Повышение эффективности мобильных машин согласованием основных параметров функционирования с условиями внешней среды в сельскохозяйственном производстве
На правах рукописи
ЖИТЕНКО Иван Сергеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ МАШИН СОГЛАСОВАНИЕМ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ С УСЛОВИЯМИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Челябинск – 2011
Работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности» ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная акаде мия».
Научный консультант: Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Горшков Юрий Германович
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Окунев Геннадий Андреевич Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гордеев Олег Власович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Башкирский государствен ный аграрный университет»
Защита состоится «16» июня 2011 г., в 10.00 часов на заседа нии диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челя бинская государственная агроинженерная академия» по адресу:
454080, г. Челябинск, пр. В.И. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «11» мая 2011 г. и размещен на офици альном сайте ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроин женерная академия» http://www.csaa.ru 13 мая 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Возмилов А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Многообразие решаемых в сельском хо зяйстве задач требует большого количества колесных машин различ ного назначения. Используются эти машины в различных условиях:
на поверхностях с малой несущей способностью (поле, пахота, забо лоченная луговина, размытые грунтовые и полевые дороги, глубокий снег и др.) и с высокой несущей способностью (автомобильные ас фальтобетонные дороги, дороги со щебеночным и гравийным покры тием, сухие укатанные грунтовые дороги и др.).
Существенное повышение производительности и снижение се бестоимости технологических и транспортных работ может обеспе чить снижение затрат энергии при взаимодействии колесного дви жителя и несущей поверхности. При определенных параметрах этих элементов возникает буксование колесных движителей, влияющее не только на экономичность машины (расход топлива), но и на такие ее качества, как тягово-сцепные свойства, скорость движения, произво дительность и др. Из этого следует необходимость разработки и со здания средств, повышающих тягово-сцепные свойства и проходи мость технологических и транспортных машин в сельскохозяйствен ном производстве.
Почти на все основные параметры колесной технологической и транспортной машины и экологичность сельскохозяйственных опе раций влияет давление в пневматических шинах. При движении транспортных и технологических машин по поверхностям с малой несущей способностью повышенное давление в шинах приводит к образованию глубокой колеи, снижению тормозных качеств машины, разрыву каркаса покрышки и др., пониженное – к перерасходу топли ва, снижению ресурса работы шин и скоростных возможностей, управляемости и др.
Приведение воздушной среды в кабинах колесных машин к нормальным параметрам, по данным исследователей, позволяет по высить производительность операторов на 10…13%. Наиболее важ ными параметрами воздушной среды на рабочем месте оператора яв ляются содержание пыли и температура в кабине. Поэтому разработ ка автоматических устройств, позволяющих поддерживать нормаль ное давление в пневматических колесах согласно рекомендациям за водов-изготовителей, и технических средств, позволяющих указан ные параметры воздушной среды приблизить к нормативным или до пустимым значениям, является актуальной задачей.
Цель работы. Повышение эффективности функционирования мобильных технологических и транспортных машин сельскохозяй ственного назначения за счет улучшения их проходимости и тягово сцепных свойств, обеспечения нормальных условий труда на рабочем месте оператора.
Объект исследования. Процесс функционирования технологи ческих и транспортных машин в условиях сельскохозяйственного производства.
Предмет исследования. Закономерности влияния параметров технических устройств на эффективность функционирования мо бильных технологических и транспортных машин.
Научная новизна положений, выносимых на защиту:
– теоретически обоснованы параметры автоматического устрой ства для блокировки шестеренчатого дифференциала, позволяющего улучшить тягово-сцепные и динамические свойства машин, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель. Установлена зависимость чувствительности включения блокирующего механизма от угловых ускорений ведущих колес и состояния несущей поверхно сти;
– обосновано и разработано автоматическое устройство для поддержания нормального давления воздуха в пневматических ши нах, позволяющее улучшить технико-экономические показатели ма шин в технологическом процессе сельскохозяйственного производ ства;
– обоснованы и разработаны технические устройства для удале ния пыли, грязи и газов из кабины мобильной машины, позволяющие нормализовать параметры воздуха рабочей зоны до безопасных пре делов за более короткое время по сравнению с существующими стан дартными устройствами.
Практическая ценность работы и реализация ее результа тов. Разработанное устройство автоматического механизма блоки ровки шестеренчатого дифференциала позволяет улучшить тягово сцепные и тормозные качества колесных машин, курсовую и боковую устойчивость, повысить их производительность. Автоматическое устройство для поддержания норм давления воздуха в пневматиче ских шинах позволяет снизить расход топлива на 4…12%, продлить срок службы пневматических шин и др. Предложенные технические устройства для улучшения параметров воздушной среды в кабине мобильных технологических и транспортных машин позволяют по высить производительность за счет улучшения условий труда опера торов.
Полученные автором результаты исследования используются в процессе обучения студентов ФГОУ ВПО «Челябинская государ ственная агроинженерная академия», ФГОУ ВПО «Курганская госу дарственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева», ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет». Пред ложенные устройства внедрены на предприятиях: ООО «Климов ское» Чесменский район Челябинской обл., ТОО «Восток - ТБК», ООО «Элком-Инвест», ООО «КапиталСтрой», ООО «Доминанта».
Апробация работы. Основные положения диссертационной ра боты доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях ЧГАУ и ЧГАА (г. Челябинск, 2008 - 2010 гг.), Южно-Уральского гос ударственного университета (г. Челябинск, 2008 – 2010 гг.), Курган ской государственной сельскохозяйственной академии имени Т.С.
Мальцева (г. Курган, 2009, 2010 гг.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме дис сертации опубликованы в 10 научных статьях, получен один патент на полезную модель и один патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 121 наименования, содержит 131 стр. машинописного текста, вклю чая 46 рисунков, 5 таблиц, 13 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко изложена актуальность диссертационной работы, сформулированы научная задача, цель, объект и предмет ис следования, научная новизна положений, выносимых на защиту, практическая значимость результатов работы.
Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» по священа анализу влияния буксования технологических и транспорт ных машин сельскохозяйственного назначения на эффективность их работы, способов и средств повышения проходимости и тягово сцепных свойств колесных технологических и транспортных машин сельскохозяйственного назначения, технологических особенностей колесных пневматических движителей, основных способов и средств улучшения сцепных качеств пневматических шин.
Выявлено, что такой фактор, как буксование, приводит к отри цательным последствиям: снижению производительности колесных машин, нарушению технологического процесса, увеличению потерь выращенного урожая, заносам и утомляемости водителей.
Основоположником в области исследования пневматического ко лесного движителя по праву считают академика Е.А. Чудакова.
Большой вклад в науку о работе пневматического колеса, об устойчи вости и буксовании машин и др. внесли В.Ф. Бабков, М.Г. Беккер, Ю.Г. Горшков, Б.И. Клочков, В.И. Кнороз, И.П. Ксеневич, Н.К. Ку ликов, В.Н. Кычев, В.И. Новопольский, В.А. Путин, Н.А. Ульянов, С.М. Цукерберг, Д.А. Чудаков и другие исследователи.
Анализ способов и средств улучшения сцепных качеств пневма тических шин показал, что наиболее перспективным направлением повышения сцепных качеств являются разработки в области блоки ровки дифференциала. Данной проблеме посвящены труды Л.И. Буя нова, Ю.Г. Горшкова, Г.А. Крестовникова, В.М. Русанова, Л.М.
Шульгина и др. Однако высокая стоимость и сложность конструкций существующих блокирующих устройств ограничили область их при менения. Поэтому большое практическое значение приобретает со здание недорогого, упрощенного варианта конструкции автоматиче ской блокировки шестеренчатого дифференциала, позволяющего улучшить тягово-сцепные качества колесных машин в условиях сель скохозяйственного производства.
В настоящее время в сельском хозяйстве из известных автома тических устройств, направленных на повышение эффективности функционирования мобильных машин, применяются устройства для подкачки пневматических шин, позволяющие улучшить технико экономические показатели машин в условиях сельскохозяйственного производства, да и то недостаточно.
Особенностью сельского хозяйства является повышенная запы ленность на рабочем месте оператора мобильных машин при выпол нении технологических операций (вспашка, боронование, культива ция и др.). В основном проблема снижения запыленности решается путем повышения герметичности кабин, что не всегда можно приме нить к уже изношенному, но используемому в сельском хозяйстве парку машин. В связи с этим появляется необходимость в разработке и обосновании устройств снижения запыленности в кабинах эксплуа тируемой техники.
На основании изложенного выдвинута следующая гипотеза: по вышение эффективности функционирования мобильных транспорт ных и технологических машин сельскохозяйственного назначения может быть достигнуто путем разработки технических устройств, по вышающих тягово-сцепные свойства и проходимость указанных ма шин и улучшающих условия труда на рабочем месте оператора. Для развития и подтверждения выдвинутой гипотезы определены следу ющие задачи исследования:
– теоретически обосновать автоматический механизм блокиров ки шестеренчатого дифференциала, работающего на принципе тан генциальных сил инерции, улучшающего тягово-сцепные свойства и проходимость колесных транспортных и технологических машин;
– обосновать и разработать автоматическое устройство для под качки пневматических шин, позволяющее снизить расход топлива и повысить срок службы шин;
– обосновать и разработать технические устройства для улучше ния параметров воздушной среды в кабине технологических и транс портных машин;
– исследовать влияние предложенных технических устройств на эффективность функционирования технологических и транспортных машин и дать экономическую оценку результатам исследования.
Во второй главе «Теоретическое обоснование устройств, по вышающих эффективность функционирования колесных машин сельскохозяйственного назначения и улучшающих условия труда операторов» приведены теоретические предпосылки исследования по решению поставленных задач.
Предельное условие движения колесной машины по горизон тальной поверхности можно представить в виде неравенства Gсц f f (1) или, Gа Gсц где – коэффициент загрузки ведущих колес весом машины;
;
Gа Gсц – вес, приходящийся на ведущие колеса;
Ga – вес автомобиля;
f – коэффициент сопротивления качению;
- коэффициент сцепления.
Левая часть неравенства характеризует машину.
Для легковых автомобилей коэффициент = 0,5, для грузовых автомобилей, тракторов и комбайнов = 0,6…0,7, а для полнопри водных колесных машин = 1,0. Правая часть неравенства характе ризует внешние условия работы колесной машины, т.е. состояние до роги (влажность, скользкость, колея и др.). В таблице 1 приведены средние значения f и, а также их соотношение для некоторых типов несущих поверхностей.
Таблица 1 – Средние значения коэффициентов f, и соотношения f Коэффициенты Тип дороги и состояние ее поверхности f f Дорога с асфальтобетонным сухим 0,015…0,025 0,7…0,8 0, покрытием Грунтовая дорога 0,05…0,15 0,2…0,4 0, (укатанная, после дождя) Грунтовая дорога 0,10…0,25 0,15…0,3 1, (укатанная, но в распутицу) Целина глинистая, размокшая 0,2…0,3 0,15…0,25 2, Целина снежная 0,1…0,3 0,2…0,4 1, f Gсц Сравнивая отношения и (для определенного типажа ма Gа шин), можно судить о возможности движения машин по данному ти пу несущей поверхности. Глинистые грунты при содержании влаги до 33 % становятся пластичными, что приводит к образованию колеи, следовательно, к повышению коэффициента сопротивления качению.
Одновременно резко снижается коэффициент сцепления. Коэффици ент сопротивления качению колесной машины на увлажненной гли нистой дороге может доходить до 0,1…0,2, а коэффициент сцепления снизиться до 0,2…0,4. Таким образом, отношение этих коэффици ентов для глинистой дороги составит 0,2…1,0.
Для снежной целины отношение указанных коэффициентов мо жет достигать 0,25…1,50, т.е. снежная целина практически непрохо дима для легковых автомобилей, труднопроходима для обычных гру зовых автомобилей и может быть непроходима для полноприводных колесных машин.
G Сравнение величин f и сц показывает, что там, где не со Gа f блюдается условие (т.е. машина не может двигаться вследствие полного буксования), необходимо применять блокировку дифферен циала (частичную, полную). Однако в конструкции блокирующего механизма следует предусмотреть возможность сохранения основно го свойства дифференциала. Основное свойство дифференциала за ключается в том, что он не должен выключаться из работы при пово ротах, разгоне максимальной интенсивности, наездах на препятствие.
Этот принцип заложен и в предлагаемой нами конструкции блокиру ющего механизма.
Обоснованный и разработанный автоматический механизм бло кировки шестеренчатого дифференциала работает на принципе ис пользования тангенциальных сил инерции (патент на полезную мо дель № 94917). Принципиальная схема его приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 Принципиальная схема автома- Рисунок 2 Схема сил, действующих тического механизма блокировки простого в механизме блокировки при буксо шестеренчатого дифференциала автомобиля вании ведущих колес: F сила трения ЗИЛ-433100: 1 наружная обойма;
2 сепа- ролика о наружную обойму;
F1 сила ратор с роликами и пружинами;
3 звездоч- трения шипа ролика в отверстии щеки ка;
4 корпус дифференциала;
5 стопорное сепаратора;
N нормальная реакция кольцо. опоры.
При попадании одного из ведущих колес на скользкий участок пути оно начинает пробуксовывать. Вследствие инерционно динамических сил сепаратор с роликами остается на месте, и ролики попадают в положение заклинивания между гранями звездочки и наружной обоймой (рисунок 2). Крутящий момент равномерно рас пределяется на буксующее и небуксующее колеса. При выходе бук сующего колеса из фазы буксования происходит «игра» полуосей.
Силы, действующие на ролики при заклинивании, снижаются;
под действием пружин сепаратор с роликами возвращается в первона чальное положение, ролики выходят из положения заклинивания и становятся в среднее положение по отношению к месту заклинива ния. Дифференциал начинает работать в обычном режиме.
Угловое ускорение ведущего колеса, при котором происходит включение блокирующего механизма, является важнейшим парамет ром для расчета его чувствительности. Величину углового ускорения, которое может испытывать небуксующее ведущее колесо при движе нии автомобиля, можно определить следующим равенством, (2) где,, п, - угловое ускорение ведущего колеса при разгоне автомобиля на пределе сцепления с дорогой, при входе автомобиля в поворот, при наезде на препятствие, при буксовании или отрыве от дороги соответственно.
Для определения величины углового ускорения рассмотрим не сколько основных фаз движения автомобиля: интенсивный разгон и поворот, переезд ведущих колес через препятствие, буксование одно го из ведущих колес.
При разгоне автомобиля максимальной интенсивности на пре деле сцепления колес с дорогой g, (3) rk где g – ускорение свободного па дения, м/с2;
– коэффициент за грузки ведущих колес весом ав Gсц томобиля ;
– коэффици Gа ент сцепления ведущих колес с дорогой;
– коэффициент учета вращающихся масс автомобиля (для ЗИЛ 433100 =1,04+0,05 i 0, Рисунок 3 – График зависимости угло вого ускорения ведущего колеса при где i - передаточное число короб разгоне автомобиля ЗИЛ-433100 на пре- ки перемены передач);
rk – радиус деле сцепления с дорогой на первых пя- деформированного колеса;
G – а ти передачах в зависимости от коэффи циента сцепления ведущих колес с доро- вес автомобиля;
Gсц - вес, прихо дящийся на ведущие колеса.
гой Максимальное угловое ускорение ведущего колеса при раз гоне автомобиля ЗИЛ-433100, подсчитанное по формуле (3), состав ляет 4,8 рад/с2.
С учетом вышеизложенного составлен график зависимости уг ловых ускорений колеса от разности коэффициентов сцепления (ри сунок 3). График показывает, что на величину углового ускорения большое влияние оказывает не только величина коэффициента сцеп ления под ведущими колесами, но и передаточные числа КПП.
Максимальное угловое ускорение наружного ведущего колеса автомобиля при повороте определяется из равенства B gBR, (4) 2RtrK 2h g где В – средняя ширина колеи ве дущих и направляющих колес;
R – радиус поворота автомобиля;
t – время выкручивания рулевого ко леса в крайнее положение, t = 5 с;
hg – высота центра тяжести авто мобиля.
Рисунок 4 – График зависимости угло Максимальное угловое уско вого ускорения наружного ведущего ко рение наружного ведущего колеса леса автомобиля при повороте от высо ты расположения центра тяжести авто- при повороте автомобиля ЗИЛ мобиля 433100, подсчитанное по формуле (4), составляет 7,8 рад/с2.
Из графика (рисунок 4) видно, что с повышением нагрузки на ведущие колеса центр тяжести автомобиля становится ниже и угло вое ускорение наружного ведущего колеса автомобиля при повороте увеличивается.
При буксовании максимальная величина углового ускорения, как и при отрыве ведущего колеса от дороги, ограниченная подве денным крутящим моментом двигателя, находится по формуле М iTT 1- 0,5GK rK jmin. (5) Jпр J пр При отрыве ведущего колеса от дороги М iTТ 1-, (6) J пр xx где J пр приведенный к ведущему колесу суммарный момент инер ции вращающихся частей двигателя, трансмиссии и ведущего колеса J ПР J Д T iT J K ;
J д – момент инерции двигателя;
– общее переда точное число трансмиссии от двигателя до раздельно раскручиваю щегося колеса;
М – крутящий момент двигателя;
– коэффициент не установившегося режима работы двигателя;
– коэффициент сцепления буксующего колеса;
J К – момент инерции ведущего коле са;
– коэффициент внутреннего трения в дифференциале.
Значения угловых ускорений для ведущего колеса автомобиля ЗИЛ-433100 при отрыве от дороги и при буксовании на льду на пер вых пяти передачах приведены в таблице 2.
Таблица 2 Значения угловых ускорений ведущего колеса автомо биля ЗИЛ-433100 при его отрыве от дороги и при буксовании на льду Угловое С грузом Без груза ускорение передачи, рад/с2 1 2 3 4 5 1 2 3 4 Отрыв от 148 93 64,5 41,6 34,6 148 93 64,5 41,6 34, дороги Буксование 115,5 53,4 35,2 - - 130,3 80,5 44,5 33,9 28, на льду Таблица показывает, что при буксовании значение углового ускорения буксующего колеса выше, чем при повороте и разгоне максимальной интенсивности. Значит, этот механизм блокировки не ухудшает работу шестеренчатого дифференциала.
Установлено, что до 25% пневматических шин преждевременно выходят из строя (из них 90% из-за нарушения норм давления возду ха в шинах). При этом происходят перегрев, расслоение тканей корда, локальные вздутия, трещины и т.п. Около 95…98% всех колесных машин (автомобили, тракторы, прицепы, комбайны и др.) работают с отклонением от рекомендуемых норм давления воздуха в шинах (от клонение составляет 15…60%). Опрос водителей о способах провер ки давления в шинах показал, что они проверяют давление только ви зуально или с помощью нажатия монтировкой на боковину шины.
С учетом этого нами предлагается автоматическое устройство для поддержания нормального давления воздуха в шинах колесных транспортных и технологических машин. Устройство включает в себя баллон высокого давления 1 (газ высокого давления), заправочный вентиль с клапаном 2, редуктор высокого давления 3, замковое устройство 4 (рисунок 5).
При пониженном давлении воздуха в шине конусный клапан (рисунок 6), преодолевая сопротивление пружины 2, опускается вниз.
При этом он открывает отверстие общего колодца. Газ высокого дав ления, попадая в общий колодец, проходит через золотник 11 и, рас ширяясь, заполняет объем камеры пневматической шины. После того, как давление воздуха в пневматической шине приходит в норму, кла пан закрывается.
а) б) Рисунок 5 – Общий вид автома- Рисунок 6 – Редуктор высокого давления: а – про тического устройства для под- межуточное звено (воздуховод);
б – принципиаль держания нормального давле- ная схема (разрез): 1 – конусный клапан;
2 – пру ния воздуха в пневматических жина клапана;
3 – верхняя часть редуктора высоко шинах: 1 – баллон высокого го давления;
4 – стенка корпуса баллона высокого давления;
2 – заправочный вен- давления;
5 – ограничитель пружины с отверстиями тиль с клапаном;
3 – замковое для газа;
6 – клапан выпуска избыточного давления устройство;
4 – редуктор высо- воздуха;
7 – пружина клапана выпуска избыточного кого давления давления воздуха;
8 – отверстия для воздуха;
9 – толкатель;
10 – головка золотника;
11 – золотник;
12 – вентиль При давлении воздуха в шине выше нормы выпускной клапан открывается, стравливая «лишний» воздух до нормального давления.
В случае динамических ударов шины или при смещении центра тяже сти на склонах, поворотах, торможении в шине может нарастать мгно венное повышение давления. Тогда система может работать в автома тическом режиме последовательно: после выпуска воздуха через вы пускной клапан открывается клапан высокого давления, уравнивая давления в пневматической шине и в баллоне высокого давления.
Теоретическое обоснование автоматического устройства для поддержания нормы давления в пневматической шине сводится к определению отношения объема сжатого в баллоне азота к объему, занимаемому им в шине, при условии обеспечения нормального дав ления.
Нормальное давление внутри шины может быть определено по формуле Bf, (7) DB Pk f2 2 - ka B где k – коэффициент пропорциональности ( k Gк2, где Gк – нагрузка на B шину);
B – ширина профиля шины, мм;
f – прогиб шины, мм;
D – наружный диаметр шины;
– отношение радиуса кривизны протекто ра R к наружному диаметру шины D (для грузовых машин принимают 0,18...0,23 );
a – коэффициент, имеющий для данного типа шины по стоянную величину.
С учетом формулы (7) находим отношение объема сжатого в баллоне азота к объему, занимаемому им в шине:
B f. (8) V0 DB k Pb V 0 RT f 2 B ka Воздушная среда на рабочем месте оператора оказывает суще ственное влияние на работоспособность последнего. В период поле вых работ запыленность на рабочем месте оператора мобильной сельскохозяйственной техники значительно превышает предельно допустимую концентрацию (концентрация пыли в кабине может до стигать 20…25 ПДК и более). Известно, что при большом содержа нии пыли и низкой температуре в кабине мобильной машины произ водительность оператора может снижаться на 10…13%.
Степень совершенства кон струкции машины, в плане обес печения нормальных условий труда, может быть оценена пока зателем времени вредного и по тенциально опасного пребывания на рабочем месте. Чем выше его Рисунок 7 – Номограмма допустимого значение, тем хуже условия труда времени пребывания оператора на рабо- операторов. Данный показатель чем месте ( Т д ) в зависимости от содер может быть выражен следующей жания нетоксической пыли в рабочей зависимостью:
зоне (Х – содержание пыли в воздухе Т в.о Т см 1 К, (10) рабочей зоны в % от ПДК) где Т см - продолжительность рабочей смены, ч;
К – комплексный ко эффициент (0К1), учитывающий совокупное воздействие факторов условий труда.
Время ежесменного безопасного и безвредного (допустимого) пребывания оператора в кабине мобильной сельскохозяйственной машины в зависимости от концентрации пыли (рисунок 7) может быть определено по номограмме (Тсм=8 ч).
С учетом этого разработаны устройство для удаления пыли и грязи из кабин технологических и транспортных машин (система Рисунок 8 – Принципиальная схема системы «вентиляция-пылесос» в кабине мобильной транспортной или технологической машины:
1 - насадок-приемник;
2 - труба-держатель;
Рисунок 9 – Принципиальная схема - гибкий шланг;
4 – воздуховод;
5 - заслонки устройства (воздушная завеса):
воздуховодов;
6 - реверсивный вентилятор;
1 – окно;
2 – воздухораспределители;
7 – фильтр;
8 – заслонка;
9 - гнездо для со- 3, 4 – соединительные патрубки;
единения с гибким шлангом 5 – вентилятор с фильтром;
6 – люк «вентиляция - пылесос») (рисунок 8) и комбинированное устройство для поддержания нормальных параметров воздушной среды (рисунок 9). Последнее в теплый период года может использоваться для созда ния воздушной завесы, а в холодный – для обогрева лобовых и боко вых стекол и оператора (патент на изобретение № 2381914).
Эффективность работы предлагаемых устройств зависит от кон струкции и размеров кабины, параметров воздушной завесы, дально бойности струи и др. Указанные параметры обоснованы и рассмотре ны в диссертационной работе.
В третьей главе «Методика и результаты экспериментальных исследований» представлены методика и результаты эксперимен тальных исследований, проведенных с целью проверки основных теоретических положений, а также работоспособности и эффективно сти предлагаемых технических устройств.
Анализ результатов испытаний для определения эффективности автоматического механизма блокировки шестеренчатого дифферен циала показал, что на поверхностях с малой несущей способностью (рисунок 10) сила тяги на ведущих колесах серийного автомобиля ЗИЛ-433100 примерно в 1,5…2,5 раза меньше, чем автомобиля, обо рудованного автоматическим блокиратором. Это объясняется тем, что у последнего реализация мощности двигателя и сила тяги осу ществлялись через оба ведущие колеса.
График, представленный на рисунке 11, показывает, что тяговая сила РТ автомобиля, оборудованного автоматической блокировкой дифференциала, даже при минимальных значениях коэффициента сцепления (min=0,1), почти в 4 раза больше, чем сила тяги серийного автомобиля.
В ходе испытаний была определена также скоростная характе ристика разгона (рисунок 12). Время разгона серийного автомобиля Рисунок 10 – Максимальная сила тяги на ве- Рисунок 11 – График зависимости тя говой силы РТ от коэффициента сцеп дущих колесах автомобиля ЗИЛ-433100 в различных условиях движения: 1 – по льду;
2 ления : 1 – тяговая сила автомобиля – по снегу;
3 – по скользкому участку;
4 – по ЗИЛ-433100, не оборудованного бло дерну;
5 – по асфальту;
А – серийный автомо- киратором;
2 – тяговая сила (Кб=) ав биль ЗИЛ-433100;
Б – автомобиль ЗИЛ- томобилем ЗИЛ-433100, оборудован 433100 с автоматической блокировкой диф- ного автоматическим блокиратором ференциала до скорости 2,5 м/с составляет с, а время разгона автомобиля, оборудованного автоматической блокировкой дифференциала, со ставляет 4 с. Это означает, что ав томобиль, оборудованный авто Рисунок 12 – Скоростная характеристи- матической блокировкой шесте ка разгона автомобиля ЗИЛ-433100 на ренчатого дифференциала, раз снегу: 1 – серийный автомобиль;
2 – с автоматической блокировкой диффе- гоняется в 1,5…2,5 раза эффек тивнее серийного.
ренциала Таким образом, результаты проведенных дорожных испытаний свидетельствуют об эффективности предлагаемого самоблокирующе гося дифференциала в различных дорожных условиях, а также в условиях бездорожья.
При испытании автоматического устройства для подкачки пневматических шин использовался автомобиль УАЗ-2206 с колесной формулой 4х4. Пробег шин составил около 7 тыс.км. Тип шин – уни версальный. Средняя скорость движения при испытаниях составляла около 70 км/ч. Через каждые 200 км пробега проводился контроль ный замер давления воздуха в пневматических шинах всех колес.
Результаты испытаний показали, что предлагаемое устройство позволяет поддерживать давление воздуха в пневматических шинах в пределах нормы. Расход топлива у автомобиля, оснащенного разработанным устрой ством, в среднем на 5 % ниже, чем ав томобиля с давлением в шинах, сни Рисунок 13 – График зависимости женным на 0,05 МПа, и на 12% ниже, расхода топлива от величины дав- чем с давлением в шинах ниже нормы ления воздуха в шинах автомоби- на 0,1 МПа (рисунок 13). Это говорит о ля УАЗ- том, что необходимо поддерживать нормальный уровень давления воздуха в шинах, так как это улучшает сцепные и тормозные качества шины и снижает расход топлива на 4,5…12,0%.
С целью определения эффективности предлагаемой системы «вентиляция - пылесос» были проведены экспериментальные иссле дования в кабине одного трактора МТЗ-80, в ходе которых произво дилась уборка органической пыли с содержанием SiO2 (ПДК = мг/м3) при выполнении операций боронования, культивации и др.
Испытания проводились при температуре 18…22 0С и скорости ветра 1…2 м/с. Для измерения содержания пыли в кабине применялся пы лемер марки ИДИП-01. Эксперименты проводились с трехкратной повторностью.
Анализ полученных данных показал, что применение указанной системы в ходе выполнения сельскохозяйственной опера ции позволяет снизить уровень запыленности на рабочем ме сте оператора в 20-25 раз, что в Рисунок 14 - Изменение содержания неток- свою очередь приближает сичной пыли в воздухе кабины трактора в условия труда к допустимым ходе выполнения с.-х. операции при работе системы «вентиляция - пылесос»:1 – при от- параметрам (ПДК) и обеспечи крытых форточках;
2 – при закрытых фор- вает работу без снижения про изводительности (рисунок 14).
точках Для проверки работоспособности воздушной завесы проводи лись эксперименты по определению концентрации нетоксичной пыли в кабине трактора МТЗ-80, выполняющего операцию боронования.
Для измерения концентрации пыли в кабине также применялся пы лемер марки ИДИП-01. Эксперименты проводились при открытых форточках. Скорость внешнего ветрового потока составляла 9-11 м/с (по анемометру).
Сначала замеры содержания пыли в воздухе рабочей зоны опе ратора производились при работе трактора без использования воз душной завесы. Измерения показали, что ее концентрация превышала предельно допустимую в 25-30 раз. Затем пыль, накопившаяся в ходе первого этапа испытаний, удалялась.
Второй этап испытаний заключался в определении запыленно сти в кабине в ходе работы агрегата при включенной воздушной заве се. Угол наклона воздухораспределителей устанавливался таким об разом, чтобы воздушная завеса не только ограждала бы боковое стек ло от внешнего, загрязненного пылью воздуха, но и отсекала (отбра сывала) пыль в нижней его части. Результаты испытаний позволяют констатировать, что применение предлагаемого устройства позволяет поддерживать уровень содержания пыли в воздухе кабины в пределах ПДК.
В холодное время года боковые и задние стекла кабин не обду ваются горячим воздухом и замерзают. При этом лобовое стекло обо гревается недостаточно эффективно, что приводит к неудовлетвори тельной обзорности. Низкая обзорность, в свою очередь, повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Эксперименты по определению работоспособности воздушной завесы, выполняющей функцию обогрева стекол кабины, проводились в зимнее время при температуре воздуха окружающей среды -15…-20 оС. Устройство было установлено в кабине трактора МТЗ-80. При этом воздухорас пределитель устанавливался таким образом, чтобы воздушная струя обдувала лобовое стекло.
Устройство включалось в работу, нагретый воздух поступал от отопителя кабины в воздухораспределитель и обдувал лобовое стек ло. С помощью секундомера определялось время, прошедшее с мо мента запуска завесы до достижения 98…100% обзорности.
Замеры показали, что среднее время, необходимое для достиже ния 100% обзорности, при использовании воздушной завесы состав ляет 5…7 мин.
В четвертой главе «Экономическая оценка результатов иссле дования» дана экономическая оценка эффективности внедрения ре зультатов диссертационной работы.
Грузооборот автомобиля, оборудованного автоматической бло кировкой дифференциала за период неблагоприятных условий (по данным актов внедрения), вырос на 990 ткм по сравнению с серий ным. Экономический эффект составил 15180 руб. на один автомобиль ЗИЛ-433100.
Экономический эффект от внедрения автоматического устрой ства для поддержания норм давления воздуха в пневматических ши нах достигнут за счет снижения расхода топлива (на 100 км пробега), что дает годовой экономический эффект в среднем 8937,6 руб. на од ну машину.
Оценка социально-экономической эффективности от внедрения предложенных устройств для улучшения условий труда (система «вентиляция - пылесос», воздушная завеса) сводится к расчету эко номии от улучшения условий труда и эффекта от повышения произ водительности труда оператора.
Результаты оценки представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Результаты расчета социально-экономических показателей Значение показателей после внедрения Показатель Система Воздушная «вентиляция завеса - пылесос» Экономический эффект от повышения уровня условий труда человека- 1534,5 1231, оператора, руб.
Экономический эффект от повышения производительности труда, руб. 22750,9 11324, Годовой (суммарный) социально экономический эффект от внедрения 24285,4 12556, технических мероприятий, руб.
Расчеты выполнены для трактора МТЗ-82 при установке на него устройства для поддержания нормальных параметров воздушной среды в кабине.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Теоретически обоснована, разработана и испытана конструкция автоматической блокировки шестеренчатого дифференциала.
Установлено, что чувствительность блокирующего механизма ограничена угловым ускорением буксующего колеса б 10… 1/с2. Конструкция блокировки не ухудшает основного свойства шестеренчатого дифференциала в сложных дорожных условиях (грязь, песок, глубокий снег, пахота, размытые грунтовые и поле вые дороги и др.). Введение в трансмиссию указанной автомати ческой блокировки улучшает тормозные качества колесной маши ны при ее экстренном торможении.
2. На поверхностях с малой несущей способностью и скользких до рогах тяговая сила на ведущих колесах автомобиля ЗИЛ-433100, оборудованного автоматической блокировкой дифференциала, в 1,5…2,5 раза больше, чем у серийного автомобиля. Время разгона автомобиля ЗИЛ-433100, оборудованного механизмом автомати ческой блокировки дифференциала, по сравнению с серийным ав томобилем в зависимости от типа несущей поверхности сокраща ется в среднем на 16…40%.
3. Установлено, что годовая выработка автомобиля ЗИЛ-433100, оборудованного предложенной автоматической блокировкой дифференциала, на 15…17% больше, чем стандартного автомоби ля в сложных дорожных условиях, за счет чего расход топлива снижается на 8…12% (по данным хозяйственных испытаний).
4. Обоснована и разработана автоматическая система поддержания норм давления воздуха в пневматических шинах, позволяющая снизить расход топлива на 4…5% (на 100 км пробега) при сниже нии давления воздуха в пневматической шине на 0,05 МПа, и на 10…12% при снижении давления на 0,1 МПа, повысить ресурс хо димости шин на 10%. Установлена зависимость, позволяющая оценить отношение объема сжатого в баллоне газа к объему, за нимаемому им в шине, при условии поддержания нормального давления.
5. Выявлено, что операторы колесных и гусеничных тракторов, зер но- и кормоуборочных комбайнов при выполнении отдельных по левых операций работают в условиях повышенной запыленности до 25…30 ПДК. Для улучшения условий труда обоснованы и раз работаны устройства для поддержания нормальных параметров воздушной среды в кабине мобильных транспортных и технологи ческих машин. Указанные устройства улучшают условия труда на рабочем месте оператора за счет снижения запыленности, что приводит к повышению производительности на 5…6%.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Житенко, И. С. [и др.] Механизм блокировки простого шестерен чатого дифференциала [Текст] / И. С. Житенко, Ю. Г. Горшков, М. С. Дмитриев и др. // Тракторы и сельскохозяйственные маши ны. – М., 2009. - №3. – С. 9–10.
2. Житенко, И. С. Прочностные параметры механизма блокировки простого шестеренчатого дифференциала [Текст] / И. С. Житен ко, Ю. Г. Горшков, М. С. Дмитриев // Тракторы и сельскохозяй ственные машины. – М., 2009. - №7. – С. 43–45.
3. Житенко, И. С. [и др.] Автоматическое устройство для поддержа ния норм давления воздуха в пневматических шинах [Текст] / И.
С. Житенко [и др.] // Техника в сельском хозяйстве. – М., 2009. №6. – С. 44–47.
4. Житенко, И. С. Воздушная завеса – комбинированное устройство для улучшения микроклимата в кабинах мобильных технологи ческих и транспортных машин [Текст] / И. С. Житенко, Ю. Г.
Горшков, М. С. Дмитриев // Безопасность жизнедеятельности. – М., 2008. – №12. – С. 2–6.
в нерецензируемых изданиях 1. Житенко, И. С. Автоматический редуктор для поддержания норм давления воздуха в пневматических шинах [Текст] / И. С. Житен ко, Ю. Г. Горшков, П. С. Бакин // Достижения науки – агропро мышленному производству. : Материалы XLVIII междунар.
науч.-техн. конф. ЧГАУ – Челябинск, 2009. – Ч. 3. – С. 65–70.
2. Житенко, И. С. Улучшение условий труда водителей колесных машин автоматической блокировкой простого шестеренчатого дифференциала [Текст] / И. С. Житенко, Э. Ю. Кульпин, Ю. Г.
Горшков, И. Н. Старунова // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии. : Сб. тр. науч.-практ. конф. ЮУрГУ – Че лябинск, 2009. – Ч. 2. – С. 125–129.
3. Житенко, И. С. Технические средства для нормализации пара метров воздушной среды в кабинах мобильных сельскохозяй ственных машин [Текст] / И. С. Житенко, М. С. Дмитриев, Д. В.
Потемкина // Достижения науки – агропромышленному произ водству : Материалы XLIX междунар. науч.-техн. конф. ЧГАА. – Челябинск, 2010. – Ч. 3. – С. 112–118.
4. Житенко, И. С. К вопросу расчета воздухообмена при удалении вредных веществ в кабинах мобильных технологических и транс портных машин [Текст] / И. С. Житенко // Безопасность жизнеде ятельности в третьем тысячелетии : Сб. тр. науч.-практ. конф.
ЮУрГУ. – Челябинск, 2011. – Ч. 2. – С. 125–129.
Авторские свидетельства, патенты 1. Пат. 2381914 Российская Федерация, МПК 7 В 60 Н 1/08, F 24 F 13/00. Устройство для поддержания нормальных параметров воз душной среды в кабинах транспортно-технологических машин [Текст] / Житенко И. С., Дмитриев М. С., Горшков Ю. Г.;
заяви тель и патентообладатель Челябинский государственный агроин женерный университет. – № 2008151216/11 ;
заявл. 23.12.2008 ;
опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5. – 5 с. : ил.
2. Пат. 94917 Российская Федерация, МПК 7 В 60 К 17/35. Самобло кирующийся дифференциал транспортного средства [Текст] / Житенко И. С., Горшков Ю. Г., Дмитриев М. С. и др. ;
заявитель и патентообладатель Челябинская государственная агроинженер ная академия. – № 2010106666/22 ;
заявл. 24.02.2010 ;
опубл.
10.06.2010, Бюл. № 16. – 2 с. : ил.
Житенко Иван Сергеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ МАШИН СОГЛАСОВАНИЕМ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ С УСЛОВИЯМИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Отпечатано в Челябинской государственной агроинженерной академии Подписано к печати «10» мая2011 г.
Формат 60 x 84/16. Объем 1,0 уч.-изд. л.
Заказ № 107. Тираж 100 экз. УОП ЧГАА.
454080, Челябинск, пр. Ленина, 75.