Повышение тягово-сцепных свойств колесных движителей машинно-тракторных агрегатов

Пусть

 Тогда , учитывая, что ,

получим

: .

Если , то, подставляя в модель, получим квадратное уравнение:

,   .

Решая квадратное уравнение, определим:

; и .    (42)

Применение съемных  зацепов на колесном движителе повышает вертикальную нагрузку за счет массы устройства противоскольжения (рис. 10). Однако, в момент взаимодействия зацепа с почвой, сила, необходимая для внедрения его в почву, уменьшает нагрузку на колесо. Следовательно, в данный момент, плотность почвы в следе движителя определяется как:

,       (43)

 

Рис. 10. Влияние вертикальной нагрузки на плотность почвы

в следе движителя

где , – плотность почвы соответственно первоначальная (до прохода) и в следе движителя, кг/м³; , , – приращение плотности почвы, соответственно от нагрузки колеса, массы устройств противоскольжения и силы внедрения зацепа в почву, кг/м³.

Выразив приращение плотности  через весовые показатели, получим:    .       (44)

В зависимости от величины силы внедрения в почву, возможны два режима взаимодействия колеса с почвой.

1. Силы внедрения зацепа  меньше нагрузки, приходящейся на  зацеп:     .          (45)

Плотность в следе  будет величиной переменной и  достигнет своего минимума при полностью  вошедшем зацепе в почву. Следовательно, учитывая процессы буксования и количество съемных зацепов на колесе, определим зону менее уплотненной части следа движителем за оборот колеса L_сл: 

L_сл= (1- ) Z_С .                (46)

2. Силы внедрения зацепа  больше нагрузки, приходящейся на зацеп:     .                 (47)

При данном режиме работы колесо не контактирует с почвой и  функцию несущего основания выполняет  устройство противоскольжения. Плотность  в следе равна первоначальной. Отрицательная сторона данного режима заключается в том, что контакт колеса с почвой теряется, при движении возникают колебания агрегата с амплитудой равной высоте съемных зацепов и частотой зависящей от скорости движения и количества зацепов.

В зависимости от расположения зацепов левого и правого  ведущих  колес при движении возникают наклоны и перекосы трактора. Сцепные свойства определяются тяговой способностью от съемных зацепов. С     целью снижения перечисленных отрицательных явлений необходимо разрабатывать устройства  по снижению колебаний и перекосов трактора (с переменным радиусом центра колеса) и повышения тяговых свойств (образующих опору в подпахотных слоях почвы). Необходима опытно-конструкторская работа в этих направлениях.

Существующие методы определения параметров колесного  движителя часто носят расчетный характер и не оптимизируют, в частности, диаметр и ширину колеса. В основу оптимизации параметров колес положен тот факт, что с увеличением диаметра и ширины колеса повышаются тягово-сцепные и почвосберегающие свойства, вместе с этим увеличивается также и стоимость движителя. Используя в качестве критерия оптимизации энергетический показатель, получим следующую модель оптимизации:

,        (48)

где  – приращение энергии, затраченной на изготовление шин, приходящейся на 1 га, МДж/га; , – энергия, затраченная на изготовление шин, соответственно с первоначальными и измененными параметрами, приходящаяся на 1 га, МДж/га; – энергия, затраченная на изготовление шин, соответственно с первоначальными и измененными параметрами, МДж; – срок службы шин в годах, соответственно с первоначальными и измененными параметрами; – производительность агрегата, соответственно с первоначальными и измененными параметрами, га/час; – годовая загрузка агрегата, час/год.

С увеличением диаметра и ширины колеса буксование движителя снижается по кривой с отрицательным ускорением. Сцепные свойства движителя с увеличением параметров колес повышаются.

При уменьшении износа на величину срок службы увеличится пропорционально на величину:

      .         (49)

Снижение буксования повышает производительность агрегата на величину:

 =>  .         (50)

С увеличением диаметра и ширины колеса стоимость движителя  увеличивается по кривой с положительным ускорением. В результате решения данной задачи на ЭВМ получили следующую экспериментальную модель, отражающую в закодированном виде влияние значимых факторов на стоимость движителя в процентах от стоимости трактора:

С = 9,0 + 7,5 Х₁ + 6,2 Х₂ + 1,5 Х₁² + 3,5 Х₂² + 4,0 Х₁ Х₂ ,       (51) 

где Х₁ = ,  Х₂ = – соответственно диаметр и ширина колеса в закодированном виде; D_К, B_К – соответственно диаметр и ширина колеса, м.

Таким образом, получаем следующую модель оптимизации параметров колесного движителя:

. (52)

С увеличением количества зацепов, увеличиваются производительность агрегата по модели (50), зона менее уплотненной части следа движителем по модели (46) и как следствие урожайность. Эти факторы уменьшают энергетический показатель. Однако, с увеличением количества зацепов, повышается стоимость движителя, что приводит к увеличению энергетического показателя. Следовательно, существует такое число съемных зацепов, при котором разность энергетических показателей достигнет максимального значения:

,      (53)

где – приращение энергии, МДж/га; , – энергия, затраченная на обработку гектара при работе агрегата соответственно с количеством зацепа Z_C и (Z_C +1), МДж/га; – энергия, затраченная на изготовление  устройства противоскольжения, МДж/га; , – соответственно срок службы зацепа в годах и годовая загрузка, час/год;   , – производительность агрегата соответственно с количеством зацепов Z_C и (Z_C +1), га/час; , – урожайность культуры при работе соответственно с количеством зацепа Z_C и (Z_C +1), %; , – зона менее уплотненной части  следа движителем  за оборот колеса, соответственно с количеством зацепа Z_C и (Z_C +1), м.

Анализ показывает, что  энергии и повышаются по кривой с положительным ускорением. Однако интенсивность повышения, в зависимости от количества съемных зацепов, разная. Это и определяет оптимальное количество зацепов на движителе. При буксовании МТА на 10-15% оптимальное количество зацепов на ведущем колесе составляет 3 ед.

В четвертой главе «Программа и методика экспериментальных исследований» дано описание объектов, условий и планов проведения экспериментов. Определена точность измерения регистрируемой аппаратуры и дана оценка погрешностей измерения опытов. Показана методика обработки экспериментальных данных. Составленная программа исследований позволила получить необходимые данные для реализации теоретических основ работ колесных движителей со съемными зацепами.

Программа исследований включала:

- разработку методики исследования экспериментов (ГОСТ 7057-2001);

- выбор объектов и места проведения  экспериментов (ГОСТ 20915-75);

- определение планов проведения  исследований и оптимальных пределов изменения рассматриваемых факторов (ГОСТ 24026-80);

- подготовку приборов к работе, определение их погрешностей измерения;

- проведение экспериментов и  регистрации измеряемых факторов (ГОСТ 30745-2001, ГОСТ 3481-79);

- подготовку и обработку полученного экспериментального материала (ГОСТ 8.207-76).

Экспериментальные исследования тягово-сцепных  свойств колесного трактора, оборудованного съемными зацепами, проводились на суглинистых почвах влажностью до 30%. В качестве фона выбрали поле из под сахарной свеклы с осенней вспашкой на глубину до 0,3 м, коэффициентом объемного смятия и весом соответственно (1…3)•10⁶ Н/м³ и (1,0…1,2) •10³ кг/м³. Эксперименты проводились при следующих погодных условиях: переменная облачность, кратковременный дождь, ветер южный 9-14 м/с, температура 14-16⁰С, атмосферное давление 750 мм ртутного столба, влажность воздуха 75-83%.

По способу организации полевых  работ разработан активный эксперимент. Были реализованы центральные композиционные В-планы (планы Бокса) второго порядка (ГОСТ 24026-80). Первые десять опытов проводились при различной крюковой нагрузке без съемных зацепов. При последующих опытах ведущие колеса оборудовали зацепами, соответственно, количеством 1, 3 и 5 ед. Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в табл. 2. Варьирование величины крюковой нагрузки достигалось за счет изменения передач коробки буксируемого автомобиля, у которого двигатель работал в режиме компрессора.

Регистрация усилия на крюке  трактора осуществлялась тензометрической аппаратурой с использованием тягового звена. Количество оборотов ведущих и пятого колес измеряли при помощи герконовых датчиков, регистрация сигналов которых осуществлялась малогабаритным прибором ЭМА, находящимся в машине. Расход топлива определяли с помощью мерной цилиндрической емкости по высоте падения столбика топлива за опыт.

Сила сопротивления  движению трактора, в зависимости  от параметров зацепов и свойств почв, определялась буксировкой трактора на нейтральной передаче автомобилем. Регистрация осуществлялась измерительной аппаратурой, установленной между трактором и автомобилем.  

В качестве функции отклика по параметру снижения плотности почвы в следе движителя была взята разница максимального γ_max и минимального γ_min значения плотности:

∆ γ_сл = γ_max − γ_min          (54)

С целью определения зоны менее уплотненной части следа движителя за оборот колеса, твердомером определяли границы наиболее мягкой части почвы и их суммировали. Определение условий испытаний и обработка результатов проводилась согласно ГОСТ 20915-75 и ГОСТ 8.207-76.

В пятой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены математические модели и дан сравнительный анализ коэффициентов уравнения регрессии второго порядка при исследовании влияния значимых факторов на тягово-сцепные и почвосберегающие свойства трактора со съемными зацепами для пашни:

= 18,7 – 3,6 Х₁ – 2,8 Х₂ – 2,0 Х₃ + 6,8 Х₄ + 1,4 Х₂² + 1,2 Х₃² – 1,6 Х₁ Х₄ – 1,0 Х₂ Х₄ – 1,1 Х₃ Х₄  ,                (55)

P_c = 28,3+9,1 Х₁ + 9,7 Х₂ + 3,4 Х₃ – 3,9 Х₄ – 2,9 Х₄² +1,7 Х₁ Х₃ – 2,7 Х₁ Х₄ – 1,2 Х₂ Х₄,                 (56)

P_fc =175,8 +31,4 Х₁+48,9 Х₂ +19,0 Х₁² +11,2 Х₂²+65,5 Х₁ Х₂,           (57)

∆γ_сл = 23,8 – 1,5 Х₁ + 12,1 Х₂ + 11,1 Х₃ – 2,2 Х₄ + 1,8 Х₂² –1,8 Х₃² –2,0 Х₄² + 1,2 Х₁ Х₄ +6,4 Х₂ Х₃ – 1,2 Х₂ Х₄ – 0,9 Х₃ Х₄,             (58)

L_сл = (185,6 + 105,1 Х₁ + 49,6 Х₂ + 3,5 Х₃ – 10 Х₄ – 6,0 Х₁² – 9,8 Х₂ Х₂ – 7,8 Х₃² – 13,8 Х₄² + 34,5 Х₁ Х₂ + 2,8 Х₁ Х₃ – 6,7 Х₁ Х₄) ·10^-2,           (59)

где Х₁, Х₂ , Х₃ , Х₄ – соответственно факторы количества, высоты, длины съемных зацепов и крюковой нагрузки в закодированном виде.

В таб. 2 представлены границы рассматриваемых факторов в натуральной шкале измерения.

Таблица 2

 

Уровни и  интервалы варьирования факторов

 

Наименование уровней	Обоз- наче- ние	Факторы
		Х1, шт	Х2, м	Х3,  м	Х4, кН, от класса трактора
					0,6	0,9	1,4	2,0
Нижний	−1	1	0,1	0,1	4,0	7,0	9,0	14,0
Центральный	0	3	0,2	0,2	5,0	9,0	11,5	17,0
Верхний	+1	5	0,3	0,3	6,0	11,0	14,0	20,0
Интер.варьир.	Х	2	0,1	0,1	1,0	2,0	2,5	3,0

 

Проверка с помощью  критерия Фишера позволяет с 95%-ной  вероятностью считать верной гипотезу об адекватности полученных полиномов второго порядка.

Построение тяговых  характеристик колесных тракторов  классов тяги 0,6 – 2,0 проводилось согласно ГОСТ 7057-2001.

Экспериментальные исследования позволили установить, что с повышением длины съемных зацепов на 0,1 м буксование снижается на 1-3%, а сила тяги увеличивается на 3-5%, с повышением высоты зацепов – соответственно на 5-7% и на 10-13%, с добавлением одного зацепа – соответственно на 2-4% и на 9-11%. С повышением длины съемных зацепов на 0,1 м  плотность почвы уменьшается на 7-10 кг/м³, с повышением высоты зацепа соответственно − на 13-15кг/м³.