Study of the influence of the track assembly design features on the vibration loads of an agricultural tractor

Full Text

Исследование влияния конструктивных особенностей модулей полугусеничного хода на вибронагруженность сельскохозяйственного трактора

 

Е.Б. Сарач ¹, Б.В. Падалкин ¹, Б.Б. Косицын ¹, А.И. Комиссаров ^{1, 2}, А.С. Дьяков ^{1, 2}

¹ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

² Научно-образовательный центр "РОСТСЕЛЬМАШ-МГТУ",

Москва, 105005, Россия

 

 

Введение

 

Сельскохозяйственная колесная техника большой массы (трактора и комбайны) оказывает существенное воздействие на почвенный покров, что может иметь негативные последствия для плодородности земли или приводить к потере подвижности машин на грунтах с низкой несущей способностью. Это проявляется из-за значительного среднего и пикового давления на грунт под элементами колесного движителя. Основной способ снижения давления на грунт – увеличение опорной поверхности за счет использования гусеничного движителя. Однако гусеничные трактора и комбайны не так широко распространены в сельскохозяйственной отрасли из-за более узкой области их применения и ограниченного ресурса гусеничного движителя по сравнению с колесным.

В последние годы находит широкое применение способ снижения давления на почву колесных тракторов и комбайнов – использование гусеничных модулей, так называемых дельта-траков, которые устанавливаются вместо колес на трактора и комбайны с незначительной доработкой/дооснащением сельскохозяйственной техники. Если гусеничные модули устанавливаются только на одну из двух осей комбайна или трактора, то говорят о полугусеничном ходе (ПГХ) сельскохозяйственной техники.

Анализ конструкций модулей ПГХ зарубежной сельскохозяйственной техники показывает, что на модулях, используемых для тракторов, зачастую отсутствуют упругие элементы системы подрессоривания или они сделаны в виде достаточно жестких резиновых буферов. В этом случае система подрессоривания включает в себя общий балансир и иногда балансиры опорных катков, качающиеся на подшипниковых опорах. У модулей комбайнов система подрессоривания обычно более развита. Здесь используются как подрессоривание балансирных тележек опорных катков, так и полностью подрессоренная или связанная подвеска. Однако встречаются и более простые, аналогичные тракторным, модули ПГХ.

Упрощенная система подрессоривания сельскохозяйственной техники недостаточно снижает уровень вибраций, передаваемый на элементы конструкции, а также и на рабочее место оператора или водителя. Это снижает такое важное потребительское свойство, как комфорт. В связи с этим снижение вибронагруженности сельскохозяйственной техники при выполнении ею технологических операций является актуальной задачей. Это вопрос становится более острым при применении модулей ПГХ так как, в этом случае, упругость, обеспечиваемая шиной колеса, отсутствует.

Целью данной работы является исследование влияния конструктивных особенностей систем подрессоривания модулей ПГХ на вибронагруженность рабочего места оператора сельскохозяйственного трактора шестого тягового класса.

 

Исследуемые модули ПГХ

 

В рамках данной работы исследовались три модуля ПГХ с различной сложностью системы подрессоривания: модули аналогичные применяемым на тракторах Versatile 620DT и CLAAS Xerion 12.650, а также модуль аналогичный применяемому на комбайне New Holland CR10.90. На рис. 1 представлены общий вид и кинематические схемы исследуемых гусеничных модулей. Из рисунка видно, что система подрессоривания модуля, аналогичного применяемому на тракторе Versatile 620DT, состоит из общего баланита, качающегося относительно поперечной оси, и тележки опорных катков, которая также может совершать угловое перемещение. Направляющее и натяжное колеса модуля закреплены на общем балансире.

 

а         б       в

Рис. 1. Модули ПГХ, аналогичные применяемым на тракторах Versatile 620DT (а), CLAAS Xerion 12.650 (б) и комбайне New Holland CR10.90 (в)

Подвеска модуля трактора CLAAS Xerion 12.650 немного сложнее. Здесь кроме общего балансира и балансира опорных катков присутствует промежуточный балансир. Общий и промежуточный балансиры соединены между собой шарниром в задней части и резиновыми подушками в передней (относительно направления движения трактора). Таким образом, общий балансир может качаться относительно промежуточного балансира.

Отличительной особенностью гусеничного модуля, аналогичного применяемому на комбайне New Holland CR10.90, является наличие системы подрессоривания опорных катков. Здесь опорные катки попарно связаны между собой малыми балансирами, которые в свою очередь соединены с общим балансиром посредством продольного рычага и гидроцилиндра пневмогидравлической рессоры. Таким образом, опорные катки вместе с малым балансиром способны совершать угловые и вертикальное перемещения. Пневмогидравлическая подвеска отрегулирована таким образом, что, при частичной нагрузке на модуль, нижнюю ветвь гусеничного обвода формируют только опорные катки, а натяжное и направляющее колеса не касаются опорной поверхности. Это позволяет снизить момент сопротивления повороту и повысить комфорт оператора при движении машины по хорошей дороге.

Исследуемые модули ПГХ сравнивались между собой с использованием имитационной математической модели, разработанной в программном комплексе автоматизированного анализа динамики систем тел.

 

Имитационная математическая модель динамики трактора

 

Создание математической модели для оценки вибронагруженности трактора с различными вариантами модулей ПГХ проводилось в программном комплексе автоматизированного анализа динамики систем тел [1-9]. Объектами моделирования в данном комплексе являются системы абсолютно твердых тел, которые в общем случае могут быть как несвязанными друг с другом, так и связанными посредством кинематических (шарниров) и силовых элементов.

На рис. 2 приведена структура математической модели динамики трактора с полугусеничным ходом. Модель включает в себя подсистемы гусеничных модулей и сочлененной несущей системы с кабиной и агрегатами.

Для исследования модулей ПГХ, аналогичных применяемым на тракторах Versatile 620DT и CLAAS Xerion 12.650, была разработана математическая модель модуля с одной тележкой опорных катков. Общий вид динамической модели модуля приведен на рис. 3. Гусеничный обвод моделируется двумя параллельными рядами жестких траков, попарно связанных линейными упруго-демпфирующими связями. На рис. 4 представлены основные элементы модуля с одной тележкой опорных катков. Кинематика данного модуля соответствует модулю, аналогичному применяемому на тракторе CLAAS Xerion 12.650. Здесь можно видеть основной 15 и промежуточный 20 балансиры, соединенные между собой с помощью шарнира 19 и упругого резинового буфера 4. Жесткость резинового буфера варьировалась в ходе исследования в обеспечиваемом с точки зрения конструктивных особенностей диапазоне. При математическом описании модуля аналогичного применяемому на тракторе Versatile 620DT, который в своей конструкции не имеет промежуточного балансира, для описания жесткой связи коэффициент жесткости резинового буфера увеличивался в 100 раз.

 

Рис. 2. Структура модели трактора c модулями ПГХ

 

Рис. 3. Общий вид динамической модели модуля ПГХ с одной тележкой опорных катков

 

1 – ведущее колесо; 2 – ось ведущего колеса; 3 – шарнир качания промежуточного балансира; 4 – резиновый буфер; 5 – гидроцилиндр натяжителя гусеницы; 6 – натяжное колесо; 7 – ось натяжного колеса; 8 – кривошип натяжителя гусеницы; 9 – шарнир кривошипа; 10, 14 – оси опорных катков; 11, 13 – опорные катки; 12 – шарнир балансира опорных катков; 15 – основной балансир; 16 – гусеничный обвод; 17 – направляющее колесо; 18 – ось направляющего колеса; 19 – шарнир основного балансира; 20 – промежуточный балансир; 21 – балансир опорных катков

Рис. 4. Основные элементы модели модуля ПГХ с одной тележкой опорных катков

Для исследования модуля аналогичного применяемому на комбайне New Holland CR10.90 была разработана математическая модель модуля с двумя тележками опорных катков и системой подрессоривания. Общий вид динамической модели модуля приведен на рис. 5. На рис. 6 представлены основные элементы модуля с двумя тележками опорных катков и системой подрессоривания. Здесь тележки опорных катков 10 и 11 качаются на продольных рычагах 8 и 13 и подрессорены пневмогидравлическими рессорами 2 и 19.

 

Рис. 5. Общий вид динамической модели модуля ПГХ с двумя тележками опорных катков и системой подрессоривания

 

1 – ось ведущего колеса; 2, 19 – гидроцилиндр пневмогидравлической подвески; 3 – гидроцилиндр натяжителя гусеницы; 4 – натяжное колесо; 5 – ось натяжного колеса; 6 – шарнир кривошипа натяжителя гусеницы; 7, 14 – шарнир рычага подвески; 8, 13 – рычаг подвески; 9, 12 – ось тележки опорных катков; 10, 11 – тележка опорных катков; 15 – гусеничный обвод; 16 – ось направляющего колеса; 17 – направляющее колесо; 18 – основной балансир; 20 – ведущее колесо; 21 – шарнир основного балансира

Рис. 6. Основные элементы модели модуля ПГХ с двумя тележками опорных катков и системой подрессоривания

 

Методика оценки вибронагруженности трактора с различными вариантами модулей ПГХ

 

Вибронагруженность сельскохозяйственной самоходной техники: тракторов и комбайнов, определяется при движении по участкам с искусственными неровностями в соответствии с ГОСТ 31323-2006 [10]. Здесь предлагается использовать два участка пути:

а) участок с неровной поверхностью протяженностью 35 м («тяжелая» трасса);

б) участок с гладкой поверхностью протяженностью 100 м («легкая» трасса).

Каждый участок включает в себя две параллельные полосы, расстояние между которыми соответствует колее машины. Стандарт регламентирует ординаты профиля левой и правой колеи «тяжелой» трассы (участок а) с шагом 88 мм и «легкой» трассы (участок б) с шагом 160 мм. На рис. 7 представлен профиль «тяжелой» и «легкой» трасс. Также в стандарте указаны скорости движения по «тяжелой» трассе 4, 5 и 7 км/ч, и по «легкой» трассе 10, 12 и 14 км/ч. Испытания проводятся для трактора без вспомогательных грузов и навесного инвентаря.

 

а

б

Рис. 7. Профиль левой и правой колей «тяжелой» (а) и «легкой» (б) трасс в соответствии с ГОСТ 31323-2006

 

Анализируя вид неровностей, предлагаемых в стандарте участков трасс, и скорости движения по ним, можно сделать вывод, что «тяжелая» трасса соответствует стерне, а «легкая» - грунтовой дороге. Так как уровень вибраций, действующих на транспортную машину со стороны дороги, растет с увеличением скорости движения [11], в рамках данного исследования сравнение модулей гусеничного хода тракторов проводится при движении по «тяжелому» и «легкому» участкам трасс с максимальными, в соответствии с ГОСТ 31323-2006, скоростями: 7 и 14 км/ч для «тяжелого» и «легкого» участков соответственно. Исследование проводилось для трактора полной массы без навесного оборудования и прицепа. Для оценки влияние именно конструктивных особенной модулей гусеничного хода на вибронагруженность сравнение вертикальных ускорений на месте водителя проводилось без учета подрессоривания кабины и кресла оператора.

При оценке воздействия вибраций на состояние здоровья человека в положении сидя используют частотные характеристики с весовыми коэффициентами в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 [12] (Таблица 1). Корректированное значение виброускорения определяется по формуле:

(1)

где W_i – весовой коэффициент для i-й третьоктавной полосы частот; a_i – среднеквадратичное значение виброускорения в i-й третьоктавной полосе частот, м/с².

Для общей вибрации норма корректированного значения виброускорения 8-и часового рабочего дня по вертикальной оси составляет 0,56 м/с². В связи с тем, что нормы виброускорений на тракторах обеспечиваются вторичным подрессориванием кабины и сидением оператора, которые в данных расчетах не учитываются, значения норм носят справочный характер, а корректированное виброускорение применяется для сравнения модулей ПГХ между собой.

Таблица 1

Значения основных функций частотной коррекции в третьоктавных полосах частот для вертикального направления вибраций (ось Z) [12]

Средне-геомет-рическая частота f, Гц	Весовой коэффициент Wк	Норма ускорений 8-и часового рабочего дня, м/с2	Средне-геомет-рическая частота f, Гц	Весовой коэффициент Wк	Норма ускорений 8-и часового рабочего дня, м/с2
0,8	0,45	0,71	10	0,8	0,4
1	0,5	0,63	12,5	0,63	0,5
1,25	0,56	0,56	16	0,5	0,63
1,6	0,63	0,5	20	0,4	0,8
2	0,71	0,45	25	0,315	1
2,5	0,8	0,4	31,5	0,25	1,25
3,15	0,9	0,355	40	0,2	1,6
4	1	0,315	50	0,16	2
5	1	0,315	63	0,125	2,5
6,3	1	0,315	80	0,1	3,15
8	1	0,315

 

Результаты анализа вибронагруженности трактора с различными вариантами модулей ПГХ

 

При исследовании вибронагруженности трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю, применяемому на тракторе Versatile 620DT, рассматривалось два варианта конструкции: с опорными катками диаметром 260 мм и 400 мм (таблица 2). На рис 8 и 9 представлены результаты расчетов, а в таблице 2 значения корректированных виброускорений, вычисленных по формуле (1) для «тяжелого» и «легкого» участков трассы.

 

Таблица 2

Варианты конструктивного исполнения модуля ПГХ и корректированное значение виброускорения по вертикальной оси на месте водителя без учета подрессоривания кабины и сиденья

№ вар.	Отличительная особенность варианта	aw на «тяжелой» трасса, м/с2	aw на «легкой» трасса, м/с2
1	Модуль аналогичный применяемому на тракторе Versatile 620DT с опорными катками диаметром 260 мм	2,16	0,804
2	Модуль аналогичный применяемому на тракторе Versatile 620DT c опорными катками диаметром 400 мм	1,93	0,54
3	Модуль аналогичный применяемому на тракторе CLAAS Xerion 12.650 c суммарной жесткостью резиновых подушек 3,6 кН/мм	1,82	0,825
4	Модуль аналогичный применяемому на тракторе CLAAS Xerion 12.650 c суммарной жесткостью резиновых подушек 2,2 кН/мм	1,51	0,56
5	Модуль аналогичный применяемому на комбайне New Holland CR10.90 с жесткостью упругого элемента подвески 0,4 кН/мм	0,555	0,213

 

Рис. 8. Вертикальные ускорения на месте водителя при движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю, применяемому на тракторе Versatile 620DT, по «тяжелому» участку трассы со скоростью 7 км/ч. Варианты в соответствии с таблицей 2

Рис. 9. Вертикальные ускорения на месте водителя при движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю, применяемому на тракторе Versatile 620DT, по «легкому» участку трассы со скоростью 14 км/ч. Варианты в соответствии с таблицей 2

Анализируя графики, представленные на рис. 8 и 9, а также данные таблицы 2 можно сделать вывод, что использование опорных катков большего диаметра снижает виброускорения на средних и высоких частотах. При движении по «тяжелой» трассе модуль ПГХ, аналогичный модулю, применяемому на тракторе Versatile 620DT, не позволяет выполнить норм 8-ми часового рабочего дня по вертикальным виброускорениям. При этом увеличение диаметра опорных катков с 260 мм до 400 мм приводит к снижению вибронагруженности на 10% без использования упругого элемента.

При движении по «легкой» трассе данный модуль ПГХ с опорными катками диаметром 400 мм удовлетворяет нормам 8-ми часового рабочего дня по вертикальным виброускорениям. Увеличение диаметра опорных катков с 260 мм до 400 мм позволяет снизить вибронагруженность на 33% без использования упругого элемента.

При исследовании вибронагруженности трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю, применяемому на тракторе CLAAS Xerion 12.650, рассматривалось два варианта: с суммарной жесткостью резиновых буферов 3,6 кН/мм и 2,2 кН/мм (таблица 2). На рис. 10 и 11 представлены результаты расчетов.

 

Рис. 10. Вертикальные ускорения на месте водителя при движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю, применяемому на тракторе CLAAS Xerion 12.650, по «тяжелому» участку трассы со скоростью 7 км/ч. Варианты в соответствии с таблицей 2

Рис. 11. Вертикальные ускорения на месте водителя при движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю, применяемому на тракторе CLAAS Xerion 12.650, по «легкому» участку трассы со скоростью 14 км/ч. Варианты в соответствии с таблицей 2

 

Анализируя графики, представленные на рис. 10 и 11, а также данные таблицы 2 можно сделать вывод, что уменьшение жесткости резинового буфера снижает виброускорения на средних и высоких частотах. При движении по «тяжелой» трассе трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю трактора CLAAS Xerion 12.650, резиновый буфер с суммарной жесткостью 2,2 кН/мм не позволяет выполнить норм 8-ми часового рабочего дня по вертикальным виброускорениям. При этом снижение жесткости с 3,6 кН/мм до 2,2 кН/мм (на 39%) позволяет уменьшить виброускорения на 16%.

При движении по «легкой» трассе данный модуль ПГХ с резиновыми буферами суммарной жесткостью 2,2 кН/мм удовлетворяет нормам 8-ми часового рабочего дня по вертикальным виброускорениям. При этом снижение жесткости с 3,6 кН/мм до 2,2 кН/мм позволяет уменьшить виброускорения на 32%.

При исследовании вибронагруженности трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю комбайна New Holland CR10.90, рассматривался один вариант с жесткостью упругого элемента подвески 0,4 кН/мм (значение жесткости упругого элемента выбрана в соответствии с жесткостью шины колеса, таблица 2). На рис. 12 и 13 представлены результаты расчетов.

 

Рис. 12. Вертикальные ускорения на месте водителя при движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю комбайна New Holland CR10.90, по «тяжелому» участку трассы со скоростью 7 км/ч. Варианты в соответствии с таблицей 2

Рис. 13. Вертикальные ускорения на месте водителя при движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю комбайна New Holland CR10.90, по «легкому» участку трассы со скоростью 14 км/ч. Варианты в соответствии с таблицей 2

 

Анализируя графики, представленные на рис. 12 и 13, а также данные таблицы 2 можно сделать выводы, что упругие элементы системы подрессоривания повышают виброускорения на низких частотах и значительно снижают их на высоких частотах. При движении трактора с модулем ПГХ, аналогичным модулю комбайна New Holland CR10.90, по «тяжелой» и «легкой» трассе выполняются нормы 8-ми часового рабочего дня по вертикальным виброускорениям. Введение упругого элемента в систему подрессоривания модуля ПГХ позволяет снизить выбронагруженность на месте оператора более чем в 2,5 раза.

 

Заключение

 

Исследования, проведенные в данной работе, показали, что использования модулей ПГХ с упрощенной системой подрессоривания, аналогичных модулям, применяемым на тракторах Versatile 620DT или CLAAS Xerion 12.650, не позволяют выполнить нормы по вибронагруженности без применения вторичного подрессоривания кабины или сиденья оператора. Однако дополнительные резиновые буферы или опорные катки большого диаметра позволяют снизить высокочастотные вибрации при движении на перегонах с большими скоростями.

Использование модулей ПГХ с упругими элементами системы подрессоривания типа модулей комбайна New Holland CR10.90 снижает уровень вибраций в 2,5 раза по сравнению с неподрессореными модулями, что позволяет выполнить нормативы по вибронагруженности без применения дополнительного подрессоривания сиденья оператора, а также повышает комфорт его работы с подрессореным сиденьем за счет снижения вибраций, передаваемых через органы управления и пол кабины.

 

Дополнительная информация

 

Вклад авторов. Е.Б. Сарач – проведение третьактавного анализа вибронагруженности тракторов с различными модулями, написание текста рукописи; Б.В. Падалкин – общее руководство исследованиями, редактирование текста рукописи; Б.Б. Косицын – анализ результатов расчетов, написание текста рукописи; А.И. Комиссаров – разработка математической модели в программном комплексе автоматизированного анализа динамики систем тел и расчеты в математической модели, написание текста рукописи; А.С. Дьяков – анализ конструкции модулей-прототипов, редактирование текста рукописи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

 

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

 

Источник финансирования. Исследования проведены в рамках ОКР по Договору №2024001303 от 21.02.2024 г. «Разработка комплекта гусеничного хода для трактора RSM 3002 DT», выполненной в МГТУ им. Н.Э. Баумана при финансировании ООО «КЗ»Ростсельмаш».

 

 

About the authors

Evgeniy Sarach

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: sarach@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7027-9164
SPIN-code: 9645-5996

PhD, Professor

Russian Federation, 5 2nd Baumanskaya street, 105005 Moscow, Russia

Boris Padalkin

Email: padalkin@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0005-2766-6966
SPIN-code: 8967-3926

PhD, Professor

Boris Kositsyn

Email: kositsyn_b@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2131-2738
SPIN-code: 2005-7528

PhD, Professor

Aleksandr Komissarov

Email: komissarov@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0003-7476-2737
SPIN-code: 2565-9328

PhD

Aleksey Diakov

Email: diakov_as@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0005-7787-2354
SPIN-code: 9437-8400

PhD, Professor

References

Supplementary files