Анализ результатов аналитических исследований пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4 с УДМ в трансмиссии

Введение. Сложившаяся экономическая и политическая обстановка в России выявила необходимость в усилении компоненты собственного производства, не зависящего от внешних и внутренних факторов. В связи с этим современные техника и технологии становятся ключевыми для роста экономики страны. В силу ряда причин в сельском хозяйстве в 90-х годах резко упали темпы обновления техники, внедрения достижений научно-технического прогресса, поэтому возросла доля иностранной техники. Предприятия, использующие современную технику зарубежно- го производства, сталкиваются с сильно возросшими ценами на запчасти, а это в свою очередь увеличивает себестоимость продукции. Согласно стратегии машиннотехнологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года [1], приоритетным направлением становится импортозамещение и модернизация отечественной материально-технической и технологической базы. В мире растет спрос на продовольствие [2], и к 2023 г. прогнозируемое увеличение производства зерновых культур составит 17% и масличных -26%. Поэтому повышение технико-экономических показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) востребовано в современных условиях.

Для улучшения условий работы и снижения динамических нагрузок предлагаются разнообразные решения. Одним из них является использование упругодемп-фирующего механизма (УДМ), предназначенного для плавного трогания МТА, снижения динамических нагрузок в трансмиссии, защиты от колебаний внешней нагрузки [3].

Целью работы является анализ результатов численных исследований опытного (с УДМ в трансмиссии) и серийного пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4.

Исходные данные. Динамическая модель пахотного МТА на базе колесного трактора с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии [4] учитывает основные физические свойства пахотного агрегата и его характеристики взаимодействия с внешней средой; сухое и вязкое трение в трансмиссии; жесткость трансмиссии и шины; буксование движителей.

При построении математической модели были выбраны доминирующие факторы, отражающие специфику работы пахотного МТА с УДМ в трансмиссии [4]. В данной модели отражены две фазы движения: трогание и разгон до установившейся скорости агрегата.

Математическая модель основана на законах механики и включает уравнения, использованные в предшествующих исследованиях [4]. Влияние опорной поверхности, неоднородность плотности почвы обу славливают случайный характер воздействия микропрофиля и тягового сопротивления на работу МТА. Для моделирования случайных процессов был использован метод непрерывных дробей [5, 6].

Для изучения влияния параметров УДМ на показатели функционирования пахотного агрегата, их сравнения с подобными характеристиками серийного МТА, получения коэффициентов для математической модели были проведены экспериментальные исследования пахотного МТА. В качестве эталонного МТА при проведении сравнительных опытов использовался тот же самый МТА, но с заблокированным УДМ. Исследования проводились с использованием разработанной во ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград) системы автоматического накопления и обработки метрологической информации мобильного исполнения (САНО) [7, 8].

Для нахождения численного решения системы дифференциальных уравнений первого и второго порядков математической модели был построен комплекс программ, реализуемых в среде MAPLE, с учетом результатов натурных экспериментов. В программу включены блоки, реализующие случайное воздействие. Они вычисляются в отдельных подпрограммах, что увеличивает скорость работы программы.

Результаты численного моделирования. На основе полученных результатов численного моделирования были построены графики разгонных характеристик пахотного агрегата с УДМ в трансмиссии трактора и серийного агрегата. С целью качественного и количественного анализа проведенных исследований для пахотного агрегата с УДМ в трансмиссии и серийного МТА приведены результаты численного и натурного экспериментов: графики угловой скорости ведущего колеса (рисунок 1), угловой скорости коленчатого вала двигателя (рисунок 2), линейной скорости (рисунок 3), угловой скорости шестерни привода масляного насоса (рисунок 4). Для проверки адекватности теоретических положений использовался режим неустано-вившегося движения, как наиболее сложный и нагруженный период для двигателя и трансмиссии.

Рисунок 1 - Угловая скорость ведущего колеса серийного (а) и опытного агрегатов (й)

Рисунок 2 - Угловая скорость коленчатого вала двигателя серийного (а) и опытного агрегатов (б)

Рисунок 3 - Линейная скорость серийного (а) и опытного агрегатов (б)

Рисунок 4 - Угловая скорость шестерни привода масляного насоса

Оценка правильности работы модели осуществлялась из анализа необходимых и достаточных критериев. Критерии правильности модели делятся на качественные и количественные. Качественная оценка - сравнение графиков, полученных путём имитации движения и по данным измерительной аппаратуры, показывает, что характер протекания процессов практически одинаков (таблица).

Критерии адекватности математической модели при 5% уровне значимости

Исследуемый показатель	г	tp (h 2,01)	FP(FT1,45)
Угловая скорость ведущего колеса серийного агрегата	0,847	1,134	1,424
Угловая скорость ведущего колеса агрегата с УДМ в трансмиссии	0,931	1,191	1,163
Угловая скорость коленчатого вала двигателя серийного агрегата	0,845	1,019	1,437
Угловая скорость коленчатого вала двигателя агрегата с УДМ в трансмиссии	0,891	1,006	1,239
Линейная скорость серийного агрегата	0,912	1,189	1,211
Линейная скорость агрегата с УДМ в трансмиссии	0,732	1,612	1,114
Угловая скорость шестерни привода масляного насоса	0,905	1,038	1,228

Для количественной оценки степени соответствия результатов численного моделирования и экспериментальных исследований применялись следующие статистические критерии: критерий Фишера, коэффициент корреляции и коэффициент Стьюдента.

Используемые количественные и качественные критерии подтверждают корректность принятой математической модели.

Был проведен сравнительный анализ характеристик работы серийного пахотного агрегата и агрегата с упругодемпфиру-ющим механизмом в трансмиссии, полученных в результате численного моделирования.

На рисунках 5 и 6 приведены графики скорости коленчатого вала двигателя и линейной скорости агрегата.

Рисунок 5 - Угловая скорость коленчатого вала двигателя

Рисунок 6 - Линейная скорость агрегата

Как показывают результаты аналитических исследований, наличие УДМ в пахотном агрегате позволяет двигателю быстрее адаптироваться в начальный момент движения МТА: угловая скорость коленчатого вала двигателя 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 МТА не наблюдается резких скачков, абсолютная величина линейной скорости выше, т.е. наличие УДМ приводит к снижению нагрузки на двигатель по сравнению с серийным вариантом, у кото рого большая жесткость силовой передачи. В конечном итоге это приводит к увеличению производительности и снижению расхода топлива.

Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

• -    разработанная математическая модель является адекватной и ее можно использовать при получении рабочих характеристик, исследовании влияния УДМ на функционирование пахотного агрегата;

• -    наличие УДМ способствует улучшению показателей работы пахотного агрегата, повышению качества пахоты, сни-

• жению расхода топлива и уменьшению нагрузки на двигатель.