автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности тракторного транспортного агрегата на базе трактора кл.0,2 "Уралец" в сельскохозяйственном производстве совершенствованием его схемы и параметров

На правах рукописи

НАРАДОВЫЙ Дмитрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАКТОРНОГО ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА НА БАЗЕ ТРАКТОРА КЛ. 0,2 «УРАЛЕЦ» В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ЕГО СХЕМЫ И ПАРАМЕТРОВ

Специальности:

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства; 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АПР 2015

Челябинск-2015

005568103

005568103

Работа выполнена в ОАО «Уральский испытательный центр НАТИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Позин Борис Михайлович (05.20.01)

Научный консультант доктор технических наук, доцент

Трояновская Ирина Павловна (05.05.03)

Официальные оппоненты: Баженов Евгений Евгеньевич,

доктор технических наук, доцент, директор Института автомобильного транспорта и технологических систем, заведующий кафедрой «Автомобилестроение» ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Строганов Юрий Николаевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Детали машин» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Ведущая организация: ФГБНУ «Всероссийский научно-

исследовательский институт механизации сельского хозяйства»

Защита состоится «9» июня 2015 г., в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» http://www.csaa.ru.

Автореферат разослан «17» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Плаксин

Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Структура отрасли сельскохозяйственного производства, системы земледелия и хозяйствования существенно определяют струюуру машинно-тракторного парка. В СССР основными производителями сельскохозяйственной продукции были крупные коллеетивные и государственные предприятия. Вследствие этого средняя мощность трактора составляла 57,4 кВт, а нагрузка на один трактор — 91 га.

В последние годы в России резко выросло количество малых фермерских и личных хозяйств. Одним из основных направлений повышения уровня механизации этих хозяйств является применение малогабаритных тракторов и техники на их базе. В странах Западной Европы уже в начале 1961 г. малогабаритные тракторы (МГТ) в общей структуре парка составляли 30-40%. В настоящее время в России тоже наблюдается увеличение доли MIT в общем парке тракторной техники. По данным Гостехнадзора министерства сельского хозяйства по Челябинской области, за 20 лет (1990-2010 гг.) доля закупок тракторов кл. 0,2 к объему закупок тракторов кл. 1,4 выросла более чем в 15 раз.

Малогабаритные тракторы находят широкое применение в личных подсобных хозяйствах, на животноводческих фермах, токах, в складских помещениях при выполнении различных погрузоч-но-разгрузочных и транспортных работ, объем которых составляет 40-45% общих затрат труда при производстве сельхозпродукции. В России тракторными транспортными агрегатами (ТТА) выполняется около 44% внутрихозяйственных перевозок, в то время как в странах Западной Европы — 70-95 %.

Основным путем повышения эффективности тракторного транспортного агрегата является увеличение его технической производительности, определяемой грузоподъемностью прицепов и временем движения. Масса перевозимого груза определяется схемой ТТА, тяговыми способностями трактора-тягача, грузоподъемностью и конструктивными особенностями прицепов.

Проблемная ситуация заключается в необходимости изучения закономерностей движения транспортного агрегата на базе малогабаритного трактора «Уралец» в зависимости от его структуры, схемы управления трактора, конструкции и параметров грузовых звеньев.

Цель работы - повышение эффективности ТТА на базе МГТ «Уралец» при выполнении транспортных работ в сельскохозяйственном производстве совершенствованием его схемы и параметров.

Задачи исследования:

1. Найти ограничения, накладываемые конструктивными особенностями малогабаритного трактора «Уралец» на техническую производительность агрегата при выполнении транспортных работ в условиях сельскохозяйственного производства.

2. Разработать математическую модель стационарного поворота ТТА, позволяющую установить закономерности влияния конструктивной схемы, параметров звеньев и схемы управления тягача на характеристики криволинейного движения в различных грунтовых условиях.

3. Разработать методику экспериментальных исследований характеристик криволинейного движения ТТА, позволяющую проверить адекватность математической модели происходящим на повороте процессам, и выполнить необходимые эксперименты.

4. Найти зависимость характеристик криволинейного движения и технической производительности ТТА на базе трактора кл. 0,2 «Уралец» от его схемы и параметров, схемы управления тягача в различных грунтовых условиях и выработать рекомендации по их улучшению.

Объект исследования - процесс криволинейного движения ТТА при транспортировке сельскохозяйственных грузов.

Предмет исследования - закономерности изменения характеристик криволинейного движения и технической производительности при транспортировке груза в зависимости от структурного состояния, параметров звеньев, конструктивной схемы ТТА и схемы управления тягача в условиях сельскохозяйственного производства.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- математическая модель стационарного поворота ТТА с пассивными прицепами, допускающая модификации в зависимости от структуры агрегата, конструктивной схемы и схемы управления

тягача (05.05.03);

- характеристики криволинейного движения (радиусы траектории и максимальные тяговые усилия) ТТА на базе малогабаритного трактора «Уралец» в зависимости от его конструктивной схемы и

схемы управления тягача в условиях сельскохозяйственного производства (05.20.01; 05.05.03);

— зависимость производительности ТТА от его схемы и параметров при маятниковом способе транспортировки груза на трассе поле - склад (05.20.01).

Практическая полезность работы и реализация ее результатов.

Предложенная модель движения ТТА в режиме стационарного поворота и программа ее численной реализации позволяют на ранней стадии проектирования обоснованно выбирать его конструктивную схему и основные параметры, а также комплектовать эффективный агрегат, исходя из заданных условий эксплуатации.

Выработанные практические рекомендации по усовершенствованию ТТА на базе трактора кл. 0,2 «Уралец» и агрегатируемых с ним прицепов позволяют повысить техническую производительность ТТА при выполнении транспортных работ в условиях сельскохозяйственного производства.

Разработанная методика расчета характеристик поворота использовалась конструкторским отделом Челябинского тракторного завода при проектировании тракторного поезда, опытный образец которого в настоящее время проходит апробацию. Пакет разработанных программ позволяет проводить расчеты криволинейного движения ТТА с улучшенными характеристиками (конструкторский проект).

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на:

— научно-технических конференциях ЧГАА 2004 г., 2006-2014 гг.;

— расширенных заседаниях кафедр «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Теоретическая механика и теория механизмов и машин» ЧГАА (2008,2010,2011,2014 гг.);

— научно-техническом совете ООО «ГСКБ ЧТЗ» (2008 г.), ОАО «УралИЦ НАТИ» (2011-2014 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести научных работах (три статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 128 страницах основного текста, включает 39 рисунков, 59 таблиц; состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (107 наименований) и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, цель работы, сформулированы научная новизна и практическая полезность. Дается общая характеристика и краткое содержание диссертации.

Первая глава «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования». Рост числа фермерских и индивидуальных хозяйств стимулировал широкое применение МГТ и агрегатов на их базе, способных механизировать большинство видов сельскохозяйственных работ. Широкий шлейф прицепных и навесных орудий на одной энергетической базе способствовал увеличению спроса на этот вид техники в условиях рыночной экономики.

Однако на фоне общего увеличения спроса на трактора кл. 0,2 наблюдается существенное падение покупок трактора «Уралец», производства Челябинского тракторного завода. Малогабаритный трактор «Уралец», широко используемый сейчас в коммунальном хозяйстве и на железной дороге, изначально создавался для нужд сельского хозяйства. Он может агрегатироваться 20 различными рабочими орудиями (фреза дисковая, двухкорпусный плуг, культиватор-окучник-рыхлитель, картофелесажалка и др.). Одним из путей повышения конкурентоспособности трактора «Уралец» является расширение области применения путем рационального использования его на транспортных работах в составе ТТА.

Основным показателем эффективности перевозок, согласно исследованиям профессора Ю.К. Киртбая, является техническая производительность, характеризуемая массой перевозимого груза в единицу времени:

П* =—, кг/с, О)

Т

где тпг - масса перевозимого груза, кг;

Г - время транспортировки, с.

Исследования Д.А. Антонова, В.В. Бурцева, H.A. Бухарина, Я. X. Закина, Ю. К. Киртбая, И. П. Кычева, В. Ф. Платонова, Е. А. Чу-динова и др. показывают, что важнейшим резервом повышения производительности ТТА является увеличение грузоподъемности прицепов.

Наиболее распространенной формой движения в сельскохозяйственном производстве является маятниковый маршрут, состоящий из прямолинейных участков пути и различного числа поворотов. Благодаря способности работать на ограниченном пространстве МГТ получили широкое применение для внутрихозяйственных перевозок в подсобных и тепличных хозяйствах, на животноводческих фермах, где движение в повороте занимает большую долю времени (по данным А. И. Шведа - 60 %).

Особенностью трактора «Уралец» является возможность движения на колесном и гусеничном ходу, что отразилось на схеме трансмиссии. В колесном варианте трактор имеет ведущий задний мост и передние управляемые колеса. На повороте внутреннее заднее колесо у него отключается или дополнительно тормозится (по принципу гусеничной машины). Таким образом, у трактора «Уралец» в режиме поворота ведущим является только одно заднее колесо. Поскольку масса перевозимого груза тг ограничивается тяговыми возможностями трактора, то оценку технической производительности ТТА на базе трактора «Уралец» необходимо проводить именно в режиме поворота, когда его тяговые способности минимальны.

На повороте углы складывания ТТА являются неизвестными и полностью зависят от внешних сил, возникающих в процессе движения. Вместе с тем углы взаимного расположения тягача и прицепов определяют траекторию криволинейного движения и тем самым влияют на время Г транспортировки на участке криволинейного движения.

Исследованием движения автопоездов занимались: П. В. Аксенов, А. Н. Бриллинг, JI.JI. Гинзбург, Г. И. Гладов, В. А. Горбачевский, С.С. Ермилов, И.Н. Житов, A.B. Жуков, Я.Х. Закин, JI.M. Зисман, A.M. Лысов, П. Д. Клычков, Ю. Коган, В.В. Красно-кутский, Н. И. Крышень, М. П. Кухарчик, В. В. Маланин, И. И. Мар-голин, Я.Е. Сигал, З.Л. Сироткин, A.B. Старцев, И.П. Трояновская, П. П. Ширяев, А. Г. Юрлов и другие. Однако модели поворота автопоездов, созданные на базе теории упругого бокового увода колеса, предполагают отсутствие буксования. Тракторные транспортные агрегаты, в отличие от автопоездов, характеризуются повышенным скольжением движителя по грунту, что не позволяет применить существующие модели к описанию движения ТТА на базе «Уральца».

Вторая глава «Теоретические исследования стационарного поворота ТТЛ». Одним из требований к разрабатываемой математической модели криволинейного движения является обязательный учет схемы ТТЛ (число звеньев, количество колес каждого звена, их режимы движения и нагружения) и его параметров (база, шлея, длина дышла и т.д.) для последующего анализа и улучшения конструкции.

Наличие дополнительной степени свободы (при относительном складывании звеньев) в процессе криволинейного движения делает тракторные поезда объектами переменной структуры, что выделяет их в отдельный класс транспортных средств, для описания движения которых требуются иные модели, чем для единичных машин.

Математическая модель стационарного поворота ТТА была разработана на базе модели И. П. Трояновской для поворота единичного трактора путем введения дополнительных уравнений. В модели ТТА рассматривается как управляемый объект переменной структуры с наложенными на него геометрическими и кинематическими связями, обеспечиваемыми конструктивной схемой и схемой управления. Взаимодействие колес с грунтом на повороте осуществляется посредством плоских площадок с переменным коэффициентом трения, что позволяет учесть скольжение и деформативные свойства шин и грунта.

Введем общую систему координат, связанную с общим центром поворота, и местные системы координат, связанные с каждым

из колес ТТА (рисунок 1).

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: /= 1... 8 - номера опорных площадок колес; С. - мгновенные центры скоростей (МЦС) опорных площадок; О - центр поворота агрегата (единый для всех его звеньев в стационарном движении); XY-система координат, связанная с агрегатом (общая система); Хр Y. - системы координат, связанные с площадками (местные системы); 7\, Т., М1 - составляющие сил и моменты, действующие на колеса со стороны грунта, приведенные к МЦС; а,, а2 - углы относительного складывания звеньев ТТА.

На повороте в контакте колеса с грунтом из-за скольжения колес возникают элементарные силы трения, величина и направление которых определяются положением МЦС. Согласно H.H. Шиллеру и E.H. Жуковскому, силовые факторы Тх, Ту, М в контакте колеса с грунтом являются функциями его координат х,у в местной системе отсчета, связанной с площадкой.

Рисунок 1 - Геометрическая схема ТТА с двумя одноосными прицепами на базе трактора «Уралец» и схема сил, действующих на повороте со стороны грунта

Приведенные к МЦС, они записываются формулами:

где Тх, Ту, М- поперечная и продольная силы трения и момент трения в контакте;

Ф - коэффициент трения-сцепления колеса с грунтом в точке с координатами л. равный отношению элементарной силы трения (сцепления) dTк элементарной нормальной силе - qdF.

Коэффициент трения в точке контакта с координатами т| зависит от скольжения к. в ней и записывается в виде:

ф=ф>(|-) (3)

ще X - эмпирический коэффициент, характеризующий деформатив-ные свойства колеса и грунта в их взаимодействии;

ф^- коэффициент сцепления при полном скольжении;

к - скольжение в точке, записанное через координаты МЦС: ¿> | ——

4{х-$+{у-ч)2 (4)

о I <у 2

где х, ус - координаты МЦС колеса в общей системе отсчета ТТЛ.

Малые скорости движения ТТА позволяют пренебречь центробежными силами инерции и ограничиться исследованием статического поворота с постоянным радиусом и скоростью движения.

Составим систему уравнений криволинейного движения ТТА, состоящего из трактора «Уралец» и двух одноосных прицепов. С учетом пассивных прицепов, где развиваемое тяговое усилие Ту, равно нулю, и ведомой передней оси трактора-тягача общее число неизвестных равно 14.

Тогда модель поворота состоит из:

- пяти уравнений движения (в форме условий равновесия):

: Гх, + Тх2 + Tx, cos Уз + 7х4 cosy4 + fG3 sin у3 + JG4 siny4 +

+Txs cosa, + Tx6 cosa, + Tx1 cos(a, + a2) + Tx% eos (a, + a2) --JU5 sin a, - JG6 sin a, - f37 sin (a, + a2 ) - JGS sin (a, + a2) = 0; (5)

Yj ■ ТуTy2 + 7x3 sin Y3 + Tx, sin y4 - /G, - fG2 - fGJ eos y3 -

-/G4 eos y4 - Tx5 sin a, - 7x6 sin a, - Tx7 sin (a, +a2)-JG5 eos ct, --TxjSm(a, + a2)-/G6cosa1 -JG1 cos(a, +a2)-/G8cos(a, + a2) = 0; (6)

£M0 : Л/, +M2 + M3 +M4 +M5 +M6 +M7 +Л1,-ТУА --Ty^ + jGx (Я,-xl) + fG2(R2-x2) + /G3«3 + УЗД +■

++ /ЗД + jG.R, + fS,R, = 0; (7)

: М-, +MS -(Tx7 + Txt)(lp2-y%) = 0; (8)

: M5+M6 +M7 +M,-(Tx5+Tx6)(lPl-y6)-(Tx, +Txg)x x [(//> + lzx) eos a2+lp2 - Л ] + (/c7 + fGt) (lp + Iz,) sin a2 = 0; (9)

- девяти уравнений геометрических и кинематических связей, отражающих взаимное положение колес и их режим движения:

cosy3 (L + у3 cosy3 + у0 + х3 sin Уз) --siny3(x0-y3siny3 + x3cosy3) = 0; (Ю)

cosy4 (L + y4 cosy4 + y0+x4 siny4) --siny4 (B + x0 - y4 sin y4 + x4 eosy4 ) = 0; (11)

У2+Уо=0: (,2)

yt+y0 = 0; 03)

eos a ¡[y0-ct- (//>, - y6) eos a, ] + +sin a, [jc0 + 0,55 - (/p, - >>6)sin a, ] = 0; (14)

y5-y6=0\ 05)

cos(a, + a2)[>>0-c,-(lp, +Izl)cosa¡ ~{lp2 -j^cosfa, +a2)]+ +sin (a, + a2) [x0 + 0,5В - (lpx + lzx) sin a, - (lp2 - уг) sin (a, + a2)] = 0; (16)

Л-Л=0; (17)

Tyt = 0, (18)

где xQ, y0 - координата центра поворота TTA относительно заднего внутреннего колеса трактора;

Тх, Тур Mt при i = 1 ...8 - силовые факторы в контакте каждого колеса с грунтом, рассчитываемые по формулам (2);

Я. = Jx¿ + уI - радиусы МЦС колес в общей системе координат. Последнее уравнение (18) отражает отключение заднего внутреннего колеса трактора «Уралец» на повороте. При наличии

межколесного дифференциала на задней оси уравнение (18) примет вид: Тух = Туг Это и является одним из примеров модификации системы уравнений, позволяющих впоследствии проводить анализ влияния схемы управления тягача на параметры движения и эффективность грузоперевозок ТТА.

Решение математической модели движения (4—17) выполнялось численным методом с помощью математического пакета МаЛСАО 2000. В результате решения системы уравнений (2—18) были получены значения координат центра поворота ТТА (х0, у^ и МЦС всех колес (хг у) и углы взаимного складывания тягача и прицепов (а,, а2).

Кинематические параметры движения: радиус поворота рассчитывался для каждого звена ТТА (для тягача Ш = х0 + 0,5Ш). Изменение геометрических размеров тягача В1, с/ - база, колея, длина сцепки) или прицепов (1р, Ь — расстояния от оси колес до шарнира; Вр - колея) позволяют оценить влияние конструктивной схемы (число колес и их взаимное расположение) и параметров (длина дышла) на радиус поворота, который определяет траекторию движения, следовательно, и время криволинейного движения.

В результате расчета определено, что при максимальных углах поворота передних колес трактора возможно замыкание прицепов (углы складывания, обеспечиваемые внешними силами а, = 48,6°, а2 = 61,5°, начинают превышать конструктивно допустимые значения а, =45,7°, а2 = 60,1°).

Силовые параметры движения: по выражениям (2) определены тяговые усилия Ту1 на ведущем колесе тягача на каждом типе грунта (/, ф). Изменение грузоподъемности ТТА осуществлялось посредством изменения нормальной нагрузки на колесах прицепов д..

Основным показателем ограничения тягового усилия является величина буксования: 82 = х2/(х0 + 2?/+х2). Значения буксования ведущего колеса от грузоподъемности прицепов представлены в таблице 1.

В результате теоретических исследований определено, что при движении по твердому основанию трактор «Уралец» обеспечивает необходимое тяговое усилие и может двигаться с прицепами стандартной (350 кг) или повышенной грузоподъемности (500 кг). На рыхлом грунте грузоподъемность ТТА ограничена недостаточным тяговым усилием: с одним прицепом максимальная грузоподъемность составляет 500 кг (52 = 52,5 %), при двух - 400 кг (по 200 кг в каждом прицепе 52 = 42,8 %).

Таблица 1 - Буксование ведущего колеса трактора (%) в зависимости от массы перевозимого груза тг

Твердое основание (асфальт)

Один прицеп т г 0 100 200 300 400 500

52 4,1 4,5 4,9 5,4 5,8 6,2

Два прицепа т г 0 200 400 600 800 1000

52 3,9 4,6 5,2 5,8 6,5 7,1

Рыхлый грунт (пахота)

Один прицеп т г 0 100 200 300 400 500

22,1 26,4 28,0 31,9 37,2 52,5

Два прицепа т г 0 200 300 400

52 22,3 28,4 33,1 42,8

Таким образом, предельное значение грузоподъемности на повороте ограничивает техническую производительность, независимо от доли поворота в общем процессе транспортировки.

Для проверки полученных данных и поиска дальнейших путей совершенствования конструкции ТТА на базе трактора «Уралец» проведена экспериментальная проверка адекватности математической модели. Одним из путей повышения грузоподъемности может стать установка межколесного дифференциала.

В третьей главе «Методика проведения и результаты экспериментальных исследований» изложены цель и задачи эксперимента, программа и методика исследований, погрешность аппаратуры и результаты эксперимента, оценка адекватности математической модели.

Объект экспериментального исследования - ТТА на базе МГТ «Уралец» с двумя пассивными одноосными прицепами грузоподъемностью по 350 кг.

Эксперимент проводился на трех типах грунтов: асфальт, залежь и слежавшаяся пахота. Движение осуществлялось на скорости 1 м/с при различной нагрузке в прицепах, которая задавалась мерными грузами по 50 кг.

Методика эксперимента предусматривает три этапа.

Этап 1. Лабораторные испытания — определение характеристик ТТА (используются в качестве исходных данных в математической модели движения):

- замер массовых характеристик ТТЛ на испытательном коорди-нагно-весовом сгевде СКЦТ-100 по ГОСТ 27922-88 и ГОСТ 27248-87. Во время взвешивания агрегат полностью заправлен, на месте водителя помещен груз 75 кг (погрешность стенда ±0,2 %);

- замер геометрических характеристик всех звеньев ТТА посредством рулетки с ценой деления 1 мм;

- замер углов поворота управляемых колес трактора-тягача с помощью угломера с ценой деления ±2'.

Этап 2. Лабораторно-полевые испытания - определение характеристик взаимодействия с грунтом (используются в качестве исходных данных в модели движения):

- определение формы и размеров площадок контакта колес с грунтом при различной вертикальной нагрузке путем непосредственного отпечатка следа на миллиметровке (погрешность измерения ±1 мм);

- определение коэффициентов сопротивления передвижению/как отношения усилия сопротивления к вертикальной нагрузке. Усилие сопротивления замерялось путем буксировки прицепов и трактора в режиме свободного качения колес. На каждом грунте проводилось не менее 3 замеров (погрешность замера усилий тен-

зозвеном ±0,2%);

- определение коэффициентов сцепления (р^ ведущих колес трактора с грунтом при их 100%-м буксовании. На каждом грунте замер повторялся не менее 3 раз (погрешность замера усилий тензо-звеном±0,2%).

Этап 3. Полевые испытания - определение характеристик движения (используются для оценки адекватности модели):

- замер углов складывания звеньев проводился по следам продольных осей звеньев на опорной поверхности (погрешность замера угломера ±2*);

- замер радиусов поворота всех звеньев ТТА рулеткой ЗПКЗ-10АУТ в трех направлениях (через 120°) по следам струйных маркеров, закрепленных на корпусе трактора и прицепов (погрешность измерения ±1 мм).

Результаты эксперимента

1. Характеристики ТТА:

- масса трактора 788 кг распределена между осями: на переднюю ось - 35,5 %; на заднюю ось - 64,5 %, база Ь = 1220 мм, колея В = 1130 мм;

- прицепы, массой 150 кг и 170 кг, имеют продольную базу 1710 мм и 1650 мм и колею 1355 мм и 1375 мм, дышло треугольное, длиной 750 мм;

- углы поворота управляемых колес трактора-тягача составляют 21° и 28°.

2. Характеристики взаимодействия с грунтом:

- форма контакта колеса с грунтом представляет собой прямоугольник. В зависимости от вертикальной нагрузки ширина следа практически не меняется и составляет 115 мм, а длина монотонно увеличивается (рисунок 2);

«а

140

н 80 60

40 20

—................ ................... '

• «с •

tr О __,

К'

--rHfc. ✓ "

600

1200

1500

2100 2400 2700 вертикальная нагрузка, Н

у= -0,00Э01х2+ 0,05854х + 53,65557 у = -Ь,00004х2 + 0,1?886х-41,22632

Рисунок 2 - Зависимость длины следа шины от радиальной нагрузки

0 трактор

1 прицепы

- средние значения экспериментальных коэффициентов сопротивления движению (с погрешностью математического ожидания не более ±5 %) равны: на асфальте/= 0,034; на залежи/= 0,045; на пахоте/= 0,15;

- средние значения экспериментальных коэффициентов сцепления на колесе (с погрешностью математического ожидания не более ±4,5 %) равны: на асфальте ср^ = 0,980; на залежи = 0,852; на пахоте ф(/ = 0,765.

3. Характеристики криволинейного движения:

- экспериментальные значения углов складывания составили а, = 45,3°, а2 = 59,1°. Отклонение экспериментальных значений от расчетных не превысило 3 %;

- замеренные значения радиусов поворота ТТА с гружеными прицепами на асфальте и залежи приведены в таблице 2. Отклонения экспериментальных значений от расчетных не превысило 4,3 %.

Малые расхождения экспериментальных и расчетных значений свидетельствуют об адекватности разработанной математической модели.

Таблица 2 - Радиусы поворота (мм) на различных типах грунтов

Грунт (масса груза в прицепе, кг) Сравниваемый параметр Расчет Опыт Отклонение

Асфальт (350) Наружный радиус трактора 3820 3840 -0,003

Внутренний радиус трактора 2540 2490 0,023

Радиус первого прицепа 2720 2600 0,043

Радиус второго прицепа 2420 2390 0,014

Залежь (350) Наружный радиус трактора 3800 3820 -0,006

Радиус первого прицепа 2690 2600 0,005

Радиус второго прицепа 2440 2480 -0,0034

Четвертая глава «Пути повышения эффективности ТТА на базе трактора «Уралец» (оценки и практические рекомендации)».

После проверки адекватности модели поворота был проведен численный эксперимент по анализу различных конструктивных схем ТТА на базе трактора «Уралец». Расчеты выполнены на двух типах грунтов: твердом (асфальт) и рыхлом (слежавшаяся пахота).

В качестве вариантов конструктивных схем были рассмотрены ТТА с:

- одним одноосным прицепом;

- двумя одноосными прицепами;

- одним двухосным прицепом на неповоротных колесах;

- одним двухосным прицепом на поворотном круге.

В качестве параметров звеньев менялись:

- грузоподъемность прицепов: одноосных (серийная - 350 кг, повышенная — 500 кг), двухосных прицепов - 700 кг;

- продольная база двухосных прицепов (нормальная L и укороченная 0,5L);

- длина дышла одноосного прицепа (треугольное 750 мм, од-ностержневое 900 мм).

В качестве схемы управления тягача были рассмотрены:

- базовый вариант с одним ведущим колесом;

- модернизированный вариант с межколесным дифференциалом на задней оси.

При отборе вариантов ТТА решалась задача повышения технической производительности в режиме поворота, регламентирующего грузоподъемность.

Условная техническая производительность на повороте на одинаковый угол имеет вид:

(19)

Я

где V- скорость прямолинейного движения;

Я - радиус поворота точки тягача, сохраняющей скорость прямолинейного движения.

У трактора с одним отключаемым задним колесом точкой, где теоретическая скорость равна скорости прямолинейного движения, является центр скольжения единственного ведущего заднего колеса Я = Я2, а у трактора с межколесным дифференциалом эта точка находится в середине между центрами скольжения двух ведущих колес и радиус определяется как Я = 0,5(Л, + Я2).

При одинаковой скорости прямолинейного движения формула (19) приобретает вид П* = тг/Я. Зависимость условной технической производительности П* от грузоподъемности для различных конструктивных схем ТТА приведена в таблице 3 и на рисунке 3.

Таблица 3 - Условная производительность ТТА в зависимости от конструктивной схемы и схемы управления тягачом

Схема Базовый трактор (одно ведущее колесо) Модернизированный трактор (межколесный дифференциал)

т т> Твердый Рыхлый Твердый Рыхлый

грунт грунт грунт грунт

П' П* П* П*

1 2 3 4 5 6

Один прицеп 350 0,928' 0,579 1,102 0,732

500 1,315' 0,564 1,539 0,977

Окончание таблицы 3

1 2 3 4 5 6

Два одноосных прицепа 2x350 1.833' — 2.170* 1,230

2x500 2.588' - 3,016 1,499

Двухосный прицеп с неуправляемыми колесами 700 1,018* - 1,374* 0,988* с короткой базой 1,134

Двухосный прицеп на поворотном круге 350 0,923* 0,470 1,101 0,661

700 1,819' - 2,113 1,105

' Имеет место кинематическое замыкание прицепов.

О 100 200 300 400 500 600 700 8О0 900 ^Тщ

1 - серийный трактор с одноосным прицепом; 2 — трактор с дифференциалом с одноосным прицепом; 3 - серийный трактор с двумя одноосными прицепами; 4 - трактор с дифференциалом и двумя одноосными прицепами; 5 — серийный трактор с одним двухосным прицепом с поворотным кругом; 6 — трактор с дифференциалом и двухосным прицепом с поворотным кругом

Рисунок 3 — Зависимость условной производительности от грузоподъемности прицепов при различных конструктивных схемах ТТЛ на рыхлом фунте

В результате анализа влияния конструктивной схемы и параметров ТТЛ на базе трактора «Уралец» установлена зависимость технической производительности от конструктивной схемы ТТЛ на различных типах грунтов. Повысить производительность можно путем введения в схему управления трактором межколесного дифферен-

циала, что позволяет применять разные конструктивные схемы ТТА с прицепами повышенной грузоподъемности:

- ТТА с одним одноосным прицепом повышенной грузоподъемности 500 кг обеспечивает повышение производительности на 62%;

- ТТА с двумя одноосными прицепами повышенной грузоподъемности 500 кг обеспечивает повышение производительности в 2,6 раза;

- ТТА с одним двухосным прицепом на поворотном круге повышенной грузоподъемности 550 кг обеспечивает повышение производительности в 2,3 раза. Минимальный радиус поворота при этом возрастает на 20-40 %.

Оценена сравнительная эффективность этих агрегатов при полном цикле перевозки груза с поля к местам хранения. Расчет выполнен для транспортных операций перевозки корнеплодов, расфасованных в тару (штучный груз) на осредненной траектории размером 8 га, разработанной для зоны Южного Урала кафедрой «Эксплуатация машинно-тракторного парка» Челябинской государственной агроинженерной академии (рисунок 4).

Рыхлый грунт Твердый грунт

Рисунок 4 - Осредненная траектория движения ТТА при выполнении уборочных работ

Осредненная транспортная траектория имеет следующие характеристики: расстояние от поля до места хранения (дорога с твердым покрытием) - 5 км, средняя дальность движения по полю - 0,9 км. В каждом рабочем цикле выполнялись два поворота на 180°, половина которых с нагруженными прицепами и половина с ненагружен-ными. Согласно расчету доля поворота в общем времени рабочего цикла составила 6,9-7,6%.

Общий прирост производительности при применении в конструкции трактора межколесного дифференциала составляет: для агрегата с одним серийным прицепом повышенной грузоподъемности (500 кг) - 62 %, с двухосным прицепом и поворотным кругом -130%, с двумя одноосными прицепами увеличенной грузоподъемности — 160%.

Экономический эффект при перевозке 100 тонн груза по заданному маршруту, рассчитанный по методике ГОСТ 23730-88, агрегатом с двумя прицепами увеличенной грузоподъемности превышает 28 тысяч рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Поскольку масса перевозимого груза обеспечивается тяговыми способностями тягача, ограничения, накладываемые конструктивными особенностями трактора «Уралец» на техническую производительность ТТА, проявляются только в режиме поворота. Отключение внутреннего заднего колеса на базовом тракторе приводит к тому, что недостаточное тяговое усилие одного ведущего колеса ограничивает грузоподъемность прицепов при движении на рыхлом грунте. При этом техническая производительность перевозок резко падает, независимо от их доли в общем объеме транспортировок.

2. Разработана математическая модель стационарного поворота ТТА как управляемого объекта переменной структуры с наложенными уравнениями кинематических и геометрических связей, отражающими конструктивную схему агрегата и схему управления тягача, отличающаяся тем, что силовое взаимодействие колес ТТА с грунтом описывается на основе математической теории трения с учетом скольжения и деформативных свойств шин и грунта. Разработана программа решения уравнений модели и расчета характеристик движения на основе пакета МаШСАО.

3. Разработана методика экспериментальных исследований, предусматривающая лабораторные, лабораторно-полевые и полевые испытания. Проведен натурный эксперимент на трех типах грунтов: асфальт, залежь и слежавшаяся пахота. В процессе эксперимента определены:

- массово-габаритные характеристики экспериментального ТТА;

- характеристики взаимодействия колес ТТА с грунтом: форма контакта прямоугольная, ширина контакта не зависит от весовой нагрузки, длина контакта монотонно возрастает с ростом нормальной нагрузки (зависимость роста для колес трактора и прицепов разная);

- коэффициенты сопротивления движению (на асфальте /= 0,034; на залежи/ = 0,045; на пахоте/= 0,15);

- коэффициенты сцепления ведущих колес трактора с грунтом (на асфальте ф^ = 0,980; на залежи ф^ = 0,852; на пахоте ф^ = 0,765);

- углы взаимного складывания прицепов а,= 45,3°, а2= 59,1° на повороте;

- радиусы поворота всех звеньев ТТА с двумя прицепами на асфальте и рыхлом грунте.

Подтверждена адекватность математической модели поворота (максимальные отклонения теоретических значений от экспериментальных по радиусам поворота не превысили 4,3 %, по углам складывания - 3 %).

4. На основе разработанной математической модели проведен численный эксперимент, позволивший оценить условную техническую производительность на повороте для ТТА на базе трактора «Уралец»:

- при разной конструктивной схеме (с одним и двумя одноосными прицепами, с одним двухосным прицепом на неповоротных колесах и с поворотным кругом);

- при изменении массово-габаритных размеров грузовых прицепов (серийной грузоподъемности прицепов - 350 кг и повышенной - 500 кг; нормальной и укороченной в два раза продольной базе двухосных прицепов; серийном треугольном дышле, длиной 750 мм, и удлиненном одностержневом — 900 мм).

- при различных схемах управления трактора-тягача (базовый вариант с одним ведущим колесом; модернизированный вариант с межколесным дифференциалом на задней оси).

Установка на базовом тракторе межколесного дифференциала позволяет применять разные конструктивные схемы ТТА:

- повышение грузоподъемности одного одноосного прицепа до 500 кг обеспечивает повышение производительности на 62%;

- использование двух одноосных прицепов повышенной грузоподъемности 500 кг обеспечивает повышение производительности в 2,6 раза;

- применение одного двухосного прицепа грузоподъемностью 550 кг с поворотным кругом повышает производительность в 2,3 раза, однако минимальный радиус поворота при этом возрастает на 20-40%.

Сделаны следующие практические рекомендации:

- при движении на рыхлом грунте основным ограничением грузоподъемности ТТА является недостаток тягового усилия одного ведущего колеса в режиме поворота. В качестве рекомендации предлагается установка на задней оси межколесного дифференциала. Расчеты показали увеличение максимальной грузоподъемности ТТА при движении на рыхлом грунте с одним прицепом в 1,4 раза (700 кг вместо 500 кг), с двумя прицепами - в 2,5 раза (500 кг вместо 200 кг);

- при движении на твердом покрытии основным видом ограничения является силовое замыкание звеньев. В качестве рекомендации предлагается замена классического треугольного дышла длиной 750 мм на одностержневое длиной 900 мм. Расчеты показали, что в этом случае углы складывания не достигают конструктивных ограничений.

5. Экономический эффект, рассчитанный по методике ГОСТ 23730-88, при перевозке 100 тонн груза с поля до места хранения (дальность движения по твердому покрытию - 5 км, по полю — 0,9 км, включая два поворота на 180°) модернизированным агрегатом (с межколесным дифференциалом) с двумя прицепами увеличенной грузоподъемности (500 кг) превышает 28 тысяч рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Нарадовый, Д. И. Новая модель стационарного поворота колесного автопоезда [Текст] / Д. И. Нарадовый, Б. М. Позин, И. П. Трояновская//Транспорт Урала. - 2007. - № 1(12).-С. 140-144.

2. Нарадовый, Д. И. О задаче стационарного поворота автопоездов [Текст] / Д. И. Нарадовый, Б. М. Позин, И. П. Трояновская // Вестник ЮУрГУ. Сер. : Машиностроение. - 2005. - № 14 (54). -Вып. 7.-С. 97-99.

3. Позин, Б. М. Повышение эффективности тракторного транспортного агрегата [Текст] / Б. М. Позин, И. П. Трояновская, Д. И. На-радовый // Техника в сельском хозяйстве. -2012. — № 3. - С. 21-23.

Публикации в других изданиях

4. Мицын, Г. П. Стационарный поворот мини-погрузчика (экспериментальные результаты) [Текст] / Г. П. Мицын, Б. М. Позин, И. П. Трояновская, Д. И. Нарадовый, С. М. Баландин [и др.] // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог : сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ) ; УФ МАДИ (ГТУ). - М. : МАДИ, 2001. - С. 233-237.

5. Нарадовый, Д. И. О применении малогабаритных тракторов в сельском хозяйстве Челябинской области [Текст] / Д. И. Нарадовый // Материалы ХЫХ междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки -агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2010. -Ч. 1.-С. 400-406.

6. Позин, Б. М. Экспериментальные исследования стационарного поворота тракторного поезда на базе мини-трактора [Текст] / Б. М. Позин, И. П. Трояновская, Д. И. Нарадовый // Вестник ЧГАУ. - 2008. - Т. 52. - С. 85-89.

Подписано в печать 30.03.2015. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № КЗ-8.

Отпечатано в ИПЦ ФГБОУ ВПО ЧГАА 454080, г. Челябинск, ул. Энгельса, 83