной и оптимизационной моделей

где V*—скорость машины, км/ч; Мгр. - масса перевозимого груза, т; П' - эффективный КПД; — КПД трансмиссии; Я„ — низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; У»^, Уф™, — теоретическая и фактическая скорость МТМ, соответственно, км/ч; Рк — касательная сила тяги, Н.

В условиях сельскохозяйственного производства МТМ работают в неустановившихся режимах движения. Преобразуем выражение (1) для случая единичного малого наброса нагрузки:

ли _360fc.Aa.Aqy..

гДе Л3,=5,о+°(Лг). -О - вектор передаточных функций 'звеньев системы топливоподачи, г — вектор входных переменных, в общем случае 2=(ао.где - положение органа управления подачей воздуха,

-относительное положение органа управления подачей топлива. С учетом иерархической и блочной структуры модели, цикловая подача может быть определена как для бензиновых двигателей, так и для дизельных с различным регулированием (например, всережимным и двухрежимным). Опуская промежуточные преобразования, не учитывая величины второго порядка малости, считая динамический режим работы МТМ суммой набросов и сбросов нагрузки, запишем изменение среднего удельного расхода топтшва:

где (1,п) - количество сбросов и набросов нагрузки, соответствующее количеству неровностей на пути МТМ, ед; 1к - время протекания переходного процесса, с. Введем коэффициент согласованности, отражающий влияние условий функционирования МТМ на удельный расход топлива при транспортных работах:

К!д=(Вуд + ЬВу3с1,)1В^={ИгЬ.Вг1,.ср)1В^ . (5)

Коэффициент Куц. учитывает, в том числе и в неявном виде, влияние характеристик двигателя, параметров перевозимого груза и характера внешней нагрузки. Очевидно, что в случае согласованной работы МТМ с условиями ее функционирования К)д -*тт. С учетом этого запишем выражение:

к _у 360Е, ^ а,0Апу.+Рау.я(Дг)

Дсо„.,.) ДМ„.-ДМ„

Л J ' ,6,

¿{ЬУ^ _Ч>Ь1*+(М!р.+Мм)д*т(Аа.)+Г(М„+М1т,)дсоз(Аа) ' К '

* М,р.+Мм

х(./)=уаг,

где 3 — приведенный момент инерции двигателя, кг-мг; М,? — крутящий момент, Нм; Мщ — приведенный к двигателю момент на сцеплении, Нм; ср — коэффициент сцепления, N - нормальная сила, Н; Ммтм — масса МТМ, кг; а — угол наклона МТМ, рад. В выражении (6) АМК(, определяется как:

(ЛМк.^±АМк ш-\Мк „

(7)

где (к, т) - цилиндры двигателя; Мкм*д., М,М^а - индикаторный момент, момент инерции и момент механических потерь к-го цилиндра, Нм. Расчет термомеханического состояния цилиндров двигателя велся с учетом зависимостей, описывающих массовую подачу воздуха и топлива в контрольные объемы двигателя и его систем. Расчет момент сопротивления, приведенного к двигателю, основан на преобразовании момента с учетом характеристик трансмиссии МТМ и сцепления. Динамика трансмиссии определялась выражением:

J,ш¡=r\¡z¡M¡_-M¡ti-k¡в-Ьl{шl_,-a>¡),

0<к,<киом, 0<Ь,<Ьна.1

где / - момент инерции, кг-м2; 0) - угловая скорость, рад/с; - передаточное число; М — момент, Нм, Ь — коэффициент демпфирования, Нмс/рад, к - жесткость, Нм/рад, 8 - угол закручивания, рад, индекс / относится к /-му элементу трансмиссии, (¡-1), 0+1) — к предыдущему и последующему элементам трансмиссии, соответственно.

Алгоритм расчета сил сопротивления на ведущих колесах МТМ строился известных положениях теории трактора и автомобиля. Профиль поверхности движения рассчитывался с использованием аппарата случайных функций на

у основе данных о вероятностных км/ч характеристиках типичных условий

машин

в

сельском

математическая дополнена зависимостями,

движения хозяйстве.

Полученная модель была

вспомогательными определяющими граничные условия работы отдельных подсистем, условия событийно-дискретного управления подсистемами, условия переходов модели из одного динамического состояния в другое. Примеры решения имитационной /, модели представлены на рисунках 4-£¡5 5. Разработанная имитационная О модель системы «МТМ — условия 20 25 I с функционирования» позволяет Рисунок 4 — Моделирование разгона МТМ рассчитывать характеристики МТМ и их структурных элементов во времени для случаев частичных скоростных и нагрузочных режимов и переходов между этими режимами при совместном

влиянием изменения характера нагрузки и воздействии оператора на органы управления машины.

Совместное решение выражений (6-8) с оптимизационной моделью, ^ позволяет, варьируя в данном случае

параметры передаточные конструкционные трансмиссии, а параметры вектора

топливоподачи, числа и

параметры также прочие X входных

/ \

/ \

/ V /

/ м 1

)

а

Г

1

О 5 10 15 20 25 30 35 Г. с Рисунок 5 — Моделирование наброса нагрузки (изменение угла подъема дороги)

воздействий МТМ, определять оптимальные режимы работы МТМ по критерию минимизации удельного расхода топлива.

Для двигателей с различными топливными системами Л дч определялась как функция изменения положения дроссельной заслонки (для бензиновых МТМ), функция изменения положения рычага подачи топлива (для дизельных МТМ) с учетом работы компонентов САР топливоподачи машины. На рисунке 6 представлен пример графических

зависимостей Куд от скорости движения МТМ, исходя из которых можно 130__/^РгУ'-------определить оптимальный скоростной

V.

км/ч 20 10 5

а. рад 10 О

-1.0

1.20

1.00

1 1

/77 Р'

*" //

г ГУ ///

V '' /

л/ /

7" / / ^ /

1

О

15 20 25 30 V.

режим. Математическая модель совместно с оптимизационной на базе генетического алгоритма была реализована в виде комплекса программ для ЭВМ (свидетельства БШ 2014662861, БШ 2010610809), с использованием которых км/ч разработаны рекомендации к

1 — при номинальных параметрах; конструкционных параметрам

I — с электронным управлением МТМ; трансмиссий МТМ, рекомендации 3 — при демпфировании колебаний операторам МТМ по оптимальным момента сопротивления трансмиссии; скоростным режимам, а также алгоритмы ' - при движении по стерне колосовых; автоматического электронного

" - при движении по грунтовой дороге; управления органами топливо- и "' - при движении по асфальту воздухоподачи МТМ для поддержания Рисунок 6 — Изменение коэффициента оптимальных скоростей. Для {<„, от скоростного режима автомобиля поддержания заданных режимов ГАЗ-3307 на второй передаче разработаны алгоритмы управления органами регулирования топливоподачи двигателей. В отличие от широко распространенного метода пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования разработанные алгоритмы базируются на теории нечетких множеств.

В третьем разделе «Программа, оборудование и методы экспериментальных исследований» приведены результаты разработки

программы экспериментального исследования, описание применявшихся методов и оборудования. Дорожно-полевые исследования проводились с использованием широко распространенного в сельскохозяйственном производстве автомобиля ГАЗ-3307. Для изменения жесткости трансмиссии применялись перфорированные карданные валы различной жесткости. На рисунке 7 представлен фрагмент измерительной системы для измерения крутящих моментов в узлах трансмиссии.

------------------------Исследование работы

Ш дизельного двигателя в условиях, характерных дня работы мобильных транспортных машин в сельском хозяйстве (для агрегата МТЗ-а) б) 82+2ПТС-4),

1 _ приемная антенна; 2 — передающая антенна; производились на

3 — тензоусилитель на карданном валу с источником стенде казанского ГАУ питания; 4 — тензоусилитель на коробке передач (Патент на полезную

Рисунок 7 — Измерение крутящих моментов на модель № 151482), карданном валу (а) и коробке передач (б) рисунок 8.

12 ю

а) б)

1 — расходомер топлива; 2 — датчик положения рейки; 3 — расходомер воздуха; 4 — электромагнигаый тормоз; " 5 — шкаф управления; 6 — модуль АЦП; 7 — ЭВМ; 8 — рычаг ручною управления рейкой; 9 — блок управления рейкой и тормозом; 10 — шаговый акту агор; 11 - двигатель; 12 датчик частоты вращения.

Рисунок 8 - Общий вид (а) и схема (б) основных узлов стенда Экспериментальные исследования проводились в два этапа: 1) Сбор экспериментальных данных для оценки адекватности математической модели; 2) экспериментальное подтверждение эффективности предлагаемых конструкционных параметров и режимных характеристик МТМ.

В четвертом разделе «Результаты исследования и их анализ» представлены и проанализированы основные полученные результаты исследования, в том числе проведен спектральный анализ характеристик МТМ. Статистическая оценка показала, что средние значения теоретических и

экспериментальных данных для МТМ с бензиновым (дизельным) двигателем расходились по крутящему моменту до 6,4 (7,3)%, по расходу воздуха до 5,1 (5,3)%, по расходу топлива до 4,7 (3,8)%, по частоте вращения коленчатого вала двигателя до 6,8 (7,1)%, по мощности двигателя до 5,4 (6,0)%, по удельному расходу топлива до 9,6 (9,0)%, что говорит о хорошей сходимости теоретических и экспериментальных данных.

Согласование характеристик МТМ с условиями функционирования обоснованием оптимальных конструкционных параметров производилось подбором параметров трансмиссии, обеспечивающих улучшение условий функционирования МТМ частичным демпфированием колебаний нагрузки. Ключевыми характеристиками демпфирующих элементов являются крутильная жесткость и коэффициент демпфирования. Результаты исследований для автомобиля представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Рекомендуемые параметры демпфирующего узла трансмиссии автомобиля ГАЗ-ЗЗР7 (для некоторых режимов движения)_

Тип поверхнос ти движения М,р., кг Ь, кНм/рад с, Нмс/рад В. кг/ч V/, т-км/ч

Базо вый Демпф. Базо вый Демп ф. Базовый Демпф. Базовый Демпф

Асфальт сухой 2500 27,53 20,51 5,72 2,93 11,56 11,19 145,35 150,80

5000 20,30 3,87 15,32 14,78 275,40 287,30

Грунтовая дорога 2500 17,91 3,47 6,95 6,54 82,80 88,10

5000 16,37 3,98 8,04 7,82 147,50 158,10

Поле по стерне 2500 15,90 3,50 5,62 5,38 51,50 55,10

5000 14,57 4,20 6,05 5,74 92,55 99,40

Для других режимов оптимальные параметры составили: жесткость 14,12.. .22,47 кНм/рад; коэффициент демпфирования 7,22.. .2,04 Нмс/рад.

На рисунке 9 представлены примеры сравнения коэффициента Куд для базовых, теоретических и экспериментальных данных по демпфирующему узлу при движении автомобиля с загрузкой 5 т по различным типам поверхности.

^^ВЬ 1 - асфальт; 2 — грунтовая укатанная;

3 — грунтовая неровная; 4 — стерня колосовых; 5 — стерня кукурузы (вдоль); 6 — стерня кукурузы (поперек); 7 — бездорожье

Рисунок 9 — Зависимость коэффициента КуД от условий движения для автомобиля с базовой

трансмиссией и трансмиссией, оснащенной демпфером колебаний момента сопротивления

Для согласования характеристик МТМ с условиями функционирования оптимизацией режимов работы разработаны рекомендации к режиму движения МТМ, алгоритмы управления двигателями МТМ, рекомендации к нормированию расхода топлива МТМ. В таблице 2 приведены рекомендуемые режимы движения ГАЗ-3307 при вывозке зерновых в сравнении с известными данными.

Таблица 2 — Рекомендуемые режимы движения при вывозке зерновых от

комбайна в различных условиях движения

Поверхность движения Мф, кг V«»., км/ч км/ч Номер передачи В, кг/(100 ткм)

Базовый |Рекоменд.| Эксперимент

ГАЭ-3307

Асфальт сухой 0 55...60 62 4 8,3...8,1 7,8 8,0

5000 50...55 57 4

Грунтовая дорога 0 30...35 35 3 8,9... 8,6 8,4 8,5

5000 19...25 26 3

Поле по стерне 0 20...26 24 3 11,0... 10 10,1 9,8

5000 15...19 19 3

МТЗ-82+2ПТС4

Асфальт сухой 0 30...34 34 9 10,0...9,5 9,5 9,7

4000 12...16 17 8

Грунтовая дорога 0 15...18 18 8 14,5.-12,4 12,4 12,6

4000 10...12 14 7

Поле по стерне 0 13...15 15 7 21,1.-19,1 18,6 18,1

4000 6...10 9 5

Снижение величины К,а от базового для различных режимов составило от 3,1% до 14,2% для ГАЗ-3307, от 5% до 18,5% для МТЗ-82+2ПТС4 за счет перехода на режимы с минимальным удельным потреблением топлива. Экспериментальные исследования с применением разработанных алгоритмов управления для электронного управления органами топливоподачи двигателей МТМ показали, что дополнительное снижение Куд может составить от 1,1 до 10,5% для ГАЗ-3307, от 2,3% до 14% для МТЗ-82+2ПТС4 за счет снижения влияния переходных процессов на расход топлива.

Задача корректировки норм расхода топлива решалась с учетом различной загрузки и скорости движения МТМ. Полученные использованы при разработке модуля нормирования расхода топлива разработанной новой программы для ЭВМ (рег. N3 ШЛ 2014662861). В отличие от существующих методик, условия движения представлены как непрерывная величина, характеризуемая коэффициентом вариации момента сопротивления, определяемого по результатам расчетов с помощью имитационной модели. На рисунке 10 представлены сравнительные графики для определения надбавок.

п щ щи...............— 1111111111111111.....III............ю

к "—20

„км/ч °'4 0,3 0,2 ОД V' км/4

а) б)

Рисунок 10 — Определение надбавок Р к норме расхода топлива в зависимости от условий движения по существующей (а) и предлагаемой (б) методикам

Полевые условия IV, кат.

кат.

Для полученных результатов была определена экономическая эффективность.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности результатов исследования» приведены результаты расчетов по оценке эффективности результатов исследования. Применение рекомендуемых конструкционных параметров позволит для автомобиля типа ГАЗ-3307 снизить расход топлива на единицу транспортной работы на 6,70... 15,98%, а также повысить производительность на 3,75...13,60%, рекомендуемых режимов движения-снизить расход топлива на единицу транспортной работы на 3,61—8,18%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ состояния вопроса показал, что несогласованность характеристик мобильных- транспортных машин с условиями сельского хозяйства приводит к перерасходу до 13...20% топлива, снижению производительности на 12...17%, машины работают на режимах, не соответствующих минимальному удельному расходу топлива, при этом существующие методики расчета характеристик МТМ не учитывают в достаточной мере условия их функционирования. Предложена методика согласования характеристик МТМ с условиями их функционирования в сельском хозяйстве на основании коэффициента согласованности по уцельному расходу топлива, основанная на системном и имитационном подходе с учетом характера процессов, протекающих в МТМ при функционировании в условиях сельского хозяйства.

2. Разработана имитационная модель системы «мобильная транспортная машина — условия функционирования», позволяющая рассчитывать характеристики МТМ и их структурных элементов во времени для случаев частичных скоростных и нагрузочных режимов и переходов между этими режимами при совместном влиянии изменения характера нагрузки и воздействий оператора на органы управления машины.

3. Установлено, что для согласования характеристик используемых в сельском хозяйстве среднетоннажных двухосных автомобилей грузоподъемностью до 5 т с условиями функционирования, необходимо использовать демпфирующий узел в трансмиссии с крутильной жесткостью 14,12...22,47 кНм/рад и коэффициентом демпфирования 7,22...2,04 Нмс/рад в зависимости от конкретных условий функционирования, что обеспечивает снижение удельного расхода топлива на 6,70...15,98% и повышение производительности на 3,75...13,60%.

4. Разработаны рекомендации к скоростным режимам МТМ — автомобиля ГАЗ-3307 и МТА МТЗ-82+2ПТС-4 - в условиях функционирования, характерных для сельского хозяйства. Работа МТМ в соответствии с рекомендациями обеспечивает снижение удельного расхода топлива на 3,61—8,18% для автомобиля и на 5,03.„14,41% для тракторного агрегата, а полученные алгоритмы управления органами регулирования могут бьггь адаптированы к современной технике.

5. Разработанная математическая модель позволяет корректировать нормы расхода топлива МТМ. Результаты исследования показывают, что снижение норм расхода топлива составляет 2,63... 13,71%% для автомобиля

типа ГАЗ-3307, 2,57... 13,04% для МТА МТЗ-80+2ПТС-4 в зависимости от конкретных условий движения.

G. Использование рекомендуемых конструкционных параметров трансмиссии в автомобиле ГАЭ-3307 в условиях сельского хозяйства позволяет добиться годового экономического эффекта в 15843,08 руб., а срок окупаемости трансмиссии с рекомендованными параметрами при сопоставимых массово-габаритных характеристиках составит 2,88 года. Рекомендуемые режимы движения обеспечивают годовую экономию совокупных затрат в размере 13150,12 руб. на одну машину. Расчетное нормирование топлива позволяет снизить расходы на приобретение топлива на 22846,24 руб. для автомобилей типа ГАЭ-3307 в расчете на один автомобиль, и на 18354,15 руб. на тракторы типа МТЗ-82 при работе с прицепами 2ПТС-4 в расчете на один МТА.

7. Перспективы дальнейшей разработки темы. На основании полученной математической модели и методики расчета предполагается продолжить исследования по согласованию характеристик мобильных транспортных машин с условиями их функционирования в сельском хозяйстве, а также разработать новые технические средства для такого согласования. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В журналах, рекомендуемых ВАК:

1. Галеев Г.Г. К расчету транспортного обеспечения уборочных агрегатов в АПК / Г.Г. Галеев, A.A. Нурмиев, P.P. Шириязданов// Вестник Казанского ГАУ, Казань. - 2011. - №3 (21). - С.75-77.

2. Халиуллин Ф.Х. Обзор программных продуктов для моделирования функционирования энергетических установок мобильных машин / Ф.Х. Халиуллин, Г.Г. Галеев, P.P. Шириязданов // Вестник Казанского ГАУ-Казань. - 2012. - №2 (24). - С. 66-71.

3. Халиуллин Ф.Х. Оценка эффективности регуляторов топливных насосов высокого давления механического типа / Ф.Х. Халиуллин, P.P. Шириязданов //Тракторы и сельхозмашины, 2014. - №10. - С. 38-39.

4. Шириязданов Р. Р. Согласование характеристик энергетических установок мобильных машин с условиями их эксплуатации в АПК / P.P. Шириязданов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2014. - № 3 (33).- С. 98-103.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и патент:

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010610809 «Программа моделирования момента сопротивления на валу автомобиля»/ Халиуллин Ф.Х., Шириязданов P.P., Галеев Г.Г., зарег. 25.01.2010.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014662861 Программа расчета характеристик мобильных транспортных средств / Шириязданов P.P., Халиуллин Ф.Х., зарег. 10.12.2014.

7. Патент № 151482 РФ, МПК G01M 15/05 Стенд для исследования рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания в динамических режимах с возможностью имитации некоторых неисправностей двигателя / Халиуллин Ф.Х., Ахметзянов И.Р., Шириязданов P.P., Халиуллин А.Ф.; эаявл.30.05.2014, опубл. 10.04.2015, Бюл.№ 10.

В материалах конференций:

8. Халиуллин Ф.Х. Влияние параметров всережимных регуляторов на показатели ДВС при неустановившихся режимах работы / Ф.Х. Халиуллин, P.P. Шириязданов // Тезисы докладов на VI Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (ICATS'2011). - Казань.-2011. -С.157-158.

9. Халиуллин Ф.Х. Возможности программы Simulink для моделирования энергетических установок мобильных машин // Ф.Х. Халиуллин, P.P. Шириязданов // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства». — Казань. -2012., С. 249 - 253.

10. Халиуллин Ф.Х. К вопросу исследования динамических характеристик системы «двигатель - машина - среда» /Ф.Х.Халиуллин, P.P. Шириязданов // Материалы международной научно-практической конференции «Инженерная наука — аграрному производству». — Казань. - 2014. — С. 160 — 163

11. Халиуллин Ф.Х. Моделирование момента сопротивления на валу автомобильного двигателя / Ф.Х. Халиуллин, P.P. Шириязданов // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «АНТЭ-2009». - Казань, Т.2. - 2009. - С. 20-24.

12. Халиуллин Ф.Х. Обоснования создания измерительной информационной системы для исследования функционирования энергетических установок мобильных машин в АПК/ Ф.Х. Халиуллин, P.P. Шириязданов // Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК». - Казань. - 2013. - С. 193 — 196.

13. Шириязданов P.P. Повышение эффективности использования мобильных машин в АПК за счет согласования характеристик их энергетических установок с условиями эксплуатации /P.P. Шириязданов // Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и соискателей «Актуальные проблемы истории и философии науки на современном этапе развития АПК, биотехнологий и техники, биоэкономики и права, экологии и лесного хозяйства», Казань, 2012. - С. 15-16.

14. Khaliullin F.K. Approaches for Numerical Simulation of Mobile Machine in Actual Operating Conditions // F.K. Khaliullin, R.R.Shiriyazdanov, A.A. Akhmetzyanov, V.M.Medvedev // Global Science and Innovation: materials of the II International Scientific Conference, Vol.II, Chicago, May 21-22nd, 2014,-pp.247-249.

15. Shiriyazdanov R.R. Some Aspects of the Practical Application of Agricultural Mobile Machineiy's Powertrain Transient Operations Research Results/R.R. Shiriyazdanov, F.K. Khaliullin, V.M. Medvedev, I.R. Ahmetzyanov // European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches: Conference papers of the 10-th International Scientific Conference, Stuttgart, Germany, June 5, 2014. - pp. 56-59.

........ in ищи ii i ................................1-r " "*' -

UWIl