Способ оценки энергетической нагруженности узлов и механизмов сельскохозяйственного трактора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 629.3.014.2:621.3

СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ УЗЛОВ И МЕХАНИЗМОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

ТРАКТОРА

Д.С. Гапич, кандидат технических наук, доцент Е.В. Ширяева, соискатель

ФГБОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

Увеличение доли тракторов высоких классов, обладающих сложным конструктивным исполнением, в значительной степени затрудняет проведение полевых испытаний и требует изыскания способов упрощения оценки их энергоэффективности при выполнении почвообрабатывающих операций с учетом местных условий эксплуатации.

Ключевые слова: энергетическая оценка, математическая модель МТА, динамические процессы МТА, крюковое усилие.

Важное значение в интенсификации производства и повышении производительности труда в сельском хозяйстве имеют

новыеэнергонасыщенныеполноприводные колесные тракторы высоких классов, способные выполнять технологические процессы с

широкозахватными машинами и совмещать выполнение нескольких операций за один проход по полю. Результаты поисковых

экспериментов, выполненные сотрудниками ВГСХА в 2008-2010 годах, показали, что используемые сегодня МТА в основном приспособлены к эффективному функционированию лишь в условиях, приближенных к статическим, при идеальной взаимосвязи параметров всех рабочих систем.

В решении задач эффективного машиноиспользования одной из важнейших является проблема оценки и повышения энергоэффективности МТА. К основным оценочным показателям, характеризующим в эксплуатации энергоэффективность МТА, следует отнести: коэффициенты полезного действия механических систем и агрегата; эффективную и тяговую мощности; коэффициент использования мощности двигателя;колебания угловой скорости коленчатого вала; скорость движения агрегата;коэффициент буксования, как показатель антиэкологических свойств трактора; производительность; удельные эксплуатационные затраты. Определяют эти показатели обычно по результатам полевых и тяговых испытаний, но получаемая при этом информация не обобщается до уровня математических моделей, что не позволяет использовать её за пределами условий, сопутствующих эксперименту. Снижение реальных характеристик МТА происходит по причине переменного характера

внешних воздействии, при этом нарушаются оптимальные взаимосвязи между отдельными составляющими МТА.

Вопросами прогнозирования эксплуатационных качеств МТА посвящены работы многих научных коллективов. Существующие подходы к их решению в большинстве случаев построены на математическом моделировании реальных процессов, протекающих в составных элементах МТА.

Большой вклад в развитие теории алгоритмизации функционирования МТА внесли ученые Санкт-Петербургской школы. Машинно-тракторный агрегат как потребитель механической энергии рассматривается ими в виде многомерной динамической системы (рисунок 1).

М1) МТА УзНІ,

хппУ

ХіІУ *г££С. |Уі(0 ХіТО УіГО х,(1) УіШ УіЩ

*г(Ч схм їіЦіїЙІ Сцепка У,(.і) хз(0 Трактор т

мГ ХдОГ Уілі.Г

б)

Рисунок 1 - Расчетная схема агрегата: а - общая; б - по принципу «вход X - выход У»

В основу построения математических моделей функционирования динамических систем положена информационная схема, где выходной вектор «7» зависит от входных векторов X, 11, 7 и свойств машины. Последние выражают оператором \У, который определяет, каким образом машина отрабатывает входные воздействия в выходные характеристики:

Г = II'[х. ( '. '/]

Наиболее просто строятся алгоритмы функционирования для одномерных динамических систем, когда предполагается, что на вход системы действует переменная Х^) = Ж[Х^)],

где IV- оператор одномерной системы.

Достоинством одномерных операторов является простота их вычислений, к недостаткам следует отнести ограниченность несущей информации, приводящей к приближенным результатам исследуемых процессов. Поэтому одномерные модели более целесообразны при изучении качественных характеристик исследуемых динамических процессов.

Широкое применение в практике исследований находят методы идентификации, базирующиеся на получении информации о входных и выходных процессах динамической системы в условиях нормального

функционирования машины. Согласно этому методу, на вход динамических систем МТА действуют стационарные, случайные процессы x(t), на выходе получают такого же характера процессы } (/). В частотной области связь между спектральными плотностями входногоsx и выходного^ процессов устанавливается через линейный оператор W, который представляет собойчастотную передаточную функцию от входного сигнала к исследуемому параметру:

sy = M2-v

Модели оценки динамического состояния МТА по передаточным функциям [4] в большинстве своем являются приближенными и в некоторых случаях не дают достаточно оснований для прогнозирования выходных процессов и управления ими в рядовой эксплуатации. Кроме того, к существенным недостатка данного метода стоит отнести громоздкость структурных схем передаточных функций и большой объем промежуточных вычислений.

Многие исследователи предлагают методики моделирования эксплуатационных параметров МТА применительно к заданным условиям функционирования. Однако полученные модели имеют ограниченный диапазон применения, так как представляют собой эмпирические зависимости, позволяющие прогнозировать изменение показателей эксплуатационных качеств составных элементов МТА в области, для которой получены многочисленные экспериментальные данные.

Таким образом, применяемые сегодня методики прогнозирования взаимосвязей показателей МТА чаще основаны на использовании зависимостей, описывающих характер формирования энергетических качеств МТА в условиях приближенных к стационарным, либо по данным трудоемких тягово-динамических испытаний. Учитывая, что в большинстве методик расчета используемый термин «тягово-динамические показатели» означает лишь то, что эти показатели относятся к характеристике объекта в связи с его движением, но сами показатели не отражают изменения поведения и характеристик трактора вследствие колебательных процессов, сопровождающих его работу в составе МТА. Получаемые при этом результаты не могут быть использованы для определения резервов повышения энергоэффективности МТА, находящихся в заданных условиях эксплуатации.

Поэтому возникает необходимость в разработке комплексного показателя, характеризующего динамичность процесса нагружения трактора в составе МТАпо результатам работы его в эксплуатационных условиях, и математической модели определения по реализации данного показателя основных эксплуатационных свойств трактора.

На основании изучения методов исследования МТА было установлено, что энергетическую оценку трактора при выполнении различных сельскохозяйственных операций оценивают путем

измерения в точках: 1 - на выходном конце коленчатого вала; 2 - на валу привода ведущих элементов движителя; 3 - на месте соединения трактора с сельскохозяйственным орудием (рисунок 2). Для сравнительных испытаний все эти три места оценки агрегата в качественном отношении равноценны. Выбор того или иного места измерения должен определять только простотой его осуществления в определенных условиях эксплуатации. Увеличение доли тракторов более высоких классов, обладающих массивными узлами, деталями, сложным конструктивным исполнением, в значительной степени затрудняет проведение практических исследований МТА. С этой точки зрения, наиболее целесообразно в качестве комплексного показателя, характеризующего энергетические и динамические свойства трактора в составе МТА в заданных условиях эксплуатации, использовать реализацию только крюкового усилия }).о = f(t), регистрация которой в

процессе эксперимента не представляет серьезной сложности, по сравнению с другими параметрами.

При наличии характеристик отдельных узлов трактора выявление связей между реализацией р = /'(/) и параметрами

энергетической нагруженности отдельных узлов и механизмов трактора должно определяться математической моделью, которая системой дифференциальных уравнений может устанавливать изменения в преобразовании потока энергии от двигателя к движителям в зависимости от характера входного сигнала р = /(/).

з -

р %

кр

щ

9

Т 1 1Щ, ^

'I J |-| ч

[т 1 1

m

ч

Рисунок 2 - Принципиальная схема МТА

Согласно [2, 3], колесный МТА, работающий с переменной нагрузкой на крюке, можно представить в виде четырех отдельных масс, подчиняющихся общему закону движения: поступательно

движущаяся масса сельскохозяйственной машины; поступательно движущаяся масса трактора; коленчатый вал двигателя с трансмиссией

и колесами; часть массы почвы, деформирующаяся в горизонтальном направлении под действием ведущего колеса трактора.

Прямолинейное движение по полю представленной группы описывается следующей системой уравнений:

сГУ„

{с,м+к,м)-ркр =

т„

кр

UI

dVm

21> + 2 Рп -((С,М + К,М) = ттп ■

т2 п\ \ г г / тр

тр

2Р r0 2Р г

___ 2 °2 ___ Щ. °1

71 i Г] i

• тр тр2 imp тр1

dV„

2Л2 2J*.

Л

(1)

М .2 -2

^тр2 ^ тР\ J

dcok

Р — Р — ТУ1

щ „ „ л

где с ~ жесткость упругого элемента в прицепном устройстве; Дг - изменение деформации упругого элемента в прицепном устройстве; К - коэффициент демпфирования упругого элемента;»? - масса сельхозмашины;- масса трактора; т - масса «почвенного

сх тр а

кирпича»; - действительная скорость с/х машины;!’ - действительная скорость

трактора; Р т ,Рт ~ толкающее усилие, приложенное к рукаву полуоси трактора и являющееся полезной составляющей теоретической касательной силы ведущего колеса; J , © - момент

инерции и угловая скорость ведущего колеса;/ - передаточное число трансмиссии;/^, VN -

сила сопротивления и скорость горизонтального смятия почвы; г0 , г0 - радиусы колёс; Jм . -момент инерции; Мдв - момент двигателя; ^ -к.п. д. трансмиссии; р - крюковое усилие.

Числовое решение системы дифференциальных уравнений(1) позволит исследовать энергетические показатели трактора(буксование (%); частота вращения коленчатого вала (мин"');поступательная скорость движения (м/с); мощность, затрачиваемая на буксование и движение трактора; механические потери в трансмиссии (кВт);эффективная мощность двигателя (кВт); коэффициент загрузки двигателя (%)),а также определить его эксплуатационныехарактеристики, такие как производительность (га/ч), часовой (кг/ч) и погектарный (кг/га) расход топлива).

Библиографический список

1. Кузнецов, Н.Г. Стабилизация режимов работы скоростных машинно-

тракторных агрегатов. [Текст]: монография / Н.Г. Кузнецов. - Волгоград: Волгогр. гос. с.-х. акад., 2006. -424 с.

2. Кузнецов, Н.Г. Теория тягового баланса энергонасыщенных колесных

тракторов при работе на тяжелых почвах засушливых зон. [Текст]: учебное пособие / Н.Г. Кузнецов. - Волгоград : Волгогр. гос. с.-х. академ., 2004. - 140 с.

3. Лурье, А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов

[Текст] / А.Б. Лурье.-2-е изд., перераб. и доп.-М. : Колос, 1981.-382 с.

4. Кузнецов, Н.Г. Снижение динамической нагруженности машинно-

тракторного агрегата [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, A.B. Шишкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - № 2. - С. 18.

E-mail: el.shiriaeva@gmail.com