Results of experimental studies of a tractor equipped with an elastic-damping mechanism when aggregated with a seeder

Full Text

Введение

Повышение производительности технологических процессов и продление срока службы рабочих органов машин всегда было основными целями улучшения любого производства. Сельское хозяйство не является исключением. Так, например, на трактор действует ряд факторов, которые сокращают срок его службы и требует больших расходов на содержание. Одним из существенных факторов, оказывающих влияние на работу, является неустановившаяся нагрузка, возникающая при трогании, в начальный период разгона и при торможении агрегата. Для уменьшения негативных последствий от таких нагрузок применяются упругодемпфирующие механизмы (УДМ). Разработкой и изучением их применения ученые занимаются и в настоящее время.

Например, в работе [1] доказывается эффективность введения упругих элементов в ведомый диск. При проведении эксплуатационных испытаний было доказано что дополнительное демпфирование обеспечивает снижение резонансных колебаний со стороны дизельного двигателя в 1,5−2 раза, а в начальный период разгона помогают сделать включение сцепления более плавным и снижают пробуксовку ведомого диска на 12–20 %. При этом износ фрикционных накладок ведомых дисков снижается в среднем на 29,5 % по сравнению с серийными.

Увеличение производительности трактора в составе различных агрегатов возможно за счет увеличения рабочих скоростей, но это приводит к появлению повышенных динамических нагрузок. Для эффективного снижения динамических нагрузок на силовую передачу, авторы статьи [2] предлагают вводить упругие демпфирующие элементы (УДЭ) ближе к источникам колебаний, а именно к ведущим колесам. При проведении тяговых испытаний было выявлено, что при движении по стерне с использованием УДЭ максимальная тяговая мощность увеличивается с 25 до 26 кВт, буксование движителя снижается на 28 %, а удельный расход топлива – на 12,5 %.

В других работах [3, 4] также говорится, что применение упругого элемента уменьшает амплитуды колебаний коэффициента буксования, теоретическую и действительную скорости машинно-тракторного агрегата, что снижает крюковую нагрузку трактора и его колебания. Более равномерное распределение нагрузки в трансмиссии позволяет стабилизировать нагрузочный режим двигателя, обеспечить снижение удельного расхода топлива и повысить долговечность деталей.

Для проверки эффективности установки УДЭ проводятся эксперименты на реальных тракторах и создаются математические модели. Создание моделей позволяет рассчитать силы, влияющие на отдельные узлы системы. Так, статья [5] рассматривает моделирование физических динамических процессов в силовых передачах транспортной техники, основное внимание уделяя применению этой методики расчета для процессов в коробке передач при переключениях передач под нагрузкой при прямом и реверсном включении. В то же время в работе [6] модель силовой передачи, созданная в среде визуального моделирования Matlab/Simulink, помогла определить оптимальные места установки УДЭ и их параметры для снижения динамической нагруженности.

Для более полных и достоверных результатов обычно применяются два вида исследований: экспериментальные и теоретические. В статье [7] представлены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования для сравнения характеристик серийного трактора и трактора с упруго-демпфирующим механизмом. Адекватность модели была проверена и доказана ее возможность использования для получения рабочих характеристик. В результате было установлено, что угловая скорость коленчатого вала двигателя трактора с УДМ сразу выходит на значения 210–250 рад/с, в то время как в серийном агрегате эти значения достигаются через 8 с со снижением оборотов до 100 рад/с. На графиках характеристик опытного трактора резких скачков не наблюдается, а абсолютная величина линейной скорости выше.

Авторы статьи [8] доказывали эффективность применения газогидравлического упругодемпфирующего привода (УДП) на ведущих колесах трактора тягового класса 1,4. По результатам исследования, применение УДП эффективно, так как благодаря ему уменьшаются амплитуды колебаний остова в среднем до 60 % и амплитудные максимумы смещаются в более низкие диапазоны частот (0,2−1,8 Гц), снижается буксование в среднем на 10−12 %, повышается топливная экономичность трактора на 8−14 % и производительность – на 6−15 %.

Применение УДМ улучшает работу и составных сельскохозяйственных транспортно-технологических средств. Это было проверено авторами статьи [9], где при помощи методов математического моделирования и анализа доказывалось облегчение трогания составного транспортного средства при наличии упругодеформируемых сцепок. Этот эффект обусловливается заменой одновременного трогания секций на поочередное. Эффективное взаимодействие ходовой части машины с поверхностью земли также помогают увеличить производительность и снизить потребление топлива [10].

Проведенный обзор показывает актуальность исследований в области применения упругих элементов для снижения вибронагруженности тракторов и мобильных машин и элементов их силовых передач. Эти вопросы, исследуемые по всему миру, позволяют значительно улучшать параметры силовой передачи трактора.

Настоящая статья является продолжением исследования влияния упругодемпфирующего механизма в силовой передаче трактора малого класса тяги (14 кН) на различные его показатели. Устройство, работа и преимущества упругодемпфирующего механизма были подробно представлены в работах [11–13]. Продолжение исследований по изучению влияния механизма на работу силовой передачи представлено в работах [14–16]. В работах [17, 18] доказано, что использование упругодемпфирующего механизма позволило повысить производительность трактора более чем на 10 %; это снизило колебания внешней нагрузки на двигатель на 15–20 % и расход топлива – на 9 %. В работах [19, 20] обосновано, что упругодемпфирующий механизм в силовой передаче трактора устраняет резонансные режимы работы в зоне реальных колебаний внешней нагрузки.

В настоящей статье (опираясь на результаты экспериментальных измерений) проведен анализ взаимной корреляционной функции и анализ взаимной спектральной плотности двух процессов (частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего колеса). Он показывает изменение скорости проходящих частот нагрузки по валопроводу силовой передачи колесного трактора тягового класса 1,4, в силовую передачу которого установлен упругодемпфирующий механизм. Исследования были проведены для условий работы трактора с сеялкой. Экспериментальные данные, которые использовались при проведении расчетно-теоретические исследования по определению спектральных характеристик элементов УДМ в силовой передаче, били получены авторами и описаны в работах [12, 14, 17, 20]. Устройство и подробное описание упругодемпфирующего механизма приведено в работе [21] и защищено патентом на изобретение.

Цель исследований

Определение влияния упругодемпфирующего механизма, установленного в силовую передачу трактора, на его работу с прицепной сеялкой.

Материалы и методы

В общем случае объектом исследования является технологический процесс функционирования трактора тягового класса 1,4, который находится в агрегате с сеялкой как технологической машиной.

Для проведения натурных измерений в рамках эксперимента по исследованию процесса функционирования трактора тягового класса 1,4 был выбран универсально-пропашной трактор Минского тракторного завода. Для создания экспериментального образца трактора-макета в силовой привод серийного трактора был установлен УДМ. Механизм выполнен с возможностью отключения (блокировки) для проведения сравнительных измерений. В собранном виде на тракторе элементы УДМ представлены на рис. 1. На рисунке видно расположение пневмогидроаккумулятора, дросселя, предохранительного клапана и масляного насоса на раме трактора.

 

Рис. 1. Общий вид компоновки элементов УДМ на тракторе: 1 – пневмогидроаккумулятор; 2 – дроссель; 3 – блок предохранительных клапанов; 4 – масляный насос; 5 – манометр

 

При подготовке трактора были проведены техническое обслуживание и регулировка основных его узлов и агрегатов. Перечень операций соответствовал техническому уходу № 2.

Измерительная аппаратура и комплект первичных преобразователей

Для проведения измерений работы трактора, который находился в составе с сеялкой, применялась система автоматического накопления и обработки метрологической информации (САНиОМИ) мобильного исполнения. Все записывающее оборудование было установлено в кабине передвижной лаборатории на базе полноприводного автомобиля ГАЗ-66. САНиОМИ включает в себя комплексы аппаратных и программных средств (рис. 2).

 

Рис. 2. Система автоматического накопления и обработки информации (САНиОМИ)

 

САНиОМИ состоит из бортового компьютера, платы аналого-цифрового преобразования (АЦП), платы сопряжений, блока усилителя сигнала. Все элементы САНиОМИ смонтированы внутри передвижной лаборатории. Комплект первичных преобразователей (датчиков) установлен на исследуемом тракторе. Применяемая САНиОМИ с комплектом датчиков, установленных на исследуемый трактор, обеспечивает получение изменяющихся по времени опыта массивов мгновенных значений следующих параметров в цифровом виде: Р_кр – тяговое сопротивление на крюке трактора; М_кр – крутящий момент на оси ведущего колеса трактора; n_ген – частота вращения вала генератора трактора; n_шпмн – частота вращения шестерни привода масляного насоса упругодемпфирующего механизма; Р_масл – давление масла в масляной магистрали (до дросселя) УДМ; n_кол – импульсы оборотов путеизмерительного колеса трактора; N_кол – импульсы оборотов ведущего колеса трактора; G_т – расход топлива.

Методика проведения полевых измерений трактора в составе с сеялкой

Изучить влияние параметров УДМ на показатели работы трактора при работе с прицепной сеялкой позволила методика проведения полевых исследований [22, 23]. Для проведения полевых экспериментальных исследований был подготовлен трактор-макет с УДМ в силовой передаче на базе трактора МТЗ-80 в составе с прицепной сеялкой СЗ-5,4А. Общий вид испытываемого трактора-макета в агрегате с прицепной сеялкой СЗ-5,4А и измерительным комплексом лаборатории ТЛ-2 на базе автомобиля ГАЗ-66 представлен на рис. 3.

 

Рис. 3. Общий вид испытываемого трактора-макета в агрегате с прицепной сеялкой СЗ-5,4А и измерительным комплексом лаборатории ТЛ-2 на базе автомобиля ГАЗ-66

 

Обеспечение электрической энергией измерительного оборудования в полевых условиях было осуществлено бензогенератором, расположенным в тензометрической лаборатории ТЛ-2. При выполнении измерений тензометрическая лаборатория передвигалась вместе с исследуемым трактором. За одну секунду до начала трогания трактора производилось включение регистрирующего оборудования САНиОМИ, которая регистрировала основные параметры, а также время опыта и пройденный путь. Обработка результатов эксперимента осуществлялась на персональном компьютере с использованием пакета программ [25].

В качестве эталонного трактора при проведении сравнительных измерений использовался тот же самый трактор, но с заблокированным УДМ. Управление трактором в обеих вариантах осуществлялось одним и тем же трактористом первого класса. Положение рычага управления подачей топлива соответствовало максимальному значению. Испытания проводились на следующих режимах: разгон и установившейся процесс движения, сопровождаются значительными колебаниями тяговой нагрузки. Записав параметры движения, удалось получить достоверные данные вероятностных характеристик процесса функционирования трактора при работе с сеялкой. Опираясь на методику проведения полевых исследований, были получены результаты, позволяющие оценить влияние параметров УДМ на показатели работы трактора в агрегате с сеялкой. Измерительное оборудование позволило получить числовые временные ряды, на основе которых получены вероятностные характеристики процесса работы [25, 26].

Применяя классические методы анализа временных рядов, был проведен корреляционно-спектральный анализ, методика которого описана во многих работах [26–30]. Это позволяет оценить частотные составляющие при применении УДМ в силовой передаче трактора тягового класса 1,4 [31–34].

Для оценки сходства и различия двух процессов используют функцию взаимной корреляции (ВКФ). С помощью ВКФ можно измерить запаздывание во времени двух процессов. В нашем случае необходимо измерить скорость прохождения сигнала от датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя (ДЧВКВД) до датчика оборотов ведущего колеса трактора (ДОВКТ). Изменения сигнала являются случайными, однако неверно считать, что они не связаны между собой. Колебания нагрузки, проходящие по валопроводу, будут проходить через оба датчика. Таким образом, на одном из датчиков должен появиться сигнал, очень похожий на сигнал наблюдаемый на другом датчике (либо на ДЧВКВД, либо на ДОВКТ). Иначе говоря, имеется связь между двумя сигналами. Если вычислить ВКФ этих двух сигналов, то можно узнать величину временного запаздывания между сигналами. После этого легко определить скорость прохождения колебаний нагрузки по валопроводу. Корреляция между сигналами от датчиков при запаздывании на время τ₀ принимает максимальное значение. Отношение расстояния между датчиками к временному запаздыванию определяет скорость прохождения колебаний:

$V\left(\omega \right)=\frac{D_{1-2}}{{\tau }_0}$ (1)

где V(ω) – скорость распространения колебаний (сигнала) по валопроводу, м/с; D_1–2 – расстояние между датчиками-преобразователями сигнала, м; τ₀ – временное запаздывание сигнала, с.

Результаты и обсуждение

На рис. 4 представлены совмещенные графики изменения ВКФ частоты вращения коленчатого вала и частоты вращения ведущего колеса (далее используется название «угловых скоростей») в опытном и серийном варианте для трактора во время работы в составе посевного агрегата, с учетом анализа сигнала от ведущего колеса к двигателю. Взаимная корреляционная функция угловых скоростей на рис. 4 и 5 обозначена для двух вариантов так: опытный вариант – сплошная линия; серийный вариант – прерывистая линия.

 

Рис. 4. Совмещенные графики изменения взаимной корреляционной функции угловых скоростей опытного и серийного трактора при агрегатировании с сеялкой (анализ сигнала от ведущего колеса к двигателю)

 

На рис. 5 представлены совмещенные графики изменения ВКФ частоты вращения коленчатого вала и частоты вращения ведущего колеса в опытном и серийном варианте для трактора во время работы с сеялкой, с учетом анализа сигнала от двигателя к ведущему колесу.

 

Рис. 5. Совмещенные графики изменения взаимной корреляционной функции угловых скоростей опытного и серийного тракторов при агрегатировании с сеялкой (анализа сигнала от двигателя к ведущему колесу)

 

Графики на рис. 4 и 5 показывают, что корреляция между частотой вращения коленвала двигателя и ведущим колесом (в прямом и обратном направлении) в опытном и серийном вариантах стремится к нулю или уходят из отрицательных значений в положительные значения. При работе трактора с сеялкой зависимости очень идентичны, однако имеются различия, которые характеризуют работу УДМ. Наблюдается отрицательная корреляция в период трогания у опытного варианта в направлении от колеса к двигателю. Кривые ВКФ показывают, что механизм, работая как фильтр, реализует минимум своих возможностей при агрегатировании с сеялкой.

На рис. 6−8 представлены совмещенные графики изменения функции взаимной спектральной плотности (ВСП) частоты вращения коленчатого вала и частоты вращения ведущего колеса (далее используется название «угловых скоростей») опытного и серийного трактора при агрегатировании с сеялкой. Функция ВСП угловых скоростей на рис. 6−8 обозначена для двух вариантов так: опытный вариант – сплошная линия; серийный вариант – прерывистая линия.

 

Рис. 6. Совмещенные графики изменения действительной части функции взаимной спектральной плотности угловых скоростей опытного и серийного трактора при агрегатировании с сеялкой

 

Рис. 7. Совмещенные графики изменения мнимой части функции взаимной спектральной плотности угловых скоростей опытного и серийного трактора при агрегатировании с сеялкой

 

Рис. 8. Совмещенные графики зависимости модуля функции взаимной спектральной плотности угловых скоростей опытного и серийного трактора при агрегатировании с сеялкой

 

Графики на рис. 6−8 показывают смещение частоты возмущающих воздействий и уменьшение их величины (действительной и мнимой части) в серийном варианте. При сравнении модуля взаимной спектральной плотности видны вершины на низкой и высокой частоте (ω = 0,5 с^–1 и ω = 4,0 с^–1). Для серийного варианта это свидетельствует о том, что частоты (проходят) формируются не только в двигателе, но и в силовой передаче. В опытном варианте все вершины спектральной плотности находятся в диапазоне частоты до ω = 2,0 с^–1.

Выводы

Анализ ВКФ двух процессов (частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего колеса) показывает изменение скорости проходящих частот нагрузки по валопроводу (определяемых по формуле (1)). Отношение времени прохождения (прохождение сигнала в опытном тракторе по отношению к серийному варианту) возмущений по валопроводу при агрегатировании трактора с сеялкой уменьшается на 40,1 %. Это доказывает, что упругодемпфирующий механизм поглощает частоты нагрузки и снижает скорость их распространения по валопроводу.

Анализ взаимной спектральной плотности (частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего колеса), показывает смещение (по отношению к серийному варианту) частоты возмущающих воздействий и уменьшение их величины при агрегатировании трактора с сеялкой на 33,3 %. Величина взаимной спектральной плотности меньше в опытном варианте трактора, что может означать то, что упругодемпфирующий механизм, как элемент силовой передачи, поглощает часть колебаний нагрузки по распространяющихся по валопроводу.

About the authors

S. E. Sen'kevich

Federal Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: sergej_senkevich@mail.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Moscow

YE. N. Il'chenko

Federal Agroengineering Center VIM

Email: sergej_senkevich@mail.ru
Russian Federation, Moscow

I. S. Alekseyev

Federal Agroengineering Center VIM

Email: sergej_senkevich@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files