автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Теория и практика определения параметров гидродинамической передачи гусеничного сельскохозяйственного трактора высокой удельной мощности

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСМИССИИ ДЛЯ ГУСЕНИЧНОГО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ТРАКТОРА КЛАССА 3 ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

1.1. Выбор общего конструктивного решения для трансмиссии гусеничного сельскохозяйственного трактора класса 3 высокой удельной мощности.

1.2. Сравнительная оценка механической ступенчатой и бесступенчатой гидродинамической трансмиссий при их использовании на гусеничном сельскохозяйственном тракторе.

1.3. Требования к основным параметрам гидротрансформатора для гидродинамической трансмиссии гусеничного сельскохозяйственного трактора высокой удельной мощности.

1.4. Проблема создания гидродинамической передачи для сельскохозяйственного гусеничного трактора класса 3 с высокой удельной мощностью.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ВЫБОРА ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ПРИ ЕЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ С ТРАКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.

2.1. Методика комплексной оценки параметров приведенных характеристик гидротрансформатора.

2.2.1. Варианты совмещения характеристик двигателя и гидротрансформатора для тракторов и других транспортных машин.

2.2.2. Выбор границ передаточных отношений гидротрансформатора для комплексной оценки параметров приведенной характеристики.

2.2.3. Комплексная оценка параметров приведенных характеристик гидротрансформаторов по величине коэффициента мощности на выходном валу системы двигатель - гидродинамическая передача.

2.2.4. Результаты оценки параметров приведенных характеристик гидротрансформаторов по величине коэффициента мощности на валу турбины.

2.3. Изменение регулировок двигателя с заданной номинальной мощностью для улучшения внешних характеристик системы двигатель - гидродинамическая передача.

2.4. Методика расчета внешних характеристик энергетической системы двигатель - гидродинамическая передача.

2.4.1. Способы согласования характеристик двигателя и гидропередачи.

2.4.2. Расчет внешних характеристик энергетической системы двигатель - гидродинамическая передача с использованием метода кусочно-линейной аппроксимации.

2.5. Расчет внешних характеристик энергетической системы двигатель - гидродинамическая передача в особых случаях.

2.5.1. Энергетическая система двигатель - гидродинамическая передача имеет согласующий редуктор.

2.5.2. Энергетическая система двигатель - гидродинамическая передача с независимым параллельным отбором мощности.

2.5.3. Расчет внешних характеристик энергетической системы двигатель - гидродинамическая передача при наличии участка постоянной мощности на характеристике двигателя.

2.5.4. Расчет параметров энергетической системы при работе на частичных скоростных режимах двигателя.

2.6. Верификация методики расчета внешних характеристик энергетической системы двигатель - гидродинамическая передача.

2.7. Методика построения изокривых удельного расхода топлива для системы двигатель-гидродинамическая передача.

Повышение производительности труда в сельском хозяйстве связано не только с развитием рыночных отношений и новых организационных форм, но и с совершенствованием его материальной базы. В частности, по-прежнему сохраняется потребность в энергонасыщенных тракторах. Подтверждением сказанному является то, что задача разработки конструкции энергонасыщенного трактора тягового класса 5, обеспечивающего уменьшенное давление на почву, названа Минпромнауки РФ в числе приоритетных задач целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гоДЫ .

Гусеничные сельскохозяйственные тракторы обладают малым удельным давлением на почву и в условиях, характерных для большинства поч-венно - климатических зон России, позволяют проводить основные полевые работы в более выгодные агротехнические сроки. Вместе с тем, создание гусеничного сельскохозяйственного трактора с высокой удельной мощностью связано с решением ряда серьезных проблем, одной из которых является проблема надежной и долговечной конструкции трансмиссии, удовлетворяющей по своим массогабаритным показателям ограничениям заданного, тягового класса. В связи со сказанным представляется актуальным обобщить результаты исследований по созданию трансмиссии для энергонасыщенного гусеничного сельскохозяйственного трактора класса 3, предназначенного для выполнения основных работ со скоростями 9. 15 км/ч.

Возможны различные принципиальные конструктивные решения трансмиссии трактора высокой энергонасыщенности. К их числу относится использование в качестве одного из основных элементов трансмиссии гидродинамического трансформатора крутящего момента - гидротрансформатора.

Именно такое решение было выбрано при создании энергонасыщенного гусеничного трактора на Волгоградском тракторном заводе (ВгТЗ).

На начальном этапе работ был проведен сравнительный анализ условий работы механической и гидродинамической трансмиссий на сельскохозяйственном тракторе, а также изучен опыт применения гидродинамических передач в других отраслях транспортного машиностроения. Было установлено, что в силу ряда специфических условий работы сельскохозяйственного трактора имевшийся опыт транспортного, в том числе специального, и строительно-дорожного машиностроения мог быть использован весьма ограниченно. Последнее относится также и к опыту использования гидропередач на промышленных тракторах. Проведенный анализ позволил сформулировать основные требования к гидродинамическим передачам гусеничных сельскохозяйственных тракторов и определить круг наиболее важных задач, без решения которых создание таких передач было бы невозможным.

В данной диссертационной работе обоснованы и разработаны пути и методы решения следующих основных задач, составляющих существо проблемы создания гидродинамической трансмиссии для гусеничного сельскохозяйственного трактора.

Во-первых, предложен и обоснован комплексный критерий выбора совокупности параметров приведенной характеристики гидротрансформатора, наилучшим образом соответствующей условиям работы гусеничного сельскохозяйственного трактора.

Во-вторых, решены вопросы согласования работы двигателя и гидропередачи с целью улучшения параметров внешних характеристик системы двигатель-гидротрансформатор и снижения влияния дополнительных потерь мощности в гидропередаче.

В-третьих, обеспечено выполнение заданных агротехническими требованиями тягово-скоростных параметров трактора за счет научно обоснованного выбора передаточных чисел редукторной части гидродинамической трансмиссии.

В-четвертых, исследованы особые условия работы сельскохозяйственного трактора, включая работы с ВОМ, работы на частичных скоростных режимах двигателя, некоторые виды работ, связанные с реализацией в эксплуатационных условиях обратимого режима и режима противовращения гидротрансформатора.

В-пятых, решен комплекс проблем эксплуатации сельскохозяйственного трактора с гидродинамической силовой передачей, начиная от разработки приемов управления трактором и способов его оптимального агрегатирования и кончая специфическими требованиями к организации ремонта гидротрансформатора в условиях сельскохозяйственных ремонтных предприятий.

Специально рассмотрен принципиально важный вопрос производительности и эксплуатационной топливной экономичности трактора с гидродинамической трансмиссией в условиях рядовой эксплуатации.

В-шестых, разработаны теоретические основы конструирования, изготовления литейной оснастки и контроля геометрии проточной части рабочих колес гидротрансформаторов. На базе этих теоретических разработок предложены оригинальные практические способы контроля геометрии рабочих колес в серийном производстве.

Найденные автором данной работы решения перечисленных выше задач были использованы при создании, испытаниях и постановке на серийное производство первого отечественного гусеничного сельскохозяйственного трактора с гидродинамической силовой передачей и с высокими параметрами удельной мощности тягового класса 3 - трактора ДТ-75С, ныне называемого ДТ-175С "Волгарь".

Результаты этих работ получили свое отражение более чем в 60 научно-технических и учебно-методических публикациях, включающих 22 публикации в центральных научно-технических журналах ("Тракторы и сельхозмашины", "Механизация и электрификация сельского хозяйства", "Сельский механизатор"), 5 авторских свидетельств и патентов и один государственный стандарт. Материалы диссертационной работы доложены на нескольких международных и всероссийских научных конференциях и семинарах. Некоторые результаты научно-исследовательских работ, выполненных при участии или под руководством автора, внедрены в производство, что засвидетельствовано соответствующими документами, копии которых приведены в приложении к настоящей работе.

Естественно, что весь комплекс работ по созданию, доводке и внедрению в серийное производство первого отечественного гусеничного сельскохозяйственного трактора с гидродинамической силовой передачей мог быть выполнен только большим коллективом, частью которого являлся автор. На различных этапах в этой работе принимали участие A.A. Иванов, Н.Г. Мило-ванкин, В.А. Введенский, В.Я. Боков, И.А. Долгов, H.A. Ершов (ГСКБ ВгТЗ), С.Г. Телица (ВолгГТУ). Работой руководили в разные периоды времени М. А. Шаров, В.П. Шевчук, В.Я. Боков, И.А. Долгов - главные конструкторы, начальники ГСКБ ВгТЗ. На отдельных этапах работы в ней принимали активное участие В.И. Анохин, С.М. Трусов, Г.Я. Любашин, коллективы исследователей ВИМ, СКФ ВИМ, КубНИИТИМ, ОНИС НАТИ, НАТИ, ВИСХОМ, ВНИПТИЭСХ и ряд других научно-исследовательских и испытывающих организаций.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность докторам технических наук Г.Н. Злотину - основному инициатору проведения обобщения выполненных работ в виде диссертации, и Е.А. Федотову - научному консультанту, высказавшему ряд неоценимых замечаний по структуре диссертации, ее редактированию и оформлению .Автор благодарит за поддержку и помощь ректорат Волгоградского государственного технического университета,а также своих коллег по кафедре "Теплотехника и гидравлика", в первую очередь кандидата технических наук, доцента С. Г. Телицу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа обобщает результаты комплекса теоретических и экспериментальных исследований, выполненных для решения важной научно-технической проблемы - создания гидродинамической силовой передачи для сельскохозяйственного гусеничного трактора класса 3 с высокой удельной мощностью.

К числу наиболее существенных результатов работы относятся:

1. Разработан ряд оригинальных ориентированных на применение ЭВМ методов, позволяющих конструктору на этапах проектирования и доводки гидродинамической передачи обоснованно с учетом специфики работы сельскохозяйственного трактора задавать требуемые параметры гидропередачи и редукторной части трансмиссии, устанавливать соответствие характеристик гидропередачи и двигателя, априорно оценивать мощностные и топ-ливно-экономические характеристики трактора и машинно-тракторных агрегатов на его базе. В частности, теоретически обоснованы и практически реализованы в виде инженерных методик и программного обеспечения для ЭВМ следующие методы:

1.1. Метод комплексной оценки параметров приведенной характеристики гидротрансформатора по величине коэффициента мощности на его выходном валу. Метод служит для выбора прототипа лопастной системы гидропередачи, обеспечивающей максимальную среднюю мощность в рабочем диапазоне передаточных отношений.

1.2. Метод выбора регулировок тракторного дизеля, работающего совместно с гидротрансформатором с выбранными параметрами приведенной характеристики. Метод позволяет уточнить скоростную регулировку двигателя с целью повышения средней выходной мощности энергетической системы двигатель - гидродинамическая передача при заданном значении номинальной мощности дизеля.

1.3. Метод расчета с помощью ЭВМ внешних характеристик и изокривых удельного расхода топлива для энергетической системы ДВС-ГДП на основе экспериментальных характеристик двигателя и гидропередачи, снятых независимо друг от друга в стендовых условиях.

1.4. Метод определения передаточных чисел редукторной части трансмиссии, обеспечивающих достижение максимальной тяговой мощности при заданной величине тягового усилия и заданные рабочие скорости в транспортном диапазоне. Разработанная методика использовались на Волгоградском тракторном заводе в ходе разработки трактора ДТ-75С и его последующей модернизации. Она может быть использована при создании и доводке любых тракторов сельскохозяйственного типа с гидродинамическими трансмиссиями.

1.5. Метод тягового расчета трактора с определением его топливно-экономических показателей. Показано, что для трактора с гидродинамической передачей анализ тяговых характеристик должен выполняться не только на основном, но и на частичных скоростных режимах работы двигателя. Создано программное обеспечение для выполнения многовариантных тяговых расчетов на ЭВМ.

Практическая применимость всех разработанных методов подтверждена сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными в ходе тяговых испытаний тракторов с гидродинамической трансмиссией.

2. Впервые экспериментально получена полная внешняя характеристика гидротрансформатора тракторного типа, что позволило вскрыть особенности работы гидродинамической передачи сельскохозяйственного трактора на режимах противовращения и обратимом.

2.1. Показано, что при торможении трактора двигателем, что соответствует обратимому режиму работы гидротрансформатора, тормозной момент на выходном валу гидропередачи практически не отличается по величине от тормозного момента двигателя. Продолжительность работы энергетической системы двигатель-гидротрансформатор в обратимом режиме не лимитируется температурой рабочей жидкости гидротрансформатора.

2.2. Получены зависимости величины тормозного момента на ведущих колесах и частоты принудительного вращения вала двигателя на различных передачах от скорости движения трактора, которые позволяют определить его скорость в режиме торможения двигателем с разблокированным гидротрансформатором .

2.3. Предложен и подтвержден испытаниями инерционный способ запуска двигателя буксировкой при разблокированном гидротрансформаторе, который не требует установки на трактор дополнительного подпиточного насоса с приводом от ходовой системы и обеспечивает надежный пуск в наиболее тяжелых условиях при допустимых скоростях буксировки.

3. Всесторонне рассмотрены особенности работы гусеничного сельскохозяйственного трактора при его агрегатировании с машинами , имеющими привод активных рабочих органов через ВОМ.

3.1. На основании проведенного теоретического анализа и экспериментальных исследований предложен и теоретически обоснован новый принцип работы ВОМ с последовательным приводом, заключающийся в передаче максимальной свободной мощности энергетической системы двигатель-гидропередача при условии получения стандартной частоты вращения хвостовика ВОМ и в переходе на частичные скоростные режимы двигателя в тех случаях, когда величина отбираемой мощности меньше максимальной. Предложенный принцип работы ВОМ прошел всестороннюю экспериментальную проверку при агрегатировании трактора с комбайнами разных типов и был учтен при разработке ГОСТ 3480-76 "Вал отбора мощности сельскохозяйственных тракторов. Типы и основные параметры", выполненной с участием автора диссертации.

3.2. Впервые, с использованием разработанных автором методик, проведен анализ топливной экономичности трактора с гидродинамической силовой передачей при отборе мощности через ВОМ, на основе чего даны рекомендации по выбору экономичных режимов работы машинно-тракторных агрегатов.

4. Решен комплекс задач, связанных с эксплуатацией сельскохозяйственного трактора с гидродинамической передачей, а также с обслуживанием и ремонтом гидротрансформатора в условиях сельскохозяйственного производства. В том числе:

4.1. Подробно проанализированы особенности управления трактором, связанные со свойствами гидродинамической силовой передачи и особенностями ее работы на основном и частичных скоростных режимах, а также на режимах противовращения и обратимом. Разработаны рекомендации по управлению, включенные в инструкцию по эксплуатации трактора.

4.2. Разработан защищенный патентом РФ способ определения мощности двигателя трактора с гидродинамической силовой передачей непосредственно в эксплуатационных условиях без демонтажа двигателя и использования специальных нагрузочных стендов с приводом от хвостовика ВОМ.

4.3. На основе результатов длительных лабораторных испытаний установлена максимальная температура рабочей жидкости (110°С), при которой изменение физико-химических свойств рабочей жидкости за 1000 моточасов не выходит за допустимые пределы. Исходя из результатов испытаний определен и введен в инструкцию по эксплуатации трактора ДТ-75С нормативный срок службы рабочей жидкости, равный 2000 ч.

4.4. Разработаны методики проведения обкатки и контрольных испытаний гидротрансформатора после восстановительного капитального ремонта и сформулированы основные требования к комплектации и параметрам обка-точно-тормозных и испытательных стендов, необходимых для этой цели.

5. Теоретически, а также на основе опытных данных проведен анализ эксплуатационных показателей тракторов с гидродинамической трансмиссией. Показано, что трактор с гидродинамической передачей обеспечивает существенный прирост производительности. В частности, в условиях испытательных станций трактор ДТ-75С показал на 9,4.9,6 % более высокую производительность, чем трактор Т-150 с механической трансмиссией. При этом отмеченное увеличение погектарного расхода топлива на 2,2. 3,8 %. является следствием повышенных на 0,7.0,98 км/ч средних рабочих скоростей и соответствующего увеличения удельных сопротивлений сельскохозяйственных орудий. Результаты лабораторно-полевых испытаний подтверждены испытаниями в условиях рядовой эксплуатации, проведенными в различных почвенно-климатических зонах при выполнении характерных для каждой зоны сельскохозяйственных работ. При выполнении годового объема всего набора сельскохозяйственных работ трактор с гидродинамической силовой передачей обеспечил в сравнении с трактором с механической трансмиссией того же уровня энергонасыщенности увеличение производительности на величину от 0,5 до 29,5 % при снижении суммарного годового расхода топлива на 4 %.

6. Теоретически обосновано и практически реализовано в виде пакетов прикладных программ математическое обеспечение ряда важных этапов проектирования, изготовления и контроля рабочих колес гидротрансформаторов в условиях серийного производства этого узла. В том числе:

6.1. Разработан метод аналитического решения прямой и обратной задач конформного отображения на плоскость пространственных проекций лопаток рабочих колес гидротрансформатора, который позволяет отказаться от применения в инженерной практике недостаточно точных и трудоемких графических методов.

6.2. Разработан ориентированный на использование ЭВМ численный метод определения трехмерных координат рабочих точек, необходимых для из

1. A.C. 1293419 СССР, МКИ 4 F 16 H 3/62. Планетарная коробка передач / Дьячков Е.А., Волченко Ю.И., Шевчук В.П. и др. (СССР) № 3916143/25-28; Заявлено 26.06.85; Опубл. 28.02.87, Бюл. № 8. -4 с.

2. A.C. 1301730 СССР, МКИ 4 В 60 H 17/08. Коробка передач транспортного средства / Дьячков Е.А., Волченко Ю.И., Шевчук В.П. и др. (СССР) №3931626/31-11; Заявлено 18.07.85; Опубл. 07.04.87, Бюл. № 13. 4 с.

3. A.C. 1634980 СССР, МКИ 5 G 01 В 5/20. Способ контроля формы и размеров сложных деталей / Дьячков Е.А., Телица С.Г., Шевчук В.П. и др. (СССР) № 4498276/28; Заявлено 25.10.88; Опубл. 15.03.91,1. Бюл. № 10.-4 с.

4. TP 0185.0066589; Хоздоговор с ВгТЗ № 36/846 85 (02149 - 9). -Волгоград, 1987. - 79 с.

5. Автоматизация расчетов тягово-динамических характеристик промышленных тракторов / Исаков П.П., Иванченко П.Н., Шадрин Б.Н., Егоров А.Д. Л.: Машиностроение, 1988. - 278 с.

6. Алексапольский Д.Я. Гидродинамические передачи. М.: Машгиз, 1963.- 271 с.

7. Анализ возможности применения гидротрансформаторов для трансмиссий промышленных тракторов различного назначения /

8. В.Л. Довжик, М.И. Злотник, C.B. Кондаков, Ф.А. Черпак // Тракторы и сельхозмашины. 1985. - № 12. - С. 13-15.

9. Аналитическое преобразование координат лопастной системы рабочих колес ГДП для их конформного отображения на плоскость и решения обратной задачи: Промежуточный отчет о НИР / ВолгПИ; Научный руководитель и соисполнитель Е.А. Дьячков. Тема 3.14.010;

10. ГР 0186.0102555; Инв. № 0290.0031881. Волгоград, 1989. - 49 с.

11. Анохин В.И. Научные основы применения гидродинамических трансформаторов на скоростных сельскохозяйственных гусеничныхтракторах: Автореф. дис. . докт. техн. наук/ МИИСП. -М., 1965. -56 с.

12. Анохин В.И. Обоснование и выбор основных исходных параметров гидродинамической трансмиссии для гусеничного с.-х. трактора: Доклады МИИСП, том 1 вып. 2 / МИИСП. М., 1964.

13. Анохин В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных сельскохозяйственных тракторах (научные основы). М.: Машиностроение, 1972. - 304 с.

14. Анохин В.И., Дьячков Е.А., Шаров М.А. Опыт использования гидромеханического трансформатора в трансмиссии скоростного гусеничного с.-х. трактора // Тракторы и сельхозмашины. 1973. -№8. - С. 3 - 5.

15. Анохин В.И., Нефедов A.M. О работе силовой установки гусеничного с.-х. трактора с гидромеханической трансмиссией в режиме максимальной топливной экономичности // Тракторы и сельхозмашины. 1978. - № 2. - С. 3 - 5.

16. Антонов A.C., Магидович E.H., Новохатько И.С. Гидромеханические и электромеханические передачи транспортных и тяговых машин. М.; Л.: Машгиз, 1963. -351 с.

17. Антонов A.C., Новохатько И.С., Григоренко Л.В. Гидромеханические передачи транспортных машин. Л.: ВАТТ, 1959. - 275 с.

18. Богатырев A.B. Исследование и обоснование выбора оптимальной схемы ВОМ на гусеничном сельскохозяйственном тракторе класса3 т. с. с гидромеханической трансмиссией: Автореф. дис. . канд. техн. наук / МИИСП. М., 1971.-29 с.

19. Богатырев A.B. К вопросу о требованиях к ВОМ для гусеничного с.-х. трактора класса 3 т.: Доклады МИИСП, т. IV, вып. 2 / МИИСП. М., 1970.

20. Богатырев A.B. Особенности использования ВОМ на гусеничном с.-х. тракторе с гидромеханической трансмиссией: Доклады МИИСП, т. VI вып. 2/МИИСП.-М., 1970.

21. Болтинский В.Н. Мощность тракторного двигателя при работе с неустановившимися нагрузками и ее определение // Механизация и электрификация соц. с.-х. 1959. - №№ 3,4.

22. Болтинский В.Н. Работа тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке. М.: Сельхозгиз, 1949. - 216 с.

23. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: ГИТТЛ, 1954.-608 с.24