Analysis of experimental researches of the tractor equipped with an elastic-damping mechanism in the transmission when moving in the composition of the transport tractor unit

Abstract

The cargo transportation is an integral and energy-consuming part of agricultural production. To improve the energy performance of transport tractor units (TTU), an elastic-damping mechanism (EDM) installed in the tractor transmission was developed. An experimental study was conducted to identify the influence of the EDM on the operation of the tractor as part of the TTU, when it is moving on a dirt road in the 9th gear of the main speed range of the gearbox (GB) of the tractor. A tractor of traction class 1,4 was used. Energy sensors were installed on the main elements of the tractor. The energy performance of the tractor with a transmission equipped with the EDM and the tractor with a factory transmission are determined. A decrease in fuel consumption by 7,3 %, a decrease in traction forces from an aggregated trailer by 19,9 %, a decrease in the amplitude of fluctuations in traction forces by 28,3 % and a decrease in skidding of the driving units by an average of 9,7 % were revealed. A graph describing the dynamics of changes in the skidding of the driving units of a serial tractor and a tractor with the EDM in time is constructed. The statistical processing of the skidding indicators is performed. A decrease in the amplitude of fluctuations in the coefficient of skidding by 16,3 % was revealed. The obtained results of experimental studies indicate that the tractor as part of the TTU with the EDM in the transmission has better performance compared to a serial tractor and has a lower load on the engine, gearbox elements and driving wheels of the tractor.

Full Text

Введение Процесс сельскохозяйственного производства органически связан с процессом транспортировки грузов. Транспортные средства доставляют топливо, смазочные материалы, удобрения, машины, агрегаты и их детали, стройматериалы, зерно, овощи, плоды, молоко, корма и прочее от места производства к месту потребления или использования, в том числе на полях хозяйств. В этой связи особое значение приобретает сельскохозяйственный транспорт. На транспортные операции приходится около 40-50 % всех затрат энергии в сельском хозяйстве, в том числе в животноводстве и растениеводстве. С целью улучшения энергетических характеристик трактора в его трансмиссию устанавливается упругодемпфирующий механизм (УДМ). Основным назначением УДМ является уменьшение динамических нагрузок в трансмиссии и плавность движения трактора при его разгоне [1, 8-14]. Цель исследований Определить влияние упругодемпфирующего механизма, установленного в трансмиссии трактора, на работу трактора с транспортным прицепом. Материалы и методы Объектом исследования является процесс функционирования упругодемпфирующего механизм [1], установленного в трансмиссии трактора тягового класса 1,4, находящегося в составе транспортного тракторного агрегата (ТТА). Предметом исследования является трактор тягового класса 1,4. Испытания проведены для трактора-макета на базе МТЗ-80 с транспортной телегой ПТС-6. Эксплуатационные испытания трактора в составе ТТА выполнялись на дорогах учебно-опытного фермерского хозяйства и на территории учебного полигона ФГБОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, Ростовская область). Опыты проводились при движении трактора в составе агрегата по грунтовой дороге на 9-й передаче основного ряда скоростей коробки перемены передач (КПП) трактора. Положение рычага управления рейкой топливного насоса высокого давления (ТНВД) соответствовало максимальной подаче топлива. С целью выявления эффективности влияния установки УДМ на важнейшие эксплуатационные качества трактора (производительность и топливная экономичность) дорожные испытания проводились в составе ТТА с двухосным прицепом ПТС-6 на транспорте. Общий вид испытываемого трактора-макета в агрегате с транспортным прицепом ПТС-6 и измерительным комплексом лаборатории ТЛ-2 на базе автомобиля ГАЗ-66 приведен на рис. 1. Для получения необходимой информации о работе трактора при проведении полевых измерений на элементы трактора устанавливались датчики, схема установки которых показана на рис. 2. Рис. 1. Общий вид испытываемого трактора-макета в агрегате с транспортным прицепом ПТС-6 и измерительным комплексом лаборатории ТЛ-2 на базе автомобиля ГАЗ-66 Fig. 1. The tested model tractor in the unit with the transport trailer PTS-6 and the measuring complex of the laboratory TL-2 based on the GAZ-66 vehicle Рис. 2. Схема установки датчиков на исследуемом тракторе в составе транспортного агрегата: 1 - датчик оборотов коленвала двигателя; 2, 5 - датчики оборотов ведущего и путеизмерительного колес соответственно; 3 - датчик крутящего момента ведущего колеса трактора; 4 - тензометрический датчик тягового усилия; 6 - датчик давления масла; 7 - датчик оборотов шестерни привода масляного насоса; 8 - счетчик для фиксирования расхода топлива Fig. 2. Installation diagram of sensors on the studied tractor as part of a transport unit: 1 - engine crankshaft speed sensor; 2, 5 - speed sensors of the driving and track measuring wheels, respectively; 3 - torque sensor of the driving wheel of the tractor; 4 - tensometric traction force sensor; 6 - oil pressure sensor; 7 - sensor of revolutions of the oil pump drive gear; 8 - ounter for recording fuel consumption Результаты и обсуждение В результате экспериментальных исследований определены энергетические показатели работы трактора в составе транспортного агрегата с заводской конструкцией трансмиссии и с трансмиссией, оснащенной УДМ. Выборка проводилась для 8500 значений для варианта без УДМ и 17500 значений для варианта с УДМ. Энергетические показатели работы трактора представлены в табл. 1 [2-5]. Анализируя табл. 1, можно сделать вывод о снижении тягового сопротивления трактора с трансмиссией, оснащенной УДМ, и повышении стабильной работы трактора. Тяговое сопротивление является для машинно-тракторного агрегата внутренней силой связи между звеньями: трактором и прицепом. Величина этой силы определяется внешним воздействием дороги на колеса и взаимодействием звеньев через упругие и деформирующие связи между ними. Установка УДМ в трансмиссию трактора находящегося в составе транспортного агрегата создает более благоприятные условия для формирования характера нагрузки узлов трактора, как при неустановившихся режимах движения, так и при установившихся. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что при оснащении трансмиссии трактора УДМ его среднее тяговое усилие от агрегатируемого прицепа снижается на 19,9 %, а среднеквадратическое отклонение (амплитуда колебаний) уменьшается на 28,3 % по сравнению с трактором с заводской трансмиссией. При этом значение коэффициента вариации не превышает 33 %, следовательно совокупность считается однородной и сильно вариабельной. В относительном выражении коэффициент вариации позволяет обеспечить сопоставимость полученных результатов [2, 3, 6, 15-20]. Показатели энергетической оценки свидетельствуют о том, что трактор в составе ТТА с УДМ в трансмиссии имеет лучшие показатели, чем аналогичный трактор с более жесткой трансмиссией. Следствием этого является снижение нагрузки на двигатель, элементы КПП и ведущие колеса трактора. Этим объясняется возрастание угловой скорости коленчатого вала и поступательной скорости движения трактора по сравнению с серийным вариантом, у которого большая жесткость силовой передачи. Для более подробного анализа буксования движителей был проведен анализ изменения буксования во времени (рис. 3). Статистическая обработка полученных данных по буксованию движителей представлена в табл. 2 [2, 3, 7, 17-20]. Статистический анализ числовых данных по буксованию, полученных экспериментальным путем, показал, что применение УДМ позволяет снизить математическое ожидание коэффициента буксования на 9,7 % и амплитуду его колебаний (среднее квадратическое отклонение) на 16,3 % по сравнению с серийным трактором. Исследование трактора в составе транспортного агрегата можно рассматривать с точки определения статистических характеристик возмущающих воздействий. Применим параметрические и непараметрические методы спектрального анализа. Характеристикой, по которой судят о спектральном составе исследуемого процесса, являются корреляционная функция и функция спектральной плотности [19, 20]. Статистические характеристики случайных процессов вычисляются, как правило, по одной реализации процесса достаточной длительности по времени. Согласно исследованиям И.Б. Барского [21], проведенным по изучению неровностей дороги, дисперсия случайной величины математического ожидания постоянна и равна коэффициенту вариации функции. Корреляционная функция изменения буксования трактора в составе транспортного агрегата представлена на рис. 4. Затухание корреляционной функции является признаком эргодичности процесса. Алгебраическое затухание корреляционной функции эквивалентно бесконечному значению соответствующей восприимчивости. Параметры корреляционной функции процесса буксования трактора в составе транспортного агрегата имеют следующие величины: Интервал корреляции в серийном варианте составляет 0,9 сек, в опытном варианте - 2,1 сек, средний полупериод корреляции в серийном варианте составляет 1,25 сек, в опытном варианте 1,85 сек. Анализ рис. 4 показывает, что средний полупериод корреляции в опытном варианте гораздо больше, чем в серийном. Графики изменения спектральной плотности буксования опытного и серийного трактора в составе транспортного агрегата представлены на рис. 5. Параметры функции спектральной плотности процесса буксования трактора в составе транспортного агрегата имеют следующие параметры: в серийном варианте ширина спектра составляет Δωс = 10 сек-1, в опытном варианте Δωс = 3,1 сек-1. Плотность спектра в серийном варианте S(0,05) = 0,1 в опытном варианте S(0,1) = 0,32 и S(0,5) = 0,09. Анализ рис. 5 показывает, что ширина спектра в серийном варианте больше, плотность спектра выше у опытного варианта. Заключение Анализ результатов экспериментальных исследований трактора в составе ТТА показал, что установка УДМ в трансмиссию трактора позволяет снизить расход топлива в среднем на 7,3 %, уменьшить буксование движителей на 9,7 %, снизить среднее тяговое усилие, создаваемое прицепом, на 19,9 %, уменьшить амплитуду колебаний тяговых усилий на 28,3 %. Следствием этого является уменьшение нагрузок на двигатель, элементы КПП и ведущие колеса трактора. При оценке буксование за период разгона ТТА видно, что, функция «буксования» является не стационарной случайной функцией. Детерминированное представление случайного процесса показывает: при условии знания плотности распределения функции спектральной плотности и пользуясь зависимостью для плотности распределения вероятности функции от случайной величины, можно утверждать, что событие под названием «буксование» в опытном варианте имеет меньшую вероятность появления. Дисперсия случайной величины математического ожидания «буксования» постоянна и равна коэффициенту вариации функции. Фактическое снижение коэффициента вариации указывает на снижение буксования. Полученные результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что трактор в составе ТТА с УДМ в трансмиссии имеет лучшие показатели работы по сравнению с серийным трактором. Таблица 1 Энергетические показатели работы трактора в составе транспортного агрегата Table 1. Energy performance of the tractor as part of the transport unit Наименование параметров Трактор без УДМ Трактор с УДМ Изменение, % Среднее тяговое усилие, создаваемое прицепом Ркр, Н: 4585,5 3671,5 19,90 - дисперсия D, Н2 1800220,8 924799,9 48,60 - среднее квадратическое отклонение δ, Н 1341,7 961,7 28,30 - коэффициент вариации v 0,293 0,262 10,50 Скорость движения агрегата V, м/с (км/ч) 3,24 (11,7) 3,27 (11,8) 0,93 Часовой расход топлива G, кг/ч 19,58 18,15 7,30 Частота вращения коленчатого вала nкв, рад/с: 209,239 217,991 4,18 - дисперсия D, рад/с2 74,650 31,141 58,28 - среднее квадратическое отклонение δ, рад/с 8,640 5,581 35,41 - коэффициент вариации v 0,0413 0,0266 35,60 Буксование движителей δ, % 10,3 9,3 9,70 Таблица 2 Статистические показатели по буксованию для трактора в составе ТТА Table 2. Statistical indicators of tractor as part of ТТU slipping Показатели Трактор без УДМ Трактор с УДМ Изменение, ٪ Математическое ожидание Мδ 0,10300 0,09300 9,7 Дисперсия D 0,00291 0,00204 29,9 Среднее квадратическое отклонение σδ 0,05392 0,04515 16,3 Коэффициент вариации v 0,52376 0,48325 7,7 Рис. 3. Динамика изменения буксования трактора в составе ТТА: 1 - серийный трактор; 2 - трактор с УДМ Fig. 3. The dynamics of changes in the slipping of a tractor as part of ТТU: 1 - serial tractor; 2 - tractor with the EDM Рис. 4. Автокорреляционная функция изменения буксования трактора в составе ТТА: 1 - серийный трактор; 2 - трактор с УДМ Fig. 4. Autocorrelation function of slipping change of tractor as part of ТТU: 1 - serial tractor; 2 - tractor with the EDM Рис. 5. Графики изменения спектральной плотности буксования опытного и серийного трактора в составе ТТА: 1 - серийный трактор; 2 - трактор с УДМ Fig. 5. Graphs of changes in the spectral density of slipping of experimental and serial tractor as part of ТТU: 1 - serial tractor; 2 - tractor with the EDM
×

About the authors

S. E Senkevich

Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Scientific Agroengineering Center VIM»

Email: umo.viesh@list.ru
PhD in Engineering Moskow, Russia

N. S Kryukovskaya

Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Scientific Agroengineering Center VIM»

Email: umo.viesh@list.ru
Moskow, Russia

References

  1. Кравченко В.А., Сенькевич С.Е., Сенькевич А.А., Галайко А.С., Морозов Р.Н., Яровой В.Г., Толстоухов Ю.С., Верховцев А.К. Устройство для снижения жесткости трансмиссии машинотракторных агрегатов: патент на изобретение № 2252148 Российская Федерация; опубл. 20.05.2005, Бюл. № 14.
  2. Himmelblau D.M. Process analysis by statistical methods. New York: John Wiley & Sons, 1970. 463 p.
  3. Schmetterer L. Introduction to mathematical statistics. Springer Science & Business Media, 2012. V. 202. 504 p.
  4. Осипов С.С. Эксплуатационные показатели колесных тракторов отечественного и зарубежного производства // Инновационные тенденции развития российской науки: материалы XII международной научно-практической конференции молодых ученых. Красноярск. Изд-во Красноярского государственного аграрного университета, 2019. С. 247-251.
  5. Бережнов Н.Н., Сырбаков А.П. Оценка тягово-энергетических показателей посевного почво-обрабатывающего машинно-тракторного агрегата методом контрольного динамометрирования // Агроэкоинфо. 2017. № 2 (28). С. 17-17.
  6. Бабанин Н.В. Улучшение плавности хода машинно-тракторного агрегата на базе трактора класса 1,4 с упругодемпфирующим приводом на ведущих колесах // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 46-46.
  7. Петрищев Н.А., Лавров А.В., Крюковская Н.С., Капусткин А.О., Саяпин А.С., Поспелов А.Р., Прядкин В.И. Контроль качества силовых передач и ходовых систем с использованием цифровых технологий // Тракторы и сельхозмашины. 2018. № 6. С. 63-69.
  8. Сенькевич С.Е., Васильев Е.К., Сенькевич А.А. Результаты применения гидропневматического демпфирующего устройства в силовой передаче трактора малого класса тяги для улучшения показателей работы // Агротехника и энергообеспечение. 2018. № 4 (21). С. 128-139.
  9. Senkevich S., Kravchenko V., Duriagina V., Senkevich A., Vasilev E. (2019) Optimization of the Parameters of the Elastic Damping Mechanism in Class 1,4 Tractor Transmission for Work in the Main Agricultural Operations. In: Vasant P., Zelinka I., Weber GW. (eds) Intelligent Computing & Optimization. ICO 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 866. P. 168-177. Springer, Cham. doi: 10.1007/978-3-030-00979-3_17.
  10. Senkevich S.E., Sergeev N.V., Vasilev E.K., Godzhaev Z.A. & Babayev V. (2019). Use of an Elastic-Damping Mechanism in the Tractor Transmission of a Small Class of Traction (14 kN): Theoretical and Experimental Substantiation (Chapter 6). Handbook of Advanced Agro-Engineering Technologies for Rural Business Development. - Hershey, Pennsylvania (USA): IGI Global, 2019. P. 149-179. doi: 10.4018/978-1-5225-7573-3.ch006.
  11. Сенькевич С.Е. Анализ результатов экспе-риментальных исследований трактора класса 1,4 модернизированного гидропневматическим демп--ферным устройством в силовой передаче // Агротехника и энергообеспечение. 2019. № 3 (24). С. 8-16.
  12. Senkevich S., Duriagina V., Kravchenko V., Gamolina I., Pavkin D. (2020) Improvement of the Numerical Simulation of the Machine-Tractor Unit Functioning with an Elastic-Damping Mechanism in the Tractor Transmission of a Small Class of Traction (14 kN). In: Vasant P., Zelinka I., Weber GW. (eds) Intelligent Computing and Optimization. ICO 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 1072. P. 204-213. Springer, Cham. doi: 10.1007/978-3-030-33585-4_20.
  13. Senkevich S.E., Lavrukhin P.V., Senkevich A.A., Ivanov P.A., & Sergeev N.V. (2020). Improvement of Traction and Coupling Properties of the Small Class Tractor for Grain Crop Sowing by Means of the Hydropneumatic Damping Device. In V. Kharchenko, & P. Vasant (Eds.), Handbook of Research on Energy-Saving Technologies for Environmentally-Friendly Agricultural Development (P. 1-27). Hershey, PA: IGI Global. doi: 10.4018/978-1-5225-9420-8.ch001.
  14. Senkevich S., Kravchenko V., Lavrukhin P., Ivanov, P. & Senkevich, A. (2020). Theoretical Study of the Effect of an Elastic-Damping Mechanism in the Tractor Transmission on a Machine-Tractor Unit Performance While Sowing. (Chapter 17). Handbook of Research on Smart Computing for Renewable Energy and Agro-Engineering. - Hershey, Pennsylvania (USA): IGI Global, 2020. P. 423-463. doi: 10.4018/978-1-7998-1216-6.ch017.
  15. Беспамятнова Н.М. Колебания и вибрации в технологических процессах почвообрабатывающих и посевных машин и агрегатов. Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2008. 224 с.
  16. Беспамятнова Н.М. Научно-методические ос-новы адаптации почвообрабатывающих и посевных машин. Ростов н/Д: ООО «Терра», НПК «Гефест», 2002. 176 с.
  17. Бендат Д., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 с.
  18. Бендат Д., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974. 464 с.
  19. Мясникова Н.В. Спектральный анализ сигналов по амплитудным и временным параметрам на основе измерительного эксперимента: дис. ... докт. техн. наук: 05.11.01. Пенза, 2001. 379 с.
  20. Хованова Н.А., Хованов И.А. Методы анализа временных рядов: учеб. пособие. Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2001. 120 с.
  21. Барский И.Б., Анилович В.Я., Кутьков Г.М. Динамика трактора. М.: Машиностроение. 1973. 280 с.

Statistics

Views

Abstract: 31

PDF (Russian): 8

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Senkevich S.E., Kryukovskaya N.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies