CC BY
94
УДК 629.114.2.032.001.1
НАГРУЖЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ГУСЕНИЧНОГО
ТРАКТОРА ПРИ ПОВОРОТАХ
А.Г. Хворост, аспирант, ХНТУСХ
Аннотация. Оценены перегрузки силовой передачи гусеничного трактора с тяговой нагрузкой при поворотах, отмечены отрицательные крутящие моменты в элементах силовой передачи отстающего борта.
Ключевые слова: нагрузка при поворотах, крутящий момент, силовая передача, трактор.
НАВАНТАЖЕНІСТЬ ЕЛЕМЕНТІВ СИЛОВОЇ ПЕРЕДАЧІ ГУСЕНИЧНОГО
ТРАКТОРА ПРИ ПОВОРОТАХ
О.Г. Хворост, аспірант, ХНТУСГ
Анотація. Оцінено перевантаження силової передачі гусеничного трактора з тяговим навантаженням при поворотах, відмічено від ’ємні крутні моменти в елементах силової передачі борту, що запізнюється.
Ключові слова: навантаження при поворотах, крутний момент, силова передача, трактор.
LOADING OF CATERPILLAR TRACTORS POWER ISSUE ELEMENTS AT
TUMBLING
A. Khvorost, Post-graduate student, KhNTUA
Abstract. The overloadings of caterpillar tractor power issue with tractive load at tumbling are evaluated, the negative torques in power issue elements lagging behind the board are noted.
Key words: overloading at tumbling, torque, power issue, tractor.
Введение
Силовая передача трактора, обеспечивающая передачу энергии от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) к движителям и потребителям энергии, является основной составной частью трактора, определяющей его ресурс. Из опыта эксплуатации известно, что для силовых передач трактора характерным является резкопеременный режим нагружения, особенно на подворотах на гоне и поворотах, обусловленный как сложными условиями эксплуатации, так и внутренними динамическими процессами, связанными с переменной жесткостью, деформациями и недостаточной точностью изготовления деталей. В этой связи
актуальными являются исследования,
направленные на более глубокое изучение факторов, влияющих на нагруженность элементов силовых передач тракторов и разработка на этой базе рекомендаций по их снижению.
Анализ публикаций
Обобщение эксплуатационных данных о на-груженности силовой передачи гусеничного трактора позволило установить [1, 2], что среднее число циклов действия динамических нагрузок при наработке трактора до 6000 моточасов составляет при плавном повороте 1,5 -105, повороте на месте 1,0 -105 и
коррекции направления движения (подворот) —1,5* 107. При этом количество циклов поворота трактора определяется технологическим процессом, а подворотов - силовым и кинематическими уводами, к которым отнесено, например, на пахотных работах [3]:
- смещение относительно продольной оси симметрии гусениц точки приложения крюковой нагрузки в сторону борозды;
- разность сил сопротивления качению гусениц левой по хорошо связанной почве, оказывающей меньшее сопротивление качению, а правой - по малосвязанной (вблизи кромки борозды) с большим сопротивлением качению;
- различие сцепных свойств гусениц, приводящее к неравенству сил тяги на них;
- различная длина гусениц вследствие неравномерного их износа;
- неточность изготовления и монтажа ходовой системы.
Известные исследования [2, 3, 4] по динамике гусеничных машин решают задачи кинематики и динамики их поворота при разностно-тяговом механизме поворота, хотя в работе [5] отмечена необходимость выполнения исследований по динамике гусеничных тракторов с разностно-скоростным механизмом поворота, поворот которых
осуществляется путем установки различных передаточных отношений по бортам. Особенности динамики данного трактора определяют необходимость исследования нагрузок силовой передачи, особенно при его подворотах и поворотах.
Цель и постановка задачи
Целью исследования является определение необходимости оценки нагруженности эле-
ментов силовой передачи гусеничного трактора с разностно-скоростным механизмом поворота при подворотах и поворотах.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
- составить динамическую модель гусеничного трактора с разностно-скоростным механизмом поворота;
- составить систему уравнений переходных процессов в силовой передаче при повороте;
- провести экспериментальные исследования на тракторе Т-150-09 с плугом ПЛН-5-35 при подворотах на гоне на отстающем борту.
Определение перегрузок силовой передачи гусеничного трактора с тяговой нагрузкой при поворотах
Поворот гусеничного трактора с переключением передач без разрыва потока мощности с разностно-скоростным механизмом поворота (рис. 1), обеспечивающим разделение потока мощности по бортам, выполняется при включенном фрикционе 2 переключения диапазонов включением фрикционов переключения передач 3 с различным передаточным отношением по бортам.
Динамическая модель гусеничного трактора с разностно-скоростным механизмом поворота отражает неравенство моментов инер-
_._, С342, С45, С56 и
с6
ции /4.../7 и жесткостей С342,^342,^45,^56 .67 вследствие неравенства упруго-массовых параметров элементов силовой передачи при включенных 1-й и 2-й передачах соответственно правого и левого бортов (рис. 2).
Рис. 1. Кинематическая схема силовой передачи гусеничного трактора с разностно-скоростным механизмом поворота: 1 - муфта сцепления ДВС; 2, 3 - фрикционы переключения диапазонов и передач; 4, 5, 6 - карданная, главная, конечная передачи
Рис. 2. Динамическая модель гусеничного трактора с разностно-скоростным механизмом поворота (поворот вправо, включены передачи і1 правого и і2 левого бортов)
На рис. 2 обозначены:
моменты инерции: /д - кривошипно-шатунного механизма и маховика ДВС; /1 - муфты сцепления; /2 и /3 - ведущего и ведомого валов коробки передач и расположенных на них элементов; /4 и /5 - ведущего и ведомого частей карданной передачи; /6 - главной передачи; /7 - бортового редуктора и половина масс ходовой части; /8 - половина движущихся масс трактора на повороте; /9 -половина движущихся масс агрегатируемой сельхозмашины на повороте; жесткости: С12 - вала муфты сцепления; С23 ведущего вала коробки передач; С342 - ведомого вала коробки передач на включаемой второй передаче; С45 - карданной передачи; С56 - ведущего вала главной передачи; С67 -полуоси и гусеницы с подвеской; С89 - навески сельхозмашины; моменты: Мд - ДВС; Мс - муфта сцепления; Мф1п,Мф2л - трения
фрикционных муфт включенных 1й передачи правого борта и 2й передачи левого борта; Мфп, Мфл - сцепление с почвой правой и левой гусениц; Мсп, Мсл - сил сопротивления правого и левого бортов; /1, /2 - передаточные отношения первой и второй передач.
Полагая, что конструктивные параметры элементов правого и левого бортов одинаковы и поворот трактора выполняется при включенных муфте сцепления и фрикционе переключения диапазонов (рис. 1), переходные процессы в силовой передаче при повороте при - угловом перемещении /-ой
массы и ^1 - коэффициенте затухания і-го участка можно описать системой уравнений
Л&Р 1 +^Ф 1 + С12 (Ф1 -Ф2) = Мд
12ф 2 + ^2ф 2 + С23 (ф2 — ф3 ) — С23 (ф1 — ф2 ) = 0 /3ф3 + ^ф3 +Мф1п +Мф2л + С23 (ф2 -ф3) = 0 Мф1п + С341 (фмф1 - ф4 )
Мф2л + С342 (фмф2 - ф4 )
14ф4 + ^4 ф4 + С45 (ф4 - ф5) - С341 (фмф1 - ф4) = 0 14ф + £4ф4 + С45(ф4 -ф5) - С342(фмф2 -ф4) = 0 15ф5 + ^5ф5 + С56 (ф5 -фб) - С45 (ф4 -ф5) = 0 /6ф6 + ^6ф6 + С67 (ф6 -ф7) - С56(ф5 -ф6) = 0
/7 ф7 + ^7 (р7 - С67 (ф6 -ф7) = ~Мфп
/8ф8 + ^8ф8 - С89 (ф8 -ф9 ) = Мф = Мфл 19 ф9 + ^9 ф9 - С89 (ф8 -ф9 ) = сп ■
Решение данной системы уравнений проведено на ПЭВМ в среде МАТНСАБ уег. 7 [6] для гусеничного трактора Т-150-09 при агрегатировании с плугом ПЛН-5-35. В табл. 1 приведены моменты инерции и жесткости связей элементов силовой передачи трактора Т-150-09 при повороте вправо.
При расчетах был принят номинальный момент дизеля ЯМЗ-236Д, установленный на тракторе Т-150-09, Мд = 610 Н-м. Моменты трения фрикционных муфт включенных первой Мф1п и второй Мф2л передач принимаются равными и определяются по зависимости
Мф1п = Мф2л = Рн^ер^т ,
где Рн = 10 МПа - номинальное давление на диски гидроподжимной муфты; Яср - средний
Таблица 1 Упруго-инерционные параметры динамической модели трактора Т-150-09 по рис. 2
Моменты инерции Жесткость
обозначение значение параметра, кг.м2 обозначение значение параметра, кН-м/рад
Ь 1250,4 С 12 2530
І1 46,3 С 23 3020
І2 39,6 41 С3 32114
І31 74,8 С 342 34120
132 72,4 С45 2560
14 3,4 С56 45161
І5 4,6 С67 16620
І6 50,4 9 и” 20635
І7 64,7
І8 645,0
І9 112,0
Примечание. Моменты инерции /31, 132 и жесткости С341, С342 на первой и второй передачах.
радиус трения; / = 8 - количество поверхностей трения; р,т = 0,1 - коэффициент трения металлокерамики МК-5 по стали 60Г при работе в масле (такое сочетание трущихся пар применено в гидроподжимных муфтах переключения передач).
Приведенный момент сцепления Мф гусеницы с почвой определен для стерни озимой пшеницы по зависимости [2]
Мф= ^ фсц тах -1(1 - е-5/5»),
Пг
где От = 8150 кг - эксплуатационная масса трактора; ЯБк - радиус ведущего колеса гусеничного зацепления; фсц тах = 0,85 - максимальный коэффициент сцепления; пг = 0,9 -коэффициент полезного действия гусеничного движителя; 50 = 0,04 - показатель, характеризующий нарастание сцепления гусеницы с почвой; 5 - буксование гусеничного движителя (53 = 0,05; 50 = 0,04 - соответственно забегающий и отстающие борта).
Приведенные моменты сил сопротивления движению забегающей Мсл и отстающей Мсп гусениц при повороте трактора вправо определяют момент его поворота [5]
Мп = ^дУпр (1 5) • 1І2. (т +1),
п В іі р
где тад - частота вращения коленчатого вала ДВС; В - колея трактора по средним линиям гусениц; Упр - приведенный коэффициент,
зависящий от вида эпюры вертикальных нагрузок, свойств почвы, тягового сопротивления орудия и податливости его соединения с трактором; Тр = 1т /Упр - постоянная времени; 1т = 18 +19 - момент инерции движущихся масс трактора на повороте.
Из данного выражения следует, что при /1 Ф /2 величина Мп пропорциональна первой производной управляющего воздействия. При касательных силах тяги забегающего Рл и отстающего Рп бортов при повороте трактора вправо справедливо равенство
Мп = Мсл + Мсп = ^ (Рл + Рп ).
Расчет переходных процессов изменения параметров силовой передачи трактора Т-150-09 с плугом ПЛН-5-35 при подворотах на гоне показал (рис.3), что в промежутке времени
0...0,5 с отмечено в 4 раза повышение касательной силы тяги забегающего борта Рл относительно установившегося значения. При этом касательная сила тяги отстающего борта Рп в промежутке времени 0. 1,0 с имеет отрицательные значения.
При экспериментальных исследованиях трактора Т-150-09 с плугом ПЛН-5-35 при подворотах на гоне на отстающем борту отмечены отрицательные значения крутящего момента (табл. 2).
Таблица 2 Нагрузки в элементах силовой передачи трактора Т-150-09 при агрегатировании с плугом ПЛН-5-35 при подворотах на гоне (глубина пахоты 25.. .27 см, фон - стерня озимой пшеницы)
Элемент и, км/ч Установившееся движение Подворот влево Подворот вп] о ав р
левый правый левый правый
Мл, Н-м Мп, Н-м М шт , Н-м М, Н-м М шах , Н-м М, Н-м Мшах , Н-м М тш , Н-м
Карданы 8,32 300 350 (-120) 530 685 510 630 (-115)
9,28 350 500 (-107) 780 980 758 1196 (-102)
Полуоси 8,32 1700 1850 (-525) 1920 2450 1840 2348 (-515)
9,28 1940 2180 (-510) 2360 2965 2210 2776 (-500)
Примечание. Обозначены крутящие моменты Мл, Мп - левого и правого бортов; М] минимальное, максимальное и среднее значение.
шт ’ М тах
, М
Р кН
32
24
16
Р кН
Д
/ -Рп г\
/
—
1^1 3 < # 1с
\г-
М, Н м
800
600
400
200
200
М, Н м
Рис. 3. Переходной процесс изменения моментов сопротивления движению Мсл и Мсп, касательных сил тяги Рл и Рп забегающего и отстающего бортов при подворотах на гоне трактора Т-150-09 с плугом ПЛН-5-35 (и = 8,32 км/ч; Т = 0,2 с; V пр = 105 м-с)
М. Н-м
ч
1
5 10 15 20 25 30 Ям
3000
2250
1500
750
О
-750
-1500
Рис. 4. Зависимость крутящего момента (М) от радиуса поворота (Я) трактора Т-150-09 с нагрузкой на крюке 1500 Н со скоростью 5,9 км/ч
Анализ табл. 2 показывает, что при подворотах на гоне трактора Т-150-09 при агрегатировании с плугом ПЛН-5-35 элементы силовой передачи забегающего борта перегружены в среднем в 1,25... 1,3 раза в сравнении со средним значением крутящего момента и в 2,2.2,3 раза - карданы, в 1,5. 1,7 раза -полуоси в сравнении со значениями крутящего момента при установившемся движении трактора без подворотов. На отстающем борту отмечены отрицательные значения крутящих моментов элементов силовой передачи, составляющие 20.25 % от средних значений.
При поворотах трактора в конце гона, который может выполняться с тяговой нагрузкой на крюке, нагруженность элементов силовой передачи существенно зависит от радиуса поворота (рис. 4).
С уменьшением радиуса поворота нагружен-ность элементов силовой передачи увеличивается, например, при повороте трактора Т-150-09 с радиусом Я = 5 м крутящий момент на полуоси забегающего борта равен М3 = =3100 Н-м, а отстающего М0 = - 1350 Н-м.
При увеличении радиуса поворота до Я = 30 м имеем соответственно М3 = 1600 Н-м и М0 = - 500 Н-м, т.е. с увеличением радиуса поворота на 1 м нагрузка на забегающей полуоси трактора уменьшается на 60 Н-м.
Выводы
1. При подворотах гусеничного трактора с тяговой нагрузкой элементы силовой передачи забегающего борта в промежутке времени
0.2,5 с перегружены в 1,5.2,3 раза в сравнении со значениями крутящего момента при установившемся движении. На отстающем борту отмечены кратковременные отрицательные крутящие моменты, не превышаю-
щие по своей величине среднего момента при установившемся движении трактора.
2. При поворотах гусеничного трактора с тяговой нагрузкой с увеличением радиуса поворота на 1 м нагрузка полуоси забегающего борта уменьшается на 60 Н-м.
Литература
1. Анилович В.Я. Конструирование и расчет
сельскохозяйственных тракторов / В.Я. Анилович, Ю.Т. Водолажченко. -М. : Машиностроение, 1976. - 456 с.
2. Коденко М.Н. Динамика управления дви-
жением гусеничных тракторов / М.Н. Коденко. - Харьков : Вища школа, 1983. -128 с.
3. Иванцов В. Д. Резервы повышения эффек-
тивности гусеничного пахотного МТА /
B.Д. Иванцов, И. А. Долгов // Тракторы и сельхозмашины. - 2005. - № 4. -
C.15-17.
4. Гуськов В. В. Теория поворота гусеничных
машин / В.В. Гуськов, А.Ф. Опейко. -М. : Машиностроение, 1984. - 168 с.
5. Шипилевский Б. Б. Особенности динамики
неустановившегося поворота гусеничного трактора с разностно-скоростным механизмом / Б.Б. Шипилевский // Тракторы и сельхозмашины. - 1985. - № 5. -С.10-12.
6. ОСТ В3-5971-85. Метод расчета динами-
ческих процессов в МТУ в переходных режимах работы. Введ. 01.01.85. - М., 1985. - 12 с.
Рецензент: В.Д. Мигаль, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 апреля 2010 г.
