Содержание к диссертации
Основные условные обозначения и сокращения 7
Введение 10
1. Состояние проблемы и задачи исследования 16
1.1. Анализ процесса энергонасыщения машинных агрегатов 16
Методологические основы оценки состояния и развития мобильной техники 16
Статистические связи между основными параметрами мобильных сельскохозяйственных машинных агрегатов 25
1.1.3. Оценка процесса энергонасыщения тракторов 3 7
1.1 А. Определение граничных условий движения машинных
агрегатов 50
1.2. Анализ конструктивных решений почвообрабатывающих
агрегатов с рабочими органами-движителями 60
Классификация почвообрабатывающих агрегатов с рабочими органами-движителями 60
Агрегаты с цепными носителями рабочих органов-движителей 62
Почвообрабатывающие фрезы, работающие в режиме движителей 65
Агрегаты с дисками-движителями 67
Агрегаты со шнековыми рабочими органами-движителями 70
Агрегаты с лопаточными рабочими органами-движителями 74
Агрегаты с комбинированным набором рабочих органов 81
Анализ теоретических исследований взаимодействия дисковых рабочих органов с почвой 88
Задачи исследования 90
2. Теоретические предпосылки по улучшению
эксплуатационных показателей почвообрабатывающих
агрегатов с рабочими органами-движителями 93
О понятиях «орудие», «машина», «агрегат» 93
Коэффициент полезного действия машинных агрегатов 96
Масса энергонасыщенных агрегатов 113
Скорость движения агрегатов 118
Ширина захвата агрегатов 123
Кинематика агрегатов с рабочими органами-движителями 133
Динамика системы «двигатель - движители трактора - остов
трактора — остов рабочей машины - пассивные рабочие
органы» 147
Динамика системы «двигатель - рабочие органы — движители
— обрабатываемая среда - остов агрегата» 153
Дифференциальные уравнения движения агрегата с
рабочими органами-движителями, моделированного как
двухмассовая динамическая система 162
Методика расчета силовых параметров ротационных рабочих
органов-движителей и неполнокруглых колесных
движителей 177
Силы сопротивления, действующие на дисковый рабочий
орган-движитель 177
Определение движущей и выглубляющей сил диска-
движителя в общем виде 185
Определение движущей силы диска-движителя от реакций трения и прилипания почвы 189
Определение движущей силы диска-движителя от реакций резания почвы 193
Определение выглубляющей силы диска-движителя 195
Анализ теоретических зависимостей влияния
конструктивных и эксплуатационных параметров дисков-
движителей на формирование движущей и выглубляющей
сил 197
Определение момента сопротивления при взаимодействии
диска-движителя с почвой 202
Определение момента сопротивления трению 203
Определение момента сопротивления резанию 209
Анализ теоретических зависимостей влияния
конструктивных и эксплуатационных параметров дисков-
движителей на момент сопротивления 212
Влияние удельного давления почвы на силовые параметры
диска-движителя 217
Обобщенная математическая модель взаимодействия
дискового ножа с почвой 219
Определение движущей силы плоского диска-движителя,
установленного под углом к направлению движения 227
Определение движущей силы на роторно-винтовом рабочем
органе-движителе 234
Определение силовых параметров роторного рабочего
органа-движителя с эллипсовидными лопастями 241
Основные параметры 241
Определение движущей силы от реакций трения почвы 246
Определение движущей силы от реакций сдвига почвы 250
Анализ теоретических зависимостей влияния
конструктивных и эксплуатационных параметров рабочих
органов-движителей с эллипсовидными лопастями на
формирование движущей силы 252
Определение момента сопротивления трению 258
$
3.8.6, Анализ теоретических зависимостей влияния
конструктивных и эксплуатационных параметров рабочих
органов-движителей с эллипсовидными лопастями на момент
сопротивления трению 262
3.9, К выбору оптимальных параметров объектов исследований
при наличии многих критериев оценки 265
3.10. Кинематика и динамика неполнокруглых колесных
движителей 273
Кинематика неполнокруглого колесного движителя 275
О динамике работы неполнокруглых колесных движителей 280 4. Экспериментальная оценка влияния конструктивных и
эксплуатационных параметров рабочих органов-движителей
на силовые и энергетические параметры агрегата 291
Программа экспериментальных исследований 291
Эспериментальная установка с дисками-движителями 292
Приборы и оборудование 293
Тарировка тензоизмерительных узлов 295
Обработка результатов экспериментальных данных и погрешности измерений 296
Результаты экспериментальных исследований и их анализ 300
Влияние глубины хода рабочих органов-движителей на силовые параметры экспериментальной установки 300
Влияние режима работы рабочих органов-движителей на силовые параметры экспериментальной установки 303
Влияние глубины хода и режима работы рабочих органов-движителей на энергетические параметры агрегата 307
Влияние глубины хода рабочих органов-движителей на составляющие энергетического баланса агрегата 309
Технико-экономические и агротехнические показатели
работы почвообрабатывающих агрегатов с рабочими
органами-движителями и мобильных машин с
неполнокруглыми колесными движителями 315
Оценка эффективности пахотных агрегатов с рабочими
органами-движителями по суммарным энергозатратам 315
Оценка эффективности пахотных агрегатов с рабочими
органами-движителями по производительности 327
Оценка работы пахотного агрегата МТЗ-80 ПН-3-35 с
дисками-движителями 338
Конструкция плуга и методика испытаний 338
Результаты полевых испытаний и их анализ 340
Экономическая эффективность применения дисков-
движителей в пахотном агрегате 345
Оценка работы модельного образца роторного рыхлителя с
эллипсовидными лопастями на основной обработке почвы 350
Конструкция рыхлителя 350
Методика испытаний. Приборы и оборудование 355
Результаты лабораторно-полевых испытаний и их анализ 358
Оценка работы мобильных машин с неполнокруглыми
колесными движителями 360
Результаты испытаний автомобиля с неполнокруглыми
ведущими колесами 361
Результаты испытаний трактора МТЗ-82 с неполнокруглыми
ведущими колесами 363
Общие выводы 371
Литература 374
Приложения 396
Основные условные обозначения и сокращения
ВОМ - вал отбора мощности трактора;
РОД - рабочий орган-движитель;
КПД - коэффициент полезного действия;
МЦВ - мгновенный центр вращения;
m - масса;
/ - время;
В - ширина захвата технологической части мобильного агрегата;
W - производительность мобильного агрегата;
Э - - энергонасыщенность трактора;
h - глубина хода рабочих органов;
г, гк - радиус РОД и ведущих колес трактора;
Ne - эффективная мощность двигателя;
N№ іУрод,, NK - мощность на дисках-движителей, РОД и ведущих колесах;
Л^т, ЛЪом - мощность на крюке трактора (тяговая) и на ВОМ;
Л^ N5, NTp, - потери мощности на перекатывание и буксование ведущих
-Мпр, ^Удеф колес, в трансмиссии, в приводе РОД, на деформацию почвы;
Ме - крутящий момент на коленчатом вале двигателя;
Мд, Мк - крутящий момент на РОД и ведущих колесах;
М-а Мр - момент сопротивления трению и резанию почвы;
FT - теоретическая скорость трактора (агрегата);
Рокр, Упост. У а - окружная, поступательная и абсолютная скорость РОД;
й>д> ^род. Юк - угловая скорость коленчатого вала двигателя, РОД и ведущих
колес трактора;
Пд, Ирод - частота вращения коленчатого вала двигателя и РОД;
Лсрод- Рк - касательное усилие на рабочих органах-движителях и
движителях трактора;
Ркр - усилие на крюке трактора;
Рдя - движущая сила, создаваемая РОД;
Рхт - движущая сила от реакций трения и приминания почвы к
боковым поверхностям РОД;
Рхр - движущая сила от реакций резания почвы режущей кромкой
РОД;
Рхс - движущая сила от реакций сдвига почвы РОД;
Pz - выглубляющая сила РОД;
X - коэффициент, учитывающий распределение массы трактора
по осям;
Хк - кинематический коэффициент, равный отношению окружной
скорости РОД к поступательной;
(р - коэффициент сцепления движителей трактора с почвой;
/, /0р - коэффициент, учитывающий сопротивление перекатыванию
колес трактора и сельскохозяйственного орудия;
/тр - коэффициент трения скольжения поверхностей РОД о почву;
-Крод. Ят - технологическое сопротивление рабочих органов-движителей
и сельскохозяйственного орудия;
К - удельное сопротивление обрабатываемого материала;
т/тр - коэффициент, учитывающий потери мощности на трение;
щ, ц^ - коэффициент, учитывающий потери на буксование и
перекатывание ведущих колес трактора;
jja, і/пр - КПД агрегата и привода;
Цо, '/тяг. '/род - КПД относительный тягового и приводного потоков;
т/т, rjQp - КПД трактора и сельскохозяйственного орудия;
>7трт. Утрвом - коэффициенты, учитывающие потери в силовой передаче
трактора от двигателя к ведущим колесам и в трансмиссии
ВОМ;
iw - передаточное отношение в трансмиссии трактора;
MJlo М/ю Mjtyc, - приведенные к ведущему звену моменты сопротивления на
Мг преодоление сил инерции; перекатывание колес, сил инерции
ведущего участка гусеницы и других частей гусеницы;
Л- Л. Лрод. Лт - приведенные к рабочим органам-движителям моменты инерции вала двигателя, промежуточных вращающихся частей трансмиссии привода РОД, самих рабочих органов-движителей, ходовых колес агрегата;
<5вр - коэффициент учета вращающихся масс;
Е - удельные энергозатраты;
GT - часовой расход топлива;
g - удельный расход топлива.
Введение к работе
Поступательное развитие человеческого общества обеспечивается
непрерывным ростом производительности труда. При этом если на
ранних стадиях формирования производительных сил испытывался
количественный недостаток энергии, необходимой для производства
работ, то в дальнейшем энерговооруженность рабочего возросла
настолько, что возникли сложные задачи по лучшему использованию
энергии, предоставленной в распоряжение человека. Сказанное
(' справедливо как для промышленного, так и для сельскохозяйственного
производства.
В соответствии с общей концепцией экономического развития производства суммарные затратные прошлого и овеществленного труда, отнесенные к единице готовой продукции, должны непрерывно снижаться. Тенденция повышения этих затрат, свидетельствует о проявлении кризиса производства, снижения рентабельности его и необходимости принятия мер по их снижению.
Для мобильной техники одним из наиболее эффективных способов
f непрерывного развития производительных возможностей ее является
энергонасыщение, которое выражается в опережающем росте во времени мощности энергоисточника по отношению к массе машин.
В сельскохозяйственном производстве создание
энергонасыщенной мобильной техники вызвало проблему
несоответствия достигнутого уровня энергонасыщенности с
технологическими возможностями исполнительных рабочих органов
орудий, рассчитанных в большинстве своем на небольшие скорости
* движения.
Это несоответствие особенно остро проявляется при формировании сельскохозяйственных агрегатов на базе
энергонасыщенных колесных тракторов при выполнении энергоемких работ и, прежде всего на обработке почвы. Узким местом в реализации мощности двигателя энергонасыщенного трактора является звено «движители трактора - почва». При попытке загрузить его полностью через тяговый крюк в большинстве случаев не удается вследствие повышенного буксования движителей трактора. Поэтому появилась необходимость создавать дополнительные силовые потоки, идущие от двигателя к исполнительным рабочим органам, например, через систему вала отбора мощности (ВОМ).
Поскольку энергонасыщение тракторов осуществляется, не выходя за пределы заданного тягового класса, мощность двигателя преимущественно наращивают путем форсирования двигателя по частоте вращения без изменения кинематического ряда трансмиссии с соответствующим повышением скоростного диапазона трактора. Такой способ энергонасыщения более простой и менее затратный. Ожидалось, что повышение рабочих скоростей энергонасыщенных тракторов приведет к пропорциональному росту производительности мобильных агрегатов. Однако при неизменных рабочих органах сельскохозяйственных орудий по мере роста рабочих скоростей увеличивается их сопротивление по кривым с положительным ускорением, что приводит к необходимости уменьшения ширины захвата агрегата или работе на пониженных передачах с неполной загрузкой двигателя и повышенным буксованием движителей. Увеличение рабочих скоростей во многих случаях ограничивается макро- и микрорельефом поверхности поля, агротехническими требованиями, физиологическими возможностями обслуживающего персонала. Введение дополнительного силового потока с приводом активных рабочих органов через систему ВОМ разгружает основной силовой поток идущий через звено «движители трактора — почва» и
обеспечивает более полную загрузку двигателя без больших потерь
> скорости агрегата на буксование колесных движителей.
Применение активных рабочих органов, у которых горизонтальные составляющие реакций почвы направлены в сторону движения агрегата, и, таким образом, помимо технологических выполняют еще и функции движителей, является одним из эффективных путей повышения технико-экономических проказателей мобильных агрегатоа
Несовершенство передачи энергии классическим способом, то
есть через звено «ведущее колесо — почва» наиболее ярко проявляются
С на энергоемких почвообрабатывающих операциях, таких, как пахота.
Еще В.П. Горячкин писал [I]: «... В настоящее время, когда появилась возможность пользоваться механическими двигателями любой мощности при любой скорости, вопрос о наиболее экономическом производстве сельскохозяйственных работ возбуждает особые надежды и расчеты на удешевление в первую очередь самой важной, самой продолжительной, самой дорогой и самой тяжелой работы - пахоты».
Существует множество способов снижения тягового
сопротивления пахотных орудий, которые можно подразделить на три
Р группы.
Первая группа - это усовершенствование пассивных рабочих органов (покрытие поверхности отвала полимерами, пластмассами, подача воды к отвалу, вибрация корпуса, замена полевой доски и крыла отвала роликами или сферическим диском и т.д., а также корпуса с изменяемой геометрией).
Вторая — установка дополнительных активных рабочих органов
і (вертикальный ротор вместо крыла отвала, фрезерная секция вместо
% * предплужника, плоские диски перед каждым корпусом плуга и т.д.).
Другими словами, вторая группа характеризуется созданием
комбинированных рабочих органов, основой которых остается лемех.
Третья группа характеризуется созданием орудий нового типа, у которых отсутствуют лемешно-отвальные рабочие органы. Сюда относятся роторные плуги самых различных конструкций, червячные и винтовые плуги и т.п.
Анализ предложенных конструкций орудий основной обработки почвы показал, что по качественным показателям обычный лемешный плуг пока является лучшим. Вместе с тем, он является самым энергоемким орудием. Рост энергонасыщенности предопределяет увеличение рабочей скорости движения тракторов и интенсивного возрастания сопротивления плугов. Поэтому для того, чтобы уровень возрастающих энергетических возможностей тракторов соответствовал технологическим возможностям плугов на повышенных скоростях, необходимо изыскивать пути существенного уменьшения сопротивления движению плуга без изменения его основных технологических функций и без снижения качества выполняемых работ. Этим требованиям в наилучшей степени удовлетворяют плуги в комбинации с дисками-движителями. Плуг в комбинации с дисками-движителями (плоские диски, установленные в плоскости полевых обрезов корпусов и работающие в режиме движителей) может работать на скоростях движения в 2-3 раза больших самого быстроходного ротационного плуга и в то же время имеет значительные преимущества в производительности и удельных затратах энергии при хорошем качестве работы по сравнению с обычными лемешными плугами.
Плуги с дисками-движителями позволяют эффективно использовать энергонасыщенные колесные тракторы на пахоте. Значительно уменьшается буксование ведущих колес, повышается производительность, уменьшается погектарный расход топлива, открывается возможность полной загрузки двигателя и дальнейшего энергонасыщения тракторов.
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция
г увеличения доли колесных тракторов в общем тракторном парке и эта
' доля будет возрастать. Рост доли колесных тракторов вызван, во-первых, его универсальностью, более эффективным использованием в течение всего года, а также мелкоконтурностью полей в связи с реструктуризацией агропромышленного комплекса в целом и организацией фермерских и крестьянских хозяйств, в частности, а также развитием предпринимательства, малого и среднего бизнеса. В Нечерноземной зоне Российской Федерации, например, более половины
| площади пахотных земель приходится на участки, площадь которых
менее 8 га, и использование пахотных агрегатов с колесными тракторами в этих условиях более рационально, чем с гусеничными. Поэтому проблема повышения эффективности работы почвообрабатывающих агрегатов остается довольно острой.
Применение лемешно-отвальных плугов на полях небольшой площади и сложной конфигурации ведет к снижению качества вспашки из-за большого количества огрехов, непропашки, плохого оборота и крошения пласта.
f Следовательно, направление по созданию орудий нового типа
является также актуальным. Результаты испытаний
почвообрабатывающего орудия роторного типа с лопастными
эллипсовидными рабочими органами, работающими в режиме
движителей, показали преимущества перед лемешно-отвальным плугом,
как по качественным, так и по основным технико-экономическим
показателям.
. В настоящей работе обобщен многолетний опыт работы по
\ созданию рабочих органов-движителей и, на их основе, машинных
агрегатов с колесными энергонасыщенными тракторами выполненной коллективом сотрудников кафедры «Тракторы и автомобили»
15 Чувашской государственной сельскохозяйственной академии и кафедры
«Автомобили и автомобильное хозяйство» Чебоксарского института
(филиала) Московского государственного открытого университета.
На защиту вынесены следующие научные положения и результаты
исследований:
- теоретические предпосылки по разрешению проблемы несоответствия
уровня энергонасыщенности колесных тракторов технологическим
возможностям исполнительных рабочих органов почвообрабатывающих
орудий;
- процессы взаимодействия плоского диска-движителя с почвой и
количественная оценка его работы на разных режимах по силовому и
скоростному нагружению;
методика и обобщенные математические модели для расчета силовых параметров ротационных РОД различного типа (дисковые, шнековые, лопастные);
теоретические зависимости движущей силы и момента сопротивления от глубины хода рабочего органа-движителя, его диаметра и режима работы;
- методика выбора оптимальных параметров рабочих органов при
наличии многих критериев оценки;
результаты экспериментальных исследований почвообрабатывающего агрегата с дисками-движителями;
теоретические предпосылки исследований кинематики и динамики неполнокруглых колесных движителей;
результаты экспериментальных исследований новых конструкций и опытных образцов почвообрабатывающих орудий с рабочими органами-движителями и оценка их технического уровня;
результаты испытаний макетных образцов неполнокруглых колесных движителей автомобиля и трактора и оценки тягово-сцепных свойств.
