автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка способа оценки взаимодействия колесных движителей сельскохозяйственных тракторов в составе МТА с почвой

На правах рукописи -

Ширяева Елена Владимировна

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ В СОСТАВЕ МТА С ПОЧВОЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сех ьского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

005540574

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» Научный руководитель: Кузнецов Николай Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ

Официальные оппоненты: Ляшенко Михаил Вольфредович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Автомобиле- и тракторостроение»

Карсаков Анатолий Андреевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, доцент кафедры «Механика»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2013 года в 10 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ по адресу: 400002, г. Волгоград, пр-т Университетский, 26, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ.

Автореферат разослан 16 ноября 2013 года и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и ВолГАУ, http://www.volgau.com.

Ученый секретарь

диссертационного совета / Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современные экспериментальные исследования, направленные на изучение процессов взаимодействия ходовой системы колесных тракторов с почвой, доказывают, что при оптимизации состава и режимов работы машинно-тракторного агрегата (МТА) необходимо учитывать не только максимальную производительность МТА при минимальных финансовых затратах, но и экологические аспекты, определяемые допустимым значением коэффициента буксования колесного движителя Здэ, обеспечивающим сохранение структуры и плодородия почвы. Выбор таких рациональных режимов нагружения, согласно классической теории трактора, основывается на использовании тяговой характеристики трактора, полученной в процессе его тяговых испытаний.

Определяющим компонентом тяговой характеристики является зависимость коэффициента буксования от тягового усилия (кривая буксования), которая определяет степень соответствия трактора тяговой концепции. Кривую буксования можно также считать характеристикой несущей способности почвы в горизонтальном направлении для данного типа трактора. Исходя из этого, актуален математический аппарат по оценке тягово-сцепных показателей колесных тракторов и режимов их нагружения в реальных условиях эксплуатации, обеспечивающий хорошую сходимость результатов счета с результатами натурных тяговых испытаний с целью сокращения их трудоемкости.

Степень разработанности темы. Теоретическим вопросам оценки тягово-сцепных свойств колесных тракторов с учетом их конструктивных особенностей, свойств и геометрии шины ведущего колеса, а также основных физико-механических свойств почвы, посвящены работы профессора Н.Г. Кузнецова. В контексте данной темы под его руководством работал ряд исследователей ВолГАУ (В.В. Автономов, Ю.П.Дегтярев, В.Н. Тюльпанов, А.Г. Жутов, Д.С. Гапич и др.). Однако на текущий мо-

мент предложенная методика прогнозирования тягово-сцепных свойств аналитическими зависимостями не в полной мере отражает физический процесс буксования колесного трактора в составе МТА в реальных условиях эксплуатации.

Цель работы: разработать методику расчета по прогнозированию тягово-сцепных свойств проектируемых и существующих моделей колесных тракторов различных конструктивных схем с учетом их технических характеристик и зональных условий работы, а также с учетом допустимых режимов нагружения трактора в составе МТА крюковым усилием с точки зрения предупреждения истирания почву. Задачи исследования:

— уточнить методику оценки тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 с учетом их конструктивных особенностей и механических свойств почвы;

— изучить динамику процесса буксонания колесного трактора с целью выявления влияния амплитуды и частоты колебаний в составе частотного спектра случайных колебаний внешней нагрузки, способных нарушать устойчивость процесса деформации почвы и вызывать снижение её несущей способности;

— разработать методику оценки полной несущей способности почвы;

— разработать методику-тягового расчета скоростных тракторов на базе скорректированной теории полной несущей способности почвы при реализации трактором тяговой нагрузки при работе в составе МТА;

— создать компьютерный вычислительный комплекс для проведения исследования энергетического баланса звеньев и механизмов скоростных МТА;

— экспериментальным путем проверить предложенную аналитическую методику определения тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2, а также возможность использования аналитических зависимо-

стей по определению численного значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования для тракторов других тяговых классов.

Научная новизна работы:

— математическая модель по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов, учитывающая физико-механические свойства почвы, свойства и геометрические параметры шины ведущего колеса, а также неустановившийся характер нагружения трактора крюковым усилием;

— корректировка тягового расчета трактора - автоматизация тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы тяги в функции коэффициента буксования.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке программно-вычислительного комплекса по оценке тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 с учетом их конструктивных особенностей, геометрии шин, состояния опорной поверхности и условий нагружения в реальных условиях эксплуатации.

Методология и методы исследования. Теоретические исследовании выполнены с использованием положений и методов классической механики. Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных методик проведения эксперимента. Положения, выносимые на защиту:

— математическая модель по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов;

— математический алгоритм решения методом кусочно-линейной аппроксимации в среде МаЛсас! системы нелинейных дифференциальных уравнений нагружения МТА переменным тяговым усилием;

— корректировка тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы тяги в функции коэффициента буксования;

— определение численного значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования;

— программно-вычислительный комплекс по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов с колесной формулой 4К2 с учетом их конструктивных особенностей, геометрии шин, состояния опорной поверхности и условий нагружения в реальных условиях эксплуатации.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность определяется использованием и глубокой теоретической проработкой физических процессов взаимодействия ведущего колеса трактора с почвой в условиях эксплуатации на базе основных законов теоретической и земледельческой механики и установки адекватности математической модели экспериментальным данным. Материалы исследований рассматривались на Международных научно-практических конференциях Волгоградского ГАУ (2010-2013 г.) и Волгоградского ГТУ (2013 г.). По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, 6 из которых - в издательствах, рекомендованных ВАК, общий объем опубликованных работ составляет 3,48 п.л., их них 1,47 п.л. принадлежат автору.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение обосновывает актуальность темы диссертации, цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены физическая сущность процесса буксования ведущего колеса трактора и способы определения коэффициента буксования при тяговых испытаниях колесных тракторов (Л.Д. Львов, Г.М. Кутьков); возможные аппроксимации кривой буксования колесных тракторов (Г.В. Веденяпин,

Г.Г. Колобов, H.K. Куликов); основные положения теории тягового баланса (Кузнецов Н.Г.), которые позволяют аналитически определять силовые характеристики взаимодействия ведущего колеса трактора с опорной поверхностью. Приведены результаты исследований влияния скорости движения и неравномерности режима нагружения трактора на буксование колесного движителя (В.Н. Болтинский, И.И. Трепененков, С.А. Иофинов, JI.K Богомолов, А.Я. Поляк, H.A. Мочунова и др.), а также исследований по определению допустимых значений коэффициента буксования по агротехническим и экологическим критериям (Е.М. Харитончик, О.В. Яблонский, И.П Ксеневич, О.Н. Черников и др.).

Во второй главе «Теоретические исследования» на основе математических моделей, разработанных профессором Н.Г. Кузнецовым, обоснована методика оценки тягово-сцепных свойств колесных тракторов с учетом особенностей режимов нагружения.

На кривой буксования (рис. 1) можно выделить три характерные точки, определяющие основные режимы работы ведущего колеса трактора: I - режим допустимого буксования, т.(Здэ>Рт&}); II - режим среза всех

«почвенных кирпичей» в пятне контакта шины с почвой, т. (Зср, ); III -

режим максимального тягового усилия по сцеплению колеса с почвой, шах • Аналитически эти режимы были определены Н.Г. Кузнецовым.

Аппроксимацию кривой буксования можно представить дробно-рациональной зависимостью коэффициента буксования от тягового усилия S(PT) профессора H.K. Куликова:

где коэффициент пропорциональности к$ определяется на одном из режимов I или II (рис. 1, кривые 1, 2) работы ведущего колеса.

(1)

P-p кН

I -V ---

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента буксования от тягового усилия трактора МТЗ-80Л для агрофзна— стерня, с=14МН/м3: 1,2,3 - дробно-рациональные функции с ks соответственно равным 0,128; 0,275; 0,256: 4 - экспериментальные данные при постоянной крюковой нагрузке; 5 - экспериментальные данные

С целью сокращения трудоемкости определения допустимого буксования 5дз колесных тракторов предлагается зависимость:

Sd3 = S03[ (Brt])/(B-r), (2)

где $йэ - известное значение допустимого коэффициента буксования уже исследованного трактора (аналога); В¡, г/, В, г- ширина и свободный радиус ведущих колес исследованного и проектируемого тракторов, м.

Соответствующее тяговое усилие на движителях при условии установившегося движения трактора определится как

Р'Г - Ркр(опт) +Р flli

(3)

где р,:р(опт) -оптимальная крюковая нагрузка, Н, Ркр(о„т) =<ркрвТ (<ркр - коэффициент использования сцепного веса, Ст - эксплуатационный вес трактора, Н); Р ^ - сопротивление движению ведомых колес, Н.

Pf77="

1

cBkr

aCr

(4)

^-РкОгь }~5дэ го~е

где /л:( - коэффициент круговой эластичности шины, рад/(Нм); Q - вертикальная нагрузка на ведущее колесо трактора, Н; г^ - радиус барабана ведущего колеса, м; с - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3; кп - приведенный коэффициент относительной жесткости шины; а - коэффициент гистерезисных потерь; Сг- радиальная жесткость единичного сектора шины, Н/м рад. г0 - свободный радиус колеса, м; е -деформация шины ведущего колеса, м.

Рассчитанная по предлагаемым формулам точка допустимой) буксования (Здэ,РТдз) позволяет определить параметр к5 зависимости (1), который составил 0,256, что соизмеримо с к5 = 0,275, посчитанным по ранее предложенным аналитическим зависимостям. Дробно-рациональные функции с этими параметрами практически совпадают (рис. 1, кривые 2,3), что позволяет использовать формулы (2) и (3) для упрощения предложенной ранее методики построения зависимости 8{Рр).

Расположение экспериментальных данных выше полученной расчетной зависимости 8(РТ) говорит о влиянии на коэффициент буксования динамических процессов, характерных для работы МТА в реальных условиях эксплуатации.

Для оценки влияния амплитуды АР и частоты колебаний Я крюко-

Ар

вого усилия на коэффициент буксования -фактора с колесной формулой 4К2 рассмотрена математическая модель нагружения трактора переменным крюковым усилием:

Л5 (Ркр+2Р/в)-2/'п

-----1—

(т + 2т п) а>

Л

1 кр 1 ¡в > ~ п 1тр т{ 1 — 8) — 2тп5 ёа>

Л

(т + 2тп)со

гд

(¡0)

1

2У„

'тр

мл

АРт + Р/В )

Птр ' 1тр

гд

(5)

где 3 - приведенный момент инерции маховика, кг м ; - момент инерции ведущего колеса трактора, кг-м2; со - угловая скорость коленчатого вала двигателя., рад/с; Руд -сила сопротивления движения ведущего колеса, Н; М^ - момент на коленчатом валу двигателя, Н м; т - масса трактора, кг; тп - масса «почвенного кирпича», кг; г;тр -КПД трансмиссии; Рп - сила сопротивления горизонтального смятия почвы, Н; / -передаточное число трансмиссии; гд- динамический радиус колеса, м.

Решение дифференциальных уравнений системы (5) методом кусочно-линейной аппроксимации в среде МаШсас! позволило получить расчетную реализацию коэффициента буксования трактора при нагружении его

реальным крюковым усилием (рис. 2), последующая обработка которой определила среднее значение динамического коэффициента буксования.

Расчеты по данной модели были проведены для режимов с номинальной статической нагрузкой на крюке 9,6 кН с амплитудой 0,1; 0,17; 0,20; 0,15 Ркр при средней частоте колебаний 2,4 Гц. Результаты расчетов

представлены графической зависимостью на рисунке 3.

Рисунок 2 - Расчетная реализация Рисунок 3 - Влияние средней амплитуды

коэффициента буксования трактора крюкового усилия на прирост

МТЗ-80Л, нагруженного переменным коэффициента буксования

крюковым усилием

Частота колебаний коэффициента буксования, полученная по спектральной плотности коэффициента буксования (рис. 4), позволила оценить по формуле (6) ускорение этих колебаний, способных вызвать снижение несущей способности почвы в горизонтальном направлении, которое выражается в понижении тангенса угла внутреннего трения почвы tg(p (рис. 5).

а = Ь8БХграс, (6)

где АЗ = 80- А(8) - разность между средним значением коэффициента буксования 8д и усредненной амплитудой колебаний А(б), определяемых по реализации коэффициента буксования (рис. 2); 5 - круговой шаг почвозацепа шины, м; Храс - частота колебаний коэффициента буксования, соответствующая максимальному значению амплитуды колебаний, Гц, (рис. 4).

На основе этого скорректированы параметры зависимости (1):

= (*0 (ь" Р* ))/{?'" ¿ОР* I (?)

где ¡¿(р - пониженное значение tg<p■, д0 - среднее значение динамического коэффициента буксования; р - скорректированное относительное тяговое усилие в точке допустимого буксования: р' = РПЛь) /(/£'> ■ Рт тах) = р№<р ■

Л Гц

Рисунок 4 - Спектральная плотность коэффициента буксования

Таким образом, $ , располагая максимальными значениями ампли-

100%

80%

60%

40%

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента внутреннего трения почвы от отношения ускорения колебаний а к ускорению свободного падения g

Ч<Р«ы

Ч<Ртх

туды Ар

кр

и частоты

крюковой нагрузки X при выполнении различных почвообрабатывающих операций, можно получить некоторую область распределения коэффициента буксования, которая ограничена снизу статической кривой буксования, а

РткН

0 3 6 9

Рисунок 6 - Область распределения коэффициента

буксования трактора МТЗ-80Л при движении по стерне, с=14 МН/м3: 1,2 - статическая и динамическая расчетные кривые буксования ¿(Р?); 3 - эксперимен тальные данные

сверху динамической, определяемой минимальным значением тангенса угла внутреннего трения почвенных элементов (рис. 6). Такое представление буксования позволяет учитывать особенности формирования тягово-сцепных свойств колесных тракторов в реальных условиях эксплуатации.

Анализ рисунка 6 показывает, что экспериментальные данные явно не повторяют характер полученной расчетной дробно-рациональной зависимости, описывающей динамическую кривую буксования. Исправить этот недостаток можно за счет переходи от 8{РТ) к 3(РК), то есть к зависимости коэффициента буксовалия от полного горизонтального усилия, реализуемого колесным движителем. В этом случае учет силовых затрат на качение самого ведущего колеса должен приблизить расчетную кривую к экспериментальным данным, понизив значение к8 аналитической функции в относительных координатах.

Переход от зависимости ¿)(Рт} к зависимости <5(РК) гтредстанлен схемой на рисунке 7. В итоге получена система уравнений, позволяющая определить характерные точки процесса буксования в координатах <5(РК)

Рисунок 7 - Переход от 3{Рт) к 5{РК)

и значения параметров дробно-рациональной аппроксимации кривой буксования 8{РК)\

1} - } - р1] + \ % К " > = 0

•2) Рь =

1

1-Мк<2\Гь

сВкгп | аСг

г:> ~ к 'ру51 Ь

3) рк,=

П)~е\ 1 - 1ру8\ I 1

е1ЛсВНА + 2 2 1 (

Б ) г0 - е,

1 - МкОгГь

сВкц + аСг

(1 -5срУ г0-е7

Го~е\

е1ЛсВНА +

2 2 2 Г

Б-Ь г0£>т1

г0-е2

2с0г0(В + 21„) _ 2с0(В + 21„) Се. С

(8)

тг

ср

где ()т - вертикальная нагрузка, приходящаяся на поверхность впадин шин ведущего колеса, Н; I - высота почвозацепа, м; /н - наружная высота почвозацепа, м; < - расчетная высота почвозацепа, м; ¡ру - расчетное число поджатий всех «почвенных кирпичей»; ц- коэффициент трения резины о почву; 5 - круговой шаг почвозацепов, м; Ь -ширина почвозацепа, м; М^— тяговый момент начала полного сдвига всех «почвенных кирпичей» пятна контакта при буксовании 8ср, Н м; с0 - коэффициент сцепления почвы, Н/м2; Я- максимальная глубина колеи колеса, м.

Полученная зависимость 8(РК) проходит через все характерные точки режимов работы ведущего колеса (рис. 8) в отличие от зависимости 8(РТ), что повышает точность прогнозирования тяговых свойств колесного -фактора, а, следовательно, и точность его эксплуатационных показателей на основании тягового расчета.

В диссертации показана корректировка тягового расчета трактора на основании использования дробно-рациональной зависимости 5{РК).

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» задача эксперимента разбита на две части: 1) оценка тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 в составе МТА в реальных условиях эксплуатации; 2) установление допустимого значения коэффициента буксования по разрушению (истиранию и измельчению) почвы тракторами более высоких классов.

По первой задаче исследования был использован накопленный экспериментальный материал Волгоградской научной школой в результате серии экспериментов МТА на базе трактора МТЗ-80Л, проведенных в 2004-05 годах на полях учебно-научно-производственного центра (УНПЦ) Волгоградского ГАУ под руководством Д.С. Галича. По второй задаче был выбран трактор ХТЗ-150К, на базе которого был составлен МТА: ХТЗ-150К+СП-11+ЗКПС-4. Эксперименты проводились на базе УНПЦ в период с июля по август 2012 года на различных почвенных фонах.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» с целью проверки адекватности математической модели оценки тягово-сцепных свойств колесных тракторов на почвах различной вертикальной

жесткосги с учетом амплитудно-частотной характеристики крюкового усилия был проведен анализ динамичности процесса нагружения колесных тракторов класса 14 и 30 кН крюковым усилием, что позволило установить максимальные значения амплитуды и частоты крюковой нагрузки при выполнении различных почвообрабатывающих операций.

Обработка экспериментальных данных показала, что дробно-рациональная функция 8(Рк) отражает -сар-гину деформации почвы точнее чем 8{Ру) — наблюдается хорошая сходимость экспериментальных и расчетных кривых, что подтверждает близость теоретической модели рассматриваемых явлений реальной физической картине (рис. 8).

Г т

/

/1

/ :

2

\

\ Ч1

3

Р»кН

о 2 .1 8

12 Н 16 18 20 22 24 26 ¡8 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 « «

а) б)

Рисуноз: 8 - Зависимости а) 3(РТ) и б) 5(Рк) трактора МТЗ-80Л; агрофон - стерня, с=14МН/м3; 1 — статическая, 2 - динам ическая аналитические кривые;

3 - экспериментальные данные

В ходе исследований также установлено, что параметр к5 дробно-рациональной функции не зависит от коэффициента объемного смятия почвы: при условии с<15,5МН!м3, о чем свидетельствуют графические зависимости безразмерных харастеристик буксования, представленные на рисунке 9, поэтому в аналитических расчетах при прогнозировании тягово-сцепных свойств колесных тракторов без учета динамичности процесса нагружения крюковым усилием его можно принимать постоянным, что значительно упрощает предложенную во второй главе методику.

S i

0,8 0,6 0,4 0,2 0

1» - -

— —i—:—1

- V Ч" 4 i T- Ь

- - rp: - / 1-

-4-1 4- 1

■ t - t-

НФг -t: - - +

0,2 0,4

а)

0,6 0,8

Pr

Рисунок 9 - Зависимости коэффициента буксования трактора MT3-80JI от а) относительного тягового усилия; б) относительного касательного усилия при изменении коэффициента объемного смятия почвы с от 0,5 до 15,5 МН/м3 с шагом 0,5 МИ/м3

По второй части экспериментальной задачи установлено, что при увеличении буксования свыше 6-7% для трактора ХТЗ-150К увеличивается весовой состав фракций, нежелательных с точки зрения" агротехники (сМ),5мм), поэтому данное значение коэффициента буксования следует считать допустимым по критерию отсутствия истирания почвы (рис.10). Аналитическое значение <5^, со гласно формуле (2), будет равно:

¿03 = /(В ■ г) = 4, /(0,54 • 0,695) = 0,073,

где В, г - ширина и свободный радиус шины 23,1R24 трактора XT3-I50K, м; s'dji = 0,0275 - известный допустимый коэффициент буксования ведущего колеса свободного радиуса 0,786 м с шиной единичной ширины, характеризующий способность-почвы деформироваться без сдвига, для почвенно-климатических условий Нижнего Поволжья он может быть принят равным от 0,0275 до 0,0314.

Полученное значение 8дэ близко к экспериментальным данным, следовательно, позволяет получить статическую кривую буксования (рис. 11). Для этого были определены параметры зависимости (1): максимальное тяговое усилие Р/с как сумма максимальных тяговых усилий, развиваемых

передним и задним ведущими мостами, и ks по точке допустимого буксования трактора ХТЗ-150К. (8гЪ, ), где значение Рр получено по формуле (3) и с учетом того, что для трактора со всеми ведущими мостами

rß

■■ 0, составило 2,87 кН.

Рисунок 10 - Влияние коэффициента буксования трактора ХТЗ-150К на изменение структурного состава почвы при влажности 8-10%: 1 - 0,25мм; 2 -0,5мм; 3 - 1мм; 4 - Змм; 5 - 5мм; 6 -7мм; 7-10мм

1 ■ ; Гт

! |

___ 1 + __ : :

?

\ ( -<1

-- ! ' 1

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52

Рисунок 11 — Зависимость 5(РТ) трактора ХТЗ-150К при с = 4Мн/лг : 1 - дробно-рациональная функция с кг = 0,098 и р.. =5Ц4к#;

и 'гоах

2 - экспериментальные данные

Таким образом, результаты экспериментальных исследований соответствуют аналитическим положениям по определению численного значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования, что позволяет с достаточной для практических расчетов точностью устанавливать допускаемые эксплуатационные режимы работы колесных тракторов.

В пятой главе «Вычислительный комплекс по расчету и построению теоретической тяговой характеристики трактора с колесной формулой 4К2» объединяются три взаимосвязанных алгоритма: 1) определение тяго-во-сцепных свойств трактора без учета динамичности процесса нагруже-ния трактора крюковым усилием; 2) определение тягово-сцепных свойств трактора с учетом динамики нагружения (влияние колебаний нагрузки на крюке на коэффициент буксования); 3) автоматизация тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы тяги в функции коэффициента буксования.

Для каждого из этих алгоритмов представлены блок-схемы и словесное описание последовательности вычислений. В качестве компьютерной среды реализации алгоритмов, в виду объема и сложности составляющих

их математических моделей, был выбран математический пакет МаШсас} компании РТС, который содержит мощный арсенал специализированных процедур и функций численного решения математических задач, а его интерфейс позволяет записывать формулы в графическом виде - «как есть».

Приведены скриншоты программно-вычислительного комплекса при вводе исходных данных - характеристик трактора МТЗ-80Л, шины ведущего колеса 15,51138 и почвенного фона - и выводе результата в удобной для эксплуатационников форме в виде теоретической тяговой характеристики трактора для выбранного агрофона (рис. 12).

Тлпзш характеристика трактора

-4ЭО.З 1« 5 2215 4 ЭШЗ 4Е61 I 6153.9 7506 8 Ш9 6 1015X5 11*75.4 121«! 14121.1 15441.9 16:661 18089 б 1«1М 2073

Иф.Н

Рисунок 12 -Тяговая характеристика трактора МТЗ-80Л для 4-ой, 5-ой, 6-ой передач, с=14МН/м3

Заключение

1. Качение ведущего колеса по поверхности поля всегда сопровождается буксованием, то есть потерей поступательной скорости движения, на что затрачивается дополнительная энергия. Для сельскохозяйственных колесных тракторов недостаточно установления допустимого коэффициента буксования по условиям максимального использования сцепного веса, максимального использования номинальной мощности двигателя, макси-

мального реализуемого тягавогс усилия трактора или же получения максимальной производительности. Необходимо определять значение допустимого коэффициента буксования по истиранию почвы, нарушающему ее естественную структуру.

2. Анализ аналитических зависимостей, аппроксимирующих кривую буксования, показал хорошую работоспособность формулы Н.К. Куликова. На основе этой зависимости при оценке тягово-сцепных свойств тракторов предлагается определять параметр к3 дробно-рациональной аппроксимации коэффициента буксования от тягового усилия 8{РТ) через точку {5дэ,Рт& ), характеризующую допустимый сдвиг «почвенного кирпича» по критерию истирания почвы.

.3. Предложена аналитическая зависимость по определению численного значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования 8дэ для колесных тракторов различных конструктивных схем, что позволяет с достаточной для практических расчетов точностью устанавливать допускаемые эксплуатационные режимы их работы.

4. Установлено, что параметр ке дробно-рациональной функции, определенный через точку (Здэ,Рт )., характеризующую допустимый

сдвиг «почвенного кирпича», не зависит от коэффициента объемного смятия с тяжелых почв засушливых зон страны до 15,5 МН/м3, характеризующего её вертикальную жесткость. В аналитических расчетах его можно принимать постоянным, что значительно упрощает предложенную методику по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов.

Этот вывод подтверждает заключение работы (Кузнецов Н.Г. Теория тягового баланса энергонасыщенных колесных тракторов при работе на тяжелых почвах засушливых зон: учебное пособие. Волгоград: Волгогр. гос. с.-х. академ., 2004. 140с.) о том, что шина ведущего колеса трактора является автоматическим устройством, обеспечивающим сохранение тяговых способностей тракторов (максимально возможное тяговое усилие и

допустимый коэффициент буксования) при изменении свойств почвы (жесткости и несущей способности в горизонтальном направлении). Это дает право на расширение вывода пункта 4 на другие виды почв по структурному составу и коэффициенту объемного смятия с.

5. В производственных условиях для колесных тракторов всех классов с увеличением амплитуды и частоты колебаний крюковой нагрузки следует ожидать повышения коэффициента буксования. Связано это с нелинейностью зависимости д(Рт), а также генерацией ускорения колебаний горизонтальной деформации почвы, вызывающих снижение прочностных параметров несущей способности почвы е; горизонтальном направлении.

6. Случайный характер нагружения трактора в со ставе МТА крюковым усилием в конечном счете определяет закономерность изменения коэффициента буксования не по отдельным кривым, а по области распределения коэффициента буксования, расположенной между стационарной кривой 5{РТ) и кривой буксования, аппроксимирующей границу рассматриваемой области при максимальном касательном усилии, определяемом минимальным значением щ<р = .

7. Проведенный экспериментальный анализ динамичности процесса нагружения колесных тракторов класса 14 и 30 кН позволил установить максимальные значения амплитуды и частоты крюковой нагрузки тракторов при выполнении различных почвообрабатывающих операций (для трактора класса 14 кН при движении с плугом - \=Ъ Гц, А=0,31 Ркр; при движении с культиватором - А,=4 Гц, А=0,22 Ркр; для трактора, класса 30 кН при культивации поля после дискования - Х=2,8 Гц, А=0,22 Ркр). что позволяет аналитическим путем получать области разброса коэффициента буксования — области несущей способности почвы для данного трактора, учитывающие снижение тяговых показателей трактора в составе МТА в реальных условиях эксплуатации.

8. Разработана методика оценки полной несущей способности почвы, которая заключается в определении зависимости коэффициента буксования от полного горизонтального усилия, реализуемого колесным движителем, 8{РК), проходящей через все характерные точки режимов взаимодействия ведущего колеса трактора с почвой.

9. Экспериментальным путем подтверждено, что использование зависимости 5(РК) более достоверно отражает картину деформации почвы, чем 5{РТ). Дробно-рациональная функция 8{РК) с параметром % =0,313 для трактора МТЗ-80Л, аппроксимирующая данную графическую зависимость, точно проходит через расчетные точки нагружения движителей трактора (характерные режимы работы ведущего колеса) — наблюдается хорошая сходимость экспериментальных и расчетных кривых, что подтверждает близость теоретической модели реальной физической картине.

10. Экспериментальный анализ позволил определить область разброса коэффициента буксования для тракторов типа МТЗ при работе на светло-каштановых почвах влажностью 8-10% и коэффициенте объемного смятия почвы с до 15,5 МН/м3 в координатах 5(Рк), ограниченной стационарной кривой буксования с параметрами дробно-рациональной функции к5~0,37 и Рк до 42 кН и динамической кривой буксования с параметрами дробно-рациональной функции к8 =0,42 и Рктах Д° 32 кН.

11. Экспериментальным путем проверена возможность использования аналитических зависимостей по теоретическому определению значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования для тракторов тягового класса ЗОкН. Коэффициент буксования трактора ХТЗ-150К, равный 6-7%, следует считать допустимым коэффициентом буксования по отсутствию истирания почвы.

12.Предложен алгоритм построения кривой буксования 8(РТ) для тракторов с колесной формулой 4К4. Адекватность данного алгоритма подтверждена экспериментальным путем.

13. Проведена корректировка методики тягового расчета трактора, позволяющая использовать характеристику несущей способности почвы в виде <5(РК), то есть зависимость коэффициента буксования от полного горизонтального усилия, реализуемого ведущими колесами, что повышает точность прогнозирования эксплуатационных показателей трактора в составе МТА.

14. Разработан вычислительный комплекс, позволяющий: 1) с большой точностью и за короткий период времени получать теоретические тяговые характеристики тракторов с колесной формулой 4К2, что сокращает трудоемкость проведения их испытаний на МИС, цена которых на сегодняшний день по данным ряда МИС составляет около 2300 рублей на 1 л.с. мощности двигателя трактора; 2) проводить сравнительную оценку тяговых свойств колесных тракторов, относящихся к одному тяговому классу; 3) оценивать приспособленность колесных тракторов к местным условиям эксплуатации и режимам их нагружения в составе МТА; 4) оценивать соответствие проектируемых колесных тракторов техническому заданию; 5) устанавливать допускаемые режимы нагружения тракторов в составе МТА; 6) принимать решение о целесообразности добавления данного колесного трактора к имеющемуся парку тяговых машин.

Рекомендации производству. Программно-вычислительный комплекс по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов с колесной формулой 4К2 рекомендован при проектировании трактора и для сокращения трудоёмкости проведения натурных тяговых испытаний тракторов.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшее развитие аналитической модели по прогнозированию тягово-сцепных свойств колесных тракторов в реальных условиях эксплуатации должно быть направлено на полноприводные трактора, с целью получения не только динамических кривых буксования, но и выполнения основного критерия согласованности работы ведущих мостов — равенства поступательных скоростей движения мостов.

Основные положения диссертации опубликованы: в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Гаггач, Д.С. Способ оценки энергетической нагруженности узлов и механизмов сельскохозяйственного трактора [Текст] / Д.С. Гапич, Е.В. Ширяева //Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2011.-№3-С.213-219.

2. Гапич, Д.С. Теоретическая оценка тягово-сцепных характеристик колесных тракторов [Текст] / Д.С. Гапич, И.А. Несмиянов, Е.В. Ширяева // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - №7 - С. 19-22.

3. Кузнецов, Н.Г. Динамика процесса буксования колесного трактора кл.1,4 [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Галич, Е.В. Ширяева // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. -№12 - С.23-25.

4. Кузнецов, Н.Г. Влияние неустановившегося характера нагруже-ния колесного трактора крюковым усилием на коэффициент буксования [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, E.E!. Ширяева // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. -№10 - С.25-26.

5. Кузнецов, Н.Г. Экспресс метод прогнозирования эксплуатационных показателей тракторов с колесной формулой 4К2 [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Галич. Е.В. Ширяева // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса.: наука и высшее профессиональное образование.-2013. -№3 -С.179-183.

6. Кузнецов, Н.Г. Особенности прогнозирования тягово-сцепных свойств колесных с.-х. тракторов [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, Е.В. Ширяева // Тракторы и сельхозмашины. -2013. -№11 - С. 19-21.

в других изданиях:

7. Гапич, Д.С. Реализация матемг.тической модели определения тя-гово-сцепных характеристик колесных тракторов в среде Mathcad [Текст] / Д.С. Гапич, Е.В. Ширяева, Д.В. Губайдуллин //Материалы Международной научно-практической конференции, Волгоград 31 января-02 февраля 2012г. ТомЗ. -Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012.-С290-295.

8. Ширяева, Е.В. Автоматизация тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы в фушщии коэффициента буксования [Текст] / Е.В. Ширяева // Материалы Международной научно-практической конференции. 30 января - 1 февраля 2013г. г. Волгоград. Том 5. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2013,- С.84-88.

9. Гапич Д.С. Автоматизация тягового расчета тракторов с колесной формулой 4К2 [Текст] / Д.С. Гапич, Е.В. Ширяева // Материалы Международной научно-практической конференции, 24-26 сентября 2013г. / ВолгГТУ, 2013.-С.111-112.

Ширяева Елена Влидимировна

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ В СОСТАВЕ МТА С ПОЧВОЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средсгва механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

В авторской редакции

Подписано в печать 14.11.13 Формат 60x84 Ш6.

Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 374. ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива». 400002, Волгоград, пр. Университетский, 26.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ В СОСТАВЕ МТА С ПОЧВОЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

04201450925

Ширяева Елена Владимировна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кузнецов Николай Григорьевич

Волгоград 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................10

1.1 Физическая сущность процесса буксования ведущего колеса трактора.......10

1.2 Способы определения коэффициента буксования при тяговых испытаниях колесных тракторов.......................................................................................................14

1.3 Аппроксимация кривой буксования колесного трактора с учетом его конструктивных параметров и основных характеристик почвы..............................16

1.4 Влияние скорости движения и неравномерности режима нагружения на буксование колесного движителя................................................................................23

1.5 Допустимый коэффициент буксования ведущих колес трактора и его влияние на структуру и плодородие почвы................................................................34

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................51

2.1 Анализ современной теории оценки тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 и некоторые её дополнения...............................................51

2.2 Динамика процесса буксования тракторов с колесной формулой 4К2.............60

2.3 Полная характеристика несущей способности почвы........................................75

2.4 Корректировка тягового расчета трактора...........................................................86

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.............95

3.1 Выбор и обоснование объекта исследования.......................................................95

3.2 Регистрируемые параметры трактора МТЗ-80Л..................................................97

3.3 Программа экспериментальных исследований трактора ХТЗ-150К.................98

3.4 Регистрируемые параметры трактора ХТЗ-150К.................................................99

3.5 Экспериментальное определение коэффициента буксования

трактора ХТЗ-150К......................................................................................................100

3.6 Методика определения фактурного состава почвы при взаимодействии с ней ведущих колес трактора ХТЗ-150К (определение допустимого коэффициента буксования)..................................................................................................................103

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ........106

4.1 Исследование динамичности процесса нагружения колесных тракторов в составе МТА.................................................................................................................106

4.2 Тягово-сцепные свойства трактора МТЗ-80Л в составе МТА при выполнении почвообрабатывающих операций на полях различной жесткости........................113

4.3 Тягово-сцепные свойства трактора ХТЗ-150К в реальных условиях эксплуатации................................................................................................................118

ГЛАВА 5. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПО РАСЧЕТУ И ПОСТРОЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОРА С КОЛЕСНОЙ ФОРМУЛОЙ 4К2........................................................................................................125

5.1 Выбор среды реализации алгоритма...................................................................125

5.2 Численные методы решения нелинейных систем уравнений в среде Mathcad... .................................................................................................................................126

5.3 Алгоритм определения тягово-сцепных свойств трактора с колесной формулой 4К2 и его реализация в среде Mathcad....................................................128

5.4 Алгоритм определения тягово-сцепных свойств трактора с колесной формулой 4К2 с учетом динамики нагружения (влияние колебаний нагрузки на крюке на коэффициент буксования)..........................................................................139

5.5 Автоматизация тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы тяги в функции коэффициента буксования..............................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................161

Приложение А...................................................................................................162

Приложение Б....................................................................................................177

Приложение В....................................................................................................194

§

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современные почвообрабатывающие агрегаты относятся к категории наиболее сложных технических систем, выполняющих технологические процессы за счет перемещения по полю. При их комплектовании должны учитываться не только высокое качество технологического процесса, максимальная производительность при минимальных удельных топливно-экономических и финансовых затратах, но и экологические ограничительные пороги режимов работы МТА, определяющиеся почвенно-климатическими условиями, в которых эксплуатируется техника [1]. Экологические ограничительные пороги следует искать по режиму нагружения тракторов тяговым усилием [2].

Зависимость производительности МТА от коэффициента использования сцепного веса (ркр показывает, что оптимальные нагрузочные режимы колесных

тракторов в составе МТА с точки зрения получения максимальной производительности характеризуются значениями ^=0,37...0,39 при

коэффициенте буксования 8 от 25 до 30% для тракторов с колесной формулой 4К2 и ^=0,4...0,45 при коэффициенте буксования 8 до 16% для тракторов с

колесной формулой 4К4 [1,3].

Проведенные экспериментальные исследования колесных тракторов различных конструктивных схем в засушливой зоне Волгоградской области показывают, что указанные режимы нагружения нельзя считать оптимальными [4]. Связано это с ветровой эрозией, разрушающей основное средство сельскохозяйственного производства — почву. Народному хозяйству ветровая эрозия почв причиняет огромный вред: на значительных площадях гибнут посевы сельскохозяйственных культур, мелкозем засыпает шоссейные и железные дороги, оросительные каналы, хозяйственные постройки и т.д. Поля можно пересеять, коммуникации расчистить, неся при этом хотя и большие, но поддающиеся исчислению затраты. Однако, невозможно определить ущерб от

разрушения самой почвы, снижения ее плодородия, а в ряде случаев и полного исчезновения плодородного слоя.

При повышении коэффициента буксования трактора сверх некоторого допустимого значения Здэ почвенные слои начинают сдвигаться относительно друг друга, что приводит к интенсивному их истиранию и к увеличению числа эродирующих частиц. К эрозионно-опасным почвенным частицам относятся частицы размером менее 0,25 мм. Почвы, имеющие менее 25% таких частиц, считаются эрозионно-устойчивыми. Поэтому на каждое явление, которое способствует повышению количества эродирующих частиц, в том числе и на сдвиг почвы движителями трактора, должно быть наложено ограничение. Повышение рабочих скоростей движения МТА, направленное на увеличение производительности труда в сельском хозяйстве, привело к изменению силовых и динамических нагрузок, действующих на трактор в процессе работы, а также к изменению кинематических потерь.

Средние тяговые нагрузки, при которых достигается допустимое с точки зрения эрозии почвы буксование, значительно снижаются. Так изменение структуры почвы под действием ходовой системы колесного трактора типа МТЗ наблюдается уже при крюковых нагрузках, характеризуемых коэффициентом буксования ¿>=12% [5]. Дальнейшее повышение нагрузок до величин, при которых коэффициент буксования достигает 25...30%, создает при однократной обработке почвы дополнительно 13... 14 т пыли на 1 га из частиц размером менее 0,25 мм. Общая масса частиц, подвергающаяся в описанных условиях ветровой эрозии, повышается в колее до 55%. Колея колесных тракторов в этом случае становится местом, в котором провоцируется ветровая эрозия.

Поэтому задача по комплектованию почвообрабатывающих агрегатов на базе современных колесных тракторов должна сводиться не только к обоснованию их массоэнергетических параметров, но и выбору скоростного режима работы, обеспечивающего сохранение структурного состава почвы. Выбор таких рациональных режимов агрегатирования, согласно классической теории трактора, должен основываться на использовании теоретической тяговой

характеристики трактора, определяющим компонентом которой, с точки зрения процесса взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью и установления экологических ограничительных порогов, является кривая буксования трактора, описывающая его тягово-сцепные свойства с учетом физико-механических свойств почвы, свойств и геометрии шин, неустановившегося характера нагружения трактора крюковым усилием и других свойств элементов силовой передачи.

Получение таких кривых буксования, которые являются полной оценкой несущей способности почвы при взаимодействии с ней движителей трактора, позволит определить степень соответствия трактора своему функциональному назначению в заданных условиях эксплуатации, что очень важно не только с точки зрения выбора оптимальных режимов агрегатирования МТА, но и на стадии разработки трактора как тягово-энергетического средства и подготовки конструкторской документации на машину с заданными эксплуатационными свойствами.

Следует отметить, что на сегодняшний день бывшая высоко развитая сеть районных и хозяйственных инженерных служб в сельском хозяйстве практически полностью отсутствует. Каждый товаропроизводитель вынужден на свой риск покупать тракторы, которые ему предлагают, а чаще «навязывают» местные дилеры в виде выставочных проспектов или рекламы техники, не прошедшей сертификационные испытания на машиноиспытательных станциях (МИС) [6]. Как правильно раскрыть потенциальные тяговые возможности таких тракторов? Да ещё и применительно к своему региону - вопрос на сегодняшний день очень актуальный.

Исходя из этого, актуален математический аппарат по оценке тягово-сцепных показателей колесных тракторов и режимов их нагружения в реальных условиях эксплуатации, обеспечивающий хорошую сходимость результатов счета с результатами натурных тяговых испытаний с целью сокращения их трудоемкости.

Степень разработанности темы. Теоретическим вопросам оценки тягово-сцепных свойств колесных тракторов с учетом их конструктивных особенностей, свойств и геометрии шины ведущего колеса, а также основных физико-механических свойств почвы, посвящены работы профессора Н.Г. Кузнецова. В контексте данной темы под его руководством работал ряд исследователей ВолГАУ (В.В. Автономов, Ю.П. Дегтярев, В.Н. Тюльпанов, А.Г. Жутов, Д.С. Гапич и др.). Однако на текущий момент предложенная методика прогнозирования тягово-сцепных свойств аналитическими зависимостями не в полной мере отражает физический процесс буксования колесного трактора в составе МТА в реальных условиях эксплуатации.

Цель работы: разработать методику расчета по прогнозированию тягово-сцепных свойств проектируемых и существующих моделей колесных тракторов различных конструктивных схем с учетом их технических характеристик и зональных условий работы, а также с учетом допустимых режимов нагружения трактора в составе МТА крюковым усилием с точки зрения предупреждения истирания почвы.

Задачи исследования:

— уточнить методику оценки тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 с учетом их конструктивных особенностей и механических свойств почвы;

— изучить динамику процесса буксования колесного трактора с целью выявления влияния амплитуды и частоты колебаний в составе частотного спектра случайных колебаний внешней нагрузки, способных нарушать устойчивость процесса деформации почвы и вызывать снижение её несущей способности;

— разработать методику оценки полной несущей способности почвы;

— разработать методику тягового расчета скоростных тракторов на базе скорректированной теории полной несущей способности почвы при реализации трактором тяговой нагрузки при работе в составе МТА;

— создать компьютерный вычислительный комплекс для проведения исследования энергетического баланса звеньев и механизмов скоростных МТА;

— экспериментальным путем проверить предложенную аналитическую методику определения тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2, а также возможность использования аналитических зависимостей по определению численного значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования для тракторов других тяговых классов.

Научная новизна работы:

— математическая модель по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов, учитывающая физико-механические свойства почвы, свойства и геометрические параметры шины ведущего колеса, а также неустановившийся характер нагружения трактора крюковым усилием;

— корректировка тягового расчета трактора - автоматизация тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы тяги в функции коэффициента буксования.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке программно-вычислительного комплекса по оценке тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 с учетом их конструктивных особенностей, геометрии шин, состояния опорной поверхности и условий нагружения в реальных условиях эксплуатации.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и методов классической механики. Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных методик проведения эксперимента.

Положения, выносимые на защиту:

— математическая модель по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов;

— математический алгоритм решения методом кусочно-линейной аппроксимации в среде МаШсаё системы нелинейных дифференциальных уравнений нагружения МТА переменным тяговым усилием;

— корректировка тягового расчета сельскохозяйственного трактора с использованием расчетно-аппроксимационной зависимости касательной силы тяги в функции коэффициента буксования;

— определение численного значения допускаемого по эрозийной опасности коэффициента буксования;

— программно-вычислительный комплекс по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов с колесной формулой 4К2 с учетом их конструктивных особенностей, геометрии шин, состояния опорной поверхности и условий нагружения в реальных условиях эксплуатации.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность определяется использованием и глубокой теоретической проработкой физических процессов взаимодействия ведущего колеса трактора с почвой в условиях эксплуатации на базе основных законов теоретической и земледельческой механики и установки адекватности математической модели экспериментальным данным. Материалы исследований рассматривались на Международных научно-практических конференциях Волгоградского ГАУ (2010-2013 г.) и Волгоградского ГТУ (2013 г.). По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, 6 из которых - в издательствах, рекомендованных ВАК, общий объем опубликованных работ составляет 3,48 п.л., их них 1,47 п.л. принадлежат автору.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Физическая сущность процесса буксования ведущего колеса

трактора

Под понятием «буксование» следует понимать взаимодействие движителя трактора с опорной поверхностью, сопровождающееся снижением скорости переносного поступательного движения, изменением касательной силы тяги, обусловленным нестабильностью состояния поверхности и тягового сопротивления агрегатируемой машины [7].

Для более полного понимания процесса буксования рассмотрим процесс взаимодействия (сцепления) ведущего колеса с почвой. Как известно, для движения машинно-тракторного агрегата (МТА) необходимо наличие внешней силы, направленной в сторону движения. Эта сила возникает при взаимодействии колесного движителя с почвой. Величина движущей силы может быть ограничена либо касательной силой тяги трактора, либо силой сцепления ходового аппарата с почвой. Очевидно, что для одного и того же трактора движущая сила по сцеплению будет различной на разных почвах.

Сцепление ведущего колеса с почвой обусловлено действием трех сил

(рисунок 1.1): силой трения Рк между почвой и опорной поверхностью шины или почвозацепов; сил