CC BY
7ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО
ХОЗЯЙСТВА
УДК 631.372-752.2-23:001.891.5-047.44
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРАКТОРА КЛАССА 1.4 МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ ДЕМПФЕРНЫМ УСТРОЙСТВОМ В СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»
Аннотация. Работа посвящена исследованию влияния гидропневматического демпфера (ГПД) на показатели работы трактора класса 1,4. Для примера была выбрана операция -культивация. Гидропневматический демпфер предназначен для плавного трогания трактора в составе агрегата, снижения динамических нагрузок в силовой передаче, защиты двигателя от колебаний внешней нагрузки. Материалы и методы: Приведены результаты натурных экспериментальных исследований опытного (с ГПД в силовой передаче) трактора класса 1,4 и трактора с трансмиссией близкой по характеристикам к серийной (с заблокированным ГПД в силовой передаче). Обсуждение и ход исследований: Проанализировав осциллограммы реализаций крутящего момента двигателя трактора и угловой скорости коленчатого вала двигателя был проведен корреляционно - спектральный анализ, позволяющий качественно оценить влияние ГПД. Результаты исследований: Детально рассмотрены нормированные автокорреляционные функции и спектральные плотности изменения во времени крутящего момента двигателя, частоты вращения коленвала двигателя. Проведено сравнение этих параметров с аналогичными характеристиками серийного трактора. Заключение: По результатам экспериментальных исследований сделан вывод о том, что применение ГПД в силовой передаче трактора улучшает показатели функционирования трактора.
Ключевые слова: эксперимент, трактор, агрегат, гидропневматический демпфер, тяговая нагрузка, крутящий момент.
Введение. При работе трактора с прицепными орудиями
С.Е. Сенькевич
возникают внешние факторы, оказывающие существенное влияние на эксплуатационные показатели работы трактора в составе с прицепным орудием [1,2,3,4,5,6]. Для снижения динамических нагрузок в силовой передаче, снижения воздействия движителей на почву предложено огромное количество технических решений воплощенных в виде экспериментальных образцов техники [5,6,7,8]. В данной работе приведены экспериментальные исследования трактора с улучшенной силовой передачей, в которую установлен гидропневматический демпфер [9]. Для сравнения показателей были проведены экспериментальные исследования этого же трактора, но с заблокированным демпфером (для удобства будем называть его серийным). Это было сделано для создания идентичных условий измерения.
Цель исследований. Целью экспериментальных исследований является изучение влияния параметров гидропневматического демпфера на показатели работы трактора в составе агрегата. Сравнение этих параметров с аналогичными характеристиками серийного трактора, получение коэффициентов математической модели и определение эффективности функционирования трактора (в трансмиссию которого установлен гидропневматический демпфер), покажет целесообразность применения механизма.
Материалы и методы. Исследования проводились с использованием разработанной в ФНЦ Донской (г. Зерноград) системы автоматического накопления и обработки метрологической информации мобильного исполнения (САНО). Система состоит из комплекса аппаратных и программных средств и включает в себя: бортовой компьютер, плату аналого-цифрового преобразования "код-цифра" (АЦП), плату сопряжений, усилитель сигналов. Все оборудование было установлено в кабине передвижной тензометрической лаборатории ТЛ-2 на базе полноприводного автомобиля (рисунок 1). Комплект датчиков (первичных преобразователей), установленных на исследуемый агрегат, позволяет измерять мгновенные значения следующих энергетических параметров: тяговое сопротивление; крутящий момент на оси ведущего колеса; частоту вращения коленчатого вала двигателя трактора; импульсы оборотов ведущего колеса трактора; импульсы оборотов путемерного колеса трактора; давление масла в гидролинии (до дросселя); частоту вращения шестерни привода масляного насоса; расход топлива. Обработка результатов эксперимента осуществлялась на персональном компьютере с использованием пакета программ.
Обсуждение и ход исследований. Испытания проходили на полях Зерноградского района Ростовской области. В качестве эталонного при проведении сравнительных опытов использовался тот
же самый машинно-тракторный агрегат (МТА), но с заблокированным ГПД. При работе агрегата в поле производилась запись основных рабочих параметров. Время опыта и пройденный путь фиксировались при САНО.
Рисунок 1 - Общий вид агрегата и мобильной лаборатории
Испытания трактора в составе культиваторного агрегата проводились на следующих режимах: разгон и установившейся процесс. Перечисленные режимы работы машинно-тракторного агрегата сопровождаются значительными колебаниями тяговой нагрузки. Это помогает получить достоверные данные для последующей корректировки составленной математической модели МТА [10].
Опыты проводились на горизонтальном участке поля с уклоном не более 2° при строго прямолинейном движении агрегата на 7 передаче основного ряда скоростей коробки перемены передач трактора. Положение рычага управления подачей топлива соответствовало максимальной подаче.
Перед началом проведения испытаний проводилась проверка технического состояния трактора, культиватора, измерительного комплекса и состояния автомобиля. Опыты начинались только после прогрева двигателя и силовой передачи. После подготовки агрегата в стационарных условиях (зарядка аккумулятора, тарировка датчиков и настройка приборов) агрегат направлялся на поле, где производилась дополнительная проверка работы приборов. После этого
осуществлялся первый (контрольный) проход агрегата, в течение которого проводилась полная проверка работы всех приспособлений и измерительных приборов.
За одну секунду до начала трогания агрегата производилось включение регистрирующего оборудования (САНО). При выполнении опыта тензометрическая лаборатория передвигалась вместе с исследуемым МТА.
Культивация проводилась на специально подготовленном поле на глубину 10.. .12 см. В процессе проведения опытов контролировались глубина культивации и ширина захвата. Колебания глубины культивации и ширины захвата находились в пределах допускаемых агротребованиями.
Результаты исследований. После обработки были получены корреляционные функции, характеризующие случайный процесс во временной области [6,7,8].
т>
1,2 -
1 -
0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0 --0,2 --0,4 --0,6 --0,8 -
-------- серийный агрегат - агрегат с ГПД в силовой
передаче трактора Рисунок 2 - Нормированная автокорреляционная функция крутящегомомента двигателя
\ \
1 % \ %
\ * *
\ % £ » т ■ * *
> 0 2 0 4 0 6 - 0 * / 8 1 2 1 4 " "1 6 1 8
Анализ показал что функции быстро убывают. Эти функции показывают, что адаптация серийного культиваторного МТА к изменяющимся воздействиям происходит медленнее, чем у агрегата с ГПД в силовой передаче трактора. На графиках спектральных плотностей, характеризующих случайный процесс в частотной области, явно выражены преобладающие частоты, на которые приходится максимум дисперсий.
Нормированная автокорреляционная функция реализации крутящего момента двигателя (рисунок 2) показывает, что время спада функции у серийного агрегата составляет 0,55 с, в отличие от агрегата с гидропневматическим демпфером в силовой передаче, у которого время спада корреляционной функции 0,35 с.
На графике спектральных плотностей (рисунок 3) видно, что количество преобладающих частот у серийного и опытного агрегатов разное: для МТА с ГПД - имеется одна преобладающая частота 1,0 с-1, а для серийного их несколлько - 0,5 с-1, 7,0 с-1, 12,0 с-1 , 20,0 с-1 и 26,0 с-
•
* % — * N • \
1 Аллал/ % \ % ф * " »
0 5 10 15 20 25 30
-------- серийный агрегат
- агрегат с ГПД в силовой передаче трактора
Рисунок 3 - Нормированная спектральная плотность крутящего момента двигателя
Как видно из графиков, для серийного МТА предел изменения преобладающих частот находится в более широком диапазоне. Это свидетельствует о том что серийная силовая передача хуже адаптируется к внешним факторам.
2,5
2
1,5
0,5
0
2,5 2
0,5 0
-------- серииныи агрегат
- агрегат с ГПД в силовой передаче
Рисунок 4 - Нормированная автокорреляционная функция частоты вращения коленвала двигателя
1 1 1
1 1 1 1
( 1 ■ 1
■ 1
1 1 1 *1 1 */ \ */ \ ' I \ 1 1
|| 1 /» у < N \
1 * А 1 * * ( 1 I * Г % • * . * ■ ■ - - •
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 ^ ^20
-------- серийный агрегат
- агрегат с ГПД в силовой передаче трактора
Рисунок 5 - Нормированная спектральная плотность частоты вращения коленвала двигателя
Нормированная автокорреляционная функция реализации частоты вращения коленвала двигателя (рисунок 4) показывает, что время спада функции у серийного агрегата находится в районе 1,1 с. Для опытного трактора с ГПД в силовой передаче, функция убывает
4
3,5
3
1,5
быстрее примерно на 0,2 с (значение составляет около 0,9 с), что свидетельствует о большей адаптивности процесса в опытном варианте.
На графике спектральных плотностей (рисунок 5) видно, что у
серийного агрегата имеется одна преобладающая частота, равная 4,0 с-
1
Для опытного агрегата количество преобладающих частот две: 1,0 с-1 и 3,0 с-1. В диапазоне от 7,0 с-1 и далее, наблюдается сходный характер поведения спектральных плотностей. Для серийного агрегата более ярко выражены периодические составляющие, что свидетельствует о его незащищенности от колебаний внешней тяговой нагрузки.
Анализ данных показал и снижение тягового сопротивления. Установка гидропневматического демпфера в трансмиссию культиваторного машинно-тракторного агрегата создает более благоприятные условия для формирования характера нагрузки узлов трактора, как при неустановившихся режимах движения, так и при установившихся. Следствием этого является снижение нагрузки на двигатель и ведущие колеса трактора, отчего угловая скорость вала и поступательная скорость трактора возрастают по сравнению с серийным вариантом, у которого большая жесткость силовой передачи.
Заключение
В результате проведенных исследований, можно сделать выводы:
1. Полученные графики свидетельствуют о том, что у трактора с гидропневматическим демпфером в силовой передаче величины спектральных плотностей угловой скорости коленчатого вала двигателя и крутящего момента двигателя меньше. Следовательно, затраты энергии на колебания тоже меньше.
2. Преобладающие в случайном процессе частоты сдвинуты в зону более низких частот, чем у серийного агрегата. Такой характер зависимостей свидетельствует о снижении динамической загруженности звеньев агрегата при установке в трансмиссию гидропневматического демпфера.
3. Установка гидропневматического демпфера в трансмиссию трактора представляется весьма эффективным конструктивным мероприятием, улучшающим выходные показатели агрегата в реальных условиях эксплуатации.
Список использованных источников:
1. Decreasing of the Dynamic Loading of Tractor Transmission by means of Change of the Reactive Element Torsional Stiffness / V.V.
Shekhovtsov, N.S. Sokolov-Dobrev, P.V. Potapov // Procedia Engineering. - 2016. - №150. - P. 1239 - 1244.
2. Janulevicius. А. Analysis of main dynamic parameters of split power transmission / A.Janulevicius, K.Giedra // Transport. - 2008. - №23 (2), - P. 112 - 118.
3. Zoz, Frank. Traction and Tractor Performance / Frank M. Zoz, Robert D. Grisso // AgriculturalEquipment Technology Conference: conference materials. - Louisville, Kentucky USA, 2003. - P. 1 - 47
4. Karpat F. et al. The investigation of stress distribution on the tractor clutch finger mechanism by using finite element method //ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. -American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2015.
5. Vidoni R. et al. Stability Analysis of an Articulated Agri-Robot Under Different Central Joint Conditions //Robot 2015: Second Iberian Robotics Conference. - Springer, Cham, 2016. - С. 335-346.
6. Беспамятнова Н.М. Научно-методические основы адаптации почвообрабатывающих и посевных машин / Н.М. Беспамятнова. -Ростов н/Д: ООО «Терра», ИПК «Гефест», 2002. - 176 с.
7. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов / А.Б. Лурье. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1981. -382 с.
8. Кравченко В.А., Сенькевич А.А., Сенькевич С.Е., Максименко В.А. Модернизация посевного машинно-тракторного агрегата на базе трактора класса 1,4 // Международный научный журнал. 2008. № 1. С. 57-62.
9. Патент 2398147 Российская Федерация, С1 F 16 Н 47/04. Устройство для снижения жёсткости силовой передаче машинно-тракторного агрегата /В.А. Кравченко, С.Е. Сенькевич, А.А. Сенькевич, Д.А. Гончаров, В.В. Дурягина; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. - № 2008153010/11; заявл. 31.12.2008; опубл. 27.08.2010, Бюл. № 24. - 7 с.: ил.
10. Кравченко В.А. Сенькевич С.Е. Некоторые результаты аналитических исследований машинно-тракторного агрегата с упругим элементом в трансмиссии трактора // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. Науки. 2005. Спецвыпуск № S10. - с. 78 - 83.
Сенькевич Сергей Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», umo. viesh @ list. ru
ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE CLASS 1.4 TRACTOR MODERNIZED BY A HYDRO-PNEUMATIC DAMPER IN A POWER TRANSMISSION.
S. E. Senkevich, Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM (Russia)
Abstract. The work is devoted to the study of the influence of hydropneumatic damper (GPA) on the performance of a class 1.4 tractor. For example, cultivation was chosen as the operation. The hydropneumatic damper is designed to smoothly start the tractor as part of the aggregate, reduce dynamic loads in the power train, protect the engine from external load fluctuations. Materials and methods: The results of full-scale experimental studies of an experimental (with a GPA in a power train) class 1.4 tractor and a tractor with a transmission similar in characteristics to a serial (with a blocked GPA in a power train) are presented. Discussion and research progress: Having analyzed the oscillograms of realizations of the tractor engine torque and the angular velocity of the engine crankshaft, a correlation-spectral analysis was carried out, which made it possible to qualitatively evaluate the effect of the GPA. Research results: Normalized autocorrelation functions and spectral densities of changes in time of engine torque, engine crankshaft speed are examined in detail. These parameters are compared with similar characteristics of a serial tractor. Conclusion: Based on the results of experimental studies, it was concluded that the use of GPA in the tractor power transmission improves the performance of the tractor.
Key words: experiment, tractor, aggregate, hydropneumatic damper, traction load, torque.
Senkevich Sergey Evgenievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Russia, Moscow, Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM", umo.viesh@list.ru
