Влияние упругодемпфирующего механизма на показатели пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4

Введение, Методики расчёта сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов (МТА) основаны на применении тяговых характеристик трактора, полученные при его испытаниях [1, 5].

Однако природно-климатические, конструктивные и эксплуатационные факторы вызывают значительные колебания тяговой нагрузки и момента сопротивления самопередвижению трактора даже на не большом участке поля. Степень неравномерности тягового сопротивления достигает 0,3-0,4 при частоте колебаний 0,5-5,0 Гц [3, 7], что приводит к снижению показателей функционирования агрегата, таких как производительность и экономичность. А это вызывает необходимость поиска способов и методов улучшения показателей функционирования сельскохозяй- ственных машинно-тракторных агрегатов [1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 и др.].

Многие исследователи доказали возможность повышения эффективности работы машинно-тракторных агрегатов путём введения упругих элементовв его звенья [2, 3, 4, 6,7 и др ]. Так, например, установка упругого элемента в сцепное устройство уменьшает амплитуду колебаний тягового усилия на 4-6%, а применение упругих элементов на полуосях ведущих колёс снижает колебания моментов на 30-40% и затраты энергии на передвижение МТА на 10-15%, что позволяет существенно повысить производительность [7].

Однако следует отметить, что предлагаемые упругие элементы не оказывают существенного влияния на повышение эффективности машинно-тракторных агрегатов при различных сельскохозяйственных операциях, так как они имеют линейную характеристику и изменяют жёсткость трансмиссии в незначительных пределах [3].

На кафедре тракторов и автомобилей Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» разработан упругодемпфирующий механизм для установки в трансмиссию трактора (рисунок 1), который имеет переменную жёсткость, изменяющуюся в широких пределах [2, 3,4, 6].

• 1    - планетарный редуктор; 2 - коронная шестерня; 3 - солнечная шестерня; 4 - шестерня привода масляного насоса; 5 - масляный насос; 6 - подвижные грузы для изменения момента инерции;

• 7    - привод регулятора положения грузов; 8 - регулятор положения грузов; 9 - всасывающий канал; К) - нагнетательный канал; 11 - вал водила (первичный вал КПП); 12 - КПП; 13 - муфта сцепления; 14 - двигатель; 15 - регулируемый дроссель; 16 - вход в дросселю

• 17    - предохранительный клапан; 18 - кран управления; 19 - демпферный клапан; 20 - гидробак;

21 - сжатый воздух; 22 - пневмогидроаккумулятор і 23 - подвижный поршень

Рисунок 1 - Принципиальная схема упругодемпфирующего механизма в трансмиссии трактора

Целью экспериментальных исследований пахотного машинно-тракторного агрегата является изучение влияния параметров упругодемпфирующего механизма, установленного в трансмиссии трактора, на показатели работы агрегата, сравнение этих параметров с аналогичными характеристиками серийного МТА.

Методика исследований. Исследования проводились с использованием раз работанной во СКНИИМЭСХ (г. Зерноград) системы автоматического накопления и обработки метрологической информации мобильного исполнения (САНО).

Эксплуатационную оценку показателей функционирования пахотных агрегатов (серийного и агрегата с упругодемпфиру-ющим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4) проходили на полях учебноопытного фермерского хозяйства Азово-

Черноморского института ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде. При проведении сравнительных испытаний использовался в качестве серийного (эталонного) тот же самый машинно-тракторный агрегат с заблокированным упругодемпфирующим механизмом.

Для качественной оценки эффективности установки упругодемпфирующего механизма в трансмиссии трактора класса 1,4 в составе пахотного машинно- тракторного агрегата был проведен корреляционно-спектральный анализ [3, 1 1].

Результаты исследований и их обсуждение. Нормированная автокорреляционная функция реализации крутящего момента колеса (рисунок 2 а) показывает, что время спада функции у серийного агрегата больше на 20%, чем у экспериментального агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии.

Рисунок 2 - Нормированная автокорреляционная функция («) и спектральная плотность (б) изменения крутящего момента колеса

На графике спектральных плотностей Sm(cv) (рисунок 2 б) видно, что количество преобладающих частот у серийного и опытного агрегатов одинаковое: для МТА с упругодемпфирующим механизмом - ОД с'¹ и 2 с'¹, для серийного - 0,1 с'¹ и 3 с"¹.

В диапазоне от 0 до 1 с"1 наблюдается идентичный характер поведения спектральных плотностей для серийного и опытного агрегатов.

Частота среза как в агрегате с упругодемпфирующим механизмом, так и без него, имеет примерно одинаковое значение и составляет ос - 4 с"1. Однако для серийного МТ А предел изменения преобладающих частот уже по сравнению с опытным, что свидетельствует о возможности лучшей адаптации к внешним факторам.

Нормированная автокорреляционная функция реализации тягового сопротивле ния (рисунок 3 а) показывает, что для агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 она убывает медленнее и не достигает нулевых значений, что говорит о более плавном процессе.

КД

Рисунок 3 - Нормированная автокорреляционная функция (л) и спектральная плотность (б) изменения тягового сопротивления

Г рафик спектральных плотностей Sm(cv) (рисунок 3 б) показывает, что у серийного агрегата имеется одна преобладающая частота, равная 0,1 с"¹. Для опытного агрегата количество преобладающих частот две: 0,1 с'¹ и 2 с'¹. В диапазоне от 0 до

1 с'1 наблюдается сходный характер поведения спектральных плотностей. Для серийного агрегата более ярко выражены периодические составляющие, что свидетельствует о его незащищенности от колебаний внешней тяговой нагрузки.

На основе полученных результатов экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что установка разработанного упругодемпфирующего механизма в трансмиссию трактора класса 1,4 позволяет уменьшить колебания внешней нагрузки и ослабить влияние внешних факторов на двигатель.

С упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора математические ожидания (таблица 1) возрастают: угловой скорости вала двигателя на 11,2% и поступательной скорости МТА на 22,4% при снижении колебаний этих величин относительно их средних значений (для угловой скорости вала двигателя - на 21,7%, для скорости трактора - на 20,7%).

Таблица 1 - Математическое ожидание и среднеквадратические отклонения показателей движения МТА на пахоте

Показатели	Параметры	Варианты агрегата
		серийный	с У ДМ в трансмиссии
Математическое	, кН	11,90	13,73
ожидание	^ , с"1	210,6	234,2
	У , км/ч	4,92	6,02
Среднеквадратическое	- кН	1,8	1,4
отклонение	^ , с"1	8,3	6,5
	V , м/с	0,29	0,23

Такое влияние упругодемпфирующего механизма объясняется следующим:

• -    сопротивление тяговой нагрузки является для МТА внутренней силой, значение которой определяется воздействием почвы на рабочие органы плуга и взаимодействием всех звеньев агрегата через упругодемпфирующие связи;

• -    установка упругодемпфирующего механизма в трансмиссии трактора класса 1,4 способствует созданию более благоприятных условий для формирования характера нагрузки на узлы трактора при различных режимах движения пахотного агрегата.

Вследствие этого снижаются нагрузка на двигатель и буксование ведущих колёс трактора, поэтому скорость движения машинно-тракторного агрегата возрастает.

Анализ результатов экспериментальных исследований, проведённых для агротехнической оценки качества работы агрегатов (таблица 2), показывает, что глубина пахоты агрегата на базе трактора класса 1,4 с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии более стабильна.

Так, коэффициент вариации выше упомянутого показателя для пахотного аг регата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 при различной глубине пахоты составил 4,9-5,8%, а для серийного - 8,4-12%.

Коэффициент вариации глубины пахоты для агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 в сравнении с серийным агрегатом меньше в 1,44-2,45 раза.

Кроме того, у агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 наблюдается улучшение качества обработки: улучшаются заделка растительных остатков, подрезание и оборот пласта - слитный.

По устойчивости ширины захвата агрегат с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 имеет также показатели выше в 1,3-2,4 раза: среднеквадратическое отклонение ширины пахоты агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии составило 0,95-1,51 см, а для серийного - 1,98-2,28 см.

Продольные профилограммы пахоты (таблица 2) показывают, что агрегат с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора делает дно борозды более ровным, т.е. меньше копирует неровности поля.

О выровненности дна борозды судят по математическому ожиданию отклонения А/? высоты микронеровностей от услов ной средней линии профиля дна борозды. Дно считается ровнее у той борозды, для которой значение АЛ меньше [6].

Таблица 2 - Сравнительные данные лабораторно-полевых испытаний серийного и экспериментального пахотных агрегатов на базе трактора класса 1,4

Тип агрегата	Передача	Устойчивость глубины пахоты			Устойчивость ширины захвата			см	АУУ см	А. см
		М. см	О'. СМ	г.	М. см	см	V .
Глубина обработки 20... 22 см
Экс пери м с нта л ьны й	V	20,8	1,02	4,9	106	1,38	1.3	2.8	3,1	-0.3
Экспериментальный	IV	21.1	1.22	5.8	106	1.51	1.4	3,4	4,5	-1,1
Серийный (с ГСВ)	IV	20.2	1.91	8.4	107	1.98	1.9	5,6	4.2	1.4
Серийный (без ГСВ)	IV	20,1	2.51	12,4	103	2,75	2,6	4,4	3.4	1,0
Глубина обработки 25-27 см
Экспериментальный	V	26.0	1.30	5.0	105	0.95	0,9	3.0	4,7	-1.7
Экс пери м с нта л ьны й	IV	26.7	1.39	5,2	106	1,17	1,1	3.5	5,0	-1,5
Серийный (с ГСВ)	IV	25.0	1.88	7.5	106	2.27	2.1	5,5	3,3	2.2
Серийный (без ГСВ)	IV	25,7	2,11	8.2	105	2.28	2.2	4,8	3.1	1.7

Примечание: М - математическое ожидание случайной величины;

ст - среднеквадратическое отклонение;

v - коэффициент вариации;

АЛ^ - среднее значение отклонения высоты микронеровностей от условной средней линии для профиля дна борозды;

АЛ" - среднее значение отклонения высоты микронеровностей от условной средней линии для профиля поверхности поля;

А - разница отклонений профилей дна борозды и поверхности поля.

Показателем степени выровненности профиля дна борозды относительно поверхности поля является разница отклонений А профилей дна борозды и поверхности поля (таблица 2) [6]:

А = № - № , ср        ср ¹

где АЛ^ - среднее значение отклонения высоты микронеровностей от условной средней линии для профиля дна борозды;

^Ь” - среднее значение отклонения высоты микронеровностей от условной средней линии профиля поверхности поля.

Если среднее значение отклонения высоты микронеровностей дна борозды от условной средней линии меньше среднего значения отклонения высоты микронеровностей поверхности поля, дно борозды и поверхность пашни считаются сравнительно выравнены.

Как показали результаты сравнительных испытаний, отклонения неровностей профиля дна борозды от условной средней линии при работе пахотного агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора были значительно меньше, чем при работе серийного пахотного агрегата. Разница отклонений А профилей дна борозды и поверхности поля А для агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора был меньше нуля: экспериментальный агрегат выравнивает пашню. Разница отклонений А профилей дна борозды и поверхности поля Ду серийного агрегата больше нуля: он делает её более гребнистой, а это вызы- вает необходимость дополнительных операций по выравниванию вспаханного поля.

Такие результаты исследований можно объяснить тем, что у пахотного агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора отклонения тяговой нагрузки от среднего значения меньше, чем у серийного агрегата. Этим же объясняется, что агрегат с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора совершал операцию вспашки на более высоких скоростях и, соответственно, с большей производительностью (таблица 3).

Таблица 3 - Результаты лабораторно-полевых испытаний серийного и экспериментального пахотных агрегатов

Тип агрегата	Передача	Рабочая скорость, км/ч	Буксование, %	Производительность, га/ч	Расход топлива, кг/га
Глубина обработки 20-22 см
Экспериментальный	V	6,0	10,9	0,64	13,4
Экспериментальный	IV	5,4	10,4	0,57	14,0
Серийный (с ГСВ)	IV	4,9	14,8	0,52	15,8
Серийный (без ГСВ)	IV	4,2	26,5	0,43	19,1
Глубина обработки 25-27 см
Экспериментальный	V	5,2	13,8	0,55	15,6
Экспериментальный	IV	4,8	15,5	0,52	16,9
Серийный (с ГСВ)	IV	4,5	23,5	0,47	18,3
Серийный (без ГСВ)	IV	3,4	38,6	0,36	24,8

Выводы. Анализ испытаний показал

Увеличение производительности ма- следующее:

• -    производительность серийного агрегата при выполнении пахоты глубиной 20-22 см составила 0,43-0,52 га/ч (расход топлива 19,1-15,8 кг/га), при пахоте на глубину 25-27 см - 0,36-0,47 га/ч (расход топлива 24,8-18,3 кг/га);

• -    производительность агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора при выполнении пахоты глубиной 20-22 см составила 0,57-0,64 га/ч (расход топлива 13,4-14,0 кг/га), при пахоте на глубину 25-27 см — 0,52-0,55 га/ч (расход топлива 15,6-16,9 кг/га).

Сравнительные испытания машинно-тракторных агрегатов показали, что производительность агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 при пахоте на различную глубину повысилась на 9,6% и более в сравнении с серийным агрегатом при снижении расхода топлива свыше 7,6%.

шинно-тракторного агрегата с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 при выполнении пахоты объясняется большей загрузкой двигателя (уменьшается влияние колебаний внешней нагрузки), увеличением скорости движения (при стабилизации её средней величины) и уменьшением буксования ведущих колёс.

Таким образом, установка упруго-демпфирующего механизма в трансмиссию трактора снижает влияние колебаний внешней нагрузки на эксплуатационные и агротехнологические показатели пахотного машинно-тракторного агрегата: повышается производительность и улучшается качество выполнения технологической операции.