Эффективность пахотного агрегата на базе трактора класса 5 с УДМ в трансмиссии при автоматическом переключении передач

Введение. В условиях рыночных отношений особую значимость приобретают мероприятия, способствующие повышению эффективности эксплуатации основных фондов сельскохозяйственных предприятий и, в первую очередь, мобильных энергетических средств, технологических машин и оборудования [1].

Анализ результатов экспериментальных исследований пахотных машинно-тракторных агрегатов (МТА) на базе тракторов класса 5 показывает, что тяговое усилие подвержено значительным колебаниям (коэффициент вариации составляет 18,3-20,9%) [1, 2, 3]. В этих условиях производительность пахотного агрегата во многом зависит от своевременности переключения передач. В то же время чрезмерно частое маневрирование передачами ведёт к снижению показателей МТА. На современных тракторах сельскохозяйственного назначения переключение передач производится оператором на основе визуального наблюдения, что не отвечает рациональным режимам рабо ты двигателя. Неправильный выбор передачи, естественно, приводит к снижению производительности МТА.

Для устранения этого недостатка на тракторе в системе управления передачами требуется установка указателя загрузки двигателя, либо механизма автоматического переключения передач. Причём, как показывают исследования [1, 2, 4, 5, 6, 7], установка указателя загрузки повышает производительность МТА на 2,5-7,2%, а механизма автоматического переключения передач - до 13%. Известные в настоящее время устройства для автоматического переключения передач регистрируют загрузку двигателя по косвенному признаку (по частоте вращения коленчатого вала двигателя, по положению регулирующего органа топливного насоса и т. д.).

В настоящее время отсутствуют объективные рекомендации относительно частоты переключения передач. Во многих исследованиях [1, 2 и др.] частоту переключения передач связывают со временем переходного режима работы двигателя. Безусловно, это необходимое условие, но явно не может быть достаточным. На наш взгляд, необходимость переключения передач должна определяться повышением производительности МТА.

Метод исследования - теоретико-экспериментальный с использованием трактора-макета, оборудованного упругодемпфирующим механизмом и системой автоматического переключения передач.

Результаты исследований и их обсуждение. Аналитические исследования математической модели МТА [8] показали (рисунок 1), что маневрирование передачами на ходу при частоте колебаний крю ковой нагрузки /= 0,1 Гц может увеличить производительность пахотного агрегата на базе трактора класса 5 на 1,8%, а при/= 0,05 Гц - на 4,8%. Причём переключение с одной передачи на другую целесообразно при частоте колебаний внешней нагрузки менее 0,125 Гц, при более высоких частотах переключение передач не обеспечивает повышение эксплуатационных показателей, а наоборот приводит к отрицательному результату. Так, при частоте колебаний крюкового усилия 0,2 Гц при маневрировании передачами происходит уменьшение производительности пахотного агрегата на базе трактора класса 5 до 2,4%.

1 - серийный трактор; 2 - опытный трактор;

3 - при переключении передач

Рисунок 1 - График изменения производительности МТА от частоты колебаний крюкового усилия

Результаты аналитических исследований, представленные на рисунке 1 в виде графиков, указывают на существенное снижение производительности пахотного агрегата в пределах основной зоны частот колебаний крюкового усилия при выполнении технологических операций, равной 0,125—1,000 Гц. Для улучшения эксплуатационных показателей работы МТА в интервале частот 0-1 Гц необходимо снижение влия ния колебаний крюкового усилия на работу силовой установки трактора [3, 8, 9,10].

В Азово-Черноморском инженерном институте разработан упругодемпфирующий механизм (УДМ), устанавливаемый в трансмиссию трактора, который предназначен, кроме других функций, для защиты двигателя от колебаний внешней нагрузки (рисунок 2).

• 1    - редуктор планетарный; 2 - шестерня коронная;

• 3 ,4- шестерни солнечная и привода гидронасоса;

5 - гидронасос; 6 - грузики подвижные;

• 7    - сателлиты; 8 - регулятор положения грузиков;

9 - канал всасывающий; 10 - канал нагнетательный; 11 - вал водила; 12 - коробка передач; 13 - муфта сцепления;

• 14    - двигатель; 15 - дроссель; 16 - вход в дроссель;

17 - клапан; 18 - кран управления; 19 - клапан демпферный;

20 - гидробак; 21 - воздух;

22 - пневмогидроаккумулятор; 23 - поршень;

24 - маслопровод

Рисунок 2 - Схема УДМ [9]

Результаты решения математической модели движения пахотного МТА [10] показывают, что установка УДМ в силовую передачу трактора класса 5 спо собствует увеличению производительности МТА свы ше 5% (см. рисунок 1, линия 3).

При выполнении технологической операции пахотным агрегатом с УДМ в силовой передаче трактора класса 5 на установившейся скорости движения не вращающаяся солнечная шестерня 3 планетарного редуктора механизма как реактивное звено воспринимает крутящий момент от корончатой шестерни 2 через сателлиты 7, который уравновешивается моментом, образующимся на валу гидравлического насоса 5 при его заторможенном состоянии [9,10].

Рабочее давление р, развиваемое насосом при установившемся движении агрегата, прямо пропорционально крутящему моменту двигателя:

• р = мк ■ Ьі2іЪ^£^г,

где М_к - крутящий момент двигателя;

• A, i^ - передаточные числа соответственно планетарного редуктора и привода насоса;

ті , г, _пр - механический коэффициент полезного действия соответственно планетарного редуктора и привода насоса;

• V - рабочий объём насоса.

Для подтверждения этого вывода были проведены экспериментальные исследования МТА с УДМ в силовой передаче трактора класса 5 на следующих режимах: разгон на заданной передаче, поэтапный разгон, процесс пахоты.

Для указанных режимов движения МТА характерны резкие колебания нагрузки, что обеспечивает получение достоверных данных, устанавливающих определённое соответствие между протеканием крутящего момента двигателя и давлением рабочей жидкости на нагнетательной полости масляного насоса УДМ.

Анализ полученных диаграмм разгона и переключения передач на ходу пахотного агрегата с УДМ в силовой передаче трактора класса 5 показывает (рисунок 3), что характер поведения кривой давления Pi, развиваемого гидравлическим насосом до дросселя 15, идентичен изменению крутящего момента двигателя. Незначительные несоответствия объясняются гидравлическим сопротивлением и расширением нагнетательных трубопроводов и инерционными (небольшими по величине) силами, возникающими в приводе масляного насоса при переходящих процессах.

а

Р„ МПа

a - сечение дросселя 0 мм² (серийный агрегат); б - сечение дросселя 10 мм²

• 1,2,3- частота вращения соответственно коленчатого вала двигателя а>_ь ведущего вала коробки передач а>₂, выходного вала ®₃; 4 - ведущей момент двигателя Мк; 5,6- давление рабочей жидкости соответственно до дросселя Pi и после дросселя Рг

Рисунок 3 - Разгон пахотного агрегата на базе трактора-макета класса 5 супругодемпфирующим механизмом в трансмиссии [91,124]

Кривая, показывающая изменение давления Рг, после дросселя 15 не имеет участка резкого роста, что характерно для кривых крутящего момента Мк двигателя и давления рабочей жидкости до дросселя Pi, а в начальный период увеличивается по политропе.

Скорость роста давления после дросселя Рг и запаздывание по фазе по сравнению с изменением ведущего момента зависит от проходного сечения дросселя, через который рабочая жидкость поступает от насоса в пневмогидроаккумулятор. При проходном сечении дросселя 10 мм² запаздывание роста 3 с, а при сечении дросселя 35 мм² - 0,5-0,7 с.

Результаты обработки данных экспериментального исследования пахотного МТА с трактором класса 5 (таблица 1) указывают на удовлетворительную точность опытов в связи с тем, что ошибка средней и показатель точности не превышают соответственно 0,36% и 1,98%.

Показатель рассеивания значений ведущего момента Мк относительно средней величины говорит о значительной колебательности процесса.

Аналогичные данные получены и для давлений до дросселя Pi и после дросселя Рг. Это свидетельствует об определённой идентичности параметров Мк, Pi и Рг по отмеченным показателям.

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований пахотного агрегата на базе трактора класса 5

Статистические показатели	Параметры
	мк, Нм	МПа	МПа	и,, об / мин	«2об/мин	об / мин
Математическое ожидание	515	3,9	3,5	1790	1790	1040
Среднее квадратическое отклонение	59	0,59	0,55	17,8	20,7	10,4
Коэффициент вариации, %	20,9	26,1	26,9	4,35	4,80	4,38
Ошибка средней, %	0,27	0,26	0,24	0,30	0,36	0,17
Показатель точности опыта, %	1,54	1,92	1,98	0,32	0,36	0,32

Нормированные спектральные плоскости (рисунок 4) характеризуют распределение дисперсий по частотам. Из графиков видно, что максимум дисперсий крутящего момента приходится на частоты 0-0,1 с-1 и, кроме того, имеется резонансная частота 0,4 с-1. Максимум дисперсий давлений Рі и Р2 соответствует од ной и той же частоте - 0,1 с1. Такой характер зависимостей Мк, Рі и Р2 во временной и частотной областях объясняется демпфирующими свойствами дросселя и пневмогидроаккумулятора, а также сжимаемостью рабочей жидкости и расширяемостью трубопроводов.

Рисунок 4 - Нормированные спектральные плотности М_к, Р_} и Р^

Результаты аналитических исследований и эксплуатационных испытаний трактора-макета класса 5 свидетельствуют о возможности создания автоматической системы переключения передач, основанной на использовании давления рабочей жидкости, создаваемого масляным насосом УДМ в качестве датчика ведущего момента двигателя. Причём запаздывание по фазе давления рабочей жидкости в пневмогидроаккумуляторе может быть использовано при проектировании следящего устройства с целью исключения влияния единичных возмущений нагрузки двигателя на срабатывание системы автоматического переключения передач.

Система автоматического переключения передач, предназначенная для управления нагрузочными режимами двигателя, должна обеспечивать [1, 4, 5, 6]:

• -    переключение передач при увеличении или уменьшении момента двигателя на величину, определяемую знаменателем ряда передаточных чисел трансмиссии трактора;

• -    исключение «звонковых переключений» передач (система должна отфильтровывать высокочастотные колебания крюкового усилия);

• -    коррекцию рациональной загрузки двигателя при его работе на частичных режимах;

• -    высокую надёжность работы.

Нами разработана система автоматического переключения передач (САПП) для трактора со ступенчатыми силовыми передачами и УДМ в трансмиссии, структурная схема (объект регулирования - регулятор скорости движения МТА) которой включает в себя матрицу передаточных функций МТА Hw Р И и характеристики составляющих элементов (рисунок 5). К последним относятся следящее устройство с передаточной функцией W Р , релейный и импульсный элементы, а также исполнительный механизм с программным реле h S,T .

Уравнением САПП будет зависимость Z_z=/ М_к , где / =1,2, 3,4.

Переключение передач необходимо производить при изменении давления рабочей жидкости в пневмогидроаккумуляторе на величину [9,10]

^Р = Р2- ^”4 , где q - знаменатель геометрической прогрессии ряда чисел коробки передач.

Рисунок 5 - Структурная схема машинно-тракторного агрегата, оборудованного системой автоматического переключения передач

При повышении или понижении нагрузки увеличивается или уменьшается давление, развиваемое насосом УДМ. При изменении давления на величину, при которой необходим переход с одной передачи на другую, срабатывает датчик давления, и через определённое время осуществится переключение на низшую или высшую передачу. При случайных и кратковременных изменениях нагрузки система автоматического управления не срабатывает.

Результаты проведённых в лабораторных условиях испытаний показали следующее:

• -    система автоматического переключения передач обеспечивает переключение передач при частоте воздействия внешней нагрузки в диапазоне от 0 до

0,24 с-1 (при более высоких частотах вынужденных колебаний, что соответствует периоду изменения нагрузки менее 4 с, система не реагирует);

• -    прямые оценки качества САПП: колебательность (0), перерегулирование (0%) и время переходного процесса (2-4 с) отвечают предъявляемым к их работе требованиям.

Оценка показателей пахотного МТА с УДМ в силовой передаче трактора класса 5 и системой автоматического переключения передач, параметры которых были установлены на основе теоретических исследований, проводилась с помощью контрольных смен (таблицы 2 и 3).

Таблица 2 - Эксплуатационные показатели пахотного агрегата на базе трактора класса 5 при различной чувствительности САПП

Показатели	Чувствительность системы, Гц
	0,05	0,10	0,125	0,25	0,40	0,50
Производительность серийного агрегата, га/ч	1,69
Удельный расход топлива, кг/га	14,8
Производительность агрегата с системой автоматического переключения передач, га/ч	1,79 1,85	1,80 1,86	1,80 1,85	17,7 1,82	1,72 1,71	1,62 1,60
Повышение производительности агрегата, %	6,0 10,0	6,5 10,1	6,5 10,0	5,3 7,8	2,0 1,5	-4,0 -5,0
Удельный расход топлива агрегата с системой автоматического переключения передач, кг/га	14,03 13,61	14,01 13,60	14,00 13,61	14,12 13,75	14,60 14.44	15,41 15,81
Снижение расхода топлива, %	5,0 8,0	5,3 8,1	5,4 8,0	4,6 7,2	1,3 2,4	-4,2 -6,9

Примечание: в числителе - данные для агрегата без УДМ, в знаменателе - с УДМ в трансмиссии трактора

На основе анализа полученных результатов экспериментальным путём было установлено, что максимальная производительность пахотного агрегата с УДМ в силовой передаче трактора при минимальном удельном расходе топлива обеспечивается при чувствительности САПП в пределах / = 0,100-0,125 Гц.

При других настройках САПП эксплуатационные показатели МТА существенно ниже в связи с тем, что при чувствительности САПП / > 0,125 увеличивается частота переключений передач, что приводит к уменьшению средней рабочей скорости МТА, а при / <0,100 существенно недоиспользуется тяговая мощность трактора.

Таблица 3 - Показатели испытаний пахотных агрегатов на базе трактора-макета класса 5 с различными вариантами переключения передач

Показатели	Агрегат
	серийный	с автоматическим переключением передач
		без УДМ	с УДМ
Производительность агрегата, га/ч	1,69	1,80	1,86
Рост производительности, %	-	6,52	10,06
Расход горючего, кг/га	14,8	14,0	13,60
Снижение расхода топлива, %	-	5,4	8,11
Количество переключений в час	16	38	32
Время работы на каждой передаче по отношению к чистому времени, % передача 1	1	1	1
передача 2	12	6	5
передача 3	74	35	33
передача 4	13	58	61
Снижение динамичности изменения крутящего момента двигателя, %	—	12	31

Анализ результатов, полученных при аналитических и экспериментальных исследованиях, позволяет сделать следующие выводы:

• -    переменный низкочастотный (менее 1 Гц) характер крюкового усилия вызывает снижение производительности сельскохозяйственного агрегата на 6-12% при росте удельного расхода топлива на 3-6%;

• -    улучшить эксплуатационные показатели МТА можно с помощью рационального подбора рабочей передачи трактора;

• -    установлено, что при частоте колебаний крюкового усилия менее 0,125 Гц рациональное маневрирование передачами обеспечивает улучшение эксплуатационных показателей МТА на базе трактора класса 5, а переключение передач при колебаниях крюкового усилия с частотой более 0,125 Гц - наоборот ухудшает;

• -    доказано, что при использовании САПП производительность пахотного МТА с трактором-макетом класса 5 выше на 10,6%, а удельный расход топлива на 8,1% ниже по сравнению с серийным вариантом, так как он работает больше по времени на высших передачах.

Из вышеизложенного следует, что по эксплуатационным показателям пахотный МТА на базе трактора-макета класса 5, оборудованного УДМ и САПП, превосходит серийный агрегат.