Результаты исследования процесса разгона МТА с различными механизмами включения трансмиссии трактора класса 5

Введение. Для обеспечения продовольственной безопасности страны и конкурентоспособности сельскохозяйственного производства требуется снижение себестоимости продукции, главным фактором которого является увеличение производительности машинно-тракторных агрегатов (МТА). Одним из на- правлений повышения эффективности сельского хозяйства является формирование агрегатов для проведения различных операций на базе скоростных энергонасыщенных тракторов [1, 2, 3, 4]. Однако при повышении скоростей движения МТА возникают значительные динамические нагрузки в элементах тракторов и агрегатируемых с ними сельскохозяйственных машин, что оказывает существенное влияние на показатели разгона [3, 4, 5]. Это обстоятельство заставляет исследователя и конструктора искать другие способы включения трансмиссии при разгоне агрегата. Анализ выполненных исследований показывают, что на показатели процесса разгона МТА оказывают значительное влияние жёсткостные и демпфирующие свойства трансмиссии трактора.

Методы исследований. Существуют различные устройства, которые обеспечивают повышение податливости и демпфирующих свойств силовых передач и внешних связей энергетического средства, но они неспособны изменять жёсткость в значительных пределах [3, 6 и др.].

Конструкция упругодемпфирующего механизма (УДМ) (рисунок 1), разработанная нами [7, 8], вышеуказанных недостатков не имеет.

Разработанный нами УДМ может обеспечивать включение трансмиссии мобильного энергетического средства для осуществления плавного разгона МТА на заданной передаче двумя основными способами [7, 8].

Первый способ заключается в том, что УДМ включается одновременно с включением фрикционной муфты сцепления, существенно снижая жёсткость трансмиссии.

При трогании МТА этим способом при закрытом кране управления 18 включается передача в коробке передач и отпускается педаль слива. Момент трения фрикциона включённой или муфты сцепления передачи постепенно увеличивается, так как начинает вращаться солнечная шестерня 3, привод 4 и масляный насос 5, нагнетая рабочую жидкость в пневмогидроаккумулятор 22. Давление воздуха и рабочей жидкости в пневмогидроаккумуляторе нарастает по политропе, а поэтому момент М в на ведущем валу силовой передачи трактора растёт по зависимости [7, 8 и др.]:

n

М в = Vh • Р 0 •	1	ро   ! пр i np • ( i ро - 1 )
	V 1 -     • п сум ■ П н (     V 0            J

где V H – рабочий объём насоса;

P 1 , P o – текущее значение давления воздуха и в начале сжатия соответственно;

V o – первоначальный объём камеры сжатия пневмогидроаккумулятора;

n сум – суммарное число оборотов ведущей шестерни масляного насоса;

η н – коэффициент полезной подачи рабочей жидкости насосом;

i ро , η пр – соответственно, передаточное число (конечное) и КПД привода насоса УДМ;

i пр – передаточное число привода насоса упруго-демпфирующего механизма.

Анализ уравнения (1) показывает, что ведущий момент на водиле М в в начальный период трогания агрегата растёт плавно. Так как момент сопротивления на ведущем валу коробки передач значительный, агрегат стоит на месте пока момент сопротивления вращению на водиле больше, чем солнечной шестерне. Движение МТА начинается в тот момент, когда приведенный момент сопротивления движению агрегата становится равным моменту на ведущем валу силовой передачи трактора. Меняя величину проходного сечения дросселя 15, можно регулировать темп роста ведущего момента [7, 8, 9].

В конце трогания (первая фаза разгона) происходит резкое увеличение ведущего момента, поэтому во избежание динамических перегрузок в трансмиссии трактора установлен предохранительный клапан 17. В первой фазе разгона агрегата работа трения дисков фрикциона и работа УДМ в форме работы насоса в сумме представляют ту работу, которая необходима для трогания трактора и агрегата. Эта работа превра- щается в тепло на рабочих дисках фрикционной муфты сцепления и тепло, идущее на нагрев рабочей жидкости, которое нагнетает насос в пневмогидроаккумулятор и на сброс через предохранительный клапан.

Во второй фазе разгона ведущий момент постепенно снижается до значения приведённого момента сопротивления движению агрегата. В этот период вал гидравлического насоса УДМ останавливается (режим работы «Стоп»). На установившемся режиме движения МТА после окончания разгона силовая передача трактора с УДМ не отличается от серийной трансмиссии энергетического средства.

При втором способе УДМ используется как муфта включения трансмиссии и как податливое звено одновременно при замкнутом фрикционе соответствующей передачи коробки трактора [7, 8, 9].

В начале разгона агрегата при выключенной передаче и работающем двигателе кран управления 18 закрыт, ведущая шестерня гидравлического насоса 5 не вращается. При нажатии на педаль управления УДМ открывается кран управления 18, и сливная магистраль гидравлического насоса и гидравлический насос 5 начинает свободно вращаться, перекачивая рабочую жидкость в бак 20. Двигателю задаётся определённая частота вращения коленчатого вала, включается передача и отпускается педаль управления УДМ. При этом закрывается сливная магистраль, и гидравлический насос нагнетает рабочую жидкость в пневмогидроаккумулятор, преодолевая давление воздуха в нём. Так как давление в пневмогидроаккумуляторе нарастает по закону политропы, моменты на валах насоса и водила нарастают плавно, что вызывает постепенное раскручивание ведущего вала силовой пе- редачи трактора и плавное трогание агрегата. В первый момент процесса трогания гидравлический насос замедляет своё вращение медленно по мере сжатия воздуха в пневмогидроаккумуляторе. В конце давление, вызванное сжатием воздуха, резко вырастает, вследствие чего частота вращения вала насоса резко уменьшается, вплоть до полной его остановки. То есть в начале трогания МТА УДМ работает с переменным передаточным числом планетарного редуктора, так как при этом идёт так называемое «скольжение» податливого звена. При остановке насоса (режим «Стоп») передаточное число планетарного редуктора становится постоянным, и начинается вторая фаза разгона МТА аналогично агрегату с серийным трактором.

1 – редуктор планетарный; 2 – шестерня коронная; 3 – шестерня солнечная; 4 – шестерня привода масляного насоса;

5 – насос масляный; 6 – грузы подвижные; 7 – сателлиты; 8 – регулятор положения грузов; 9 – канал всасывающий;

10 – канал нагнетательный; 11 – вал водила; 12 – коробка передач; 13 – муфта сцепления; 14 – двигатель;

15 – дроссель регулируемый; 16 – входной канал в дроссель; 17 – клапан предохранительный; 18 – кран управления;

19 – клапан демпферный; 20 – бак гидравлический; 21 – воздух сжатый; 22 – пневмогидроаккумулятор;

23 – поршень подвижный

Рисунок 1 – Принципиальная схема УДМ в силовой передаче трактора

Ведущий момент на валу водила М в за период «скольжения» элементов планетарного редуктора УДМ определится как [7, 8]

М = - М

в 2       ¹

• i po

i                            i

+ M • -^°- - m.■

T i - 1       ^jц i - 1

po               po     J

где М 1 – суммарный момент двигателя;

М Т – тормозной момент на валу насоса, приведённый к оси солнечной шестерни;

М jц – момент инерции вращающихся масс УДМ, приведённых к солнечной шестерне.

Сравнивая способы включения трансмиссии трактора с помощью УДМ, можно сделать вывод, что при одном и том же моменте двигателя тормозной момент при втором способе больше, чем при первом [7, 8, 9].

Работа, которую совершает УДМ при разгоне в первой фазе, когда насос нагнетает рабочую жидкость в пневмогидроаккумулятор, переходит в тепло нагрева рабочей жидкости, находящуюся в баке, при разрядке пневмогидроаккумулятора.

Таким образом, при работе УДМ вторым способом вся работа совершается в механизме передачи, а не в муфте сцепления или фрикционе.

Результаты исследований. На основании выполненной программы экспериментальных исследований нами приведены результаты процесса разгона серийного агрегата на базе трактора класса 5 с помощью муфты сцепления и экспериментального с УДМ.

Показатели этих процессов, полученные из диаграмм разгона (рисунок 2), представлены в таблице по различным категориям, которые и положены в основу анализа.

▬▬▬ – 1-й способ; ▬ ▬ ▬ – 2-й способ

1, 2, 4 – частоты вращения соответственно коленчатого вала двигателя, первичного вала трансмиссии и водила;

3 – приведённый упругий момент в трансмиссии

Рисунок 2 – Диаграммы разгона МТА на базе трактора класса 5 с серийной ( а ) и опытной ( б ) трансмиссиями (1-я передача IV режима)

В подфазе натяга системы происходит первое возрастание ведущего момента, в результате которого выбираются зазоры во внутренних и внешних связях трактора и происходит первое упругое натяжение их. По времени этот процесс характеризуется величиной t o . Как видно из табличных данных (таблица), время натяга t o возрастает на холостом ходу для второго способа включения трансмиссии с помощью УДМ. В остальных случаях включения оно остаётся постоянным и в среднем равным 0,50 с. При увеличении времени t o для второго способа включения трансмиссии с помощью УДМ процесс трогания является более плавным в начале движения по сравнению с остальными случаями трогания.

Время первой фазы разгона Т1 возрастает при трогании с помощью УДМ обоими способами в 1,4–2,0 раза по сравнению с помощью муфты сцепления, где большие значения соответствуют высшим передачам. Как следует из данных таблицы, это время составляет от общего времени разгона 70–91%, в то время как для серийного трогания оно составляет 43–61%. Время первой фазы также является показателем плавности движения на этой стадии разгона, которая увеличивается при трогании с помощью УДМ. Время второй фазы с ростом загрузки двигателя возрастает. Но оно при трогании с помощью УДМ уменьшается в 2–3 раза по сравнению с обычным разгоном агрегата.

Общее время разгона Т р практически остаётся постоянным для всех способов включения трансмиссии. Первая фаза при использовании УДМ по времени возрастает. Данные таблицы свидетельствуют о том, что при первом способе включения трансмиссии с помощью УДМ продолжительность трогания на 12% больше, чем при серийном варианте. Поэтому при первом способе включения трансмиссии с помощью УДМ разгон в основном становится однофазным, более плавным, равномерным и устойчивым.

Оценку разработанного УДМ для установки в силовую передачу трактора по степени уменьшения угловой скорости вала двигателя, движителей и изменению их угловых ускорений позволяют сделать значения абсолютных и относительных кинематических показателей разгона МТА (см. таблицу).

Показатели разгона транспортного агрегата с трактором класса 5 на бетоне

Показатели	Трогание серийное		Трогание с УДМ
			1-й способ		2-й способ
	пе		редачи IV режима
	1	2	1	2	1	2
Продолжительность подфазы натяга, t o , с	0,55	0,30	0,60	0,45	0,40	0,30
Продолжительность первой фазы разгона, Т 1 , с	4,30	4,30	6,00	7,80	4,90	7,50
Продолжительность второй фазы разгона, Т 2 , с	2,70	5,60	1,60	3,00	0,50	2,40
Общее время разгона Т р , с	7,00	9,90	7,70	10,80	5,40	9,90
Минимальная угловая скорость коленчатого вала двигателя в конце первой фазы ω min , рад/с	159	143	175	149	151	132
Минимальная относительная угловая скорость коленчатого вала двигателя α min	0,82	0,74	0,90	0,77	0,78	0,68
Угловое ускорение коленчатого вала двигателя ω д , рад/с2	22,5 17,50	15,2 8,07	4,3 3,90	11,3 5,90	32,4 13,80	24,5 10,40
Угловое ускорение коленчатого вала двигателя во второй фазе ω р , рад/с2	18,30	8,22	5,00	5,70	6,70	4,20
Максимальный коэффициент динамичности в период натяга (в первой подфазе) К max o	0,64	0,66	0,64	0,56	0,82	1,12
Максимальный коэффициент динамичности в первой фазе разгона агрегата К max 1	1,01	1,27	0,86	1,02	1,25	1,25
Степень загрузки двигателя на установившемся режиме χ	0,40	0,48	0,40	0,55	0,36	0,52
Полезная работа механизма включения: L noл , кДж L noл. уд. , кДж/с	215,7 50,2	236,2 54,9	356,4 59,3	507,5 65,0	321,9 65,7	574,4 76,7
Условная потерянная работа: L тр , кДж L тр. уд. , кДж/с	251,1 58,3	431,5 100,3	317,8 53,0	427,2 54,9	234,5 47,9	407,8 54,4
Работа трения фрикциона: L тр. фр. , кДж L тр. фр.уд. , кДж/с	251,1 58,4	431,5 100,3	264,7 44,1	216,2 27,7	0 0	0 0
Коэффициент полезного действия η	0,462	0,354	0,529	0,543	0,579	0,585

Анализ данных исследований показывает, что относительная угловая скорость коленчатого вала двигателя α min при трогании имеет наибольшее значение для разгона агрегата с помощью УДМ первым способом, для которого α min = 0,77–0,90 вместо α min = 0,74– 0,82 при трогании на фрикционной муфте сцепления. При включении силовой передачи с помощью муфты сцепления и УДМ (первый способ) частота вращения коленчатого вала двигателя сохраняет практически постоянное значение, что говорит об улучшении условий функционирования двигателя [9, 10, 11, 12].

В таблице угловые ускорения вала двигателя ωд в первой фазе разгона приведены в виде дроби: положительные значения углового ускорения коленчатого вала ωд в знаменателе указывают на работу в разгрузочном режиме двигателя, отрицательные в числителе – при его загрузке. Угловые ускорения вала ωд при трогании только с помощью УДМ (второй способ) имеют самые большие значения, то есть в первой фазе разгона торможение масляного насоса вместе с его приводом обеспечивает дополнительную загрузку двигателя, что вызывает снижение его оборотов. Бо- лее низкие значения углового ускорения коленчатого вала двигателя ωд при первом способе включения трансмиссии свидетельствуют о значительной плавности процесса разгона МТА в первой фазе, а также о большой равномерности приложения нагрузки к двигателю.

Угловое ускорение вала двигателя ω р в окончательной фазе разгона МТА для обоих случаев включения силовой передачи с применением УДМ значительно меньше, чем при разгоне серийного агрегата.

Максимальный коэффициент динамичности в период натяга системы имеет для всех механизмов включения трансмиссии, кроме УДМ вторым способом, практически постоянное значение (Кmax o= 0,56–0,66). Возрастание этого показателя при трогании с помощью УДМ вторым способом (Кmax o = 0,82–1,12) объясняется резкой остановкой масляного насоса при натяге системы, когда появляется момент инерции вращающихся масс планетарного редуктора и привода гидронасоса, обуславливающий возрастание ведущего момента в этот переходный период разгона агрегата. Максимальный коэффициент динамичности при трогании для всех способов включения трансмиссии, кроме первого способа с помощью УДМ, колеблется в пределах Кmax 1 =1,01–1,27. При включении трансмиссии с помощью УДМ первым способом максимальный коэффициент динамичности гораздо ниже (Кmax 1 =0,86–1,02), что свидетельствует о плавности процесса разгона в первой фазе [9, 12]. Возмущение ведущего момента в первой фазе появляется в результате переходных процессов в конце первой фазы при замыкании фрикционной муфты или остановке насоса УДМ, в результате которых происходит резкое возрастание момента ударного характера. При включении трансмиссии с помощью УДМ первым способом возмущения ведущего момента снижаются и практически можно считать, что ведущий момент имеет постоянное значение. Такое протекание ведущего момента можно считать самым благоприятным для двигателя и трансмиссии [10, 11, 12].

Закономерности изменения крутящего момента двигателя в первой фазе разгона серийного МТА и агрегата с УДМ в трансмиссии трактора имеют значительные отличия. Наиболее благоприятное протекание кривой крутящего момента двигателя при трогании МТА с помощью УДМ первым способом, так как при разгоне агрегата не имеется наличие пикообразного его участка, что свидетельствует об отсутствии высоких динамических нагрузок и создании хороших условий функционирования двигателя и силовой передачи трактора.

При трогании МТА с помощью УДМ первым способом работа трения рабочих дисков фрикциона уменьшается в отдельных случаях в два раза, а по сравнению с суммарной потерянной энергией УДМ она уменьшается на 17–50% по абсолютной величине и на 25–72% по удельному значению. При трогании МТА с помощью только УДМ работа трения, выделяющаяся на рабочих поверхностях дисков фрикционной муфты сцепления, равна нулю. Как показывает анализ данных таблицы, более плавный процесс разгона МТА при трогании с помощью УДМ в то же время характеризуется в отдельных случаях большей величиной работы трения, чем у серийного агрегата. Но полезная работа, а также удельные показатели (в том числе и КПД) больше во всех случаях трогания с использованием УДМ.

Выводы

Обобщая результаты исследований, сделаем выводы, которые отражают качество УДМ как механизма включения трансмиссии трактора при разгоне агрегата:

– при разгоне МТА с УДМ в трансмиссии трактора уменьшается относительное время подфазы натяга системы на 14–43%, увеличивается относительное время первой фазы на 18–77%, уменьшается угловое ускорение двигателя на первом этапе первой фазы при включении трансмиссии первым способом на 13–90% (большие значения соответствуют второму способу включения трансмиссии);

– повышается минимальная частота вращения коленчатого вала на 4–11%, что свидетельствует о меньшей перегрузке двигателя в первой фазе разгона агрегата;

– улучшаются динамические показатели: уменьшается среднее значение ведущего момента на 7–27%, снижается значение максимального момента на 15–20%;

– энергетические показатели разгона МТА с помощью УДМ явно превосходят показатели серийного трогания: увеличивается удельная полезная работа механизма включения трансмиссии на 18–40%, уменьшается удельная суммарная работа трения по сравнению с работой трения фрикциона на 10–45%, снижается удельная работа трения дисков фрикциона на 27–72% при включении трансмиссии первым способом и увеличивается КПД на 15–17%.