Prediction of traction indicators of wheeled tractors under dynamic nature of hooking strain

Full Text

Введение Физико-механические свойства почв засушливых зон исключают появление производственных полей с идеальными (изотропными) свойствами почвенного покрова. Наличие плохо разделываемых почвенных образований (солонцов) создает условия для усиления силовых воздействий со стороны почвы на ходовую систему и формирует процесс взаимодействия шин с почвой, как ударный со всеми вытекающими отсюда негативными явлениями, вызывающими повышение энергетических затрат на самопередвижение МТА (силовых и кинематических). На этих полях взаимодействие движителей трактора с почвой зависит от скорости агрегата как характеристики уровня силового импульса взаимодействия шин и почвы. В общем случае источниками неравномерности воздействия почвенного фона на работу МТА являются: 1) неравномерности поверхности почвенного фона и неоднородности почвенных включений в нем; 2) непостоянство силового воздействия почвообрабатывающего орудия на трактор (непостоянство крюкового усилия во времени или по пройденному пути). Первая группа причин формирует дополнительное сопротивление перекатыванию самого трактора (как заднего, так и переднего моста) за счет непрерывного изменения динамического радиуса колеса при вертикальных колебаниях остова трактора. Вторая группа причин является источником постоянного перераспределения вертикальных нагрузок на мосты трактора, генерирующим продольные угловые колебания трактора на его мостах. Такой случайный характер нагружения и генерируемый им спектр воздействий со стороны почвенного фона с разными сдвигами фаз относительно друг друга вполне может обеспечить снижение несущей способности почвы, приводящей к разбросу коэффициента буксования трактора по отдельным кривым буксования. Детерминированный анализ явлений, возникающих при взаимодействии ведущих колес с почвой, в описанных условиях позволил оценить влияние продольно-угловых колебаний остова трактора, частоты и амплитуды колебания крюкового усилия на тягово-сцепные показатели колесного трактора. Целью исследования является прогнозирование тягово-сцепных показателей колесных тракторов при динамическом характере крюкового усилия. Материалы, методы и результаты исследования Математическая модель по прогнозированию тягово-сцепных свойств колесных тракторов различных конструктивных схем, учитывающая конструктивные параметры трактора, геометрические характеристики шины ведущего колеса, физико-механические свойства почвенного фона, подробно представлена в работе [1]. Суть ее в следующем. Для колесного движителя можно аналитическим путем рассчитать три характерные точки, определяющие основные режимы его работы: - максимальное тяговое усилие, реализуемое колесом; - коэффициент буксования, при котором наступает сдвиг всех «почвенных кирпичей» в пятне контакта шины с почвой, и соответствующее ему тяговое усилие, развиваемое движителем; - допустимый коэффициент буксования по экологическому признаку и соответствующее ему тяговое усилие. Вся кривая буксования аппроксимируется дробно-рациональной функцией профессора Н.К. Куликова: , (1) где - относительное тяговое усилие, представляющее собой отношение тягового усилия, развиваемого движителями, к максимально возможному такому усилию по сцеплению колеса с почвой; - коэффициент пропорциональности. Основные параметры функции и представленной аппроксимации определяются аналитически по значениям коэффициента буксования и соответствующего ему тягового усилия на режиме . Расчет по данной модели в конечном счете позволяет получить статическую кривую буксования трактора с колесной формулой 4К2. Для колесного трактора класса 14кН результаты счета представлены на рис. 1 (кривая 1). Такие статические кривые буксования характерны при проведении тяговых испытаний тракторов на машинно-испытательных станциях (МИС), когда в качестве загрузочного устройства используется другой трактор или тягач. Результаты расчета достаточно хорошо согласуются с такими экспериментальными данными [2], рис. 1 (экспериментальные точки - 2). Расположение экспериментальных данных, полученных при работе с реальным почвообрабатывающим орудием, рис. 1 (кривая 3), выше расчетной статической зависимости явно говорит о влиянии на коэффициент буксования трактора не учтенных в математической модели динамических процессов, характерных для работы МТА в реальных условиях эксплуатации. Основными факторами, определяющими процесс буксования колесного трактора, является неустановившийся характер крюкового усилия и вертикальные колебания трактора. Другие факторы, такие как свойства почвы, инерционные и упругие свойства элементов силовой передачи, возможность самогенерации устойчивых колебаний действующих усилий в пятне контакта за счет периодичности смены почвозацепов шины, можно рассматривать как постоянные в существующих условиях нагружения. Рис. 1. Кривые буксования колесного трактора класса 14кН, фон - стерня: 1 - статическая расчетная кривая буксования; 2 - экспериментальные значения коэффициента буксования трактора при работе с постоянной крюковой нагрузкой; 3 - экспериментальная кривая буксования трактора при работе с почвообрабатывающим орудием (динамическая экспериментальная кривая буксования); 4 - динамическая расчетная кривая буксования Для оценки влияния амплитуды и частоты колебаний l крюкового усилия на коэффициент буксования трактора с колесной формулой 4К2 рассмотрена математическая модель нагружения трактора переменным крюковым усилием: , (2) где J - приведенный момент инерции маховика, кг×м2; Jk - момент инерции ведущего колеса, кг×м2; w - угловая скорость коленчатого вала двигателя, рад/с; - сила сопротивления движению ведущего колеса, Н; - крутящий момент на коленчатом валу двигателя, Н×м; m - масса трактора, кг; - КПД трансмиссии; - сила сопротивления горизонтального смятия почвы, Н; - передаточное число трансмиссии; - динамический радиус колеса, м. Решение дифференциальных уравнений системы (2) методом кусочно-линейной аппроксимации в среде Mathcad [3] позволило получить расчетную реализацию коэффициента буксования трактора при нагружении его реальным крюковым усилием (рис. 2), последующая обработка которой определила среднее значение динамического коэффициента буксования. Частота колебаний коэффициента буксования, полученная по спектральной плотности расчетной реализации коэффициента буксования, позволила оценить по формуле (3) ускорение этих колебаний, вызывающих снижение несущей способности почвы в горизонтальном направлении, которое выражается в понижении тангенса угла внутреннего трения почвы [4]. , (3) где - отклонение коэффициента буксования от его среднего значения; S - круговой шаг почвозацепа шины, м; - расчетная частота колебаний коэффициента буксования, соответствующая максимальному значению амплитуды колебаний, Гц. Рис. 2. Расчетная реализация коэффициента буксования трактора МТЗ-80Л, нагруженного переменным крюковым усилием На основе этого скорректированы параметры дробно-рациональной функции, аппроксимирующей динамическую кривую буксования, рисунок 1 (кривая 4): , , (4) где - новое пониженное значение ; - среднее значение динамического коэффициента буксования; - скорректированное относительное тяговое усилие в точке допустимого буксования, . Выводы 1. Анализ приведенных зависимостей по оценке динамического характера нагружения трактора крюковым усилием на процесс буксования показывает, что с увеличением интенсивности изменения крюкового усилия трактора динамический (средний за период) коэффициент буксования возрастает. Это увеличение определяется величиной среднего тягового усилия движителей, амплитудой и частотой его изменения; чем больше указанные параметры, тем больше динамический коэффициент буксования. Явление это связано с нелинейностью зависимости , а также генерацией ускорения колебаний горизонтальной деформации почвы, вызывающих снижение прочностных параметров несущей способности почвы в горизонтальном направлении. 2. Представленный математический аппарат позволяет при наличии экспериментальных данных (осциллограмм крюкового усилия) оценивать снижение тяговых показателей колесных тракторов по аналитической области распределения коэффициента буксования трактора, расположенной между стационарной и динамической кривой буксования. 3. В целом представленный материал по изучению влияния эксплуатационных условий работы (реализуемое крюковое усилие) МТА на его выходные показатели (коэффициент буксования, при котором эта реализация обеспечивается, а значит и его производительность) указывает не только на экспериментальную возможность снижения эффективности использования скоростной сельскохозяйственной техники, но и помогает обосновать основы теории взаимодействия движителей скоростных тракторов, подтверждающих закономерность появления отмеченных в эксплуатации МТА негативных явлений. Такая теоретическая оценка скоростных тяговых средств доказала необходимость учитывать снижение тяговых показателей сельскохозяйственных тракторов при увеличении степени неравномерности нагрузки на крюке и принимать меры по устранению описанных негативных последствий повышения рабочих скоростей МТА [5].

About the authors

D. S. Gapich

Volgograd State Agricultural University

Email: Gds-08@mail.ru
Dr.Eng.

V. A. Privalov

Volgograd State Agricultural University

References

Supplementary files