автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка нефрикционных высокомоментных вариаторов сельскохозяйственных машин

На правах рукописи

ПЫЛАЕВ Борис Васильевич

РАЗРАБОТКА

НЕФРИКЦИОННЫХ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ВАРИАТОРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 ^ ФЕВ 2013

Москва - 2012

005049738

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

(ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный консультант - Ерохин Михаил Никитьевич,

академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина», президент

Официальные оппоненты: Девянин Сергей Николаевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили»

Лобачевский Яков Петрович,

доктор технических наук, профессор ГНУ «Всеросийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства», заместитель директора по развитию и инновациям

Чепурной Анатолий Иванович,

доктор технических наук, старший научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика»

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва»

Защита состоится 4 марта 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, Лиственничная аллея, 16а, корп. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ Автореферат разослан « ^ » - 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ______" ' А.С. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сельскохозяйственные машины работают в условиях бездорожья с различным почвенным фоном при выполнении сельскохозяйственной операции с нестационарными кинематическими и динамическими характеристиками. Энергия двигателя расходуется на перемещение машины в условиях плохой проходи' мости, и одновременно на обеспечение эффективного сельскохозяйственного технологического процесса.

Рассматривая мобильную машину с выполняемой ею сельскохозяйственной операцией как машинный агрегат (МА), находим, что важной проблемой для МА является эффективный способ передачи механической энергии от двигателя к потребителю (рабочему органу).

Любой машинный агрегат (МА) содержит три основных элемента (рис. 1): двигатель, рабочий орган (потребитель) и связывающий их кинематико-динамический преобразователь (КДП). КДП должен обеспечивать передачу механической энергии от двигателя к потребителю «требуемого качества».

Развиваемые двигателем момент и мощность функционально связаны со скоростью вала двигателя скоростной характеристикой. По В.П. Горячкину, оптимальной для потребителя является скоростная характеристика, имеющая гиперболический характер для момента при постоянной потребляемой мощности. Такую характеристику имеет «Двигатель постоянной мощности» (ДПМ). Реально достижимая оптимальная характеристика имеет столовый момент М& при нулевой скорости вала, обеспечивающий работу в «стоп-режиме». Это важнейшее свойство, необходимое для режима разбега МА и эффективной работы в динамическом режиме, характерном для сельскохозяйственных операций.

Сказанное даёт основание для двух направлений совершенствования МА — это создание новых двигателей или КДП.

Используемые в сельскохозяйственной технике двигатели внутреннего сгорания (ДВС) принципиально не способны как паровой двигатель обеспечить «стоп-режим» без специальных КДП из-за неработоспособности при малых скоростях коленвала. Он, из-за плохих скоростных характеристик, требует достаточно сложного и дорогого КДП: фрикционная муфта с коробкой передач; гидротрансформатор; объёмная гидротрансмиссия; электротрансмиссия.

Следует отметить, что при переключении коробки передач происходит прерывание подачи энергии, а в фрикционной муфте и в гидропередачах потери энергии более 20 %, электротрансмиссия металлоёмка и имеет высокую стоимость.

Выше изложенное подчёркивает необходимость создания дешёвого, экономичного, надёжного и компактного механического вариатора, плавно изменяющего скорость и момент без прерывания передаваемой мощности, и обеспечивающего «стоп-режим».

Высокомоментным вариатором (ВМВ) будем называть вариатор, конструкция которого позволяет эффективно передавать мощность более 50 кВт, при приемлемом значении коэффициента неравномерности и КПД.

Из двух разновидностей вариаторов (фрикционные и нефрикционные) первые в данной работе не рассматриваются, так как в них передача вращения осуществляется силами трения (касательными силами) для создания которых контактная нагрузка между фрикционными парами должна быть в 10...25 раз выше рабочей, что является препятствием к созданию фрикционных ВМВ.

Широко используемые в сельскохозяйственной технике фрикционные клиноремён-ные вариаторы имеют ограничения по передаваемой мощности, а также не обеспечивают стоповый режим.

Нефрикционными вариаторами, по определению A.A. Благонравова, называются такие вариаторы, в которых кинематические пары имеют голономные связи. В этом случае рабочие нагрузки передаются нормальными силами, что даёт основание для реализации ВМВ. Вопросами создания таких вариаторов занимались A.A. Благонра-вов, В.Ф. Мальцев, А.Е. Кропп, В.И. Пожбелко, А. Лауб, X. Шустер, Б. Риндфляйш, X.

Кренкисса и др. / ,

Нефрикционные вариаторы можно разделить на динамические (трансформаторы

момента) и кинематические. В последних стоповый момент Mst в несколько раз выше, чем в динамических, и имеет место принципиальная возможность обеспечения равномерности вращения выходного вала.

.В работе рассматриваются кинематические ВМВ и их возможности по повышению эксплутационых характеристик сельскохозяйственных машин.

Отечественные учёные Н.И. Клёнин, Я.П. Лобачевский, М.Н. Ерохин, А.Г. Левшин, С.Н. Девянин, А.И. Чепурной и др., исследование которых направлены на совершенствование сельскохозяйственной техники, отмечают сложные динамические условия её работы. Так как ВМВ особенно эффективны для МА, работающих в динамическом режиме, то варьирование скорости и момента позволит существенно повысить характеристики сельскохозяйственных машин.

Сказанное выше доказывает существование проблемы повышения эффективности сельскохозяйственных машин за счёт использования ВМВ.

Цель диссертационной работы. Разработка научных основ проектирования рациональных конструкций кинематических нефрикционных ВМВ для повышения эффективности работы сельскохозяйственной техники.

. Задачи исследования:

1. Провести анализ и дать оценку состояния проблемы варьирования скорости и

момента механическими устройствами;

2. Разработать прикладную теорию расчёта ВМВ различного назначения;

3. Выявить основные элементы конструкций и разработать классификацию ВМВ;

4. Разработать конструкции нефрикционных высокомоментных зубчатых обгонных • муфт (ЗОМ) и методику расчёта их конструктивных параметров;

. 5. Разработать некулачковый и разнотипные кулачковые ВМВ для сельскохозяйственной техники;

6. Провести экспериментальную проверку кинематических и динамических характеристик опытных ВМВ;

7. Предложить методику оценки экономической эффективности научно-

технических разработок.

Объект исследования - кинематические нефрикционные вариаторы, их узлы и

звенья.

Методы исследований. В работе использованы методы теории механизмов и машин (кинетостатика, уравнения Лагранжа II рода, векторная алгебра), математического моделирования и вычислительного эксперимента на ЭВМ, а также экспериментальные исследования работы ВМВ на специально сконструированном лабораторном стенде и лабораторно-полевых испытаниях на самоходном картофелеуборочном комбайне БМСК-4К конструкции ВИСХОМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована принципиальная структура высокомоментных вариаторов и предложена их классификация по конструктивным признакам и использованию в сельскохозяйственных машинах;

- разработана прикладная теория расчёта вариаторов различного назначения, позволяющая определять оптимальные кинематические и динамические параметры механизма и его деталей;

- создана методика расчёта конструктивных параметров зубчатых обгонных муфт для выпрямителей вариатора;

- доказана эффективность вариаторного привода по разработанной методике, позволяющей определять сравнительную с аналогами (гидро- и электропередачи) минимальную установочную мощность и относительную топливную экономичность ДВС с вариаторным приводом.

- экспериментально доказана адекватность теории натурному эксперименту на лабораторном стенде, а также хозяйственным испытаниям вариаторного привода на картофелеуборочном комбайне.

Достоверность. Рассматриваемые в работе оригинальные конструкции ВМВ содержат типовые элементы деталей машин, кроме запатентованных ЗОМ, экспериментально доказана работоспособность ВМВ.

В теоретических исследованиях использованы известные методы теории механизмов и машин, а также натурного и вычислительного эксперимента. Применение ЭВМ для вычислений и проектирования конструкций обеспечило достаточную точность вычислений и высокое качество проектов, что делает обоснованным и достоверным представленные в работе научные положения, выводы и рекомендации. Практическая значимость работы. Разработанная прикладная теория ВМВ позволяет:

- проектировать вариаторы с заданными параметрами;

- определять статические и динамические нагрузочные параметры ВМВ. Предложенные конструкции ВМВ обеспечивают выбор рационального типа вариатора (кулачкового или некулачкового) для конкретной сельскохозяйственной машины.

Разработанные конструкции ЗОМ для выпрямителей ВМВ универсальны, и могут быть использованы вместо, фрикционных роликовых обгонных муфт в сельхозмашинах, как более эффективные по передаваемому моменту и КПД.

Предложенный расчёт экономической эффективности ВМВ позволяет дать количественную оценку максимальной установочной мощности и сравнительной топливной экономичности ДВС, а также КПД для различных передач. Реализация результатов работы.

Результаты исследования используются в ОАО «ВИСХОМ» и ОАО «Рязсельмаш» для усовершенствования картофелеуборочных комбайнов, на Челябинском тракторном заводе и ФГУП 206 для проектирования вариаторного привода гусеничных движителей. Результаты работы применяются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина при подготовке специалистов инженерного профиля. Основные положения работы, представленные к защите:

- результаты анализ состояния вопроса о варьировании скорости и момента в МА;

- классификация кинематических нефрикционных ВМВ;

- математическое моделирование работы ВМВ, результаты натурных и вычислительных экспериментов;

- оригинальные конструкции обгонных муфт, ВМВ и методики расчёта их конструктивных параметров;

- методика и результаты оценки экономической эффективности применения ВМВ в приводе сельскохозяйственных машин и их агрегатов.

Апробация. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: « Стратегия развития городских транспортных систем на базе перспективных технологий», Москва, МИИТ, 1999 г.; «Болтинские чтения», Москва, МГАУ (1998-2005); а также в отделении механики Российской АН и в университетах: МВТУ им. Баумана, МАМИ и МАДИ.

Опытные конструкции ВМВ экспонировались на «ЭКСПО-Наука» в 2002...2004 г. на ВДНХ, где в 2004 г. ВМВ отмечен медалью за лучший экспонат; в «Крокус-ЭКСПО» в 2007 г.; на агропромышленных выставках «Золотая осень» в 2003 и 2004 г.; на выставке достижений МГАУ в 2010 г.; «ЕХРОР1110МТУ-2011 и 2012».

Публикации. По результатам исследования опубликована 51 печатная работа общим объёмом 19 печатных листов, в том числе одна монография, 23 статьи (15 из них

- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций), получено 27 патентов на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов и библиографического списка из 99 наименований, содержит 293 страницы машинописного текста, 154 рисунка и девять таблиц, а также 75 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность разработки и исследования ВМВ для сельскохозяйственных машин.

В первой главе рассмотрены основные принципы эффективной передачи механической энергии в МА от двигателя к потребителю (рис. 1). Для потребителя оптимальной по В.П. Горячкину является характеристика (рис. 2, сплошная линия), имеющая гиперболический характер для момента при постоянной потребляемой мощности, соответствующая характеристике двигателя постоянной мощности (ДПМ). Реально достижимая оптимальная характеристика показана пунктиром, где Мл - стоповый момент, обеспечивающий работу в «стоп-режиме». Это важнейшее свойство, необходимое для разбега МА и эффективной его работы в динамическом режиме. ДВС непосредственно не может обеспечить «стоп-режим» (рис. 2, штрихпунктирная линия), так как он не работоспособен при скоростях 0... а0.

Применение ВМВ, связывающего двигатель с потребителем, позволяет компенсировать плохие тягово-динамические характеристики двигателей, обеспечить работу в «стоп-режиме», плавно изменять скорость и момент выходного вала без прерывания передаваемой мощности.

На рис. 3 показана структурная схема нефрикционного ВМВ, звенья которого имеют голономные связи. ВМВ содержит колебательный механизм (КМ) с колебательным валом (КВ), связанным с выходным валом вариатора посредством выпрямителя, который преобразует колебания КВ в однонаправленное вращение выходного вала, передаточные отношения выпрямителя и вариатора

и = со4 / | сок | и / = Юз /о2.

Варьирование передаточного отношения достигается изменением размаха X колебания КВ от рукоятки управления (РУ), а выпрямитель должен иметь нефрикционные обгонные муфты (ОМ). Такая схема, в соответствии с утверждением А.А; Благонраво-ва, является единственно возможной для нефрикционного вариатора.

1 - ккпематико-дннамкческий преобразователь (КДП)

2 - входной вал КДП .4 - выходной пал КДП

4 —двигатель

5 - потребитель

СО - угловая скорость М— момент

Рисунок 1 - Схема машинного агрегата (МА)

СО - угловая скорость М - момент N - М-т - мощность

- ДИМ

---две

---вмв

Рисунок 2 - Скоростные характеристики

1 - корпус

2 и 3 - входной и выходной валы КМ - колебательный механизм КВ - колебательный вал РУ - рукоятка управления В — выпрямитель, 4 — выходное звено В <х, у, <р — углы попорота

а - угловая скорость

Рисунок 3 - Структурная схема ВМВ

Достаточность выше названных условий доказана известными конструкциями вариаторов, а способы варьирования скорости, без использования указанных конструктивных особенностей, не обнаружены. Нефрикционные вариаторы разделяются на кинематические и динамические. В кинематических вариаторах, рассмотренных, например В.Ф. Мальцевым (рис. 4), КВ имеет жесткую кинематику, задаваемую кулачковым или некулачковым КМ. В вариаторе передаточное отношение изменяется РУ, при этом варьируется размах колебаний X КВ. Стоповый момент возникает при сближении шарниров 5 и 6.

В динамических вариаторах, колебания КВ осуществляют силы инерции от деба-лансов 10 (рис. 5). В таких вариаторах размах колебаний зависит от момента нагрузки, что делает его саморегулируемым. Существенными недостаткоми являются: малый диапазон варьирования скорости со3, относительно невысокое значение стопового момента и большой коэффициент неравномерности вращения выходного вала

5 = ( Штах - (Отт ) /<»СР • (1)

Совершенствование вариаторов следует проводить в направлении разработки эффективных КМ и выпрямителей.

Представленная работа касается только кинематических ВМВ.

Вариатор на рис. 4 имеет выпрямитель с одной ОМ (типа 5М), позволяющий выпрямлять скорость КВ за полупериод колебания, что малопригодно. На рис. 6 дана одна из конструкций выпрямителя с парой ОМ типа Дмм, обеспечивающего (рис. 7) выпрямление при любом положении входного вала:. Вариаторы с выпрямителями типа Вм и 5Мм будем называть импульсными, а обозначать ВМВ„.м и ВМВмм_к, где А^— число КВ, действующих с фазовым сдвигом. При этом у ВМВм.2 или ВМВмм.1 5 = 2 или, за счёт обгонного действия ОМ, чуть меньше, (пунктирный участок на рис. 7). Импульсные вариаторы принципиально не способны обеспечить 5 = 0, например, ВМВмм.2 (рис. 8), имеет заведомо неравномерную угловую скорость со3 выходного вала 3: 5 = 0,34 (рис. 9); аналогичный характер скорости Юз имеет ВМВИ^.

Рисунок 4 - Схема импульсного кинематического вариатора

КВ

СО ^ ку

ОМ,

■ом.

I ' ! 1 -- 1 Ы/

Я" ' "1'}

—>-\

1ШГ

Рисунок б - Схема выпрямителя Вы

- сила инерции

Рисунок 5 - Схема инерционного трансформатора момента

СО,

со4

а/.

иг~....... и .........^ ..........

V "V /■ •ч

X/ \

У'ОМ, ... -......Й /омг \

о я- « 2*

Рисунок 7 - Угловые скорости

Рисунок 8 - Схема импульсного ВМВмм-1 Рисунок 9 - Угловые скорости ВМВмм-2

Радикальное решение проблемы уменьшения 5, предложенное X. Шустером, (рис. 10), осуществляется использованием двух выпрямителей, действующих со сдви-

гом по фазе на 90°. Комбинация двух выпрямителей типа 5ММ с дифференциалом названа Д,-выпрямителем (5д), а вариатор обозначен как ВМВд.

Ведомые шестерни Ш выпрямителей вращают колёса 4 дифференциала, водило 6 которого закреплено на выходном валу вариатора, 5 - сателлит. Скорость выходного вала равна средней скорости колёс

Шз = 0,5(юа + со ь). (2)

Угол поворота КВа уа = ЦС/(а) - 0,5], (3)

где и(а) - характеристическая функция КМ.

С02 4 - колесо

к!>

дифференциала

5 - сателлит

6 — иодяяо

Вл - Д-выпрямитсль

Рисунок 10 - Схема ВМВд

Для обеспечения, без обгона, 5 = 0 при а>2 = const, из (1) - (3) следует условие Юз = 0,5 а2 Я и (| U'{а) | + | U'(a + л/2) |) = const, принимающее вид (рис. 11 и 12), где и = со4/[оэк|,

и3 = <в2 (к/п) и (sin2a + cos2a) = ю2 (Х/п) и = со0 =const, при C/(a) = (1 -5) +5(*п -0,5sin2хп)/п\ S = 2<D(sin ос) - 1,

t/i(a) = U'(а) = ( sin хп)2 25"/я; функция Хэвисайда:

í/2(a) = f/"(a) = (sin 2хп) 2S/n, Ф(х > 0) = 1; Ф(х < 0) = 0,

где аргумент приведения к интервалу [0; 2я) хп = (1 - S)n + S arccos(cos a).

(4)

(5)

w i \>> i / '

УК ,/K

Рисунок 11 - Скорости валов дифференциала ВМВд

го .= 2о>, и — со.ч'а. * я

Х 2 m = ¿oí, и — cos а ь тс

о j= 0,5(c) t ■*■ ь> ь) = га 2/; -

Рисунок 12 - Оптимальная характеристическая функция

В работе дана методика профилирования двух типов кулачков: а) с 1-м параметром а; б) с 2-я параметрами а и X.

Некулачовые КМ как известные, так и предложенные автором не позволяют обес-

печить5 = 0 в ВМВд.

Передаточное отношение ВМВд без обгона за цикл

I (X) = ю3/ш2 = и (к/п) = 0.../шах = 0...и (А^х/я). (6)

Используя введённый критический размах колебаний Хо, при котором начинается однонаправленное вращение выходного вала, с учётом КПД т|, имеем значение стопового момента Мл = ц М2п/(Х0 и), (7) откуда следует уникальное свойство ВМВ - очень большой момент на выходном валу, т. к. Хо близок к нулю, зависит от угла срабатывания ОМ и от деформаций звеньев вариатора, которые малы. Следовательно, ВМВ способен увеличивать передаваемый момент в сто и более раз.

На рис. 13 представлена классификация ВМВ.

Рисунок 13 - Классификация ВМВ

Основные режимы работы МА с ВМВ:

1. Режим с фиксированной скоростью выходного вала ВМВ.

В этом режиме дизель комбайнов работает в регуляторном режиме, обеспечивая близкую к постоянной скорость коленвала, при этом ВМВ обеспечивает необходимую скорость агрегатам комбайна (движитель, мотовило и ротор) для оптимизации технологического процесса.

2. Режим с фиксированным моментом нагрузки на выходном валу ВМВ.

Этот режим характерен для работы насоса от асинхронного электродвигателя на водонапорной станции, обеспечивающего постоянное давление в водопроводе, при случайном изменении расхода воды.

3. Режимы оптимизации параметров ДВС.

ВМВ позволяет с системой автоматического регулирования и датчиком момента на выходном валу обеспечить три основные режимы работы ДВС:

За. Режим максимальной топливной экономичности.

Этот режим следует использовать при энергоёмких операциях, таких, как землеоб-работка, что позволит существенно уменьшить затраты на эту операцию.

36. Режим минимальной токсичности отработавших газов.

Режим позволяет уменьшить загазованность при работе ДВС трактора на закрытом грунте.

Зв. Режим максимальной мощности.

Данный режим обеспечивает наибольшую производительность операций, связанных с работой ДВС, например, при транспортировке.

Вторая глава посвящена нефрикционным обгонным муфтам (ОМ). Они являются необходимым элементом конструкции выпрямителей, где должны работать при высокочастотных динамических нагрузках, малых углах срабатывания и приемлемом КПД. Эти ОМ можно разделить на храповые и нехраповые, в последних момент передают нормальные силы через звено, фиксируемое силами трения.

Храповые не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ВМВ из-за большого угла срабатывания и значительных ударных нагрузок.

Известные нехраповые ОМ из-за конструктивной сложности и низкого КПД не пригодны в ВМВ.

На рис. 14 дана схема запатентованной зубчатой ОМ (ЗОМ), лишённая недостатков известных конструкций. Схема работы ЗОМ при передаче вращения (рабочий ход) показана на рис. 14а. Ведущая полумуфта - центральное зубчатое колесо 1, ведомая полумуфта - водило 2. Колесо 1 входит в зацепление с сателлитом 3 (Яц и Лс - радиусы их центроид). На сателлите имеются цапфы 7, на нем же закреплены диски 4, прижимаемые (сила Р) пружиной 5 к упорам на водиле (К1 иК2- точки контакта, Лк - радиус положения точек контакта). На водиле имеется поводок 6, который может контактировать с цапфами 7. При рабочем ходе между поводком б и цапфами 7 имеется зазор около 0,2 мм. Передача вращения происходит при повороте зубчатого колеса против часовой стрелки. Силы, возникающие в зацеплении колесо-сателлит, прижимают

диски к упорам, силы трения от упоров фиксируют сателлит от поворота относительно водила и зубчатого колеса. ЗОМ передаёт через зубья от центрального колеса водилу

момент Мх =/""х Лц = Л/в>

где - тангенциальная сила в зацеплении; Мв - момент сопротивления на водиле. Пружина 5 обеспечивает контакт дисков с упорами. Диски 4 выполнены коническими.

Приведённый коэффициент трения скольжения /=/сЛтв, где/с - коэффициент трения скольжения пары диск-упор. В ЗОМ момент передаётся нормальными силами через зубчатое зацепление и может достигать достаточно больших значений, так как ограничивается только прочностью зубчатых колес. Силы трения в передаче момента не участвуют, а служат только для удержания сателлита от вращения относительно водила и зубчатого колеса. Соотношение между параметрами ЗОМ, обеспечивающее незаклинивание сателлита и передачу вращения

>/сМпв > (Яс/Кк )/(с1£0,5Р + 1е<х3). (8)

Работа ЗОМ при обгоне происходит при повороте центрального зубчатого колеса по часовой стрелке (рис. 146). Зубчатое колесо вращает сателлит относительно водила, момент вращения при этом не передаётся. Потеря энергии происходит только при обгоне из-за раскручивания сателлита и его торможения об упоры.

Фото изготовленной ЗОМ с Яц = 38 мм показано на рис. 15, а на рис. 16 - узел выпрямителя В2 с двумя ЗОМ.

Рисунок 15- Зубчатая обгонная муфта

Рисунок 16 - Узел выпрямителя Вмм с ЗОМ

На рис. 17 дан расчётный КПД выпрямителя Г1Вып с такими муфтами в зависимости от частоты п2 вращения входного вала ВМВдДля ЗОМ с 11ц = 38 мм при X = 60° и передаче одним сателлитом момента Мв = 120 Н-м, масса сателлита с дисками тс = 0,13 кг.

1,0 6,9 0,8 0,7

—--__ ■■' - -.....1 ............"Ч )

. ! 1

!

О = Я,

30°

= 10 мм

й1(=38мм /<" =3,16кН

Рисунок 17 - КПД выпрямителя Вь

Значительное устранение потерь в ЗОМ достигается при использовании специального фиксатора осей сателлита при обгоне.

Применение реверсивных ЗОМ позволяет обеспечить реверс ВМВ.

В третьей главе рассмотрены ВМВ с некулачковым КМ. Применение некулачковых КМ в вариаторах известно, например, в публикациях В.Ф. Мальцева, А.Е. Кроппа и др., однако они конструктивно сложные и громоздкие, поэтому автором предложены два оригинальных пространственных КМ.

а) Механизм с наклонным кривошипом (МНК), рис.18.

Перемещением штока 8 осуществляется поворот косынки 6, что изменяет угол нутации 0 и размах колебаний X КВ. Угол поворота

у(у, 0)= 8§п(соз агссоз[1+1§20 сов2^]0'5, (9)

и, следовательно, варьируются угловая скорость КВ. Кинематическая неравномерность 5 у ВМВд показана на рис. 19, где видно, что 5 близка к ВМВмм_2 (график - 1).

1 - корпус; 2 - приводкой вал;

3 - цапфы;

КВ - колебательный вал;

4 - наклонный кривошип; 5 - кулиса; 6 - косынка; 7 - серьга; 8 - шток

0(/Г) = Vаг - угол нутации К= Ь[ ''Атах - регулировочный параметр Л = 26 - размах колебаний КВ а - угол поворота вала 2

— сила от рукоятки управления

у(а)

Рисунок 18 - Колебательный механизм с наклонным кривошипом

Применение зубчатых колёс с некруглыми центроидами между двигателем и валом 2 позволяет значительно уменьшить неравномерность 8 (график - 2).

10» 20" 0 30=

Рисунок 19 - Коэффициент неравномерности § ВМВд с МНК

При работе ОМ с режимом обгона, зависящего от соотношения момента М3 и моментов инерции звеньев, 5 стремится к нулю.

Установлено, что ВМВмм.1 с МНК даже при работе с режимом обгона имеет 5 »1, что достаточно много. Упругая муфта между выходными валами выпрямителей и ВМВмм_1 обеспечивает 5 < 0,8. Такой вариатор можно использовать при не резко изме-

няющихся силовых и кинематических параметрах, т. к. наличие упругой муфты может вызвать нежелательные крутильные колебания.

б) Механизм с колебательной вилкой (МКВ), рис. 20.

Механизм содержит планетарную пару колесо-сателлит. Зубчатый венец колеса выполнен в поворотном от РУ суппорте 4, а радиус центроиды сателлита равен половине радиуса центроиды колеса. Поэтому при повороте входного вала 2 на угол у шарнир 5 сателлита перемещается по прямой КхК2 (вырожденная циклоида), в плоскости, которую РУ можно изменять поворотом суппорта на угол (3 = 0 ... 90°. При КуКг параллельном оси ОО КВ колебательная вилка не передаёт колебания КВ, а при перпендикулярном - размах колебаний максимальный. Угол поворота КВ

у(ц/, Р) = аг^[(Д/а) сов^- втр]. (10)

Некулачковые КМ конструктивно проще кулачковых, но все имеют примерно одинаковые неудовлетворительные кинематические характеристики.

. V

1 корпус

2 входной вал-воднло

3 — сателлит

4 — суппорт

5 - шаровой шарнир

6 — колебательная вилка

7 — палец КВ шестерня РУ

Рисунок 20 - Схема колебательного механизма с МКВ

В четвёртой главе рассмотрены ВМВд с кулачковыми КМ.

1) КМ, имеющие кулачок с 1-м параметром, снабжены устройством, обеспечивающим варьирование. С такими КМ предложены четыре ВМВд.

Первые два имеют контактирующую с кулачком каретку, передающую перемещение вращающему КВ ползуну: а) посредством рычага с изменяемыми плечами от РУ, конструкция обеспечивает 5 = 0; б) посредством каретки 4 (рис. 21), установленной в суппорте 6 и взаимодействующей с роликами 5 кулачка 3, закреплённого на входном валу 2, суппорт смонтирован в корпусе 1 соосно валу 2, с возможностью поворота зубчатой парой 7 от РУ, ползун 8 зубчатой рейкой и зубчатый сектор 9 передаёт вращение КВ:

у(а, ß)= K/R = 0h sinß)/Ä = (H/R) U(a) sinß, (11)

т. е. при ß = 0 X = 0; ß = 90° X - Xmax, при этом 8 = 0 при любом X.

У других двух ВМВд КМ имеют кулачки, контактирующие с коромыслами, которые передают вращение КВ посредством рычагов, плечи рычагов изменяются РУ.

У КМ (рис. 22) рычаг 7 установлен на цапфах 3 поворотника 2, связанного с РУ б червячной парой 4-5, а на рычаге выполнен конический зубчатый сектор 9, передающий вращение посредством шестерни 11 на КВ 10. Рычаг контактирует через паз 18 с

коромыслом 16, установленном на цапфах 15 в корпусе 1 и взаимодействующим своими роликами 17 с вращающимся от шкива 12 кулачком 13, 14 -профиль кулачка.

Варьирование осуществляется поворотом на угол (3 = 0... 90° поворотника. При Р = 0 ось рычага 7 совмещается с осями цапф 15, при этом X = 0, а при р = 90° - Л™«. Угол поворота коромысла

задаётся профилем кулачка, где у0 (а) = Ц£/(а) - 0,5] этРо, Ро - фиксированный угол положения поворотника, при котором 5 = 0, а угол поворота КВ

у(Ф, Р) = ак^О^ср -втР). (12)

Рисунок 22 -

механизм ВМВд

Рисунок 21

- Колебательный механизм с поворотной кареткой 5 Д* 2 4 1

ВМВд с таким КМ имеет 5 = 0 при положении РУ, соответствующем р = р0, задаваемой профилировкой кулачка, на рис. 23 даны четыре варианта профилировок.

0,2

О...................... 30 ....... .......60 ро 90

Рисунок 23 - Коэффициент неравномерности ВМВд

2) Предложены четыре ВМВд с КМ, снабжёнными пространственными кулачками, т. е. с двумя параметрами, обеспечивающих 5 = 0.

к-к

11 10а, КВ„ 10а2

\ \ / /

Рисунок 24 - Схема ВМВд с пространственными раздвижными кулачками

На рис. 24 дана схема ВМВд с раздвижными от РУ двумя кулачками 7, посаженных на входной вал 2. Каждый из пары КМ имеет двухплечевое коромысло 10 с роликами 11, контактирующими с кулачками. «Стоп-режим» обеспечивается при сближении кулачков.

На рис. 25 представлена схема ВМВд со смонтированными на входном валу 2 поворотным от РУ кулачком с двумя профилями 7] и 1г. У последних двух ВМВд угол поворота КВ зависит от К = h/H:

Y(«, К) = К U(a). (13)

В работе для КМ дана численная оценка влияние сил инерции и предложена методика профилировки плоских и пространственных кулачков.

«Г* о

Q

п\

i г////////////////// /г/

27 28 8 7

Рисунок 25 - ВМВд с поворотными кулачками

Для математического моделирования работы ВМВд применялись уравнения Ла-гранжа II рода. На рис. 26 приведён результат вычислительного эксперимента на разработанной математической модели, позволяющий - констатировать высокую равномерность вращения выходного вала ВМВд на всех режимах, а также автоматическое увеличение скорости вращения не более, чем в два раза при уменьшении нагрузки. Указанное свойство позволяет обеспечить саморегулирование привода.

В пятой главе рассмотрены варианты применения ВМВ на мобильных машинах.

На рис. 27 показан вариаторный привод автомобиля, который кроме ВМВд снабжён коробкой передач. Это связано с тем, что из-за обгонного характера работы выходного вала, ВМВ не обеспечивает режим торможения двигателем. Для этого режима вариатор отключается, а передача вращения осуществляется через коробку передач, которую можно использовать также при работе в стационарном режиме.

Пороговый момент Нагрузочный параметр Кинетическая энергия

т=т4 + ъь+г3+т5

./,= 1 кгм ; Л=-Г5= °>° иг > и = ив = 2

Х = 60°;м2= 104 рад/с; М» =877Нм

Уравн-яЛагранжа И рода: 1) Обгон в двух ОМ прн а2 < а а3 , иезавис-е. коорд-ы ф иф ¿>Г Мз

"к

I <?Фь /а

2

<?фь 2

2) Обгои в одной ОМ при а3 < а 2 а5, независ-е коорд-ы а и срь

М„ М\

и о

•а

/ дТ V ё

о1 Г ¿>ФЯ

JJIX-iL — ^L

vAL^b 2

0 30 60 90 120 150 . а°

Рисунок 26 - Угловые скорости валов дифференциала

12 14 б 2

7 15 П

КП - коробка передач РКП - рукоятка КП 7 и 8 - введупшй н ведомый валы КП 12 и 13 - фрикционные муфты с рукоятками 14,15 б - входной вал ВМВ

—/

Рисунок 27 - Схема вариаторного привода автомобиля

Режим заднего хода может быть обеспечен реверсом ЗОМ вариатора. Дифференциальный привод полуосей автомобиля, как показано на рис. 28, объединён с дифференциалом Д-выпрямителя ВМВд, что делает трансмиссию более компактной по сравнению с традиционной.

4 и 5 - колёса и сателлит дифференциала вариатора

6 - полуоси

7 и 8 - колёса н сателлит дифференциала полуосей 3 - общее для двух дифференциало в водила

Рисунок 28 - Схема соединения ВМВд с дифференциальным приводом

На рис. 29 показан вариаторный привод гусеничного трактора, где каждая ведущая звёздочка соединена с ДВС посредством реверсивного ВМВд. Такая схема упрощает и удешевляет трансмиссию, увеличивает манёвренность и КПД, облегчает управляемость.

Пелаль топлйвопояачи:

Тормоз

V

Редуктор.

ВМВ

Бортовая передача '

Рисунок 29 - Схема вариаторного привода гусеничного трактора

Шестая глава посвящена реализации теоретических разработок. Для зерноуборочного комбайна схема монтажа вариаторов дана на рис. 30. Для него разработаны конструкции вариаторов для приводов ротора (ВМВмм.!, рис.31) и колёс (ВМВд, рис. 32).

1 - корпус комбайна

2 - ротор

3-ВМВмм.,

4 — ведущие колвеа

5 - ВМВД

6 - полуоси

7 - бортовые редукторы у 8 - тормоза

Рисунок 30 - Схема вариаторного привода зерноуборочного комбайна

У ВМВММ.1 КМ выполнен с МНК. Выходное звено - торсион 5, посредством которого передаётся вращение на ротор с моментом инерции » У4. Коэффициент жёсткости торсиона для минимизации момента Ми на ОМ

¿■=4/4МШ22.

Торсион поддерживает момент Ми постоянным при номинальной скорости входного вала со2. При отклонении скорости о2 на ±5 % момент Мм может в зависимости от внешней нагрузки (момент на роторе отклоняться от среднего значения почти в три раза, что не выходит за критические значения. Дизель комбайна работает на регу-ляторном участке своей скоростной характеристики, поэтому большее, чем ±5 % отклонение скорости от номинальной не ожидается.

Передаваемая мощность.........- 120 кВт

- Частота вращения входного вала 2 - 2442 об/мин Диапазон частот вращения

ри шра (иаш-тирсиона 5) .. - 600 ... 1400 оО/мин 21 23 22 25

Рисунок 31 - Конструкция вариатора привод ротора типа ВМВмм.! с торсионом

ВМВд (рис. 32) выполнен по схеме, показанной на рис. 24, а дифференциал полуосей колёс совмещён с дифференциалом вариатора (рис.28). Конструкция полностью

статически уравновешена. Неуравновешенный момент от сил инерции колебательных валов в сконструированном вариаторе не превышает 5 % от передаваемого момента, поэтому противовесы не использовались. Угол давления роликов на кулачки не превосходит 30°. Звенья вариатора недогружены, имеется возможность в передаче большей мощности, чем расчётная - 30 кВт. Спроектированные вариаторы универсальны, и могут быть использованы в других МА.

ззо

Передаваемая мощность ........................ 30 кШ"

Частота вращения входного вала 2 ............... 978 об/мик

Диапазон частот вращения полуосей 3 (водшха) .... 0 ... 342 об/мин

Рисунок 32 - Конструкция вариатора привода колес типа ВМВд

В МГАУ изготовлены и экспонировавшиеся на выставках: 1) Демонстрационный ВМВд - КМ с четырьмя плоскими кулачками, выпрямитель с храповыми ОМ; 2) Экспериментальный импульсный ВМВмм_1 с МНК; 3) Экспериментальный ВМВд (рис. 33) с КМ по схеме на рис. 22; 4) Экспериментальный ВМВд с поворотным кулачком (рис. 25,34), испытанный на картофелеуборочном комбайне БМСК-4К.

Рисунок 33 - ВМВд с КМ по схеме на рис. 22 Рисунок 34 - ВМВд по схеме на рис. 25

21

Разнообразие конструктивных вариантов ВМВ позволяет рекомендовать более простые и дешёвые некулачковые для привода рабочих органов, а кулачковые - для привода движетелей сельскохозяйственной техники.

В седьмой главе даны результаты экспериментального исследования, целью которых является опытное подтверждение основных характеристик ВМВ: варьирование скорости выходного вала и момента в зависимости от требуемых оптимальных параметров работы сельскохозяйственной машины. Эксперименты для ВМВд, показанных соответственно на рис. 33 и 34, проведены на лабораторном стенде и на картофелеуборочном комбайне.

Вид лабораторной установки показан на рис. 35.

Рисунок 35 - Общий вид лабораторного стенда 1 - ВМВ; 2 - рукоятка управления; 3 - шкив выходного вала; 4 - электродвигатель; 5 - тормоз; 6 - колодка тормоза; 7 - ось рычага тормоза; 8 - противовес; 9 - груз; 10 - потенциометр; 11 - редуктор потенциометра; 12 - нить; 13 - натяжной грузик; 14 - диск с прорезями; 15 - пара фотоэлементов с осветителем; 1 б - цифровой амперметр; 17 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 18 - компьютер

В качестве, внешней нагрузки использовался колодочный тормоз 5. Момент нагрузки М на шкиве обеспечивается грузом 9, перемещаемым вдоль рычага тормоза. Положение груза от оси 7 рычага фиксируется закреплённой на рычаге миллиметровой линейкой (б = 0 ... 300 мм) и измеряется потенциометром 10. Момент М пропорционален электрическому сопротивлению потенциометра.

Измерительный комплекс включает в себя следующее. Закреплённый на шкиве диск 14 с радиальными пазами и пару фотоэлементов 15 с осветителем, фиксирующих оборот шкива и положение шкива через 5°. Цифровой амперметр «МА8830В»16 измеряет потребляемую двигателем силу тока I. Аналого-цифровые преобразователи «гЕТЬаЬ-ЗШсПр» 17 коммутируют потенциометр, фотоэлементы и амперметр с ком-

пьютером 18. Обработанный результат эксперимента, выводится в цифровом и графическом виде на монитор компьютера. Объектом исследования выбран режим, аналогичный работе объёмного гидропривода ведущих колёс кормоуборочного комбайна КСК-100, который смоделирован на лабораторном стенде.

Объёмный гидропривод обеспечивает за счёт изменения подачи насоса плавное варьирование скорости на выбранной передаче, а также поддержание постоянной скорости комбайна при изменяющемся моменте сопротивления движению, но при этом снабжён трёхступенчатой коробкой передач, имеет КПД не более 80 %, дорог и сложен в эксплуатации. ВМВ является конкурентно способной альтернативой этому приводу: внутренние потери мощности на уровне многоступенчатой коробки передач (не ниже 90 %), не требуется коробка передач, более прост в эксплуатации.

По результатам испытания КСК-100 на Подольской ГМИС, при движении по освоенному торфянику с постоянной рабочей скоростью 3,56 км/час = 1,0 м/с, установлено, что момент привода имеет пульсирующий характер, и максимальное значение больше минимального примерно в три раза.

На лабораторном стенде смоделированы два основных динамических режима: а) работа ВМВ с постоянной скоростью выходного вала и переменным моментом сопротивления. На рис. 36 даны экспериментальные кривые для трёх нагружений пульсирующими моментами М = 3,3... 9,9 ...3.3 Нм;

250 200 150 100 50

10

8 6

2 0 0.4 0,8 1,2 1,6 2,0

Рисунок 36 - Момент М = M{t) и мощность N = N(t) при со = const

б) работа ВМВ с постоянным моментом сопротивления и переменной скоростью шкива (рис. 37).

Лаборатоно-полевые испытания кулачкового ВМВд (рис. 34) проведены на картофелеуборочном комбайне БМСК-4К, где был применён в приводе рабочих органов.

В сравнении с комбайном КСК-4-1 производительность уборки картофеля повысилась на 10,3 %, при улучшении качественных показателей технологического процесса.

Эксперименты показали широкие возможности нефрикционных вариаторов типа ВМВд, что делает их перспективными при использовании в сельскохозяйственной технике.

Рисунок 37 - Момент М= const и мощность N= N(t) при со = var

В восьмой главе показана экономическая эффективность ДВС с ВМВ, численно оцененная по трём критериям:

- установочная максимальная мощность ДВС, необходимая для работы МА в динамическом режиме;

- КПД машинного агрегата-,

- относительная топливная экономичность ДВС.

На рис. 38 дана расчётная схема МА для тестового динамического режима. В данном режиме определяется мощность ДВС, необходимая для раскручивания маховика из неподвижного положения до скорости "шк, соответствующей максимальной мощности ДВС. Рассмотрены два способа: посредством фрикционной муфты (ФМ) и ВМВ.

СО,2 сй ,

двс

м\

м,= м

Рисунок 38 - Расчётная схема МА

Мощностной показатель эффективности МА - это отношение максимальной мощности ДВС к мощности теоретического двигателя постоянной мощности (ДПМ), совершающего аналогичный процесс за тоже время,

гг^/М*. (14)

На рис. 39 даны графики момента и мощности от относительной скорости О. На участке ОВ ДВС работает в режиме проскальзывания ФМ, ВК- корректорный участок внешней скоростной характеристики.

Характеристика вариатора соответствует спроектированному ВМВД (рис. 32).

Расчёты показали, что для одинаковой работы у ДВС с ВМВ установочная максимальная мощность в три раза меньше, чем у ДВС с ФМ.

Этот результат имеет экспериментальное подтверждение. Эксперименты, проведен-

ные в НАМИ, показали, что автомобиль «Добл» с паровым двигателем в 100 л.е., по приёмистости аналогичен автомобилю с ДВС в 300 л.с. такой же массы.

ДПМ----

ДВС+ФМ---

ДВС+ВМВ-

( ФМ - фрикционная муфта) Мощность и момент ДПМ /* = const, М* = N*/ю = М*/П

Мощностной показатель эффективности двигателя

Kn-K^/Nb-Mb'Ml-lS,

i

AfjJrfП/М(С1)

vmax- 'V¡T макс, мощность ДВС Мв Шь = 1,2 ; М0 /Mi = 0,05

Работа раскрутки маховика А к = 0,5Jco^ = SN*Jtoi /Мк

Для ДВС + ФМ #N= 3,34 Для ДВС + ВМВ = 1,06

Рисунок 39 - Скоростные характеристики и мощностной показатель эффективности

Топливная экономичность (ТЭ) оценена КПД МА, равного отношению проведённой работы к затраченной энергии топлива для динамического, при раскручивании маховика (рис. 38), и статического режимов:

Лмаш = Auxni/{Gj НЦ) , (15)

где Лмаш — полезная работа MA; Gt — масса использованного топлива в кг; Ни - низшая теплота сгорания топлива (#и = 44,0 и 42,5 МДж/кг у бензина и дизельного топлива). На рис. 40 даны КПД . двигателей и передач. В расчётах применялась зависимость, полученная из равенства энергии использованного топлива и механической работы

СТ^ИПМ^Л^ФЛП^кпд) (16)

где ф и фК - текущий и конечный углы поворота маховика; riM = 0,78 - средний механический КПД двигателя; t)¡ = r|¡ (ф) — индикаторный КПД двигателя; Л кпд = Лкпд (ф) - КПД кинематико-динамического преобразователя.

Принятые максимальные значения КПД: ДВС - тк тах = 0,33 и 0,47; двухвальный газотурбинный двигатель (ГТД) - тц шах = °>25; ФМ - r|max = 0,97 ; ГТ - ц тах = 0,87-0,97 = 0,84 ; ЭП - n max = 0,952 = 0,90.

У вариатора КПД следует представить как

Лкпд= Лвмв = ЛзпЛом = 0,88-0,97 = 0,85 , где Лзп = 0,986 = 0,88 - КПД зубчатых пар (6 пар, работающих при полном обороте входного вала, г)0м = 0,97 - КПД ЗОМ.

-Ж=К о

hv*

'So,25 !

- . L

0,5

П=Со/сок

1

1,0

Например, для тракторов Лмд - работа на крюке, рассчитанная за промежуток времени, соответствующий определённому характеру технологической операции.

Характеристика Цма не учитывает время совершения работы машиной, но иполь-зование других характеристик, как правило, возможно лишь при наличии результатов натурных испытаний, и достаточно сложно при сопоставлении ТЭ различных двигателей и используемых КДП.

Лмаш определялось при работе ДВС (бензиновый и дизельный) с использованием следующих КДП: - фрикционная муфта сцепления с коробкой передач (ФМ); гидротрансформатор (ГТ) с коробкой передач; электропередача (ЭП) с редуктором; ВМВд, а также для двухвального газотурбинного двигателя (ГТД) с коробкой передач. Графики

Индикаторные КПД:

1) ДВС П; = ■п7*(-0,6П2+ 1,20+0,4) бензиновые 11'"ах= 0,33 дизельные ^'«=0,47

2) ГТД = П"шх"(2 - 0);лГх= 0.25 КПД кинематико-динамических преобразователей:

3) Фрикц. муфта с короб. нер-ч(ФМ) ПфМ"0,97.2П

4)Гидро1раисформатор(ГТ) Г1ГТ= 0,84П(2 - О)

5) Электропередача (ЭП) О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 гу= 0.90П1''4

Рисунок 40 - КПД двигателей и передач в зависимости от угловой скорости

При работе в статических режимах КПД МА

Т1МА = -ПМПД2)11кдп(0), (17)

который рассмотрен при относительных скоростях П = 0,5 и 1.

Для сравнения по топливной эффективности различных МА и ДВС с ВМВ введена относительная топливная экономичность

ЭТоп = (Пу - 'Пма)/'Пу = (от - сутуст, (18)

где т|у = Лма для ДВС с ВМВД , бут и Ст - масса топлива, затраченного ДВС с ВМВ и другого машинного агрегата. Значения Пмд и ЭТоп представлены гистограммами на рис. 41.

Теоретический анализ топливной экономичности ДВС с вариатором показал высокую эффективность такого машинного агрегата. Здесь, ввиду трудностей аналитического анализа, не рассмотрен эффект непрерывности передаваемой мощности посредством ВМВ при изменении передаточного отношения, что также способствует топливной экономичности.

Одним из факторов высокой относительной топливной экономичности при работе двигателя в динамическом режиме (Этоп = 20...45 %) является возможность обеспечить работу ДВС с вариатором при максимальном индикаторном КПД (см. режим За, гл.1). Даже самая эффективная на сегодня электропередача заметно (~ 20 %) уступает ВМВ по топливной экономичности.

Транспортный ГТД, обладающий лучшими тягово-динамическими характеристиками по сравнению с ДВС, на 25 - 45 % менее экономичен ДВС с ВМВ.

ФМ - ДВС с фрикционной муфтой и

коробкой передач ГТ - ДВС с гидротрансформатором и

коробкой передач ЭП - электропередача (ДВС-электрогенератор-мотор-редуктор) КП - коробка передач

Рисунок 41 - Сравнительная эффективность применения ВМВ

Исходя из представленного теоретического анализа, ДВС с ВМВ незначительно уступает другим машинным агрегатам только при работе ДВС в экономичном статическом режиме. Это объясняется заметными механическими потерями в ВМВ из-за наличия в нём большого числа зубчатых передач. Но такой режим практически не встречается.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведённый анализ существующих средств передачи механической энергии от двигателя потребителю показал, что качественное повышение эффективности машинных агрегатов с двигателями большой мощности (более 50 кВт), сдерживается отсутствием механических передач с плавно изменяемым (варьируемым) передаточным отношением и обеспечивающим стоповый момент, то есть, нет ВМВ. Известные гидро-или электротрансмиссии не позволяют в большинстве случаев обеспечить оптимальные характеристики из-за высокой стоимости, низкого КПД, малой надёжности и большой металлоёмкости, следовательно, создание ВМВ актуально, особенно в сельскохозяйственном машиностроении.

2. На основании принципов функционирования ВМВ установлена следующая их структура: входной вал связан с выходным посредством колебательного механизма с варьируемым размахом колебаний и выпрямителем колебаний с нефрикционными обгонными муфтами. Передача рабочих нагрузок в ВМВ осуществляется через голоном-ные связи, что на порядок позволяет увеличить передаваемый момент, в сравнении с фрикционными вариаторами.

3. Разработана классификация ВМВ по конструктивным особенностям и способам применения, что позволит выбирать оптимальный тип ВМВ для сельскохозяйственной машины.

4. Для применения в ВМВ предложены нефрикционные зубчатые обгонные муфты, для которых разработаны методики расчёта оптимальных параметров и изготовлены образцы. Эти муфты универсальны, и могут быть использованы при передаче больших моментов в различных приводах, что повысит эксплуатационные характеристики машин.

5. Разработаны теоретические основы расчёта кинематических и динамических параметров кулачковых и некулачковых ВМВ, позволяющие проводить математическое моделирование работы вариаторов, и на основе которой создана методика расчёта для оптимального конструирования ВМВ различного назначения.

6. Экспериментально доказана эффективность применения ВМВ при работе в динамическом режиме на лабораторном стенде и в опытно-полевых испытаниях.

7. Количественная оценка эффективности ВМВ проведена по предложенной методике, в соответствии с которой минимальная установочная мощность ДВС в три раза меньше, а расход топлива на 25 ... 45 % ниже, чем ДВС с механическим приводом при работе в динамическом режиме.

8. Разработанные образцы ВМВ отмечены дипломами выставок, использованы в ОАО «ВИСХОМ» и ОАО «Рязсельмаш» на картофелеуборочных комбайнах, ЧТЗ и ФГУП 206 в приводе гусеничных движителей, а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Пылаев, Б.В. Кинематика и динамика бесшатунного механизма с качающейся шайбой [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник машиностроения. - 1996. - №4. - С. 6-10.

2. Пылаев, Б.В. Компрессорно-поршневой двигатель и его термодинамический расчёт [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник машиностроения. - 1996. - № 12. - С. 12-16.

3. Пылаев, Б.В. Компрессорно-поршневой двигатель с регулируемым компрессором [Текст] / Б.В. Пылаев//Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1998. -№10. -С. 34-38.

4. Пылаев, Б.В. Топливная экономичность компрессорно-поршневого двигателя [Текст] / Б.В. Пылаев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1999. - № 8. -С. 13-16.

5. Пылаев, Б.В. Сравнительная оценка максимальной мощности компрессорно-поршневого двигателя [Текст] / Б.В. Пылаев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1999. - № 10. - С. 18-20.

6. Пылаев, Б.В. Высокомоментный рычажный вариатор [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник машиностроения. - 2000.- № 3. — С. 20-23.

7. Пылаев, Б.В. Высокомоментный вариатор [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник машиностроения. - 2000. - № 9. - С. 14-17.

8. Пылаев, Б.В. Эксцентриковая высокомоментная обгонная муфта [Текст] / Б.В. Пылаев. // Вестник машиностроения. - 2003. - № 9. - С. 9-12.

9. Пылаев, Б.В. Динамика выпрямителя высокомоментного вариатора [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Техника и технологии агропромышленного комплекса-М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2003-Вып. 4. - С. 55-59.

10. Пылаев, Б.В. Основы динамики высокомоментных вариаторов [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник машиностроения. - 2004. - № 7. - С. 16-22.

11. Пылаев, Б.В. Высокомоментный вариатор нефрикционного типа [Текст] / Б.В. Пылаев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. - № 9,- С. 22-26.

12. Пылаев, Б.В. Эффективность применения высокомоментных вариаторов [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник машиностроения. - 2007. - № 2. - С. 3-8.

13. Пылаев, Б.В. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора [Текст] / Б.В. Пылаев, A.A. Шамин // Вестник машиностроения. - 2008. - № 6. - С. 3-6.

14. Пылаев, Б.В. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке [Текст] / Б.В. Пылаев //Вестник машиностроения. - 2009 - № 5. -С. 12-16.

15. Пылаев, Б.В. Методика профилирования плоских кулачков [Текст] / Б.В. Пылаев // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. - М.: ФГБОУ ВПО МГАУ, 2010. -Вып. 1(40).-С. 78-81.

Монография

16. Пылаев, Б.В. Высокомоментные вариаторы нефрикционного типа: Науное издание: монография [Текст] / Б.В. Пылаев. - М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2000. - 60 с. - ISBN 5-86758-077-3.

Публикации в других изданиях

17. Пылаев, Б.В. Кинематика механизма с качающейся шайбой [Текст] / Б.В. Пылаев // Способы повышения долговечности тракторов и сельскохозяйственных машин. Сб. науч. трудов МИИСП. М.:, 1988. - С. 159-163.

18. Пылаев, Б.В. Динамика механизма с качающейся шайбой [Текст] / Б.В. Пылаев // Совершенствование сельскохозяйственных тягово-энергетических средств и технических систем. Сб. науч. трудов МИИСП. - М.: МИИСП, 1990. - С. 74-81.

19. Пылаев, Б.В. Высокомоментный вариатор [Текст] / Б.В. Пылаев // Тезисы докладов. Научно-практическая конференция "Стратегия развития городских транспортных систем на базе перспективных технологий". - М.: МИИТ, 1999. - С. 23.

20. Пылаев, Б.В. Высокомоментная обгонная муфта [Текст] / Б.В. Пылаев // Тракторы и эксплуатация машинно-тракторных агрегатов. Сб. науч. трудов МГАУ. - М.: МГАУ, 1999. - С. 33-36.

21. Пылаев, Б.В. Зубчатая реверсивная обгонная муфта [Текст] / Б.В. Пылаев // Сельскохозяйственные тракторы и автотракторные двигатели. Сб. науч. трудов МГАУ. - М.: МГАУ, 2000. - С. 33-36. . -

22. Пылаев, Б.В. Эксцентриковая высокомоментная обгонная муфта [Текст] / Б.В. Пылаев // Диагностика, надёжность и ремонт машин. Сб. науч. трудов МГАУ. - М.: МГАУ, 2001.-С. 81-89.

23. Пылаев, Б.В. Уравновешивание сил инерции в высокомоментном вариаторе [Текст] / Б.В. Пылаев // Совершенствование машин для агропромышленного комплекса. Сб. научн. трудов ФГОУ ВПО МГАУ,- М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2002. - С. 24-31.

24. Пылаев, Б.В. Нефрикционные высокомоментные вариаторы [Текст] / Б.В. Пылаев // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодёжи. Сб. материалов. - М.: ВВЦ, 2005. - С. 151.

Изобретения

25. Механизм с качающейся шайбой [Текст]: пат. 1650993 А1 РФ: МПК К 16 Н 23/04 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 637022/28; заявл. 12.05.89; опубл. 23.05.91, Бюл. № 19. - 5 с.

26. Бесшатунный механизм с качающейся шайбой [Текст]: пат. 2085792 С1 РФ: МПК Р 16 Н 23/04 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 5101763/28; заявл. 06.02.95; опубл. 27.07.97, Бюл. № 21. - 3 с.

27. Зубчатый вариатор [Текст]: пат. 2133393 С1 РФ: МПК Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. -№97122299; заявл. 30.12.97; опубл. 20.07.99, Бюл. № 20. - 4 с.

28. Зубчато-рычажный вариатор [Текст]: пат. 2137966 С1 РФ: МПК Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 98104581; заявл. 25.02.98; опубл. 20.09.99, Бюл. № 26. - 10 с.

29. Зубчато-рычажный вариатор [Текст]: пат. 2147701 С1 РФ: МПК Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Б.В. Пылаев; автор-заявитель Пылаев Б.В. - № 98104500; заявл. 25.02.98; опубл. 20.04.2000, Бюл. № 11. - 8 с.

30. Фрикционная муфта [Текст]: пат. 2151928 С1 РФ: МПК Р 16 О 13/26 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 98108962; заявл. 15.05.1998; опубл. 27.06.2000, Бюл. № 18. — 6 с.

31. Вариатор для привода полуосей автомобиля [Текст]: пат. 2158205 С1 РФ: В 60 К 17/346 -№ 99103984; заявл. 24.02.1999; опубл. 27.10.2000, Бюл. № 30. - 3 с.

32. Высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2169870 С2 РФ: МПК Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 99110436; заявл. 14.05.1999; опубл.

27.06.2001, Бюл. № 18. - 6 с.

33. Храповая обгонная муфта [Текст]: пат. 2181856 С2 РФ: МПК Р 16 Э 41/12 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 99127979; заявл. 30.12.1999; опубл.

10.12.2002, Бюл. № 34. - 3 с.

34. Высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2179673 С1 РФ: МПК Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - №2000117223; заявл. 03.07.2000; опубл.

20.02.2002, Бюл. № 5. - 9 с.

35. Механизм с качающейся шайбой [Текст]: пат. 2207463 С2 РФ: МПК Р 16 Н 23/04 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2001106159; заявл. 06.03.2001; опубл.

27.06.2003, Бюл. № 18. - 7 с.

36. Высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2204749 С1 РФ: МПК Р16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - №2001129677; заявл. 05.11.2001; опубл.

20.05.2003, Бюл. № 14. - 9 с.

37. Высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2212574 С2 РФ: Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2001130996; заявл. 19.11.2001; опубл. 20.09.2003, Бюл. № 26. - 15 с.

38. Вариаторный привод мобильной машины [Текст]: пат. 2205110 С1 РФ: МПК В 60 К 17/346 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2002100146; заявл. 10.01.2002; опубл. 27.05.2003, Бюл. № 15. - 6 с.

39. Высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2221947 С2 РФ: МПК Р 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2002108320; заявл. 03.04.2002; опубл.

20.01.2004, Бюл. №2.-9 с.

40. Эксцентриковая высокомоментная обгонная муфта [Текст]: пат. 2229630 С2 РФ: МПК И 16 Б 41/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2002108319; заявл. 03.04.2002; опубл. 10.02.2004, Бюл. №4.-6 с.

41. Высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2242654 С2 РФ: МПК F 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2003101369; заявл. 20.01.2003; опубл. 20.12.2004, Бюл. №35.-9 с.

42. Колебательный механизм нефрикционного вариатора [Текст]: пат. 2250400 С1 РФ: МПК F 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2003129463; заявл. 06.10.2003; опубл. 20.04.2005, Бюл. №11.- 16 с.

43. Колебательный механизм для высокомоментного вариатора [Текст]: пат. 2263240 С2 РФ: МПК F 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2003134042; заявл. 25.11.2003; опубл. 27.10.2005, Бюл.№30,- 11с.

44. Колебательный механизм высокомоментного вариатора [Текст]: пат. 2263840 С2 РФ: МПК F 16 Н 29/08 / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2003129462; заявл. 06.10.2003; опубл. 10.11.2005, Бюл. № 31. - 9 с.

45. Зубчатая обгонная муфта [Текст]: пат. 2298711 С2 РФ: МПК С 16 D 41/08 / Б.В. Пылаев и А.А Шамин.; заявители Пылаев Б.В. и Шамин A.A. - № 2005123326; заявл. 22.07.2005; опубл. 10.05.2007, Бюл. № 13. - 7 с.

46. Нефрикционный высокомоментный вариатор [Текст]: пат. 2304734 С2 РФ: МПК F 16 Н 29/08 (2006.01) / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. - № 2005106890; заявл. 14.03.2005; опубл. 20.08.2007, Бюл. № 23. - 8 с.

47. Высокомоментный вариатор нефрикционного типа [Текст]: пат. 2313019 С2 РФ: МПК F 16 Н 29/00 (2006.01) / Б.В. Пылаев; заявитель Пылаев Б.В. -№ 2005140991, заявл. 28.12.2005; опубл. 20.12.2007. Бюл. № 35. - 7 с.

'48. Зубчатая обгонная муфта [Текст]: пат. 2353835 С2 РФ: МПК С 16 D 41/08 (2006.01) / Б.В. Пылаев и А.А Шамин; заявители и патентообладатели Пылаев Б.В. и Шамин A.A. - № 2007110977; заявл. 27.03.2007; опубл. 27.04.2009, Бюл. № 12. -6 с.

49. Реверсивная зубчатая обгонная муфта [Текст]: пат. 2353836 С2 РФ: МПК С 16 D 41/08 (2006.01) / Б.В. Пылаев и А.А Шамин; заявители и патентообладатели Пылаев Б.В. и Шамин A.A. - № 2007110978; заявл. 27.03.2007; опубл. 27.04.2009, Бюл. № 12. -8 с.

50. Колебательный механизм нефрикционного высокомоментного вариатора [Текст]: пат. 2409779 С1 РФ: МПК F 16 Н 29/08 (2006.01) / Б.В. Пылаев; заявитель и патентообладатель Пылаев Б.В. - № 2009125544; заявл. 06.07.2009; опубл. 20.01.2011, Бюл. № 2. - 14 с.

51. Выпрямитель колебаний высокомоментного вариатора нефрикционного типа [Текст]: пат. 2409780 С1 РФ: МПК F 16 Н 29/12 (2006.01) / Б.В. Пылаев; заявитель и патентообладатель Пылаев Б.В. - № 2009125547; заявл. 06.07.2009; опубл. 20.01.2011, Бюл. №2.-8 с.

www.vmvp.ru

Подписано к печати 10.01.2013

Формат 60*84/16

Уч.-изд. л. 1,4

Усл.-печ. л. 1,8

Тираж 150 экз.

Заказ № 860

Отпечатано в издательском центре

ФГБОУ ВПО МГАУ

127550, Москва, Тимирязевская, 58

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. Горячкина»

РАЗРАБОТКА

НЕФРИКЦИОННЫХ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ВАРИАТОРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

ПЫЛАЕВ Борис Васильевич

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений ................................................6

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................7

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........9

1.1. Обоснование необходимости совершенствования конструкции приводов в сельскохозяйственных машинах ......................9

1.2. Принципиальная конструкция ВМВ................................14

1.2.1. Вариатор типа ВМВм.м и ВМВмм-ы ................................29

1.2.2. Вариатор типа ВМВд ............................................35

1.3. Особенности механических характеристик ВМВд................39

1.4. Режимы машинного агрегата с ВМВ и классификация ВМВ . . 42

1.5. Цель и задачи исследования.....................46

Глава 2. РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ ..................50

2.1. Основные типы обгонных муфт......................................52

2.2. Зубчатая обгонная муфта (ЗОМ) ..................55

2.2.1. Конструкция и принцип действия ................................55

2.2.2. Математическое моделирование работы выпрямителя с ЗОМ . 58

2.3. Минимизация потерь в выпрямителе с ЗОМ ......................69

2.3. Выводы по главе 2 ..................................................69

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

НЕКУЛАЧКОВЫХ ВМВ ...................... 70

3.1. Выбор оптимальной схемы некулачкового КМ...........70

3.2. Механизм наклонного кривошипа (МНК)..........................73

3.2.1 .Способ уменьшения коэффициента неравномерности в ВМВд . 76

3.2.2. Конструкция и принцип действия ВМВд.............80

3.2.3. Динамика ВМВмм.! с МНК..........................................84

3.2.3.1. Использование упругого звена..................86

3.2.4. Управляющая сила от РУ в ВМВмм_! ............... 90

3.2.5. Статические нагрузки в МНК................... 91

3.2.6. Силы инерции в МНК....................... 96

3.3. Механизм с колебательной вилкой............... 96

3.4. Выводы по главе 3 .......................... 98

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

КУЛАЧКОВЫХ ВМВд ....................... 99

4.1. Динамика кулачкового ВМВд.................... 99

4.2. Кулачковые механизмы с 1-м параметром............ 110

4.2.1. КМ с кареткой и рычагом ....................110

4.2.2. КМ с поворотной кареткой ....................117

4.2.3. КМ с коромыслом и шатуном .................. 120

4.2.4. КМ с коромыслом и поворотным рычагом ...........123

4.3. Кулачковые механизмы с 2-мя параметрами........... 126

4.3.1. КМ с перемещаемым кулачком и кареткой .......... 126

4.3.2. КМ с выдвижными коромыслами................ 137

4.3.3. КМ с коромыслами и раздвижными кулачками.........146

4.3.4. КМ с коромыслами и поворотным кулачком ..........159

4.4. Силы инерции в кулачковых КМ..................165

4.4.1. КМ с перпендикулярными каретками ..............165

4.4.2. КМ с параллельными каретками.................169

4.4.3. КМ с коромыслами ........................ 171

4.4.4. Мощность холостого хода коромыслового механизма .... 176

4.5. Выводы по главе 4 ......................... 177

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ВМВ НА МОБИЛЬНЫХ МАШИНАХ..... 178

5.1. ВМВ для автомобилей....................... 178

5.2. Соединение ВМВд с дифференциалом полуосей........ 181

5.3. Применение ВМВ на гусеничных машинах ........... 184

Глава 6. РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ..................185

6.1. Некулачковый BMBmm_i для привода ротора зерноуборочного комбайна ..............................186

6.2. Кулачковый ВМВд привода ведущих колёс зерноуборочного комбайна ............................................................199

6.3. Экспериментальные ВМВ ..........................................211

6.3.1. Не кулачковый BMBmm.i............................................211

6.3.2. Четырёхкулачковый ВМВд ......................................219

6.3.3. ВМВд с поворотным кулачком .................221

6.3.4. Кулачковый ВМВд с коромыслами и

поворотными рычагами ..........................................227

6.4. Выводы по главе 6 .........................236

Глава 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВМВ ............237

7.1. Лабораторные испытания кулачкового ВМВд ................237

7.1.1 Разработка методов экспериментального исследования и создание лабораторного стенда..........................................237

7.1.2 Объект экспериментального исследования..........242

7.1.3 Результаты экспериментального исследования................250

7.2. Лабораторно-полевые испытания вариаторного привода на картофелеуборочном комбайне ....................................251

7.2.1. Конструкция блочно-модульного самоходного артофелеуборочного комбайна БМСК-4К ............................................251

7.2.2. Программа лаборатоно-полевых исследований ..............254

7.2.3. Методика сравнительных испытаний ..........................254

7.2.4. Результаты сравнительных лабораторно-полевых и хозяйственных испытаний комбайнов БМСК-4К и КСК-4-1 ..................257

Глава 8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВМВ....................263

8.1. Максимальная мощность ДВС с ВМВ ............................263

8.2. Топливная экономичность ДВС с ВМВ ..............270

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................. 282

Библиографический список ......................... 284

ПРИЛОЖЕНИЕ ................................ 294

Приложение 1. Расчёт ВМВм-1 привода ротора зерноуборочного комбайна

(к п. 6.1) ............................ 295

П 1.1. Расчёт КМ ......................... 295

П 1.2. Расчёт выпрямителя .................... 301

П1.3. Расчёт механизма изменения передаточного отношения . 306 Приложение 2. Расчёт ВМВд с раздвижными кулачками (к п. 6.2) .... 307

П2.1. .РасчётКМ ......................... 307

П2.2. Расчёт выпрямителя .................... 315

П2.3. Расчёт двойного дифференциала.............. 320

П2.4. Расчёт механизма изменения передаточного отношения . 324 Приложение 3. Программа МаШсасМЗ, для определения характеристик

ВМВд с коромыслами и поворотным рычагом (к п. 4.2.4 и 6.3.4).....326

Приложение 4. Рефераты патентов ...................... 329

Приложение 5. Копии документов ...................... 356

Перечень условных обозначений КДП - кинематико-динамический преобразователь; ВМВ - высокомоментный вариатор; ДПМ - двигатель постоянной мощности; МНК - механизм с наклонным кривошипом; ОМ - обгонная муфта; ЭОМ - эксцентриковая обгонная муфта; ЗОМ - зубчатая обгонная муфта; РУ - рукоятка управления передаточным отношением; а и а)2- угол поворота и угловая скорость входного вала ВМВ; (р и со3 = ¿/ср /<Л — угол поворота и угловая скорость выходного вала ВМВ; М2 и М3 - моменты на входном и выходном валах ВМВ; М& - стоповый момент на выходном валу ВМВ; Ми ~ момент, передаваемый ОМ; / = Юз /(о2- передаточное отношение ВМВ; КМ - колебательный механизм; КВ - колебательный вал; А, - размах колебаний КВ; у = у (X, а) - угол поворота КВ; Вм и Вмм - выпрямитель с одной или с двумя ОМ; Вд - Д-выпрямитель; Юк - угловая скорость КВ; ©4 - скорость выходного вала выпрямителя; г/ = СО4 / | сок I - передаточное отношение выпрямителя; ВМВм_к и ВМВмм_ы - ВМВ с N выпрямителями типа Вм и 5ММ; ВМВд - ВМВ с выпрямителем Вд;

5 - коэффициент неравномерности вращения выходного вала ВМВ;

г] — коэффициент полезного действия (КПД);

и(а) - оптимальная характеристическая функция профиля кулачка.

ВВЕДЕНИЕ

Мобильные сельскохозяйственные машины работают в условиях бездорожья с различным почвенным фоном при выполнении технологических процессов с нестационарными кинематическими и динамическими характеристиками. Энергия двигателя расходуется на перемещение в условиях плохой проходимости, а также одновременно на обеспечение эффективного технологического процесса землеобрабатывающими и уборочными машинами.

Важной проблемой для сельскохозяйственных машин является рациональный способ передачи механической энергии от двигателя к потребителю (рабочему органу) при приемлемой стоимости, способствующий повышению качества и увеличению производительности технологического процесса, а также улучшению условий работы оператора.

Используемый на мобильной технике двигатель внутреннего сгорания (ДВС) из-за особенностей своих механических характеристик требует для обеспечения работоспособности сельхозмашины сложных и не достаточно эффективной конструкции привода рабочих органов.

Широко используемые в сельскохозяйственном машиностроении фрикционные клиноремённые вариаторы позволяют обеспечивать необходимые кинематические и динамические характеристики рабочим органам только в ограниченных пределах, и не работоспособны при больших мощностях.

Объёмный гидропривод обладает приемлемыми кинематико-динамическими характеристиками, но достаточно дорог, неэкономичен, сложен в обслуживании и ремонте.

Использование электротрансмиссии (ДВС-электрогенератор-транспортные электромоторы) не находят применение в мобильных сельхозмашинах из-за высокой стоимости и большой металлоёмкости.

Необходимость варьирования, т. е. плавное регулирование по скорости и моменту ведущего звена рабочего органа сельхозтехники средствами механики,

очевидна, при этом следует иметь в виду тенденцию к повышению мощности сельскохозяйственной техники.

Фрикционные вариаторы принципиально не способны к передаче больших моментов: рабочие нагрузки создаются силами трения, которые требуют, более чем в 20 раз превышающие их, контактные. Проблема создания нефрикционных вариаторов поставлена давно (А. Laub, 1929 г.[15]), где принцип варьирования основан на преобразовании вращения входного вала в колебание колебательного вала колебательным механизмом с последующим выпрямлением колебаний выпрямителем, то есть, превращающий колебание колебательного вала в однонаправленное вращение выходного вала, при этом бесступенчатое изменение скорости вариатора обеспечивается плавным изменением размаха колебаний колебательного вала.

Приемлемых для практики таких вариаторов нет из-за отсутствия эффективных конструкций колебательных механизмов с регулируемыми параметрами на работающем механизме и выпрямителей, обеспечивающих при этом равномерность вращения выходного вала.

Выше изложеное доказывает необходимость создания для сельскохозяйственных машин нефрикционных вариаторов на большие передаваемые мощности. Разработки таких вариаторов, которые названы нефрикционными высоко-моментными вариаторами (ВМВ), посвящена данная работа.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обоснование необходимости совершенствования конструкции приводов в сельскохозяйственных машинах

Мобильные сельскохозяйственные машины работают в условиях бездорожья с различным почвенным фоном при выполнении технологических процессов с нестационарными кинематическими и динамическими характеристиками. Энергия двигателя расходуется на перемещение в условиях плохой проходимости, а также одновременно на обеспечение эффективного технологического процесса. Рассматривая мобильную машину с выполняемой ею сельскохозяйственной операцией как машинный агрегат (МА), находим, что важной проблемой для МА является эффективный способ передачи механической энергии от двигателя к потребителю (рабочему органу).

Любой машинный агрегат МА (рис. 1.1) содержит три основных элемента: двигатель 4, рабочий орган (потребитель) 5 и кинематико-динамический преобразователь (КДП) 1 с входным 2 и выходным 3 валами; С02, СОз и Мъ Мз - угловые скорости этих валов и действующие на них моменты.

Развиваемый двигателем момент Мдв = М2 и мощность Ы^ъ = Мдв-Сйдв зависят от скорости вала двигателя содв = СО2 и характеризуемого параметром к положения органа управления двигателем, следовательно, имеются функции

Мдв = Мдв(содв, к); Ит = #дв(содв, к), называемые скоростными (механическими) характеристиками двигателя, вид которых, как пример, для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при фиксированных к показан на рис. 1.2.

Момент на рабочем органе МРо и скорость СОз вала 3 зависят от характера выполняемой работы. Назначение КДП состоит в согласовании работы двигателя и потребителя, т. е. потребитель с помощью КДП должен получить механическую энергию от двигателя "требуемого качества", при этом часть энергии теряется, что можно учесть коэффициентом полезного действия г|.

Потребляемая рабочим органом мощность равна мощности, снимаемой с выходного вала ДКП, т. е. N?o = MyСО3 = N3,

и связана с мощностью двигателя соотношением N3 = 7УдВ ц , откуда имеем М3 = Nrb Л /С03.

Эта скоростная характеристика при r\ = const и фиксированной мощности двигателя имеет гиперболический характер {а - на рис. 1.3), являясь в большинстве случаев оптимальной, о чём писал В.П. Горячкин [1], например: при постоянном режиме работы двигателя, если возрастает М3, то ю3 уменьшается, и наоборот. Двигатель с такой характеристикой называют «Двигателем постоянной мощности» (ДПМ). Рассмотрим так называемый «стоп-режим» - начальную стадию разгона неподвижного нагруженного потребителя, например тро-гание с места состава тепловозом. Характеристика а обеспечивает «стоп-режим» при любой мощности двигателя, так как при нулевой скорости момент бесконечно большой, но эта идеальная характеристика практически недостижима. Реальной является характеристика Ъ на рис. 1.3, где Mst - стоповый

момент (максимальный момент при нулевой скорости).

ДВС не может обеспечить «стоп-режим» без специального КДП, так как он

не работоспособен при скоростях 0 ... СОо (рис. 1.2), а паровой двигатель, имея характеристику, близкую к оптимальной (b на рис. 1.3), позволил создавать простые по конструкции МА, например паровоз, в котором паровой двигатель непосредственно соединён с ведущими колёсами. Проблема замены на локомотиве парового двигателя более экономичным дизелем была решена только в 40-х годах 20 века использованием в качестве КДП электротрансмиссии.

Сказанное даёт основание для двух направлений совершенствования МА -это создание экономичных двигателей с оптимальной скоростной характеристикой или дешёвых и надежных КДП с близкими к параболической скоростными характеристиками.

Двигатели с характеристикой Ъ\ объёмный гидромотор, транспортный электродвигатель, паровой двигатель (ПД), двухвальный газотурбинный двигатель (ГТД) и компрессорно-поршневой двигатель (ДКП) [10, 53-56].

2 3 1 - кинематико-динамический

преобразователь (КДП)

2 - входной вал КДП

3 - выходной вал КДП

4 - двигатель

5 - потребитель

со — угловая скорость

, , _ ,, г. ч М — момент

Рис. 1.1. Схема машинного агрегата (МА)

теоретическая (ДПМ) реальная

Цвах

Рис. 1. 2. Скоростные характеристики ДВС со - угловая скорость М - момент АГ=М-со - мощность

Рис. 1.3. Оптимальные скоростные характеристики со - угловая скорость М - момент N = М-со - мощность М - стоповый момент

51

ПД ввиду плохой экономичности в настоящее время не используется, ГТД эффективен только при мощностях более 500 кВт, имеет высокую стоимость и при режиме разгона низкую топливную экономичность [4], а ДКП находится в стадии теоретической разработки [10, 53-56], т. е. среди тепловых двигателей в настоящее время самым распространённым остаётся ДВС. Но он из-за плохих скоростных характеристик требует достаточно сложного и дорогого КДП, имеет низкую топливную экономичность при нестационарном режиме работы [55], завышенную почти в три раза мощность, необходимую в основном только в период разгона [11, 56]. Экспериментально доказано в НАМИ, что автомобиль с ПД мощностью в три раза меньшей, чем автомобиль такой же массы с ДВС, имеет аналогичную приёмистость [11].

С ДВС используются в основном следущие КДП:

- фрикционная муфта с многоступенчатой коробкой передач;

- гидротрансформатор с автоматической коробкой передач;

- электротрансмиссия (электрогенератор - электромотор - редуктор);

- объёмная гидротрансмиссия (гидронасос - гидромотор - редуктор).

Последние два КДП обладают близкими к оптимальной характеристиками,

но достаточно дороги. Электоротрансмиссия достаточно металлоёмка, но экономична - потери энергии менее 10 %, и может применяться с ДВС любой мощности, а объёмная гидротрансмиссия неэкономична,- потери энергии превосходят 20 %, передаваемая мощность ограничена, зато менее металлоёмка.

Следует отметить, что при переключении коробки передач происходит прерывание подачи энергии, а во фрикционной муфте и в гидротрансформаторе потери энергии более 20 %, особенно велики при работе на переходных режимах.

Оценка топливной экономичности ДВС с разными КДП дана автором в [56], где показано, что имеет место существенный перерасход топлива ДВС из-за плохих характеристик двигателя и КДП, особенно на нестационарных режимах работы.

Широко применяемый в технологическом оборудовании электропривод в основном использует дешёвые асинхронные двигатели завышенной мощности с редуктором или коробкой передач, а применение электродвигателей с нужными характеристиками или гидротрансмиссии значительно повышает стоимость оборудования.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости создания дешёвого, экономичного, надёжного и компактного КДП, в котором нет преобразования энергий, т. е. он должен быть механическим, но самое главное должен обеспечивать «стоп-режим» и иметь оптимальную скоростную характеристику. Последнее свойство можно записать так:

/ = С03/С02 ~ЛМ2 /Мз , (1.1)

где / - передаточное отношение, принимающее непрерывные значения в диапа