Results of field studies of a tractor of traction class 1,4 with an elastic damping mechanism in a power drive

Full Text

Введение Одним из способов борьбы с повышением энергетических затрат двигателя трактора при выполнении работ является установка упругих элементов в различных узлах трактора, работающего в составе агрегата, в том числе прицепных и навесных устройствах. Это позволяет в значительной мере снижать амплитуду колебаний крюковой нагрузки и нагрузки на силовой привод. Это приводит к снижению колебаний угловой скорости двигателя. Выше обозначенное рассматривается во многих научных работах. Например, в работе [1] приведены исследования пневмогидравлического упруго-демпфирующего привода, предназначенного для снижения динамических нагрузок на колеса трактора класса 1,4. Анализ результатов экспериментальных данных показывает, что применение упруго-демпфирующего механизма в приводе снижает буксование движителей на 16...20%, снижает расход топлива на 6…9% и повышает производительность на 7...9%. В работе [2] представлены исследования, доказывающие, что упругие элементы в ведомом диске смещают резонансные колебания в сторону пониженной частоты вращения коленчатого вала. Дополнительное демпфирование снижает колебания со стороны двигателя в 1,5…2 раза. В начальный период разгона демпферные пружины способствуют более плавному включению сцепления и снижению пробуксовки ведомого диска на 12...20 %. При использовании демпферных пружин износ фрикционных накладок ведомых дисков сцепления снижается в среднем на 29,5 %. По исследованиям [3, 4], применение упруго-демпфирующих механизмов в приводе ведущих колес на пахоте (фон - стерня колосовых) показало, что с упруго-демпфирующий механизм снижает буксование на 10...12% и расход топлива на 12…14%. Вопросами применения упруго-демпфирующего механизма в силовом приводе трактора малого класса тяги [5], численным моделированием функционирования трактора с упруго-демпфирующим механизмом [6] и оптимизацией его параметров для работы с основным технологическим оборудованием при выполнении сельскохозяйственных операций [7, 8] также занималась часть коллектива авторов данной статьи. Устройство упруго-демпфирующего механизма подробно описано в работах [9, 10, 11]. Для более детального анализа влияния параметров упруго-демпфирующего механизма на показатели работы трактора с плугом были проведены экспериментальные исследования, часть результатов которых приведена в настоящей статье. Целью данной работы является детальный анализ влияния параметров упруго-демпфирующего механизма на показатели работы трактора с плугом. Проведение подобных исследований позволяет получить новые экспериментальные данные работы упруго-демпфирующего механизма установленного в силовой привод трактора при агрегатировании с плугом. Материалы и методы проведения полевых исследований трактора Объектом исследования является трактор с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе в составе пахотного агрегата. Предметом исследования являются закономерности при работе трактора с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе. Оценка эффективности трактора в составе пахотного агрегата, параметры и режимы работы которых соответствовали рекомендациям теоретических исследований, проводились согласно ГОСТ 7057-2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний» [12]. Исследования были проведены для трактора-макета в агрегате с навесным плугом ПЛН-3-35. Для измерений применялся комплекс лаборатории ТЛ-2 на базе полноприводного автомобиля ГАЗ-66. Общий вид трактора представлен на рис. 1. Рис. 1. Общий вид испытываемого трактора-макета в агрегате с навесным плугом ПЛН-3-35 и измерительным комплексом лаборатории ТЛ-2 на базе автомобиля ГАЗ-66 Fig. 1. General view of the tested tractor in a unit with a PLN-3-35 mounted plow and a measuring complex of the TL-2 laboratory based on the GAZ-66 automobile Для равнозначности показателей сравнительных испытаний и снижения влияния нерегистрируемых параметров (КПД трансмиссии и колёсных движителей, сопротивление самопередвижению агрегата и др.) контрольные опыты проводились на одном поле в течение рабочего дня. Время испытаний - летний (послеуборочный) и осенний периоды года. В качестве эталонного при проведении сравнительных опытов использовался тот же самый трактор, но с заблокированным упруго-демпфирующим механизмом (для краткости мы назвали его «серийным»). Управление трактором во всех вариантах осуществлялось одним и тем же трактористом 1 класса. Пахота проводилась по стерне озимой пшеницы на глубину 25…27 см. В процессе проведения испытаний контролировались глубина пахоты (глубиномером) и ширина пахоты (линейкой). Колебания показателей пахоты находились в пределах, допускаемых агротехническими требованиями. Время опыта и пройденный путь фиксировались при помощи системы автоматического накопления и обработки данных. Обработка результатов эксперимента осуществлялась на персональном компьютере с использованием пакета специальных программ. На рис. 2 приведена схема установки датчиков на исследуемом тракторе с плугом. Рис. 2. Схема размещения датчиков на исследуемом тракторе: 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. Layout of sensors on the tractor: 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 - counter for recording fuel consumption Для анализа данных предлагается условная классификация вариабельности (степень рассеивания данных) выборки на основе коэффициента вариации: при v ≤ 10% выборка вариабельна слабо, при 10% ≤ v ≤ 20% - средне вариабельна, при v ≤ 20% - сильно вариабельна. Если значение коэффициента вариации не превышает 33%, то совокупность считается однородной, а если больше 33%, то - неоднородной. В относительном выражении коэффициент вариации позволяет обеспечить сопоставимость полученных результатов [13, 14]. Результаты оценки работы трактора В соответствии с программой экспериментальных исследований проведена оценка трактора, оснащенного упруго-демпфирующим механизмом. Показатели представлены в таблице 1. Таблица 1 Энергетические показатели работы трактора на вспашке в составе пахотного МТА Table 1. Energy indicators of tractor operation during plowing as part of arable machine-tractor unit № пп Энергетические показатели Трактор серийный Трактор с УДМ Изменение % 1 Тяговое сопротивление Pкр , Н 15875,4 15515,6 2,27 2 Скорость движения трактора V, м/с (км/ч) 1,43 (5,15) 1,66 (5,98) 16,10 3 Частота вращения коленчатого вала nлв , рад/с 216,3 227,6 5,22 4 Часовой расход топлива G, кг/ч 13,78 12,57 8,78 5 Буксование движителей δ, % 16,9 15,3 9,47 6 Производительность трактора W, га/ч 0,540 0,588 8,89 7 Погектарный расход топлива Gга , кг/га 25,52 21,38 16,22 Показатели энергетической оценки свидетельствуют о том, что трактор с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе имеет лучшие энергетические показатели (скорость движения, производительность и погектарный расход топлива), чем аналогичный машинно-тракторный агрегат с более жесткой трансмиссией. Анализируя таблицу 1, наблюдаем снижение тягового сопротивления. Тяговое сопротивление является для трактора внутренней силой связи между звеньями: трактором и плугом. Величина этой силы определяется внешним воздействием почвы на рабочие органы плуга и взаимодействием звеньев через упругие и деформирующие связи между ними. Установка упруго-демпфирующего механизма в силовой привод трактора с плугом создает более благоприятные условия для формирования характера нагрузки узлов самого трактора как при неустановившихся режимах движения, так и при установившихся. Следствием этого является снижение нагрузки на двигатель и ведущие колеса трактора, отчего угловая скорость вала и поступательная скорость трактора возрастают по сравнению с серийным вариантом, у которого большая жесткость силового привода. Для более подробного анализа буксования движителей был проведен анализ изменения буксования во времени. Данные по буксованию движителей представлены в таблице 2. Таблица 2 Статистические показатели трактора по буксованию при вспашке Table 2. Tractor statistics on slipping during plowing Показатели Серийный трактор Трактор с УДМ Изменение, % Математическое ожидание буксования δ, % 16,9 15,3 9,47 Дисперсия D, % 86,8 47,9 44,82 Среднее квадратичное отклонение σδ, % 9,32 6,92 25,75 Коэффициент вариации v, % 55,14 45,23 17,97 Статистический анализ числовых данных по буксованию, полученных экспериментальным путем, показал, что применение упруго-демпфирующего механизма позволяет снизить математическое ожидание буксования на 9,5%. График изменения буксования представлен на рис. 3. В нижеприведенном графике и далее в представленных рисунках сплошная линия обозначает показания для опытного трактора, прерывистая - для серийного. Рис. 3. Динамика изменения буксования опытного и серийного тракторов в составе пахотного агрегата Fig. 3. The dynamics of changes in slipping of a tested and serial tractor as part of a plowing unit Стоит применить классические методы анализа временных рядов. Параметрические и непараметрические методы спектрального анализа, которые применяются для изучения особенностей случайного процесса в частотной области. Основной характеристикой, по которой можно судить о спектральном составе исследуемого процесса, является функция спектральной плотности. [15, 16, 17]. Статистические характеристики случайных процессов вычисляются как правило по одной реализации процесса достаточной длительности по времени. Автокорреляционные функции изменения буксования опытного и серийного трактора представлены на рис. 4. Затухание корреляционной функции является признаком эргодичности процесса. Алгебраическое затухание корреляционной функции эквивалентно бесконечному значению соответствующей восприимчивости. Рис. 4. Графики автокорреляционной функции изменения буксования опытного и серийного трактора в составе пахотного агрегата Fig. 4. Graphs of the autocorrelation function of changes in slipping of a tested and serial tractor as part of a plowing unit Анализ рис. 4 показывает, что средний полупериод корреляции в серийном варианте гораздо больше, чем в опытном, что свидетельствует о том, что плотность спектра будет больше у варианта серийного и этот спектр будет шире. Механизм поглощает частоты, являясь фильтром при агрегатировании с плугом. Спектральная плотность определяет собой спектральное разложение корреляционной функции и при этом отражает и частотный состав самого случайного процесса. Спектральная плотность имеет размерность произведения дисперсии на секунду. Размерность нормированной спектральной плотности - секунда. Графики изменения спектральной плотности представлены на рис. 5. Отрицательная частота - понятие не физическое, а математическое, вытекающее из способа представления комплексных чисел. Рис. 5. Графики изменения спектральной плотности буксования опытного и серийного тракторов в составе пахотного агрегата Fig. 5. Graphs of changes in the spectral density of slipping of a tested and serial tractor as part of a plowing unit Анализ рис. 5 показывает, что ширина спектра в серийном варианте больше, плотность спектра выше у варианта опытного. Это свидетельствует о том, что механизм является эффективным фильтром при агрегатировании с плугом. Характер протекания спектральной плотности опытного трактора свидетельствует о низкочастотности процесса, так как максимумы дисперсий сдвинуты в зону более низких частот в диапазоне от 0 до 1,0 с-1. Процесс изменения кривых в диапазоне от 0 до 1,5 с-1 схож, что свидетельствует об идентичности процесса изменения буксования. Спектр изменения буксования серийного трактора от 0 до 1,5 с-1 имеет четыре преобладающие вершины на отметках S(0) = 0,08, S(0,15) = 0,46, S(0,35) = 0,2 и S(0,5) = 0,8; в опытном варианте S(0) = 0,12, S(0,1) = 0,24, S(0,3) = 0,2 и S(0,65) = 0,16, S(2,0) = 0,04, S(2,85) = 0,02. Ширина спектра (или срез частот S(ω)) для опытного и серийного вариантов составляет Δωс = 4,2 с-1 и Δωс = 2,2 с-1 соответственно. Определенная взаимная корреляционная функция двух случайных процессов позволяет оценить параметры и свойства, например, суммы и разности двух случайных процессов, что часто встречается в практике. Взаимная корреляционная функция угловых скоростей представлена для двух вариантов: опытный вариант - сплошная линия; серийный вариант - прерывистая линия. На рис. 6 и 7 показана корреляция между частотой вращения коленвала двигателя и ведущим колесом: в опытном варианте она стремиться к нулю или уходит в отрицательные значения. В то же время, серийный вариант находится в прямой корреляции в начальный период (разгон) и в процессе выполнения технологической операции. Рис. 6. Совмещенные графики изменения взаимной корреляционной функции частоты вращения коленчатого вала и ведущего колеса в опытном и серийном вариантах для трактора в составе пахотного агрегата (анализ сигнала от двигателя к ведущему колесу) Fig. 6. Combined graphs of changes in the cross-correlation function of the crankshaft and drive wheel rotational speed in the tested and serial versions for a tractor as part of a plowing unit (analysis of the signal from the engine to the drive wheel) Рис. 7. Совмещенные графики изменения взаимной корреляционной функции частоты вращения коленчатого вала и ведущего колеса в опытном и серийном вариантах для трактора в составе пахотного агрегата (анализ сигнала от ведущего колеса к двигателю) Fig. 7. Combined graphs of changes in the cross-correlation function of the crankshaft and drive wheel rotational speed in the tested and serial versions for a tractor as part of a plowing unit (analysis of the signal from the drive wheel to the engine) Рис. 8. Совмещенные графики изменения действительной части функции взаимной спектральной плотности угловых скоростей опытного и серийного тракторов в составе пахотного агрегата Fig. 8. Combined graphs of changes in the real part of the function of the mutual spectral density of angular velocities of a tested and serial tractor as part of a plowing unit Рис. 9. Совмещенные графики изменения мнимой части функции взаимной спектральной плотности угловых скоростей опытного и серийного тракторов в составе пахотного агрегата Fig. 9. Combined graphs of changes in the imaginary part of the function of the mutual spectral density of angular velocities of a tested and serial tractor as part of a plowing unit Рис. 10. Графики изменения модуля функции взаимной спектральной плотности угловых скоростей серийного трактора в составе пахотного агрегата Fig. 10. Graphs of changes in the modulus of the function of the mutual spectral density of angular velocities of a serial tractor as part of a plowing unit На рис. 8, 9 и 10 показано смещение частоты возмущающих воздействий и уменьшение их величины (действительной и мнимой части) в опытном варианте. В то же времявремя при сравнении модуля взаимной спектральной плотности видны преимущества опытного варианта в процессе выполнения технологической операции. Выводы Статистический анализ числовых данных по буксованию, полученных экспериментальным путем, показал, что применение упруго-демпфирующего механизма позволяет снизить математическое ожидание буксования трактора с плугом на 9,5%. Анализ среднего полупериода корреляционной функции процесса буксования трактора в составе пахотного агрегата показывает отличие указанной величины в серийном и опытном вариантах на 47,4 %. Анализ спектральных характеристик свидетельствует о том, что плотность спектра больше у варианта серийного и этот спектр будет шире. Механизм поглощает частоты, являясь фильтром при агрегатировании с различными орудиями. Характер протекания спектральной плотности опытного агрегата свидетельствует о низкочастотности процесса, так как максимумы дисперсий сдвинуты в зону более низких частот. Относительное изменение ширины спектра (среза частот S(ω)) для серийного и опытного вариантов отличаются при различных вариантах агрегатирования трактора: для пахотного на 40,5% Данные экспериментов показывают, что что сила тягового сопротивления снижается для трактора с плугом на 2,27%. Установка упруго-демпфирующего механизма в трансмиссию трактора создает более благоприятные условия для формирования характера нагрузки узлов трактора как при неустановившихся режимах движения, так и при установившихся. Следствием этого является снижение нагрузки на двигатель и ведущие колеса трактора, отчего угловая скорость вала и поступательная скорость трактора возрастают по сравнению с серийным вариантом, у которого большая жесткость силовой передачи. Определенная взаимная корреляционная функция двух случайных процессов позволяет оценить параметры и свойства суммы и разности двух случайных процессов. Анализ полученных данных показывает, что корреляция между частотой вращения коленвала двигателя и частотой вращения ведущего колеса в опытном варианте стремится к нулю или уходит в отрицательные значения. В то же время, серийный вариант находится в прямой корреляции в начальный период (разгон) и в процессе выполнения технологической операции. Анализ данных по частоте показывает 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 частотах (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 силовом приводе. В опытном варианте все вершины спектральной плотности находятся в диапазоне частоты до ω=2,0 с-1. Все перечисленные показатели указывают на то, что применение упруго-демпфирующего механизма в силовом приводе трактора класса 1,4 позволяет существенно улучшить рабочие характеристики агрегата.

About the authors

S. E Sen'kevich

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: sergej_senkevich@mail.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

YE. N Il'chenko

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Moscow, Russia

Z. A Godzhayev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

DSc in Engineering, Corresponding member of the Russian Academy of Sciences Moscow, Russia

V. V Duryagina

Southern Federal University

Taganrog, Russia

References

Supplementary files