Влияние упругих элементов в начальном звене механической трансмиссии на работу машинно-транспортного агрегатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Результаты хозяйственной деятельности предприятий АПК за последние годы не отвечают требованиям продовольственной безопасности страны. Одна из главных составляющих сложившегося критического положения в сельском хозяйстве - ситуация в технической сфере АПК и прежде всего тракторостроении, поэтому в современных условиях необходимы исследования, направленные на совершенствование конструкций сельскохозяйственных тракторов.

Внедрение новейших достижений науки, техники и передовых технологий имеет важное значение в развитии эффективности сельскохозяйственного производства. Основной задачей при разработке новой системы машин для сельскохозяйственного производства является увеличение их производительности, снижение расхода топлива на различных видах работ, снижение до минимума отрицательных последствий взаимодействия движения с почвой.

Внедрение новейших достижений науки, техники и передовых технологий имеет важное значение в развитии эффективности сельскохозяйственного производства. Основной задачей при разработке новой системы машин для сельскохозяйственного производства является увеличение их производительности, снижение расхода топлива на различных видах работ, снижение до минимума отрицательных последствий взаимодействия движения с почвой.

Уплотнение почвы ходовыми системами тракторов существенно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур [85.86,90]. В процессе подготовки почвы, посева, ухода за растениями уборкой урожая. Суммарная

Площадь следов движений в два раза превышает площадь полевого участка, только 10-15% его площади не подвергаются уплотнению. С возрастанием плотности почвы ее сопротивление обработке повышается на 25%, усиливается нестабильность нагружения МТА.

Колебания крюковой нагрузки колесного трактора, обусловленные неоднородностью почвы и многими другими факторами, влекут за собой рост коэффициента буксования, снижению скоростного режима, увеличению расхода топлива, повышению динамических нагрузок на трансмиссию и двигатель, а значит, уменьшает производительность, снижают долговечность деталей и узлов [11,17,86,102,121].

Для предохранения трансмиссии от колебаний, возникающих в системе двигатель - трансмиссия, применяются специальные демпфирующие устройства, характерной особенностью которых является наличие упругого элемента, обеспечивающего уменьшение собственных частот колебаний силовой передачи в нужных пределах.

Влияние пневмогидравлического упругого элемента на эксплуатационные показатели колесного трактора класса 14 кН отражено в работах [1,125], которые подтверждают, что применение упругих элементов в приводе ведущих колес трактора повышают производительность машинно-тракторного агрегата на 16%, удельный расход топлива на 16%.

Одним из перспективных путей решений этой задачи является введение упругих звеньев в трансмиссию трактора [73,88,122]. Упругий элемент в трансмиссии трактора амортизирует действие толчков, защищая тем самым двигатель трактора от больших динамических нагрузок. Положительное влияние упругих элементов в приводе ведущих колес трактора широко представлено в работах [1,86,125]. Изучены так же вопросы применения упругих устройств в навеске машинно-тракторных агрегатов и их влияние на динамическую нагруженность при выполнении технологических процессов [90].

Влияние упругих элементов в начальном звене механической трансмиссии (муфте сцепления) на работу машинно-транспортного агрегатов недостаточно изучены. При этом встает важная проблема сочетания упругих приводов с гасителями колебаний, то есть, применение упругих приводов с дополнительным демпфированием. Это позволяет существенно повысить надежность и долговечность машин, равномерность скорости движения энергонасыщенных МТА. Поэтому с точки зрения улучшения работы двигателя и механизмов трансмиссии представляет значительный интерес. Вопрос о том, на сколько пневмогидравлчекие упруго-демпфирующие элементы силовой передачи гасят колебания на валах трансмиссии и ограничивают их передачу на двигатель, а также - как это влияет на выполнение технологических процессов МТА.

Данная работа ставит своей задачей обосновать оптимальные параметры пневмогидроаккумулятора, как упругого элемента планетарной муфты сцепления сельскохозяйственного трактора при работе в составе различных машинно-тракторных агрегатов.

1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МТА КОНСТРУКТОРСКИМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ В СИЛОВОМ ПРИВОДЕ

1.1 О характере динамических нагрузок трансмиссий и ходовой системы сельскохозяйственных тракторов

В настоящее время повышение рабочих скоростей является один из основных путей увеличения производительности машинно-транспортного агрегатов. С ростом рабочих скоростей растут неравномерности тягового усилия и сил сопротивления передвижению, что отрицательно влияет на показатели работы двигателя, ведет к значительному уменьшению коэффициента загрузки и способствует увеличению износа всех механизмов машинно-тракторного агрегата [28].

Академик В.П. Горячкин отмечает, что «земледельческая механика представляет собою чрезвычайно благодатную почву для всего рода колебаний» [43]. Указывая на большое разнообразие сельскохозяйственных машин и способов движения, работы и различие нагрузок, ученый выдвигает понятие “об импульсе (живом толчке) на первое место”. Переменный характер тягового сопротивления машин и орудий, используемых в сельскохозяйственном производстве, отмечается во многих его работах.

Исследование закономерностей изменения сил сопротивления дает представление об основных возмущающих воздействиях, испытываемых трактором в процессе эксплуатации, и позволяет наметить пути повышения эксплуатационных показателей [84,136,143].

При работе трактора в сельскохозяйственном производстве нагрузка на его крюке непрерывно колеблется, изменяясь по амплитуде и частоте [19].

В работах [34,36,72] исследовался характер нагрузки на крюке, ведущих колесах и коленчатом валу двигателя при работе трактора в производственных условиях. Снятые осциллограммы показывают, что кривая изменения каждого силового параметра имеет форму, состоящую из нескольких составляющих, имеющих периодический характер и отличающихся друг от друга величинами своих периодов Тс или частот F=1/Т (Гц). Выделено пять составляющих в кривых изменения силового параметра. Все составляющие, несомненно, оказывают влияние на процессы возникновения крутильных колебаний и усталостную прочность отдельных деталей силовой передачи и двигателя [43].

В.Н. Болтинский положил начало исследовательским работам по изучению влияния неустановившегося нагрузочного режима на экономические и эксплуатационные показатели трактора [18,19,21,38,39]. Исследуя работу двигателя в переменном нагрузочном режиме, он выявил, что “неустановившийся характер нагрузок при работе на безрегуляторной ветви вызывает отклонение угловой скорости до 11%”. Снижение мощности двигателя в условиях реальной нагрузки объясняется наличием у регулятора определенной зоны нечувствительности, что вызывает некоторое запаздывание в изменении крутящего момента двигателя при изменении момента сопротивления.

Работа МТА в условиях переменного нагрузочного режима изучалась многими исследователями: Ю.К. Киртбая, П.Д. Козловым, Н.И. Кочуровым, Ю.Н. Ломоносовым, М.И. погосбековым, А.Ю.Юлдашевым, А.Ф.Шкарлетом и другими. В работах многих из них содержатся аналогичные выводы по экспериментальным исследованиям.

Неустановившийся нагрузочный режим оказывает существенное влияние на величину коэффициента загрузки двигателя, и поэтому нагрузку тракторного двигателя невозможно довести до мощности более 75-80% от нормальной. Проведены сравнительные испытания двигателя на стационаре и в полевых условиях [114]. Эффективная мощность двигателя при неустановившейся нагрузке уменьшается по сравнению со стационаром на пахоте на 13,5%, при бороновании - на 7%, при буксовании комбайна - на 12,5-18%.

А.И. Елизаров исследовал тягово-экономические показатели колесного трактора при неустановившейся нагрузке [54]. Результаты исследований указывают на ухудшение тягово-динамических показателей колесного трактора в условиях переменного режима нагрузки. Падение производительности агрегата в указанных условиях достигло 20-30%, а расход горючего увеличился на 15-25%. Однако, сведений об изменении индикаторных, мощностных и экономических показателей двигателей, работающих в режиме неустановившейся нагрузки, недостаточно для оценки тяговых показателей трактора в целом, так как в процессе поступательного движения самоходной машины кроме движителей участвуют большое число звеньев (инерционные массы и упругие элементы трансмиссии), которые значительно влияют на характер движения машины. Не учитывать параметры указанных элементов динамической системы трактора нельзя, так как это ведет к грубым приближениям.

В Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии выполняются темы, посвященные совершенствованию скоростных тракторов. Одна из них предполагает создание механизма навески тракторов с упругой горизонтальной связью, характеристика которой не позволяет колебаниям крюковой нагрузки усиливаться с ростом рабочей скорости. Установка в названном механизме горизонтального упругого элемента связана со стремлением не нарушать качество обработки почвы по глубине орудиями, навешанными на трактор. Механизм навески с упругой горизонтальной связью является изолятором для всех механизмов трактора и почвы от колебаний крюкового усилия. Еще одна работа посвящена разработке упругой связи ведущих колес с осями трактора, обеспечивающей защиту от колебаний крюкового усилия трансмиссии и двигателя. Наконец, очень важна работа по совершенствованию системы регулирования сельскохозяйственных дизельных двигателей. Она посвящена разработке двухпараметровой автоматической системы регулирования топливоподачи, способной обеспечить постоянство частоты вращения двигателя при росте нагрузки до номинального значения. Такая система регулирования позволит уменьшить колебания скорости движения, а значит, и величины ускорений. Все это будет способствовать меньшему разрушению почвы, понизит колебания крюкового усилия.

На отрицательное влияние неустановившегося режима на показатели работы машинотракторного агрегата обратили внимание также Ю.Н. Ломоносов и А.Ф. Шкарлет [96,142], которые исследовали влияние упругих свойств силовой передачи и сцепки на изменение эксплуатационных параметров. В.Н. Решетов [115,116] указывает на то, что уменьшение амплитуды колебаний силовой передачи ведет к уменьшению буксования ведущих колес трактора.

Полученные данные работе А.Ф. Шкарлета показывают, что буксование трактора при работе на неустановившемся нагрузочном режиме значительно выше, чем при стабильном нагружении при прочих равных условиях. Отметим что, при среднем значении тягового усилия 10 кН увеличение буксования составляет 4,7%. Как отмечалось в работе Г.Е. Веденяпина [27], изменение неравномерности движения влияет на значения потерь на самоперекатывания трактора, а следовательно, и на другие показатели работы машино-тракторного агрегата. А.Н. Каипов исследовал влияние неравномерности тягового сопротивления на показатели работы гусеничного трактора [74]. Отмечается, что с увеличением степени неравномерности, мощность, расходуемая на перекатывание трактора, увеличивается.

Буксование при неустановившейся нагрузке исследовалось А.Ф.Шкарлетом [142]. В работе отмечается, что с увеличением амплитуды и частоты колебаний нагрузки на крюке коэффициент буксования увеличивается. Замечено изменение поступательной скорости движения при выполнении различных видов сельскохозяйственных работ [102], колебание поступательной скорости движения способствует увеличению буксования и разрушению почвы.

Зависимость буксования от скорости движения при работе с навесным и прицепным плугами исследовалось Б.К.Кашпурой [77]. Он получил в своих опытах увеличение коэффициента буксования с ростом скорости и объяснил это увеличением тангенциальной деформацией шины вследствие роста касательной силы тяги, возрастанием абсолютных показателей неравномерности исследуемых процессов.

Большой интерес с точки зрения влияния неустановившегося режима на эксплуатационные показатели машино-транспортного агрегата представляет работа [127]. Исследуя буксование трактора класса 14 кН, автор отмечает, что одной из причин роста буксования с увеличением рабочей скорости при постоянном значении средней крюковой нагрузки является увеличение абсолютных показателей неравномерности момента на ведущих колесах, а также тягового усилия трактора.

Исследованию влияния пружин, устанавливаемых между трактором прицепной машиной, посвящены работы П.М. Василенко [26]. В экспериментальной части работы [138] исследовались значения тяговых усилий на вспашке при соединении орудия и трактора пружинами с различными характеристиками. Такое соединение трактора и сельскохозяйственного орудия привело к значительному изменению величин тяговых усилий.

Ю.Н. Ломоносов в своих исследованиях рассматривал силовую передачу агрегата как пружину, работающую на скручивание. Как и любая пружина, силовая передача, обладая определенной жесткостью, существенно влияет на величину и характер передаваемых к двигателю трактора переменных усилий. Ранее говорил об этом В.П. Горячкин, касаясь работы пружины, помещенной между двигателем и орудием [43]. Перемена скорости происходит в очень короткое время. Следовательно, средняя сила может быть очень велика. Если же двигатель и орудие соединены между собой пружиной, импульс двигателя растягивая пружину, уменьшает скорость орудия. Продолжительность удара при этом растягивается на более длительный промежуток времени , при том же значении импульса среднее усилие будет меньше, чем при неупругом ударе.

Пружины широко используются в машиностроении для восприятия ударной нагрузки и разгружения основных деталей от чрезмерных напряжений. Кроме того эластичные элементы, установленные в машинных агрегатах, способствуют улучшению качества технологического процесса и повышению надежности и долговечности конструкции [30.31.35.104.113.118].

Значительное снижение динамических нагрузок получил С.Н. Кожевников в механизме привода холодно-высадочного автоматического станка при установке в приводе дополнительной упругой связи [79]. Одновременно со снижением нагрузок увеличилась и производительность станка.

Применение упругого сцепа оказывает положительное влияние на работу тракторного агрегата. Величина значений тяговых усилий уменьшается при этом на 4,4…6,2%, а это способствует повышению средней рабочей скорости агрегата.

Исследовались показатели, что уменьшение жесткости силовой передачи в 1,1…1,5 раза снижает амплитуду колебаний в 1,2…1,3 раза. При этом уменьшается уровень собственной частоты системы. Так, снижение жесткости системы в 5,9…8,5 раза уменьшает собственную частоту колебаний и системы в 2,3…3,1 раза.

Многие исследователи предлагают ряд способов уменьшения жесткости трансмиссии, так как это приводит к снижению пиковых нагрузок, динамических усилий в приводе мобильной машины [53,54,55,67,123].

Разгон машино-тракторного агрегата является одним из наиболее тяжелых режимов работы, он характеризуется резким изменением нагрузки на всех деталях трансмиссии, буксованием муфты сцепления и движителей. В начальный период разгона крутящий момент на валу муфты сцепления и частота его вращения равны нулю, а частота вращения коленчатого вала максимальная. По мере включения муфты сцепления момент на ее валу начинает расти, однако, движение агрегата начинается только тогда, когда момент достигает момента сопротивления. От начала включения муфты сцепления до начала движения агрегата имеет место полное буксование муфты. При быстром и равномерном включении муфты сцепления, момент изменяется по линейному закону.

где: - коэффициент запаса муфты сцепления; t - текущее время; - время замыкания муфты сцепления.

Значение максимального момента ограничивается нагружающей способностью муфты, которая зависит от коэффициента запаса муфты сцепления. Увеличивающийся момент на валу муфты сцепления является для коленчатого вала тормозящим. Частота вращения двигателя при этом уменьшается, в то время, как частота как частота вращения вала муфты увеличивается. Во время разгона двигатель работает с перегрузками при непрерывно меняющейся скорости вращения коленчатого вала, затрачивая дополнительную работу на преодоление инерционных нагрузок, на трение в муфте сцепления, а вместе с этим наблюдается и снижение КПД.

Совершенствование различных соединительных муфт, в том числе и сельскохозяйственных агрегатов, приводит к смягчению ударных нагрузок, к погашению муфтами вибрации кручения, к увеличению долговечности сопрягаемых узлов и деталей [8,10,73,101]. Ю.Н. Ломоносовым исследовалось влияние упругих свойств динамической системы тракторного агрегата на показатели его работы [96]. Силовая передача трактора при аналитическом рассмотрении была представлена как крутильная колебательная система с приведенными параметрами. Им определялись собственные частоты колебаний системы при работе на различных передачах с различными сельскохозяйственными агрегатами, а также при различных параметрах упругих звеньев.

В работе [91] исследована соединительная муфта с упругими связями, которая обеспечивает нелинейную зависимость передаваемого момента от оборотов вала и значительно снижающая динамические нагрузки в деталях силовой передачи.

В работах [67.68.69.119.120] предлагается установка в трансмиссию трактора гасителей крутильных колебаний, способствующей снижению интенсивности крутильных колебаний в ней и уменьшению ударных усилий в шлицевых или зубчатых соединениях, возникающих при перекладке зубьев.

1.2 Условия работы МТА на повышенных скоростях

В работах [12,94,95] отмечается, что с повышением скорости движения трактора амплитуда колебаний деталей трансмиссии увеличивается, а спектр частоты растягивается. По некоторым данным [12] в тракторных трансмиссиях имеются три группы частот собственных колебаний: низкие частоты 3…50 Гц, средние 50…200 Гц, высокие 200…1000 Гц.

При исследовании нагруженности трансмиссии трактора Т-40А, МТЗ-80, а так же гусеничного трактора было выявлено, что нагрузки, действующие в трансмиссии трактора, непрерывно изменяются как по частоте, так и по амплитуде. Низкая частота, создаваемая сопротивлением сельскохозяйственного орудия и состоянием почвы, изменяются в зависимости от скорости движения и находится в пределах 0,15…0,30 Гц. По амплитуде нагрузка на крюке трактора изменяется в пределах 35% от средней величины. Колебание момента в трансмиссии трактора создается также взаимодействием шестерен - частота колебания момента изменяется в зависимости от скорости вращения шестерен в пределах 50…100 Гц и выше. На колебание момента в трансмиссии трактора, как по частоте, так и по амплитуде значительное влияние оказывает взаимодействие ведущего колеса с гусеницей у гусеничных машин и с почвой у колесных машин. Частота колебания момента в зависимости от скорости движения находится в пределах 8…20 Гц [87,88].

Исследованиями [4,41,67] установлено, что в зависимости от выполняемого технологического процесса и характера внешних условий работы средняя эксплуатационная нагрузка двигателя изменяется от 60 до 95% от номинальной мощности.

Одной из причин роста буксования движителя на пневматиках с повышением скорости Б.И. Кашпура [77] считает увеличение абсолютных показателей неравномерности момента сопротивления на ведущих колесах, а также тяговых усилий трактора. С возрастанием тягового усилия темп увеличения показателей неравномерности и буксование трактора возрастает.

По данным исследований Н.Г. Кузнецова [85,88,91], отрицательное изменение в структуре почвы, подвергавшейся воздействию движителей трактора типа МТЗ, начинает проявляться при нагрузках, вызывающих его буксование в 12%.

Дальнейший рост крюкового усилия до значений, характеризуемых пробуксовыванием в 25…30%, которое в некоторых литературных источниках [93] считается с энергетической точки зрения приемлемым, добавляет на каждый гектар поля при однократной его обработке только пыли 13…14 т.

Зависимость величины колебания сил сопротивления от скорости движения машины исследовалась в работах А.Ф. Шкарлета [141,142]. Данные этих работ показывают, что увеличение скорости движения агрегата приводит к значительному увеличению амплитуды колебаний сил сопротивления.

В ряде работ [11,91] отмечается, что колебания нагрузки на крюке трактора повышают буксование движителей. Авторы исследований объясняют это тем, что колебания нагрузки вызывают колебания почвозацепов, вследствие чего, почва разрушается при меньших значениях касательной силы, развиваемой почвозацепом.

Испытания серийных и перспективных отечественных универсально-пропашных тракторов (УПТ) класса 0,6…2,0 (6-20 кН) и зарубежных аналогов показали, что в диапазоне частот 0,88…5,6 Гц вследствие воздействия на колеса неровностей пути все существующие УТП имеют на остове машины и на сиденье водителя повышенный уровень вибрации [106,113].

Неоднородность рельефа поля [6,25,49,53,78] и неравномерность сопротивления почвы приводит к различному механизму буксования ведущих колес трактора [86,135,136,142]. При малом буксовании ведущих колес происходит в основном смятие почвы, без нарушения структурного состава, а при более высоких - истирание почвы.

В результате теоретических и экспериментальных исследований А.Х. Морозовым установлено, что основной причиной снижения частоты вращения тракторного дизеля при колебаниях момента сопротивления на его валу является нелинейность закона подачи топлива по частоте вращения [106].

Исследованиями профессора В.И. Анохина [4] установлено, что передача от ведущих колес трактора на коленчатый вал двигателя неустановившейся нагрузке может быть причиной возникновения резонансных колебаний валов механической трансмиссии.

Работа МТА в условиях переменного нагрузочного режима изучалась многими исследователями: Н.Г. Кузнецовым, Ю.К. Киртбая, Н.И.Кочуровым, Ю.Н. Ломоносовым, А.Ф. Шкарлетом, А.И. Елизаровым и другими.

Выявлено, что при неустановившейся нагрузке тягово-динамические показатели трактора ухудшаются. Падение производительности агрегата в указанных условиях достигало 20…30%, а расход топлива увеличился на 15…25%. В работах вышеуказанных авторов представлены сведения об изменении индикаторных, мощностных и экономических показателей двигателей, работающих в режиме неустановившейся нагрузки. Этих сведений недостаточно для оценки тяговых показателей трактора в целом. Так как в процессе поступательного движения самоходной машины, кроме двигателя, участвует значительное число элементов и звеньев (инерционные массы и упругие элементы трансмиссии), которые существенно влияют на характер движения машины. Не учитывать параметры указанных элементов динамической системы трактора нельзя, так как это ведет к достаточно грубым приближениям.

Повышение энергонасыщенности тракторов привело также к значительному увеличению уровня крутильных колебаний в силовых передачах со стороны двигателя. Циклические нагрузки, обусловленные гармоническими составляющими крутящего момента двигателя от газовых сил и сил инерции поступательно движущихся частей двигателя, по своим амплитудным значениям могут достигать величины расчетного момента двигателя, а в отдельных случаях даже превышают эти значения [22,29,38,129], что отрицательно сказывается на долговечности деталей силовой передачи и вызывает повышенные шумы и вибрации при работе.

Таким образом, увеличение мощности тракторов и повышение рабочих скоростей машино-тракторных агрегатов при практически сохранившихся без изменения способах земледелия сопровождается повышением динамической нагруженности трактора и его моторно-транссмиссионной установки. Кроме того, в механизмах трансмиссии под действием периодически или резкоизменяющихся нагрузок возникают крутильные колебания валов упругой системы, вызывающие резонансные режимы. Все это характеризует условия работы двигателя и механизмов трансмиссии как чрезвычайно тяжелые и приводит к снижению коэффициента загрузки двигателя, повышенному износу деталей трансмиссии, увеличению буксования и снижению производительности МТА, увеличению расхода топлива и усилению негативного влияния движителей на почву.

Поэтому проблема снижения динамической нагруженности тракторов и колебаний нагрузочного режима МТА, от которой в значительной мере зависят производительность и другие технико-экологические показатели, весьма актуальна.

1.3 Влияние переменной нагрузки на тяговые свойства МТА

Исследования изменения тягового сопротивления трактора ДТ - 75 в условиях эксплуатации показали, что наибольший диапазон колебания сопротивления наблюдается на пахоте [60]. На культивации, лущении и бороновании пределы изменения сопротивления орудий примерно одинаковые. С увеличением тягового сопротивления орудий возрастают и колебания его абсолютных значений относительно математического ожидания , которые могут достигать на пахоте 7200…109000 Н, посеве 42000…4300 Н, лущении 3990…5800 Н, бороновании 3600…5400 Н и культивации 3200…4900 Н.

С увеличением скорости движения изменяется не только абсолютная величина среднего тягового сопротивления, но также возрастает амплитуда и частота колебания по времени тягового сопротивления. Это обусловлено влиянием ударной нагрузки неровностей поверхности поля, а также увеличением показателя динамики колебания.

Тяговое сопротивление плугов, лущильников и культиваторов с плоскорежущими лапами слагается из сопротивления перекатыванию, сопротивления трению почвы о поверхности лемехов, отвалов, лап и стоек, сопротивления деформации почвы, пропорционального площади поперечного сечения обрабатываемой зоны, и наконец, сопротивления затрачиваемого на сообщение кинематической энергии частицам почвы, отбрасываемым рабочими органами орудий, пропорционального площади поперечного сечения обрабатываемой зоны и квадрату скорости [27]:

Исследования показывают [27], что на каждый метр ширины захвата плуга увеличение или уменьшение глубины пахоты на 1 см соответственно увеличивает или уменьшает глубины пахоты на 1 см соответственно увеличивает или уменьшает тяговое сопротивление в среднем на 6,7% по сравнению с тяговым сопротивлением при глубине пахоты 22 см, принятым на 100%. Если принять тяговое сопротивление культиватора на 1 м захвата при глубине культивации 10 см за 100 %, то изменение глубины обработки на каждый сантиметр будет соответственно изменяться в среднем на 16%.

Изменение тяговой мощности является следствием изменения силы тяги за счет изменения сопротивления перекатыванию и величины буксования [27].

Широкие пределы (3200-10900 Н) колебания сопротивления относительно среднего значения на различных операциях требуют исследований частотного спектра этих колебаний, позволяющего выявить длительность (период) их действия.

Анализ корреляционных функций и спектральных плотностей показывает, что все процессы, сопровождающие работу машино-тракторных агрегатов в полевых условиях при различных скоростях движения, являются в основном низкочастотными. Однако увеличение скорости движения ведет к увеличению спектра частот и смешению максимумов в сторону больших значений [75,78,80].

Все это влияет на технологический процесс, показатели которого с увеличением спектра частот входных воздействий и повышением скорости агрегата изменяются.

Переменность внешних условий и особенно состояния поверхности поля, ее микрорельеф, неоднородность сопротивления почвы и некоторые другие факторы приводят к различному буксованию ведущих колес трактора [33,82,83]. При малом буксовании трактора происходит в основном смятие почвы, почти не нарушая ее структурного состава. Увеличение коэффициента буксования приводит к значительному истиранию почвы [33].

При одновременном воздействии всех перечисленных факторов и совпадение знака и периода их действия колебания нагрузки на крюке трактора возрастали в значительной степени. Установлено, что степень неравномерности момента сопротивления агрегата при выполнении сельскохозяйственных работ может достигать значительных величин (на пахоте 0,25-0,4 с периодом колебания Т=0,2-2 с) [3].

1.4 Способы повышения энергетических показателей энергонасыщенных тракторов

как уже отмечалось выше, энергонасыщенность тракторов растет. Для реализации повышенной мощности необходимо введение новых узлов и механизмов (гидропередача, увеличитель крутящего момента, устройство для переключения передач на ходу и т.п.). Последние вызвано тем, что энергонасыщенные тракторы должны работать на более высоких скоростях, чтобы обеспечить повышение производительности. Увеличение производительности можно получить и путем увеличения ширины захвата, но для этого необходимо увеличить массу трактора или улучшить сцепные качества движителей.

В этом направлении проводилась большая работа в НАТИ под руководством доктора технических наук И.В. Гавалова. В работе [38] отмечается, что энергонасыщенные тракторы с удельной мощностью 35…50л.с/т для реализации заложенной в них мощности в тяговую должны иметь коэффициент сцепления не менее 1…1,5.

Если рассматривать тенденцию увеличения рабочих скоростей МТА и стремление уменьшить разрушающее воздействие ходового аппарата на почву, то между ними можно усмотреть некоторое противоречие. С увеличением скорости движения не уменьшается количественное воздействие ходового аппарата на единицу площади, а наоборот увеличивается, так как увеличивается энергоемкость операций сельскохозяйственного производства и сопротивление передвижению машино-тракторного агрегата. В связи с этим выбор оптимальных параметров тракторов должен производиться не только с учетом воздействия ходового аппарата на почву при одном проезде, но и с учетом воздействия на единицу площади поля.

Таким образом, повышение тягово-сцепных качеств можно считать одним из основных направлений совершенствований мобильной техники для сельского хозяйства. Это еще раз подчеркивает большую актуальность работ по созданию полноприводных и многоприводных машин. В работе [94] отмечается, что с увеличением числа проходов ходовой системы по одной и той же колее характер процесса колееобразования непрерывно изменяется. Если упрочнение грунта быстро растет с увеличением глубины колеи, то, очевидно, основная деформация будет происходить при наезде передних колес многоколесной системы или переднего участка опорной поверхности гусеничного хода на еще не деформированную почву. В одном случае не целесообразно, чтобы все колеса перекатывались по одному следу, а если машина гусеничная, то ширина гусеницы должна быть минимальна.

Заслуживает внимания конструктивное решение, предложенное в работе Строкова В.Л. [125]. В этой конструкции крутящий момент от двигателя через трансмиссию передается шестерне, находящейся в зацеплении с зубчатым венцом, вмонтированным в колесо. Оси шестерен и колеса соединены посредством водила, которое занимает определенное положение относительно корпуса заднего моста и поддерживается в этом положении специальными рессорами. Оригинальным в этом решении является то, что линия действия вертикальной нагрузки, приходящейся на ось колеса, может быть смещена в сторону движения. Это приведет к изменению характера взаимодействия колеса и дороги. Однако, по замыслу авторов это не является главным. Основная цель состоит в том, чтобы уменьшить динамические нагрузки, воспринимаемые трансмиссией и остовом машины при движении по неровностям дороги. В несколько измененном виде решается также проблема в работе [124].

Основной принцип - перенос осевой нагрузки вперед по направлению движения - в этих работах не считается главным. Описанные в работе [74] механизмы позволяют переносить осевую нагрузку вперед, по направлению движения, уподобляясь тем самым шагающим механизмам.

В ряде работ [6,55,56,58] рассматриваются конструкции упруго-эластичных приводов с механическими упругими элементами. Так, в планетарном упруго-эластичном приводе конечной передачи с разделением потока мощности торсионный вал установлен внутри полой ведущей полуоси. При трогании с места транспортного средства крутящий момент от ведущих шестерен и связанной с ней ведущей шестерней передается на водило. Так как на эпициклическую шестерню, связанную с ведущей полуосью, действует момент сопротивления и она остановлена, то сателлиты смещают солнечную шестерню, которая закручивает торсионный вал. Происходит это до тех пор, пока момент закрутки торсиона вала с учетом передаточного отношения планетарного механизма не превысит момента сопротивления на эпициклической шестерне, после чего она начинает вращаться совместно с полуосью, приводя в движение транспортное средство.

При увеличении момента сопротивления на полуоси, например, при наезде колеса на препятствие, при повышении сопротивления грунта и т.д., происходит дальнейшее относительное смещение солнечной шестерни, дополнительно закручивающей торсионный вал, что исключает ударные нагрузки на детали трансмиссии и повышает их надежность и долговечность.

Для трактора Т-40 эластичный привод ведущих колес скомпонован в корпусе бортового редуктора. Ведомая шестерня конечной передачи установлена на полуоси на двух упорных подшипниках. К шестерне болтами прикреплен кулак, две винтовые поверхности которого находятся в контакте с такими же поверхностями ведомого кулака. Последний имеет шлицевое соединение с полуосью. Кулаки прижимаются друг к другу тарельчатыми пружинами, установленными на шлицевой части полуоси. Эти пружины удерживаются в сжатом состоянии внутренней обоймой подшипника и цанговым стопорным устройством. Диск колеса прикреплен к фланцу полуоси, установленной на подшипниках в корпусе конечной передачи. При приложении нагрузки к ведомой шестерне, кулак перемещается в осевом направлении по шлицам, сжимая тарельчатые пружины.

Аналогичным образом работает упругая полуось трактора Т-28Х4. Угол закручивания ведущей полуоси относительно колеса во всех рассматриваемых конструкциях эластичных приводов находится в пределах . Как показали исследования [33,61], при снижении жесткости до 30кНм/рад для трактора МТЗ-50 работа буксования муфты сцепления снижается в 2…4 раза, а для трактора Т-40А снижение жесткости до 6кНм/рад уменьшает работу буксования муфты сцепления 5…7 раз. Буксование ведущих колес снизилось на 5,5…8% (на 18,3…26,6 в относительных единицах), производительность машинного агрегата с трактором МТЗ-80, оборудованного эластичным приводом, по сравнению с серийным, возросла на 5,6…17,7%.

Установлено, что с ростом рабочих скоростей степень неравномерности момента сопротивления на ведущих элементах агрегата при выполнении сельскохозяйственных работ может достигать значительных величин (на пахоте 0,25…0,4 с периодом колебания 0,2…2 с)[2].

В связи с непрерывным изменением момента сопротивления двигателя угловая скорость коленчатого вала двигателя непрерывно изменяется, что приводит к непрерывному изменению скорости поступательного движения агрегата [14,15,16]. Все время работы двигателя при не полной загрузке эти колебания в скорости незначительны и лежат в пределах степени нечувствительности регулятора и регулирующего механизма. При полной или почти полной нагрузке кратковременные возрастания увеличиваются и могут вызвать значительные колебания угловой скорости, а следовательно, и скорости поступательного движения агрегата. Например, при кратковременных перегрузках возможно снижение угловой скорости на 40…50% [17].

Для выяснения влияния скорости буксования на распыление почвы под ведущими колесами брались пробы почвы по следу шины до и после прохода трактора. Определялось увеличение процентного содержания фракции менее 0,5 мм в 1 кг пробы в результате взаимодействия колеса с почвой. При скорости буксования 0,11;0,75;1,0;2,7;3,0;4,7 м/с прирост фракции менее 0,5мм составил соответственно 4;6;6.8;19;23;50%.

Как показала проверка, при бороновании, культивации поперек пахоты на не выровненном поле скорость трактора через каждые 50…75 м снижается до 4…5 км/ч [87]. Например, на ровном участке тракторы ДТ-75 и Т-74 с культиваторами работают на скорости 6,4…6,7 км/ч, а при переездах через свальные гребни или развальные борозды средняя скорость на гоне уменьшается до 5,7…5,9 км/ч. По этой причинена не выровненных полях происходит снижение производительности тракторов ДТ-75 на 9…11 %, то есть почти до уровня ДТ-54,а в высокоэнергонасыщенных тракторах, работающих на скоростях 9…15 км/ч, еще в большей степени.

С ростом неравномерности скорости движения тракторного агрегата дисперсия всех технологических показателей обработки почвы увеличиваются [42,79]. Вопрос влияния равномерности скорости движения агрегата на качество обработки почвы приобретает важное значение в связи с повышением рабочих скоростей.

Результаты исследований трактора Т-40 на стерне озимой пшеницы при средней скорости 2м/с показали, что скорость трактора переменна по величине ( м/с; м/с) [56]. Вследствие неустановившегося характера сил и моментов сопротивлений, вызывающих колебания угловой скорости вращения коленчатого вала и скорости поступательного движения трактора возникают инерционные нагрузки, переменные по своему значению. Величины этих нагрузок зависят от величин движущихся масс, моментов инерции вращающихся масс и соответствующих ускорений.

С возрастанием скорости движения посевного агрегата до 7…8 км/ч выглубление сошников растет. При движении со скоростью 2,7…3,7 км/ч выглубление сошников на прикатанном поле находятся в пределах 3…8 мм, а на не прикатанном 6…18 мм.

Исследование глубины хода рабочих органов культиватора в вертикальной плоскости проводились при различных скоростях движения на междурядной обработке сахарной свеклы и кукурузы [106]. При скорости движения агрегата от 3,7 до 6,8 км/ч среднее отклонение от устойчивого движения составляет от 1,65 до 2 см, а при скорости от 9,3 до 12,7 км/ч среднее отклонение составляет от 3,5 до 4,5 см.

Таким образом, глубина хода рабочих органов сеялок и культиваторов уменьшается, если величина поступательной скорости трактора в процессе работы увеличивается. При равноускоренном движении рабочие органы выглубляются, при равнозамедленном - заглубляются.

С увеличением скорости движения МТА заметно снижается полевая всхожесть семян и, следовательно, уменьшается густота стояния растений. С возрастанием скорости движения сеялки от 4,5 км/ч до 9,5 км/ч полевая всхожесть семян уменьшается с 74,3 до 63,2 % [25]. Этот факт объясняется повышением неравномерности глубины заделки семян, особенно если верхний слой почвы неудовлетворительно обработан и имеет глыбы.

Таким образом, с возрастанием неравномерности скорости движения агрегата, качество посева и обработки почвы снижается, что приводит к снижению урожайности [76].

Современный этап развития сельскохозяйственного тракторного транспорта характеризуется тем, что наряду с универсальными машинами с традиционным подбором рабочих органов выполняемых технологических операций создаются узкоспециализируемые, а также транспортно-технологические машины нового типа, коренным образом изменяющие технологию механизированных сельскохозяйственных процессов.

Транспортные операции - неотъемлемые и важнейшие элементы многих технологических процессов, например, внесение удобрений, подбора и дозированной раздачи зеленых кормов, уборки зерновых.

В настоящее время транспортными поездами выполняется 20…30% от объема перевозок и 5…10% грузооборота [100]. Высокая оснащенность сельского хозяйства тракторными и транспортно-технологическими средствами и совершенствование структуры их парка способствуют интенсификации использования тракторов, повышению их годовой загрузки.

Так, если в начале 60-х годов на транспортные работы расходовались не более 15…20% рабочего времени тракторов, то в настоящее время эта доля повысилась до 40…60%.

В связи с ростом скоростей предстоит улучшить маневренность и устойчивость движения тракторных поездов, улучшить условия труда трактористов. Все это позволит приблизить производительность тракторных поездов к производительности автомобилей одинаковой грузоподъемности.

1.5 Пути снижения динамических нагрузок тракторных трансмиссий

Проанализируем общие свойства силовых передач трактора, которые влияют на энергетическую эффективность МТА.

На сельскохозяйственных тракторах преимущественное распространение получили ступенчатые механические трансмиссии. Такая трансмиссия обычно состоит из муфты сцепления, коробки передач, раздаточной коробки (у полноприводных колесных тракторов)и ведущих мостов (одного или двух).

Тяговая динамика таких тракторов существенно зависит от типа привода ведущих колес, а также от перераспределения веса между колесами и от других факторов. Как отмечают авторы работ [68,131,133], тип привода влияет на перераспределение моментов по колесам трактора.

Для предохранения трансмиссии от колебаний, возникающих в системе двигатель-трансмиссия, применяются специальные демпфирующие устройства. Характерной особенностью, которых является наличие упругого элемента, обеспечивающего уменьшение собственных частот колебаний силовой передачи.

Многие исследователи в своих работах [62,63,64] предлагают уменьшить жесткость трансмиссии, так как это приводит к снижению пиковых нагрузок и динамических усилий в приводе мобильной машины.

Использование центробежных соединительных муфт с упругими динамическими связями исследовали авторы [9,55,56,121]. Муфты такого типа обладают переменной динамической жесткостью, переменным моментом инерции и являются звеном, хорошо изолирующей трансмиссию от колебаний момента двигателя. Это позволило уменьшить жесткость соединения в 6…8 раз, в результате чего, амплитуда высокочастотной составляющей момента снизилось в 2,3 раза. Однако, вне рабочей зоны муфта имеет жесткость, равную серийной, а в режиме перегрузок, даже большую. Кроме того, муфты с упруго-динамическими связями не защищают всю трансмиссию от воздействия изменяющейся нагрузки, связанной с колебаниями остова трактора на неровностях.

Минский тракторный завод и НАТИ разработали рациональную схему трансмиссии для сельскохозяйственного трактора, которая имеет ступенчатое переключение передач и бесступенчатую подстройку передаточного отношения в пределах соседних фиксированных скоростей. Макетный образец объемного гидродинамического преобразователя крутящего момента (ПКМ), предназначенного для установки на колесный трактор 14 кН с целью бесступенчатого изменения передаточного отношения коробки между смежными передачами, был испытан. Испытания показали, что вследствие разделения потока мощности и малого диапазона бесступенчатого регулирования ПКМ лишь незначительно (от 2 до 8%) повышает к.п.д. трактора во всем диапазоне скоростей.

В некоторых исследованиях отмечается, что применение гидромеханических трансмиссий на автомобилях улучшает их проходимость, а применение их на гусеничных тракторах снижает буксование.

При работе на пахоте в одинаковых условиях среднее число оборотов двигателя у трактора МТЗ-80ПЛ с гидродинамической трансмиссией на 5…10% больше, а амплитуда колебания оборотов в 1,63…4,5 раза меньше, чем у трактора с серийной механической трансмиссией [130].

Исследования [46,47,48] показывают, что отсутствие жесткой связи в гидротрансформаторе обеспечивает плавное трогание трактора с места и его разгон, даже при резком включении муфты сцепления. Гидротрансформаторы гасят крутильные колебания в силовой передаче и снижают ударные нагрузки на ее детали. Непрерывность изменения скорости, плавное и непрерывное изменение нагрузки на ведущих колесах уменьшает буксование и улучшает проходимость трактора по мягким и сыпучим грунтам, влажной почве и снегу потому, что при этом уменьшается разрушение поверхности качения.

В результате исследований установлено [64,115,135], что уменьшение жесткости упругого элемента в демпферном устройстве муфты сцепления снижает динамические нагрузки трансмиссии. В то же время, демпфер значительно снижает общую жесткость трансмиссии. При этом, уменьшение жесткости трансмиссии за счет упругих элементов в муфте сцепления снижает крутильные колебания двигателя, однако, динамические нагрузки в силовой передаче снижаются незначительно.

В последнее время появился ряд работ [61,62,66], посвященных применению гидродинамических передач в трансмиссии сельскохозяйственных тракторов. В этих работах отмечается, что вопрос уменьшения колебания скорости может быть решен подбором степени прозрачности гидротрансформатора. Существовавшее ранее мнение, что гидротрансформатор для сельскохозяйственного трактора должен быть прозрачным [69], в настоящее время до некоторой степени изменилось. Проведенные исследования НАТИ [14,59] показали, что с увеличением прозрачности гидротрансформатора резко снижается амплитуда колебания скорости поступательного движения трактора. Наибольший эффект достигается при увеличении степени прозрачности до 1,8…2 [6].

В некоторых исследованиях отмечается, что применение гидромеханических трансмиссий на автомобилях улучшает их проходимость, а применение на гусеничных тракторах снижает буксование [11,12]. При работе на пахоте в одинаковых условиях среднее число оборотов у двигателя трактора МТЗ-80ПЛ с гидромеханической трансмиссией на 5…10% больше, а амплитуда колебания оборотов в 1,63…4,5 раза меньше, чем у трактора с серийной механической трансмиссией [130].

Исследования [121] показывают, что отсутствие жесткой связи в гидротрансформаторе обеспечивает плавное трогание трактора с места и его разгон; даже при резком включении муфты сцепления, гидротрансформаторы гасят крутильные колебания в силовой передаче и снижают ударные нагрузки на ее детали. Непрерывность изменения скорости, плавное и непрерывное изменение нагрузки на ведущих колесах уменьшают буксование и улучшают проходимость трактора по мягким и сыпучим грунтам, влажной почве и снегу потому, что при этом уменьшается разрушение поверхности качения [114].

Гидротрансмиссия уменьшает динамическую нагруженность деталей, узлов и буксование движителей, но не всегда дает желаемые результаты по улучшению других эксплуатационных показателей.

Как показали исследования [59,60], установка гидротрансформатора со степень прозрачности 1,5…2 сравнительно мало защищают трансмиссию от динамических нагрузок, возникающих вследствие изменчивости сопротивления передвижению машино-тракторного агрегата. По сравнению с механической гидротрансмиссия имеет ряд недостатков: к.п.д. передачи не высок (0,85…0,9 на оптимальном режиме), что отражается на экономии расхода топлива, стоимость выше, а эксплуатационные расходы больше.

Многими исследователями установлено положительное влияние установки упругого элемента в сцепное устройство, между прицепной машиной и трактором [39,87,103]. Основное назначение упругих элементов в сцепном устройстве трактора - смягчать продольные рывки звеньев машино-тракторного агрегата и гасить возникшие при этом колебания. Рывки проявляются при движении по неровностям дороги, при изменении крюковой нагрузки, а также при резкопеременных режимах движения: трогании с места, разгоне и торможении.

В настоящее время много исследований ведется по определению эксплуатационных качеств гидрообъемных бесступенчатых передач [26,61,62]. Такие передачи находят применение в транспортных, строительных и дорожных машинах. Это объясняется определенными достоинствами этих передач по сравнению с другими типами. Но вопрос применения гидрообъемных передач в сельскохозяйственных тракторах еще полностью не решен из-за относительно высоких утечек из-за низкой герметичности и большей стоимости по сравнению с механическими передачами.

А.И. Клюев исследовал вопрос о влиянии упругого сцепа крепления корпусов плуга к раме на загрузку двигателя трактора. Отмечается, что упругое крепление корпусов к раме приводит к снижению степени не равномерности крюкового сопротивления, в результате чего, увеличивается загрузка двигателя, повышается производительность агрегата и уменьшается эксплуатационный расход топлива [78].

Возможности улучшения разгонных качеств колесных тракторов путем увеличения момента инерции маховика двигателя ограничены, кроме того, по сравнению с УКМ приводят к ухудшению таких важных оценочных измерителей процесса разгона, как время разгона агрегата и коэффициента работы трения муфты сцепления.

Каковы должны быть параметры устройства снижающих динамичность работы узлов МТА, и где они должны быть установлены, чтобы обеспечить возможность использования запаса потенциальной энергии. Это один из важнейших вопросов динамики машино-тракторных агрегатов.

нагрузка трансмиссия трактор сцепление

1.6 Выводы и постановка задачи исследования

1. проанализировав работы, связанные с исследованиями нагрузочных режимов машино-тракторного агрегата, отметим, что при современной тенденции увеличения скоростей движения тракторов и их энергонасыщенности при оставшихся существующих конструкциях трансмиссий значительно увеличиваются нагрузочные колебания, которые воздействуют на движитель трансмиссии, а также двигатель. Это приводит к снижению производительности МТА, повышению износа деталей трансмиссии, увеличению расхода топлива, а также к усилению негативного влияния движителей на почву.

2. Положительное влияние на показатели работы МТА оказывает установка упруго-демпфирующих звеньев в трансмиссию трактора как во время установившегося движения, так и во время разгона. Существующие конструкции муфт сцепления с механическими упругими элементами имеют несколько недостатков: отсутствие оперативного регулирования параметров, ограниченность выбора вида упругой характеристики, неудовлетворительное функционирование при переменном режиме нагружения.

3. Наибольший эффект в гашении колебаний достигается при введении упругих звеньев в трансмиссию трактора. Для более эффективного снижения динамических нагрузок упругий элемент должен обладать оптимальной, упругой и демпфирующей характеристиками при возможной плановой регулировке рабочих характеристик в широком диапазоне.

4. Вопросы, связанные с выбором конструктивных элементов в силовом валопроводе от СХМ к двигателю, являются важной составляющей в программе исследования энергонасыщенных МТА.

Настоящая работа ставит своей целью изыскать способ, позволяющий смягчить колебания нагрузки любого происхождения

Для достижения указанной цели предполагается:

- разработать механизм в силовом приводе с пневмогидравлическим упругим элементом, повышающий надежность функционирования, отвечающий требованиям компактности, обладающий возможностью его адаптации к условиям работы и способной сочетать в себе свойство муфты сцепления и упруго-демпфирующего элемента силового привода;