CC BY
60
17. Rogachev, A. Economic and Mathematical Modeling of Food Security Level in View of Import Substitution /A. Rogachev // Asian Social Science. - 2015. - Vol. 11. - №. 20. - P. 178-185.
18. Optimum control model of soil water regime under irrigation / A. S. Ovchinnikov, V. V. Borodychev, M. N. Lytov, V. S. Bocharnikov, S. D. Fomin, O. V. Bocharnikova, E. S. Vorontsova // Bulgarian Journal of Agricultural Science. - 2018. - № 24(5). - P. 909-913. - Retrieved from www .scopus.com.
E-mail: [email protected]
УДК 629.3.014.2:631.3 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-01-45
ОСОБЕННОСТИ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ КОЛЕБАНИЯ НАГРУЗКИ
FEATURES OF IMPROVEMENT OF MACHINE-TRACTOR UNIT DURING THE REDUCTION OF THE VIBRATION OF THE LOAD
Д.Д. Нехорошев, кандидат технических наук, доцент П.В. Коновалов, кандидат технических наук, доцент
А.Ю. Попов, кандидат технических наук, доцент Д.А. Нехорошев, доктор технических наук, профессор
D.D. Nekhoroshev, P.V. Konovalov, A.J. Popov, DA. Nekhoroshev,
Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University
Использование в сельскохозяйственном производстве энергонасыщенной техники способствует увеличению рабочих скоростей машинно-тракторных агрегатов, а соответственно и динамической нагруженности узлов и агрегатов трансмиссии трактора. Чем выше мощность и тяговый класс трактора, тем значительнее потери потенциальных возможностей на повышенных скоростях работы агрегата. Устранение негативных явлений использования повышенных скоростей движения МТА связано с необходимостью разработки специальных устройств, обеспечивающих качественное использование современной техники. Но для снижения динамической составляющей взаимодействия МТА с обрабатываемой поверхностью поля необходимо уменьшить мгновенное снижение скорости или её усреднённое значение при ударе. Устранить их полностью нельзя, но можно снизить влияние путём изменения взаимодействия соударяющихся тел, введя упругий элемент в систему навески. Упругая пневмогидравлическая навеска позволяет разделить на две части машинно -тракторный агрегат, добавляя степень свободы сельскохозяйственной машине. Эффективность упругого элемента в этом случае будет зависеть от степени снижения энергии импульса крюкового усилия. Также следует отметить, что упругие элементы в навесной системе трактора обеспечивают гашение колебаний крутящего момента двигателя и снижение удельного расхода топлива. На основе анализа проведенных научных исследований теоретического и экспериментального характера обосновывается положительное влияние упругой навески на формирование динамических показателей трактора, и в частности, на тяговое сопротивление и буксование, что в свою очередь повышает эффективность работы машинно-тракторного агрегата. Использование пневмогидравлического упругого элемента в механизме навесного устройства снижает коэффициент буксования на 12 -28 % в относительном измерении, увеличивает теоретическую и действительную скорости МТА. Экспериментальный материал доказал эффективность сочленения машины и трактора, обеспечивающего снижение расхода топлива, крюкового усилия, буксования ходовой системы и затрат энергии на выполнение заданных работ.
The use of energy-saturated machinery in agricultural production contributes to an increase in the operating speeds of the machine-tractor units, and, accordingly, the dynamic loading of the tractor transmission units and units. The higher the power and traction class of the tractor,
the greater the loss of potential at higher speeds of the unit. The elimination of the negative effects of the use of increased MTA speeds is associated with the need to develop special devices that ensure the qualitative use of modern technology. But in order to reduce the dynamic component of the interaction of the MTA with the field surface being treated, it is necessary to reduce the instantaneous decrease in velocity or its average value upon impact. They cannot be completely eliminated, but it is possible to reduce the effect by changing the interaction of the colliding bodies by introducing an elastic element into the hitch system. The elastic pneumohydraulic hitch allows the machine-tractor unit to be divided into two parts, adding the degree of freedom to the agricultural machine. The effectiveness of the elastic element in this case will depend on the degree of decrease in the pulse energy of the hook force. It should also be noted that the elastic elements in the hinged system of the tractor provide damping of engine torque fluctuations and reduction of specific fuel consumption. Based on the analysis of scientific studies of theoretical and experimental nature, the positive effect of the elastic hinge on the formation of dynamic indicators of the tractor, and in particular, on the traction resistance and skidding, which in turn increases the efficiency of the machine-tractor unit. The use of a pneumohydraulic elastic element in the mechanism of a hinged device reduces the slip ratio by 12-28% in relative measurement, and increases the theoretical and actual speed of the MTA. Experimental material proved the efficiency of the articulation of the machine and the tractor for reducing fuel consumption, hook effort, slipping of the undercarriage system and energy costs for the specified work.
Ключевые слова: машинно-тракторные агрегаты, колесные тракторы, упругий элемент, упругая связь, пневмогидравлические навески, колебания нагрузки, буксование.
Key words: machine-tractor unit; a wheeled tractor elastic element; elastic connection; hydraulic linkage; load fluctuations; slippage.
Введение. Трансмиссия движущегося трактора подвержена влиянию периодически изменяющегося момента сопротивления на полуосях ведущих колёс [13, 14], поэтому эксплуатация МТА в условиях сельскохозяйственного производства является совокупностью непрерывно чередующихся переходных процессов [3, 4]. Все это неизбежно приводит к ухудшению эксплуатационных показателей МТА [8, 11], снижению эффективности их применения [9, 10].
Существенным фактором в решении данной проблемы является разработка и совершенствование техники за счёт использования новых технических решений, таких как установка упругих элементов в системе передачи энергии МТА: в трансмиссии трактора [5], на ведущих колесах [12], в навесной системе [2], на рабочих органах [1].
В работах [15, 16] обоснован и исследован способ уменьшения динамической нагрузки трансмиссии на примере гусеничного трактора с помощью изменения крутильной жесткости реактивного элемента. На основе вычислительного моделирования было установлено, что при продольном движении с нагрузкой и без нагрузки на крюке снижение отношения максимального крутящего момента к среднему составляет 20 %. В устойчивом повороте с нагрузкой и без нагрузки на крюке на различных скоростях и на различных радиусах поворота, отношение максимального крутящего момента к среднему моменту уменьшается на 25 %. В режимах с наибольшей динамической нагрузкой, таких как вход в поворот и выход из поворота, отношение максимального крутящего момента к среднему уменьшается на 20-35 %.
Наиболее универсальным местом установки упругого элемента в сельскохозяйственном МТА, на наш взгляд, является навеска трактора.
С точки зрения улучшения работы двигателя и механизмов трансмиссии представляет интерес вопрос влияния пневмогидравлических упруго-демпфирующих элементов силовой передачи на снижение колебаний валов трансмиссии и двигателя, а также на качество выполнения технологических процессов МТА [3].
Материалы и методы. Снижение динамической нагруженности и повышение производительности МТА при одновременном снижении расхода топлива и повышении долговечности трансмиссии, можно обеспечить стабилизацией нагрузочных режимов как на установившемся режиме, так и на режиме разгона МТА путём использования в конструкции трактора эластичных элементов [1, 5, 10, 12].
С этой целью нами была создана навеска трактора с упругой связью, включающая упругий элемент пневмогидравлического типа, состоящий из пневмогидроаккуму-лятора мембранного типа и гидроцилиндра, включённых в гидросистему колесного трактора класса 1,4.
Звеном, воспринимающим нагрузку во время работы МТА, является дополнительный гидроцилиндр 2 навесного устройства, который располагается горизонтально (рисунок 1), он позволяет воспринимать полностью всю нагрузку. Штоковая полость 3 гидроцилиндра соединяется с жидкостной полостью пневмогидравлического аккумулятора 6 и магистралью 7 с гидрораспределителем трактора. Верхние 1 и нижние тяги 4 состоят из двух полутяг, которые соединёны между собой шарнирно и могут перемещаться в вертикальной плоскости.
Навеска трактора работает следующим образом. Перед началом работы включается распределитель и от гидросистемы трактора по магистрали 7 в жидкостную полость гидропневмоаккумулятора 6 нагнетается масло и устанавливается необходимое давление, соответствующее виду работы. Это давление присутствует также и в штоко-вой полости 3 гидроцилиндра 2.
Во время работы трактора с сельскохозяйственной машиной усилие передается на треугольник 5, при этом нижние тяги 4 выпрямляются, и растягиваются верхние тяги 1. Шток гидроцилиндра 2 вытягивается, увеличивая давление в штоковой полости 3 и в жидкостной полости гидропневмоаккумулятора 6. В гидропневмоаккумуляторе 6 энергия накапливается. В момент, когда сопротивление почвы уменьшается, накопленная энергия из гидропневмоаккумулятора 6 возвращается в гидроцилиндр 2, тем самым уменьшая колебания крюковой нагрузки. Так как на навеску действует при работе постоянно изменяющаяся нагрузка, то данные процессы будут чередоваться, уменьшая амплитуду колебаний нагрузки на крюке. Данная конструкция навески трактора позволяет вести работу с валом отбора мощности и не требует переоборудования при замене навесных орудий на прицепные.
Рисунок 1 - Упругая навеска трактора: 1 - верхние тяги; 2 - гидроцилиндр; 3 - штоковая полость; 4 - нижние тяги; 5 - треугольник сцепного устройства; 6 - гидропневмоаккумулятор; 7 - гидравлическая магистраль соединения с гидрораспределителем трактора
Улучшение работы машинно-тракторного агрегата за счет снижения колебания нагрузки подтверждается при исследовании математической модели колёсного МТА [6, 7] и экспериментами, проведёнными в поле в условиях эксплуатации. Полевые эксперименты проводились на светло-каштановых типичных почвах на трех сельскохозяйственных операциях при различных агрофонах: вспашка многолетней залежи, культивация пара и сев на мягкой почве. Экспериментальные данные были обработаны методом быстрого преобразования Фурье.
Результаты и обсуждение. Было выявлено, что пневмогидравлическая навеска значительно сглаживает колебания действительной и теоретической скорости, крюкового усилия и соответственно буксования трактора.
Величина горизонтальной составляющей тягового усилия записывалась непрерывно в виде кривой и затем подвергалась обработке методом быстрого преобразования Фурье. Из полученных спектральных плотностей вытекает, что при использовании упругой навески происходят два основных энергетических всплеска, которые находятся: первый - на частотах 0,1-0,2 Гц и второй - на частотах 0,5-0,7 Гц. При работе с упругой навеской общий уровень колебаний значительно снижается. При разделении массы агрегата изменяется собственная частота колебаний сельскохозяйственной машины и, тем самым, снижается нагруженность. Первый всплеск уменьшается по амплитуде и является результатом нестационарности процесса, то есть возникает от неполного копирования сельхозмашиной поверхности поля из-за своих конструктивных особенностей. На вспашке первый всплеск значительно уменьшается (рисунок 2).
5Ркр №,Н- Гц
зооо
2000
1000
о
о 2 4 б 8 х, Гц
--серийная навеска; ---упругая навеска
Рисунок 2 - Спектральная плотность горизонтальной составляющей тягового усилия на вспашке
Такая же тенденция наблюдается при исследовании скорости движения и буксования трактора [2]. Спектральная плотность теоретической скорости движения имеет один ярко выраженный пик на низкой частоте, у действительной скорости спектральная плотность имеются два пика. При использовании упругой связи, по сравнению с жесткой, данные пики также снижаются. Максимальные значения находятся в узкой полосе частот - от 0 до 3 с-1, то есть при использовании упругой связи значительно снижается уровень низких спектров. Причём такой же эффект наблюдается и в области более высоких частот как на спектральной плотности коэффициента буксования, так и на теоретической и действительной скоростях движения и крюковом усилии трактора.
Анализ результатов эксперимента показывает, что установка упругого элемента в механизм навески снижает коэффициент буксования примерно на 13 % в относительном измерении, увеличивает теоретическую и действительную скорости, что, соответственно, ведет к увеличению несущей способности почвы (рисунок 3).
5,% 18
16
14
12
10
8 -
7 8 9 10 11 12 Ркр, кН -серийная навеска; ---упругая навеска
Рисунок 3 - Зависимость буксования от тягового усилия
Упругая пневмогидравлическая навеска позволяет сельскохозяйственной машине изменять свою координату относительно трактора (приближаться и удаляться от него) и, таким образом, появляется дополнительная степень свободы. Масса машинно-тракторного агрегата разделяется на две части: масса трактора и масса сельхозмашины. При этом колебания линейной скорости относительно среднего значения у сельхозмашины увеличиваются на величину перемещения штока гидроцилиндра упругого элемента, а у трактора уменьшаются.
По предварительным расчётам и поисковому эксперименту были определены оптимальные жёсткости упругого элемента для трех видов работ, критерием оптимальности служило снижение колебаний коэффициента буксования и тягового усилия, а также уменьшение их средних значений. Сравнительные эксплуатационно-технологические испытания показали, что вследствие повышения равномерности нагрузочного режима двигателя и уменьшения буксования улучшаются показатели МТА, особенно это видно на почвенных фонах с пониженной твердостью и вязкостью.
Заключение. Применение упругого элемента в навеске способствует уменьшению амплитуды колебаний коэффициента буксования, теоретической и действительной скоростей машинно-тракторного агрегата, что обеспечило улучшение взаимодействия рабочих органов сельхозмашин и ходовых систем тракторов с почвой. Основными причинами этому явились снижение крюковой нагрузки трактора и его колебаний. Более равномерное распределение нагрузки в трансмиссии позволяет стабилизировать нагрузочный режим двигателя, обеспечить снижение удельного расхода топлива и повысить долговечность деталей. Кроме этого, энергия, накопленная упругим элементом, воздействуя на сельхозмашину, помогает разрушить почвенную структуру при её обработке.
Таким образом, применение упругой связи положительно сказывается на режимах работы колёсного МТА, снижает динамическую нагруженность трансмиссии трактора, улучшает работу сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата за счет снижения колебания нагрузки. Кроме этого, следует отметить, что применение упругих элементов на агрегате содействует увеличению средней скорости МТА, повышению производительности и улучшению экономических показателей.
Библиографический список
1. Гапич, Д.С. Динамика движения упруго закрепленного рабочего органа культиватор-ного МТА [Текст] / Д.С. Гапич, С.Д. Фомин, Е.В. Ширяева // Тракторы и сельхозмашины. -2017. - № 10. - С. 28-32.
2. Кузнецов, Н.Г. Автоматизация расчета технических характеристик горизонтальных стабилизаторов нагрузки МТА [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. - № 4. - С. 36-38.
3. Нехорошев, Д.Д. Использование гидравлического насоса в качестве блокирующего устройства планетарной муфты сцепления [Текст] / Д.Д. Нехорошев, Д.А Нехорошев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2015. - №4. - С. 21-23.
4. Нехорошев, Д.Д. Планетарная муфта сцепления с регулируемым объёмом упругого элемента [Текст] / Д.Д. Нехорошев, Д.А Нехорошев // Сельский механизатор. - 2016. - №7. - С. 10-11.
5. Нехорошев, Д.Д. Расширение функциональных возможностей пневмогидравлического упругого элемента в конструкции планетарной муфты сцепления [Текст] / Д.Д. Нехорошев, Д.А Нехорошев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2016. - №3. - С. 29-32.
6. Фомин, С.Д. Математическая модель для исследования неустановившегося криволинейного движения погрузочно-транспортного агрегата [Текст] / С.Д. Фомин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2017. - № 1 (45). - С. 234-245.
7. Фомин, С.Д. Моделирование динамики взаимодействия масс подсистемы «трактор-прицеп» для неустановившегося криволинейного движения [Текст] / С.Д. Фомин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 4 (28). - С. 202-207.
8. Фомин, С.Д. Оценка влияния жесткости трансмиссии на устойчивость неуправляемого движения МТА с различным типом кинематической связи ведущих колес [Текст] / С.Д. Фомин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 1 (25). - С. 155-160.
9. Фомин, С.Д. Рациональный тип привода и кинематической связи ведущих колес трактора [Текст] / С.Д. Фомин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 3 (27). - С. 213-219.
10. Фомин, С.Д. Стабилизация курсовой устойчивости управляемого движения машинно-тракторного агрегата / С.Д. Фомин, В.И. Пындак, Д.С. Гапич // Тракторы и сельхозмашины. -2015. - № 10. - С. 13-17.
11. Фомин, С.Д. Устойчивость движения транспортного агрегата с пневмогидравличе-ским упругодемпфирующим приводом ведущих колес [Текст] / С.Д. Фомин, В.И. Аврамов // Механизация и электрификация с.-х. - 2004. - № 8. - С. 17-19.
12. Фомин, С.Д. Энергоэффективность машинно-тракторного агрегата на переходных режимах [Текст] / С.Д. Фомин, В.И. Аврамов, Д.С. Гапич и др. // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2017. - № 1 (31). - С. 2-7.
13. Energy and agrotechnical indicators in the testing of machine-tractor units with subsoiler [Texst]/ A. S. Ovchinnikov, A. S. Mezhevova, A. E. Novikov et al. // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2017. - №12(24). - Р. 7150-7160.
14. Some ways to reduce the dynamic loads of agricultural machine-tractor aggregates [Texst]/ A.S. Ovchinnikov, N.G. Kuznetsov, D.D. Nekhoroshev et al. // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2018. - №13(22). - Р. 8776-8779.
15. Shekhovtsov, V.V. Decreasing of the Dynamic Loading of Tractor Transmission by means of Change of the Reactive Element Torsional Stiffness [Texst] /V.V. Shekhovtsov, N.S. Sokolov-Dobrev, P.V. Potapov //International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016 Procedia Engineering. - 2016. №150. - Р. 1239-1244.
16. Influence of elements dynamic cohesiveness in power shafting on torsional vibrations spreading and dynamic equality of reducible model [Texst]/V. Shehovtsov, N. Sokolov-Dobrev, M. Lyashenko et al. // Mechanika. - 2014. - Vol. 20(2). - Р. 190-196.
Reference
1. Gapich, D. S. Dinamika dvizheniya uprugo zakreplennogo rabochego organa kul'tiva-tornogo MTA [Tekst] / D. S. Gapich, S. D. Fomin, E. V. Shiryaeva // Traktory i sel'hozmashiny. -2017. - № 10. - P. 28-32.
2. Kuznecov, N. G. Avtomatizaciya rascheta tehnicheskih harakteristik gorizontal'nyh stabili-zatorov nagruzki MTA [Tekst] / N. G. Kuznecov, D. S. Gapich // Traktory i sel'hozmashiny. - 2014. -№ 4. - P. 36-38.
3. Nehoroshev, D. D. Ispol'zovanie gidravlicheskogo nasosa v kachestve blokiruyuschego ustrojstva planetarnoj mufty scepleniya [Tekst] / D. D. Nehoroshev, D. A Nehoroshev // Mehanizaciya i jelektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 2015. - №4. - P. 21-23.
4. Nehoroshev, D. D. Planetarnaya mufta scepleniya s reguliruemym ob'jomom uprugogo jel-ementa [Tekst] / D. D. Nehoroshev, D. A Nehoroshev // Sel'skij mehanizator. - 2016. - №7. - P. 10-11.
5. Nehoroshev, D. D. Rasshirenie funkcional'nyh vozmozhnostej pnevmogidravlicheskogo uprugogo jelementa v konstrukcii planetarnoj mufty scepleniya [Tekst] / D. D. Nehoroshev, D. A Nehoroshev // Mehanizaciya i jelektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 2016. - №3. - P. 29-32.
6. Fomin, S. D. Matematicheskaya model' dlya issledovaniya neustanovivshegosya krivol-inejnogo dvizheniya pogruzochno-transportnogo agregata [Tekst] / S. D. Fomin // Izvestiya Nizh-nevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -2017. - № 1 (45). - P. 234-245.
7. Fomin, S. D. Modelirovanie dinamiki vzaimodejstviya mass podsistemy "traktor-pricep" dlya neustanovivshegosya krivolinejnogo dvizheniya [Tekst] / S. D. Fomin // Izvestiya Nizhnevolzh-skogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2012. - № 4 (28). - P. 202-207.
8. Fomin, S. D. Ocenka vliyaniya zhestkosti transmissii na ustojchivost' neupravlyaemogo dvizheniya MTA s razlichnym tipom kinematicheskoj svyazi veduschih koles [Tekst] / S. D. Fomin // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2012. - № 1 (25). - S. 155-160.
9. Fomin, S. D. Racional'nyj tip privoda i kinematicheskoj svyazi veduschih koles traktora [Tekst] / S. D. Fomin // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2012. - № 3 (27). - P. 213-219.
10. Fomin, S. D. Stabilizaciya kursovoj ustojchivosti upravlyaemogo dvizheniya mashinno-traktornogo agregata / S. D. Fomin, V. I. Pyndak, D. S. Gapich // Traktory i sel'hozmashiny. - 2015. -№ 10. - P. 13-17.
11. Fomin, S. D. Ustojchivost' dvizheniya transportnogo agregata s pnevmogidravlicheskim uprugodempfiruyuschim privodom veduschih koles [Tekst] / S. D. Fomin, V. I. Avramov // Mehanizaciya i jelektrifikaciya s.-h. - 2004. - № 8. - P. 17-19.
12. Fomin, S. D. Jenergo]ffektivnost' mashinno-traktornogo agregata na perehodnyh rezhimah [Tekst] / S. D. Fomin, V. I. Avramov, D. S. Gapich i dr. // Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta MAMI. - 2017. - № 1 (31). - S. 2-7.
13. Energy and agrotechnical indicators in the testing of machine-tractor units with subsoiler [Texst]/ A. S. Ovchinnikov, A. S. Mezhevova, A. E. Novikov et al. // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2017. - №12(24). - Р. 7150-7160.
14. Some ways to reduce the dynamic loads of agricultural machine-tractor aggregates [Texst]/ A.S. Ovchinnikov, N.G. Kuznetsov, D.D. Nekhoroshev et al. // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2018. - №13(22). - Р. 8776-8779.
15. Shekhovtsov, V.V. Decreasing of the Dynamic Loading of Tractor Transmission by means of Change of the Reactive Element Torsional Stiffness [Texst] /V.V. Shekhovtsov, N.S. Sokolov-Dobrev, P.V. Potapov //International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016 Procedia Engineering. - 2016. - №150. - Р. 1239-1244.
16. Influence of elements dynamic cohesiveness in power shafting on torsional vibrations spreading and dynamic equality of reducible model [Texst]/V. Shehovtsov, N. Sokolov-Dobrev, M. Lyashenko et al. // Mechanika. - 2014. - Vol. 20(2). - Р. 190-196.
E-mail: [email protected]
