Кравченко, Владимир Алексеевич. Повышение эффективности функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов на базе колёсных тракторов

brief description

Кравченко, Владимир Алексеевич. Повышение эффективности функционирования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов на базе колёсных тракторов : диссертация ... доктора технических наук : 05.20.01 / Кравченко Владимир Алексеевич; [Место защиты: Азово-Черноморс. гос. агроинженер. акад.].- Зерноград, 2012.- 437 с.: ил. РГБ ОД, 71 13-5/421

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ"
В.А. Кравченко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ
АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ КОЛЁСНЫХ ТРАКТОРОВ
05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант - доктор технических наук
профессор И.Н. Краснов
Зерноград
Содержание
Введение 6
1. Состояние проблемы повышения показателей работы
сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов 13
1.1. Обзор и анализ функциональных схем
машинно-тракторных агрегатов 13
1.2. Классификация машинно-тракторных агрегатов сельскохозяйственного назначения
и их эксплуатационных свойств 18
1.3. Анализ исследований параметров
и условий функционирования сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата 23
1.3.1. Основные особенности разгона
машинно-тракторного агрегата 23
1.3.2. Влияние колебаний нагрузки на показатели
сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов 38
1.3.3. Экологические проблемы использования энергонасыщенных тракторов
в сельскохозяйственном производстве 50
1.4. Основные направления совершенствования
машинно-тракторных агрегатов на механизированных сельскохозяйственных процессах 56
1.5. Цель и задачи исследований 65
2. Разработка математической модели функционирования
сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов 70
2.1. Уравнения движения звеньев динамической модели
серийного машинно-тракторного агрегата 70
2.1.1. Математическая модель двигателя 72
2.1.2. Математическая модель муфты сцепления 73
2.1.3. Математическая модель силовой передачи 76
2.1.4. Уравнение движения ведущего колеса 76
2.1.5. Математическая модель остова трактора
и внешней нагрузки 78
2.1.6. Система дифференциальных уравнений движения
агрегата с серийной трансмиссией трактора 81
2.1.7. Расчёт топливной экономичности
машинно-тракторных агрегатов 83
2.2. Методика решения дифференциальных уравнений
движения МТА 84
3. Аналитические исследования показателей функционирования
машинно-тракторных агрегатов 87
3.1. Влияние дополнительных «инерционных масс двигателя»
на показатели разгона машинно-тракторного агрегата 87
з
3.2. Влияние дополнительной «инерционной массы»
на показатели поэтапного разгона агрегата 90
3.3. Влияние «инерционной массы» двигателя на показатели
функционирования машинно-тракторного агрегата 95
3.4. Теоретические исследования показателей функцонирования
МТА при выполнении сельскохозяйственных работ 98
3.5. Влияние упруго демпфирующего механизма в трансмиссии трактора на функционирование машинно-тракторного агрегата... 107
3.5.1. Описание схемы и работы
упругодемпфирующего механизма 107
3.5.2. Математическая модель машинно-тракторного агрегата
с упруго демпфирующим механизмом в трансмиссии трактора. 112
3.5.3. Анализ показателей разгона машинно-тракторного агрегата с упругодемпфирующим механизмом
в трансмиссии трактора класса 5 119
Выводы 135
4. Повышение показателей функционирования
машинно-тракторных агрегатов путём оптимизации характеристик колёсных движителей 138
4.1. Современный научный подход к обоснованию
конструктивных параметров сельскохозяйственных шин 138
4.2. Методика рационального планирования
при испытаниях тракторных шин 140
4.3. Обоснование оптимальных параметров
пневматических шин сельскохозяйственных тракторов 148
4.4. Моделирование тракторных шин методом подобия 156
4.4.1. Моделирование тяговых свойств шин 156
4.4.2. Моделирование упругих свойств шин 157
4.4.3. Результаты моделирования шин для тракторов класса 1,4...158
4.4.4. Результаты теоретических исследований
шин тракторов класса 1,4 160
Выводы 164
5. Методика экспериментальных исследований 166
5.1. Программа экспериментальных исследований 166
5.2. Объект исследований 167
5.3. Измерительный комплекс 172
5.4. Место проведения опытов 182
5.5. Устройства для измерения инерционных масс двигателя
и параметров трансмиссии 182
5.6. Установка для автоматического управления дополнительной
«инерционной вращающейся массой» двигателя 185
5.7. Методика определения моментов инерции
вращательных масс двигателя и движителей 191

5.8. Методика определения момента инерции
трансмиссии трактора 193
5.9. Разработка системы автоматического переключения передач... 194
5.9.1. Требования, предъявляемые к системе
автоматического переключения передач 194
5.9.2. Обоснование датчика загрузки двигателя 195
5.9.3. Устройство и работа системы
автоматического переключения передач 198
5.9.4. Определение оптимальных параметров
следящего устройства 206
5.9.5. Методические аспекты лабораторного обоснования параметров экспериментальной системы
автоматического переключения передач 209
5.10. Методика лабораторно-полевых исследований 219
5.10.1. Методика лабораторно-полевых исследований
агрегатов с переменной «инерционной массой» двигателя...220
5.10.2. Методика лабораторно-полевых исследований
на бетоне агрегатов с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора 222
5.10.3. Методика исследования влияния конструктивных факторов упругодемпфирующего механизма
в трансмиссии трактора на показатели работы
агрегата при имитационном эксперименте 224
5.11. Методика экспериментальных исследований
пневматических шин 225
5.11.1. Объект исследований 225
5.11.2. Описание конструктивной схемы
и измерительного комплекса «шинный тестер» 225
5.11.3. Методика исследований деформаций
пневматических шин 230
5.11.4. Методика тяговых испытаний пневматических шин 231
5.11.5. Методика определения площади контакта
пневматических шин 234
5.11.6. Методика оценки агроэкологических качеств
сравниваемых шин 235
5.11.7. Методика исследования микропрофиля поля 240
5.12. Стендовые испытания двигателя 241
5.13. Методика тяговых испытаний трактора 242
5.14. Методика экспериментальных исследований
показателей функционирования машинно-тракторного агрегата..244
5.15. Точность измерений 245
6. Результаты экспериментальных исследований 247
6.1. Сравнительный анализ теоретических
и экспериментальных исследований МТА 247
6.2. Влияние дополнительных «инерционных
вращающихся масс» двигателя на функционирование машинно-тракторного агрегата 251
6.2.1. Результаты экспериментальных исследований влияния дополнительной «инерционной массы» двигателя на разгон машинно-тракторного агрегата на базе трактора класса 1,4..251
6.2.2. Статистическая оценка выходных показателей культиваторного машинно-тракторного агрегата на базе трактора класса 1,4 с дополнительной
«инерционной массой» двигателя 260
6.2.3. Исследования влияния дополнительной «инерционной массы» двигателя
на агротехнические показатели работы
пахотного агрегата на базе трактора класса 1,4 263
6.3. Влияние упругодемпфирующего механизма
в трансмиссии трактора на показатели функционирования машинно-тракторных агрегатов 268
6.3.1. Анализ влияния объёма пневмогидроаккумулятора
на показатели разгона трактора класса 5 268
6.3.2. Определение оптимальной площади сечения дросселя упругодемпфирующего механизма
в трансмиссии трактора класса 5 272
6.3.3. Результаты исследований разгона транспортного машинно-тракторного агрегата
с упругодемпфирующим механизмом
в трансмиссии трактора класса 5 274
6.3.4. Результаты исследований машинно-тракторного агрегата
с упругодемпфирующим механизмом в трансмиссии трактора класса 1,4 при колебаниях тяговой нагрузки 283
6.4. Повышение показателей функционирования машинно-тракторных агрегатов путём
оптимизации характеристик колёсных движителей 299
6.4.1. Результаты сравнительных испытаний
серийных крупногабаритных шин тракторов класса 5 299
6.4.2. Оценка уровня воздействия движителей
тракторов класса 5 на почву 322
6.4.3. Результаты исследований шин тракторов класса 1,4 336
Выводы 348
7. Экономическая эффективность предлагаемых мероприятий
по повышению показателей функционирования
машинно-тракторных агрегатов 353
Общие выводы и предложения 357
Литература 360
Приложения 379

bibliography

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1. Основой методологии совершенствования показателей работы сель-скохозяйственного МТА является разработанная нами динамическая модель агрегата, учитывающая конструктивные параметры и эксплуатационные ре-жимы его нагружения. Составленные на её основе дифференциальные урав¬нения движения агрегата отражают с достаточной точностью реальные про¬цессы функционирования МТА и позволяют проводить теоретические иссле¬дования их (расхождение аналитических расчётов с результатами испытаний не превышает 6%, критерии Стьюдента и Фишера не превышают табличных значений, а коэффициент корреляции находится в пределах от 0,728 до 0,928 и показывает тесную связь сравниваемых результатов).
2. Одними из основных факторов, определяющих выходные показатели МТА, являются «инерционные вращающиеся массы» двигателя. Для тракто¬ра класса 1,4 оптимальной автоматически управляемой дополнительной «инерционной» вращающейся массой двигателя является 1,8...2,0 кг-м2, что по сравнению с серийным агрегатом при трогании и разгоне МТА уменьшает загрузку двигателя на 5...8%, общее время разгона на
35.. .40%, а при переключении передач под нагрузкой обеспечивает по-вышение скорости движения на 5%.
3. В реальных условиях работы культиваторного агрегата с колёс¬ным трактором класса 1,4 тяговая нагрузка на трактор, угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя и скорость движения агрегата представляют собой стационарные случайные функции. Увеличение «инерционной вращающейся массы» двигателя от 2,5 кг-м2 до 4,3 кг-м2 позволяет повысить среднее значение тяговой нагрузки на 5,7%, угло¬вой скорости вращения коленчатого вала двигателя на 4,2% и скорости движения агрегата на 4,7%, а амплитуды среднеквадратических откло¬нений этих показателей снижаются соответственно на 16,7%, 9,6% и 3,5% при смещении преобладающих в случайном процессе частот с
5,0. ..5,1 с'1 до 2,1...2,2 с’1, что уменьшает динамическую нагруженность трансмиссии.
4. На установившемся режиме движения агрегата с дополнитель¬ными «инерционными массами» двигателя тяговая нагрузка на трактор уменьшается на 4...6%, а загрузка его двигателя на 5...9%, скорость движения агрегата возрастает на 5...6% при снижении введённого нами показателя «прозрачности» трансмиссии на 25...30%.
5. Применение УДМ в трансмиссии трактора при разгоне МТА умень-шает работу трения муфты сцепления (фрикциона) на 22%, увеличивает уг-ловую скорость коленчатого вала двигателя на 10%, снижает динамические нагрузки в 1,2... 1,5 раза. При поэтапном разгоне агрегата на базе трактора класса 5 с УДМ в трансмиссии максимальное значение ведущего момента снижается в 1,1... 1,4 раза, а угловая скорость колёс при переключении пере¬дач увеличивается на 9... 10% по сравнению с серийным вариантом.
6. Использование УДМ в трансмиссии трактора в реальных условиях эксплуатации МТА позволяет: снизить колебания внешней тяговой на¬грузки, передающейся на двигатель, на 15...40%; улучшить агротехни¬ческие показатели выполнения сельскохозяйственных операций на 12%; снизить дисперсию буксования на 60%; увеличить производи¬тельность агрегата более чем на 10%; уменьшить расход топлива на 9%, а погектарный расход - на 18%.
7. Пневматические шины ведущих колёс трактора - одно из основных звеньев трансмиссии, определяющих её жёсткость, которая учтена в уравне-ниях деформации включением последовательно сменяемых элементов шины при качении колеса. Оптимальным внутренним строением радиальных шин
. ведущих колёс тракторов в составе агрегата являются: для класса 5 - норма слойности каркаса и брекера 6 и 4, углы нитей корда и брекера 5° и 70°; для
класса 1,4 - норма слойности каркаса и брекера 4 и 3, углы нитей корда и брекера 5° и 70°.
8. Использование в МТА энергосредств на шинах с оптимальным внут-ренним строением позволяет увеличить тяговый КПД их, повысить произво-дительность МТА более чем на 10%, снизить удельный расход топлива на
10.. Л2% при одновременном уменьшении уплотняющего воздействия на почву до 20%.
9. Внедрение результатов исследований проблемы в модельном хозяйст¬ве южных регионов России может обеспечить:
- сокращение капитальных вложений на 1260,07 тыс. руб. в варианте ус-тановки дополнительных инерционных масс двигателя и УДМ в трансмиссии трактора и на 5182,13 тыс. руб. в варианте использования эксперименталь¬ных шин, что соответствует экономии на 0,6 и 2,5%;
- экономию эксплуатационных затрат при модернизации трансмиссии тракторов в составе агрегатов на 1568,41 тыс. руб., а при комплектации трак¬тора шинами с оптимальным внутренним строением - 2373,05 тыс. руб., что ниже соответственно на 2,6 и 4,0% существующих технологий;
- снижение затрат труда на 2,4...3,1% и потребность хозяйства в меха-низаторах;
- чистый дисконтированный доход при модернизации трансмиссии тракторов в составе агрегатов 2780,09 тыс. руб., а при комплектации трактора шинами с оптимальным внутренним строением - 8124 тыс. руб., что в расче¬те на гектар пашни составляет - 278 и 812 руб;
- срок окупаемости затрат по обоим вариантам около 5 лет при ставке дисконта 0,12.