Снижение динамической нагруженности почвы при криволинейном движении комбинированного МТА на базе трактора тягового класса 2

Размещено на http://www.allbest.ru//

20

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Снижение динамической нагруженности почвы при криволинейном движении комбинированного МТА на базе трактора тягового класса 2

Козлов Дмитрий Геннадиевич

Мичуринск-наукоград 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» на кафедре «Механика».

Научный руководитель:	Кандидат технических наук, доцент Беляев Александр Николаевич
Официальные оппоненты:	Манаенков Константин Алексеевич, доктор технических наук, профессор / ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», кафедра «Технология обслуживания и ремонта машин», заведующий
	Скурятин Николай Филиппович, доктор технических наук, профессор / ФГБОУ ВПО «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Я. Горина», кафедра «Технический сервис в АПК», профессор
Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова»

Защита диссертации состоится 11 июля 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

С авторефератом можно ознакомиться на сайтах www.vak.ed.gov.ru и www.mgau.ru

Автореферат разослан 10 июня 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Ланцев В.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур не могут быть осуществимы без энергонасыщенных машинно-тракторных агрегатов, которые, как правило, более скоростные и широкозахватные. Однако они оказывают отрицательное влияние на почву своими движителями, снижая ее плодородие в результате уплотнения. Создается подпахотный уплотненный слой, нарушается водно-воздушный режим почвы, разрушается, и в ряде случаев необратимо, ее структура. Большую опасность представляет собой кумулятивный характер накопления уплотняющих воздействий в почве и прогрессирующее снижение ее потенциального плодородия. В этих условиях деструктивные последствия уплотнения почв ходовыми системами еще более возрастают. С точки зрения повышения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо снижать не только уплотнение почвы, но и уплотняемую площадь.

В настоящее время накоплен большой опыт экспериментальных данных о показателях тягово-сцепных свойств колесных и гусеничных машин в различных почвенных условиях, а также об уплотнении и распылении почв при работе машинно-тракторных агрегатов. Однако этот опыт не всегда позволяет прогнозировать показатели взаимодействия ходовых систем с почвой и определять пути улучшения этих показателей, прежде всего, для универсально-пропашных тракторов интегральной схемы, работающих в составе комбинированных агрегатов. Воздействие ходовых аппаратов этих тракторов на почву изучены недостаточно, особенно на поворотной полосе при обработке пропашных культур, по-прежнему не выявлены резервы снижения уплотняющего воздействия на почву ходовых систем этих тракторов.

Поэтому реализация проблемы снижения динамического воздействия колес трактора на почву, ведущая к повышению ее плодородия, является актуальной и требует комплексного исследования.

Степень разработанности проблемы. Изучению физико-механических свойств почв посвящены работы Бахтина П.У., Владимирова В.Е., Докучаева В.В., Доспехова Б.А., Кройта Г.Р., Ковалева Г.И., Качинского Н.А., Пупонина А.И., Ревута И.Б., Степанова Л.Н. и других ученых.

Наиболее полно влияние ходовых систем на почву отражено в работах Водяника И.И., Горшенина В.И., Золотаревской Д.И., Ксеневича И.П., Кутькова Г.М., Кацыгина В.В., Ляско М.И., Манаенкова К.А., Махмутова М.М., Рославцева А.В., Русанова В.А., Скотникова В.А., Юшина А.А. и других ученых.

Несмотря на значительную проработку проблемы уплотнения почв машинно-тракторными агрегатами, по-прежнему остаются малоисследованными вопросы снижения уплотняемого воздействия движителей сельскохозяйственных машин на поворотных полосах, уменьшения ширины поворотных полос и увеличения производительности агрегатов за счет сокращения времени на совершение поворотов.

Все вышеизложенное предопределило цель и задачи, положенные в основу диссертационного исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является снижение механического воздействия на почву колес универсально-пропашного трактора класса 2 в составе навесного комбинированного широкозахватного агрегата при совершении поворота на поворотной полосе за счет выбора рационального способа движения.

Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, отражающих логику исследования:

- провести теоретические исследования динамического воздействия колес машинно-тракторного агрегата на почву при совершении поворота;

- разработать систему рулевого управления трактора со всеми управляемыми колесами и теоретически обосновать эффективность ее использования;

- провести экспериментальную проверку основных теоретических положений и определить зависимость качественных показателей технологического процесса от параметров и режимов поворота машинно-тракторного агрегата на поворотной полосе;

- выполнить производственную проверку модернизированной системы рулевого управления трактора и определить экономическую эффективность ее применения. трактор рулевой поворотный

Предмет, объект и информационно-эмпирическая база исследования.

Предметом исследования являются закономерности взаимодействия движителей машинно-тракторного агрегата с почвой на поворотной полосе.

Объект исследования - процесс взаимодействия движителей машинно-тракторного агрегата с почвой на повороте.

Информационно-эмпирическая база исследования формировалась на основе совокупности статистических данных о развитии материально-технической базы сельского хозяйства, экспертных оценок руководителей и специалистов, работающих в аграрной сфере, материалов личных наблюдений.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе использовались следующие методы исследований: системного и структурного анализа, методы математической статистики и сравнительного эксперимента. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием методов теоретической механики, математического моделирования с использованием дифференциальных уравнений. Исследование разрабатываемых способов поворотов МТА выполнялось в лабораторно-полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Обработка экспериментальных исследований проводилась на ЭВМ с использованием программ Excel. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась по стандартной методике для научно-исследовательских работ и новой техники.

Научная новизна диссертационного исследования. В диссертации получен ряд положений, отличающихся научной новизной:

- предложена математическая модель воздействия движителей трактора на почву при повороте, описывающая в формализованном виде комбинированное движение МТА и позволяющая определять воздействие движителей на почву;

- получены результаты теоретических и экспериментальных исследований механического воздействия колес универсально-пропашного трактора класса 2 в составе комбинированного широкозахватного агрегата на поворотной полосе, свидетельствующие о том, что при одинаковых скоростях движения и радиусе поворота трактор с двумя управляемыми мостами создает меньшие нагрузки на почву, чем с одним передним, а также подтверждают снижение деформации почвы за счет уменьшения плотности в следах трактора на 17,7% и твердости на 9,4% в сравнении с базовым участком;

- обоснован способ определения траектории криволинейного движения машинно-тракторного агрегата на поворотной полосе, позволяющий по координатам строить действительную траекторию движения кинематического центра с высокой степенью точности;

- разработано конструктивное исполнение системы рулевого управления трактора со всеми управляемыми колесами, обеспечивающее повышение устойчивости движения трактора при любом радиусе поворота за счет устранения бокового скольжения и заноса, а также равномерного распределения вертикальных нагрузок по колесам.

Теоретическая и практическая значимость заключается в разработке конструкции системы рулевого управления трактора со всеми управляемыми колесами (патент РФ №2240943), реализующей способ движения «крабом», что позволяет снизить плотность и твердость почвы и тем самым увеличить урожайность технических культур после прохода машинно-тракторного агрегата на поворотной полосе.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- разработанная конструкция системы рулевого управления трактора со всеми управляемыми колесами;

- метод определения траектории криволинейного движения машинно-тракторного агрегата на поворотных полосах;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований изменения физико-механических свойств почвы от воздействий на нее движителей МТА на поворотной полосе;

- оценка эффективности применения предлагаемой системы рулевого управления.

Реализация результатов исследований. В настоящее время в ОАО имени Лермонтова Становлянского района Липецкой области на тракторах ЛТЗ-155 используется модернизированная система рулевого управления, позволяющая осуществлять движение комбинированным способом поворота. Кроме того, полученные результаты используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплинам «Эксплуатация машинно-тракторного парка» на агроинженерном факультете ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ имени императора Петра I.

Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований с достаточным числом опытов и аппаратурой, обеспечивающей приемлемую точность измерений, обработкой опытных данных с использованием математических программ на ЭВМ. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Соответствие темы диссертации требованиям Паспорта специальностей ВАК (технические науки). Диссертационное исследование по своей актуальности, полученным научным результатам, их новизне, теоретической и практической значимости находится в рамках специальности 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства, а предметная область исследования находится в рамках Паспорта специальности ВАК 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства, в пределах раздела 2. Разработка теории и методов технологического воздействия на среду и объекты (почва, растение, животное, зерно, молоко и др.) сельскохозяйственного производства и раздела 7. Разработка методов оптимизации конструкционных параметров и режимов работы технических систем и средств в растениеводстве и животноводстве по критериям эффективности и ресурсосбережения технологических процессов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных и научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава в Воронежском ГАУ (2003…2012 гг.), всероссийской научно-практической конференции в Курской ГСХА (2007 г.), международной научно-технической конференции в СПбГАУ (2007 г.), международной научной сессии в Московском ГАУ (2011 г.), а также апробированы в ОАО имени Лермонтова Становлянского района Липецкой области (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ объемом 4,39 п.л., в том числе авторских - 2,71 п.л., из которых 2 - в изданиях, определенных ВАК, два патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 140 наименований и приложения. Работа изложена на 146 страницах, содержит 41 рисунок, 11 таблиц, 9 приложений.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследования, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Анализ состояния вопроса и задачи исследований» - рассмотрены вопросы воздействия на почву колес машинно-тракторных агрегатов, виды и отрицательные последствия воздействия на почву МТА, приведена классификация по методам и средствам снижения деструктивного воздействия колес МТА на почву, изучены способы оценки механического воздействия на почву и методы оптимизации универсально-пропашных тракторов по критерию снижения динамического воздействия МТА на почву, а также приемы поворота колесного трактора по критериям устойчивости и разрушения почвы.

Во второй главе - «Анализ динамического воздействия колес трактора на почву методами математического моделирования» - на основе исследования динамики поворота МТА выявлены 4 основных этапа поворота, позволившие определить силы, действующие на трактор.

Для первого этапа (прямолинейное движение) определены силы, действующие на трактор (рис. 1) вдоль поверхности почвы Хк и Хп

Xк = Мк/rк -[ Рfк + Рjк + Рwк +( Gk/L )sin + Р"крк]

Хп = Мп/rп - [ Рfп + Рjп + Рwп + G(L-k)/Lsin + Р"крп]

и по нормали к ней Yк и Yп

Yк = 1/L[G кcos + (Рj + Gsin)h + P'крhк + Mf] + Р'кр

Yп = 1/L[Gcos (L - k) - (Рj + Gsin)h - P'крhк - Mf]

Рисунок 1 - Схема сил и моментов, действующих на трактор при прямолинейном движении по горизонтальной поверхности

Далее была принята рабочая схема (рис. 2) воздействия на почву:

от переднего и заднего колёс соответственно

Рисунок 2 - Схема воздействия колеса на почву при прямолинейном движении

При этом определялись силы, воздействующие на почву от колёс по вышеназванным этапам поворота:

Этап 1. При торможении (прямолинейное движение) как часть начала поворота с силами Хк , Хп и Yк , Yп ( формулы 1, 2).

Этап 2. Движение по дуге (рис. 3 а, б).

а) б)

а - движение трактора по дуге; б - действующие силы

Рисунок 3 - Схема воздействия колес на почву при повороте

и (3)

при этом Рц=Z1+Z2 - центробежная сила. В результате были определены

и (4)

Этап 3. Движение МТА по траектории с переменным радиусом (рис. 4, 5) были определены две составляющие тангенциальной силы инерции

P = РR +PV, (5)

где РR - составляющая силы инерции от изменения относительного радиуса с кривизны при повороте

, (6)

 где - относительный радиус кривизны, м.

, (7)

где РV - составляющая силы инерции от изменения скорости движения переднего моста

(8)

Рисунок 4 - Схема движения трактора на повороте с ведомыми управляемыми колесами (а) и действующих на колесо сил (б



Рисунок 5 - Схема движения трактора на повороте

Этап 4. Движение МТА с ускорением при отклонении на угол б0 от прямолинейного движения без его поворота. Были определены ускорение и сила, действующая на центр масс М трактора

(9)

Рисунок 6 - Схема разложения сил действия колеса на почву в системе координат

Поворот МТА, для которого была определена результирующая сила, воздействующая на почву, как результат разложения по трём координатам x, y, z (рис. 6)

Определен модуль результирующей силы:

 (10)

При этом воздействия на почву от каждого колеса передней оси (индекс А), задней оси (индекс Б), внешнего радиуса поворота (индекс 1), внутреннего радиуса поворота (индекс 2), а каждая составляющая по осям x, y, z представлена как сумма воздействий от прямолинейного движения (индекс =) и приращение при изменении направления движения МТА (индекс Д). В результате были получены выражения для величин результирующего динамического воздействия ходовой части МТА от каждого колеса на почву:

. (11)

Затем осуществлялось цифровое моделирование воздействия колёс МТА на почву на примере универсально-пропашного трактора ЛТЗ-155 класса 2, показавшее сходимость с экспериментом с точностью до 5% и позволившее анализировать влияние различных факторов на силы взаимодействия колёс МТА с почвой, а также исследовать методы управления (рулевого) и оптимизировать их с точки зрения минимизации воздействия каждого колеса движителя на почву. Расчёты параметров поворота проводились для режима выбранной постоянной частоты вращения ведущих колёс переднего моста при движении трактора с постоянной скоростью. Задавались различные законы изменения угла поворота колёс переднего - заднего мостов. При этом процесс поворота трактора рассматривался с поворотом на 180 градусов. На рисунках 7-12 представлены три варианта поворота при различных законах управления управляемыми колёсами [б1=f(t) и б2=f(x)] c оценкой динамического воздействия силы каждого колеса на почву при скорости МТА 2,39 м/с.



Из анализа рисунков 7-8 видно, что при первом варианте поворота колёс переднего моста, когда он осуществляется только за счет колес переднего моста, обеспечивающего радиус поворота 4,5 м и обратно для выхода из поворота происходит существенное изменение сил, воздействующих на почву, особенно на переднем внешнем колесе NА1 и превышающая на 20% силы при прямолинейном движении.

При втором варианте поворот осуществляется за счёт поворота колёс переднего и заднего мостов до угла, обеспечивающего радиус поворота 4,5 м и обратно для выхода из поворота (рис. 9-10) . Дальнейший анализ показал, что на первом этапе поворота наблюдается увеличение сил на колёсах внешнего радиуса поворота и снижение сил на внутреннем радиусе. На последнем этапе изменение сил перераспределяется на противоположное. Максимальное значение силы NА1 на переднем внешнем колесе превышает на 17% силы при прямолинейном движении.

При третьем варианте (рис. 11-12) поворот осуществлялся по предложенному способу, когда МТА начинает движение поворота крабовым ходом (обоими управляемыми мостами) до максимального угла поворота всех передних и задних колёс 30° (участок 1), после чего колёса заднего моста поворачиваются до нулевого угла, а передние остаются на значении ба=бb=30°. Третий участок поворота с радиусом 9 м осуществлялся при постоянно повёрнутых передних колёсах, а задние остаются с нулевым поворотом. Как и в ранее рассмотренных вариантах поворота происходит увеличение сил на колёсах внешнего радиуса поворота и снижение сил на колёсах внутреннего радиуса. На последнем участке поворота их динамическое воздействие изменяется на противоположное. Максимальное значение воздействия на почву имеют силы NА1 на переднем внешнем колесе в начале первого участка и достигают 18,6 кН, что на 7% превышает значение силы при прямолинейном движении. В то время, как максимальное значение силы на переднем внешнем колесе составляет 2,4кН, что на 9% меньше, чем при первом варианте поворота ЛТЗ-155.

На следующем этапе исследовались варианты поворота трактора ЛТЗ-155 при скорости его движения 0,72 м/с, то есть на 70% меньшей (рис. 13-18).



Вначале в первом случае моделирования поворот МТА осуществлялся за счёт поворота колёс среднего моста до угла, обеспечивающего радиус поворота 4,5 м. и обратно для выхода из поворота. Как и при движении МТА со скоростью 2,39 м/с в начале поворота происходит увеличение сил на колёсах внешнего радиуса поворота и снижение сил на колёсах внутреннего радиуса. На последнем участке поворота их динамическое воздействие на почву меняется на противоположное. Максимальное значение имеет сила NА1 на переднем внешнем колесе и её значение достигает 18,9 кН, что на 9% превышает значение силы при прямолинейном движении и на 10% ниже, чем при скорости 2,39 м/с.

При втором варианте моделировался поворот МТА ЛТЗ-155 за счёт синхронного поворота переднего и заднего мостов до угла, обеспечивающего радиус поворота 4,4 м. и обратно для выхода из поворота. Максимальное значение имела сила NА1 на внешнем колесе, которая достигала 18,6 кН. Это на 7% превышает силы, действующие на почву при прямолинейном движении, но на 9% ниже, чем при скорости 2,39 м/с. При этом значение силы на переднем внешнем колесе при скорости МТА 0,72 м/с не превышала 0,3 кН, что на 1,6% ниже, чем при первом варианте поворота МТА при скорости 0,72 м/с.

Третий вариант поворота МТА со скоростью 0,72 м/с осуществлялся крабовым способом, рассмотренным выше (рисунок 17-18), где представлены соответственно динамическое изменение углов поворота управляемых колёс (бa бb) и силовое воздействие на почву. В начале первого участка поворота максимальное значение имеет сила NА1 на переднем внешнем колесе, достигая 18,1 кН. Это на 4% превышает значение этой силы при прямолинейном движении. На последующем этапе поворота максимальное значение силы NА1 на переднем внешнем колесе снижается до 0,8 кН, что на 4% ниже, чем при первом варианте поворота, и на 0,5 кН (на 3%), чем при скорости 2,39 м/с. При переходе с одного участка поворота на другой возникал скачёк сил, связанный с резким изменением условий движения МТА на повороте. Для анализа этого явления было реализовано цифровое моделирование поворота МТА при плавном изменении управляемых колёс по гармоническому закону (рис. 19-20).

При этом скорость движения переднего моста составляла 2,39 м/с, а максимальное значение углов поворота обоих мостов было выбрано из расчета максимальной продолжительности поворота составляла 8,57 с, как и для первого варианта поворота. Из рисунков 19-20 видно, что при наличии плавного изменения углов поворота скачки сил отсутствуют и наблюдается их плавное изменение на всех участках поворота МТА.

В третьей главе - «Программа и методика экспериментальных исследований» - представлены анализ путей снижения механического воздействия на почву движителей универсально-пропашного трактора класса 2 в составе навесного широкозахватного комбинированного агрегата при совершении поворота на поворотной полосе, установление причин его увеличения, оценка влияния на физико-механические свойства почвы различных факторов, определение исходных данных для моделирования характеристик, проверка адекватности теоретических и натурных испытаний, выработка рекомендаций по сохранению физико-механических свойств почвы на поворотной полосе.

В качестве объекта испытаний выбран энергонасыщенный универсально-пропашной интегральной схемы трактор ЛТЗ-155 класса 2 Липецкого тракторного завода, оборудованный опытной и серийной системой рулевого управления (рис. 21). При этом система рулевого управления работает следующим образом. При вращении рулевого колеса в ту или иную сторону, через гидравлический привод управления передними управляемыми колесами передние колеса поворачиваются на некоторый угол. При этом вал рулевого колеса приводит в движение насос-дозатор 14, управляющий гидрораспределителем 8, входящим в гидравлический привод управления задними управляемыми колесами.



1 - рулевой механизм, 2 - гидронасос, 3 - гидробак, 4 - гидроцилиндр,5 - рулевая трапеция, 6 - гидронасос, 7 - гидробак, 8 - гидрораспределитель, 9 - гидроцилиндр, 10 - рулевая трапеция, 11 - рычаг, 12 - гидрораспределитель, 13 - демпфер, 14 - насос-дозатор, 15 - дополнительная секция гидрораспредделителя

Рисунок 21 - Модернизированная система рулевого управления

Насос-дозатор 14 вызывает перепад давлений в гидролиниях С и Д, перемещая в ту или иную сторону золотник гидрораспределителя 8, управляющего гидроцилиндром 9 поворота задних управляемых колес, что приводит к повороту задних колес, который будет продолжаться до прекращения вращения рулевого колеса. Дополнительная секция 15 гидрораспределителя 8 при этом переходит из открытого положения в закрытое. При повороте задних колес происходит также смещение рычагом 11 корпуса гидрораспределителя 12 возврата задних колес в нейтральное положение, золотник которого соединен с подвижным штоком неподвижного пружинного демпфера 13.

Таким образом, поворот задних колес сопровождается смещением золотника гидрораспределителя 12 относительно его корпуса с последующим перемещением подвижной части пружинного демпфера 13. Поэтому при вращении рулевого колеса он находится в смещенном положении и потенциально готов к управлению гидроцилиндром 9 поворота задних управляемых колес, однако гидролинии А и Б заперты дополнительной секцией 15 гидрораспределителя 8.

Прекращение вращения рулевого колеса приводит к выравниванию давления в гидролиниях С и Д и соответствующему переходу основной секции гидрораспределителя 8 в «запертое» положение, а дополнительной секции 15 в «открытое», подавая давление к также находящемуся в «открытом» состоянии гидрораспределителю 12, начиная тем самым возврат задних колес в нейтральное положение.

Возврат задних колес в нейтральное положение будет продолжаться до перехода пружинного демпфера 13 в равновесное состояние, соответствующее как нейтральному положению золотника гидрораспределителя 12, так и нейтральному положению задних управляемых колес. Дальнейший поворот происходит передними управляемыми колесами.

Кроме того, определялись кинематические параметры поворота с помощью предложенной методики определения траектории движения МТА.

Рисунок 21 - Траектория кинематического центра МТА

Определению подлежали кинематические параметры поворота (абсцисса и ордината точки траектории кинематического центра (рис. 21), соответствующие моменту времени от начала поворота колёс до поворота продольной оси трактора на 180) с помощью специальной чертилки.

Время движения МТА фиксировали видеокамерами. Для определения траектории движения использовали следующую методику.

При движении чертилка описывает действительную траекторию, соответствующую траектории движения его кинематического центра. На очерченную траекторию устанавливаются вертикально отвесом через определенные интервалы (в зависимости от необходимой точности получаемого результата) вехи (рис. 22), с помощью теодолита с оптическим дальномером, установленного на некотором расстоянии определяются полярные координаты траектории (расстояния от теодолита до вешек и углы между линией, соединяющей первую из них с теодолитом и последующими .

Рисунок 22 - Определение траектории кинематического центра МТА

По координатам строится действительная траектория движения кинематического центра с очень высокой степенью точности.

Целью лабораторных испытаний являлось определение основных параметров модернизированной системы рулевого управления трактора. Одновременно при проведении лабораторных испытаний производили доводку отдельных элементов конструкции.

Экспериментальные исследования велись в соответствии с действующей нормативно-справочной документацией по принятым методикам.

Программа экспериментальных исследований состояла из следующих этапов:

- подготовка зачетного участка для проведения лабораторно-полевых испытаний;

- подготовка трактора и установка на него необходимых приспособлений;

- подготовка и проверка измерительного инструмента и оборудования;

- определение необходимых для расчета характеристик: координат центра тяжести, массово-геометрических параметров, радиусов качения колёс, кинематических и динамических показателей прямолинейного и криволинейного движений агрегата;

- определение в полевых условиях плотности и твердости почвы по следам трактора класса 2 в составе различных агрегатов при прямолинейном движении по основному массиву поля;

- сравнительные полевые исследования плотности и твердости почвы по следам трактора класса 2 с опытной и серийной системой рулевого управления в составе навесного широкозахватного комбинированного агрегата с передней и задней навесками машин при различных способах движения на поворотной полосе.

При проведении полевых испытаний использовался трактор ЛТЗ-155 с модернизированной системой рулевого управления в составе МТА, составленных по схемам КРШ-8,1 + НП-5,4 + ЛТЗ-155 + ССТ-18, КРШ-8,1 + НП-5,4 + ЛТЗ-155, ЛТЗ-155 + ССТ-18, предназначенным для обработки междурядий и посева сахарной свёклы. Чтобы оценить степень влияния на почву собственных свойств трактора, были поставлены также опыты с одиночным трактором. Испытания трактора в составе агрегата и без навесного оборудования проводились на почвенном фоне - поле, подготовленное под посев, почва - выщелоченный чернозем. Предварительная подготовка поля состояла в выборе участка с уклоном не более 2 с однородными свойствами почвы.

В четвертой главе - «Результаты лабораторно-полевых испытаний и их анализ» - отражены результаты лабораторных исследований, а также
уровень плотности и твердости в следах трактора при различных условиях
поворота.

Проведенные исследования комбинированного МТА при изменении скорости движения, давления воздуха в шинах, количества шин показали, что наибольшее уплотняющее воздействие на пахотный слой оказывают ходовая система трактора с одинарными шинами и давлением воздуха в них 0,16 МПа (твердость почвы увеличивается примерно в два раза, а плотность - до 15%).

Экспериментальные исследования комбинированного МТА на базе трактора ЛТЗ-155 по оценке его динамического воздействия на почву при совершении поворота на поворотной полосе тремя способами поворота: передние управляемые колеса (I), передние и задние управляемые колеса (поворот их осуществляется в разные стороны) (II), по предложенному автором способу поворота (III). Сущность предложенного способа поворота заключается в том, что на участке «вход в поворот» передние и задние колеса поворачивают в одну сторону, то есть осуществляется движение «крабом». При достижении колесами максимального угла поворота задние колеса автоматически возвращаются в нейтральное положение и дальнейший установившийся поворот осуществляется передними управляемыми колесами.

Результаты определения плотности и твердости почвы в следах трактора в составе комбинированного МТА при криволинейном движении при совершении поворота на поворотной полосе различными способами в зависимости от скорости движения, количества колес, давления воздуха в них приведены на рисунках 23-28.

Выявлено, что плотность и твердость Т почвы по следам движителей на поворотной полосе значительно увеличились в сравнении с контрольными замерами по всем вариантам опытов. С увеличением скорости движения наблюдается рост плотности и твердости из-за повышенного буксования движителей. Причем, при движении по первым двум способам наблюдается более интенсивный рост показателей, особенно при скоростях V свыше 1,417 м/с, что можно объяснить прогрессирующим боковым скольжением МТА.

В результате полученных данных по всем вариантам опытов показывают, что плотность по следу трактора увеличивается не только в следе одиночно трактора, но и в составе комбинированного МТА на 5…14%, а твердость примерно в 1,45…1,75 раза в сравнении с контрольными замерами.

Исходя из анализа полученных зависимостей (рис. 23-28), можно сделать вывод о том, что наиболее эффективным способом снижения динамического воздействия движителей на почву является движение по предложенному способу поворота III.

При этом получаются минимальные значения плотности и твердости почвы при всех режимах движения и конструктивных изменениях. Применение модернизированной системы рулевого управления позволяет при скорости движения V=2,39 м/с уменьшить максимальное значение силы на переднем внешнем колесе на 2,4 кН, что на 9% ниже, чем при повороте трактора классическим способом, а также позволяет снизить максимальные нагрузки на почву от 3% до 10%.

Наиболее полное представление о характере криволинейного движения МТА дает траектория движения кинематического центра трактора. Приведенные результаты замеров параметров кругового беспетлевого поворота (высоты Х и ширины У), соответствующих траектории, описываемой кинематическим центром, позволяют сделать вывод о том, что предложенный способ поворота является наиболее рациональным для комбинированных универсально-пропашных МТА (рис. 29).

Выявлено, что с увеличением скорости движения растут поперечные и продольные отклонения агрегата вследствие увеличения динамического воздействия микропрофиля опорной поверхности, центробежных сил инерции, увеличения неравномерности распределения касательных сил тяги, обусловленное повышением предельных колебаний коэффициента сцепления колес с почвой и т.д. Меньшие значения Х и У (см. зависимости 1 и 2) на повышенных скоростях движений не говорят о лучшей поворачиваемости, а лишь указывают на то, что за счет бокового скольжения задней оси, МТА менее устойчив против заноса.

Предложенный способ поворота позволяет уменьшить поперечное и продольное смещения МТА по сравнению с традиционными способами поворота, устраняет его боковое скольжение.

Таким образом, повышение рабочих скоростей универсально-пропашных МТА позволит повысить производительность, снизить погектарный расход топлива, уплотнение почвы, высвободить механизаторские кадры, сократить сроки проведения сельскохозяйственных работ, повысить урожайность и т.д.

В пятой главе - «Экономическая эффективность применения системы рулевого управления на тракторе ЛТЗ-155 в составе комбинированного ТМА на поворотной полосе» - расчетом получено, что годовой экономический эффект от модернизации системы рулевого управления составил 94510 руб. в ценах 2012 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что наибольшее уплотняющее воздействие на почву движителями машинно-тракторного агрегата наблюдается на поворотных полосах.

2. Установлено, что предложенная в работе модернизированная система рулевого управления трактора (патент РФ №2240343), решает задачу повышения устойчивости движения при предложенном способе поворота за счет устранения бокового скольжения и заноса, а так же равномерного распределения вертикальных нагрузок по колесам.

3. Теоретические исследования по определению воздействия колес МТА на почву показали, что при одинаковых скоростях движения и радиусе поворота трактор с двумя управляемыми мостами создает меньшие нагрузки на почву, чем с одним передним, при этом максимальное значение силы на переднем внешнем колесе на 0,5 кН или на 2,5% ниже, чем при первом варианте поворота.

4. Применение модернизированной системы рулевого управления позволяет при скорости движения 2,39 м/с уменьшить максимальное значение силы на переднем внешнем колесе на 2,4 кН, что на 9% ниже, чем при повороте трактора вторым способом, когда передние и задние управляемые колеса поворачиваются в разные стороны.

5. Экспериментальные исследования универсально-пропашного МТА с модернизированной системой рулевого управления на базе трактора ЛТЗ-155 свидетельствуют о повышении эффективности их работы за счет снижения площади поворотной полосы на 20% и снижения времени, затраченного на переход к следующему техническому проходу, а так же приводит к снижению деформации почвы за счет уменьшения плотности в следах трактора на 17,7% и твердости на 9,4% в сравнении с базовым участком.

6. На основе экспериментальных исследований определена наиболее рациональная скорость движения трактора на повороте по динамическому воздействию на почву для универсально-пропашного МТА ЛТЗ-155, составившая 1,417 м/с.

7. Оценка относительных показателей эффективности свидетельствует о том, что годовой экономический эффект от модернизации системы рулевого управления МТА составит 94510 руб., а срок окупаемости инвестиций - 1,2 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи в ведущих изданиях, рекомендуемых ВАК России

1. Беляев, А.Н. Исследование физико-механических свойств почвы на поворотной полосе /А.Н. Беляев, В.В. Шередекин, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2009. -№ 3. -
С. 11-12 (0,18 п.л., в т.ч. автора 0,1).

2. Козлов, Д.Г. Оценка экономической эффективности применения системы рулевого управления на тракторе ЛТЗ-155 / Д.Г. Козлов / Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2013. - № 1(36). - С. 137-141. (0,63 п.л., в т.ч. автора 0,63)

В описаниях патентов РФ

3. Патент 2240943 Российская Федерация, МПК7 С1 7В 62 Д 7/14. Система рулевого управления транспортного средства со всеми управляемыми колесами / Беляев А.Н., Глаголев Д.А., Козлов Д.Г.; заявитель и патентообладатель Воронеж. ВГАУ. - №2240343, заяв. 27.02.2003; опубл. 27.11.04. Бюл.№33. - 4 с: ил.

4. Патент 2277488 Российская Федерация, МПК7 С1 7В 62 Д 7/14. Система рулевого управления транспортного средства со всеми управляемыми колесами / Беляев А.Н., Калашник В.А., Попов Е.М., Козлов Д.Г., Крюков В.И.; заявитель и патентообладатель Воронеж. ВГАУ. - №2277488, заяв. 30.12.2004; опубл. 10.06.2006. Бюл.№16. - 7 с: ил.

Публикации в сборниках и других научных изданиях

5. Информационный листок №79-083-03. Способ поворота транспортного средства со всеми управляемыми колесами и система рулевого управления для его реализации/А.Н Беляев, О.И. Поливаев, Е.М. Попов, Д.Г. Козлов, Д.А. Глаголев.- Воронеж: ЦНТИ, 2003. (0,18 п.л., в т.ч. автора 0,05).

6. Беляев, А.Н. Особенности кинематики дифференциала колесного трактора при повороте / А.Н. Беляев, Е.М. Попов, Д.А. Глаголев, Д.Г. Козлов // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сборник научных трудов международной научно-технической конференции. С.Петербург: СПбГАУ, 2003. - С. 314-318 (0,31 п.л., в т.ч. автора 0,20).

7. Беляев, А.Н. Обоснование способа поворота колесного трактора со всеми управляемыми колесами / А.Н. Беляев, О.И. Поливаев, Д.А. Глаголев, Д.Г. Козлов // Новые разработки технологий и технических средств механизации с/х: сборник научных трудов. - Воронеж: ВГАУ, 2004. - С. 222-226. (0,38 п.л., в т.ч. автора 0,15).

8. Козлов, Д.Г.. Способ определения траектории криволинейного движения МТА / Д.Г. Козлов, В.И. Крюков // Вклад молодых ученых в решение проблем аграрной науки: материалы межрегиональной научной конференции. - Воронеж: ВГАУ, 2005. - С. 223-225. (0,18 п.л., в т.ч. автора 0,1).

9. Беляев, А.Н. Метод исследования движения МТА / А.Н. Беляев, Е.М. Попов, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков // Высокие технологии в экологии: труды 8-ой международной конференции. - Воронеж: ВГАУ. - 2005.-
С. 152-154. (0,18 п.л., в т.ч. автора 0,05).

10. Беляев, А.Н. Снижение уплотняющего воздействия на почву движителей комбинированного МТА при криволинейном движении / А.Н. Беляев, Е.М. Попов, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков // Высокие технологии в экологии: nруды 8-ой международной конференции. - Воронеж: ВГАУ, 2005. - С. 154-156. (0,18 п.л., в т.ч. автора 0,05).

11. Беляев, А.Н. Исследование различных способов движения МТА на поворотной полосе/А.Н. Беляев, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков // Сборник научных трудов/ Воронеж: ВГАУ, 2005. - С. 64-68. (0,31 п.л., в т.ч. автора 0,17).

12. Беляев, А.Н. Сохранение структуры почвы при воздействии движителей трактора при повороте / А.Н. Беляев, Е.М. Попов, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков, А.А. Заболотная // Высокие технологии в экологии: труды 9-ой международной конференции. - Воронеж: ВГАУ, 2006. - С. 231-233. (0,18 п.л., в т.ч. автора 0,05).

13. Беляев, А.Н. Исследование влияния движителей комбинированного агрегата на физико-механические свойства почвы / А.Н. Беляев, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков, А.А. Заболотная // Высокие технологии в экологии: труды 10-ой международной конференции. - Воронеж: ВГАУ, 2007. - С. 148-151. (0,25 п.л., в т.ч. автора 0,1).

14. Беляев, А.Н. Поиск путей снижения динамического воздействия на почву движителями комбинированного МТА / А.Н. Беляев, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков, А.А. Заболотная // Высокие технологии в экологии: труды 10-ой международной конференции. - Воронеж: ВГАУ, 2007. - С. 152-156. (0,31 п.л., в т.ч. автора 0,15).

15. Козлов, Д.Г. Исследование физико-механических свойств почвы на поворотной полосе/ Д.Г. Козлов, А.Н. Беляев // Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Курск: КГСХА, 2007. - С. 77-81. (0,31 п.л., в т.ч. автора 0,25).

16. Беляев, А.Н. Исследование уплотнения почвы движителями комбинированного МТА / А.Н. Беляев, Е.М. Попов, Д.Г. Козлов, В.И. Крюков // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сборник научных трудов международной научно-технической конференции. - С. Петербург: СПбГАУ, 2007. - С. 23-26. (0,25 п.л., в т.ч. автора 0,1).

17. Козлов, Д.Г. Результаты численного моделирования воздействия колес трактора на почву при повороте/ Д.Г. Козлов // Инновационные технологии и технические средства для АПК: материалы всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященные 100-летию Воронежского государственного аграрного университета им. императора Петра I. - Ч.II. - Воронеж: ВГАУ, 2011. - С. 201-209. (0,56 п.л., в т.ч. 0,56 п.л.).

Размещено на Allbest.ru

...