Повышение эффективности использования тракторно-транспортного агрегата в режиме торможения за счет применения упругодемпфирующего привода ведущих колес трактора класса 1,4
На правах рукописи
КУТЬКОВ Алексей Юрьевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРНО-ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА В РЕЖИМЕ ТОРМОЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩЕГО ПРИВОДА ВЕДУЩИХ КОЛЕС ТРАКТОРА КЛАССА 1,4 Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж – 2011
Работа выполнена на кафедре тракторов и автомобилей ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Заслуженный работник высшей школы РФ,
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор, Поливаев Олег Иванович
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Волков Владимир Сергеевич Кандидат технических наук, доцент Овчаров Владимир Андреевич Ведущая организация - ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефте продуктов в сельском хозяйстве»
Защита диссертации состоится 21 февраля 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» С авторефератом можно ознакомиться на сайтах: http://www.vsau.ru, а также http://www.vak.ed.gov.ru
Автореферат разослан «20» января 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Шатохин И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Возрастающий объем производст ва сельскохозяйственной продукции невозможен без увеличения объемов транспортных перевозок в данной отрасли. Широкая номенклатура перево зимых грузов, резкие колебания в потребности транспорта в течение года яв ляются предпосылками эффективного использования тракторно транспортных агрегатов (ТТА) в сельском хозяйстве. В то же время с повы шением транспортных скоростей ТТА обостряется проблема обеспечения безопасности в режиме торможения.
Наиболее эффективно торможение, осуществляемое на грани блоки ровки всех тормозящих колес, при действии максимально реализуемого по сцеплению тормозного момента, на протяжении всего процесса торможения до полной остановки. Однако обеспечение данного условия осложнено по стоянным изменением коэффициента сцепления колес ТТА с поверхностью дороги, а также рассогласованностью по времени и характеру нарастания тормозного усилия прицепа и трактора. Это, в свою очередь, повышает ди намические нагрузки в сцепном устройстве ТТА, снижая эффективность процесса торможения.
Улучшить тормозные качества, а также уменьшить динамические на грузки ТТА можно за счет введения упругих элементов в конечные звенья трансмиссии трактора, ближе к ведущим колесам. Установка подобных упру годемпфирующих приводов (УДП) позволит снизить блокирование тормо зящих колес трактора и, как следствие, реализовать тормозные моменты на колесах трактора, близкие к максимально возможным значениям моментов по сцеплению. Кроме того, УДП колес трактора позволит снизить динамиче ские нагрузки в сцепном устройстве ТТА, уменьшить величину внешних воздействий на трансмиссию и двигатель трактора, повысить эксплуатацион ные свойства ТТА.
Анализ работы существующих конструкций УДП колес трактора пока зал их низкую эффективность в режиме торможения, а ранее проведенные теоретические исследования характеристик упругих приводов колес под твердили недостаточную освещенность вопросов, связанных с неустановив шимися режимами движения, к числу которых относится и процесс тормо жения.
Таким образом, проблема повышения эффективности торможения ТТА введением упругодемпфирующих приводов ведущих колес трактора является достаточно актуальной и требует более углубленных теоретических и экспе риментальных исследований.
Цель работы – повышение эффективности использования тракторно транспортного агрегата в режиме торможения постановкой упругодемпфи рующих приводов ведущих колес трактора с рациональной характеристикой.
Объектом исследований является тракторно-транспортный агрегат в составе МТЗ-80+2ПТС-4 с серийным и упругодемпфирующим приводом ко лес трактора.
Предмет исследований – закономерности изменения тормозных и тех нико-экономических показателей тракторно-транспортного агрегата с упру годемпфирующим приводом ведущих колес трактора.
Научную новизну работы составляет:
- математическая модель процесса торможения ТТА, отличающаяся учетом основных параметров упругодемпфирующего привода ведущих колес трактора, обеспечивающих рациональную характеристику этого привода;
- новое техническое решение по реализации рациональной характери стики упругодемпфирующего привода ведущих колес трактора;
- закономерности изменения тормозных показателей ТТА, отличающие ся учетом использования упругодемпфирующего привода ведущих колес трактора с рациональной характеристикой.
Практическая значимость:
- разработано новое техническое решение упругодемпфирующего при вода ведущих колес, обладающее рациональной характеристикой (патент № 2396174), позволяющее улучшить тормозные и технико-экономические пока затели ТТА;
- предложен метод определения рациональной характеристики УДП ко лес трактора с учетом режима торможения ТТА;
Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований были приняты к внедрению в Липецком филиале КБДСТ ОАО «АПК Уралвагонзавод» и будут использоваться при разработке новых и модернизации выпускаемых заводом тракторов.
Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований, проведенных с использованием совре менной аппаратуры, представленной комплексом автоматизированных экс периментальных исследований LTR фирмы L-CARD, с программным обес печением АСТest для ЭВМ по планированию, проведению экспериментов и обработке опытных данных. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласованы с теоретическими данными.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссер тационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференци ях студентов и профессорско-преподавательского состава (2007–2011 гг.) во ВГАУ, ВВАИУ, МичГАУ, а также на техническом совете конструкторского бюро в филиале КБДСТ ОАО «АПК Уралвагонзавод» в 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, две из которых – в центральной печати по перечню, рекомендованному ВАК, четы ре публикации без соавторства, два патента РФ на изобретение. Общий объем 1,883 печатных листов (авторских 1,142 п. л.) Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, экономического обоснования, общих выводов, списка ис пользованных источников и приложений, изложена на 134 страницах компь ютерного текста, содержит 43 рисунка, 5 таблиц. Список использованных ис точников включает 143 наименования.
На защиту выносятся:
- математическая модель процесса торможения ТТА, учитывающая ос новные параметры упругодемпфирующего привода ведущих колес и позво ляющая определить рациональную характеристику данного привода;
- новое техническое решение по реализации рациональной характери стики упругодемпфирующего привода ведущих колес, обеспечивающее по вышение эффективности использования тракторно-транспортного агрегата в режиме торможения;
- закономерности изменения тормозных показателей ТТА с упруго демпфирующим приводом ведущих колес;
- технико-экономическая оценка эффективности применения упруго демпфирующего привода ведущих колес трактора в различных режимах ра боты ТТА.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова ны цель исследований, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» от ражены особенности транспортного обеспечения сельского хозяйства в на стоящее время, подчеркивающие значительную роль тракторно транспортных агрегатов, их преимущества перед другими видами транспорта в данной отрасли. Рассмотрены причины снижения эффективности использо вания тракторов на транспортных работах, особое внимание уделено тормоз ной динамике ТТА, актуальность которой возрастает вследствие повышения средних транспортных скоростей.
Отмечено значительное влияние коэффициента сцепления колеса с до рогой на эффективность процесса торможения, а также представлены факто ры, влияющие на величину и характер изменения данного коэффициента в функции от скольжения.
Основные вопросы, связанные с исследованием динамики торможения тракторно-транспортных агрегатов, были достаточно подробно рассмотрены в работах В.В. Гуськова, Г.П. Грибко, В.В. Скрябина, А.И. Скуртула, В.Я. Ясеневича, Н.Д. Ступы, А.П. Парфенова, А.А. Шкляра и др. Ими были представлены различные критерии оценки и методики теоретического опре деления основных показателей эффективности торможения, а также предло жены различные конструктивные и технические решения, позволяющие улучшить тормозные показатели ТТА. Однако, большинство предлагаемых конструкций по различным причинам не нашли широкого применения. В связи с чем, проблема совершенствование тормозных систем современных тракторов остается актуальной и требует новых решений.
Одним из способов повышения эффективности торможения тракторно транспортных агрегатов является введение упругодемпфирующих приводов колес трактора. Исследуя подобные конструкции, авторы О.И. Поливаев, В.Л. Строков, А.Г. Жутов и др. отмечают снижение динамических нагрузок при различных режимах работы МТА, что позволяет повысить эксплуатаци онные показатели.
В то же время вопросы, касающиеся тормозных показателей ТТА, ос нащенных упругодемпфирующими приводами, практически не затронуты.
Анализ существующих конструкций УДП и их характеристик выявил недос таточную эффективность и надежность предлагаемых технических решений на режимах торможения.
Из вышесказанного следует, что вопрос совершенствования конструк ции и характеристик упругодемпфирующего привода остается открытым, а динамика торможения ТТА с УДП колес трактора требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы основ ные задачи исследований:
1. Разработать математическую модель процесса торможения ТТА с упру годемпфирующим приводом ведущих колес трактора.
2. Разработать методику расчета и построения рациональной характери стики УДП колес с учетом режима торможения.
3. Разработать новое техническое решение по реализации рациональной характеристики УДП ведущих колес трактора с учетом эффективности его использования в режиме торможения ТТА.
4. Выявить закономерности влияния УДП колес трактора на тормозные и технико-экономические показатели ТТА.
Во второй главе «Обоснование эффективности использования упруго демпфирующего привода в режиме торможения» представлена математиче ская модель процесса торможения ТТА, позволяющая получить рациональ ную характеристику УДП колес трактора с учетом основных параметров рас сматриваемого привода.
При исследовании динамических нагрузок в трансмиссии трактора вместо реального тракторно-транспортного агрегата принимается эквива лентная ему в динамическом отношении расчетная схема (модель), в состав которой входят: маховые массы, заменяющие отдельные вращающиеся и по ступательно движущиеся массы тракторного агрегата;
фрикционные элемен ты, имитирующие работу сцепления;
упругие элементы, характеризующие податливость деталей трансмиссии и движителя.
Разработка математической модели ТТА является сложной задачей и неизбежно связана с идеализацией изучаемого объекта. Поскольку исследо вание влияния УДП связано, в первую очередь, с повышением энергетиче ских свойств агрегата и со снижением динамических нагрузок на трансмис сию и двигатель, то для построения математической модели примем сле дующие допущения:
1. Двигатель отсоединен от трансмиссии, к колесам трактора не при ложены крутящие моменты;
2. Движение агрегата происходит на горизонтальном участке пути без отклонений в поперечном направлении;
3. Характеристики моментов на ведущих колесах принимаются одина ковыми;
4. Упругие характеристики шин, а также динамические и кинематиче ские параметры упругих приводов колес равны между собой;
5. Тормозные силы, реализуемые в момент торможения при постоян ном коэффициенте сцепления шины с дорогой, соответствуют си лам, которые можно передать через колесо с учетом приходящегося на него веса и коэффициента сцепления с дорогой.
6. В момент начала торможения ТТА движется равномерно с постоян ной скоростью с отключенным сцеплением.
7. ТТА представлен в виде единой многоосной механической тележки, вся нагрузка на которую передается через одну ее ось.
С учетом принятых допущений структурная схема модели может быть представлена в следующем виде (рисунок 1). Данная динамическая схема может рассматриваться для процесса торможения как ТТА, так и трактора в отдельности.
Рисунок 1 – Расчетная динамическая схема тракторно-транспортного агрегата в режиме торможения В динамической модели приняты следующие обозначения: Jд, Jтр, Jк,Jа – моменты инерции вращающихся и возвратно- поступательно движущихся масс двигателя и сцепления, вращающихся деталей трансмиссии, вращаю щейся массы колеса, поступательно движущейся массы тракторно транспортного агрегата соответственно;
Ф1 – фрикционная муфта, имити рующая работу сцепления;
С12, С23 – жесткости трансмиссии с упругими приводами и шин ведущих колес;
К12,К23 – коэффициенты демпфирования трансмиссии с упругими приводами и шин ведущих колес;
Мд, Мс, МТ, МТ(к)– моменты, развиваемые двигателем, внешними сопротивлениями движению, тормозной момент, подводимый к УДП, тормозной момент приложенный к колесу, соответственно.
Рассмотрим взаимодействие между элементами модели.
Ведущее колесо с моментом инерции Jк, вращающееся со скоростью к, через УДП связано с эквивалентной массой ТТА, момент инерции которой от поступательного движения равен Jа. К ведущему колесу в момент времени t0 =0 прикладывается тормозной момент МТ(к) и момент внешних сопротив лений движению МС.
Согласно принятым допущениям результирующий тормозной момент МТ приложен к УДП. Принимаем этот тормозной момент в виде следующей функции:
t,0 t t1 ;
MT(t)= M ТО, t1 t t k ;
(1) 0, t t, k где М ТО = GТР rТР ;
Gтр – вес трактора;
– коэффициент сцепления колеса с дорогой;
rтр – радиус колеса трактора;
То есть, тормозной момент за время t1 нарастает прямолинейно, а на промежутке от t1 до tk - остается постоянным. При полной остановке ТТА (время tk) угловая скорость вращения колеса и тормозной момент равны ну лю (к = 0;
МТ(t)=0), Аналогичным образом принимаем, что момент сопротивления качению колеса является постоянным на протяжении всего процесса торможения, а при полной остановке ТТА становится равным нулю:
M, 0 t t k ;
Мс = С 0 (2) 0, t t k.
где M С 0 = GТТА f GТТА – вес ТТА;
f – коэффициент сопротивления качению.
Как известно, при превышении значения тормозного момента некото рой величины наступает блокировка ведущих колес. Поскольку в нашем слу чае тормозным моментом, непосредственно приложенным к колесу, является момент МТ(к), то примем следующее условие возникновения «юза»:
М Т(к) M B, (3) где M B - граничное значение тормозного момента, при котором возникает блокировка тормозящих колес трактора.
Эффект блокировки колес может быть представлен как некоторое сни жение тормозного момента. Поэтому примем, что в случае возникновения блокировки колес значение тормозного момента (1) снижается на некоторую величину M T (t ), M Т ( к ) M B ;
M Т (t ) = / (4) K T M T (t ), M Т ( к ) M B где kT - коэффициент снижения тормозного момента при блокировке колес.
Анализ литературных источников показал, что подобный процесс можно с достаточной степенью точности представить в виде классической модели двухмассовой механической системы.
Имея обобщённую расчетную схему механической части, можно вы полнить исследование различных форм движения механического объекта.
Для этого необходимо составить уравнение движения ТТА. Наиболее общей формой записи дифференциальных уравнений движения системы с механи ческими связями являются уравнения Лагранжа. Составив подобные уравне ния движения с выделением в правой части моментов инерции, получим сле дующую систему дифференциальных уравнений, описывающую процесс торможения ТТА:
d к Mс(t ) M Т ( к ) = J к ;
dt d а M T (t ) = J а / (5) M Т (к) ;
dt = k р ( к а ) + c р ( к а ).
M Т (к) где Jk и Ja - приведенные к валу ведущего колеса моменты инерции вращаю щихся деталей ведущих колес и поступательно движущихся масс агрегата;
kр, ср- коэффициент демпфирования и жесткость УДП, трансмиссии и шины, приведенные к валу ведущего колеса;
к, а - угол поворота вала ведущего колеса и угол приведенный к валу ведущего колеса от поступательного перемещение агрегата;
к, а - угловые скорости поворота ведущего колеса и агрегата;
M T (t ) - эквивалентный тормозной момент;
МС (t) - момент сопротивления движению агрегата.
По результатам математического моделирования с использованием па кета VisSim были получены тормозные диаграммы для ТТА с серийным и упругодемпфирующим приводами ведущих колес, отражены изменением тормозного момента во времени для различных дорожных фонов. На рисунке 2 представлена одна из полученных диаграмм.
- серийный привод;
- - - - упругодемпфирующий привод;
дорожный фон – асфальт Mt ср. – среднее значение тормозного момента в режиме установивше гося замедления (серийный и упругодемпфирующий приводы);
Начальная скорость торможения ТТА - 8 м/с Рисунок 2 – Тормозная диаграмма ТТА Для оценки эффективности использования УДП на тормозных режи мах, близких к блокировке колес, был получен коэффициент (КУДП = 1,06…1,17), позволяющий учитывать влияние упругого привода на режим торможения Мt (УДП ) ср.
К УДП = (6) Мt (серийн.) ср.
Установка упругих элементов в трансмиссию трактора позволяет сни зить блокировку колес, повысить максимально реализуемый тормозной мо мент.
Полученный коэффициент КУДП позволил нам учитывать влияние упру годемпфирующего привода на процесс торможения ТТА с тормозами прице па. При этом необходимо уточнить формулы, полученные в методике расчета сил и реакций в процессе торможения ТТА (рисунок 3), которые с учетом УДП примут вид:
GТР (l1 h1 ( f + 0.65 )) FТ.З. = K УДП ;
(7) l1 + l K 1 (G П f + RП. П. ) K 2 ( RТ. З. К УДП + GТР f ) PСЦ =, (8) ( K1 + K 2 ) где К 1 = mТР вр.(ТР.) (9) К 2 = mПР. вр.( ПР.) (10) FТ.З., РСЦ – тормозная сила задних колес трактора, усилие в сцепке;
RТ.З., RП.П. – реакции опор задних колес трактора и передних колес прицепа;
Gтр., mтр – вес и масса трактора;
GП,mпр. – вес и масса прицепа;
– коэффициент сцепления колеса с дорогой;
f – коэффициент сопротивле ния качению;
вр(ТР.), вр(ПР.) - коэффициенты учета вращающихся масс трак тора и прицепа соответственно;
l1, l2, h1 – геометрические параметры ТТА;
в=h1-h2=0.
Рисунок 3 – Расчетная схема торможения тракторно-транспортного агрегата Введение УДП позволяет повысить значение реализуемой по сцепле нию тормозной силы на колесах трактора, при этом, в режиме установивше гося замедления снижается растягивающее усилие в сцепке, что подтвержда ет более эффективное торможение трактора.
Для определения замедления ТТА использовалась формула FТ.З. Pf PСЦ ТР.
j=, (11) К где Рf ТР. – сила сопротивления качению трактора.
При известной начальной скорости торможения V0 с учетом выражения 11 численно определим полное время торможения и тормозной путь ТТА:
V0 К t=, (12) - FТ.З. Pf ТР. РСЦ V0 К S = V0 (13) - FТ.З. Pf ТР. РСЦ По результатам проведенных расчетов были построены диаграммы изменения тормозного пути и времени торможения ТТА в зависимости от типа привода колес трактора и дорожного фона. Данные диаграммы для двух дорожных фонов представлены на рисунке 4.
а б Рисунок 4 – Диаграммы изменения тормозного пути (а) и времени тор можения (б) ТТА в зависимости от типа привода колес трактора и дорожного фона (вес прицепа 56,6кН) Для определения рациональной характеристики упругодемпфирующе го привода были проведены расчеты тормозного пути ТТА при различных значениях начальной скорости и интенсивности торможения, а также жест кости привода. По результатам исследований построены графики (рису нок 5).
Наличие точек-минимумов на каждого из графиков определяет наибо лее рациональное значение жесткости трансмиссии при конкретных услови ях.
Подобные зависимости были построены для различных дорожных фо нов с изменением загрузки ТТА. Далее по полученным точкам-минимумам жесткости были найдены усредненные значения жесткостей, а также момен тов на колесах, соответствующих им.
По результатам расчетов математической модели была построена ра циональная характеристика привода, позволяющая ожидать положительный эффект не только при установившемся режиме движения ТТА, но и в режиме торможения. Установлено, что рациональное значение жесткости привода находится в пределах Судп = 9,6…20кНм/рад, а коэффициент демпфирования равен Ку = 1,115Нмс/рад.
а б а – асфальт;
б – грунт Рисунок 5 - Зависимость тормозного пути ТТА от жесткости трансмис сии (при различной начальной скорости торможения) Проведенный с помощью математической модели, составленной в про грамме VisSim, расчет показал, что введение упругодемпфирующих приво дов в трансмиссию трактора позволяет снизить тормозной путь ТТА на 9…13%, время торможения - на 9…11%.
Предложенный коэффициент КУДП (выражение 6), изменяющийся в за висимости от коэффициентов, характеризующих несущую способность доро ги, позволил учитывать влияние упругодемпфирующего привода на режим торможения.
В третьей главе «Программа, методика и оборудование эксперимен тальных исследований» представлены объект исследований и опытная кон струкция упругодемпфирующего привода колес трактора, описана програм ма проведения лабораторных и дорожных испытаний тракторно транспортного агрегата в составе МТЗ-80+2ПТС-4, оснащенного серийным и упругодемпфирующим приводом ведущих колес трактора. Описано обору дование, используемое при проведении испытаний, а также представлен ана лого-цифровой преобразователь (АЦП) LTR с комплексом программ. Прин ципиальная схема подключения автоматизированного комплекса представле на на рисунке 6.
1 – экраны, соединенные с корпусом кабельного разъема DB – 37F;
2 – дополнительный провод, для заземления экрана, повышающий помехоустой чивость;
3 – заземление общих проводов цепей источников сигналов (AGND), повышающих помехоустойчивость;
4 – сетевые заземляющие кабели устройств.
Рисунок 6 – Принципиальная схема подключения LTR По результатам расчетов теорети ческого раздела для экспериментальных ис следований была разработана опытная конст рукция упругодемпфирующего привода, по зволяющая обеспечить рациональные пара метры жесткости и демпфирования. Схема данной конструкции представлена на рисун ке 7.
При приложении к ведущей оси 3 кру тящего момента, лопастник 8 воздействует на рабочую жидкость лопастей 4 и 6, вытесняя ее по магистралям 13 и 14 к дросселям 15 и Рисунок 7 – Схема упруго 16 и далее в полости 5 и 7. При дальнейшем демпфирующего привода ве повороте лопастника 8 происходит упор па дущих колес трактора МТЗ- кетов тарельчатых пружин 11 и 12 в демпферы упоров ступицы, в то время как направляющие штоки, фиксирующие пакеты пружин, беспрепятственно проходят в углубления 17 упоров ступицы.
Использование пакетов тарельчатых пружин с различной жесткостью, увеличивающейся к основанию, позволяет получить нелинейную характери стику привода, а следовательно, повысить эксплуатационные качества маши ны.
Применение дополнительных резиновых демпферов на упорах ступицы дает возможность снизить ударные нагрузки и повысить надежность и долго вечность привода.
Лабораторные исследования проводились с целью определения пара метров упругодемпфирующего привода. Цель дорожных испытаний - выяв ление влияния упругодемпфирующих приводов ведущих колес на эксплуата ционные и топливно-экономические показатели ТТА на различных дорож ных фонах. Программы исследований лабораторных и дорожных испытаний были составлены в соответствии с выдвинутыми целями и учетом ГОСТа 7057-2001.
В процессе дорожных испытаний с помощью тензометрического обо рудования и АЦП фиксировались моменты на полуосях колес трактора, уси лие в сцепке, усилие на педаль тормоза, тормозной путь и время торможения, обороты путеизмерительного колеса. При определении топливно экономических показателей фиксировался расход топлива на транспортных режимах, близких к реальным.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены данные лабораторных и дорожных испытаний ТТА с различными типами приводов колес трактора.
При лабораторных исследованиях по результатам теоретических пред посылок была получена рациональная статическая характеристика УДП (ри сунок 8), на которой можно выделить три основных участка Рисунок 8 – Статическая характеристика упругодемпфирующего привода Первый участок (0…6,5 град.) обладает достаточно интенсивным рос том момента с изменением угла закрутки, что позволяет устранить свобод ный ход в приводе, а нелинейность участка исключает резонансные режимы.
Второй участок характеристики привода (6,5…15,5 град.) предполагает рабо ту трактора в режиме средних нагрузок. Максимальная жесткость третьего участка (15,5…22,5 град.) обеспечивает работу привода при значениях кру тящего момента выше номинального.
Сравнительный анализ показал достаточную сходимость теоретической (полученной во второй главе) и экспериментальной характеристик привода.
В процессе дорожных испытаний в режимах торможения ТТА с раз личными типами приводов с помощью тензометрического оборудования, системы LTR с комплексом программ для планирования проведения и обра ботки эксперимента были получены тормозные диаграммы с усредненными значениями тормозного момента для режима с установившимся замедлением.
На рисунке 9 представлены тормозные диаграммы ТТА двух экспери ментов, протекающих в близких условиях, при различных типах привода ко лес трактора. Подобные диаграммы были получены для различных дорож ных фонов, загруженности ТТА и начальной скорости торможения.
Рисунок 9 – Экспериментальные тормозные диаграммы ТТА с усредненными значениями моментов (дорожный фон –асфальт) Данные диаграммы позволили получить значения коэффициента КУДП, теоретически обоснованные во втором разделе. По результатам экспериментальных исследований значение данного коэффициента для асфальтированной дороги составило 1,067, для грунтовой дороги – 1,14. Эти результаты близки к полученным значениям в теоретическом разделе и подтверждают адекватность моделирования процесса торможения ТТА с учетом принятых допущений.
С целью исследования влияния жесткости трансмиссии на тормозные показатели ТТА был проведен ряд опытов с трехкратной повторностью, в процессе которых фиксировались значения тормозного пути и среднего зна чения тормозного момента для режима установившегося замедления при раз личной интенсивности торможения. Далее, используя ранее обоснованную рациональную характеристику привода, по полученным значениям среднего тормозного момента определяли угол закрутки и рассчитывали жесткость привода. Графические зависимости тормозного пути ТТА от результирую щей жесткости трансмиссии, представленные на рисунке 10.
Представленные зависимости тормозного пути от жесткости трансмис сии для фиксированной скорости и различной интенсивности торможения подтверждают наличие наиболее рациональной жесткости, при которой тор мозной путь минимален. Повышение тормозного пути ТТА при максималь ной интенсивности торможения обусловлено срывом колес на «юз», сни жающим эффективность процесса торможения.
а б а – асфальт;
б – грунт Рисунок 10 –Зависимость тормозного пути от жесткости трансмиссии Проведенные дорожные испытания показали целесообразность приме нения УДП ведущих колес в разных дорожных условиях. Установлено, что при работе ТТА на грунтовой дороге применение УДП ведущих колес, за счет снижения их буксования, позволит снизить удельный расход топлива на 14 %, повысить скорость движения на 7 – 9 %, а производительность в среднем на 6,9%. При работе трактора в плохих по проходимости условиях движения, по этой же причине, применение УДП позволит снизить удельный расход топли ва на 16 %, повысить скорость движения на 10 %, что приведет к повышению производительности в среднем на 8 - 11 %.
В результате проведенных экспериментов было выявлено более интен сивное снижение тормозного пути при возрастании начальной скорости тор можения, что более очевидно на дорогах с меньшим коэффициентом сцепле ния. Так, при средней начальной скорости торможения 8 м/с удалось снизить тормозной путь на ТТА с опытной конструкцией привода до 9,6% на асфаль тированной дороге и до 13,1% - на грунтовой, время торможения – на 10%.
Кроме того, по фрагментам сравнительных тензометрических дорож ных испытаний ТТА с серийным и упругодемпфирующим приводом колес трактора было отмечено снижение амплитуды колебаний крутящих момен тов на полуосях с модернизированным приводом на 14-20%. Применение УДП ведущих колес снижает ударные нагрузки за счет аккумулирования энергии удара внешних воздействий, что позволяет обеспечить плавное из менение крутящих моментов, а следовательно, и касательной силы тяги, уменьшает буксование ведущих колес и повышает тягово-сцепные свойства.
В пятой главе «Экономическая эффективность применения упруго демпфирующего привода ведущих колес ТТА» произведен расчет, по резуль татам которого установлено, что годовой экономический эффект от примене ния упругодемпфирующего привода колес трактора за счет увеличения произво дительности и снижения расхода топлива при работе тракторно-транспортного агрегата составит 68 881 руб. в ценах 2011 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ транспортного обеспечения сельского хозяйства показал, что тракторно-транспортные агрегаты широко востребованы на грузоперевозках, однако существуют факторы, снижающие эффективность их работы в режи мах торможения, в связи с чем, возрастает актуальность вопроса динамики торможения ТТА.
2. Результаты математического моделирования процесса торможения ТТА с упругодемпфирующим приводом ведущих колес показали, что в зави симости от несущей способности дороги значение коэффициента эффектив ности использования УДП в режиме торможения ТТА варьирует в пределах КУДП=1,06…1,17, что подтверждается значениями коэффициента полученны ми экспериментально.
3. Теоретически разработана и предложена методика получения рацио нальной характеристики УДП колес трактора. Приводы колес, обладающие данной характеристикой, позволяют в зависимости от дорожного фона и за грузки ТТА снизить тормозной путь ТТА до 13%, время торможения до 11%.
4. Разработано новое техническое решение (патентом № 2396174) по реализации рациональной характеристики регрессивно-прогрессивного типа упругодемпфирующего привода ведущих колес трактора.
5. По результатам дорожных испытаний выявлено, что при одинаковой интенсивности торможения, с применением УДП наблюдается снижение ам плитуды колебаний тормозного момента до 24%, а также запаздывание на растания тормозного усилия трактора на начальном этапе торможения и его интенсивный рост в последующий момент, при этом тормозной путь и время торможения снижаются соответственно до 12,1% и 10%.
6. Расчет экономической эффективности применения предлагаемой конструкции УДП показал, что годовой экономический эффект составляет 68 881 руб., а срок окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,43 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Поливаев, О.И. Эффективность использования тракторных транс портных агрегатов с упругодемпфирующим приводом ведущих колес при торможении / О.И. Поливаев, А.Ю. Кутьков // Техника в сельском хозяйстве. 2010.- №5.- С.30-32.
2. Поливаев, О.И. Обоснование параметров и эффективности исполь зования упругодемпфирующего привода ведущих колес тракторно транспортного агрегата в режиме торможения / О.И. Поливаев, С.Н. Пиляев, А.Ю. Кутьков // Вестник ВГАУ. - 2011. - №3(30) – С.48-52.
Запатентованные изобретения 3. Патент 2396174 РФ, МПК В60К 7/00, 17/32. Привод колеса транс портного средства / О.И. Поливаев, А.Ю. Кутьков, А.В. Панков (Россия). – № 2009128562 / 11;
Заявлено 23.07.2009;
Опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22. – 5 с.:
ил.
4. Патент 89464 РФ, МПК В60К 17/32. Конечная передача транспорт ного средства / О.И. Поливаев, А.Ю. Кутьков (Россия). – № 2009125804/22;
Заявлено 06.07.2009;
Опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34. – 6 с.: ил.
Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций 5. Кутьков, А.Ю. Влияние жесткости трансмиссии трактора на его тормозные свойства / А.Ю. Кутьков // Материалы 62 научно-практической конференции студентов и аспирантов. Раздел №2.- Мичуринск, 2010 - С. 82 85.
6. Кутьков, А.Ю. Влияние жесткости трансмиссии трактора на тор мозные показатели тракторно-транспортного агрегата / А.Ю. Кутьков // Ин новационные технологии на базе фундаментальных научных разработок:
сборник трудов региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.- Воронеж: ВГУ, 2011.- С. 193-195.
7. Кутьков, А.Ю. Влияние упругих приводов ведущих колес на тор мозные качества тракторов / А.Ю. Кутьков // Инновации в авиационных ком плексах и системах военного назначения: сборник научно-методических ма териалов по итогам XIX межвузовской научно-практической конференции Выпуск 32. Часть 2.-Воронеж: ВАИУ, 2009. – С.182-183.
8. Кутьков, А.Ю. Повышение тормозных качеств тракторно транспортных агрегатов / А.Ю. Кутьков // Инновационные технологии и тех нические средства для АПК.- Воронеж, 2009.- С.186-189.
9. Кутьков, А.Ю. Повышение эксплуатационных и эргономических качеств МТА / А.Ю. Кутьков, А.Н. Кузнецов, Е.Н. Родин // Средства аэро дромно-технического обеспечения полетов: сборник статей по материалам докладов XX межвузовской НПК «Перспектива – 2010».Выпуск 1,част 2. Воронеж: ВАИУ, 2010. – С. 257 – 259.
10. Поливаев, О.И. Влияние привода ведущих колес трактора на тор мозные качества тракторного поезда / О.И. Поливаев, А.Ю. Кутьков // Инно вационные технологии механизации сельскохозяйственного производства. Воронеж: 2009.-С.98-101.
11. Поливаев, О.И. Результаты экспериментальных исследования влияния жесткости привода ведущих колес трактора на тормозные свойства ТТА / О.И. Поливаев, А.В. Панков, А.Ю. Кутьков // Перспективные техноло гии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте. – Воронеж, 2010. - Выпуск 5.- С.183-186.