автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности универсально - пропашных тракторов тягового класса 1,4 путем замены ведущих колес верхнеприводными гусеницами

На правах рукописи

КОМКИН АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УНИВЕРСАЛЬНО -ПРОПАШНЫХ ТРАКТОРОВ ТЯГОВОГО КЛАССА 1,4 ПУТЕМ ЗАМЕНЫ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ВЕРХНЕПРИВОДНЫМИ ГУСЕНИЦАМИ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Киров-2013

005542937

005542937

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионально образования «Вятская государственная

сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: Лопарев Аркадий Афанасьевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Тепловые двигатели, автомобили и тракторы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионально образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Официальные оппоненты: Арютов Борис Александрович, доктор технических

наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионально образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Физика и прикладная механика»; Остальцев Владимир Павлович, кандидат технических наук, Государственное научное учреждениие Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук, главный инженер

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионально образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 610007 Россия, Кировская область, г. Киров, ул. Ленина, 166-а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук

Автореферат разослан « ¿X» ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного /7

совета, кандидат технических наук /уИУ-^ _ Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. На Северо-востоке Европейской части России 68 % тракторного парка составляют колесные тракторы, из них около 60% универсально-пропашные тягового класса 1,4. Особенности производственных условий за последние два десятилетия существенно повлияли на использование данных тракторов. С непрекращающейся реорганизацией хозяйств, их дроблением на более мелкие формы хозяйствования значительно возросла нагрузка на колесные универсально-пропашные тракторы по причине их использования на энергоемких технологических операциях, таких как вспашка, дискование вместо гусеничных тракторов третьего тягового класса. Однако стоимость вспашки 1 га зяби МТА с трактором МТЗ-80/82 на 40% выше, чем МТА с трактором ДТ-75М. Неэффективность касается и предпосевной обработки почвы: сроки выезда на поле колесных тракторов на 5-7 дней позже гусеничных по причине высокого буксования ведущих колес. Поэтому появилась острая необходимость в расширении тягового диапазона колесных тракторов тягового класса 1,4, особенно для малых и средних форм хозяйствования (К(Ф)Х, СХПК и др.), не имеющих возможности содержать тракторы разных тяговых классов и имеющих небольшие площади пахотных земель.

Большинство уже применявшихся способов и средств повышения тягово-сцепных свойств колесных тракторов, таких как накидные почвозацепы, уширители колес, разная ширина колеи передних и задних колес и даже полугусеничных ход не получили широкого внедрения, а добавочные грузы (балластирование), дифференциация массы, блокировка дифференциала, изменение внутришинного давления, сдваивание и страивание колес не дают необходимого приращения тягового усилия трактора, оставляя его в своем тяговом классе. Последнее десятилетие обусловлено разработкой мировыми лидерами тракторостроения сменных гусеничных движителей для колесных тракторов. Такие ходовые системы значительно повышают тяговое усилие, развиваемое трактором, который, при их установке, имеет диапазон до трех тяговых классов.

Поэтому повышение эффективности универсально-пропашных тракторов путем замены ведущих колес верхнеприводними гусеницами при выполнении технологических операций является весьма актуальной задачей.

Степень разработанности темы. В настоящее время для работы колесных тракторов тягового класса 1,4 особенно в осенний и весенний периоды при выполнении технологических операций разработаны различные средства для повышения их тягово-сцепных свойств, в том числе путем замены ведущих колес гусеничными движителями. Однако абсолютное большинство разработчиков копирует «классический» гусеничный движитель, перенося его недостатки в новые конструкции. Теоретические предпосылки имеют лишь описательный характер, поэтому данный вопрос требует дальнейших теоретических обоснований и новых инженерных решений.

Исследования, на основе которых подготовлена данная диссертация, выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ в ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА» (01.2.006 09894).

Актуальность темы исследований подтверждена одобренной Президиумом Россельхозакадемии (протокол №10 от 9 октября 2008 г) «Стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 го-

да», которая предусматривает, в частности, по сельскохозяйственным тракторам, создание сменных колесно-гусеничных ходовых аппаратов.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности универсально-пропашных тракторов тягового класса 1,4 путем замены ведущих колес верхнеприводными гусеницами.

Задачами исследования являются:

1. Разработать конструктивно-технологическую схему верхнеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков и на ее основе изготовить опытный образец. Разработать кинематические модели качения по почве гусеницы, защемляющей опорно-натяжные катки.

2. Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить формирование движущей силы гусеницей, выявить оптимальное сочетание показателей движителя для получения ее наибольших значений. Синтезировать скоростные и силовые показатели верхнеприводной гусеницы в энергетическую модель.

3. Теоретически обосновать и практически исследовать арочный, шагающий и ротопедный эффекты трехбалансирной подвески разработанного гусеничного движителя. Оценить воздействие гусенично-колесного трактора на почву.

4. Определить тяговые показатели трактора МТЗ, оборудованного опытными гусеничными движителями вместо ведущих колес в сравнении с колесным трактором.

5 Экспериментально определить и произвести энергетическую оценку основных показателей работы МТА (с ПЛН-4-35, КПС-4 и РВК-3,6) на базе гусенично-

колесного трактора.

6. Произвести технико-экономическую оценку использования тракторов М1

80/82 с гусенично-колесными движителями.

Объект исследования. Тракторы МТЗ-80/82 с верхнеприводными гусеницами вместо ведущих колес при выполнении технологических операций по основной и

предпосевной обработке почвы.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории трактора и автомобиля, эксплуатации МТП, теоретической механики.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных методик, изложенных в ГОСТ и разработанных частных методик исследований. За метод исследования принят метод сравнительных исследований колесного и гусе-нично-колесного тракторов и МТА на их базе по тяговым, скоростным, мощност-ным, топливо-экономическим и энергетическим показателям.

Научную новизну работы составляют:

-конструктивно-технологическая схема верхнеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков, приоритет которой подтвержден патентом РФ на изобретение № 2446974 «Тележка гусеничная

сменная для транспортного средства».

-кинематические модели качения вернеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков по почве, эффекты дви-жителягротопедный, шагающий и арочный (как метод воздействия на почву);

-аналитические выражения процесса формирования движущей силы в верне-приводном гусеничном движителе с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков;

- энергетическая модель процесса качения верхнеприводной гусеницы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана конструктивно - технологическая схема и на ее основе изготовлен опытный образец верхнеприводного гусеничного движителя, установка которого вместо задних ведущих колес трактора класса 1,4 позволит эффективно использовать его на основной и предпосевной обработке почвы с машинами 2 и 3 тяговых классов, исследованы и обоснованы оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы.

Сменный гусеничный движитель прошел опытно-производственную проверку в СХПК «Стариковский» Белохолуницкого района, СПК-СА (к-з) «Лошкаринский» Советского района и КХ «Светлана» Кирово-Чепецкого района.

Основные положения, выносимые на защиту:

-конструктивно-технологическая схема верхнеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков;

-кинематические модели качения вернеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков по почве, эффекты движителя: ротопедный, шагающий и арочный (как метод воздействия на почву);

-аналитические выражения процесса формирования движущей силы в верне-приводном гусеничном движителе с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков; оптимальные значения ее параметров.

-технико-экономическая и энергетическая эффективность использования МТА на базе гусенично-колесного трактора.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждена предварительными государственными сравнительными тяговыми испытаниями трактора МТЗ-82 на колесном и гусенично-колесном ходу (ФГУ «Кировская МИС», п.Оричи).

Материалы диссертации используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия, ФГБОУ ВПО Костромская государственная сельскохозяйственная академия, ФГБОУ ВПО Казанский государственный аграрный университет при чтении преподавателями лекций, выполнении стей°ВЫХ Раб°Т И ДИПЛ0МНЫХ пР°ектов студентами агроинженерных специально-

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались-на международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение», посвященной 100-летию со дня рождения профессора А М Гу-ревича (ВятскаяГСХА, Киров, 2010), на IV и V Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение» (Вятская ГСХА, Киров, 2011, 2012), на 62-ой и 63-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе» ГКо-стромскаяГСХА, Кострома, 2010, 2011), на XIII международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения» (МарийскийГУ, Йошкар-Ола, 2011), всероссийских научно-практических конферен-

циях молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых» (ВятскаяГСХА, Киров, 2010,2011). _orjv!lv Апробация работы прошла также на инновационных конкурсах и выставках. Работа стала победителем конкурса «Молодые изобретатели и рационализаторы» в рамках реализации проекта «РЯоДвижение» в номинации «Инновационный проект в сфере промышленных технологий и машиностроения» (Киров, 2010), а также победителем первого конкурса «У.М.Н.И.К.», проведенного в Кировскои области в 2011 году где получила грант; выставлялась на Региональном молодежном инновационном конвенте (г.Киров, Вятка-Экспо, 2010), на смене Зворыкинского проекта «Инновации и техническое творчество» Всероссийского образовательного форума «Селигер-2010» (Тверская область, 2010), а также на первом инновационном конвенте (ВятГУ, г.Киров, 2011). Работа заняла III место во II туре Всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведении МСХ РФ Приволжского федерального округа в номинации «Технические науки»

(БашкирскийГАУ, г.Уфа, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 4 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ...ВАК». Получен патент на изобретение. Общий объем публикаций составляет 4,4 пл., из них 1,32 п.л. принадлежит автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 181 наименования 7 из которых на иностранном языке и приложения на 64 с. Работа изложена на 140 е., содержит 70 рисунков на 31 с и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая значимость работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе приведен анализ научных трудов по рассматриваемой теме теоретических и экспериментальных исследований в области энергоресурсосбережения, повышения тягово-сцепных свойств и проходимости колесных транспортных и мобильных энергетических средств. В качестве основополагающих выбраны работы Я.С. Агейкина, В.Н.Болтинского, В.В. Кацыгина, А.МЛСононова, В M Кряжкова, М.И.Ляско, В.А. Скотникова, И.И. Водяника, И.П.Ксеневича, В В Гуськова. Труды этих ученых получили развитие в исследованиях Г.М.Кутькова, А.И.Орды, C.B. Щитова А-А.Лопарева, Ф.Ф.Мухамадьярова и многих других.^ результатов исследований выявил, что особенности производственных, экономических и агроклиматических условий вынуждают применять на колесных универсально-пропашных тракторах различные способы и средства для увеличения развиваемого ими тягового усилия. Последнее десятилетие обусловлено разработкой мировыми лидерами тракторостроения сменных гусеничных движителеи для колесных тракторов. Такие ходовые системы значительно повышают тяговое усилие трактора, который, при их установке, перекрывает до трех тяговых классов Однако абсолютное большинство разработок копирует классический хусенич-ный движитель, оставляя в нем многочисленные опорные катки, механизмы натяжения и др.

Поэтому повышение эффективности универсально-пропашных тракторов пу-

тем замены ведущих колес верхнеприводными гусеницами при выполнении технологических операций является весьма актуальным.

Во втором разделе изложены теоретические предпосылки разработки сменного верхнеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков. Для исследования кинематики и динамики движителя (Патент № 2446974) на рисунке 1 представлена его конструктивно-технологическая

Основным свойством разрабатываемой конструкции является синтез упруго-весового натяжения гусеничного обвода, арочного, ротопедного и шагающего эффектов трехбалансирной подвески двух защемленных опорно-натяжных катков.

Весовое натяжение 23-х звенного гусеничного обвода обеспечивает ее растянутому опорному участку арочного эффекта - радиальное сжатие почвенных «кирпичей» (опорного ядра почвы под ними) перед их срезом (сдвигом) всего поверхностного слоя растянутым сектором опорного многоугольника гусеницы.

Шагающий эффект уменьшает колебания подрессоренной массы (является частью арочного).

Ротопедный эффект - это динамическое перераспределение подрессоренного веса и преобразование его в поступательное движение циклических процессов подъема и падения опорно-натяжных катков и защемляющих их звеньев перематываемой гусеницы.

Пунктирными линиями на рисунке 2 показано формирование опорного ядра в процессе деформирования почвы только подрессоренным весом, а основными линиями момент трогания с места. В статике план скоростей описывает симметричную эпюру под 7-ю звеньями, а в момент трогания под 6-ю.

На рисунке 3 при динамической перегрузке верхнеприводного гусеничного движителя (в момент отрыва заднего опорно-натяжного катка) эпюра результирующих нормальных скоростей деформации почвы тремя передними звеньями имеет форму прямоугольной трапеции с основанием ЗУ7.3 и Угб прямоугольного треугольника с задней вершиной в центре 7 над мгновенным центром вращения О, положением которого является дно борозды.

Образование арки или полуарки, сдавливающей ядро почвы, а не дробящее ее на «кирпичи», как в классическом гусеничном движителе, должно положительно сказываться на процесс буксования.

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема верхнеприводного гусеничного движителя и силы, действующие в нем

При исследовании кинематики качения гусеницы, защемляющей опорно-натяжные катки были разработаны планы мгновенных скоростей центров заднего и переднего опорно-натяжных катков и защемляющих их звеньев (рис.4) на ровной недеформируемой поверхности. Из этой кинематики следуют выводы:

1) В положениях а,г и в,е катки защемлены тремя, а в положениях б,д двумя звеньями. Характерной особенностью кинематики является «перескок» мгновенного центра вращения О' в центр О его переднего пальца.

2) Высота подъема и падения геометрического центра катка О^

Ь = (1)

3) Мгновенная скорость У7 (рис. 4, а) в начале выхода из контакта звена 7 и мгновенная скорость У23 (рис. 4, е) в конце входа звена 22 в контакт с опорной поверхностью не имеют продольных составляющих, противоположны и равны.

4)Период «подъем-падение» центров катков, а также изменение углов опрокидывания защемляющих их звеньев должно описываться параболической зависимостью (рис.5), причем при опрокидывании вокруг центра О первого опорного звена должно обеспечивать одинаковые цикловые углы опрокидывания:

б

1 -центра 0*1 переднего катка;

ю, =УДО,: =%

"Г -центра верхнего пальца верхнего защемляющего звена 22;

__д

I 2' -центра нижнего пальца верхнего защемляющего звена 23.

При исследовании динамики разработанного гусеничного движителя рассмотрен процесс формирования движущей силы.

Вес в остова трактора непрерывно передается через стойку и цапфу в центр 066 (рис. 1) равноплечей балансирной балки.

При ведущем моменте Мв=0 и контакте опорного участка с ровной горизонтальной поверхностью угол 01 наклона переднего балансира назад и угол р2 наклона заднего балансира вперед равны и обеспечивают равенство сил продольного сжатия балансиров

Я =- °г

1 совр, созР2 2' (2)

их продольных составляющих

рж1=о,5ед,=о,5ед3=рх2) (3)

растягивающих опорный участок гусеницы (обеспечивающих ее постоянное натяжение), и нормальных составляющих Б^вг в их сумме

01-из2=о. (4)

Рисунок 2 - Кинематическая модель формирования рас- Рисунок 3 - Кинематическая модель формирования растя-тянутыми опорными звеньями мгновенного центра вра- нутыми опорными звеньями динамически перегруженного -щения в разностороннем треугольнике опорного ядра движителя мгновенного центра вращения

к. 1»

деформируемой почвы

Рисунок 4 - Планы мгновенных скоростей центров заднего и переднего опорно-натяжных катков и защемляющих их звеньев: а-начало подъема центра О^; б-конец подъема; в-конец падения центра 0К2 с высоты; г-начало подъема центра 0К1; д-конец подъема; е-конец падения центра 0К1

Рисунок 5 - Период «подъем-падение» центра катка и защемляющих его звеньев

При этом пружина, имеющая жесткость с!=с2 и сжимаемая при малых значениях углов наклона балансиров (31= р2, не создает сил сгХ! и с2-х2 упругого натяжения опорной части, возникающих в процессе «перешагивания» коротких и высоких выступов.

Ведущий момент М„, подводимый трансмиссией в центр О ведущей «звездочки», преобразуется в окружную силу динамического натяжения верхнего переходного, заднего бесконтактного и заднего переходного («собираемого») ведущего участков гусеницы М.

Р.. =

(5)

При оптимальной длине гусеницы окружная сила Рко действует вперед и вверх под углом Ор, незначительно превышающим угол а2 заднего бесконтактного участка, а передняя часть верхнего переходного участка, передний бесконтактный и передний переходный участки растянуты весом. Продольная составляющая окружной силы

Ргах =М!..3тар^02-1ёр2 + с2-х2 (6)

го

поворачивает балансир заднего опорно-натяжного катка в сторону уменьшения угла р2, а нормальная составляющая

М,

Р =—^--соБа

(7)

переносит равную часть веса 02 с заднего катка на передний. Такой динамический перенос подрессоренного веса уменьшает продольную силу гравитационного (весового) сопротивления гусеницы «собиранию»

М.

Рх2=(0,5С-^-созар)1ёР2

(8)

и увеличивает продольную силу гравитационного (весового, «ротопедного») «расстилания»

Р5, =(0,50+^-0080^,. (9)

Го

Поэтому сумма продольных сил, формирующих движущую силу гусеницы,

М

К = Р., - + Р.» = (0,50 + ^ • созар)1ёР, -

м м

- (0,50--а- • соях.)^ + — • Бта .

Г0 г0

В результате исследований кинематики и динамики качения гусеницы разработана энергетическая модель гусеничного движителя (рис.6), получены формулы КПД заднего и переднего опорно-натяжных катков в моменты начала подъема-конца падения и конца подъема-начала падения.

Рисунок 6 - Энергетическая модель вращения заднего (силой Р2) и переднего (силой РхОопорно-натяжных катков: а- начала подъема центра 0'к2; б- конца подъема центра О'й; в- конца падения центра О'^; г- начала подъема центра 0'к]; д- конца подъема центра 0"К1; е- конца падения 0'к1

В момент начала подъема центра КПД заднего катка

л'

Пк2~м. М

о --в

В момент конца подъема и начала падения центра 0"2.

Э» . 1»

' т2 х2

М" р» .1» +р» .1»

п" - 2 _ х2 *> 1.1 ~ Х/Г--

М.

М.

(И)

В момент конца подъема центра СУ, КПД переднего катка

Лк! =

м: -ш'

Р" ,-V"

х xl * о

2 _

G,-tg(3,-ш.

•V"

G, ■ tgP, -<вк

- = 1.

г„ + -

• V"..

В момент начала подъема центра 0'к1

М'.„ 'йз',,

Ли! =

Р' V'

г х! v о

= 1--

1

(13)

(14)

2гк

Общий КПД верхнеприводного гусеничного движителя

Лг =Т1Й-Лк,- (15)

В третьем разделе рассмотрены программа и методики, которые применялись в экспериментальных исследованиях, используемые приборы, стандартное и нестандартное оборудование.

Программа экспериментальных лабораторных и полевых исследований включала: изготовление на основе разработанной кинематической схемы верхнеприводного гусеничного движителя его опытного образца; исследование кинематики качения гусеницы; исследование арочного, шагающего и ротопедного эффектов; подтверждение рабочей гипотезы о расширении номинального тягового усилия трактора класса 1,4 до тягового класса 2 и 3 на гусенично-колесном ходе, а также решающее влияние веса в образовании движущей силы; исследование и оценка^ра-боты пахотного МТА с гусенично-колесным трактором; выработка рекомендаций по практическому использованию гусенично-колесного хода на тракторах семейства

«Белорус».

Рисунок 7 - Опытный образец гусенично-колесного трактора МТЗ-82ГК с верхнеприводной гусеницей, трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков и весовым натяжением всех участков треугольного обвода: 1- звездочка со ступицей-переходником; 2-балансирная балка; 3- втулка; 4- ось качания; 5-стойка; 6-рукав; 7,8 -передний и задний балансиры; 9 - шарнир; 10-пружина; 11 - направляющая труба

Для обработки экспериментальных данных применялись программы MS Excel, КомпасЗО, InterVideo WinDVD Creator, Arpoc.

Трактор МТЗ-82 с отключенным передним мостом и установленным на нем опытным образцом сменного верхнеприводного гусеничного движителя представлен на рисунке 7.

Для изготовления конструкции основные детали предлагаемой конструкции взаимозаменяемы с деталями ходовых систем гусеничных тракторов тягового класса 3 современного производства (ДТ-75М, ДТ-175С, ВТ-100).

Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных методик, изложенных в ГОСТ и разработанных частных методиках исследований.

Сравнительные тяговые испытания проводились с привлечением специалистов и оборудования Кировской зональной МИС.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований. На рисунке 8 показано изменение углов Дф0;, Дерн, фи, и высоты подъема АЬ; переднего опорно-натяжного катка при качении гусеницы по ровной недеформи-руемой поверхности. Из этого рисунка определяем ЕДфц =53°44' и ЕДсря =50 19', что свидетельствует о мгновенном качении переднего опорно-натяжного катка на 3°. Центр катка совершает в процессе опрокидывания многоугольника вертикальные перемещения ЛИ;. Максимальный его подъем равен 11=9 мм.

Результаты измерений базы Ьб, среднего радиуса опорно-арочного участка гусеницы Ла, углов наклона переднего и заднего р2 балансиров и угла наклона переднего и заднего плеч балансирной балки у в режиме трогания с места на залежи представлены на рисунке 9.

Резкое уменьшение радиуса Яа опорно-арочного участка гусеницы наблюдалось в двух интервалах тяговых усилий Ркр: в интервале 0...5кН при трогании с места Иа уменьшался с 9,43 до 2,01 м (в 4,69 раза) и в интервале 23,3...24,8 кН в начале среза и сдвига поверхностного слоя уменьшался с 1,63 до 1,08 м (в 1,51 раза). При этом угол у наклона балансирной балки плавно увеличивался от 0 до 8,5 град, углы Р[ и р2 изменялись пропорционально. База Ьб уменьшалась с 1,014 до 0,98 метра.

Рисунок 8 - Изменение углов Дфщ, Рисунок 9 - Зависимость основных ки-Дфп, Фгь и высоты подъема 11! пе- нематических показателей гусеничного реднего опорно-натяжного катка движителя от тягового сопротивления

Такое изменение основных кинематических показателей трехбалансирной подвески верхнеприводной гусеницы с постоянным весовым и локальным динамическим натяжением обвода объяснимо только динамической активностью веса, действующего на передний каток и порождающего не только основную часть движущей силы, но и радиальное сжатие опорных слоев почвы с вероятностью их сдвига передними опорными звеньями гусеницы не назад, а вперед, то есть юз вместо возможного буксования задних опорных звеньев, дополнительно растягиваемых и поднимаемых окружной силой ЫJv динамического натяжения задней части гусеничного обвода.

Конструктивно знакопеременный угол поворота балансирной балки на цапфе, обеспечивающий подвеске и гусеничному обводу шагающий эффект, в процессе эксперимента не изменял знак, а его максимальное значение утах~ 8'31^ад возникало в процессе среза и сдвига опорно-арочного слоя залежи при Ркр-24,8 кН.

Таким образом, предполагаемые в теоретических предпосылках арочный, ро-топедный и шагающих эффекты разработанного гусеничного движителя в процессе нарастания тягового усилия до непреодолимого значения тягового сопротивления и полного буксования на месте трогания подтвердились. При этом:

- зависимость изменения базы гусеницы Ьб от тягового усилия Р^ достоверно описывается уравнением полинома второй степени

и = 1,0069+0,0093 Ркр-0,0023 Р^2. (16)

- изменение углов р, и р2 происходит пропорционально, а в рабочем диапазоне тяговых усилий по линейному закону. Их сумма остается практически постоянной и равной 69±1 градусов.

Изменение угла Р1 от тягового усилия Ркр достоверно описывается уравнением полинома третьей степени 3 /ПЧ

р, =34,66- 1,6148 Р^ + 1,6919 Ркр2 -0,2147 Ркр3. (17)

Изменение угла р2 от тягового усилия Р^ достоверно описывается уравнением полинома третьей степени

р2= 32,747+3,7972Р.Ф - 2,2576 Ркр2+0,2509 Ркр3

(18)

б

10"3М

Рисунок 10 - Зависимость сопротивления сдвигу Рсдв от деформации сдвига 1- Р1 = 0.0161 МПа, а=0°; 1'- Р, = 0,0161 МПа, а=20°; 2- Р2 = 0,0208 МПа, а=0°; 21- Р2 = 0,0208

лдгто —та0

1«1Х1и, и ' •*

"2 Т> — П ПП О Л4ГТо г<=Ои

- х 3 --XtAJ.it*, о.

- зависимость изменения угла у от тягового усилия Р^ достоверно описывается уравнением полинома третьей степени

у = 0,29- 0,8576Ркр - 0,5045Ркр2-

-0,0236 Ркр3. (19)

- зависимость изменения радиуса арки

от тягового усилия Р^ достоверно описывается уравнением полинома пятой степени

=46,31- 64,256 Ркр + 35,838 Р*/--9,66 Ркр3+ 1,2621 Ркр-0,0642 Ркр5. (20) Из рисунка 10 следует, что с увеличением нормального давления на трак сопротивление сдвигу увеличивается во всех вариантах опыта. У звена, наклоненного на 20 градусов, сопротивление сдвигу больше чем у горизонтально расположенного: при Р1 = 0,0161 МПа на 27 % (0,64 кН против 0,88 кН); при Р2 = 0,0208 МПа на 22% (1,09 кН против 1,4 кН); при Р3 = 0,0228 МПа на 25 % (1,18 кН против 1,57 кН).

4.Т1ХАИ) «Я -V- } - — ^ -г

ъ'- Р3 = 0,0228 МПа, а=20°

При максимально возможном сопротивлении сдвигу 1,57 кН обе арки будут обеспечивать реализацию продольной силы по сцеплению не менее 1,57-7-2=22кН. По результатам предварительньгх государственных сравнительных тяговых испыта-

ний колесного и гусенично-колесного тракторов МТЗ-82 (с отключенным передним мостом) на стерне можно сделать следующие выводы (рис.11):

1. Максимальное тяговое усилие увеличилось на 44 % (с 17,2 кН при 5=30 % у колесного до 24,8 кН при 6=15 % гусенично-колесного).

2. Максимальная тяговая мощность увеличилась на 13 % (с 34,8 кВт у трактора МТЗ-82 на колесном ходу на VI передаче при скорости 10,2 км/ч до 39,4 кВт у трактора МТЗ-82 на гусенично-колесном ходу на VII передаче при скорости 7,09 км/ч).

3. Удельный тяговый расход топлива при максимальной тяговой мощности снизился на 11 % с 0,388 кг/кВтч до 0,344 кг/кВт'ч.

4. Условный тяговый КПД при максимальной тяговой мощности увеличился с 0,59 до 0,67.

5. Диапазон рабочих скоростей снизился с 6,84-10,2 км/ч (при Рк„: 16,4-12,3 кН) до 5,00-7,09 км/ч (при Ркр: 23,7-20,0 кН).

6. Повысился коэффициент использования эксплуатационного веса (по ГОСТ 27021-86) с 0,321 у колесного до 0,52 у гусенично-колесного.

7. Максимально возможное реализуемое тяговое усилие трактора по сцеплению Ркр=25,6 кН, что согласуется с результатами лабораторных исследований по определению сдвиговых характеристик.

8. Коэффициент буксования 8 колесного и гусенично-колесного тракторов имеет существенно разный характер изменения, свидетельствующий о том, что посредством ротопедного эффекта трехбалансирная подвеска заставляет работать собственный подрессоренный вес трактора.

В результате исследований по формированию движущей силы гусеницей на пятой передаче получены

графические и аналитические зависимости. Зависимости углов наклона балансиров рь р2 и ведущего участка гусеницы ар от тягового усилия представлены на рисунке 12.

Из графика видно, что с увеличением тягового усилия с 5 до 25 кН угол р3 увеличивается с 36,6 до 44,6 градусов, а углы р2 и Ор уменьшаются пропорционально друг другу: р2с 32,5 до 24,9 градусов, а ар с 29,7 до 21,2 градусов.

Изменение углов рь р2 и ар от тягового усилия Ркр достоверно описывается уравнениями:

р1=34,27+0,425Ркр, (21)

Рг= 34,62-0,410Ркр, (22)

Ор = 32,31-0,464Р,ф. (23)

Зависимость ведущего момента М„ на полуосях трактора от тягового усилия на пятой передаче представлена на рисунке 13. Изменение ведущего момента Мв от тягового усилия Ркр достоверно описывается уравнением

М„= 0,222+0,3548Р,ф-0,016Р2кр. (24)

На рисунке 14 показаны зависимость сил, действующих в гусеничных движителях, от тягового усилия Ркр. Во всем диапазоне Ркр отмечается увеличение перераспределения веса между катками (уменьшение G2 и увеличение Gi), а, следовательно, увеличение силы Рх] и уменьшения Ptí. Поскольку увеличивается М„ возрастает и Рк0 и Ркох-

Изменение сил в гусеничных движителях от тягового усилия Ркр достоверно

описывается уравнениями:

15,24+0,881 Ркр -0,040 Р2кр; С2= 14,35-0,881 Р^+0,040?%; Рко=0,627+0,999 Р^ -0,047 Р2кр; Ркох=0,471+0,472 Ркр -0,024 Р2 ■ РХ1=9,298+1,098 Р„„ -0,049 Р",

Р^,968-0,733 Ркр +0,030 Р2кр.

I

кр> кр>

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

Рисунок 12 -Изменение углов Рь

Рг и ор от тягового усилия Ркр

/

/

> /

У

✓

10 12 14 16 18 20 22 24 Ш 28

10 15 р*р "

кН 25

Рисунок 11 -Тяговые характеристики тракторов МТЗ-82 (----) и МТЗ-82ГК (-)

Рисунок 13 -Изменение ведущего момента Мв от тяго-

Ротопедная (весовая) сила РХ1 в движущей силе гусеницы составляет более 50%, что подтверждает теоретические предпосылки. Ошибка опытов не превысила 14%, что подтверждает сходимость результатов.

Таким образом, ротопедный эффект в разработанной конструкции- это динамическое перераспределение подрессоренного веса и преобразование его в поступательное движение опорно-натяжных катков циклических процессов подъема и падения при опрокидывании опорно-защемляющих звеньев перематываемой гусеницы.

На стерне и чистом пару не выявлено статистически значимой разницы уплотняющего воздействия колесного и гусенично-колесного трактора.

Напряжение в почве от гусенично-колесной ходовой системы на глубине 0,5 м не превышает 50 кПа.

Рисунок 14 - Зависимость сил, действующих в гусеничных движителях от тягового усилия Ри,

МТЗ-82ГК работает с плугом ПЛН-4-35 и его работа эффективна при средней и глубокой вспашке. При мелкой вспашке (до 0,18м) его работа неэффективна. Повышение энергетического КПД гусенично-колесного трактора в сравнении с колесным при вспашке тяжело суглинистой почвы на глубину 0,23 м составляет с 0,14 до 0,19. На основе полевых исследований пахотного МТА МТЗ-82ГК+ПЛН-4-35 была разработана номограмма для определения необходимого балласта ^RcxM.Gnp).

При работе с КПС-4 в сравнении с МТЗ-80 у МТЗ-80ГК 1Ъ=0,175 против 0,185, GT=11,2 кг/ч против 12,8 кг/ч при Vp=6,7 и 8,1 км/ч, что является неэффективным. При работе в агрегате с КПС-4+4БЗСС-1,0 МТЗ-80 оказывается неработоспособным, МТЗ-80ГК работает при Vp =6,34 км/ч, GT =13,7 кг/ч, ть =0,16. При работе с РВК-3,6 в сравнении с МТЗ-80 у МТЗ-80ГК Птэ=0,17 против 0,16, GT =10,4 кг/ч против 11,9 кг/ч при статистически незначимой разнице в Vp=7,67 и 7,37 км/ч.

В пятой главе рассчитана экономическая эффективность использования гусе-нично-колесного трактора МТЗ-82ГК. Экономия удельных эксплуатационных затрат денежных средств на вспашку 1 га зяби на глубину 0,23 м при использовании трактора МТЗ-82ГК составляет 227 руб./га в сравнении с МТЗ-82.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Разработана конструктивно-технологическая схема сменного верхнеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков и на ее основе изготовлен опытный образец. Разработаны и подтверждены экспериментально кинематические модели качения по почве гусеницы, защемляющей опорно-натяжные катки.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено формирование движущей силы в верхнеприводном гусеничном движителе, получены аналитические зависимости (5)-(10) для ее определения. Доля подрессоренного веса (ротопедной составляющей движущей силы), участвующего в образовании движущей силы, составляет более 50%. Оптимальными значениями параметров для получения наибольшей движущей силы на стерне является: Pi=43,86°; рг=25,68 ; ар=22,27 ; Мв=4,6кН-м при G и r0 const. Ha основе опытных данных по кинематике и динамике построен график мгновенных значений КПД опорно-натяжных катков. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены арочный, шагающий и ротопедный эффекты; получены аналитические зависимости изменения параметров движителя L6 (16), Pi(17), р2(18), у (19) и Ra (20) от Ркр.

3. На двух агрофонах (стерня и чистый пар) не выявлено статистически значимой разницы уплотняющего воздействия колесного и гусенично-колесного

1.

трактора: плотность в следах при Р,ф=0 составляла: на чистом пару соответственно 1,37 и 1,36 1 03 кг/м3; на стерне 1,42 и 1,40-Ю3 кг/м3; глубина следов 0,075 и 0,07 м. Напряжение в почве от гусенично-колесной ходовой системы на глубине 0,5 м не превышает 50 кПа.

4. Результаты предварительных государственных сравнительных тяговых испытаний трактора МТЗ-82 на стерне при замене ведущих колес верхнеприводными гусеницами показали: увеличение максимального тягового усилия на 44% с 17,2 кН у колесного до 24,8 кН у гусенично-колесного, номинального на 57,5% соответственно с 13,5 кН до 23,5 кН при допустимом буксовании движителей; увеличение максимальной тяговой мощности у гусенично-колесного трактора на 13 %; увеличение условного тягового КПД с 0,59 до 0,67; снижение на 11 % удельного тягового расхода топлива при максимальной'тяговой мощности с 0,388 кг/кВт-ч у колесного до 0,344 кг/кВт-ч у гусенично-колесного трактора; снижение диапазона рабочих скоростей с 6,84-10,2 км/ч у колесного до 5,00-7,09 км/ч у гусенично-колесного трактора, увеличение коэффициента использования эксплуатационного веса с 0,321 у колесного до 0,52 у гусенично-колесного.

5. В результате хозяйственных испытаний разработана номограмма /-=f(RcxM,Gnp) для определения необходимой массы противовесов для гусенично-колесного трактора. Выявлено: МТЗ-82ГК работает с плугом ПЛН-4-35, причем повышение энергетического КПД гусенично-колесного трактора в сравнении с колесным с 0,14 до 0,19 при вспашке тяжело суглинистой почвы на глубину 0,23 м. При работе с КПС-4 в сравнении с МТЗ-80 у МТЗ-80ГК ть:=0,175 против

0.185. GT=11,2 кг/ч против 12,8 кг/ч при Vp=6,7 км/ч и 8,1 км/ч, что является неэффективным. При работе в агрегате с КПС-4+4БЗСС-1,0 МТЗ-80 оказывается неработоспособным, МТЗ-80ГК работает при Vp =6,34, GT=13,7 кг/ч, гь=0,16. При работе с РВК-3,6 в сравнении с МТЗ-80 у МТЗ-80ГК ть=0,17 против 0,16, Gt=10,4 кг/ч против 11,9 кг/ч при статистически незначимой разнице в Vp=7,67 и 7,37 км/ч.

6. Экономия удельных эксплуатационных затрат при вспашке 1 га зяби тяжело суглинистой почвы на глубину 0,23м трактором МТЗ-82ГК составляют 227 руб/га в сравнении с МТЗ-82. Общая трудоемкость переоборудования колесного трактора на гусенично-колесный ход составляет 2,46 чел-ч.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ:

1. Лопарев, А.А.Формирование движущей силы в движителе с верхнеприводной гусеницей, трехбалансирной подвеской двух защемленных опорно-натяжных катков и весовым натяжением всех ветвей треугольного обвода [Текст] /A.A. Лопарев, В.И.Судницын, А.С.Комкин, М.Х.Фасхутдинов// Аграрная наука Евро-Северо-Востока. Научный журнал Северо-Восточного регионального научного центра Рос-сельхозакадемии.- 2011.-№1(20).-С. 67-70.

2. Лопарев, A.A. Гусенично-колесный «Белорус» [Текст]/А.А.Лопарев, В.И.Судницын, А.С.Комкин// Сельский механизатор, 2011-№2, С 40

3. Лопарев, A.A. Сравнительные тяговые испытания трактора МТЗ-82 на колесном и гусенично-колесном ходу [Текст]/ A.A. Лопарев, А.С.Комкин, М.В.Панчошный//Тракторы и сельхозмашины.-2011.-№11.-С 31-32

4. Лопарев, А.А.Энергетическая модель процесса качения верхнеприводного гусеничного движителя [Текст]/ A.A. Лопарев, А.С.Комкин, В.И.Судницын //Тракторы и сельхозмашины.- 2012. - №9. - С 29-32.

Патент:

5. Пат. 2446974 Российская Федерация, МПК B62D 55/04. Тележка гусеничная сменная для транспортного средства [Текст] / Лопарев A.A., Судницын В.И., Ком-кин A.C. и др. -№2010125384/11; заявл. 21.06.2010; опубл. 27.12.2011, Бюл. №36.

Статьи в других изданиях:

6. Комкин, A.C. Колесо или гусеница? [Текст]/А.С. Комкин //Науке нового века - знания молодых. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей, посвященной 80-летию Вятской ГСХА: Сборник научных трудов. В Зч. 4.II. Биологические науки, ветеринарные науки, технические науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - С. 166-168.

7. Комкин, А.С.Повышение эксплуатационных свойств автомобилей и тракторов путём применения комбинированных движителей [Текст]/А.С.Комкин// Науке нового века - знания молодых. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей, посвященной 80-летию Вятской ГСХА: Сборник научных трудов. В Зч. Ч.И. Биологические науки, ветеринарные науки, технические науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - С. 168-171.

8. Комкин, А.С.Методика проведения исследований воздействия трактора МТЗ-82ГК на почву [Текст]/ A.C. Комкин // Науке нового века - знания молодых. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей: Сборник научных трудов. В Зч. 4.II. Биологические, ветеринарные и технические науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2011. - С. 116-119.

9. Комкин, А.С.Методика исследования арочного эффекта движителя с верхнеприводной гусеницей, трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков [Текст]/ A.C. Комкин - Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 62-й международной научно-практической конференции: в 3 т. -Кострома: КГСХА, 2011. - С. 72-74.

10. Лопарев, А.А.Использование собственного веса колесного неполнопри-водного трактора класса 1,4 для расширения его тягового диапазо-на[Текст]/А.А.Лопарев, А.С.Комкин- Materialy VIII mezinarodni vedecko-prakticka conference «Veda a technologie: krok do budoucnosti-2012». - Dil 32. Zemedelstvi. Zve-rolekarstvi: Praha. Publishing House «Education and Sciece» s.r.o. - 14-17 stran.

11. Лопарев, А.А.Кинематика качения гусеница трактора МТЗ-82 ГК с весовым натяжением обвода на горизонтальной ровной недеформируемой поверхности [Текст]/ A.A. Лопарев, В.И.Судницын, А.С.Комкин - Вестник НГИЭИ. Серия технические науки. -2012. -№4 (11). - С 152-156.

12. Комкин, A.C. Некоторые аспекты агротехнической проходимости трактора МТЗ-82 ГК [Текст]/ А.С.Комкин - Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. XIII/ Map. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2011. - С. 205-206.

13. Лопарев, А.А.Результаты исследования по формированию движущей силы тяги в движителе с верхнеприводной гусеницей, трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков и весовым натяжением всех ветвей треугольного обвода

[Текст]/ АЛ. Лопарев, А.С.Комкин, М.Х.Фасхутдинов - Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы IV Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2011.-Вып.12. - С. 73-78.

14.Комкин, А.С.Некоторые результаты исследования арочного эффекта движителя трактора МТЗ-82ГК [Текст]/ А.С.Комкин - Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы IV Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2011.-Вып.12. - С. 52-53.

Условные обозначения

МТА-машинно-тракторный агрегат; К(Ф)Х-крестьянско-фермерское хозяйство; СХПК-сельскохозяйственный производственный кооператив; ротопедный-от изобретения Ю.Мацкерле «ротопед» (вращающаяся нога); Рко - окружная сила динамического натяжения ведущего участка, кН; М„ - ведущий момент на полуоси, кНм; Ркох - продольная составляющая силы Рко, кН; Рх1 - продольная сила действия веса Gi, кН; Рх2 - продольная сила действия веса G2, кН; го- радиус начальной окружности «звездочки», м; 1-23 - номера звеньев; гк- радиус обода опорно-натяжного катка; 1^= гст- статическая высота центра «звездочки» над опорным участком гусеницы; he- статическая высота центра цапфы подвески балансирной балки над опорным участком гусеницы; 1оп - статическая длина опорного участка гусеницы; 16б- длина балансирной балки; Pi и Рг- углы наклона переднего и заднего балансиров; ах и смуглы наклона переднего и заднего участков гусеницы; yiH углы у2 ~ наклона переднего и заднего плеч балансирной балки; Lr- продольная база гусеницы; ciXi и с2х2 -параметры пружины; Gt и G2 - вес, действующий соответственно на передний и задний опорно-натяжной каток; G - вес, приходящийся на гусеничный движитель; АЦП-аналого-цифровой преобразователь; ЦРМ-центральная ремонтная мастерская Vp - рабочая скорость, км/ч (м/с); N^ - тяговая мощность, кВт; GT - часовой расход топлива, кг/ч; gKp - удельный тяговывый расход топлива, кг/кВтч; пдв - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин"1; 5 - буксование; X - коэффициент нагрузки ведущих колес (гусениц); R«*, - тяговое сопротивление орудия; Gnp - масса противовесов, кг.

Заказ № Подписано к печати 43,Н. 2013 г. Объем 1,0 пл. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Цена договорная. 610017, Киров, Вятская ГСХА, Октябрьский проспект, 133. Отпечатано в типографии ВГСХА, г. Киров, 2013 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ВЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

04201450822

На правах рукописи ч

КОМКИН АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УНИВЕРСАЛЬНО -ПРОПАШНЫХ ТРАКТОРОВ ТЯГОВОГО КЛАССА 1,4 ПУТЕМ ЗАМЕНЫ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ВЕРХНЕПРИВОДНЫМИ

ГУСЕНИЦАМИ

05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Лопарев Аркадий Афанасьевич доктор технических наук, доцент

Киров-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 6

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................... 14

1.1 Природно-климатические и производственные условия использования тракторов в Кировской области......................................................... 14

1.2 Анализ путей повышения тягово-сцепных свойств колесных тракторов....................................................................................... 19

1.3 Обзор комбинированных гусенично-колесных ходовых систем.............. 29

1.4 Сравнительный анализ колесного и гусеничного движителей................ 36

1.5 Взаимодействие гусеничного движителя с опорным основанием............ 38

1.6 Цель и задачи исследования........................................................... 47

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ СМЕННОГО ВЕРХНЕПРИВОДНОГО ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ........................ 50

2.1 Конструктивно-технологическая схема, основные параметры и свойства разрабатываемого движителя............................................... 50

2.2 Кинематика качения гусеницы, защемляющей опорно-натяжные

катки........................................................................................... 55

2.3 Кинематическая модель формирования арки в деформируемой

почве растянутыми опорными звеньями гусеницы................................ 60

2.4 Формирование движущей силы в верхнеприводном гусеничном движителе с трехбалансирной подвеской............................................. 67

2.5 Энергетическая модель процесса качения верхнеприводной гусеницы, защемляющей опорно-натяжные катки................................... 70

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................ 79

3.1 Программа экспериментальных исследований.................................. 79

3.2 Объект исследований, измерительные приборы, устройства и оборудование................................................................................ 79

3.3 Характеристика и особенности нестандартных приборов и приспособлений, использованных при исследованиях.............................. 83

3.3.1 Месдозы для замера напряжений в почве................................................................................83

3.3.2 Датчик измерения углов наклона переднего и заднего балансиров..............................................................................................................................................................................84

3.3.3 Тензонавеска конструкции ВИСХОМ........................................................................................85

3.3.4 Расходомер топлива....................................................................................................................................86

3.3.5 Приспособление для получения сдвиговых характеристик почвы..................88

3.4 Тарировка приборов........................................................................................................................................88

3.4.1 Тарировка месд оз............................................................................................................................................88

3.4.2 Тарировка датчика измерения углов наклона переднего

и заднего балансиров................................................................................................................................................90

3.4.3 Тарировка расходомера топлива......................................................................................................90

3.4.4 Тарировка полуоси на крутящий момент..................................................................................90

3.5 Методика экспериментальных исследований..........................................................................91

3.5.1 Методика лабораторных исследований кинематики качения гусеницы по ровной недеформируемой поверхности................................................................91

3.5.2 Методика лабораторных исследований арочного и шагающего эффектов..............................................................................................................................................................................93

3.5.3 Методика лабораторных исследований по определению сдвиговых характеристик почвы..............................................................................................................................................94

3.5.4 Методика проведения сравнительных тяговых испытаний колесного и гусенично-колесного тракторов....................................................................................94

3.5.5 Методика полевых исследований по формированию движущей силыи и ротопедного эффекта......................................................................................................................96

3.5.6 Методика полевых исследований МТА на базе гусенично-колесного трактора................................................................................................................................................98

3.5.7 Методика оценки уплотняющего воздействия гусенично-колесного трактора на почву....................................................................................................................................................99

3.5.8 Методика определения влажности, плотности и твердости почвы..........101

3.6 Методика обработки опытных данных........................................................................................103

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................................................105

4.1 Лабораторные исследования кинематики качения гусеницы по ровной недеформируемой поверхности..................................................................................................................105

4.2 Лабораторные исследования арочного и шагающего эффектов..........................107

4.3 Лабораторные исследования по определению сдвиговых характеристик почвы......................................................................................................................................................................115

4.4 Результаты сравнительных тяговых испытаний колесного и гусенично-колесного тракторов................................................................................................................117

4.5 Результаты полевых исследований по формированию движущей

силы и ротопедного эффекта........................................................................................................................120

4.6 Результаты полевых исследований МТА на базе гусенично-колесного трактора..............................................................................................................................................................................128

4.6.1 Результаты полевых исследований МТА МТЗ-82ГК+ПЛН 4-35....................128

4.6.1.1 Баластирование МТЗ-80/82ГК при работе с плугом ПЛН-4-35....................129

4.6.2.2 Оценка эффективности пахотных МТА............................................................................135

4.6.2 Результаты полевых исследований МТА МТЗ-80ГК+КПС-4..............................138

4.6.3 Результаты полевых исследований МТА МТЗ-80ГК+РВК 3,6........................140

4.7 Результаты полевых исследований уплотняющего воздействия

на почву гусенично-колесного трактора..........................................................................................141

5 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРОВ МТЗ-80/82 С ВЕРХНЕПРИВОДНЫМИ

ГУСЕНИЦАМИ ВМЕСТО ЗАДНИХ ВЕДУЩИХ КОЛЕС..............................................149

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................................................................................152

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................................171

Приложение А. Патент на изобретение..............................................................................................172

Приложение Б. Техническая характеристика цифрового

многоканального самописца «S-Recorder-Е»..................................................................................175

Приложение В. Техническая характеристика динамографа (весового

индикатора R 320)......................................................................................................................................................176

Приложение Г. Техническая характеристика видеокамеры Panasonic

NV-GS27....................................................................................... 177

Приложение Д. Технические средства измерения при проведении

исследований.................................................................................. 178

Приложение Е. Тарировочный график месдоз...................................... 179

Приложение Ж. Тарировка датчика для записи углов наклона балансиров 180

Приложение 3. Тарировочный график расходомера топлива....................... 181

Приложение И. Тарировка крутящего момента полуоси........................... 182

Приложение К. Условия проведения сравнительных тяговых испытаний...... 183

Приложение JI. Технические характеристики тракторов МТЗ-82 и

МТЗ-82ГК.................................................................................. 184

Приложением. Статистическая обработка экспериментальных данных по кинематике качения гусеницы по ровной недеформируемой

поверхности.................................................................................. 185

Приложение Н. Статистическая обработка экспериментальных данных

по арочному эффекту...................................................................... 189

Приложение О.Тяговые характеристики тракторов МТЗ-82 и МТЗ-82ГК..... 193

Приложение П. Результаты обработки экспериментальных данных

по формированию движущей силы..................................................... 194

Приложение Р. Операционно-технологическая карта на установку

сменного гусеничного движителя на трактор МТЗ-82.............................. 197

Приложение С. Показатели энергетической оценки пахотных МТА 198

Приложение Т. Статистическая обработка экспериментальных данных

показателей работы МТА................................................................. 201

Приложение У. Оценка качества обработки почвы................................. 210

Приложение Ф. Результаты статистической обработки опыта по изучению

уплотняющего воздействия тракторов................................................. 226

Приложение X. Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы................................................................... 230

ВВЕДЕНИЕ

Главной задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение населения продуктами питания и сырьем для различных отраслей промышленности.

Решение данной задачи невозможно без крепкой технической базы, прежде всего без мощного тракторного парка.

Доминантной тенденцией последних десятилетий в мировом тракторостроении является увеличение энергонасыщенности тракторов с целью повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве. В тоже время реальное повышение производительности непропорционально росту энергонасыщенности. Загрузка тракторных двигателей по мощности не превышает 50-60% [19,31]. В настоящее время наличие в машинно-тракторном парке (МТП) крупных хозяйств энергонасыщенных тракторов тяговых классов 5...8 позволяет выполнять работы в заданные агротехнические сроки. В тоже время, обладая высокой производительностью, такие тракторы имеют существенные потери энергии на самопередвижение по полю (до 60...80 кВт) и высокое удельное давление движителей на почву из-за большой эксплуатационной массы (20...25 т), что снижает эффективность их применения на некоторых технологических операциях [66].

Поэтому на предприятиях АПК необходимо сохранять тракторы различного тягового класса и обеспечивать повышение их эффективной работы. В сложившейся рыночной ситуации, особенно для малых и средних форм хозяйствования, данное условие выполнить невозможно, поэтому необходимо гибкое маневрирование техникой, оперативная ее перестройка с одной работы на другую. Практика показывает, чем меньше в МТП хозяйства тракторов разных тяговых классов и марок, тем дешевле их эксплуатация, ниже себестоимость сельскохозяйственной продукции.

В сельскохозяйственном производстве основная обработка почвы забирает на себя до 40% энергетических и 25% [133] трудовых ресурсов всего АПК, до

49% [133] общего расхода ГСМ. На плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур влияет качество обработки почвы. Урожайность при прочих равных условиях на 25% [133] зависит от качества обработки почвы, более 50% от сорта возделываемой культуры и на 25% от удобрений. На Северо-востоке европейской части России традиционная технология обработки почвы (лущение, вспашка, культивация, боронование, прикатывание) останется доминирующей на протяжении еще 25 лет [88,136].

Ресурсосберегающие технологии и инновационное развитие АПК обязывают пересмотреть концепцию тракторостроения и трактороиспользования, перейти от увеличения энергонасыщенности тракторов к новому качеству МТА и более эффективной организации механизированных работ. В период длительной стагнации АПК мощность тракторов в МТП должна быть меньше мощности в сравнении с периодом его развития. Поэтому следует максимально использовать возможности трактора, загружая его более полно [99]. Для реализации этой задачи возможны два пути: повышение загрузки совмещением операций или увеличение доли работ с высокой степенью загрузки двигателя. Для обеспечения первого пути оптимизировать конструкцию и ширину захвата шлейфа сельскохозяйственных машин, эксплуатационную массу трактора (с соблюдением агротехнической проходимости) и их рабочую скорость (с учетом требоаний агротехники) с целью достижения максимальной производительности и минимального расхода топлива. Второй путь приведет к снижению универсальности тракторов. Поэтому лучший результат может дать совмещение указанных направлений в оптимальном соотношении. В сельском хозяйстве России традиционно высок спрос на колесные тракторы тяговых классов 1,4 и 2 с мощностью двигателя 50-100 кВт производства Минского тракторного завода. Они широко используются, в том числе, на энергоемких технологических операциях по обработке почвы, особенно в настоящее время в связи с уменьшением посевных площадей и разукрупнением хозяйств [133].

В области энергоресурсосбережения, повышения тягово-сцепных свойств и проходимости колесных транспортных и мобильных энергетических средств

основополагающими являются работы Я.С. Агейкина [2], В.П.Горячкина [36], В.Н.Болтинского [16,17,18], В.В. Кацыгина [70,71,72], А.М.Кононова [85,87], В.М.Кряжкова [95,96,97], М.И.Ляско [114,115], В.А. Скотникова [157, 158], И.И. Водяника [25,26,27,28,29,30], И.П.Ксеневича [98,99,101,102], В.В.Гуськова [48,49,50,51,52,53,54]. Труды этих ученых получили развитие в исследованиях Г.М.Кутькова [104,105], Ф.Ф.Мухамадьярова [128,131,156], А.И.Орды [69,73,134], А.А.Лопарева [110,130], C.B. Щитова [174] и многих других.

За последнее двадцатилетие объем производства продукции АПК России упал вдвое; снизилось материально-техническое оснащение [120]. Начиная с середины 1990-х годов списание основных фондов в 4...5 раз происходит быстрее их ввода [120]. При этом сокращение парка тракторов всех марок произошло в 2,38 раза. Большая часть вновь образованных мелких и средних сельхозтоваропроизводителей не в состоянии обработать прежние площади, оставшиеся от распада крупных хозяйств, так как не имеет возможности содержать тракторы разных тяговых классов. В основном имеются колесные универсально-пропашные тракторы тягового класса 1,4 семейства «Белорус». Поэтому возникает задача использования этих тракторов на всех видах сельхозяйственных работ.

Степень разработанности темы. В настоящее время для работы колесных тракторов тягового класса 1,4 в тяжелых почвенных условиях (в весенний и осенний периоды), особенно на энергоемких операциях, разработаны различные движители и средства для повышения их тягово-сцепных свойств. Однако в большинстве случаев они не обеспечивают должный прирост тяговой мощности и топливной экономичности. Поэтому данный вопрос требует дальнейших теоретических обоснований и новых оптимизационных решений и методов.

Исследования, на основе которых подготовлена данная диссертация, выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ в ФГБОУ ВПО «ВятскаяГСХА» (№ 01.2.006 09894).

Актуальность темы исследований подтверждена одобренной Президиумом Россельхозакадемии (протокол №10 от 9 октября 2008 г) «Стратегией машинно-

технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года», которая предусматривает, в частности, по сельскохозяйственным тракторам, создание сменных колесно-гусеничных ходовых аппаратов.

Цель исследования. Целью исследования является повышение эффективности универсально-пропашных тракторов тягового класса 1,4 путем замены ведущих колес верхнеприводными гусеницами.

Задачами исследования являются:

1. Разработать конструктивно-технологическую схему верхнеприводного гусеничного движителя с трехбалансирной подвеской двух опорно-натяжных катков и на ее основе изготовить опытный образец. Разработать кинематические модели качения по почве гусеницы, защемляющей опорно-натяжные катки.

2. Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить формирование движущей силы гусеницей, выявить оптимальное сочетание показателей движителя для получения ее наибольших значений. Синтезировать скоростные и силовые показатели верхнеприводной гусеницы в энергетическую модель.

3. Теоретически обосновать и практически исследовать арочный, шагающий и ротопедный эффекты трехбалансирной подвески разработанного гусеничного движителя. Оценить воздействие гусенично-колесного трактора на почву.

4. Определить тяговые показатели трактора МТЗ, оборудованного опытными гусеничными движителями вместо ведущих колес в сравнении с колесным трактором.

5. Экспериментально определить и произвести энергетическую оценку основных показателей работы МТА (с ПЛН-4-35, КПС-4 и РВК-3,6) на базе гусенично-ко