автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эффективности сельскохозяйственных агрегатов оптимальным сочетанием машины и колесного движителя к ней, моделированием их динамики и процессов функционирования

I , 1 /

Российская академия сельскохозяйственных наук

ВСЕРОССИЙСКИЙ а4УЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКЙЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВНИПТИМЭСХ)

На оравах рукописи

КОПТЕВ ВАСИЛИЙ ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ АГРЕГАТОВ ОПТИМАЛЬНЫМ СОЧЕТАНИЕМ МАШИНЫ И КОЛЕСНОГО ДВИЖИТЕЛЯ К НЕЙ, МОДЕЛИРОВАНИЕМ ИХ ДИНАМИКИ И ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность С5.20.03 - Эксплуатация, восстановление а ремонт сельскохозяйственной техники

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

У'

¿/В

/ Зерноград 1998

Работа выполнена в Азово-Черноморской государственной агроинже-верной академии.

Официальные оппоненты:

до

) е V V

Ведущее предприятие-

доктор технических наук, профессор.

Ганыаш Ю.А. доктор технических наук, профессор

Жаров В .П. доктор технических наук, профессор Фортуна ВЖ

Кубанский научно-исследовательский институт по испытанию тракторов и сельхозмашин (КубНИИТиМ)

.¿аишта состоится _

ник диссертационного

/0- гс^ЬжЗ

1998г. в

/¿Р

часов на заседа-

совета Д.020.036.01 при Всероссийском научно-исследовательском и проектно-технологнческом институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 347720, г.Зерноград Ростовской обл., улЛенина. 14.

С диссертацией в виде научж хеке ВННПТИМЭСХ

оуиться в библио-

Диссертация в виде науч. разослана

1998г.

Ученый секретарь диссерп даоннош совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

.Ф.Хлыетюв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА-РАБОТЫ

Актуальность темы, Важнейшей задачей тракторного ш сельскохозяйственного машиностроения является совершенствование этих машин и структуры их парка в целях более эффективной реализации традиционных и прогрессивных технологий. Повышение эффективности связано с повышением производительности труда, качества выполняемых работ при сокращении сроков их выполнения, со снижением расхода тоюпша, остаточного уплотнения почвы и других показателей.

Технологические процессы в сельскохозяйственном производстве осуществляются мобильными агрегатами различного назначения, различных компоновочных- схем.

В общем случае мобйлышй сельскохозяйственный агрегат представляет собой некоторую совокупность (ансамбль) материальных объектов (тед,, взаимодействующих между собой, с обрабатываемой и внешней средой. В такую совокупность входят несущее тело ансамбля, его энергетический элемент и носимые тела - прицепные, навесные, комбинированные сеяьскохо-зяйегаешше машшш (орудия).

Несущее н носимые тела вместе с обрабатываемой и внешней средой образуют единую энергетическую систему.'

Качество работ, его стабильность и другие характеристики таких сложных механических систем, какими являются мобильные агрегаты, определяются стабильностью кинематических и динамических параметров движения агрегата как механической системы. Причины нарушения этих параметров проявляются, когда энергетический элемент (главное тело) агрегата при заданной средней скорости движения реализует потребную силу тяги. Процесс её формирования осуществляется носимыми телами и является результатом их г51ятл|одействия с обрабатываемой и внешней средой, между собой и с ТГ^елом и сопровождается! непрерывным изменением во времени . Лчесг" .; и динамических параметров движения каждой машины ан-Результирующах этих процессов в каждый момент времени воздей-¿1 главное тело, определяя основную часть потребной силы тяги Рп. алшение рабочих скоростей агрегатов увеличивает степень неравно/и вменения кинематических и динамических параметров их движе-, еченное обстоятельство при данном качестве и техническом состоя -. шн, входящих в агрегат, и данной его компоновочной схеме, при 1 ккскорости движения и характере технологического процесса опре-I

■ I

деляет величину и амплитудно-частотное содержание потребной силы тяги Рп-

Последняя, будучи приложенной к корпусу главного тела, трансформируясь в его пропульсивной системе, превращается в реализуемую силу тяги Pr1. Пропульсивная система представляет собой совокупность элементов, последовательно преобразующих входное воздействие Рп в PR . Результатом функционирования этой системы, представляющей собой последовательность механических фильтров с разными характеристиками, является то, что потребная и реализуемая силы тяги представляют собой качественно и количественно различные процессы - имеют различное амплитудно-частотное содержание при одинаковых средних значениях.

Финишная часть процесса, протекающая в подсистеме «движитель -опорная поверхность», является основной причиной изменения кинематических и динамических параметров движения главного тела, определяющих выходные характеристики агрегата . Стандартные тяговые характеристики, получаемые в результате тяговых испытаний, позволяют прогнозировать его экспггуатавдонно-энергетические характеристики, но не позволяет оценивать и прогнозировать отдельно тяговые и энергетические характеристики движителя. Последний не только является одним из наиболее ответственных элементов конструкции, по и отличается исключительной сложностью рабочих процессов, протекающих при выполнении движителем era функций. При достаточной глубине понимания всего процесса от формирования потребной тяги до получения реализуемой в финишной часта появится возможность наиболее оптимальной его организации на стадии проектирования и в условиях эксплуатации. Под оптимальной организацией мы пошш»ем такое сочетание параметров собственно тягача данного класса и хараигристик пневматических шин к его движителю, при котором обеспечивалось бы максиг мальное использование его потенциальных энергетических возможностей в / , -'Ных условиях работы и движения при выполнении экологических требований, обеспечивающих минимальные потери урожайности возделываемых культур. Результат решения этой проблемы- повышение общей эффективности агрегата

Тема открыта на основании Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 4.04.84г. № 271 в соответствии с комплексной программой НИР so оптимизации параметров ходового аппарата тракторов "Кировеа". Институт был' включен соисполнителем темы НИИ КГШ № 18-84 "Исследование возможности создания шин для тракторов класса 5 с пониженной материалоемкостью" ш этапу 3 "Экспериментальные исследования".

1 Рк- в общем случае есть случайный вектор, рассматривается главным образом его продольная составляющая.

Большой вклад в вопросы теории и динамики мобильных агрегатов внесли работы С.Н. Иофинова, А.Б. Лурье, J1.B. Гячева, А.П. Хачатурова, В.И. Фортуны, Г.Е. Листопада, Н.Г. Кузнецова, В.Л. Строкова, Ю.А. Ган^кина а др. ученых. Исследованию влияния параметров ходовых систем на изменение агрофизических свойств почвы и урожайность сельскохозяйственных культур посвящены работы П. У. Бахтина, Б.А. Доспехова, Б.А. Русанова, А.М. Кононова, В.Н. Шептухова и др.

Целью работы является повышение эффективности сельскохозяйственных агрегатов оптимальным сочетанием энергетического элемента ансамбля с его колесным движителем, результатом - максимальное сближение сипы тяги машины по двигателю с силой тяги по сцеплению, впервые осуществляемым научно обоснованным варьированием внешней геометрии и внутреннего строения пневматической шины, обеспечивающим повышение продуктивности процесса сцепления с одновременным улучшением агроэколо-гических характеристик взаимодействия движителя и опорной поверхности.

Задачи исследования:; -".'.■

- разработать аналитический аппарат , описывающий формирование входного воздействия (потребной тяги) носимых тел на несущее тело ансамбля;

- предложить аналитический аппарат,-открывающий трансформацию в пропульсивной системе несущего тела входного воздействия в реализуемую силу тяги;

- предложить стохастическую теорию формирования реализуемой тяга;

- осуществить экспериментальную проверку аналитических результатов;

- разработать и создать специальные средства экспериментирования и ускоренных испытаний колесных движителей;

- используя результаты исследований, разработать и внедрить методику проектирования и создания колесных движителей с заданными свойствами;

- создать а внедрить, как результат выполненных исследований, модели колесных движителей для конкретного тягача, технико-экономические и эксплуатационные показатели которого превосходят таковые в сравнении с отечественными и зарубежными аналогами.

Объекты исследования; трактор MT3-5JIC с набором нагрузочных устройств, обеспечивающих получение входного воздействия, заданного вида; его пропульсивная система (определение её параметров); почвенные фоны для решения некоторых вопросов механики грунтов, связанных с задачами исследования; комплекты крупногабаритных шин отечественных, зарубежных и разрабатываемых нами, экспериментальных для трактора K-70Q и его модификаций, для комбайнов «Дон-1500» к «Док-1200»; сеялочный и пахотные агрегаты с этими тракторами при использовании различных шин;

трактор, экипированный различными комплектами шин, с нагрузочным устройством для получения стандартных тяговых характеристик.

Методы исследования, основаны на использовании аналитического аппарата: классической механики, теории линейных пространств, теории матриц, теории автоматического управления, теории вероятностей, теории случайных процессов, теории планирования эксперимента. Экспериментальные методы включали вычислительные эксперименты на ЭВМ, имитационные и натурные. В них особое место занимают те, в которых использовался уникальный, разработанный нами, экспериментально-исследовательский комплекс, главным элементом которого являются мобильные установки -шинные тестеры для дорожных и полевых испытаний шин с тракторами Т-150К, К-701 и измерительной лабораторией.

Научная новизна работы заключается в создании иерархической системы математических моделей, являющихся следствием нового подхода в аналитическом описании функционирования агрегатов, с выходом на процесс взаимодействия колесного дьижителя с опорной поверхностью.

В развитие теории неголономных связей и формирование реализуемой силы тяги, при динамическом взаимодействии пневматической шины с деформируемой поверхностью, впервые предлагается стохастическое описание этих процессов с использованием гипотезы существования случайного скалярного шля предельных значений коэффициента сцепления. В результате получены определяющие выходные характеристики шин колесных движителей. При современном опыте конструирования и технологии изготовления получены научно обоснованные методы ж реализации для достижения целей работы. Проверка адекватности принятых решений и полученных результатов осуществлялась иь.итационными и натурными исследования-ми(испытаниями) с использованием новых, специально разработанных для ~тих целей средств и методов.

Практическая ценность. Математическая модель ансамбля тел позволяет на стадии проектирования энергетического элемента ансамбля в зависимости от его назначения, структуры и условий работы моделировать характер входного воздействия - потребной силы тяги. При этом могут фор ■ мулироваться новые требования к носимым телам - машинам, входящим в агрегат, к их рабочим органам и схемам агрегатов в целях максимального снижения степени неравномерности входного воздействия.

Это возможно как при детерминистической, так и при стохастической постановке задачи, кроме этого модель позволяет прогнозировать чувствительность системы к изменению параметров е€ элементов, в частности, к изменению масс тел ансамбля.

При заданном спектре входных воздействий использование математической модели пропульсивной системы (адекватность которой натурному образцу подтверждена экспериментально) позволяет на стадии проектирования оптимизировать её параметры (массы, моменты инерции, упругие, диссипа-тивные и другие характеристики её элементов) в целях наиболее эффективной трансформации потребной тяги в реализуемую. Последнее в значительной степени определяется взаимодействием движителя с опорной поверхностью, интегральной оценкой которого является величина буксования.

Модель позволяет определить связь между динамическими характеристиками входного воздействия и поведением динамических, составляющих процесса буксования, рассмотрение вероятностной природы которого позволило получить упомянутый перечень необходимых выходных характеристик шин, от которых зависит эффективность рассматриваемого процесса. Определение этих характеристик потребовало разработки и создания в значительной мере уникального экспериментально-исследовательского комплекса (ЭИК) для полевых и дорожных испытаний сельскохозяйственных шин, разработки соответствующих методик.

Результаты работы впервые позволили предложить методику создания крупногабаритных шик с заданными свойствами при значительно меньших затратах времени й средств.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию внешней и внутренней механики мобильных агрегатов, начатых автором в конце 60-х годов на кафедре "Тракторы и автомобили" АЧЙМСХ, позволили ему выйти с предложением об открытии отраслевой научно-исследовательской лаборатории по совершенствованию эксплуатационных показателей тракторов "Кировец". Лаборатория была открыта в 1982 году. Основная задача - совершенствование движителей, связанное с улучшением тягово-эксплуатационных и экологических характеристик. Её решение требовало развертывания работ по созданию и доводке шик сельскохозяйственного назначения с новыми свойствами. Сложность задачи потребовала объединения усилий ряда организаций: НИИ крупногабаритных шин (г. Днепропетровск), Северо-Кавказской МИС (г. Зерноград), Ленинградского ПО "Кировский завод". Научным координационным центром этих работ и непосредственным исполнителем являлся Азозо-Черноморский институт механизации сельского хозяйства. Научное руководство и координация работ осуществлялись автором. Были созданы условия, позволяющие существенно повысить эффективность и сократить сроки выполнения работ по освоению в производстве новых, более совершенных моделей сельскохозяйственных шин. Шинные тестеры конструкции АЧЙМСХ (элемент экспериментально - исследовательского комплекса) и методика испытаний шин рекомендованы Всесоюзным координационным советом по проблеме "Пути

повышения эксплуатационных качеств колесных машин, применяемых в сельскохозяйственном производстве, гидромелиоративном строительстве за счет совершенствования пневматических шин и ходовых систем" в качестве базовых для внедрения по отрасли машиностроения. Методика тяговых испытаний шин на тестерах рекомендована НАТЙ в качестве отраслевой по отрасли Минсельхозмаша и рекомендована к применению с 1985 года. В 1986 году шинные тестеры внедрены на предприятиях и в организациях Рос-агропрома и Минсельхозмаша.

По заданию Всесоюзного координационного совета по шинам разработана техническая документация и чертежи.и осуществлена подготовка к серийному выпуску промышленной партии шинных тестеров. Основные данные по внедрению элементов ЭИК и объектов разработки представлены в таблице. По каждой из позиций определен и подтвержден экономический эффект.

№ п/п Элементы комплекса испытательного оборудования и объекты разработки Ведомспо, организация Год внедрения Количество единиц

1 Шинный тестер АЧИМСХ (тип П) Госагропром СССР Северо-Кавказская МИС 1982 I

г Шинкый тестер АЧИМСХ (тип Ш) Северо-Кавказская МИС 1983

3 Шинный тестер АЧИМСХ (тип Ш) Минсельхдамаш СССР. 1986 ■ 1987 опытная партия

• 4 ' Шинный тестер АЧИМСХ (тип Ш) Болгария, Высшее техническое училище им. Кынчева, г. . Руее. ' 1987 X

Методика испытаний шин на шинных тестерах ' Минсельхозмаш СССР. Л ЙОНАТИ 1984

6 Шины 30,51132, модели Ф-85 Ленинградское ПО "Кировский завод" 1987 Первая промышленная партия 80 тыс. шт

Комплекс испытательного оборудования использовался для создания новых моделей пшы Ф-81 (30,51132), Ф-84 (32,51132), модели Ф-14? (331132), шин к комбайнам "Дон-1500", "Дон-1200", испытаний и исследований отечественных и зарубежных моделей шин : широкопрофильных моделей Ф-82 (71x47-25), шин 30,5Ь32 "Гудьир", 28,1Ь26Ф "Данлоп", опытных моделей шин для сдваивания колес тракторов "Кировец" Ф-85 (24,51132).

В заключение этого этапа работ с участием автора создана уникальная шина для колесных транспортных средств, в частности для ведущих колес энергонасыщенных тракторов, обеспечивающая улучшение эксплуатационных качеств за счет повышения тагово-сцепных свойств и снижения внутренних потерь в шине в ведущем режиме, обладающая более высокими экологиче