Пути повышения агротехнической проходимости колесных тракторов в технологии возделывания сельскохозяйственных культур Дальнего Востока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность: 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пути повышения агротехнической проходимости колесных тракторов в технологии возделывания сельскохозяйственных культур Дальнего Востока

Щитов Сергей Васильевич

Благовещенск 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Емельянов Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беляев Владимир Иванович;

доктор технических наук, профессор Ковтунов Виктор Евгеньевич;

доктор технических наук, профессор Самуйло Виктор Вацлавович

Ведущее предприятие - ФГОУ ВПО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 220.027.01 при ФГОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет» по адресу: 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая,86, каб. 223, ДальГАУ

Телефакс 8-4162-446-544

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет»

Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Баштовой

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Производство сельскохозяйственной продукции требует появления на полях высокопроизводительной сельскохозяйственной техники. Наличие больших площадей, ограниченные сроки проведения сельскохозяйственных операций и сложные естественно-производственные условия требуют применения колесных энергонасыщенных тракторов типа К-744Р3, Buhler Versatile 2425, ХТЗ-17221-09, МТЗ-1221, МТЗ-1521 и др.

Вместе с тем, сложные почвенные и климатические условия Амурской области и, в целом Дальнего Востока ограничивают использование этих тракторов. Обладая рядом преимуществ, колёсные тракторы наряду с этим имеют высокое нормальное давление на почву. После прохода этих тракторов, особенно по переувлажненным почвам, они оставляют после себя глубокую колею, сильно переуплотняют почву по следу движителя, что ухудшает ее физико-механические характеристики, затрудняет последующую ее обработку и уборку урожая. Увеличение плотности почвы в конечном итоге снижает урожайность сельскохозяйственных культур.

Особенности естественно-производственных и климатических условий сельскохозяйственного производства Амурской области заключается в следующем: промерзание почвы зимой составляет более 2,5 метров; ранневесенние сельскохозяйственные работы проводятся при наличии мерзлого подстилающего слоя почвы при оттаивании на глубину 0,06…0,10 м; ряд основных сельскохозяйственных операций проводится в период переувлажнения почвы. Исследования показали, что в результате техногенного воздействия на почву ходовых систем теряется до 5% используемой пашни. Наиболее перспективным направлением в этих условиях является совершенствование ходовой системы тракторов за счет повышения коэффициента сцепления и снижения нормального давления колёс на почву. Исследования по теме диссертации выполнены в ФГОУ ВПО ДальГАУ в 1979-2008 гг.

Цель исследований - повышение эффективности работы колесных тракторов за счет совершенствования ходовой системы, увеличения производительности, улучшения тягово-сцепных свойств и снижения техногенного воздействия на почву.

Объект исследования - процесс взаимодействия колесного движителя с переувлажненной почвой, подстилаемой твердым мерзлым слоем.

Предмет исследований - выявление закономерностей влияния конструктивных и кинематических параметров на процесс взаимодействия колесного движителя с почвой.

Методы исследований - исследования по теме диссертации выполнены в ДальГАУ в 1979-2008 гг. в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации №446 от 14.07.07. «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 гг.», научно-технической программой на 2006-2010 гг. проблема 11.8 - «Перспективная система технологий и машин для с.- х. производства Дальнего Востока» ФГОУ ВПО ДальГАУ.

Аналитические исследования процесса взаимодействия колесного движителя энергонасыщенных тракторов с различной компоновкой ходовой системы при наличии подстилающего слоя и переувлажнения почвы проведены с использованием математического аппарата механики грунтов; основных положений теоретической и прикладной механики; теории дифференциальных уравнений в частных производных.

Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации с использованием электронных приборов осциллографирования, тензометрирования.

Результаты исследований обрабатывались с помощью методов математической статистики.

Научная гипотеза. Снижение техногенного воздействия колесных движителей на почву может быть достигнута за счет совершенствования ходовой части путем постановки дополнительных колес, расстановки их на разную ширину колеи, применения прицепа с ведущим мостом, использования корректора сцепного веса и выявления закономерностей и зависимостей, характеризующих процесс взаимодействия колесного движителя с почвой. Знание этих закономерностей позволит обосновать выбор технологии и технических средств, а также условия их эффективности использования при возделывании сельскохозяйственных культур.

Научная новизна. Предложены аналитические зависимости, позволяющие определить эксплуатационные свойства трактора в зависимости от физико-механических характеристик почвы и ширины контакта колес с почвой. Определено влияние приведенного момента инерции машинно-тракторного агрегата (сдвоенных колес) на коэффициент загрузки двигателя, степень неравномерности ведущего момента, поступательного движения и буксование трактора. Выявлены закономерности движения трактора относительно плоскости опорной поверхности в общем виде с использованием уравнений Лагранжа второго рода. Определены основные пути снижения техногенного воздействия на почву колесных тракторов при наличии подстилающего слоя в виде мерзлоты и верхнего переувлажненного слоя почвы.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Использование колесных тракторов на сдвоенных колесах и с различной шириной колеи передних и задних колес, а также применение прицепа с ведущим мостом и корректором сцепного веса снижает уплотнение почвы, повышает коэффициент структурности почвы, уменьшает глубину колеи и буксование, повышает тягово-сцепные свойства. Предложенные приспособления для постановки дополнительных колес на трактор имеют меньшую металлоемкость и высокую надежность. Установленные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют сократить затраты времени и материальных средств при конструировании, совершенствовании и доработке конструкции колесных движителей.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований одобрены и рекомендованы к внедрению экспертной комиссией по внедрению в агропромышленное производство научно-технических разработок и передового опыта Министерства сельского хозяйства Амурской области, Управлениями сельского хозяйства Правительства Еврейской автономной области (ЕАО) и Приморского края. Созданные на основе исследований приспособления для постановки сдвоенных колес, приспособления для расстановки на разную ширину колеи получили применение и использованы при совершенствовании ходовой части в Головном специализированном конструкторском бюро N 966-590 производственного объединения "Кировский завод" г. Санкт-Петербурга (г.Ленинград), ЗАО «Биробиджанский комбайновый завод «Дальсельмаш» г.Биробиджана, сельскохозяйственных предприятиях Амурской и Сахалинской областей, ЕАО, Приморского и Хабаровского краев, Республики Саха (Якутия). Методика экспериментальных исследований применяется на Амурской государственной зональной машиноиспытательной станции при испытаниях колесных сельскохозяйственных тракторов. Результаты по уточнению теории взаимодействия колесного движителя с почвой внедрены в учебный процесс на кафедре тракторов и автомобилей ДальГАУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель, позволяющая снизить энергозатраты в системе технологий и машин для возделывания с.-х. культур;

- математические зависимости, позволяющие определить эксплуатационные свойства трактора в зависимости от физико-механических характеристик почвы и ширины контакта колес с почвой;

- аналитические зависимости, отражающие влияние приведенного момента машинно-тракторного агрегата на коэффициент загрузки двигателя, степень неравномерности ведущего момента, степень поступательного движения, буксование трактора;

- теоретические и экспериментальные закономерности движения трактора относительно плоскости опорной поверхности в общем виде с использованием уравнений Лангранжа второго рода.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях БСХИ (1979-1993 гг.), ДальГАУ (1994-2007 гг.), научно-технических конференциях молодых ученых и соискателей в БСХИ (1979-1984 гг.), секции "Эксплуатация машинно-тракторного парка" в СИМСХе им. М.И. Калинина в 1984 г., секции "Тракторы и автомобили" СИМСХ им. М.И. Калинина в 1985 г., заседаниях научно-технического совета ГСКБ 966-590 производственного объединения "Кировский завод" г. Санкт-Петербурга (г. Ленинград) (1981-1989 гг.), научно практических конференциях ДальНИПТИМЭСХ (1990-1995 гг., 2008 г.), научно-практической конференции УНПК Ивановского района (1996, 1998 гг.), заседании докторского научно-методологического семинара ГАУ СибИМЭ (2005 г.), региональной научно-практической конференции БФ АмГУ г.Биробиджана (2006-2008гг.), совместных расширенных заседаниях НТС ИМСХ и кафедры тракторов и автомобилей ДальГАУ (2005, 2008 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 55

печатных работах, в том числе 18 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы 284 наименований (в т.ч. 19 на иностранных языках) и 36 приложений. Общий объем 325 с., 87 рисунков, 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

трактор ходовой колея сдвоенный

Введение.

Обоснована актуальность работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Состояние проблемы. Цель и задачи исследований.

На эффективность использования машинно-тракторного парка большое влияние оказывают естественно-производственные условия зоны, где они эксплуатируются. Анализ природно-климатических особенностей дальневосточного региона показывает, что основные сельскохозяйственные работы проводятся в период выпадения большого количества осадков, что резко снижает несущую способность почвы.

Вышеназванные природно-климатические особенности определяют всю специфику зональной системы машин. В работах Б.И. Кашпуры, Б.Д. Докина, А.М. Крикова, Е.П. Камчадалова, А.М. Емельянова и ряда других ученых заложены основы формирования системы машин Сибири и Дальнего Востока. Требование снижения техногенного воздействия на почву, расширения сроков и сферы использования колесных тракторов обусловливают необходимость совершенствования их ходовой системы. Основы теории колесного движителя заложены в работах В.Ф. Бабкова, А.К. Бируля, В.П. Горячкина, М.Н. Летошнева, Е.Д. Львова, Д.К. Карельского, М.К. Кристи и многих других ученых.

В последующие годы исследования, посвященные данному вопросу нашли отражение в трудах Я.С. Агейкина, В.Я. Аниловича, А.Н. Баранского, И.Б.Барского, М.Г. Беккера, Ю.Т. Водолашченко, И.И. Водяника, Вонг ДЖУ, Ю.В. Гинзбурга, В.В. Гуськова, Б.С. Далькевича, Г.В. Зимилева, В.В. Кацыгина, А.М. Кононова, Г.М. Кутькова, А.А. Малышева, Е.Н. Михайловского, Ф.А.Опейко, А.П. Парфенова, А.Ф. Полетаева, В.А. Русанова, А.А. Саакяна, Г.А. Смирнова, В.А. Скотникова, И.А. Ульянова, Ф.Г. Ульянова, В.П. Цимбалина, Д.А. Чудакова, А.И. Швеца, Н.А. Яковлева и других.

Вопросу исследования криволинейного движения колесных машин со всеми ведущими колесами одинакового размера и шарнирно-сочлененной рамой посвящены работы А.А. Баранова, В.М. Боклача, В.В. Гуськова, В.Е. Гореликова, Н.Я. Диатян, В.В. Дубина, В.В. Зильбернагеля, Д.М. Митропана, В.А.Попова, В.И. Соловьева, А.И. Скокан, Б.М. Тишина, Н.А. Ульянова, Ю.Ф.Устинова, Я.Е. Фаробина, А.Н. Хамилова, Б.М. Чинченко, Е.М. Шапиро и др.

Вопросам повышения тягово-сцепных свойств и снижения техногенного воздействия на почву посвящены работы П.У. Бахтина, А.Т. Бондарева, И.И.Водянника, В.Г. Евстенко, Е.П. Камчадалова, А.М. Кононова, И.П. Консвига, В.М. Крешкова, М.И. Ляско, В.В. Медведева, И.С. Неботина, Э.Ю.Нугиса, В.А. Русанова, А.О. Соловейчика, В.С. Гапоненко, Е.С. Уткина, А.Г. Юшнова и других.

Анализ исследований показывает, что ходовые системы колесных тракторов и сельскохозяйственной техники оказывают техногенное воздействие на почву. Это приводит к ухудшению плодородия почвы, особенно в период переувлажнения почв, имеющих жесткий подстилающий слой, что характерно для условий Дальнего Востока. Таким образом, в дальневосточном регионе существует проблема повышения эффективности использования колесных тракторов на почвах с низкой несущей способностью.

На основании анализа современного состояния вышерассмотренной проблемы поставлены следующие задачи исследований:

- изучить особенности естественно-производственных условий Дальнего Востока и их влияние на использование колесных тракторов в системе технологий и машин для возделывания сельскохозяйственных культур;

- разработать математическую модель оценки эффективности использования системы технологий и машин для возделывания сельскохозяйственных культур на основе снижения полных энергозатрат в процессе выполнения основных сельскохозяйственных работ;

- определить зависимость тягово-сцепных свойств колесного трактора от физико-механических свойств почвы, схемы колесного движителя, установить закономерности криволинейного движения трактора относительно опорной плоскости;

- выявить влияние приведенного момента инерции машинно-тракторного агрегата (МТА) на коэффициент загрузки двигателя, степень неравномерности ведущего момента, степень неравномерности поступательного движения трактора, величину буксования;

- определить пути снижения техногенного воздействия на почву колесных тракторов за счет совершенствования ходовой части, использования прицепа с передним ведущим мостом и корректором сцепного веса;

- провести экономическую и топливно-энергетическую оценку разработанных путей повышения агротехнической проходимости колесных тракторов.

Теоретические предпосылки решения проблемы.

Процесс производства сельскохозяйственной продукции есть набор последовательно выполняемых операций, обеспечивающих получение сельскохозяйственной продукции. Возделывание сельскохозяйственных культур может быть осуществлено при различных составов МТА. Задача оптимизации заключается в том, чтобы найти такое сочетание МТА, которое бы позволило получить продукцию с наименьшими затратами. Решение данной задачи позволяет найти оптимальный тяговый класс и состав агрегатов. Оценку вариантов оптимизации найдем по критерию - полные энергозатраты.

Решение вышеуказанной задачи можно представить следующим образом, приняв его в качестве математической модели

Е_тп=Е_п+Е_ж+Е_Тм+Е_у>min,

ДЕ_тп=Е_тпб-Е_тпн>max,

>1, (1)

где Е_тп - полные энергозатраты; Е_п - прямые затраты энергии; Е_ж - затраты живого труда; Е_Тм - удельная энергоемкость труда; Е_у - энергозатраты от потерянного урожая (продукции); ДЕ_тп - экономия полных энергозатрат; Е_тпб - полные энергозатраты базового агрегата; Е_тпн - полные энергозатраты нового агрегата.

Теоретические исследования показали, что прямые энергозатраты находятся в функциональной зависимости от показателей

Е_т=f(Р_кр, К_з, W_см, д,M_тм, Т_нт, с), (2)

где Р_кр - тяговое усилие трактора; К_з - коэффициент загрузки двигателя; W_см, - сменная производительность; д - буксование; M_тм - масса агрегата; Т_нт - годовая загрузка; с - плотность почвы.

Тягово-сцепные свойства принято характеризовать показателями: коэффициентами сцепления, сопротивления перекатыванию и буксованием. Обобщающим показателем, характеризующим тягово-сцепные свойства любой машины, является КПД движителя.

Рассмотрим сопротивление движению и сцепление одиночного колеса с почвой в зависимости от ширины контакта. При движении колесной машины часть мощности, подводимой к ведущим колесам, затрачивается на преодоление внутренних и внешних потерь. Внутренние потери обусловлены деформацией шины. Как показывают исследования, затраты мощности на деформацию шины в случае качения эластичного колеса по деформируемой поверхности составляют не более 5-6% от общих потерь. Таким образом, затраты мощности на деформацию грунта по сравнению с затратами мощности на деформацию шины являются более значительными.

В нашем случае с целью снижения техногенного воздействия на почву колесных тракторов является постановка дополнительных колес.

Определим сопротивление движению, обусловленное деформацией почвы колесом с учетом его ширины.

На ранневесенних работах в условиях Амурской области происходит полное залипание колес почвой. Поэтому правомерно принять допущение, что данное колесо не имеет почвозацепов. Деформация почвы происходит по вектору абсолютной скорости R, если угол между нормалью n и вектором абсолютной скорости R не превышает угла трения резины о почву (рис.1). Если данное условие не выполняется, то деформация почвы происходит по направлению угла трения. Расчеты показывают, что в рассматриваемом случае деформация почвы происходит по вектору абсолютной скорости R.

При передвижении колеса (рис.1) на элементарном участке пути ds, затрачивается элементарная работа dA. Эта работа расходуется на перемещение почвы из точки 2 в точку 3

, (3)

где R - реакция почвы на поверхность контакта колеса с почвой;

dh_o - элементарное перемещение почвы по направлению вектора абсолютной скорости.

Реакция R на поверхность контакта колеса с почвой является суммой элементарных реакций почвы по площади поверхности контакта АВ

, (4)

где dR - элементарная реакция грунта, действующая на элементарную площадку dF, расположенную по нормали к деформации почвы; q - нормальное давление колеса на почву.

В полученное выражение (4) входит величина нормального давления колеса на почву.

Наиболее полно и точно процесс деформации сжатия почвы под воздействием колеса описывается зависимостью гиперболического тангенса

, (5)

где q_o - предельная несущая способность почвы; c_o - коэффициент объемного смятия почвы.

Рис. 1. Схема к расчету сопротивления движения колеса вследствии деформации почвы

В условиях Амурской области при наличии подстилающего слоя глубина колеи не превышает 0,20...0,25 м. Закономерность деформации переувлажненной почвы под воздействием нормальной нагрузки со стороны движителя с достаточной степенью точности может быть описана линейной функцией. Таким образом, формула для расчета сопротивления движению вследствие деформации почвы под колесным движителем будет иметь вид

. (6)

В общем виде касательная сила тяги, развиваемая единичным колесом, представляет собой сумму горизонтальных реакций почвы. Для определения касательной силы тяги одного почвозацепа нужно знать вид функциональной зависимости касательных напряжений от деформации сдвига почвы. В работе А.М. Емельянова показано, что процесс деформации переувлажненных почв Дальнего Востока в горизонтальной плоскости с достаточной степенью точности описывается уравнением

, (7)

где c - коэффициент сцепления почвы; - угол внутреннего трения почвы; S - величина смещения колеса относительно почвы; K - коэффициент деформации почвы.

Установлено, что касательная сила тяги, обусловленная одним почвозацепом, изменяется по такому же закону, что и касательная реакция почвы. Таким образом

, (8)

где B_n - ширина почвозацепа; h_n - высота почвозацепа; t_n - шаг почвозацепа.

Суммируя касательные реакции, получим силу тяги, развиваемую одиночным колесом

 . (9)

Решая данный интеграл, определяем силу тяги, развиваемую колесом

(10)

Анализ формул (6), (10) позволяет сделать вывод, что с увеличением ширины контакта колеса с почвой увеличиваются как сила сопротивления движению, так и касательная сила тяги. Для более наглядного анализа этих формул построим график зависимости силы сопротивления движению и касательной силы тяги от ширины контакта колес с почвой (рис.2).

Из рисунка 2 видно, что при увеличении ширины контакта колеса трактора с почвой повышаются сила сопротивления движению с 21,9 кН до 25 кН и касательная сила тяги трактора с 35 кН до 73 кН при увеличении ширины колеса с 0,8 до 1,6 м, то есть возрастание касательной силы тяги происходит более интенсивно по сравнению с силой сопротивления. Следовательно, увеличение ширины контакта движителя с почвой позволит увеличить тяговое усилие трактора и снизить техногенное воздействие на почву.

При использовании колесных тракторов на ранневесенних работах при наличии твердого подстилающего слоя в условиях нормальной влажности, передние колеса при движении срывают верхний слой почвы до мерзлоты.

Задние колеса, движущиеся по следу передних перекатываются уже по нарушенному слою и находятся в более худших условиях по тягово-сцепным свойствам по сравнению с передними. Поэтому с целью улучшения тягово-сцепных свойств задних колес необходимо, чтобы колея передних и задних колес была различной.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Зависимость силы сопротивления движения (Р_f) и касательной силы тяги трактора (P_к) от ширины контакта колес с почвой (В)

В рассматриваемом случае, когда передние и задние колеса движутся по различной колее, формула (10) будет справедлива как для передних, так и для задних колес.

В случае, когда передние и задние колеса трактора движутся с одинаковой шириной колеи, касательная сила тяги, развиваемая задним колесом будет равна

. (11)

Сравнивая между собой формулы (10 и 11) необходимо отметить, что величина касательной силы тяги, развиваемая задними колесами будет больше у трактора с разной шириной колеи передних и задних колес. Это обусловлено тем, что коэффициент сцепления передних колес с почвой больше по сравнению с задними, так как передние колеса срывают верхний слой почвы из-за наличия мерзлоты.

Для повышения тягово-сцепных свойств и снижения техногенного воздействия на почву на транспортных работах предлагается использовать прицепы с передним ведущим мостом. При движении тракторных поездов включение ведущего моста целесообразно производить только при повышении буксования ведущих колес трактора. Это позволяет снизить затраты мощности на привод прицепа. С этой целью в элементы трансмиссии прицепа включается обгонная муфта. Применение обгонной муфты позволяет автоматизировать процесс включения и выключения ведущего моста прицепа и исключить циркуляцию паразитной мощности между ведущими мостами трактора и прицепа. При использовании обгонной муфты ведущие колеса прицепа получают крутящий момент от двигателя, если буксование ведущих колес трактора более 5% (момент включения обгонной муфты).

При работе трактора с прицепом, имеющим передний ведущий мост, имеет место два режима работы. В первом случае, когда буксование ведущих колес трактора 5%, касательная сила тяги используя ранее полученную зависимость (10) определится по выражению

где В_п.тр. - ширина почвозацепа колеса трактора; t_п.тр. - шаг почвозацепа колеса трактора; h_п.тр. - высота почвозацепа колеса трактора; _тр. - величина буксования трактора.

Во втором случае, когда буксование ведущих колес трактора >5%, суммарная касательная сила машинно-тракторного агрегата определится следующим образом:

где В_п.пр. - ширина почвозацепа колеса прицепа; t_п.пр. - шаг почвозацепа колеса прицепа; h_п.пр. - высота почвозацепа колеса прицепа; _пр. - величина буксования прицепа.

Анализ формул (12 и 13) позволяет сделать вывод, что на почвах с низкой несущей способностью, использование прицепа с ведущим передним мостом позволяет повысить тягово-сцепные качества МТА на транспортных работах в период выпадения большого количества осадков. Это особенно актуально, когда производительность МТА ограничивается не мощностью двигателя (тяговым усилием), а тягово-сцепными свойствами трактора.

На транспортных работах для увеличения производительности МТА необходимо увеличивать объем перевозимого груза (вес). В то же время на почвах с низкой несущей способностью, это ограниченно тягово-сцепными свойствами. Для решения данной проблемы необходимо провести модернизацию транспортного агрегата, в частности прицепа. Для этой цели установим на прицеп дополнительный гидроцилиндр (корректор сцепного веса) между передним мостом прицепа и прицепным устройством и соединим его с гидравлической системой трактора, что позволит часть веса тракторного прицепа передать через гидроувеличитель сцепного веса на ведущие колеса трактора. За счет перераспределения веса между ведущими колесами трактора и прицепа касательная сила тяги такого МТА определится по выражению

, (14)

где - касательная сила тяги трактора с серийным прицепом; R - дополнительная сила тяги, приложенная к точке прицепа от корректора сцепного веса; l - горизонтальная координата приложения тягового усилия; L_тр - продольная база трактора; ц - коэффициент использования сцепного веса.

Постановка на трактор сдвоенных колес изменяет кинематику поворота. Рассмотрим в прямоугольной системе координат ХОУ схему поворота трактора на сдвоенных колесах. Силы, действующие на трактор, представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Схема поворота трактора на сдвоенных колесах

Закономерность движения трактора на плоскости описывается уравнениями Лагранжа второго рода

, (15)

где T - кинетическая энергия; П - потенциальная энергия; - обобщенные координаты; - обобщенные силы; - производные от обобщенных координат по времени t.

В нашем случае три обобщенных координаты - переменная х; переменная Y , угол .

Уравнения Лагранжа в общем виде запишутся следующим образом:

. (16)

Система уравнений (16) дает возможность описать закономерность движения трактора на плоскости в общем виде. Уравнения (16) есть линейные дифференциальные уравнения второго порядка. В то же время данная система из трех уравнений содержит четыре неизвестных. Для поставленной задачи исключим одно неизвестное из уравнений, расположив первую секцию параллельно оси абсцисс. Подставив значения производных обобщенных сил в данное уравнение и решив его, получим систему уравнений, которая позволяет исследовать движение трактора на повороте

, (17)

где A_i ,a_i , B_i , b_i , C_i ,c_i - постоянные коэффициенты системы уравнений.

Рассматриваемые зависимости (17) удовлетворяют условиям класса функций Дирихле. Поэтому мы вправе решить систему уравнений методом операционного исчисления. В правую часть данных уравнений входит крюковая нагрузка и угол слома рамы в неявном виде. Изменяя значения крюковой нагрузки, скорости движения и угла слома рамы, получим зависимости текущих координат от указанных параметров. Совокупность текущих координат на плоскости можно представить как радиус поворота трактора (рис. 4).

Так при угле слома рам и нагрузке Ркр=5кН радиус поворота трактора на одинарных колесах составил 24,5 м, а при нагрузке 20кН радиус поворота равен 26,6 м. Для трактора со сдвоенными колесами при этой же нагрузке радиус поворота соответственно составил 26,8 м и 29,1 м.С увеличением угла слома рамы до радиус поворота при тех же нагрузках составил для трактора с одинарными колесами 8,4 м и 11,4 м, а для трактора со сдвоенными колесами - 10,0 м и 12,8 м. На основании полученных данных можно сделать следующий вывод, что с повышением тягового усилия радиус поворота увеличивается как у трактора с одинарными колесами, так и у трактора со сдвоенными колесами.

Рис. 4 Зависимость радиуса поворота трактора (R) на одинарных и сдвоенных колесах от тягового усилия (Р_кр) при различных значениях угла рамы (б) (скорость V=1 м/с) 1 - одинарные колеса 2 - сдвоенные колеса

Исследования зависимости радиуса поворота трактора на одинарных и сдвоенных колесах от угла слома рамы и скорости движения показали, что увеличение угла слома рамы позволяет уменьшить радиус поворота у трактора с одинарными и сдвоенными колесами. При угле слома рамы , Ркр=0 и V =3 м/с радиус поворота серийного трактора составил 27,1 м, а у трактора со сдвоенными колесами - 30,1 м. Увеличение угла слома рамы до позволяет снизить при тех же условиях радиус поворота соответственно для трактора с одинарными и сдвоенными колесами до 7,8 м и 8,1 м. Аналогичные зависимости получены и при увеличении тягового усилия. Для получения того же радиуса поворота для трактора на сдвоенных колесах, что и у серийного необходимо увеличить угол слома рамы.

Представляет большой теоретический и практический интерес влияние дополнительных колес на выходные параметры трактора: коэффициент загрузки двигателя, степень неравномерности ведущего момента, поступательного движения и буксование трактора.

В реальных условиях при работе МТА наблюдаются значительные колебания нагрузки. При проектировании трактора за основу берется его масса, обеспечивающая необходимое сцепление с почвой, но при неустановившемся характере нагрузки этой величины может оказаться недостаточно, и при больших колебаниях момента сопротивления эти тракторы могут оказаться неработоспособными.

Академик В.Н. Болтинский отмечал, что "для успешного выполнения различных сельскохозяйственных операций, между условиями работы (среда) и приведенным моментом инерции МТА должно быть соответствие", то есть коэффициент загрузки двигателя можно увеличить путем увеличения приведенного момента инерции МТА.

Постановка дополнительных колес увеличивает приведенный момент инерции МТА. Тогда коэффициент загрузки двигателя буде равен

для трактора с одинарными колесами

, (18)

для трактора со сдвоенными колесами

, (19)

где - приведенный к коленчатому валу момент инерции двигателя; , - соответственно, приведенный к коленчатому валу двигателя момент инерции поступательно движущихся масс МТА и дополнительного колеса; - приведенная к коленчатому валу двигателя сумма моментов инерции вращающихся масс трансмиссии на данной передаче; - передаточное число трансмиссии, m_k- масса колеса; r_k - радиус колеса; _к- степень неравномерности момента сопротивления; _р - степень нечувствительность регулятора; f_c - частота изменения момента сопротивления; М_дн- момент двигателя номинальный; - частота вращения коленчатого вала двигателя.

Из формулы (19) видно, что постановка сдвоенных колес позволяет увеличить коэффициент загрузки двигателя для трактора со сдвоенными колесами за счет увеличения приведенного момента инерции МТА. Как известно, на частоту колебания коленчатого вала двигателя большое влияние оказывает неустановившийся характер действующей нагрузки. Поэтому возникает необходимость установить эту зависимость

. (20)

Положение движущихся масс МТА можно однозначно определить по положению коленчатого вала двигателя. Коленчатый вал двигателя имеет одну степень свободы и его положение определяется углом поворота. Таким образом, обобщенной координатой для рассматриваемой системы вращающихся масс МТА являются угол поворота коленчатого вала двигателя. Дифференциальное уравнение Лагранжа в нашем случае имеет вид

, (21)

где T- кинетическая энергия МТА; t- время; - обобщенная угловая скорость.

Задавая углу поворота коленчатого вала элементарное приращение получим элементарную работу совершаемую моментом (M_g -M_c)

. (22)

Кинетическая энергия рассматриваемого МТА равна

. (23)

Поскольку кинетическая энергия МТА не зависит от угла поворота коленчатого вала двигателя, то

, , .

Подставляя найденные значения

.

в уравнение (23), получим

. (24)

Решив данное уравнение и сделав преобразования определим степень неравномерности ведущего момента для трактора с одинарными колесами

, (25)

для трактора со сдвоенными колесами

. (26)

Таким образом, из формул (25) и (26) видно, что у трактора со сдвоенными колесами степень неравномерности ведущего момента меньше, чем у трактора с одинарными колесами, за счет большего приведенного момента инерции МТА.

Программа экспериментальных исследований

С целью определения основных технологических параметров исследуемых процессов, а также проверки достоверности исследований и выявления зависимостей между параметрами была разработана программа и изготовлены экспериментальные МТА для исследования их техногенного воздействия на почву и снижения энергозатрат в системе технологий и машин для возделывания с.-х. культур. Программа предусматривала проведение комплексных исследований по обоснованию параметров для указанных выше процессов и технических средств, которая включала в себя решение следующих вопросов:

- установить влияние различной компоновки ходовых систем колесных тракторов, прицепа с активным ведущим мостом и корректором сцепного веса на тягово-сцепные свойства;

- определить влияние приведенного момента инерции МТА на степень неравномерности ведущего момента, степень поступательного движения трактора при сельскохозяйственных и транспортных работах;

- исследовать влияние различной компоновки ходовых систем колесных тракторов, дополнительного ведущего моста и корректора сцепного веса на кинематику поворота МТА;

- исследовать техногенное воздействие ходовых систем колесных тракторов на почву;

- проверить эффективность использования колесных тракторов класса 1,4; 3 и 5 в производственных условиях с различной компоновкой ходовой системы.

Исследования проводились по общим и частным методикам с использованием математического моделирования эксперимента и методов регрессионного анализа. Испытания проводились в полевых условиях. Участки для проведения испытаний выбирались горизонтальными с ровным микрорельефом. При этом замерялись следующие параметры: крутящие моменты на полуосях, тяговое усилие, частота вращения коленчатого вала двигателя и карданного вала ведущего моста, частота вращения ведущих колес, угол слома рамы, пройденный путь, время опыта. Для замера вышеперечисленных параметров была изготовлена тензометрическая аппаратура, состоящая из осциллографа, источников питания, пульта управления, тензометрических резисторов, тахогенераторов. Все измеряемые параметры фиксировались осциллографом и прибором «Морион». Определялись влажность, твердость, объемная масса, структурный состав почвы до и после прохода агрегатов. Сравнительные хозяйственные испытания проводились методом хронометражного наблюдения. Обработка данных, полученных в ходе эксперимента, проводилась известными методами математической статистики на ЭВМ.

Результаты, анализ экспериментальных и теоретических исследований

В основу сравнительной оценки колесных тракторов с различной компоновкой ходовой части были положены тяговые испытания. Анализ сравнительной тяговой характеристики трактора «Кировец» на одинарных и сдвоенных колесах (рис. 5) позволяет сделать вывод, что при одном и том же буксовании трактор с одинарными колесами развивает меньшее тяговое усилие. Так, при 15% буксовании трактор «Кировец» со сдвоенными колесами развивает тяговое

усилие равное 48 кН, в то время как трактор с одинарными колесами - только 32 кН, что на 37% меньше. При увеличении тягового усилия свыше 50 кН, буксование трактора с одинарными колесами резко возрастает, что говорит о снижении тягово-сцепных качеств. У трактора со сдвоенными колесами интенсивность буксования практически не изменяется. Различный характер протекания кривых буксования приводит к изменению рабочих скоростей на всех режимах работы. При этом действительная скорость трактора со сдвоенными колесами при всех прочих равных условиях выше скорости трактора на одинарных колесах на 7...9%. Снижение рабочей скорости у трактора на одинарных колесах приводит к изменению тяговой мощности. У трактора «Кировец» со сдвоенными колесами тяговая мощность при одинаковом тяговом усилии выше, чем у трактора с одинарными колесами. Так, при P_k = 50 кН тяговая мощность снизилась у трактора с одинарными колесами на 8%. Из сравнительной тяговой характеристики видно, что уменьшение тяговой мощности у трактора «Кировец» на одинарных и сдвоенных колесах на различных передачах происходит при одних и тех же значениях тягового усилия. Следовательно, в обоих случаях двигатель загружается полностью, и дальнейший рост тяговой мощности ограничивается только эффективной мощностью двигателя. Таким образом, для полного использования тягово-сцепных качеств трактора «Кировец» со сдвоенными колесами необходимо увеличить эффективную мощность двигателя. Аналогичные результаты получены и для трактора класса 1,4 (рис.6).

Наряду с этим были проведены тяговые испытания трактора «Кировец», где в качестве загрузочного устройства использовались модернизированные плуги ПН-10-35, ПТК-11-35 и агрегат с тремя культиваторами КПГ- 4.

Модернизация плугов вызвана двумя моментами. Во-первых, постановка дополнительных колес увеличивает тяговое усилие трактора, что дает возможность увеличить ширину захвата агрегата с целью повышения его производительности. Во-вторых, при постановке сдвоенных колес правые дополнительные колеса (с обычным плугом) частично идут уже по вспаханному полю.

Рис. 5. Сравнительная тяговая характеристика трактора «Кировец» на одинарных и сдвоенных колесах

1 - серийный 2 - сдвоенные колеса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Сравнительная тяговая характеристика трактора класса 1,4

Поэтому было решено увеличить ширину захвата агрегата за счет постановки двух дополнительных корпусов, приваренных к основной раме. Один корпус крепится спереди плуга, второй - сзади него. Использование модернизированных плугов позволило обеспечить движение правых дополнительных колес полностью по стерне. Испытания проводились на стерне пшеницы, влажность почвы составляла 22…24%. Исследования показали, что постановка дополнительных колес повышает тяговые показатели трактора на 10…15%.

Исследования кинематических показателей криволинейного движения показали, что с увеличением тягового усилия радиус поворота увеличивается как у трактора с одинарными колесами, так и у трактора со сдвоенными колесами. Так, при угле слома рамы ?=11^О радиус поворота без нагрузки составил у трактора с одинарными колесами 21,96 м, а у трактора со сдвоенными колесами - 23,27 м (рис. 7). С увеличением тягового усилия до 20 кН радиус поворота соответственно увеличился до 24,5 м и 26,5 м. Аналогичные данные получены и с увеличением скорости движения. Увеличение угла слома рамы уменьшает радиус поворота. Характер протекания теоретических и экспериментальных исследований одинаков. Как показали результаты исследований, аналитические зависимости находятся в пределах доверительного интервала.

Рис. 7. Влияние сдвоенных колес на радиус поворота трактора (стерня зерновых, V=1м/с)

Анализ сравнительной тяговой характеристики трактора «Кировец» с различной шириной колеи передних и задних колес (рис.8) позволяет сделать вывод, что с повышением тягового усилия величина буксования возрастает как у трактора с нормальной шириной колеи, так и у трактора с различной шириной колеи передних и задних колес, хотя интенсивность возрастания буксования у серийного трактора выше. Это объясняется тем, что передние колеса при тяговом усилии срывают верхний слой почвы до мерзлоты, а задние колеса перекатываются по следу и, следовательно, касательная сила тяги, развиваемая за счет сдвига "кирпича", будет меньше. Аналогичные результаты получены и для колесного трактора класса 1,4 (рис. 9).

Результаты тяговых испытаний колесного трактора класса 1,4 с с серийным прицепом и прицепом, имеющим ведущий передний мост позволяет сделать вывод, что использование ведущего переднего моста прицепа позволяет снизить величину буксования. При одном и том же тяговом усилии 12 кН буксование серийного трактора составляет 20 %, а экспериментального трактора -16 %, что на 33 % меньше. При увеличении тягового усилия у серийного трактора интенсивность буксования резко возрастает, что говорит о снижении тягово-сцепных свойств, в то время как у экспериментального интенсивность возрастания величины буксования гораздо меньше. Если сравнить между собой тяговое усилие серийного и экспериментального тракторов, то можно отметить, что при одном и том же буксовании тяговое усилие экспериментального трактора выше. Так, при 15% буксовании тяговое усилие серийного трактора составляет 7,5 кН, а у экспериментального - 11,5 кН.

Использование колесного трактора класса 1,4 и прицепа с корректором сцепного веса позволяет снизить величину буксования по сравнению с серийным.

Так, при тяговом усилии 10,5 кН буксование серийного трактора составило 18,4%, а у экспериментального - 16,5%. Кроме этого, использование корректора сцепного веса повышает тяговую мощность трактора на 12,1 % по сравнению с серийным. Как показали исследования, с увеличением сцепного веса повышаются тягово-сцепные свойства МТА. Так, при увеличении нагрузки на прицепное устройство с 5 кН до 7,5 кН при тяговом усилии 11,2 кН величина буксования снизилась с 20 до 17%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Сравнительная тяговая характеристика трактора «Кировец» с нормальной и различной шириной колеи передних и задних колёс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.9. Сравнительная тяговая характеристика трактора класса 1,4

1 - серийный; 2 - различная ширина колёс

Неустановившийся характер крюковой нагрузки вызывает колебания ведущего момента, поступательной скорости движения, буксования трактора. С целью выявления влияния сдвоенных колес трактора на степень неравномерности ведущего момента, на степень неравномерности поступательного движения и буксование трактора были проведены экспериментальные исследования на пахоте, посеве и сплошной культивации.

Анализ рассматриваемых графических зависимостей (рис.10) показывает, что на степень неравномерности ведущего момента трактора оказывает значительное влияние скорость движения, крюковая нагрузка и

приведенный момент инерции МТА.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Влияние сдвоенных колес трактора на степень неравномерности ведущего момента; стерня зерновых; пахота Ркр=50кН и Ркр=25кН

Необходимо отметить, что с увеличением скорости движения степень неравномерности ведущего момента возрастает как для трактора на одинарных, так и на сдвоенных колесах. Характер изменения степени неравномерности ведущего момента в обоих случаях идентичен. Так, с увеличением скорости движения от 1,14 до 2,4 м/с, степень неравномерности возросла для трактора, работающего на одинарных колесах в 2,5 раза, а для трактора на сдвоенных колесах - в 1,9 раза, при тяговом усилии 50 кН. Таким образом, постановка сдвоенных колес на трактор позволяет снизить степень неравномерности ведущего момента и рост его интенсивности. Особенно это заметно с возрастанием скорости движения. Если при скорости движения 1,15 м/с постановка сдвоенных колес на трактор позволила снизить степень неравномерности на 11%, то при скорости движения 2,4 м/с это снижение составило 44%. Снижение степени неравномерности ведущего момента достигнуто за счет увеличения приведенного момента инерции МТА. Установленные на трактор дополнительные колеса выполняют роль маховика. Они являются аккумулятором кинетической энергии механизма, накапливая ее во время ускоренного движения при уменьшении крюковой нагрузки и отдавая ее обратно при замедленном движении, когда нагрузка возрастает.

Кроме скорости движения, на степень неравномерности ведущего момента трактора большое влияние оказывает крюковая нагрузка (рис.11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.11. Зависимость степени неравномерности ведущего момента от крюкового усилия трактора; пахота; передача II-3

Неустановившийся характер крюковой нагрузки вызывает колебание момента на ведущих полуосях трактора, который является параметром, наиболее полно отражающим условия работы МТА. Работа его в условиях сельскохозяйственного производства характерна непрерывными колебаниями нагрузки, которая обусловлена многочисленными и разнообразными факторами. Нормированные корреляционные функции _x(?) и спектральные плотности _x() ведущего момента представлены на рисунке 12. Характер изменения корреляционной функции свидетельствует о том, что трактор на сдвоенных колесах более плавно воспринимает изменение крюковой нагрузки, а это способствует стабилизации нагрузочного режима. В то же время, с ростом ? корреляционная связь между ординатами процесса ослабевает и при ?=0,67с для одинарных и ?=0,918с для сдвоенных колес, кривые пересекают ось абсцисс, и далее наблюдается их затухание относительно этой оси. Это свидетельствует о том, что в процессе помимо случайной части имеются и периодические колебания.

Анализ спектральных плотностей показывает, что для трактора на одинарных колесах максимум находится в пределах от 6 до 18с, а у трактора на сдвоенных колесах- от 3 до 10с. Из этого следует, что наименьшие колебания ведущего момента имеет трактор, работающий на сдвоенных колесах. Колебания степени неравномерности ведущего момента трактора оказывают влияние на равномерность частоты вращения коленчатого вала двигателя. Так, с увеличением скорости движения от 1,14 до 2,4 м/с амплитуда колебания частоты вращения коленчатого вала двигателя возросла в 2,47 раза для трактора с одинарными колесами и в 2,1 раза для трактора со сдвоенными колесами.

Рис. 12. Нормированные корреляционные функции с(ф) и спектральные функции д_х(щ) ведущего момента

Постановка сдвоенных колес позволяет снизить амплитуду колебания частоты вращения коленчатого вала двигателя за счет снижения степени неравномерности ведущего момента у трактора со сдвоенными колесами. Колебание частоты вращения коленчатого вала двигателя обусловливает колебание поступательной скорости движения, которая характеризуется степенью неравномерности и, в свою очередь оказывает большое влияние на буксование трактора.

На рисунке 13 представлена зависимость степени неравномерности поступательного движения и буксования от скорости движения трактора. Анализ исследуемых зависимостей показывает, что с увеличением скорости движения (рис.13) с 1,14 до 2,4 м/с степень неравномерности поступательного движения увеличивается для трактора с одинарными колесами в 1,26 раза, а для трактора со сдвоенными колесами в 1,23 раза. Постановка сдвоенных колес позволяет снизить неравномерность поступательного движения при скорости 1,14 м/с на 14,5%, а при скорости 2,4 м/с - на 18%.

При повышении скорости движения с 1,14 до 2,4 м/с буксование трактора возросло в 2,3 раза для трактора на одинарных колесах и в 1,9 раза для трактора на сдвоенных колесах. Постановка дополнительных колес позволяет снизить буксование движителей, особенно при увеличении скорости движения. Так, при скорости движения 1,15 м/с постановка сдвоенных колес на трактор позволяет снизить буксование на 22%, а при скорости 2,4 м/с - на 45%.

Известно, что одним из наиболее важных показателей состояния почвы, с точки зрения получения максимальной урожайности, является ее плотность (объемный вес) и структурный состав.

Рис. 13. Влияние сдвоенных колес трактора на буксование и неравномерность поступательного движения: Р_кр=50кН

Для выяснения воздействия на почву ходовых систем колесных тракторов были проведены экспериментальные исследования.

После прохода по полю тракторов «Кировец» на одинарных и сдвоенных колесах почва по следу движителей уплотняется. Особенно это увеличение заметно после прохода трактора «Кировец» с одинарными колесами, у которого коэффициент уплотнения при закрытии влаги составил 1,29, а при посеве -1,31. Постановка сдвоенных колес позволяет снизить коэффициент уплотнения до 1,08 при закрытии влаги и до 1,09 на посеве, то есть, соответственно на 19 и 20%. Полученные данные по структурному составу почвы показали, что особенно неблагоприятное воздействие на почву оказывает трактор «Кировец» с одинарными колесами. После его прохода по полю коэффициент структурности почвы по следу снизился на 61,6%, а после прохода трактора «Кировец» со сдвоенными колесами коэффициент структурности снизился на 9,7% по сравнению с коэффициентом структурности до прохода по ней трактора. Снижение разрушения структуры почвы, по нашему мнению, объясняется меньшим буксованием трактора «Кировец» со сдвоенными колесами по сравнению с трактором «Кировец» на одинарных колесах и меньшим нормальным давлением на почву. В связи с тем, что трактор «Кировец» на сдвоенных колесах используется на ранневесенних полевых работах, когда верхний слой почвы оттаивает на посеве до 8...10 см, а на пахоте - до 22...25 см, экспериментальные исследования по определению увеличения напряжения почвы по глубине не проводились.

...