CC BY
32
УДК 631.372
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАХОТНОГО АГРЕГАТА НА БАЗЕ ТРАКТОРА КЛАССА 1,4 С УДМ В ТРАНСМИССИИ
© 2017г. В.А. Кравченко, В.В. Дурягина, И.Э. Гамолина
Сложившаяся экономическая и политическая обстановка в России выявила необходимость в усилении компоненты собственного производства, не зависящего от внешних и внутренних факторов. Одним из приоритетных направлений является модернизация отечественной материально-технической базы. Поэтому повышение технико-экономических показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) востребовано в современных условиях. Для улучшения условий работы, уменьшения действия движителей МТА на почву, снижения динамических нагрузок предлагаются разнообразные решения. Одним из них является использование упругодемпфирующего механизма (УДМ), предназначенного для плавного трогания МТА, снижения динамических нагрузок в трансмиссии, защиты от колебаний внешней нагрузки. Для сопоставления подобных характеристик серийного и опытного агрегата (с УДМ в трансмиссии) на базе трактора класса 1.4 в статье представлены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования: графики угловой скорости ведущего колеса, угловой скорости коленчатого вала двигателя, линейной скорости, угловой скорости шестерни привода масляного насоса. Для проверки адекватности теоретических положений использовался режим неустановившегося движения, как наиболее сложный и нагруженный период для двигателя и трансмиссии. Оценка правильности работы модели осуществлялась качественно и количественно. Качественная оценка проводилась сравнением графиков, полученных путём моделирования и по данным измерительной аппаратуры. Для количественной оценки применялись статистические критерии: критерий Фишера, коэффициент корреляции и коэффициент Стьюдента. По результатам проведенных исследований сделан вывод о том, что разработанная математическая модель является адекватной и ее можно использовать при получении рабочих характеристик; применение УДМ в трансмиссии трактора положительно влияет на показатели функционирования пахотного МТА.
Ключевые слова: машинно-тракторный агрегат, упругодемпфирующий механизм, разгонные характеристики, адекватность математической модели.
Current economic and political situation in Russia has revealed the need to strengthen the components of its own production that is independent of external and internal factors. One of the priority directions is the modernization of the domestic material and technical base. Therefore, the increase in technical and economic indicators of machine-tractor units (MTU) is in demand under modern conditions. Various solutions are offered to improve working conditions, reduce acts of MTU propulsion units on the soil, reduce the dynamic loads. One of them is the use of an elastic-damping mechanism (EDM), designed to start smoothly the MTU, reduce dynamic loads in the transmission, and protect against external load fluctuations. To compare similar characteristics of the serial and experimental unit (with EDM in the transmission) on the basis of the 1.4 class tractor, the article presents the results of experimental research and numerical simulation: graphs of the angular velocity of the driving wheel, the angular velocity of the engine crankshaft, the linear speed, the angular speed of the gear of the oil pump drive. To check the adequacy of the theoretical positions, the unsteady motion mode was used, as the most complicated and loaded period for the engine and transmission. The evaluation of the model correctness was carried out qualitatively and quantitatively. Qualitative evaluation was carried out by comparing the graphs obtained by modeling and data from measuring equipment. For the quantitative evaluation, there were used such statistical criteria as the Fisher criterion, the correlation coefficient, and the Student's coefficient.
Basing on the results of the conducted researches, it was concluded that the designed mathematical model is adequate and can be used in obtaining performance characteristics; EDM application in the tractor transmission positively affects the operation indicators of the plow MTU.
Keywords: machine-tractor aggregate, elastic-damping mechanism, acceleration characteristics, adequacy of mathematical model.
Введение. Сложившаяся экономическая и политическая обстановка в России выявила необходимость в усилении компоненты собственного производства, не зависящего от внешних и внутренних факторов. В связи с этим современные техника и технологии становятся ключевыми для
роста экономики страны. В силу ряда причин в сельском хозяйстве в 90-х годах резко упали темпы обновления техники, внедрения достижений научно-технического прогресса, поэтому возросла доля иностранной техники. Предприятия, использующие современную технику зарубежно-
го производства, сталкиваются с сильно возросшими ценами на запчасти, а это в свою очередь увеличивает себестоимость продукции. Согласно стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года [1], приоритетным направлением становится импортозамещение и модернизация отечественной материально-технической и технологической базы. В мире растет спрос на продовольствие [2], и к 2023 г. прогнозируемое увеличение производства зерновых культур составит 17% и масличных -26%. Поэтому повышение технико-экономических показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) востребовано в современных условиях.
Для улучшения условий работы и снижения динамических нагрузок предлагаются разнообразные решения. Одним из них является использование упругодемп-фирующего механизма (УДМ), предназначенного для плавного трогания МТА, снижения динамических нагрузок в трансмиссии, защиты от колебаний внешней нагрузки [3].
Целью работы является анализ результатов численных исследований опытного (с УДМ в трансмиссии) и серийного пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4.
Исходные данные. Динамическая модель пахотного МТА на базе колесного трактора с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии [4] учитывает основные физические свойства пахотного агрегата и его характеристики взаимодействия с внешней средой; сухое и вязкое трение в трансмиссии; жесткость трансмиссии и шины; буксование движителей.
При построении математической модели были выбраны доминирующие факторы, отражающие специфику работы пахотного МТА с УДМ в трансмиссии [4]. В данной модели отражены две фазы движения: трогание и разгон до установившейся скорости агрегата.
Математическая модель основана на законах механики и включает уравнения, использованные в предшествующих исследованиях [4]. Влияние опорной поверхности, неоднородность плотности почвы обу-
славливают случайный характер воздействия микропрофиля и тягового сопротивления на работу МТА. Для моделирования случайных процессов был использован метод непрерывных дробей [5, 6].
Для изучения влияния параметров УДМ на показатели функционирования пахотного агрегата, их сравнения с подобными характеристиками серийного МТА, получения коэффициентов для математической модели были проведены экспериментальные исследования пахотного МТА. В качестве эталонного МТА при проведении сравнительных опытов использовался тот же самый МТА, но с заблокированным УДМ. Исследования проводились с использованием разработанной во ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград) системы автоматического накопления и обработки метрологической информации мобильного исполнения (САНО) [7, 8].
Для нахождения численного решения системы дифференциальных уравнений первого и второго порядков математической модели был построен комплекс программ, реализуемых в среде MAPLE, с учетом результатов натурных экспериментов. В программу включены блоки, реализующие случайное воздействие. Они вычисляются в отдельных подпрограммах, что увеличивает скорость работы программы.
Результаты численного моделирования. На основе полученных результатов численного моделирования были построены графики разгонных характеристик пахотного агрегата с УДМ в трансмиссии трактора и серийного агрегата. С целью качественного и количественного анализа проведенных исследований для пахотного агрегата с УДМ в трансмиссии и серийного МТА приведены результаты численного и натурного экспериментов: графики угловой скорости ведущего колеса (рисунок 1), угловой скорости коленчатого вала двигателя (рисунок 2), линейной скорости (рисунок 3), угловой скорости шестерни привода масляного насоса (рисунок 4). Для проверки адекватности теоретических положений использовался режим неустановившегося движения, как наиболее сложный и нагруженный период для двигателя и трансмиссии.
Рисунок 1 - Угловая скорость ведущего колеса серийного (а) и опытного агрегатов (б)
300
Рисунок 2 - Угловая скорость коленчатого вала двигателя серийного (а) и опытного агрегатов (б)
Рисунок 3 - Линейная скорость серийного (а) и опытного агрегатов (б)
Оценка правильности работы модели осуществлялась из анализа необходимых и достаточных критериев. Критерии правильности модели делятся на качественные и количественные. Качественная оценка -
сравнение графиков, полученных путём имитации движения и по данным измерительной аппаратуры, показывает, что характер протекания процессов практически одинаков (таблица).
Критерии адекватности математической модели при 5% уровне значимости
Исследуемый показатель г гр (гт=2,01) Гр Гт=1,45)
Угловая скорость ведущего колеса серийного агрегата 0,847 1,134 1,424
Угловая скорость ведущего колеса агрегата с УДМ в трансмиссии 0,931 1,191 1,163
Угловая скорость коленчатого вала двигателя серийного агрегата 0,845 1,019 1,437
Угловая скорость коленчатого вала двигателя агрегата с УДМ в трансмиссии 0,891 1,006 1,239
Линейная скорость серийного агрегата 0,912 1,189 1,211
Линейная скорость агрегата с УДМ в трансмиссии 0,732 1,612 1,114
Угловая скорость шестерни привода масляного насоса 0,905 1,038 1,228
Для количественной оценки степени соответствия результатов численного моделирования и экспериментальных исследований применялись следующие статистические критерии: критерий Фишера, коэффициент корреляции и коэффициент Стьюдента.
Используемые количественные и качественные критерии подтверждают корректность принятой математической модели.
Был проведен сравнительный анализ характеристик работы серийного пахотного агрегата и агрегата с упругодемпфиру-ющим механизмом в трансмиссии, полученных в результате численного моделирования.
На рисунках 5 и 6 приведены графики скорости коленчатого вала двигателя и линейной скорости агрегата.
Рисунок 6 - Линейная скорость агрегата
Как показывают результаты аналитических исследований, наличие УДМ в пахотном агрегате позволяет двигателю быстрее адаптироваться в начальный момент движения МТА: угловая скорость коленчатого вала двигателя сразу выходит на значения 210-250 рад/с, в то время как в серийном агрегате эти значения достигаются через 8 с со снижением оборотов до 100 рад/с. На графиках характеристик опытного МТА не наблюдается резких скачков, абсолютная величина линейной скорости выше, т.е. наличие УДМ приводит к снижению нагрузки на двигатель по сравнению с серийным вариантом, у кото-
рого большая жесткость силовой передачи. В конечном итоге это приводит к увеличению производительности и снижению расхода топлива.
Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
- разработанная математическая модель является адекватной и ее можно использовать при получении рабочих характеристик, исследовании влияния УДМ на функционирование пахотного агрегата;
- наличие УДМ способствует улучшению показателей работы пахотного агрегата, повышению качества пахоты, сни-
жению расхода топлива и уменьшению нагрузки на двигатель.
Литература
1. Фомин, А. О состоянии и перспективах машинно-тракторного парка сельхозпредприятий России / А. Фомин // Международный сельскохозяйственный журнал. - 2015. - № 3. - С. 56-60.
2. Мищенко, К.Н. Анализ конкурентоспособности региональных лидеров сельхозмашиностроения в условиях макроэкономической нестабильности / К.Н. Мищенко // Инновационная наука. - 2015. -№ 10-2. - С. 93-96.
3. Кравченко, В.А. Упругодемпфи-рующий механизм в трансмиссии сельскохозяйственного трактора / В.А. Кравченко, Д.А. Гончаров, В.В. Дурягина // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. - С. 40-41.
4. Кравченко, В.А. Повышение эффективности МТА на базе колёсных тракторов / В.А. Кравченко, В.А. Оберемок, Л.В. Кравченко // Технология колёсных и гусеничных машин. - 2014. - № 6 (16). -С. 45-50.
5. Кравченко, В.А. Математическое моделирование тяговой нагрузки МТА / В.А. Кравченко, В.В. Дурягина, И.Э. Га-молина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - № 101. - IDA: 1011407024. - Режим доступа: http: // ej.kubagro.ru/2014 /07/pdf/24.pdf. - С. 459-472.
6. Дурягина, В.В. Статистический подход к исследованию внешних воздействий на МТА / В.В. Дурягина, И.Э. Гамо-лина // Труды XIX Международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», 25-26 июня 2014 г., Москва. -Москва, 2014. - С. 46-49.
7. Кравченко, В.А. Влияние упруго-демпфирующего механизма на показатели пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4 / В.А. Кравченко, В.В. Дурягина // Вестник аграрной науки Дона. - 2015. -№ 3 (31). - С. 13-21.
8. Дурягина, В.В. Результаты экспериментальных исследований показателей работы пахотного МТА на базе трактора класса 1,4 с УДМ в трансмиссии / В.В. Дурягина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2015. - № 112. - IDA: 1121508043. - Режим доступа: http: // ej.kubagro.ru/2015 /08/pdf/43.pdf. - С. 594-606.
References
1. Fomin A. O sostojanii i perspektivah mashinno-traktornogo parka sel'hozpredpri-jatij Rossii [On the state and prospects of the machine and tractor fleet of agricultural enterprises of Russia], Mezhdunarodnyj sel'sko-hozjajstvennyj zhurnal, 2015, No. 3, pp. 5660.
2. Mishhenko K.N. Analiz konkuren-tosposobnosti regional'nyh liderov sel'hoz-mashinostroenija v uslovijah mak-rojekonomicheskoj nestabil'nosti [Analysis of competitiveness of regional agricultural machinery leaders under conditions of macroe-conomic instability], Innovacionnaja nauka, 2015, No. 10-2, pp. 93-96.
3. Kravchenko V.A., Goncharov D.A., Durjagina V.V. Uprugodempfirujushhij me-hanizm v transmissii sel'skohozjajstvennogo traktora [Elastic-damping mechanism in the agricultural tractor transmission], Sel'skij me-hanizator, 2008, No. 11, pp. 40-41.
4. Kravchenko V.A., Oberemok V.A., Kravchenko L.V. Povyshenie jeffektivnosti MTA na baze koljosnyh traktorov [Increasing the efficiency of MTU based on wheeled tractors], Tehnologija koljosnyh i gusenichnyh mashin, 2014, No. 6 (16), pp. 45-50.
5. Kravchenko V.A., Durjagina V.V., Gamolina I.Je. Matematicheskoe modeliro-vanie tjagovoj nagruzki MTA [Mathematical modeling of MTA traction load], Poli-tematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, Krasnodar, KubGAU, 2014, No. 101, pp. 459-472, available at: http: // ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/24.pdf.
6. Durjagina V.V., Gamolina I.Je. Statis-ticheskij podhod k issledovaniju vneshnih
vozdejstvij na MTA [The statistical approach to the study of external influences on the MTU], Trudy XIXMezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Sovremennye prob-lemy gumanitarnyh i estestvennyh nauk», 2526 ijunja 2014 g., Moscow, pp. 46-49.
7. Kravchenko V.A., Durjagina V.V. Vlijanie uprugo-dempfirujushhego mehaniz-ma na pokazateli pahotnogo agregata na baze traktora klassa 1,4 [Effect of the elastic-damping mechanism on the parameters of the plow unit on the basis of the 1.4 class tractor], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2015, No. 3 (31), pp.13-21.
8. Durjagina V.V. Rezul'taty jeksperi-mental'nyh issledovanij pokazatelej raboty pahotnogo MTA na baze traktora klassa 1,4 s UDM v transmissii [The results of experimental studies of the operation indicators of plow MTU on the basis of a 1.4 class tractor with EDM in the transmission], Politemati-cheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, Krasnodar, KubGAU, 2015, No. 112, pp. 594-606, available at: http: // ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/43.pdf.
Сведения об авторах
Кравченко Владимир Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Тракторы и автомобили», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8 (863-59) 34-4-51. E-mail: [email protected].
Дурягина Вероника Владимировна - старший преподаватель кафедры «Высшая математика», ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге (Ростовская область, Россия). Тел.: 8 (8634) 37-16-06. E-mail: [email protected].
Гамолина Ирина Эдуардовна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика», ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге (Ростовская область, Россия). Тел.: 8 (8634) 37-16-06. E-mail: [email protected].
Information about the author
Kravchenko Vladimir Alekseevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Tractors and cars department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8 (863-59) 34-4-51. E-mail: [email protected].
Duryagina Veronika Vladimirovna - senior lecturer of the Higher mathematics department, FSAEI HE «Southern Federal University» in Taganrog (Rostov Region, Russia). Phone: 8 (8634) 37-16-06. E-mail: [email protected].
Gamolina Irina Eduardovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Higher mathematics department, FSAEI HE «Southern Federal University» in Taganrog (Rostov Region, Russia). Phone: 8 (8634) 37-16-06. E-mail: [email protected].
