автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Синтез параметров передач привода агрегатов уборочных сельхозмашин по динамическим критериям

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Донской государственный технический университет

На правах рукописи

Каплич Алла Владимировна

СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАЧ ПРИВОДА АГРЕГАТОВ УБОРОЧНЫХ СЕЛЬХОЗМАШИН ПО ДИНАМИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ

Специальность 05.02.02 - "Машиноведение и детали машин"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор О.А. Полушкин

Ростов-на-Дону 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Анализ проблемы управления динамическим качеством машин. Формулировка цели и постановка задач исследования ...........................................................................................................5

1.1. Проблема управления динамическим качеством машинных агрегатов ................................................................................................5

1.2. Анализ элементов динамической системы

Горячкина В.П.................................................................................................................8

1.2.1. Двигатели ......................................................................................................8

1.2.2. Сцепления ...................................................................................................11

1.2.3. Машина .........................................................................................................13

1.2.4. Среда ...............................................................................................................16

1.3. Выводы по анализу состояния проблемы. Формулировка цели и постановка задач исследования ...........18

Глава 2. Переходные процессы в приводе рабочих

органов уборочных машин ......................................................................................21

2.1. Сцепление типа леникс и варианты агрегатирования уборочных машин ......................................................................................................21

2.2. Экспериментальные исследования и аппроксимация

их результатов ...........................................................................................................23

2.3. Аналитические модели процесса пуска .............................................36

2.3.1. Обобщенная модель..............................................................................36

2.3.2. Качественное описание процесса пуска. Варианты математических моделей ............................................41

2.3.3. Анализ функции тяги леникса в режиме буксования .........................................................................................................44

2.4. Интегрирование дифференциальных уравнений процесса пуска .............................................................................................................45

2.4.1. Участок покоя машины ..............................................................46

2.4.2. Участок 2 разгона машины при МП>МН ...........................48

2.4.3. Участок 2 разгона машины при МП<МН...........................50

2.4.4. Участок 3 совместного буксования предохранительной муфты и леникса .......................................50

2.4.5. Участок 4 разгона машины до окончания буксования ..........................................................................................................51

2.4.6. Участок 5 разгона машинного агрегата .............................52

2.5. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов .....................................................................................................................54

2.6. Работа буксования ................................................................................................60

2.7. Связь угловой скорости пуска с динамикой процесса ...........64

2.8. Основные принципы анализа переходных

процессов при выполнении технологических операций ..........67

Выводы по главе .................................................................................................71

Глава 3. Моделирование динамической нагруженности

элементов привода .........................................................................................................75

3.1. Динамические особенности и преобразования

моделей привода .........................................................................................................75

3.2. Особенности и внутренняя динамическая нагруженность типовых элементов передач ......................................82

3.2.1. Карданные передачи ..........................................................................82

3.2.2. Цепные передачи ..................................................................................87

3.2.3. Ременные передачи .............................................................................92

3.2.4. Зубчатые передачи ..............................................................................98

3.3. Потеря устойчивости движения передач гибкой

связью ..................................................................................................................................99

Выводы по главе ...............................................................................................103

Глава 4. Обобщенная упругая муфта в приводе рабочих

органов ...................................................................................................................................105

4.1. Понятие обобщенной упругой муфты и ее динамическая характеристика ....................................................................105

4.2. Реакция упругой муфты на импульсные возмущения.........107

4.3. Упругая муфта в стационарном установившемся процессе ...........................................................................................................................118

4.4. Прохождение системы через резонанс при пуске

и выбеге ...........................................................................................................................124

Выводы по главе ...............................................................................................135

Глава 5. Синтез привода рабочих органов уборочных машин ............138

5.1. Выбор двигателя ..................................................................................................139

5.2. Синтез леникса и определение величины момента настройки предохранительной муфты .................................................142

5.3. Построение блоков нагружения типовых элементов привода рабочих органов ..................................................................................146

5.4. Методы снижения динамических воздействий в приводе рабочих органов и элементы синтеза

упругой муфты ..........................................................................................................151

Выводы по главе ...............................................................................................159

Общие выводы по результатам исследования ..................................................161

Литература ......................................................................................................................................165

Приложение 1. Акты внедрения ...................................................................................177

Приложение 2. Алгоритм построения блоков программного

нагружения для карданных передач ...........................................................180

Приложение 3. Алгоритм построения блоков программного

нагружения для цепных передач ...................................................................183

Приложение 4. Алгоритм построения блоков программного

нагружения для зубчатых передач ...............................................................191

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ДИНАМИЧЕСКИМ КАЧЕСТВОМ МАШИН. ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проблема управления динамическим качеством машинных агрегатов

В общем виде проблема управления качеством сельскохозяйственных машин была поставлена академиком В.П. Горячкиным в простой и емкой форме: взаимодействие в системе «двигатель — машина — среда» [44].

Научно-техническая революция нашего века, изменив наши представления о возможностях влияния человека на природные свойства материалов, источников энергии и на функции контрольно-управляющих устройств, по-существу не изменила этой формулы. Более того, каждый из аспектов поставленной проблемы привел к возникновению комплекса научных дисциплин, именуемых машиноведением. В процессе их развития было установлено, что динамика взаимодействий в системе Горячкина В.П. прямо или косвенно влияет на основные показатели качества машин, перечень которых постоянно расширяется и обновляется. За последние 50 лет к традиционным понятиям качества (надежность и долговечность, устойчивость функционирования, удобство и легкость обслуживания, ремонтопригодность и т.п.) добавились имеющие принципиальное значение в практике конструирования машин понятия, как эргономика рабочего места, экологическое воздействие на окружающую среду, минимальная энергоемкость и материалоемкость, автоматизация основных технологических операций и т.д. Изменились и ужесточаются критерии оценки показателей качества, что связано с переходом прочностных расчетов за пределы упругости, появлением особых требований к условиям труда обслуживающего персонала и к надежности функционирования управляющих устройств (включая ЭВМ). Подвергаются ревизии осно-

вополагающие принципы расчета усталостной прочности при интенсивных динамических нагрузках, что привело к появлению понятий вибропрочности и виброустойчивости и оценки качества по этим критериям [116].

Развитие и широкое внедрение в практику конструирования базирующихся на ЭВМ систем автоматического проектирования (САПР) позволяет оперировать сотнями тысяч дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений, описывающих поведение данной конструкции в различных условиях эксплуатации. При этом появляется возможность проигрывать и, следовательно, прогнозировать состояние каждого элемента конструкции. Достоверность прогноза существенно увеличивается на базе внедрения экспериментальных методов вибродиагностики, позволяющих по данным испытаний макетных образцов оперативно вносить необходимые изменения в аналитическое описание. Эти же методы дают практически неограниченные возможности управления качеством машин в процессе производства, а по отдельным параметрам и в процессе эксплуатации [102].

Таким образом, современное состояние науки и техники позволяет в принципе полностью решать проблему управления качеством как находящихся в производстве, так и вновь проектируемых машин. К сожалению, в большинстве случаев эти возможности оказываются невостребованными, что в первую очередь связано с упорным нежеланием отечественных фирм-производителей сельхозтехники поставить во главу угла вопросы управления качеством, без чего немыслим выход на международный рынок.

Различным аспектам проблемы управления качеством уборочной техники посвящены исследования большой группы ученых. В.А.Терликов [120], Л.М.Грошев [53], В.В.Спиченков [115] исследовали проблемы прочности несущих конструкций, разработали соответствующие аналитико-экспериментальные методы расчета их ресурса. Ю.В.Гриньковым [46], В.П.Жаровым [63] и O.A. Полушкиным [100] да-

на общая постановка проблемы связи виброактивности конструкции с основными показателями качества машины. Вопросы системной оценки и повышения надежности машин рассматривались В.Л.Заковоротным [65] и В.Е.Касьяновым [68]. С.А.Алферов [13], а затем В.В.Радин [106] исследовали процессы автоматического управления подачей обрабатываемой массы в молотилку зерноуборочного комбайна. Процессам улучшения качества работы молотильных и сепарирующих устройств посвящены соответственно работы Г.А.Кузина [78] и Ю.И.Ермольева [62].

Применительно к объектам данного исследования — приводам рабочих органов — в связи с проблемой управления динамическим качеством необходимо отметить работы И.Б.Барского, В.Я.Аниловича и Г.М.Кутькова [19], В.А.Вернигора и А.С.Солонского [31], К.Я.Львовского, Ф.А.Черпак, Н.Н.Серебрякова и Н.А.Щельцина [83], В.Н.Болтинского [26], исследовавших различные стационарные и нестационарные процессы в трансмиссии тракторных агрегатов, работы Е.И.Ривина [107] по динамике привода станков. Различным вопросам динамики и прочности приводов рабочих органов уборочных машин посвящены работы С.А.Алферова [13], Р.С.Галаджева [88, 89, 90], Л.М.Грошева [54, 56], В.В.Радина [105], Л.И.Алексеева, С.А.Юниченко и Н.П.Погорелова [6, 49] и др.

В современных условиях проблема управления качеством приводов остается актуальной в связи с рядом тенденций в развитии уборочной техники. Во-первых, нарождающаяся рыночная экономика должна учитывать потребности фермерских хозяйств, т.е. наряду с высокопроизводительными универсальными комбайнами типа ДОН-1500, предназначенными для использования в крупных хозяйствах, необходим набор узкоспециализированной малогабаритной техники , легко агрегатируемой с тракторами класса 0,54-1т тяги. Эта тенденция прямо и косвенно смыкается с другой, связанной с развитием и внедрением в практику конструирования элементов модульного проекти-

рования. Принцип модульного проектирования подразумевает разработку широкого шлейфа адаптеров (модулей), предназначенных для выполнения узкоспециализированных операций и агрегатируемых с базовым универсальным энергетическим средством (УЭС) или трактором данного класса тяги. Очевидно, что эти тенденции требуют значительного расширения аналитико-экспериментальной базы исследований, учета переменности структуры объектов анализа и синтеза и повышенной чувствительности малогабаритной техники к динамическим нагрузкам. Поскольку в соответствии с этими тенденциями большинство машинных агрегатов становятся прицепными или навесными, возникает проблема соответствия исследований, выполненных для самоходных машин, условиям, типичным для прицепного агрегатирования. Наконец, выход на мировой рынок требует серьезной проработки вопросов динамики, связанных с принятыми в странах предполагаемого экспорта приемами агротехники, условиями эксплуатации, хранения и т.п.

1.2. Анализ элементов динамической системы Горячкина В.П.

1.2.1. Двигатели

Наибольшую применимость в сельскохозяйственном машиностроении получили четырехтактные дизели с рядным (конструкции ГСКБД г.Харькова — серии СМД-23, ..., 31, алтайского моторного завода — серия А-41) и У-образным (СМД-62 и ярославского моторного завода —■ серия ЯМЗ) расположением цилиндров. Для маломощной техники используются дизели серии Д владимирского и минского тракторных заводов (рядные) с числом цилиндров до 4-х. Можно отметить успешное использование в последнем случае двухтактных мотоциклетных двигателей серии ИЖ.

Для рядных дизелей с числом цилиндров не более четырех характерна внешняя неуравновешенность и соответствующая виброактивность четных гармоник (особенно второй). У У-образных двигателей с углом развала 90° наибольшая виброактивность соответствует

полуторной гармонике. С увеличением числа цилиндров виброактивность двигателей существенно падает. Наименее виброактивными считаются шестицилиндровые рядные и двенадцатицилиндровые V-образные двигатели.

Статическая характеристика двигателя в общем случае нелинейна. В линеаризованной форме она представлена на рис.1.1 [119].

М А

Рис.1.1. Статическая характеристика двигателя внутреннего сгорания.

(АС — регуляторная ветвь; СО — корректорная ветвь;

БЕ — внекорректорная ветвь).

Главным динамическим параметром, характеризующим качество двигателя является крутизна характеристики В на регуляторной ветви АС:

В = tga. (1.2.1)

Чем выше значение В, тем ближе характеристика двигателя к идеальной, при которой двигатель не меняет кинематического режима при любых изменениях нагрузки. В реальных двигателях момент на выходе связан с угловой скоростью зависимостями:

М,

В(со

xx

со) на регуляторной ветви; (1.2.2)

Мд = Мн + Вк(сон ~ со) на корректорной ветви,

где сохх — угловая скорость холостого хода двигателя;

озн — номинальная угловая скорость;

Мн — номинальный момент двигателя;

Вк— крутизна характеристики на корректорной ветви СО.

Считалось, что выход двигателя на внекорректорную ветвь БЕ ведет к неуправляемой остановке двигателя. Однако, Г.М.Кутьковым [19] было показано, что существуют режимы, на которых этого не происходит. Далее в данной работе главное внимание будет уделяться регуляторной ветви статической характеристики, поскольку для уборочных машин переход на корректорную ветвь связан с резким падением угловой скорости двигателя и нарушением оптимальных кинематических режимов рабочих органов.

Связь (1.2.2) становится некорректной в случае быстрого изменения момента Мд, что обусловлено инерционностью процессов в двигателе. Для этих случаев будем использовать динамическую характеристику двигателя в форме [75]:

Мдд = мд + тддМд, (1.2.3)

где Тдд — постоянная времени динамической характеристики.

Исследования изменения статической характеристики при пониженных скоростях, что необходимо для динамического описания процессов пуска, показали [119]:

а) по мере приближения угловой скорости к сос (рис 1.1) уменьшается на 15-20% максимальный момент двигателя;

б) с уменьшением угловой скорости уменьшается и крутизна характеристики В на регуляторной ветви, но во всех случаях Вт1П>0,8В.

Изменение эффективной мощности 1М"е с падением угловой скорости создает существенные препятствия в выполнении технологических процессов машинными агрегатами. Поэтому рядом фирм («Катерпиллер», «Детройт Дизель», «Мак», «Камминс» и др.) проведены исследования и на их основе внедрены двигатели постоянной мощ-

ности (ДПМ) [31]. У этих двигателей корректорная ветвь обратно пропорциональна угловой скорости:

Мд = Ne/сОд при Ne = NH = const. (1.2.4)

Использование ДПМ повышает производительность и топливную экономичность, особенно в условиях переменных нагрузок.

Отечественная промышленность ДПМ не производит.

1.2.2. Сцепления

В самоходных машинах используются две муфты сцепления — на ходовую часть и на привод рабочих органов. В тракторных машинных агрегатах до 70-х годов сцепления в приводе рабочих органов, как правило, отсутствовали. Это приводило к жестким режимам пуска агрегатов, а единственным средством защиты привода являлись фрикционные предохранительные муфты (ПМ). На современных сельскохозяйственных тракторах применяются фрикционные муфты на передачах (К-700, СЕЛЕКТ-О-СПИД и др.), позволяющие исключить из конструкции трактора главную му�