автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Снижение динамических нагрузок в тяговоприводных агрегатах за счет упруго-демпфирующего привода вала отбора мощности

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Д.ГЛИНКИ

На правах рукописи

ПОДГОРНЫЙ Игорь Евгеньевич

СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ТЯГОВО-ПРИВОДНЫХ АГРЕГАТАХ ЗА СЧЕТ УПРУГО-ДЕМПФИРУЮЩЕГО ПРИВОДА ВАЛА ОТБОРА МОЩНОСТИ

Специальность 05. 20. 01 -Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники РФ, чл. корр. Академии транспорта РФ, доктор технических наук, профессор В.П.Гребнев;

доктор технических наук, профессор ОЛПоливаев

ВОРОНЕЖ-1998

АННОТАЦИЯ

Работа машинно-тракторных агрегатов происходит в условиях изменяющихся рабочих сопротивлений машин, которые вызывают динамические нагрузки в моторно-трансмиссионной установке тракторов и снижают технико-экономические показатели агрегатов. Поэтому проблема снижения этих нагрузок на валу отбора мощности ( ВОМ ) трактора является актуальной.

В работе определены рациональные жесткость и коэффициент демпфирования в упруго-демпфирующем приводе ( УДП ), обеспечивающие наименьшие динамические нагрузки на валу двигателя. Выявлено влияние типа привода ВОМ ( жесткого и упругого ) на формирование крутящего момента на валу двигателя в двупоточной трансмиссии трактора и, дан частотный анализ изменения спектральной плотности этого момента в зависимости от жесткости привода ВОМ. Приведены сравнительные экспериментальные данные динамической нагруженности трансмиссии с ВОМ, а также колебаний угловой скорости вала двигателя с жестким и с упруго-демпфирующим приводом.

Предложена конструкция УДГГ ВОМ, обеспечивающая рациональное значение жесткости и коэффициента демпфирования на рабочем участке характеристики, позволяющая снизить дисперсию крутящего момента на ВОМ в 2,45 раза, и повысить производительность силосоуборочного агрегата на 5,4%.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 9

1.1. Общие сведения об условиях работы

тяговых и тягово-приводных агрегатов.......................... 9

1.2 Влияние внешних факторов и карданной передачи на нагруженностъ тя гово-приво дно го МТА

и его эксплуатационные показатели................................. 12

1.3 Обзор способов снижения динамических нагрузок

в машинно-тракторных агрегатах...................................... 23

1.4 Выводы и задачи исследования........................................ 32

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

УДП ВОМ В ТЯГОВО-ПРИВОДНОМ АГРЕГАТЕ..................... 35

2.1 Математическая модель малых колебаний

в тягово - приводном агрегате......................................... 35

2.2 Статистические характеристики воздействий на ТПА..... 43

2.3 Обоснование выбора рациональных параметров

УДП ВОМ............................................................................ 55

2.4 Частотный анализ зависимости динамических

нагрузок на валу двигателя от УДП ВОМ........................... 64

2.5 Выводы............................................................................... 74

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................. 76

3.1 Цель, объект и программа................................................. 76

3.2 Условия и методика проведения исследований................. 80

3.2 Л Лабораторные исследования....................................................................80

3.2.2 Полевые исследования........................................................................................81

3.2.3 Определение технико-экономических показателей....................................................................................................83

3.3 Приборы и оборудование, применяемые для экспериментальных исследований............................................................................84

3.4 Обработка опытных данных и оценка погрешностей результатов измерений............................................................................................87

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ....................................................................................................................................................................................96

4.1 Результаты лабораторных исследований...................................................96

4.2 Результаты лабораторно-полевых исследований и

их анализ............................................................................................................................................................99

4.2.1 Дисперсионный анализ ...........................................................99

4.2.2 Спектральный анализ динамических....................

показателей..........................................................................................................................102

4.2.3 Технико-экономические показатели агрегата......................108

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УДП BOM......................................................111

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................................................117

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

i

Увеличение объема производства сельскохозяйственной продукции не возможно без повышения энергонасыщенности машинно-тракторных агрегатов ( МТА ). Однако рост энергонасыщенности тяговых энергетических средств сдерживается из-за ограничений, накладываемых невозможностью дальнейшего повышения рабочей скорости и роста тягового сопротивления агрегатов за счет увеличения ширины захвата.

>

Одним из перспективных направлений рационального использования мощности энергонасыщенного трактора является применение комбинированных МТА и его агрегатирование с машинами и орудиями, имеющими активные рабочие органы ( АРО ). В этом случае часть мощности двигателя через ВОМ используется для привода АРО сельскохозяйственных, машин. Однако при работе тягово-приводных агрегатов ( ТПА ) энергия двигателя к потребителям идет не одним потоком, как у тягового агрегата, а двумя ( на передвижение МТА и на привод рабочих органов, выполняющих технологический процесс ).

Одновременное изменения нагрузок в тяговой и приводной ветвях вызывает возникновение повышенных колебательных процессов в мотор-но-трансмиссионной установке, снижает производительность и качество выполнения заданных технологических операций [ 2, 3, 4, 5, 6 ]. Существенное влияние на динамическую нагруженность приводной ветви оказывает неравномерная работа элементов карданной передачи. В связи с этим снижение динамических нагрузок и повышение эксплуатационных качеств МТА является важной проблемой, непосредственно связанной с повышением производительности, надежности и долговечности его работы. Решение указанной проблемы возможно за счет совершенствования конструк-

ции и изменения отдельных параметров мобильных энергетических средств [ 32, 37,41,44, 64, 126 ].

Анализ опубликованных работ показал, что в настоящее время проблема снижения динамических нагрузок в тягово-приводных агрегатах за счет снижения жесткости приводной ветви, а также сами нагрузки и взаимовлияние колебаний в тяговой и приводной ветвях мало изучены. Следовательно, научной проблемой является установление закономерностей взаимовлияния колебательных процессов в тяговой и приводной ветвях, снижение динамических нагрузок на валу двигателя тягово-приводных агрегатов и повышение их эксплуатационных качеств.

. Эффективным способом снижения динамических нагрузок со стороны внешних воздействий в тяговом энергетическом средстве является установка упругих элементов в конечных звеньях трансмиссии [ 90, 97, 124 ]. Это позволяет высказать научную гипотезу, состоящую в том, что снижения динамических нагрузок в тягово-приводном МТА и повышения их эксплуатационных качеств можно достигнуть за счет установки УДП ВОМ. Исходя из этого предметом исследования являются закономерности изменения комплекса показателей, характеризующие динамические качества МТА при установке УДП ВОМ с рациональными параметрами.

Цель работы - повышение эффективности функционирования тяго-во-приводных МТА за счет применения упруго-демпфирующего привода ВОМ, обеспечивающего снижение динамических нагрузок.

На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Математическая модель малых колебаний в тягово-приводном агрегате, позволяющая определить динамические нагрузки в моторно-трансмиссионной установке с учетом УДП ВОМ и неравномерной работы карданной передачи;

2. Метод выбора рациональных параметров УДП ВОМ механического типа;

3. Результаты исследований по выявлению влияния УДП ВОМ на показатели динамической нагружейности моторно-трансмиссионной установки трактора;

4. Технико-экономическая эффективность применения предлагаемого УДП на примере уборочного тягово-приводного агрегата, состоящего из трактора МТЗ-80 и скоростного силосоуборочного комбайна КСС-2,6.

Научная новизна диссертации заключается в том, что разработана математическая модель малых колебаний в тягово-приводном агрегате, особенностью которой является двупоточная система с учетом случайных возмущений на АРО, ведущих колесах и неравномерной работы элементов карданной передачи, а также с учетом применения упруго-демпфирующего привода ВОМ; впервые рассмотрено и проанализировано влияние жесткости и демпфирования привода ВОМ на колебания в тяговой и приводной ветвях; определены закономерности изменения динамической нагруженно-сти вала двигателя в зависимости от жесткости приводной ветви ВОМ; предложено новое технические решение по реализации характеристики УДП ВОМ.

Практическая значимость. Проведенные теоретические исследования позволили обосновать рациональные параметры УДП ВОМ, на основании которых была разработана конструкция УДП и экспериментально исследована эффективность ее применения в заднем ВОМ. Экспериментально установлено, что применение ВОМ с УДП снизило динамическую нагруженность трансмиссии и колебания угловой скорости вала двигателя, увеличило производительность МТА на 5,4 %. Разработанная математическая модель позволяет на стадии проектирования производить динамический анализ работы МТА при различных режимах движения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на конференции молодых ученых и специалистов в г. Воронеже в 1997 г., посвященной семидесятилетию аспирантуры ВГАУ им. К.Д. Глинки; научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, посвященной 85-летию ВГАУ им. К.Д. Глинки в 1998 г.; на Международной научно-технической конференции "ИНТЕРСТРОИМЕХ-98".

Упруго-демпфирующий привод ВОМ опытного исполнения внедрен и используется на тракторе МТЗ-80 в хозяйстве АО " Прогресс " Краснен-ского района Белгородской области. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 положительных решения на изобретение.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Общие сведения об условиях работы тяговых и тягово-приводных агрегатов

Высокие эксплуатационные свойства современных энергонасыщенных сельскохозяйственных агрегатов обеспечены фундаментальными и прикладными исследованиями по обоснованию параметров и характеристик тракторов, а также по их тяговой динамике. Большой вклад в проблему повышения эксплуатационных свойств тракторов, используемых в тяговых и тягово-приводных агрегатах внесли: В.И. Анохин [ 8, 9 ], И.Б. Барский [ 14 ], В Н. Болтинский [ 20, 21, 22 ], В.П. Гребнев [ 40 ], В.В. Гуськов [ 44 ], И.И Ксеневич [ 62, 63 ], Г.М. Кутьков [ 68, 69 ], П.И. Никулин [ 81 ], О.И. Поливаев [ 90 ], В.П. Росляков [ 104 ], В.Л. Строков [118, 119 ], В.А. Скотников [ 108 ], Е.М. Харитончик [ 123, 124, 125, 126 ], Д.А. Чудаков [ 127] и др.

Условия работы МТА характеризуются непрерывным случайным изменением во времени внешних воздействий, что существенно сказывается на эффективности их работы [ 5, 57, 131 ], особенно с повышением их энергонасыщенности и скорости движения, а также с применением комбинированных и тягово-приводных агрегатов.

Исследователями [ 14, 22, 68, 69 ] отмечается, что рост производительности труда за счет повышения рабочих скоростей тяговых МТА и применения комбинированных агрегатов приводит к повышению неравномерности тягового усилия и сил сопротивления передвижению, вызывая динамические нагрузки, действующие на почву, детали трансмиссии и двигатель.

Работа МТА на различных сельскохозяйственных операциях, в подавляющем большинстве случаев связана с неустановившейся нагрузкой,

изменяющейся по амплитуде и частоте. Теоретический анализ и экспериментальные исследования работы тракторных двигателей внутреннего сгорания ( ДВС ) при неременном характере нагрузки впервые были проведены академиком Болтинским В.Н. [21, 22 ]. Установлено, что переменный характер нагрузки существенно ухудшает эффективные и экономические показатели тракторного двигателя. Так, при работе тракторного двигателя с переменной нагрузкой снижение мощности двигателя может доходить до 25 % от номинальной мощности, при этом часовой расход топлива увеличивается до 20 %. Снижение мощности двигателя, вызванное переменным характером нагрузки, складывается из потерь мощности от внешних причин (внешние возмущения) и внутренних причин, зависящих от двигателя и определяемых устройством системы двигатель-регулятор.

В.Н. Болтинский определил два способа снижения влияния динамических нагрузок на эффективные параметры двигателя.

Первый способ — эксплуатационный. Он заключается в том, что в процессе эксплуатации трактор агрегатируют таким образом, чтобы загрузка двигателя не превышала некоторого установленного значения. Эта недогрузка двигателя введена в нормативные документы расчета выработки и представляет планомерное снижение производительности трактора из-за несовершенства его тягово-динамических свойств. На пахотных работах наименьшее снижение нагрузки тракторов предусмотрено 9 %, а на пропашных 7 %.

Второй способ - это изменение конструкции отдельных механизмов трактора или двигателя для снижения влияния колебаний нагрузки на показатели МТА.

Немалое число исследований по проблеме снижения динамических нагрузок в тракторах направлено на оборудование их различными упругими и демпфирующими устройствами, устанавливаемых в трансмиссии,

приводах ведущих колес, прицепном и навесном устройствах. Существенный вклад в развитие динамики МТА, оборудованных этими устройствами, внесли: С.Г. Борисов [ 25 ], Ф.Р. Геккер [ 32, 33, 34, 35 ], В.А .Иванов [52 ], И.П. Ксеневич [ 62, 63 ], Н.Т. Кузнецов [ 64, 66 ], В.Г. Кривов [ 66 ], Г.М. Кугьков [ 69 ], Ю.Н. Ломоносов [ 72 ], О.И. Поливаев [ 90 ], В.Н. Кычев [ 70 ], В.Л. Строков [ 118 ], Е.М. Харитончик [ 125, 126 ] и др.

В вышеперечисленных работах исследовали влияние упругих и демпфирующих устройств на стабилизацию нагрузочного режима трансмиссии в период разгона и установившегося движения. Они позволяют повысить производительность, снижают буксование сцепления и движителей, а также стабилизируют скорость движения. Выявлено, что для снижения неравномерности тягового сопротивления агрегатируемых сельскохозяйственных машин и неровностей поверхностей качения наиболее эффективно вводить УДП ближе к ведущим колесам.

Вышеуказанные и другие научные труды по земледельческой механике являлись основой для проведения большого количества исследований в области тяговой динамики и выбора характеристик УДП, а также оценки эксплуатационной эффективности применения данных приводов с различными МТА, включая широкозахватные и комбинированные агрегаты,

Одно из перспективных направлений рационального использования мощности сельскохозяйственного, энергонасыщенного трактора - его агрегатирование с машинами и орудиями, имеющими активные рабочие органы [ 45 ]. В этом случае часть мощности двигателя через ВОМ используется для привода АРО сельскохозяйственных машин.

Исследованием энергетических показателей ТПА и нагрузок в приводе ВОМ занимались: Л.Е. Агеев [ 2, 5, 6 ], Н.М. Гусейнов [ 43 ], Б.Ц. Дубровский [ 47 ], Е.А. Дьячков [ 48 ], В.Р. Карамышев [ 58, 59 ], E.H. Пус-тынцев [ 103 ], Г.И. Скундин [ 110 ], Н.Ф. Скурятин [ 113 ], Р.Ш. Хабатов

[ 122 ] и др. Отмечается, что двупоточное использование энергии двигателя ( на тягу и на привод АРО сельскохозяйственной машины ) в большинстве случаев увеличивает динамическую нагруженность моторно-трансмиссионной установки тракторов, по сравнению с тяговыми агрегатами. Отсюда решение проблемы снижения динамической нагруженности в тягово-приводных агрегатах становится более сложным и острым, чем в тяговых агрегатах.

По сложившейся традиции в отечественном тракторостроении системы отбора мощности относятся к дополнительному или вспомогательному оборудованию трактора, и вопросы их исследований мало освещены в литературе.

Для обоснования постановки задач по данной проблеме рассмотрим динамические нагрузки, действующие в ТПА, и причины их возникновения.

1.2 Влияние внешних факторов и карданной передачи на нагруженность тягово-приводного МТА и его эксплуатационные показатели

В процессе работы МТА в его трансмиссии возможно возникновение непостоянных процессов по показателям динамической нагруженности, которые можно разбить на две �