CC BY
54
УДК 631.3.072
И.Е. Донцов
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
В статье проанализированы дифференциальные уравнения свободных колебаний навесных орудий в горизонтальной плоскости. Описаны схемы агрегатирования фронтальных и задних навесных орудий, обеспечивающие устойчивость движения.
Ключевые слова: агрегат, орудие, устойчивость, свободные колебания.
STABILITY AUGMENTATION DEVICES OF COMBINED MACHINE-TRACTOR UNIT MOTION
The differential equations of the free fluctuations of attached instruments in the horizontal plane are analyzed in the article. The aggregation diagrams of frontal and rear attached instruments ensuring stability of motion are described.
Key words: aggregate, instrument, instrument, free fluctuations.
Для снижения антропогенного влияния и повышения эффективности работ, как в растениеводстве, так и на лесовосстановлении, используют комбинированные МТА с орудиями фронтальной и задней навески. Основным условием их работоспособности является устойчивое движение машин и орудий относительно трактора при получении конечных возмущений.
В статье проанализированы дифференциальные уравнения колебаний фронтальных и задних навесных орудий. На основании анализа описаны устройства для повышения устойчивости движения комбинированных МТА.
Расчетная схема фронтально-навесного орудия показана на рисунке 1. Принято допущение, что колебания орудия малы и происходят в горизонтальной плоскости XoYo, которая движется по неподвижной плоскости XY равномерно и прямолинейно со скоростью Уо вместе с центром тяжести трактора - точка О. На схеме обозначено: ф1, ф2, - углы поворота, соответственно, навесного устройства и орудия; R, MD - главный вектор и главный момент сил сопротивления орудия с центром приведения в точке О; PL = I - расстояние от точки Р присоединения тяг навески к трактору до оси подвеса орудия, на которой находится точка Ц LS = s - расстояние от точки L до центра тяжести орудия (ЦТО) - точка 5; LD = d - расстояние между точками L и О; Уо - скорость точки О в плоскости ХУ; 5 - угол между вектором скорости Уо и продольной осью орудия, х - угол между главным вектором R сил сопротивления и продольной осью орудия; а, Ь - расстояния между точками крепления тяг, соответственно, к трактору и орудию.
При навешивании орудия сзади трактора расчетная схема трансформируется в схему, показанную пунктиром. Заметим, что при этом т. Р поворотом на 1800 перемещается в положение Р, т. L - в положение
I.E. Dontsov
Y
Рис. 1. Расчетная схема агрегата
и и т.д. Таким образом, в расчетных формулах задней навески значения соответствующих геометрических параметров следует взять со знаком «минус»: I = -I, 5 = -5, d = ^.
Дифференциальное уравнение колебаний фронтального орудия относительно трактора получено ранее в статье [5]. Оно имеет вид
а1(р1 + а2(р1 + аъфх = 0, (1)
где ах = т[1 + (1 - и)5]2 + (1 - и)210; (1а)
а2 = 1 +(1—[а0 Rl + (1 - и)(а0 Rd + Д,)]; (1б)
К0
а3 = -(1 - и )1(а0Rd + /30) - (1 - и )(а0 -1) Ш - Ш1. (1в)
В формулах (1) также используются обозначения: а0,в0 - силовые параметры орудия, характеризующие пропорциональность, соответственно, х = а0д и Мв = /305; и = а / Ь - передаточное число
навесного устройства, характеризующее зависимость между обобщенной (независимой) координатой ф и зависимой координатой ф2, при этом <р2 = (1 - и)^1; 10 - момент инерции орудия относительно ЦТО; т - масса орудия.
На основании критериев Рауса-Гурвица условия устойчивости фронтального орудия запишем в виде а2 = а0Ш2 [1 + (1—и)р] > 0 - колебательная устойчивость; (2)
К)
а3 =-Ш1[(1 - и)2а0р + (1 - и)(а0 -1) +1] > 0 - апериодическая устойчивость. (3)
В формулах (2), (3) введено соотношение: р = d0 /1, где d0 - расстояние до точки приведения, в которой в0 = 0 и, соответственно, Мв = 0, названное приведенной длиной орудия.
Заметим, что при а0 > 0 и Ш > 0 всегда а2 > 0. Поэтому ограничимся условием апериодической
устойчивости движения фронтального орудия, вытекающим из решения неравенства (3). Это условие представим в виде
и > Е + , и < Е -4¥, (4)
где Е = 1 + (а0 - 1)/(2а0р); ^ = (а0 - 1)2/(2а0р)2 - 1/а0р. (4а)
Для задненавесного орудия, с учетом того, что I = -1, условия устойчивости имеют вид
Е -4^ < и < Е + 4^. (5)
На основании выражений (4), (5) на рисунке 2 построены области устойчивости навесных орудий в координатах и и р при различных значениях силового параметра ао орудий. Координатные плоскости разбиты на квадранты, каждому из которых соответствует определенная схема агрегатирования. Как видим, при прочих равных условиях границы устойчивости для фронтального и заднего орудий совпадают. Меняется лишь направление штриховки, показывающее области устойчивости орудия.
Отметим (рис. 2, а), что традиционное расположение рабочих органов фронтальных орудий впереди оси подвеса (р > 0) по схеме 11а, как правило, не обеспечивает устойчивого хода большинства фронтальных орудий. Работоспособными являются схемы 1а и Ша, согласно которым рабочие органы располагают сзади или на линии оси подвеса (р < 0). Более подробно пути повышения устойчивости движения фронтальных орудий описаны в статье [5].
Рис. 2. Области устойчивости (заштрихованы) фронтально- (а) и задненавесного (б) орудий: сплошная линия - граница апериодического движения; штриховая - граница колебательного движения;
1 - ао=0,5; 2 - а=1,0; 3 - ао=2,0; 4 - ао=3,0; 5 - ао=4,0
Для задненавесного орудия (см. рис. 2, б) почти все сделанные выше выводы справедливы с точностью «до наоборот». Начнем с того, что для задненавесного орудия наиболее работоспособными являются схемы 11б и IVб. При этом независимо от положения мгновенного центра вращения (МЦВ) навески движение таких орудий осуществляется в режиме «тяни» и, практически, всегда устойчиво. Это предполагает возможность нетрадиционной наладки навесной системы, например, с крестообразно расположенными тягами (и < 0), или с МЦВ, расположенным не впереди, а сзади (и > 1) оси подвеса орудия, как это предложено в устройствах [1, 2].
Наличие области устойчивости для схемы 1б также предполагает ее работоспособность. Причем область устойчивости расширяется с уменьшением параметра ао. Это делает схему 1б привлекательной для орудий с рабочими органами ненаправленного типа, например, круглого сечения. Отметим, что схема 1б может также представлять интерес при выборе фронтальных схем агрегатирования орудия, поскольку допускает работу орудия в режиме «толкания» перед трактором [3].
Из всего разнообразия возможных схем соединения орудий и трактора наибольший интерес представляют традиционные схемы агрегатирования: для фронтальных орудий - схема 11а, для задних - схема 11б. При этом, как отмечалось выше, схема 11а характеризуется «дефицитом устойчивости», а схема 11б, наоборот, имеет своеобразный «запас устойчивости». В этой связи в устройстве [4] предложено обеспечить устойчивость фронтального орудия за счет заднего по схеме, показанной на рисунке 3. Учитывая известную сложность представленной схемы, исследование ее динамики выходит за рамки данной статьи. Поэтому ограничимся выводами, которые довольно очевидны и не потребуют сложного аналитического доказательства.
Рис. 3. Схема комбинированного МТА
Итак, во-первых, как следует из рисунка 3, при отклонении фронтального орудия на некоторый конечный угол ф1 на трактор действует дестабилизирующий момент М = Rh. Одновременно с этим заднее орудие поворачивается на некоторый конечный угол ф1, причем со стороны заднего орудия на трактор начинает действовать стабилизирующий момент М' = R 'И'. Последнее обстоятельство позволяет предположить, что в описанном устройстве возмущающие нагрузки на трактор со стороны орудий частично уравновешиваются, в результате чего улучшается его управляемость, снижаются нагрузки на раму.
Во-вторых, при выборе схемы наладки навески, типа рабочих органов и их расстановки на рамах орудий следует руководствоваться тем, что при получении конечных возмущений ф1 и ф', равновесие орудий (граница устойчивости) достигается тогда, когда работа внешних сил на возможных перемещениях равна нулю: А+А = 0. Отсюда, условие устойчивости движения орудий:
А > А или Я А?' соБв'> ЯЛ соэв, (6)
где Аз ', Л? - перемещения точек приложения внешних сил Я и Я; в', в - углы, соответственно, между векторами К, Я и Д51, Дб.
Для геометрически идентичных орудий (I = Г,р = р', а0 = а0'), исходя из формулы (6), можно найти допустимое соотношение между силами сопротивления фронтального и заднего орудий. Оно имеет вид
К А?' С08 в ™
— <---------—. (7)
К' А? С08 в
Из формулы (7) следует, что при рациональном выборе параметров агрегатирования (и1, и, р', р) имеется возможность уравновесить «тяжелое» фронтальное орудие за счет более «легкого» заднего или, при прочих равных условиях, более длинное фронтальное за счет более короткого заднего орудия.
Проверка работоспособности схемы, показанной на рисунке 3, произведена на уменьшенной десятикратно механической модели агрегата. Тяги одинаковой длины (I = Г) и передаточные числа навесных систем, равные и = 9/5 = 1,8 и и' = 5/9 = 0,55, обеспечивали смещения орудий относительно трактора
почти параллельно друг другу (^ « <р' 1). Фронтальное и заднее орудия выполнены в виде одинаковых двухосных тележек, что обеспечивало идентичность: р = р'= 2,02 , а0 =а0'~ 4,0. Приведенной длиной орудия считали расстояние от оси подвеса до его центра тяжести. Изменение сил сопротивления орудий имитировали с помощью изменения их веса. Предполагалось, что сила сопротивления орудия Я прямо пропорциональна его весу G.
Опыты показали, что устойчивость движения обеспечивается при более тяжелом фронтальном орудии, причем максимальное отношение веса фронтального орудия к весу заднего в среднем составило G / G' = 3,07 ± 0,1. Допустимое расчетное соотношение между силами сопротивления орудий получено графоаналитическим способом. Оно составило Я /Я' = 2,98. Расхождения между расчетными и экспериментальными данными объясняются, в первую очередь, тем, что точка приложения равнодействующей сил сопротивления не совпадает с ЦТО. В этом случае значение р следует скорректировать, но не более чем на 2%. Оно составит р = р'= 1,98. Таким образом, эксперимент подтверждает гипотезу о возможности устойчивого движения орудий различной массы и длины, вытекающую из условия А > А. При этом отмечены следующие важные закономерности. Допустимое соотношение Я /Я' увеличивается при одновременном уменьшении длины орудий. Указанное соотношение также увеличивается при и ^ иопт, где иопт > 1, и
при и' ^ 1 в интервале 0 < и' < 1.
Кроме того, установлено, что при движении исследуемого агрегата, в сравнении с жесткой схемой закрепления орудий, движущее средство заметно меньше реагирует на возмущающие воздействия со стороны орудий.
Таким образом, описанные устройства позволяют повысить устойчивость движения комбинированных МТА с орудиями фронтальной и задней навески. Отметим, что схема на рисунке 3 дает возможность существенно расширить список фронтальных орудий из числа тех, которые ранее не использовались по причине неустойчивого движения агрегата. При этом значительно снижаются расходы по изготовлению фронтальных орудий. Для переоборудования достаточно взять подходящее серийное задненавесное орудие и установить на его раме сзади по ходу движения рамку-сцепку для присоединения тяг фронтальной навески. В результате получают технологический модуль, который можно навешивать как сзади, так и впереди трактора. Для специалистов-практиков это дает возможность из ограниченного набора орудий скомплектовать больше ва-
риантов комбинированных агрегатов с новыми качественными свойствами, используя при этом менее мощное и, как следствие, более дешевое и экономичное тяговое средство.
Литература
1. А.с. 1160953 СССР, МКИ4 А 01 В 59/04. Навесное устройство трактора / Ю.И. Полупарнев, И.Е. Донцов (СССР). - № 3639895/30-15; заявл. 07.09.83; опубл. 15.06.85, Бюл. - 1985. - № 22.
2. А.с. 1419540 СССР, МКИ4 А 01 В 59/04. Навесное устройство трактора / Р.И. Дерюжкин, Ю.И. Полупарнев, И.Е. Донцов (СССР). - № 4218972/30-15; заявл. 11.02.87; опубл. 30.08.88, Бюл. - 1988. -№ 32.
3. А.с. 1586545 СССР, МКИ5 А 01 В 59/048. Почвообрабатывающий агрегат / И.Е. Донцов, Ю.И. Полупарнев (СССР). - № 4491312/30-15; заявл. 10.10.88; опубл. 23.08.90, Бюл. № 31.
4. А.с. 1743400 СССР, МКИ5 А 01 В 59/04. Почвообрабатывающий агрегат / И.Е. Донцов (СССР). -№ 4750104/30-15; заявл. 17.10.89; опубл. 30.06.92, Бюл. - 1992. - № 24.
5. Донцов, И.Е. Повышение курсовой устойчивости машинно-тракторного агрегата с фронтальным орудием (ФМТА) / И.Е. Донцов // Вестн. КрасГАУ. - 2008. - № 2. - С. 209-215.
---------♦'----------
УДК 629.114 Н.И. Селиванов, А.А. Васильев
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ И ПЕРЕВООРУЖЕНИЕ РАСТЕНИЕВОДСТВА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
Выполнен анализ, сформулированы задачи, определены нормативы, установлены механизмы и показаны прогностические оценки результатов технического перевооружения отрасли растениеводства в сельском хозяйстве Красноярского края
Ключевые слова: растениеводство, оснащение, перевооружение, нормативы, прогностическая оценка.
N.I. Selivanov, A.A. Vasilyev TECHNICAL PLANT GROWING EQUIPPING AND RE-EQUIPPING IN KRASNOYARSK REGION
The article includes analysis, tasks formulation, standard and mechanism definition, and predictive evaluation of the technical re-equipment results in the branch of plant-growing agriculture in Krasnoyarsk region.
Key words: technical equipping, re-equipping, index, renewal, stock of tractors.
1. Техническое оснащение
Техническое оснащение отрасли растениеводства стается одной из острейших проблем АПК края. Продолжает снижаться количество и качество сельскохозяйственной техники. На 01.01.2008 год в сельскохозяйственных организациях края насчитывалось 8920 тракторов, 4199 комбайнов, из них 3471 зерноуборочный, 2606 плугов, 2211 культиваторов, 3839 сеялок, комбинированных агрегатов 179 и такое же количество посевных комплексов.
Качественный состав тракторного и комбайного парка (табл. 1) предопределен системой технического обеспечения зональных технологий в отрасли. Около 49% от общего количества составляют тракторы общего назначения, среди которых гусеничных - 28,7%, а колесных - 19,9%. В основном они представлены отечественными тракторами Т-4А, ДТ-75М и К-701. При этом тракторы К-701 выполняют около 37% годового объема механизированных работ.
