Efficiency of use of machine and tractor units operating with elastic damping drives of driving wheels

Full Text

Введение

Повышение скорости движения и мощности тракторных агрегатов вызывает повышенную динамическую нагруженность на детали трансмиссии и почву. Следовательно, повысить производительность тракторных агрегатов возможно за счет снижения динамических нагрузок на трансмиссию, двигатель и почву [1, 2].

Для этой цели в конечное звено трансмиссии вводят упругодемпфирующие приводы (УДП) ведущих колес. Однако крутящий момент на полуосях тракторов достигает 10000 Нм и более. Поэтому УДП должны быть надежными, удобными в обслуживании, обладать малой металлоемкостью и эффективно гасить колебания крутящего момента в трансмиссии [3].

Анализ литературы и существующих конструкций упругих приводов показал, что наиболее эффективной является регрессивно-прогрессивная характеристика, имеющая большую жесткость при высоких нагрузках и запас потенциальной энергии при работе с незначительными нагрузками (рис. 1) [4–6].

 

Рис. 1. Характеристики упругодемпфирующих приводов

 

Нами были проведены испытания различных УДП, изготовленных на Липецком тракторном заводе. На рис. 2 показан упругий привод, установленный в конечной передаче трактора ЛТЗ-55А (а.с. № 1391977).

 

Рис. 2. Упругий привод трактора ЛТЗ-55А

 

Привод состоит из ступицы 3 и зубчатого венца 1, между которыми установлены упругие элементы 2, 4 и 5 (рис. 2). Зубчатый венец 1 за счет сжатия упругих элементов 2, 4 и 5 поворачивается относительно ступицы. Это обеспечивает нелинейную характеристику, обладающую широким диапазоном изменения жесткости и демпфирования, что позволяет сместить область резонансных частот в нерабочую зону, а колебания сгладить.

Еще одним анализируемым УДП является привод, представленный на рис. 3 (пат. РФ № 1602770).

 

Рис. 3. УДП в полуосях трактора ЛТЗ-155

 

Привод включает внутренний и наружный трубчатые элементы со сквозными отверстиями, внутри которых установлены упругие элементы 2, 3 и 4. Во время движения трактора ступица 5 поворачивается относительно ступицы полуоси 1, что приводит к сжатию упругих элементов 2, 3 и 4. Возникающие колебания со стороны движителей сглаживаются упругими элементами, а при ударных нагрузках в работу вступают опорные концы 12 пружин 3, которые воспринимают значительные перегрузки. Это снижает динамическую нагруженность трансмиссии и двигателя.

Данные приводы (рис. 2, 3) были изготовлены на Липецком тракторном заводе и прошли государственные испытания. Опытное внедрение на тракторах Липецкого тракторного завода показало их эффективность. У тракторов ЛТЗ-55А и ЛТЗ-155 с упругими приводами повышается производительность и снижается расход топлива на 5−9 % [2].

Недостатком данных конструкций является ограниченный динамический диапазон регулирования упругодемпфирующих свойств приводов, кроме того они не могут мгновенно реагировать на колебания, которые передаются на ведущие колеса со стороны внешних воздействий. Это снижает эксплуатационные возможности тракторного агрегата.

Цель исследований

Улучшение эксплуатационных характеристик машинно-тракторного агрегата путем оптимального регулирования упругодемпфирующих свойств привода во всех тягово-скоростных диапазонах его работы.

Материалы и методы

В основу проведения исследований был принят ГОСТ 7057–2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний» и ГОСТ 30745–2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы определения тяговых показателей». В качестве объекта сравнительных исследований был выбран трактор МТЗ 80.1 с прицепом 2ПТС-4,5, а также в составе пахотного агрегата с плугом ПЛН 3-35 (рис. 4, 5).

 

Рис. 4. Объект испытаний – трактор МТЗ 80.1 с прицепом 2 ПТС-4

 

Рис. 5. Объект испытаний – трактор МТЗ 80.1 с плугом ПЛН 3-35

 

Для проведения испытаний была изготовлена ступица 1 с лопастным приводом, установленным на диске ведущего колеса, и газогидравлические аккумуляторы 2. Кроме того была изготовлена тензорамка, установленная на ведущих полуосях, для снятия колебаний крутящего момента при работе трактора. Сигнал с тензорамки подается через токосъемник 3 на электронный блок управления и далее на электромагнитные катушки и регулируемые дроссели (рис. 6, 7).

 

Рис. 6. Опытный привод на ведущих колесах трактора МТЗ 80.1

 

Рис. 7. Тензорамка, установленная на полуосях ведущих колес

 

Схема подключения оборудования, которое использовалось при проведении испытаний трактора МТЗ 80.1 с установленным опытным приводом на ведущих колесах, представлена на рис. 8.

 

Рис. 8. Принципиальная схема подключения оборудования

 

Результаты и обсуждение

Схема испытуемого УДП с газогидравлическими аккумуляторами представлена на рис. 9 [7].

 

Рис. 9. Упругодемпфирующий привод с газогидравлическими аккумуляторами

 

Привод включает диск ведущего колеса 1, ступицу демпфера 2, установленную подвижно на оси 3, внутри которой, на этой же полуоси, жестко установлена лопасть 6, которая упирается в упор 7 ступицы 2. Лопасть 6 делит ступицу на две полости 4 и 5. В упор демпфера вмонтированы электромагнитные катушки 8 и 9, связанные с электронным блоком управления (ЭБУ) 10, который получает сигнал от датчика колебаний крутящего момента 11, установленного на ведущей оси 6. Внутренняя полость ступицы заполнена магнитно-реологической жидкостью, которая является активным элементом и меняет вязкость за счет электромагнитного поля катушек 8 и 9. При этом на входе газогидравлического аккумулятора 17 установлен управляемый ЭБУ регулируемый дроссель 23. Полость прямого хода 4 гидравлического демпфера соединена гидромагистралью 12 с полостями 14 и 15 соответственно газогидравлических аккумуляторов 17 и 18, имеющих газовые полости 20 и 21. А полость обратного хода 5 через магистраль 13 соединена с полостью 16 газогидравлического аккумулятора 19, имеющим газовую полость 22. Магнитно-реологическая жидкость состоит из смеси синтетического масла, содержащего в себе железные микрочастицы размером 1−5 мкм.

Изменение вязкости магнитно-реологической жидкости и работа управляемого регулируемого дросселя 23 находится в зависимости от команды датчика колебаний крутящего момента на ЭБУ, который по заданной программе обеспечивает оптимальное регулирование упругодемпфирующих свойств приводов ведущих колес, что приводит к минимуму колебаний при работе тракторного агрегата. Активным элементом данного привода, кроме магнитно-реологической жидкости, является регулируемый дроссель, который по заданной программе ЭБУ изменяет демпфирующие свойства жидкости и регулирует ее поток.

Работа привода. Во время движения транспортного средства по неровностям почвы крутящий момент на его ведущей оси 3 постоянно колеблется с различной амплитудой и частотой. С учетом этого демпфер привода ведущих колес транспортного средства мгновенно изменяет демпфирующее свойство магнитно-реологической жидкости.

При прямом ходе лопасть 6 давит на рабочую жидкость и направляет ее по магистрали 12 через управляемый ЭБУ регулируемый дроссель 23 в камеру 14 газогидроаккумулятора 17. Кроме того, рабочая жидкость поступает по этой же магистрали 12 в полость 15 второго газогидроаккумулятора, сжимая при этом газ в полостях 20 и 21. Транспортное средство плавно трогается с места без значительного буксования движителей. При трогании магнитно-реологическая жидкость из полости 16 газогидравлического аккумулятора 19 поступает в полость 5. При разгоне происходит отдача запасенной энергии пневмоаккумуляторами 17 и 18, что приводит к увеличению разгонных свойств тракторного агрегата. При дальнейшем движении колебания гасятся за счет изменения вязкости магнитно-реологической жидкости в демпфере привода и работе управляемого ЭБУ регулируемого дросселя 23 совместно с газогидравлическими аккумуляторами 17 и 18.

Проходное сечение управляемого регулируемого дросселя по заданной программе ЭБУ изменяется в зависимости от колебаний момента сопротивления. При изменении колебаний момента сопротивления в прямом и обратном движении за счет управляемого регулируемого дросселя 23 и изменении вязкости магнитно-реологической жидкости устраняются динамические и резонансные колебания в приводе ведущих колес, и они не передаются на трансмиссию и двигатель.

Во время работы с малыми и средними значениями колебаний момента сопротивления уровень сигнала с датчика колебаний крутящего момента 11 поступает на ЭБУ-10, где происходит обработка этого сигнала и по заданной программе он воздействует на электромагнитные катушки 8 и 9, а также на регулируемый дроссель 23, который управляет потоком магнитно-реологической жидкости, тем самым поддерживая оптимальное заданную жесткость газогидравлических аккумуляторов 17 и 18; при этом происходит гашение колебаний.

При возникновении повышенных колебаний на полуосях колес (переезд препятствий, значительные динамические нагрузки или попадание в зону резонанса) с датчика колебаний крутящего момента 11 подается сигнал на ЭБУ-10. Далее этот сигнал с ЭБУ изменяет силу тока в электромагнитных катушках 8 и 9 гидравлического демпфера, а следовательно, вязкость жидкости. При этом сигнал также с ЭБУ-10 по заданной программе воздействует на регулируемый дроссель 23, закрывая проход жидкости в газогидравлический аккумулятор 17. Таким образом, в работе остается только один газогидравлический аккумулятор 18 с повышенной жесткостью пневмоэлемента. Это позволяет увеличить жесткость привода и мгновенно изменяет его характеристику, что приводит к устранению пробоев и резонансных режимов.

Испытания активного упругодемпфирующего привода (рис. 4, 5) были проведены на транспортных работах, а также при работе с пахотным агрегатом (плуг ПЛН-3-35). Результаты испытаний показали, что при работе с транспортным агрегатом по грунтовой дороге за счет УДП снижается буксование движителей и повышается скорость движения на 6−9 %. При работе трактора на пахоте буксование движителей снижается на 10−16 %, а скорость движения повышается на 7−12 %. Это повышает производительность тракторного агрегата на 6−12 %.

Таким образом, работа управляемого ЭБУ регулируемого дросселя совместно с меняющей вязкость магнитно-реологической жидкостью и двумя газогидравлическмими аккумуляторами различной жесткости позволяет приводу ведущих колес активно реагировать на любые изменения почвенного фона. Это приводит к повышению эксплуатационных возможностей тракторного агрегата за счет расширения динамического диапазона его работы.

Выводы

1. Совместная работа управляемых ЭБУ регулируемых дросселей, газогидравлических аккумуляторов и изменение вязкости магнитно-реологической жидкости, в зависимости от колебаний момента сопротивления, позволяет приводу настраиваться на оптимальное значение его жесткостных и демпфирующих качеств. Это дает возможность приводу ведущих колес практически мгновенно реагировать на любые изменения сопротивлению движения машинно-тракторного агрегата.
2. Установка активного упругодемпфирующего привода повышает производительность машинно-тракторного агрегата (транспортные работы и пахота) на 6–12 % за счет расширения динамического диапазона его работы.

About the authors

Oleg I. Polivaev

Voronezh State Agrarian University n.a. Emperor Peter the Great

Email: Polivaevoi@icloud.com

DSc in Engineering

Russian Federation, Voronezh

Sergei N. Pilyaev

Voronezh State Agrarian University n.a. Emperor Peter the Great

Email: pilyaevs@mail.ru

PhD in Technology

Russian Federation, Voronezh

Dmitry B. Bolotov

Voronezh State Agrarian University n.a. Emperor Peter the Great

Author for correspondence.
Email: BDB1998@ya.ru
Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files