Шина как упругодемпфирующее звено сельскохозяйственного трактора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Артобалевский, И.И. Теория механизмов и машин / И.И. Артобалевский.-Москва: Наука, 1975. - 639 с.

2. HTTP://RU.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/BAP^TOP.

3. http://cars.panick.ru/howitworks/cvt/troubles.

4. HTTP://MOIKOMPAS.RU/COMPAS/VARIATOR.

5. HTTP://AMASTERCAR.RU/ARTICLES/TRANSMIS SION_OF_CAR_11.SHTML.

Сведения об авторах

Хижняк Владимир Иванович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Механизация растениеводства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зер-ноград). Тел. 8(86359) 43-7-77.

Яценко Петр Леонидович - студент Азово-Черноморской государственной агроин-женерной академии (г. Зерноград).

Information about the authors

Hizhnyak Vladimir Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of mechanization for crop production, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-7-77.

Yatsenko Piotr Leonidovich - student, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

УДК 629.1.02

ШИНА КАК УПРУГОДЕМПФИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ТРАКТОРА

© 2010 г. В.Г. Яровой, А.П. Шарапов

Разработана математическая модель системы колесо-шина-почва-остов машины. На ее основе произведен расчет параметров шины, определяющих ее свойства как упруго-демпфирующего звена силовой передачи трактора. Показана возможность реализации оптимальных параметров на примере шины с диагонально-параллельным строением оболочки.

Ключевые слова: свойства шины, математическая модель, упругодемпфирующее звено, диагонально-параллельное строение, оптимизация параметров.

The authors developed the mathematical formulation of the wheel-tire-soil-frame car system. The calculation of the parameters of a tire showed that it can be considered as an elastic damping part of farm tractor power train. A bias parallel tire is given as an example to show the possible realization of optimal parameters.

Key words: properties of a tire, mathematical formulation, elastic damping part, bias parallel structure, parameter optimization.

Одним из способов снижения энерго- колебательных процессов в силовой переда-

затрат при работе машинно-тракторного аг- че трактора, так как энергия на эти процессы

регата является уменьшение интенсивности поступает в конечном итоге от двигателя [1].

В результате двигатель будет работать в более стабильном и, значит, выгодном режиме, а динамические процессы, потребляющие дополнительную энергию, в звеньях агрегата будут сведены к минимуму.

Среди разных способов решения задачи - установка в силовой передаче, в том числе и на оси ведущих колес трактора специальных упругодемпфирующих механизмов, может быть предложен следующий вариант. Суть его для колесного трактора заключается в использовании основного свойства пневматических шин, ради которого они и созданы - способности их к деформированию под действием приложенных к ним сил. Это приобретает особое значение и в связи с тем, что шина является замыкающим звеном при реализации силы тяги от преобразованного силовой передачей момента двигателя и одновременно звеном, прежде всего воспринимающим внешнее воздействие от рабочих органов машины-орудия. Цель работы и за-

ключается в обосновании упругодемпфи-рующих свойств шины, при которых энергия колебательных процессов будет минимальной.

Это может быть при таком качестве переходных колебательных процессов, когда их затухание происходит по оптимальному закону. Для решения поставленной задачи воспользуемся интегральной квадратичной оценкой переходных процессов 10 [2]:

10 = | х2 (ґ )<3ґ,

где х(ї) - импульсная переходная функция.

Необходимо установить те свойства шины, при которых /0 минимально.

Схема сил и моментов, действующих на ведущее колесо с шиной при неравномерном движении по горизонтальному опорному основанию, представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема сил и моментов, действующих на ведущее колесо с деформируемой шиной при неравномерном движении по горизонтальной деформируемой поверхности

0

На схеме Мк - крутящий момент на оси ведущего колеса; Хк - реактивная, толкающая сила, возникающая в пятне контакта ведущего колеса с почвой [1]; Я - сила сопротивления движению, учитывающая технологическое сопротивление рабочей машины-орудия и сопротивление качению

ведомых колес трактора, преодолеваемая одним ведущим колесом; Gк - сила тяжести от массы, приходящейся на ось колеса;

Ук - вертикальная составляющая реакции опорного основания; ак - плечо действия; г - силовой радиус колеса с достаточной точностью равный радиусу качения в сво-

бодном режиме [3]; р - сила инерции поступательной массы агрегата, приходящаяся на одно ведущее колесо; М - инерциальный момент на ведущем колесе.

Шина с продольной жесткостью с и демпфированием а воспринимает крутящий момент ведущего колеса Мк и в результате реализует при взаимодействии с почвенным опорным основанием толкающую силу Хк = сХ + аХ, где X - ее продольная деформация. Реакция Ук на плече ак дает момент сопротивления качению М/= Ук ак. Тогда шина как звено динамической системы колесо-шина-почва-остов машины будет представлена в дифференциальных уравнениях системы следующим образом:

• •

/к а к + (а Х+ сХ)г = Мк - Мг,

V -®к г + х+рх = о, (1)

••

т V - (а Х+ сХ) = - Я,

где 1к и Ы{ - моменты инерции и сопротивления качению ведущего колеса; т - масса агрегата, приходящаяся на одно ведущее колесо; V - скорость движения колеса; в - экспериментальный коэффициент, учитывающий буксование колеса.

Уравнения системы (1) получены по методике МАДИ [4], где рассмотрены равновесие моментов и сил и кинематические связи, дополненные составляющей от буксования колеса по почве.

После преобразования Лапласа уравнения примут вид:

1 к Р®к (р) + г(ар + с)Х(р) = М (р);

<V(р) - гак (р) + (р + Р)Х(р) = 0;

mpV(р) - (ар + с)Х(р) = Я(р),

и, следовательно, передаточные функции от внешних для шины воздействий Ми Я для соответствующих показателей V и ю будут равны:

К (р) =

в(р)

А(р)

и (р)=

В(Р)

А(Р)

(2)

где

А( Р) =

/кр (ар + с)г 0 - г р + Р 1

0 - (ар + с) тр

1 к Р (аР + с)г 1 о (ар + с)г о

В(Р) = - г Р + Р о = о Р + р 1

о - (ар + с) о 1 - (ар + с) тр

= Р(а2 р 2 + аіР+ао);

= ЬіР + Ъо

(3)

(4)

Таким образом, (р) = (р), что

свидетельствует о равноценном прохождении через звено «шина» воздействий и от силовой передачи М, и от рабочей машины Я. Один из полюсов передаточных функций, равный нулю, когда остальные, безусловно, являются отрицательными или вещественная часть их отрицательная, показывает, что по отношению к скорости движения агрегата или к угловой скорости оси колеса рассматриваемая система не-

асимптотически устойчива. То есть при переходе на новый уровень М или Я система приобретает новые равновесные значения, отличные от прежних.

Согласно уравнениям (2) и формуле для определения интегральной квадратичной оценки переходных процессов [2] получим

/ о =

1

2а2

Ч2 4+ -2 - 7 7 л

-°—1------— - 2--

\

-

о

у

где

- о =

ао - а2

а.

-1 =

ап

а.

- 2 =

ап

а.

о ап

а - а2

о

Следовательно,

1о 2а2

Ь0 (а0а2 + а1) + Ь а0

аа

-

Приравнивая нулю частную производную /0 по а1 содержит искомый параметр а:

д1п

( А2

да 2а2

2

Ь0 Ь0 а2 + Ь1 а0

V ао

а

= 0

и, учитывая зависимости (3) и (4), после соответствующих преобразований, запишем:

а = — 2

с I к тР

Р 1К + тг2

(5)

1

1

Таким образом, формула (5) показывает оптимальное соотношение коэффициентов продольного демпфирования а и продольной жесткости с шины, при котором колебательные процессы в рассматриваемой динамической системе будут сопровождаться минимальными потерями энергии тракторного двигателя.

Решение поставленной задачи выполним на конкретном примере машиннотракторного агрегата, который состоит из трактора типа МТЗ-80 и культиватора или зерновой сеялки. Параметры агрегата, соотнесенные с одним ведущим колесом трактора, известны: 1=60 кгм ; т=1400 кг; г=0,72 м; в=25 [5]. Значением коэффициента продольной жесткости шины с следует задаться, исходя из допустимой по соображениям ресурса величины деформации шины в этом направлении. Она не должна превышать 10% от прогиба шины в радиальном направлении. Для шины размера 16,9Я30, прогиб которой ограничен 8590 мм, максимальная продольная деформация составляет 9 мм, что означает реализацию необходимой силы тяги колеса 9 кН при с=1000 кН/м.

Вычисление оптимального коэффициента продольного демпфирования шины по формуле (5) дает результат а = 18,66 кНс/м. Возможность реализации пред-ла-

гаемых значений с и а показывают результаты исследований в работе [5]. Произведено сравнение двух вариантов шин ведущих колес трактора: серийных радиальной конструкции 16,9Я30 и опытных того же размера, но диагонально-параллельного строения оболочки. У первого варианта с=880 кН/м, а=2,06 кНс/м, у второго с=1200 кН/м, а= 14,42 кН с/м. Оказалось, что величины спектральных плотностей колебательного процесса изменения скорости движения агрегата существенно различаются между собой при указанных вариантах (рис. 2).

Меньшая величина спектральной плотности соответствует варианту комплектования колес диагонально-параллельными шинами, что дает лучшее приближение к указанным оптимальным значениям а и с. То есть в этом случае частотная функция для средних значений квадратов амплитуд гармоник, на которые может быть разложен случайный процесс, свидетельствует о меньшей интенсивности колебаний и, значит, лучшей энергетике функционирования агрегата.

Обнаружена еще одна особенность. Шина, более отвечающая рекомендуемым упругодемпфирующим свойствам, является еще и своеобразным гасителем колебаний внешнего на агрегат воздействия [5].

Рис. 2. Спектральные плотности процесса изменения скорости движения агрегата

Таким образом, разработанная математическая модель динамической системы колесо-шина-почва-остов машины позволяет рассчитать оптимальные параметры упругодемпфирующих свойств шины как звена силовой передачи трактора. Реализация этих параметров может быть осу-

ществлена на основе конструкции шины с диагонально-параллельным строением оболочки. Шина приобретает свойства своеобразного гасителя колебаний, что способствует снижению энергозатрат при работе машинно-тракторного агрегата.

Литература

1. Кутьков, Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства / Г.М. Кутьков. - Москва: Колос, 2004. - 504 с.

2. Красовский, А.А. Основы автоматики и технической кибернетики / А.А. Красов-ский, Г.С. Поспелов. - Москва-Ленинград: Госэнергоиздат, 1962. - 600 с.

3. Яровой, В.Г. Совершенствование сельскохозяйственного колесного движителя: монография / В.Г. Яровой / Азово-Черноморская гос. агроинж. акад. - Зерноград, 2008. -158 с.

4. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель / А.А. Хачатуров, В.Л. Афанасьев, В.С. Васильев и др. - Москва: Машиностроение, 1976. - 535 с.

5. Пархоменко, С.Г. Совершенствование функционирования МТА с колесным трактором класса 1,4 на основе оптимизации параметров пневматических шин: дис. ... канд. техн. наук / С.Г. Пархоменко. - Зерноград, 1999. - 158 с.

Сведения об авторах Яровой Виктор Григорьевич - канд. техн. наук, профессор кафедры «Тракторы и автомобили» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерно-град). Тел. 8(86359) 43-6-51, 8-909-439-71-25.

Шарапов Андрей Петрович - аспирант кафедры «Тракторы и автомобили» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8-918-851-95-58. E-mail: [email protected].

Information about the authors Yarovoy Viktor Grigorievich - Candidate of Technical Sciences, professor of the department of tractors and automobiles, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zerno-grad). Phone: 8(86359) 43-6-51, 8-909-439-71-25.

Sharapov Andrey Petrovich - post-graduate student of the department of tractors and automobiles, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Phone: 8-918-851-95-58. E-mail: [email protected]

УДК 62-932.4 62-405.6

УПРУГИЕ СИЛЫ ЭЛАСТИЧНОГО СМЕСИТЕЛЯ КАК ВОЗМОЖНОСТЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ

© 2010 г. М.В. Суханова, К.А. Останин

Рассмотрено влияние упругих сил эластичного смесителя непрерывного действия на процесс формирования многокомпонентных сыпучих смесей при скатывании сыпучего тела по эластичной поверхности. Получена зависимость, определяющая влияние упругих сил эластичного смесителя на сдвиг слоев компонентов, обуславливающий процесс сме-сеприготовления.

Ключевые слова: смесеприготовление, эластичный, многокомпонентный, непрерывный, силы, смеситель, интенсификация.

It was examined the influence of the resilient forces of an elastic mixer with unbroken activity on the process of forming of multicomponent loose mixtures under a loose body rolling on the elastic surface. It has got the dependence determining the influence of the resilient forces of an elastic mixer on the resilient forces of inelastic mixer on the movement of component layers causing the mixture preparing process.

Key words: mixture preparing, elastic, multicomponent, unbroken, forces, a mixer, intensification.

Одним из важнейших направлений сельскохозяйственного производства является получение различного рода сыпучих многокомпонентных смесей (удобрений, кормовых и др.). Кормопроизводство является одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства.

Создание однородных кормовых смесей является весьма сложной технологической задачей, которая зависит от множества характеристик. Комплексная разработка оптимального технологического процесса на базе универсальных высокоэффективных аппаратов, экономически выгодных для фермеров, с выходом на качественные характеристики кормов, позволяющие повысить продуктивность живот-

новодства, является ключевой проблемой на сегодняшний день [1].

Принципиально важно учитывать то обстоятельство, что процесс кормопроизводства необходимо рассматривать не только в масштабах крупного животноводческого комплекса, но и в приложении к малым и фермерским хозяйствам, удельный вес которых в АПК составляет в среднем по России 27-29%.

В общем процессе производства продукции животноводства на долю кормов приходится более половины затрат в ее себестоимости. В связи с этим вопросы получения однородных кормосмесей, сбалансированных по питательным элементам, приобретают первостепенное значение [1].