Оптимизация упругих связей культиваторного мта с трактором класса 5
На правах рукописи
НАЗАРОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОПТИМИЗАЦИЯ УПРУГИХ СВЯЗЕЙ
КУЛЬТИВАТОРНОГО МТА С ТРАКТОРОМ КЛАССА 5
Специальность 05.20.01-технологии и средства
механизации сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград - 2010
2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Сергеев Александр Павлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ляшенко Михаил Вольфредович, кандидат технических наук, доцент Айтмуратов Марат Тажимуратович
Ведущая организация:
ФГОУ ВПО « Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» (г. Саратов)
Защита состоится 6 декабря 2010 года в 1015 часов на заседании диссертаци онного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, пр. Универ ситетский 26, ауд. 214.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Волгоград ская государственная сельскохозяйственная академия».
Автореферат разослан «_» ноября 2010 г. и размещен на сайте http://www.vgsha.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор Ряднов А.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. За годы реформирования экономических основ функционирования Российского государства, перевода экономики на рыночные рельсы, конкурирующие мировые производители сельскохозяйственной техни ки пришли и в наше сельское хозяйство, наводнив ее рынок современной сель скохозяйственной техникой.
Большинство почвообрабатывающих машин, поступающих на вооруже ние наиболее развитых российских агрофирм, в своей конструкции имеют упругие звенья в устройствах крепления рабочих органов. Значит, с первого вз гляда они, оснащаются устройствами, способными не только выступать предохранительными звеньями, исключая их перегрузку, но и устройствами, обеспечивающими стабилизацию нагрузочных режимов работы энергетических установок МТА, уменьшая их уровень нагружения и снижая общую динамич ность работы системы. Однако, даже поверхностный анализ характеристик та ких устройств показывает, что они не соответствуют эксплуатационным усло виям, по крайней мере, засушливых зон России. Если они и способны работать как гасители вредных влияний колебаний крюкового усилия, то только его со ставляющих с большими частотами колебаний. Но не они в рассматриваемых условиях определяют нагруженность МТА.
Представительские дилерские службы торгующих фирм практически не могут ничего сказать о назначении упругих устройств. Их рекомендации сво дятся обычно к обывательским советам: если дорог для вас весь набор предла гаемых комплектов пружин, купите только самый жесткий, они могут вас устроить в любых условиях.
С другой стороны, задавая вопросы дилерам торгующих фирм, инжене ры-эксплуатационщики не могут предъявить своих требований им, а через них и производителям сельскохозяйственной техники.
Эти обстоятельства вызывают необходимость проведения специальных теоретических и эксплуатационных исследований для создания методики опти мизации жесткостей упругих устройств рабочих органов почвообрабатываю щих машин и оценки целесообразности их применения по сравнению с упруги ми элементами в других узлах МТА Целью настоящей работы является оптимизация упругих связей в раз личных узлах культиваторного МТА с тракторами класса 5 и оценка эффектив ности их совместного использования.
Объект исследования – колесный трактор общего назначения Buhler 2375 + культиватор Bourgault 8810 с подпружиненными стойками.
Методика исследований. Общая методика исследования предусматрива ла теоретический анализ рабочих гипотез, их экспериментальную проверку в полевых условиях и экономическую оценку результатов работы.
В теоретических исследованиях использованы положения теоретической механики, теории грунтов, физико-механических свойств почв, методы матема тической статистики, элементы теории случайных функций.
Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях на базе общепринятых и частных методик, разработанных автором.
Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием ЭВМ.
Научная новизна выполненной работы состоит в новом подходе к реше нию вопроса стабилизации тягового усилия культиваторного МТА путем опти мизации упругих связей, обеспечивающих устойчивое колебание пассивных ра бочих органов культиватора для снижению внутреннего трения в почвенных пластах, и в комплексной оценки целесообразности использования разных упругих элементов в системе формирования силового потока МТА.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях ВГСХА и на межвузовских научно-практи ческих конференциях студентов и молодых ученых (2007...2010г.) Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных ра бот, две из них в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 1,64 печатных листов, из них 0,54 печатных листов принадлежит автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений, списка литературы, который включает наименований. Работа изложена на 155 страницах текста с приложениями.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе «Конструкторские способы снижения рабочих тяговых усилий тракторов в составе МТА» дан обзор научных исследований, посвящен ных устранению негативных явлений, на работу МТА, возникающих при увели чении рабочих скоростей движения МТА.
На основании проведенного обзора сформулированы следующие задачи исследования:
1. Изучить особенности нагружения современных МТА, оборудованных упругими креплениями рабочих органов сельскохозяйственной машины, жест кость которых рекомендована официальным дилером по Волгоградской обла сти.
2. Усовершенствовать конструкцию прицепного устройства с упругим элементом с целью возможности автоматической регулировки жесткости упру гого элемента в зависимости от крюковой нагрузки.
3. Разработать методику определения жесткости упругого элемента в прицепном устройстве и креплении рабочего органа, позволяющую обеспечи вать снижение силовых и динамических нагрузок, действующих на МТА.
Оценить влияние оптимальной жесткости упругого элемента в крепле 4.
нии рабочего органа на устойчивость хода культиваторной стойки при случай ном характере воздействия реакции почвы.
5. Осуществить экспериментальную проверку эффективности использо вания упругих элементов в креплении рабочих органов с.-х. машины, прицеп ном устройстве МТА, а также оценить целесообразность совместного их ис пользования.
Во второй главе – «Теоретическое исследование» проведены теоретиче ские исследования физико-механических свойств почвы, влияния виброускоре ний рабочих органов на снижение тангенциальной несущей способности почвы (далее по тексту R). Создана методика расчета жесткости упругого элемента в прицепном устройстве МТА и в креплении рабочего органа с.-х. машины, обес печивающая получение устойчивого колебания рабочего органа с.-х. орудия.
Оценено влияние конструктивных параметров системы на устойчивость хода культиваторной лапы в вертикальной плоскости при случайном характере воз действия реакции почвы.
Теоретический анализ по изучению физико-механических свойств почв при изменении режимов нагружения МТА показал, что угол внутреннего тре ния tg0, характеризующий прочностные свойства почвы в горизонтальном направлении, с увеличением виброускорений в относительных единицах по от ношению к ускорению свободного падения снижается (рисунок 2).
Рост виброускорений, сни жая сопротивление почвы раз рушению, вызывает снижение сопротивления рабочих орга нов, следовательно, и всего крюкового усилия, за счет уменьшения динамической со ставляющей. Исходя из этого, необходимо было решить зада чу обеспечения устойчивого колебания рабочего органа с.-х.
Рисунок 1 - Зависимость коэффициента орудия для генерации устойчи внутреннего трения почвы от ускорения вых, достаточно высоких виб колебания роускорений.
Решение этой задачи обеспечивается технологической особенностью про цесса резания почвенного пласта. Эта особенность связана с тем, что на рабо чем органе постоянно действует изменяющаяся по времени нагрузка, формиру емая периодическим скалыванием почвы и колебаниями остова трактора. Такая нагрузка может явиться источником автоколебаний рабочего органа. Для воз никновения автоколебаний упругий элемент должен обеспечивать подпружи ненной массе собственную частоту колебаний, равную частоте вынужденных колебаний.
Оценить генерирующие возможности МТА по возбуждению собственных колебаний рабочих органов культиватора можно по спектральной плотности крюковой нагрузки трактора (рисунок 1).
Второй всплеск спектральной плотности ( = 2…3,5 Гц) имеет достаточно высокие амплитудные характеристики и повышенные частоты колебаний, а по тому вынужденные колебания, обеспечиваемые рабочим органам, вполне способны создавать достаточно высокие ускорения частицам почвы и снижать коэффициент внутреннего трения почвы, а значит, и сопротивление действию рабочего органа. Эта гипотеза была положена в основу теоретической оценки оптимальной жесткости крепления рабочих органов культиватора. Рисунок свидетельствует о том, что с увеличением скорости движения при выполнении одной и той же операции периодические составляющие смещаются в область более высоких частот. Следовательно, жесткость упругого элемента должна быть переменной в зависимости от скоростного режима работы МТА (рисунок 3).
Рисунок 2 – Спектральная плотность Рисунок 3 - Зависимость крюковой на крюковой нагрузки трактора класса 5 грузки от деформации упругого элемента Анализ экспериментальной зависимости изменения крюковой нагрузки Ркр исследуемого трактора при выполнении одной и той же операции в зависи мости от рабочей скорости движения представлен на рисунке 4. Он показывает, что с увеличением рабочей скорости движения растет Ркр за счет динамической составляющей. Значит, деформация упругой сцепки с ростом скорости движе ния будет расти, а по рисунку 3 жесткость упругого элемента будет увеличи ваться (tg2tg1).
Согласно рисункам 2 и 3 жесткость сцепки для трех приведенных спек тральных плотностей должна быть:
с6,4 = m6,4,с8,7 = m2,7,с11 = m11, 2 (1) где m - масса рабочих орудий;
i - периодическая составляющая спектра.
Этот расчет дает три точки по жесткости, по которым можно построить кривую проектируемого упругого элемента. Конечно, она будет относиться к зарегистрированным значениям крюкового усилия, которые при работе упруго го элемента должны уменьшиться, но уменьшение Ркр приведет и к снижению жесткости по кривой нагружения сцепки.
Рисунок 4 – Зависимость крюковой на- Рисунок 5 - Зависимость крюковой на грузки трактора класса 5 от скорости грузки от деформации упругого эле движения мента прицепного устройства Будем считать, что жесткость упругого элемента в пределах деформации по определенным нами трем точкам меняться не будет, т.е.
Pкр 8,7 Pкр 6,4 Pкр 11 Pкр 8, Pкр 6, l6,4 =, l8,7, l11 = =. (2) с6,4 с8,7 с Тогда Pкр=f(l), будет выглядеть примерно так, как на рисунке 5. Работа такого упругого элемента должна вызвать (при сохранении устойчивости коле баний прицепного устройства или рабочего органа машины) снижение несущей способности почвы (по рисунку 1), определяемое максимальным ускорением генерируемых колебаний:
AP a = кр i2, (3) сi где АРкр - амплитуда колебания крюкового усилия;
сi - жесткость сцепки, соот ветствующая условию нагружения;
i - частота периодической составляющей спектра.
Воспользовавшись поисковыми опытами для определения жесткости упру гого элемента в прицепном устройстве для трактора, работающего с комбини рованным с.-х. орудием, масса которого m = 3995 кг, можно точно сказать, что амплитуда колебания крюкового усилия будет не меньше средней динамиче ской составляющей Ркр= (Ркр. - Ркр.ср). Мы же будем считать, что Ркр = Ркр.ср.
Тогда для МТА, работающего на скорости 11 км/ч:
Ркр Pкр АР 11 = 11 = а=. (4) 2 кр с11 с11 m Из рисунка 4 получаем Ркр по отношению к Ркр при работе трактора на скорости V=6,4 км/ч – 12000Н (режим работы на скорости 6,4 км/ч считаем «статическим», т.е. опять используем допущение в меньшую сторону). Откуда:
12000 Н a 3, = 3,035 н = 3,035 м а= = = 0,309.
тогда (5) кг с g 9, 3955 кг Согласно данным рисунка 1, значение 0,309 соответствует снижению тан генса угла трения, примерно, на 30%. Конечно, это прикидочный расчет, учи тывающий изменение только тангенциальных сил.
Жесткость прицепного устройства при такой концепции его работы:
c11 = m 11 = 3955 ( 6,28 2,85 ) = 3955 17,898 2 = 3955 320,3 = кг м кг Н кгс кгс = 1194410 2 = 1194410 119441 = 1194, (6) с м с м м см Для оптимизации жесткости упругого элемента в креплении рабочего орга на с.-х. машины определим частоту собственных колебаний системы.
Соответствующие уравнения Лагранжа имеют вид:
d t T dt x x = Qx d T T (7) = Q dt d где Qx, Q– обобщенные силы си стемы;
Т– кинетическая энергия систе мы;
x,– обобщенные скорости;
x, – обобщенные координаты.
Тогда искомое дифференциальным уравнением свободных колебаний стой Рисунок 6 - Стойка культиватора ки культиватора определиться как:
mga + ch + = 0, (8) J z ma mga + ch k= где - круговая частота малых колебаний стойки J z ma В нашей задаче, как уже было сказано, упругий элемент должен настраи ваться таким образом, чтобы собственная частота системы равнялась частоте возмущающей силы, поэтому:
k = Тогда оптимальная жесткость упругого элемента, работа которого способствует снижению несущей способности почвы в горизонтальном направ лении, а, следовательно, и R, определится как:
2 ( J z ma 2 ) mga c=, (9) h ( 14 6,28 ) ( 2,7 16,5 0,4 ) 16,5 9,8 0,4 = 15128 кг 2 151 кН c= м.
м 0,18 Все рассуждения по поводу использования резонансного режима колеба ния с.-х. машины потребовали проверки. Мы вели их, считая, что связность почвы невелика и виброускорения не только снижают внутреннее трение, но и способствуют разрушению (скалыванию) почвы. Вполне возможно, что несов падение частоты скалывания с частотой периодической составляющей спектра могло сделать этот процесс неустойчивым, в результате не только могло не по лучиться снижение Ркр но, возможно, могло произойти его увеличение. Поэто му исследование устойчивости движения рабочего органа являлось важнейшей задачей исследований при изменении его основных конструктивных парамет ров.
Определение зависимости дисперсии глубины хода культиваторной стойки в функции жесткости упругих элементов. Для определения влияния конструктивных параметров системы на устойчивость хода культиваторной лапы в вертикальной плоскости при случайном характере воздействия реакции почвы составлено дифференциальное уравнение движения стойки. При движе нии МТА с постоянной скоростью рассматриваемая система имеет одну сте пень свободы. За обобщенную координату принят угол поворота культиватор ной лапы относительно бруса.
Тогда дифференциальное уравнение системы в форме уравнения враща тельного движения твердого тела от носительно неподвижной оси прини мает вид:
e J z = M z, e где, M z – суммарный момент всех внешних сил относительно центра вращения, поэтому J z = R L ch 2 P a sin (10) Рисунок 7 - Силы, действующие на где Р – вес культиваторной лапы;
Jz – её момент инерции относительно оси под стойку культиватора веса;
R – случайная функция времени: R = R( t ).
Введением обозначений: Jz=A2;
ch=B2;
Pаsin=D2 уравнение (10) преоб разуется:
A 2 + B 2 = RL D 2, (11) d Решение уравнения (11) в операторном виде ( p = dt - оператор дифферен цирования) будет:
L ( t ) = R( t ), (12) A p + B 2 Функция R(t) зависит от многих факторов, большую часть которых (физи ко-механические свойства почвы, характер предпосевной обработки, неровно мерность крутящего момента двигателя трактора и т.д.) в каждый данный мо мент времени мы оценить не можем. Поскольку все факторы, влияющие на ха рактер протекания R(t) оказывают в совокупности воздействие, не поддающееся учету, функция R(t) протекает таким образом, что мы не можем предсказать ее точное значение в любой последующий момент времени, даже если знаем все ее предыдущие значения. Таким образом, без значения R(t) уравнение (11) ре шить не возможно. Поэтому, решалось оно в спектральном представлении.
В работе показано, что дисперсия угла поворота культиваторной стойки может быть определена выражением:
[( ] ) ( ) L2 R B 2 A2 7 2 2 B 2 8 A4 2 2 2 = {[ }, (13) )] ( 2 B 2 + A2 2 + 2 4 A2 B 2 где и – коэффициенты корреляционной связи реакции почвы на рабочий ор ган культиватора определенные по нормированным автокорреляционным функ циям;
R – ее среднеквадратичное отклонение.
Наиболее целесообразно проследить влияние интересующего нас пара метра (жесткости упругого элемента) на устойчивость хода культиваторной лапы графически. Как видно из рисунка 8 – эта зависимость гиперболическая, т.к. жесткость пружины стоит в знаменателе исследуемого выражения в большей степени, чем в числителе. При увеличении скорости движения МТА влияние жесткости на устойчивость культиваторной стойки будет возрастать, увеличиваются коэффициенты корреляционной связи. Аналогична зависимость дисперсии глубины обработки в функции жесткости упругого элемента рису нок 9.
Разработанный технологический до- пуск при проведении культива ции показал, что допустимое среднеквадратическое отклоне ние глубины обработки состав ляет = 0,6 см.
h Рисунок 8 - Влияние жесткости упру- Рисунок 9 - Зависимость среднеквад гого элемента на устойчивость хода ратичного отклонения глубины обра культиваторной лапы ботки от жесткости упругого элемента Таким образом полученные графические зависимости показывают, что использование упругого элемента в креплении рабочего органа свыше 100 кН/м позволяет с достаточной степенью точности выдерживать агротехнические тре бования и допуски, предъявляемые к культивации.
В третьей главе представлена методика проведения полевых экспери ментальных исследований МТА на базе колесного трактора Buhler 2375 класса 5 оборудованного модифицированным прицепным устройством с упругим эле ментом + культиватором Bourgault 8810 с подпружиненными стойками. Жест кости упругих элементов в креплении рабочих органов были составлены из комбинаций пружин заводского изготовления фирмы, и составили 115, 140, 230, 250, 280 кН/м. Среди них оказались пружины С=140 кН/м, близкой к тео ретической расчетной жесткости.
Целью экспериментальных исследований МТА является проверка поло жений и выводов, установленных в результате теоретических исследований по снижению тангенциальной составляющей несущей способности почвы при из менении режимов нагружения МТА, а также оценка эффективности работы упругих элементов в различных узлах МТА.
В процессе исследования регистрировались следующие параметры: крю ковое усилие трактора, действительная скорость движения, горизонтальная со ставляющая тягового сопротивления рабочего органа сельскохозяйственной ма шины, угол поворота стойки культиватора относительно вертикальной оси.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных иссле дований колесного трактора при выполнении различных сельскохозяйственных операций на полях различной влажности.
При работе культиваторной стойки значения R зависят от правильной ре гулировки силы предварительного натяга упругого элемента.
В результате взаимодей ствия обрабатываемого матери ала с динамической системой Рисунок 10 Теоретическое обоснова ние определения усилия предваритель ного натяга пружины с.-х. машины на культиватор ной стойке формируется на грузка в виде плавно изменяю щейся силы. Под действием ко торой, упругий элемент растя нется на некоторую величину x0, а за тем в процессе работы амплитуда его колебаний будет изменяться в зависимости от амплитуды возмущающего воз действия, ее частоты и соб ственной частоты системы.
Наша задача заключалась в обеспечении устойчивого колебания рабочего органа с установившейся амплитудой колебаний, не ограничиваемой предвари тельным натягом пружины. Допустимый натяг пружины не должен превышать минимального значения горизонтальной составляющей тягового сопротивления рабочего органа Рmin (с учетом конструктивных параметров системы). Если упругий элемент будет «не дожат», он будет позже вступать в работу, в ре зультате чего стойка получит большее перемещение, что может привести к ее выглублению. И наоборот, чрезмерное зажатие упругого элемента повлечет за собой снижение амплитуды колебаний культиваторной стойки, а, следователь но, и виброускорений.
Рисунок 11 - Зависимость R культива- Рисунок 12 - Изменение угла поворота торной стойки от усилия предвари- культиваторной стойки в зависимости тельного натяга упругого элемента от усилия предварительного натяга (С=140 кН/м) 1-фон-пар;
2-фон-стер- упругого элемента жесткостью С= ня озимых кН/м (фон-стерня озимых) Для стойки культиватора Bourgault 8810 минимальное значение горизонталь ной составляющей сопротивления при жесткости упругого элемента С=140 кН/м составляет 0,61 кН, тогда значения оптимального натяга упругого элемента составит:
R l 610 0. = 2304 Н 2,3кН. Что соответствует перемещению верхнего Р= = h 0. конца упругого элемента на 0,016 м=16 мм. Данные теоретического расчета хо рошо согласуются с экспериментальными зависимостями (рисунки 11, 12).
На основании этих данных построены графические зависимости (рисунок 13), которые непосредственно устанавливают влияние жесткости упругого эле мента в функции скорости движения МТА при оптимальных значениях предва рительного натяга. Как видно из этих графических зависимостей при работе культиваторной стойки с жесткостью упругого элемента С=140 кН/м гори зонтальная составляющая тягового сопротивления изменялась от 60 до 65 кг, при увеличении скорости от 5,5 до 10,2 км/ч на стерне озимых. При установке упругих элементов жесткостью (рекомендованной официальным дилером), рав ной С=280 кН/м увеличивается начальное значение горизонтальной составляю щей тягового сопротивления, а также тенденция его роста при увеличении ско рости МТА в 4 раза, общее сопротивление составило 98-112 кг.
Рисунок 13 - Зависимость R в функ- Рисунок 14 - Зависимость R стойки ции скорости движения при опти- культиватора в функции жесткости мальных значениях предварительного упругого элемента (1 – фон-стерня натяга упругого элемента (1-140 озимых, 2 – фон-пар) кН/м;
2-230 кН/м;
3-250 кН/м;
4- кН/м) фон-стерня озимых Анализ графической зависимости R от жесткости упругого элемента на различных почвенных фонах (рисунки 8,9) показывает, что жесткость упругого элемента в 140 кН/м оказалась близкой к оптимальной для снижения R стойки культиватора: она обеспечила уменьшение его на 35-40%. Конечно, не стоит ожидать снижения общего крюкового усилия культиватора в указанных преде лах, т.к. сопротивление перекатыванию опорных колес для многих машин со ставляет значительную часть общего сопротивления. Например, для культива тора и прицепных сеялок оно находится в пределах от 1/3 до 1/2,5 общего со противления. Поэтому снижение общего крюкового усилия трактора может оказаться в пределах 16-18%, в сравнении с жесткой затяжкой упругих элемен тов.
Полученные спектральные плотности для культиваторной стойки пред ставлены графическими зависимостями рисунок 15. Как видно, спектр возму щающего воздействия при увеличении скорости движения МТА изменяется.
Наличие первых периодических составляющих, по всей вероятности, вызваны микрорельефом. Высокочастотные составляющие спектра возникают при воз действии вибраций прицепных машин, получаемых от трактора, на культива торную стойку.
Графические зависимости рисунка 16 определяют степень влияния конструктивных параметров культиваторной стойки на спектральную плот ность горизонтальной составляющей крюкового усилия.
Из характера протекания кривых спектральных плотностей видно, что из менение жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа до кН/м позволяет генерировать узкий спектр частот с резким увеличением ампли туды колебаний нагрузки, что свидетельствует о приближении к оптимальному режиму работы стойки культиватора, т.е. приближение ее собственной частоты к частоте возмущающей силы.
Рисунок 15 – Спектральная плотность Рисунок 16 - Спектральная плотность го горизонтальной составляющей тягово- ризонтальной составляющей тягового со го сопротивления стойки культиватора противления стойки культиватора в зави в зависимости от скорости движения симости от жесткости упругого элемента С целью определения совместного влияния упругих элементов, устанав ливаемых в различных местах МТА на формирование крюкового усилия были проведены экспериментальные исследования трактора Buhler 2375+Bourgault 8810, оборудованного прицепным устройством с упругим элементом. Жест кость упругих элементов в креплении рабочих органов была подобрана С=140 кН/м. Результаты экспериментальных исследований показывают, что совместное применение упругих элементов оптимальной жесткости в прицеп ном устройстве и креплении рабочих органов позволяет значительно снижать динамическую составляющую крюкового усилия и колебания Pкр (рисунок 17,18).
Рисунок 17 - Зависимость среднеквад- Рисунок 18 - Зависимость динамиче ратического отклонения крюковой на- ской составляющей крюковой нагруз грузки в зависимости от скорости дви- ки в зависимости от скорости движе жения МТА (1-жесткое крепление сто- ния МТА (1-жесткое крепление стоек ек и культиватора;
2- упругие элемен- и культиватора;
2- упругие элементы ты оптимальной жесткости крепления оптимальной жесткости крепления стоек;
3-прицепное устройство с упру- стоек;
3-прицепное устройство с упру гим элементом;
4 - комбинированные гим элементом;
4 - комбинированные упругие элементы) упругие элементы) Полученные спектральные плотности тяговых сопротивлений SPкр при работе колесного МТА без упругих элементов имеют три ярко выраженных максимума (рисунок 19) Первая составляющая формируется за счет взаимодей ствия рабочих органов с.-х. машины с почвой, неоднородностью ее физико-ме ханических свойств и микрорельефа. Вторая составляющая вызвана продольно угловыми колебаниями трактора. Третья составляющая генерируется за счет вибраций с.-х. машины, получаемых от трактора.
Работа колесного трактора с упругим элементом оптимальной жесткости в прицепном устройстве позволяет довольно значительно снизить SPкр на пер вой и второй составляющей, а на третей практически ликвидировать. Этим можно объяснить и значительное снижение Pкр. Использование упругих эле ментов оптимальной жесткости в креплении рабочих органов с.-х. машины поз воляет снизить SPкр первой и второй составляющей в 2…2,5 раза, но значитель но увеличить значения третьей составляющей в 1,2…1,4 раза, что в целом будет незначительно сказываться на снижении дисперсии амплитуды колебаний на грузки.
Наиболее целесообразно использовать преимущества установки упругих элементов в различных узлах МТА при проведении почвообрабатывающих опе раций с целью увеличения скорости движения МТА, а не увеличения ширины захвата с.-х. орудия. В связи с этим необходим анализ изменения затрат МТА с увеличением рабочей скорости движения на выполнение технологических опе раций, с целью возможности получения выигрыша в тяговом усилии при ис пользовании скоростных МТА.
Рисунок 19 - Спектральный анализ па- Рисунок 20 - Зависимость крюковой раметров МТА (1-жесткое крепление нагрузки от скорости движения МТА стоек и культиватора;
2- упругий эле- (1-жесткое крепление стоек и культи мент в прицепном устройстве;
3-упру- ватора;
2- упругие элементы опти гое крепление рабочих органов;
4 - мальной жесткости крепления стоек;
комбинированные упругие элементы) 3-прицепное устройство с упругим элементом;
4-комбинированные упругие элементы) Результаты исследования МТА при выполнении одних и тех же работ при различных скоростях движения и использовании упругих элементов оптималь ной жесткости в различных узлах, приведены на графической зависимости ри сунок 20.
Из графика видно, что при работе МТА с упругими элементами опти мальной жесткости в креплении рабочих органов крюковая нагрузка уменьши лась на 10-12% по сравнению с работой МТА, оборудованного упругими эле ментами в креплении рабочих органов, жесткость которых рекомендована офи циальным дилером по Волгоградской области.
Еще больший положительный эффект был получен при использовании прицепного устройства с упругим элементом оптимальной жесткостью С=1200 кН/м, но с жестким креплением рабочих органов с.-х. машины. Крюко вая нагрузка уменьшилась при этом на 15-16% по сравнению с работой тракто ра с серийным прицепным устройством. Данный эффект можно объяснить тем, что упругий элемент в прицепном устройстве способствует не только гашению динамических нагрузок, возникающих в процессе взаимодействия рабочего ор гана с.-х. машины с обрабатываемым материалом, но и динамических нагрузок, вызванных перекатыванием самой с.-х. машины по полю.
Использование комбинированных упругих элементов оптимальной жест кости, располагаемых в прицепном устройстве и в креплении рабочих органов позволило дополнительно снизить среднее значение крюкового усилия всего лишь на 2-3% по сравнению с прицепным устройством с упругим элементом, что говорит о необходимости проведения экономической оценки целесообраз ности использования комбинированных упругих элементов.
В пятой главе представлен экономический анализ работы МТА, обору дованного рекомендуемыми упругими устройствами, который позволил конста тировать:
1. Уменьшения стоимости культиватора (т.к. оптимальная жесткость до стигается путем установки только одной пружины вместо штатных двух реко мендованных официальным дилером). Оно составило 102388,56 рублей.
2. экономию топлива при применении упругих элементов оптимальной жесткости в креплении рабочих органов с.-х. машины, за счет увеличения ско рости обработки при одном и том же объеме работы. Она составила 53647, рублей в год на один агрегат.
3. снижение затрат при проведении почвообрабатывающих операций МТА, оборудованным прицепным устройством с упругим элементом оптималь ной жесткости. Оно составило 80355,74 рублей за сезон, при себестоимости прицепного устройства 12377,96 рублей и сроке окупаемости 35,47 рабочих смен.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Укомплектование машинно-тракторного парка зернопроизводитель ных фирм с.-х. техникой, преимущественно импортной, происходит без учета особенностей ее эксплуатации в условиях тяжелых почв засушливых зон: не учитывается повышенная динамичность нагружения, составных частей МТА, не изучается приспособленность параметров настройки с.-х. машин к этим условиям.
2. Анализ изменения основных параметров механических свойств почвы при изменении режимов нагружения МТА показал: коэффициент внутреннего трения tg0, характеризующий основные прочностные свойства почвы в гори зонтальном направлении, снижается при увеличении виброускорений в относи тельных единицах по отношению к ускорению свободного падения. Исходя из этого необходимо: обеспечивать устойчивое колебание рабочего органа сель скохозяйственного орудия для возникновения устойчивых высоких виброуско рений.
3. Создана методика расчета жесткости упругого элемента в прицепном устройстве МТА и в креплении рабочего органа с.-х. машины, обеспечивающая устойчивое колебание рабочего органа.
Определено влияние конструктивных параметров системы на устой 4.
чивость хода культиваторной лапы в вертикальной плоскости при случайном характере воздействия реакции почвы.
5. Из анализа экспериментальных исследований работы стойки культи ватора следует:
- спектральный анализ указывает на появление автоколебаний, под действи ем переменного сопротивления почвы, которые существенно меняют энергети ческие затраты на проведение почвообрабатывающих операций;
- жесткость упругого элемента 140 кН/м оказалась близкой к оптимальной для снижения горизонтальной составляющей тягового сопротивления, она обес печила его снижение на 35-40%, а также скорости нарастания нагрузки при уве личении рабочей скорости МТА до 5%;
- использование упругих элементов, рекомендованных дилером (С=280 кН/м), не целесообразно не только с энергетической и экономической точек зрения, но и с точки зрения нарушения основных агротехнических требо ваний к данной операции;
- для настойки системы на колебательный режим, необходимо регулировать силу предварительного натяга в зависимости от нижнего порога возмущающего входного воздействия. Для упругого крепления рабочего органа культиватора Bourgault 8810 с жесткостью упругого элемента С=140 кН/м рекомендуется значение Р=2,3 кН.
6 Использование комбинированных упругих элементов позволяют пол ностью устранять негативные явления, вызванные увеличением рабочих скоро стей движения и довести динамическую нагруженность скоростных МТА до тихоходных.
7 С точки зрения эффективности обслуживания, регулировок в полевых условиях, простоты изготовления, затрат на оборудование МТА упругими эле ментами наиболее целесообразно использовать прицепное устройство с упру гим элементом по сравнению с упругим креплением рабочих органов (в этом случае крепление рабочих органов можно делать жестким). Оно обеспечивает:
- снижение динамичности процесса нагружения трактора в составе МТА на 20 25%, что связанно с уменьшением дисперсии амплитуды колебаний крюкового усилия что, в свою очередь, обеспечит возможность с большей эффективно стью использовать потенциальные возможности энергонасыщенных колесных тракторов, а также способствовать повышению реализуемых трактором мощно сти двигателя;
- снижению крюковой нагрузки на 15-16% вместо 10-12% при использовании упругих элементов в креплении рабочих органов;
- снижение силовой и динамической нагруженности МТА в целом будет способствовать повышению производительности за счет увеличения рабочих скоростей движения и уменьшению часового и погектарного расхода топлива.
8 В случае необходимости сохранения упругих элементов в креплении рабочих органов сельскохозяйственной машины как предохранительных устройств при эксплуатации на каменистых почвах предгорий Северо-Запада России их надо проектировать с учетом их вибрационного действия, что свиде тельствует о необходимости требовать от поставщиков таких машин выделение средств дилерским службам для организации настроечных испытаний продава емой техники с целью установления пределов изменения регулируемых пара метров машин для зоны сбыта.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
Кузнецов, Н.Г. Целесообразность адаптации импортной сельскохо 1.
зяйственной техники к местным условиям эксплуатации / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, Е.А. Назаров // Механизация и электрификация сельского хозяй ства: теоретический и научно-практический журнал №9 2010 г / Москва 2010 – С 21-22.
2. Кузнецов, Н.Г. О проблемах использования сельскохозяйственных машин с упругим креплением рабочих органов/ Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, Е.А. Назаров // Известия Нижневолжского агроуниверситеского комплекса:
наука и высшее профессиональное образование №1(17) / ВГСХА. – Волгоград, 2010. -С. 132-135.
Кузнецов, Н.Г. Технико-экономические характеристики гори 3.
зонтальных стабилизаторов нагрузки МТА / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, Е.А.
Назаров // Известия Нижневолжского агроуниверситеского комплекса: наука и высшее профессиональное образование №4(16) / ВГСХА. – Волгоград, 2009. С. 103-108.
Назаров, Е.А. Пути оптимизации упругих элементов крепления сто 4.
ек культиватора Bourgault (Борго) 8810 при работе на сухих тяжелых почвах / Е.А. Назаров, А.П. Сергеев, Д.С. Гапич // Применение инновационных техноло гий в подготовке специалистов высшей квалификации для агропромышленного комплекса Волгоградской области: материалы региональной научно-практиче ской конференции ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА» // ВГСХА. – Волгоград, 2008г. – С. 54-57.
Назаров, Е.А. О необходимости проверки настройки импортной 5.
тракторной и сельскохозяйственной техники в зональных почвенно-климатиче ских зонах / Е.А. Назаров, Н.Г. Кузнецов, А.В. Шишкин // Проблемы и тенден ции устойчивого развития аграрной сферы: материалы Международной научно практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Сталинградской битве (Том 2) / ВГСХА. – Волгоград, 2008. – С. 22-23.
Подписано в печать_. Формат 60х84 1 16.
Уч.изд. л. 1,0. Тир. 100. Заказ № _ Издательско-полиграфический комплекс ВГСХА «Нива»
400002, Волгоград, пр. Университетский, 26.