CC BY
55Труды Инсторфа 11 (64)
39
УДК 622.23.05:622.7
Крылов К.С.
Крылов Константин Станиславович, к. т. н., доцент кафедры механизации природообустройства и ремонта машин Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12
Харламов В.Е.
Харламов Вячеслав Евгеньевич, к. т. н., доцент кафедры механизации природообустройства и ремонта машин ТвГТУ
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИВОДА МАШИННОТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАГРУЖЕННОСТИ В РЕАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Аннотация. Рассмотрена методика оценки эксплуатационных характеристик торфяных агрегатов с применением стендовых испытаний в широком диапазоне технических параметров и условий функционирования. Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для теоретического исследования динамики механических систем при различных видах возмущений, решения задач оптимизации отдельных параметров, диагностики эксплуатируемых машин и оборудования, построения упрощенных моделей сложных объектов в системах управления.
Ключевые слова: стендовые испытания, торфяные агрегаты, динамика механических систем.
Krylov K.S.
Krylov K.S., PhD, Аssociate Professor of the Chair of Environmental Mechanization and Repair of Machines of the Tver State Technical University. Tver, Academi-cheskaya, 12
Harlamov V.E.
Harlamov V.E., PhD, Аssociate Professor of the Chair of Environmental Mechanization and Repair of Machines of the Tver State Technical University
TECHNIQUE OF CARRYING OUT BENCH TESTS OF MASHINE-TRACTOR UNIT WITH USE OF LOADING IN REAL WORKING CONDITIONS
Abstract. The technique of assessment of operational characteristics of peat units with application of bench tests in the wide range of technical parameters and operating conditions is considered. The received results can be used further for theoretical research of dynamics of mechanical systems at different types of indignations, solutions of problems of optimization of separate parameters, diagnostics of the operated machines and equipment, creation of the simplified models of difficult objects in control systems.
Key words: bench tests, peat units, dynamics of mechanical systems.
40
Труды Инсторфа 11 (64)
В настоящее время в торфяной промышленности используются стендов ые методы исследования динамических нагрузок в элементах конструкции торфяных машин [1, 2].
Методика оценки эксплуатационных характеристик торфяных агрегатов с применением стендовых испытаний, предложенная в [1, 2], включает: оценку эксплуатационных показателей агрегатов при разработке агрегати-руемых машин на базе заданного трактора на залежах с различной качественной характеристикой при вероятностном характере воздействия внешних факторов; решение задач объективного анализа эксплуатационных характеристик в широком диапазоне технических параметров и условий функционирования; проведение эмпирических исследований по оптимизации параметров машин и выбору рациональных тягово-скоростных режимов эксплуатации агрегатов.
Многолетний опыт проведения таких испытаний методом тензометрирования позволил получить исходные данные для проведения стендовых испытаний МТА. Методика определения режимов нагружения при проведении стендовых испытаний механизмов привода фрезеров приведена в [1].
Амплитудно-частотные характеристики сводились к определению собственных частот колебаний системы механизма привода машинно-тракторного агрегата, состоящего из трактора ДТ-175С и фрезера МТФ-18. Фрезер был установлен на подставках.
Осуществление этой задачи было сопряжено с трудностями введения внешнего воздействия МКР, соответствующего нагружен-ности в производственных условиях, в систему привода и поддержания элементов привода в напряженном состоянии. В связи с этим опыты проводились с использованием нескольких способов нагружения механизмов привода машинно-тракторного агрегата. Различные методы нагружения позволяли путем сопоставления результатов выявить собственную систему колебаний механизмов привода.
Методика проведения стендовых испытаний первым способом заключалось в следующем. Приводной вал механизма привода фрезера, соединенный с первичным валом трактора, стопорился тормозком муфты сцепления трактора. Фрезы загружались крутящим моментом МКР с помощью специального рычага с грузом [2]. Тензодатчики наклеива-
лись на карданный вал трактора, приводной вал фрезера и рычаг с грузом.
Исследованиями в производственных условиях была получена информация о действительной нагруженности механизмов привода, которая позволяет оценить режим нагружения, наиболее полно учитывающий реальные условия и специфику работы трансмиссии торфяных машин. Нагруженность трансмиссии машин оценивалась путем замера крутящего момента на валах и скорости вращения.
Исследования нагруженности механизмов привода проводились в условиях производственной эксплуатации при выполнении технологической операции. При этом из рассмотрения исключались кратковременные операции: трогание трактора с места, транспортирование машинно-тракторного агрегата к месту работы, повороты, заглубление и выглубление рабочих органов, переезд через препятствия [3].
В процессе испытаний машин тензометри-рование механизмов привода выполнялось на различных скоростях движения, с различной величиной заглубления рабочего органа.
Тензометрические исследования нагруженности механизмов привода торфяных машин в производственных условиях проводились с помощью комплекса специального оборудования, обеспечивающего обработку, отображение и хранение получаемой информации.
В комплект измерительной аппаратуры входили: проволочные и индукционные датчики - задающие элементы аппаратуры; усилитель-преобразователь тензометрический УПТ-2А (рис. 1а); компьютер, блок питания, соединительные кабели и генератор.
Усилитель-преобразователь тензометрический УПТ-2А [4, 5] представляет собой согласующее устройство между тензодатчиками и звуковой картой компьютера. В его функции входит: обеспечение усиления сигналов несущих частот, идущих со звуковой карты; подача усиленных сигналов несущих на датчики; обеспечение амплитудной модуляции сигналов несущих в соответствии с изменением сопротивления датчиков; усиление результирующего сигнала и вывод его на линейный вход звуковой карты; обеспечение относительной независимости процесса функционирования от стабильности и «шумности» питающего напряжения путем внутренней стабилизации.
Конструктивно устройство выполнено в виде платы расширения РС-совместимого
Труды Инсторфа 11 (64)
41
б
Рис. 1. Внешний вид устройства УПТ-2А (а) и интерфейс программы Expert 2 (б) для анализа данных, полученных с помощью тензометрирования
Fig. 1. Appearance of the UPT-2A device (a) and the interface of the Expert 2 program (b) for the analysis of the data received with using of strain-gauge transducer
компьютера, способной к постановке в PCI или ISA слот (никаких контактов на установочном выступе нет, он служит только для механического крепления платы). Все органы контроля и коммуникаций находятся на задней планке, как у платы расширения, за исключением разъема питания и индикатора питания (светодиода), расположенного прямо на плате.
При исследовании нагрузки в деталях механизма привода использовались прямоугольные проволочные тензодатчики сопротивления типа ПБ-20-100. Датчики наклеивались на специально подготовленные поверхности деталей. Контролем готовности датчика к
работе являлась стабилизация его сопротивления по времени. Замеренная величина сопротивления между датчиком и деталью соответствовала 20...10 мегаом. Передача сигналов от датчиков к усилителю осуществлялась токосъемниками.
Перед каждой записью нагрузки производилась тарировка аппаратуры с помощью рычага и системы грузов.
Измерение угловых скоростей и скорости движения машинотракторных агрегатов производилось с помощью индукционных датчиков.
По второму способу напряженное состояние элементов привода достигалось при помощи пружин разной жесткости, устанавливаемых между корпусом фрезера и фрезой. Нагружение системы осуществлялось рычагом с грузом. Рычаг с грузом при помощи специальных кронштейнов крепился к штифтам крайних фрез и резко сбрасывался во время опыта, чем исключалось влияние колебаний рычага на параметры системы.
Для проведения стендовых испытаний третьим способом был создан стенд. Машиннотракторному агрегату передавались гармонические колебания с помощью дебалансного импульсатора, приводимого во вращение электродвигателем постоянного тока.
Мощность двигателя постоянного тока n = 6 кВт, частота вращения n = 1500 об/мин.
Схема дебалансного импульсатора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема дебалансного импульсатора Fig. 2. Scheme of a debalance impulsator
42
Труды Инсторфа 11 (64)
Основные параметры импульсатора: m = 1,72 кг - дебалансные массы; zx = 27 - число зубьев ведущего зубчатого колеса; z2 = 53 -число зубьев ведомого зубчатого колеса; m = 2,5 мм - модуль зубчатого зацепления импульсатора; r = 40 мм - расстояние груза от центра ведомого колеса; а = 100 мм - межцентровое расстояние. Габаритные размеры: 1000 х 400 х 350.
В процессе работы центробежные силы от дебалансных масс, определяющиеся по формуле:
Fu = m • w2 • r • sin wt,
вызывают возмущающий крутящий момент
M = 4 • Fц • a = 4 • m • w2 • r • a • sin wt,
где w - угловая скорость вращения колес с дебалансной массой.
Амплитуда переменных нагрузок, развиваемых импульсатором, может быть изменена в широких пределах в зависимости от величины: дебалансной массы - m, расстояния груза от оси вращения - г, угловой скорости вращения колеса с дебалансной массой - w.
Частота изменения возмущающего крутящего момента
где пг - частота вращения ведущего вала импульсатора; п2 - частота вращения ведомого вала импульсатора.
Частота вращения возмущающего момента увеличивается, если направление вращения ведущего вала импульсатора противоположно направлению вращения ведомого вала, и наоборот, уменьшается в противоположном случае.
Тензодатчики для измерения крутящих моментов на входе и выходе системы наклеивались соответственно на валу фрезы и приводном валу М2. Регистрация измеряемых параметров осуществлялась с помощью усилителя-преобразователя тензометрического УПТ-2А. Нагружение и разгрузка механизма привода торфяного машинно-тракторного агрегата первым способом привело к возбуждению колебательного процесса со временем затухания Tmax = 0,28 с. Колебательный процесс составляют частоты:
f = 0,9 Гц; f = 62,5 Гц; f = 83,3 Гц; f = 12,5 Гц.
Колебания с частотой f = 0,9 Гц представляют частоту колебания рычага с грузом. Недостатком указанного способа нагружения системы является быстрое затухание колебательного процесса из-за того, что восстанавливаются присущие механизму привода зазоры в сопряжениях. Указанного недостатка не имеет метод нагружения системы с использованием пружины, установленной между фрезой и рамой. В момент резкого сброса нагрузки пружина возбуждает вынужденные колебания в системе. Изменяя жесткость и нагрузку на пружину, можно установить собственные частоты механизма привода. В результате проведенных испытаний были получены осциллограммы с записью колебательного процесса, вызываемого в системе пружинами различной жесткости.
Резкий сброс рычага с грузом в момент, когда пружины специальным натяжным устройством сжаты до соприкосновения витков, вызывает в системе колебательный процесс, имеющий в своем составе те же частоты, что зафиксированы в результате загружения механизма привода первым способом:
f = 0,42 Гц; f = 83 Гц; f = 16 Гц; f = 72 Гц.
В составе колебательного процесса появляются также частоты:
f = 25 Гц; f = 31 Гц; f = 28 Гц.
Возможно, появление этого спектра частот связано с собственными колебаниями пружины.
Уменьшение сжатия пружины или изменение жесткости пружины не вызывает изменений спектра частот в возбуждаемом колебательном процессе.
По результатам проведенных экспериментов можно выделить два диапазона частот собственных колебаний механизма привода:
• частоты от 12,5 до 16 Гц;
• частоты от 50 до 80 Гц.
Причем частоты диапазона 12,5...16 Гц были установлены и аналитически (для эквивалентной двухмассовой системы).
Полученные данные не позволяли выявить амплитудно-частотную характеристику системы (АЧХ). Попытки определения амплитудно-частотной характеристики были предприняты в опытах с применением механического дебалансного импульсатора. Использование импульсатора давало воз-
Труды Инсторфа 11 (64)
43
можность в широких пределах по сравнению с предыдущими экспериментами изменять внешнюю нагрузку, подаваемую в систему привода, путем изменения частоты вращения вала импульсатора.
Изменение частоты вращения позволяло фиксировать резонансные частоты системы, первым признаком которых является изменение амплитуды нагрузки на выходе механизма привода [6].
Наибольшее изменение нагрузки в 3 раза выше наблюдается при частоте вращения ведущего вала импульсатора n = 450...550 об/мин, что соответствует частоте возбуждаемого процесса f = 7,5.10 Гц, и при частоте вращения вала импульсатора n = 700.1000 об/мин, или f = 12.17 Гц. Таким образом, диапазон резонансных частот, установленный предыдущими экспериментами, нашел подтверждение и в настоящем опыте.
Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для теоретического исследования динамики механических систем при различных видах возмущений [7-9], решения задач оптимизации отдельных параметров [8], диагностики эксплуатируемых машин и оборудования, построения упрощенных моделей сложных объектов в системах управления.
Библиографический список
1. Лукьянчиков, А.Н., Харламов, В.Е., Морози-хина, И.К., Крылов, К.С. Режимы нагружения при проведении стендовых испытаний механизмов привода фрезеров // Торф в решении проблем энергетики, сельского хозяйства и экологии: Материалы выездной секции Международной научно-практической конференции. - Тверь: ТГТУ, 2006, - С. 112-113.
2. Харламов, В.Е. Исследование нагружен-ности механизмов привода фрезерующих торфяных машин для повышения их
надежности. Дис ... канд. техн. наук. - Тверь, 1980. - 145 с.
3. Харламов, В.Е., Фомин, К.В., Крылов, К.С., Морозихина, И.К. Определение динамических параметров торфяного машино-тракторного агрегата экспериментальным методом// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2013. - № 1.
4. Гаганов, П.Г., Фомин, К.В. Усилитель-преобразователь тензометрическмй УПТ-2А// Развитие механики торфа и научных основ создания и оборудования торфяного производства: Мат. конференции к 100-летию рождения Солопова С.Г. - Тверь, 2001. -С. 110-112.
5. Крылов, К.С. Разработка методов определения режимов нагружения приводов торфяных фрезерующих органов на стадии проектирования. Дис ... канд. техн. наук. -Тверь, 2010. - 153 с.
6. Харламов, В.Е., Крылов, К.С. Амплитудночастотные характеристики привода машино-тракторного агрегата // Технологии и управление: проблемы, идеи, инновации: Материалы Международной научно-практической конференции 21-22 ноября 2013 г. - Тверь: Изд. Кондратьев А.Н., 2013. - С. 132-136.
7. Фомин, К.В. Научные основы статистической динамики торфяных фрезерующих агрегатов: Дис ... докт. техн. наук. - Тверь, 2002. - 330 с.
8. Самсонов, Л.Н., Фомин, К.В. Элементы статистической динамики торфяных фрезерующих агрегатов: Учебное пособие. 1-е изд. - Тверь: ТГТУ, 2005. - 168 с.
9. Самсонов, Л.Н. Определение вероятностных характеристик момента нагружения на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата/ Л.Н. Самсонов, К.В. Фомин // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2003. - № 3. -С. 106-112.
