Обоснование жёсткостных параметров характеристик шин движителей зёрноуборочных комбайнов высокой производительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ОБОСНОВАНИЕ ЖЁСТКОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ХАРАКТЕРИСТИК ШИН ДВИЖИТЕЛЕЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ ВЫСОКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

УДК 631.372

05.20.01Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Кравченко Владимир Алексеевич

Доктор технических наук, профессор



Целью исследования являлось обоснование жёсткостных параметров шин движителей для зерноуборочных комбайнов высокой производительности. Метод исследования-аналитический с использованием математической модели зерноуборочного комбайна, в которой учитываются жёсткости и демпфирование шин ведущих и управляемых мостов в окружном и радиальном направлениях. Значения рациональных жёсткостных характеристик пневматической шины были определены, в основном, способностью шины деформироваться так, чтобы снизить угловые, вертикальные и горизонтальные колебания остова зерноуборочного комбайна для обеспечения качественного технологического процесса обмолота и очистки зерна. Указанное обстоятельство приобретает особую значимость при разработке и внедрении новых моделей шин для зерноуборочных комбайнов высокой производительности. Анализ проведённых аналитических исследований показал целесообразность применения на движителях зерноуборочных комбайнов вместо диагональных или радиальных шин такого же типоразмера с оригинальным расположением нитей корда. Предлагаемая пневматическая шина 30,5 Э-32, используемая в качестве ведущей, способствует уменьшению амплитуды угловых колебаний и рабочей скорости комбайна, а также угловых и вертикальных ускорений до1,42 раз

Ключевые слова: ЗЕРНОУБОРОЧНЫЙ КОМБАЙН, ОСТОВ, ДВИЖИТЕЛЬ, ШИНА, УГЛОВЫЕ И ВЕРТИКАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ, ЖЁСТКОСТЬ ШИНЫ

демпфирование шина мост зёрноуборочный комбайн



Введение

Во время работы зерноуборочные машины непрерывно испытывают со стороны обрабатываемых сред и материалов носящие случайный характер внешние воздействия (в том числе рельефа поля, несимметричности деформаций шин ведущих колёс, неравномерной деформации опорного основания под колёсами и др.), вследствие чего нарушаются внутренние технологические операции. Под воздействием внешних факторов при выполнении технологической операции молотилка, жёстко связанная с остовом движущегося зерноуборочного комбайна, совершает боковые, угловые и продольные колебания, что существенно увеличивает потери зерна[1]. Упругие деформации шин типоразмера 30,5-32, носящие переменный характер, способствуют усилению тех частот возмущений, которые близки к собственной частоте колебаний молотилки комбайна. Спектральная плотность, получающегося при этом случайного изменения положения остова комбайна, имеет ярко выраженный экстремум на частоте, равной собственной частоте колебаний машины[2].Следовательно, улучшение показателей качества технологического процесса при работе зерноуборочного комбайна можно достигнуть путём совершенствования его ходовой системы, а именно, изменением динамических свойств шин движителей[3, 4].



Методы и результаты исследований

В работе представлены результаты аналитических исследований влияния деформационно-жёсткостных характеристик шин движителей зерноуборочного комбайна на процессы колебания его остова.

Математическая модель движения зерноуборочного комбайна высокой производительности, основой которой является динамическая модель, представленная на рисунке 1,можно представить как систему, у которой входным фактором служат параметры микрорельефа опорного основания[3, 4, 5].

Рисунок1 ? Динамическая модель ходовой системы зерноуборочного комбайна



При составлении математической модели сделаны некоторые допущения, в том числе:

- упругие элементы, представленные в динамической модели, обладают линейной характеристикой;

- не учитываются силы инерции движущихся деталей регулятора топливного насоса, жёсткость трубопроводов, скорость течения рабочей жидкости и её сжимаемость, а также гидравлические сопротивления каналах гидростатической передачи привода ведущих колёс комбайна;

- комбайн перемещается прямолинейно, а нагрузки на колёса одной оси равны и совпадают по времени;

- статическое равновесное положение остова комбайна совпадает с его центром масс.

Математическая модель комбайна представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих с учётом уравнений связи движение всех составляющих элементов динамической модели ходовой системы зерноуборочного комбайна[3, 4, 5].

Модель двигателя может быть представлена в следующем виде[4, 5, 6, 7]:

;(1)

;(2)

,(3)

где - моменты инерции, соответственно, движущихся частей кривошипно-шатунного механизма и ротора турбонагнетателя;

- соответственно момент, развиваемый двигателем, и момент сопротивления на ведущем шкиве привода трансмиссии комбайна;

- коэффициент, учитывающий вязкое трение в регуляторе топливного насоса;

- соответственно отклонения частоты вращения вала двигателя и турбонагнетателя;

- отклонение рейки или дозатора топливного насоса;

- эмпирические коэффициенты определяемые экспериментально.

Работу клиноременной передачи на привод гидронасоса можно описать с учётом деформации ремня и скольжения его на приводных шкивах.

Тогда можно записать:

.(4)

,(5)

где- момент на ведомом шкиве;

-соответственно жёсткость и деформация приводного ремня;

- коэффициент, учитывающий демпфирование приводного ремня;

-диаметры, соответственно, ведущего и ведомого приводных шкивов;

-коэффициент полезного действия ремённой передачи.

Скорость ремня можно выразить, учитывая коэффициент скольжения на шкивах и продольную деформацию приводного ремня:

;(6)

;(7)

,(8)



где-частота вращения ведомого шкива;

-частота вращения вала гидронасоса;

-равновесная частота вращения коленчатого вала двигателя;

,-соответственно коэффициенты, характеризующие скольжение ремня, на ведущем и ведомом шкивах.

Объёмную гидропередачу зерноуборочного комбайна можно описать следующей системой уравнений[8]:

;(9)

;(10)

;(11)

;(12)

;(13)

,(14)

где-приведённый момент инерции деталей насоса совместно с рабочей жидкостью, находящейся в его рабочей полости);

- приведённый момент инерции всех гидромотор-колёс;

- давление, соответственно, на выходе насоса и на входе мотора;

-показатель регулирования насоса;

- рабочий объём насоса;

- площадь поперечного сечения трубопровода;

, - расход рабочей жидкости, соответственно, в нагнетательной полости насоса и во входной полостигидромотора;

, -механический коэффициент полезного действия, соответственно, насоса и гидромотора;

, - объёмный коэффициент полезного действия, соответственно, насоса и гидромотора;

- коэффициент, учитывающий потери на трение рабочей жидкости;

- плотность рабочей жидкости.

Движение масс механической части силовой передачи описывается следующим дифференциальным уравнением[4, 5, 6]:

,(15)

где- момент инерции обода ведущего колеса;

-частота вращения обода колеса;

- момент, характеризующий упругую связь силовой передачи:

(16)

-величина потерь ведущего момента на вязкое трение при равномерной частоте вращении деталей силовой передачи;

- передаточное число трансмиссии.

- жёсткость механической части силовой передачи;

,-углы поворота, соответственно, вала гидромотора и обода ведущего колеса;

- коэффициент, характеризующий демпфирование механической части силовой передачи;

- момент сухого трения механической части силовой передачи.

Момент сухого трения механической части силовой передачи можно определить по формуле[4, 5, 6, 8]:

,(17)

где-коэффициент полезного действия механической части силовой передачи.

Анализ проведенных ранее исследований показывает, что шина на ведущем режиме качения испытывает радиальную, продольную и окружную деформации[3, 4, 5, 6].Поэтому движение ведущего колеса комбайна описывается уравнениями, которые учитывают переменный характер динамического радиуса пневматика, изменяющийся при наличии вертикальных колебаний зерноуборочного комбайна[3, 4, 5, 6, 8]:

,(18)

где - момент инерции беговой дорожки пневматической шины;

- частота вращения беговой дорожки пневматической шины;

- момент закрутки пневматической шины движителя комбайна;

- момент шины ведущего колеса от продольной нагрузки;

- скорость комбайна в горизонтальной плоскости;

- деформация шин движителя в продольном направлении;

- свободный радиус колеса движителя;

- относительный коэффициент, характеризующий сжатие волокон под воздействием нормальной нагрузки;

- относительный коэффициент, характеризующий сжатие волокон под воздействием продольной нагрузки;

- нормальная реакция опорного основания на движители.

Момент закрутки пневматической шины движителя можно определить по зависимости[3, 4, 5, 6, 8]:

,(19)

где - окружная жёсткость пневматических шин движителей комбайна;

- демпфирование в шинах от закрутки ведущего колеса;

- угол закрутки беговой дорожки пневматической шины.

Момент пневматической шины движителя комбайна при продольной её деформации можно определить по зависимости[3, 4, 5, 6, 8]:

,(20)

где - продольная жёсткость пневматической шины движителя;

- коэффициент, характеризующий вязкое трение в пневматической шине движителя комбайна в продольном направлении;

- динамический радиус пневматического ведущего колеса;

- сдвиг относительно горизонтальной проекции центра колеса вертикальной реакции опорного основания на движитель.

Динамический радиус пневматического ведущего колеса, очевидно, можно определить по зависимости[3, 4, 5, 6, 8]:

,(21)

где - радиальная деформация пневматической шины движителя под воздействием вертикальных колебаний зерноуборочного комбайна;

- статическая деформация пневматической шины движителя.

Вертикальная реакция опорного основания на движитель зерноуборочного комбайна определяется по зависимости[3, 4, 5, 6, 8]:

,(22)

где - радиальная жёсткость пневматических шин движителей;

- демпфирование пневматических шин движителей в радиальном направлении.

Сдвиг вертикальной реакции опорного основания относительно горизонтальной проекции центра колеса определяется по зависимости [3, 4, 5, 8]:

,(23)

где ? коэффициент, характеризующий сдвиг реакции опорного основания в вертикальном направлении;

? экспериментальный коэффициент.

При выполнении технологической операции под воздействием микронеровностей опорного основания происходят колебания остова зерноуборочного комбайна, как в продольной, так и вертикальной плоскости, поэтому процесс движения можно записать в виде кинематического уравнения[8, 9]:

,(24)

где - масса зерноуборочного комбайна;

- сила сопротивления управляемых колёс зерноуборочного комбайна.

Сопротивление самопередвижению управляемых колёс зерноуборочного комбайна можно определить по зависимости[4, 5, 6, 8, 9]:

,(25)

где- вертикальная реакция опорного основания, приходящаяся на управляемые колёса;

- коэффициент, характеризующий сопротивление самопередвижению управляемых колёс;

- показатель экспоненты, характеризующей интенсивность роста силы сопротивления самопередвижению управляемых колёс.

Процесс, характеризующий колебания остова зерноуборочного комбайна относительно статического положения, можно описать следующей системой уравнений[4, 5, 8]:

,(26)

где- момент инерции зерноуборочного комбайна относительно его центра масс;

- отклонение центра масс машины от его статического положения в вертикальной плоскости;

- угол, характеризующий поворот остова машины относительно проходящей в поперечном направлении через её центр масс горизонтальной оси;

- момент сопротивления самопередвижению управляемых колёс;

- радиальная жёсткость пневматических шин, установленных на управляемых колёсах;

- демпфирование в радиальном направлении пневматических шин, установленных на управляемых колёсах;

,- отклонения от статического положения по вертикали соответственно центров ведущего и управляемого мостов комбайна;

,- ординаты микронеровностей профиля опорного основания соответственно под ведущими и управляемыми колёсами;

,- расстояние от центра масс, соответственно, до ведущего и управляемого мостов;

- высота центра масс машины относительно линии действия касательной силы тяги.

Деформацию шины движителя в радиальном направлении можно определить по зависимости:

.(27)

Колебания центров ведущего и управляемого мостов зерноуборочной машины определяются по зависимостям:

, (28)

Следовательно, динамический радиус ведущего колеса определится по уравнению:



.(29)

При аналитических исследованиях нами было рассмотрено влияние жёсткостных характеристик шин движителей типоразмера 30,5-32 на закономерность изменения таких параметров, как колебания остова и скорости движения зерноуборочного комбайна высокой производительности при смоделированном его движении по стерне со скоростью 5 км/ч (рис. 2, 3).

Закономерности изменения показателей колебательных процессов, возникающих при движении комбайна, полученные при решении его математической модели (совокупность уравнений 1…29) показывают, что значение жёсткости шин движителей должно быть в пределах: радиальной - 1900…2000 кН/м, а тангенциальной - 640…690 кН·м/рад.

Таким образом, приведенные аналитические исследования показывают, что радиальная жёсткость диагональных шин 30,5L-32, равная около 2480 кН/м, чрезмерно завышена, а тангенциальная их жёсткость (510 кН·м/рад) - занижена.В этом случае наблюдается значительная интенсивность как вертикальных, так и угловых колебательных процессов при совершении технологического процесса обмолота зерна.

К настоящему времени сложились различные направления в совершенствовании колёсных движителей, в том числе установка на движители мобильных средств вместо диагональных шин радиальных, а также внедрение разработанных новых типов пневматических шин.

Нити корда диагональных пневматических шин, применяемых на ведущих колёсах зерноуборочных комбайнов высокой производительности, укладываются от борта к борту в обоих направлениях под углом от 15 до 45 к меридиану[6],в результате чего получается оболочка с большим значением радиальной жёсткости (рисунок 4 а).



а)	б)

а) - угловые колебания остова и скорости движения;

б)угловые и вертикальные ускорения остова комбайна

Рисунок 2 - Графики амплитуд параметров колебательных процессов при движении комбайна в зависимости от радиальной жёсткости шин ведущих колёс

а)	б)

а) угловые колебания остова и скорости комбайна;

б) угловые и вертикальные ускорения остова комбайна

Рисунок 3 - Графики амплитуд параметров колебательных процессов при движении комбайна в зависимости от тангенциальной жёсткости шин ведущих колёс

Нити корда шин радиальной конструкции, применяемые в качестве ведущих на тракторах, располагаются под углом от 0 до 15 к меридиану[6] (рисунок 4 б). Поэтому шины радиальной конструкции, по сравнению с диагональными шинами обладают большей податливостью, что обеспечивает более высокие показатели плавности движения мобильного энергетического средства. Как показали результаты наших аналитических исследований, установка на движители комбайна шин30,5R-32 радиальной конструкции, у которых тангенциальная и радиальная жёсткости соответственно около 630 кН·м/рад и 2060 кН/м, способствует уменьшению интенсивности продольных и угловых колебаний остова, что улучшает технологический процесс работы систем и механизмов зерноуборочного комбайна. Однако жёсткостные параметры радиальных шин не соответствуют рациональным значениям (см. рисунки 2 и 3), обеспечивающих качественное выполнение технологического процесса уборки зерновых культур.

То есть, необходимо проводить разработки и исследования эксплуатационных характеристик новых конструктивных схем пневматических шин.

Нами разработан новый тип шины (рисунок 4 в), в которой снижены гистерезисные потери с одновременным увеличением продольной жёсткости и площади контакта с опорным основанием[10].

а	б	в

а - диагональная шина (серийный вариант); б - радиальная шина; в - опытный вариант

Рисунок 4 ?Конструктивное исполнение шин ведущих колёс комбайна



Нити корда экспериментальной пневматической шины30,5Э-32 в смежных слоях направлены одинаково под острым углом к направлению движения мобильного энергетического средства. Поэтому они под действием крутящего момента подвергаются деформации, близкой к растяжению, а при воздействии нормальной нагрузки работают на изгиб, что и предопределяет уменьшение радиальной жёсткости пневматической шины30,5Э-32 до значения около 1950 кН/м с тангенциальной жёсткостью около 680 кН·м/рад. Предлагаемая пневматическая шина30,5Э-32, используемая в качестве ведущей, существенно улучшит показатели качества выполнения рабочими органами комбайна технологического процесса, так как амплитуды угловых колебаний и рабочей скорости комбайна, а также угловые и вертикальные ускорения его остова снижаются в1,42 раза.

Дальнейшее повышение тангенциальной и уменьшение радиальной жёсткости пневматической шины движителя зерноуборочного комбайна высокой производительности не целесообразно (см. рисунки 2 и 3).

Результаты экспериментальной проверки, которая проводилась на шинном тестере [11, 12, 13, 14] и при уборке зерновых колосовых, показали верность (ошибка не превышала 8%)аналитических расчётов по обоснованию жёсткостных параметров шин 30,5-32, предназначенных для зерноуборочных комбайнов высокой производительности (таблица 1).

Таблица 1 - Среднеквадратические отклонения вертикальных ускорений ведущего моста зерноуборочного комбайна

Варианты движения	30,5L-32	30,5R-32	30,5Э-32
Грунтовая дорога	V = 21 км/ч	10,70	9,85	10,68
	V = 14 км/ч	10,94	10,11	9,55
Стерня, V = 5 км/ч	2,36	2,34	2,07



Выводы

1)аналитическими исследованиями установлено, что для зерноуборочных комбайнов значение жёсткости шин типоразмера 30,5-32 движителей должно быть в пределах: радиальной - 1900…2000 кН/м, а тангенциальной - 640…690 кН·м/рад;

2) радиальная жёсткость диагональных шин 30,5L-32, равная около2480 кН/м, чрезмерно завышена, а тангенциальная их жёсткость (510 кН·м/рад) - занижена, так как в этом случае наблюдается значительная интенсивность как вертикальных, так и угловых колебательных процессов при совершении технологического процесса обмолота зерна;

3)установка на движители комбайна шин30,5R-32 радиальной конструкции способствует уменьшению интенсивности продольных и угловых колебаний остова, что улучшает технологический процесс работы систем и механизмов зерноуборочного комбайна, однако жёсткостные параметры таких шин не соответствуют рациональным значениям, обеспечивающих качественное выполнение технологического процесса уборки зерновых культур;

4) необходима разработка и внедрение пневматических шин типоразмера 30,5-32 с принципиально новым внутренним строением, у которых радиальная жёсткость около 1950 кН/м,а тангенциальная -примерно 680 кН·м/рад.



Список литературы

1. Алферов, С.А. Динамика зерноуборочного комбайна / С.А. Алферов - Москва: Машиностроение, 1973. - 256 с.

2. Шеповалов, В.Д. Автоматизация уборочных процессов/ В.Д. Шеповалов.- Москва: Колос, 1978. -383 с.

3. Совершенствование пневматических шин мобильной техники / В.Г. Яровой, В.А. Кравченко, А.Ф. Шкарлет и др. // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2001. - № 7. - С. 27…30.

4. Кравченко, В.А. Повышение эксплуатационных показателей движителей сельскохозяйственных колёсных тракторов: монография / В.А. Кравченко, В.А. Оберемок, В.Г. Яровой. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2015. - 213 с.

5. Кравченко, В.А. Математическая модель машинно-тракторного агрегата с УДМ в трансмиссии трактора / В.А. Кравченко, Л.В. Кравченко, В.В. Серёгина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. ? № 103. - С. 251…261.

6. Кравченко, В.А. Транспорт в сельскохозяйственном производстве: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по агроинженерным специальностям / В.А. Кравченко. - Зерноград: АЧГАА, 2003. - 320 с.

7. Основы теории автотракторных двигателей / Ю.А. Ганькин, М.Ю. Карелина, В.А. Кравченко, В.Г. Яровой. - М. Издательство РГАЗУ, 1997. - 304 с.

8. Кравченко, В.А. Математическая модель машинно-тракторного агрегата на базе трактора с гидростатической трансмиссией / В.А. Кравченко, В.А. Стулинь // Вестник аграрной науки Дона, 2016. - Т. 4. - № 36. - С. 44…54.

9. Кравченко, В.А. Математическое моделирование тяговой нагрузкиМТА / В.А. Кравченко, В.В. Дурягина, И.Э. Гамолина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. ? № 101. - С. 424…437.

10. Патент 2677817 Российская Федерация, МПК В60С 9/07; В60С 9/09. Пневматичеcкая шина для мобильного энергетического средства / В.Г. Яровой, В.А. Кравченко, И.М. Меликов, Ф.М. Магомедов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Дагестанский ГАУ. - № 2017135896; заявл. 09.10.2017; опубл. 21.01.2019, Бюл. № 3. - 5 с // Изобретения. Полезные модели. - 2019. - № 3.

11. Патент 2167402 Российская Федерация, C2 7 G 01 М 17/02. Шинный тестер/ В.А. Кравченко, В.Г. Яровой, М.В. Годунов, К.Н. Уржумов, А.В. Зацаринный; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 99114900/28; заявл. 08.07.1999; опубл. 20.05.2001, Бюл. № 14. - 5 с.

12. Патент 2085891 Российская Федерация, C1 6 G01 М17/02 Шинный тестер / Пархоменко С.Г., Яровой В.Г., Кравченко В.А., Меликов И.М. - №95111419/11; Заявл. 03.07.95; Опубл. 27.07.97. - 8 с.

13. Патент 2092806 Российская Федерация, C16 G01 М17/02 Шинный тестер / Меликов И.М., Яровой В.Г., Яровой А.В., Кравченко В.А., Пархоменко С.Г. - №96103746/11; Заявл. 26.02.96; Опубл. 10.10.97. - 8 с.

14. Патент 2107275 Российская Федерация, C16 G01 М17/02 Шинный тестер / Кравченко В.А., Яровой В.Г., Пархоменко С.Г., Меликов И.М., Яровой А.В. - №96109279/28; Заявл. 05.05.96; Опубл. 20.03.98. - 8 с.

Размещено на Allbest.ru

...