СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ПОЧВЫ при криволинейном движении КОМБИНИРОВАННОГО МТА НА БАЗЕ ТРАКТОРА ТЯГОВОГО КЛАССА

Из анализа рисунков 7–8 видно, что при первом варианте поворота колёс переднего моста, когда он осуществляется только за счет колес переднего моста, обеспечивающего радиус поворота 4,5 м и обратно для выхода из поворота происходит существенное изменение сил, воздействующих на почву, особенно на переднем внешнем колесе NА1 и превышающая на 20% силы при прямолинейном движении.

При втором варианте поворот осуществляется за счёт поворота колёс переднего и заднего мостов до угла, обеспечивающего радиус поворота 4,5 м и обратно для выхода из поворота (рис. 9-10). Дальнейший анализ показал, что на первом этапе поворота наблюдается увеличение сил на колёсах внешнего радиуса поворота и снижение сил на внутреннем радиусе. На последнем этапе изменение сил перераспределяется на противоположное. Максимальное значение силы NА1 на переднем внешнем колесе превышает на 17% силы при прямолинейном движении.

При третьем варианте (рис. 11-12) поворот осуществлялся по предложенному способу, когда МТА начинает движение поворота крабовым ходом (обоими управляемыми мостами) до максимального угла поворота всех передних и задних колёс 30° (участок 1), после чего колёса заднего моста поворачиваются до нулевого угла, а передние остаются на значении а=b=30°. Третий участок поворота с радиусом 9 м осуществлялся при постоянно повёрнутых передних колёсах, а задние остаются с нулевым поворотом. Как и в ранее рассмотренных вариантах поворота происходит увеличение сил на колёсах внешнего радиуса поворота и снижение сил на колёсах внутреннего радиуса. На последнем участке поворота их динамическое воздействие изменяется на противоположное. Максимальное значение воздействия на почву имеют силы NА1 на переднем внешнем колесе в начале первого участка и достигают 18,6 кН, что на 7% превышает значение силы при прямолинейном движении. В то время, как максимальное значение силы на переднем внешнем колесе составляет 2,4кН, что на 9% меньше, чем при первом варианте поворота ЛТЗ-155.

На следующем этапе исследовались варианты поворота трактора ЛТЗ-155 при скорости его движения 0,72 м/с, то есть на 70% меньшей (рис. 13-18).

Вначале в первом случае моделирования поворот МТА осуществлялся за счёт поворота колёс среднего моста до угла, обеспечивающего радиус поворота 4,5 м. и обратно для выхода из поворота. Как и при движении МТА со скоростью 2,39 м/с в начале поворота происходит увеличение сил на колёсах внешнего радиуса поворота и снижение сил на колёсах внутреннего радиуса. На последнем участке поворота их динамическое воздействие на почву меняется на противоположное. Максимальное значение имеет сила NА1 на переднем внешнем колесе и её значение достигает 18,9 кН, что на 9% превышает значение силы при прямолинейном движении и на 10% ниже, чем при
скорости 2,39 м/с.

При втором варианте моделировался поворот МТА ЛТЗ-155 за счёт синхронного поворота переднего и заднего мостов до угла, обеспечивающего радиус поворота 4,4 м. и обратно для выхода из поворота. Максимальное значение имела сила NА1 на внешнем колесе, которая достигала 18,6 кН. Это на 7% превышает силы, действующие на почву при прямолинейном движении, но на 9% ниже, чем при скорости 2,39 м/с. При этом значение силы на переднем внешнем колесе при скорости МТА 0,72 м/с не превышала 0,3 кН, что на 1,6% ниже, чем при первом варианте поворота МТА при скорости 0,72 м/с.

Третий вариант поворота МТА со скоростью 0,72 м/с осуществлялся крабовым способом, рассмотренным выше (рисунок 17-18), где представлены соответственно динамическое изменение углов поворота управляемых колёс (a b) и силовое воздействие на почву. В начале первого участка поворота максимальное значение имеет сила NА1 на переднем внешнем колесе, достигая 18,1 кН. Это на 4% превышает значение этой силы при прямолинейном движении. На последующем этапе поворота максимальное значение силы NА1 на переднем внешнем колесе снижается до 0,8 кН, что на 4% ниже, чем при первом варианте поворота, и на 0,5 кН (на 3%), чем при скорости
2,39 м/с.

При переходе с одного участка поворота на другой возникал скачёк сил, связанный с резким изменением условий движения МТА на повороте. Для анализа этого явления было реализовано цифровое моделирование поворота МТА при плавном изменении управляемых колёс по гармоническому закону (рис. 19-20).

При этом скорость движения переднего моста составляла 2,39 м/с, а максимальное значение углов поворота обоих мостов было выбрано из расчета максимальной продолжительности поворота составляла 8,57 с, как и для первого варианта поворота. Из рисунков 19-20 видно, что при наличии плавного изменения углов поворота скачки сил отсутствуют и наблюдается их плавное изменение на всех участках поворота МТА.

В третьей главе - «Программа и методика экспериментальных исследований» - представлены анализ путей снижения механического воздействия на почву движителей универсально-пропашного трактора класса 2 в составе навесного широкозахватного комбинированного агрегата при совершении поворота на поворотной полосе, установление причин его увеличения, оценка влияния на физико-механические свойства почвы различных факторов, определение исходных данных для моделирования характеристик, проверка адекватности теоретических и натурных испытаний, выработка рекомендаций по сохранению физико-механических свойств почвы на поворотной полосе.

В качестве объекта испытаний выбран энергонасыщенный универсально–пропашной интегральной схемы трактор ЛТЗ–155 класса 2 Липецкого тракторного завода, оборудованный опытной и серийной системой рулевого управления (рис. 21). При этом система рулевого управления работает следующим образом. При вращении рулевого колеса в ту или иную сторону, через гидравлический привод управления передними управляемыми колесами передние колеса поворачиваются на некоторый угол. При этом вал рулевого колеса приводит в движение насос-дозатор 14, управляющий гидрораспределителем 8, входящим в гидравлический привод управления задними управляемыми колесами.

1 – рулевой механизм, 2 – гидронасос, 3 – гидробак, 4 – гидроцилиндр,5 – рулевая трапеция, 6 – гидронасос, 7 – гидробак, 8 – гидрораспределитель, 9 – гидроцилиндр, 10 – рулевая трапеция, 11 – рычаг, 12 – гидрораспределитель, 13 – демпфер, 14 – насос-дозатор, 15 – дополнительная секция гидрораспредделителя

Насос-дозатор 14 вызывает перепад давлений в гидролиниях С и Д, перемещая в ту или иную сторону золотник гидрораспределителя 8, управляющего гидроцилиндром 9 поворота задних управляемых колес, что приводит к повороту задних колес, который будет продолжаться до прекращения вращения рулевого колеса. Дополнительная секция 15 гидрораспределителя 8 при этом переходит из открытого положения в закрытое. При повороте задних колес происходит также смещение рычагом 11 корпуса гидрораспределителя 12 возврата задних колес в нейтральное положение, золотник которого соединен с подвижным штоком неподвижного пружинного демпфера 13.

Таким образом, поворот задних колес сопровождается смещением золотника гидрораспределителя 12 относительно его корпуса с последующим перемещением подвижной части пружинного демпфера 13. Поэтому при вращении рулевого колеса он находится в смещенном положении и потенциально готов к управлению гидроцилиндром 9 поворота задних управляемых колес, однако гидролинии А и Б заперты дополнительной секцией 15 гидрораспределителя 8.

Прекращение вращения рулевого колеса приводит к выравниванию давления в гидролиниях С и Д и соответствующему переходу основной секции гидрораспределителя 8 в «запертое» положение, а дополнительной секции 15 в «открытое», подавая давление к также находящемуся в «открытом» состоянии гидрораспределителю 12, начиная тем самым возврат задних колес в нейтральное положение.

Возврат задних колес в нейтральное положение будет продолжаться до перехода пружинного демпфера 13 в равновесное состояние, соответствующее как нейтральному положению золотника гидрораспределителя 12, так и нейтральному положению задних управляемых колес. Дальнейший поворот происходит передними управляемыми колесами.

Кроме того, определялись кинематические параметры поворота с помощью предложенной методики определения траектории движения МТА.

Определению подлежали кинематические параметры поворота (абсцисса и ордината точки траектории кинематического центра (рис. 21), соответствующие моменту времени от начала поворота колёс до поворота продольной оси трактора на 180°) с помощью специальной чертилки.

Время движения МТА фиксировали видеокамерами. Для определения траектории движения использовали следующую методику.

При движении чертилка описывает действительную траекторию, соответствующую траектории движения его кинематического центра. На очерченную траекторию устанавливаются вертикально отвесом через определенные интервалы (в зависимости от необходимой точности получаемого результата) вехи (рис. 22), с помощью теодолита с оптическим дальномером, установленного на некотором расстоянии определяются полярные координаты траектории (расстояния от теодолита до вешек и углы между линией, соединяющей первую из них с теодолитом и последующими .

По координатам строится действительная траектория движения кинематического центра с очень высокой степенью точности.

Целью лабораторных испытаний являлось определение основных параметров модернизированной системы рулевого управления трактора. Одновременно при проведении лабораторных испытаний производили доводку отдельных элементов конструкции.

Экспериментальные исследования велись в соответствии с действующей нормативно–справочной документацией по принятым методикам.

Программа экспериментальных исследований состояла из следующих этапов:

– подготовка зачетного участка для проведения лабораторно-полевых испытаний;

– подготовка трактора и установка на него необходимых приспособлений;

– подготовка и проверка измерительного инструмента и оборудования;

– определение необходимых для расчета характеристик: координат центра тяжести, массово–геометрических параметров, радиусов качения колёс, кинематических и динамических показателей прямолинейного и криволинейного движений агрегата;

– определение в полевых условиях плотности и твердости почвы по следам трактора класса 2 в составе различных агрегатов при прямолинейном движении по основному массиву поля;

– сравнительные полевые исследования плотности и твердости почвы по следам трактора класса 2 с опытной и серийной системой рулевого управления в составе навесного широкозахватного комбинированного агрегата с передней и задней навесками машин при различных способах движения на поворотной полосе.

При проведении полевых испытаний использовался трактор ЛТЗ-155 с модернизированной системой рулевого управления в составе МТА, составленных по схемам КРШ-8,1 + НП-5,4 + ЛТЗ-155 + ССТ-18, КРШ-8,1 + НП-5,4 + ЛТЗ-155, ЛТЗ-155 + ССТ-18, предназначенным для обработки междурядий и посева сахарной свёклы. Чтобы оценить степень влияния на почву собственных свойств трактора, были поставлены также опыты с одиночным трактором. Испытания трактора в составе агрегата и без навесного оборудования проводились на почвенном фоне – поле, подготовленное под посев, почва – выщелоченный чернозем. Предварительная подготовка поля состояла в выборе участка с уклоном не более 2° с однородными свойствами почвы.

В четвертой главе - «Результаты лабораторно-полевых испытаний и их анализ» - отражены результаты лабораторных исследований, а также
уровень плотности и твердости в следах трактора при различных условиях
поворота.

Проведенные исследования комбинированного МТА при изменении скорости движения, давления воздуха в шинах, количества шин показали, что наибольшее уплотняющее воздействие на пахотный слой оказывают ходовая система трактора с одинарными шинами и давлением воздуха в них 0,16 МПа (твердость почвы увеличивается примерно в два раза, а плотность – до 15%).

Экспериментальные исследования комбинированного МТА на базе трактора ЛТЗ-155 по оценке его динамического воздействия на почву при совершении поворота на поворотной полосе тремя способами поворота: передние управляемые колеса (I), передние и задние управляемые колеса (поворот их осуществляется в разные стороны) (II), по предложенному автором способу поворота (III). Сущность предложенного способа поворота заключается в том, что на участке «вход в поворот» передние и задние колеса поворачивают в одну сторону, то есть осуществляется движение «крабом». При достижении колесами максимального угла поворота задние колеса автоматически возвращаются в нейтральное положение и дальнейший установившийся поворот осуществляется передними управляемыми колесами.

Результаты определения плотности и твердости почвы в следах трактора в составе комбинированного МТА при криволинейном движении при совершении поворота на поворотной полосе различными способами в зависимости от скорости движения, количества колес, давления воздуха в них приведены на рисунках 23-28.

Выявлено, что плотность и твердость Т почвы по следам движителей на поворотной полосе значительно увеличились в сравнении с контрольными замерами по всем вариантам опытов. С увеличением скорости движения наблюдается рост плотности и твердости из-за повышенного буксования движителей. Причем, при движении по первым двум способам наблюдается более интенсивный рост показателей, особенно при скоростях V свыше 1,417 м/с, что можно объяснить прогрессирующим боковым скольжением МТА.

В результате полученных данных по всем вариантам опытов показывают, что плотность по следу трактора увеличивается не только в следе одиночно трактора, но и в составе комбинированного МТА на 5…14%, а твердость примерно в 1,45…1,75 раза в сравнении с контрольными замерами.

Исходя из анализа полученных зависимостей (рис. 23-28), можно сделать вывод о том, что наиболее эффективным способом снижения динамического воздействия движителей на почву является движение по предложенному способу поворота III.

При этом получаются минимальные значения плотности и твердости почвы при всех режимах движения и конструктивных изменениях. Применение модернизированной системы рулевого управления позволяет при скорости движения V=2,39 м/с уменьшить максимальное значение силы на переднем внешнем колесе на 2,4 кН, что на 9% ниже, чем при повороте трактора классическим способом, а также позволяет снизить максимальные нагрузки на почву от 3% до 10%.

Наиболее полное представление о характере криволинейного движения МТА дает траектория движения кинематического центра трактора. Приведенные результаты замеров параметров кругового беспетлевого поворота (высоты Х и ширины У), соответствующих траектории, описываемой кинематическим центром, позволяют сделать вывод о том, что предложенный способ поворота является наиболее рациональным для комбинированных универсально-пропашных МТА (рис. 29).

Выявлено, что с увеличением скорости движения растут поперечные и продольные отклонения агрегата вследствие увеличения динамического воздействия микропрофиля опорной поверхности, центробежных сил инерции, увеличения неравномерности распределения касательных сил тяги, обусловленное повышением предельных колебаний коэффициента сцепления колес с почвой и т.д. Меньшие значения Х и У (см. зависимости 1 и 2) на повышенных скоростях движений не говорят о лучшей поворачиваемости, а лишь указывают на то, что за счет бокового скольжения задней оси, МТА менее устойчив против заноса.

Предложенный способ поворота позволяет уменьшить поперечное и продольное смещения МТА по сравнению с традиционными способами поворота, устраняет его боковое скольжение.

Таким образом, повышение рабочих скоростей универсально-пропашных МТА позволит повысить производительность, снизить погектарный расход топлива, уплотнение почвы, высвободить механизаторские кадры, сократить сроки проведения сельскохозяйственных работ, повысить урожайность и т.д.

В пятой главе - «Экономическая эффективность применения системы рулевого управления на тракторе ЛТЗ-155 в составе комбинированного ТМА на поворотной полосе» - расчетом получено, что годовой экономический эффект от модернизации системы рулевого управления составил 94510 руб. в ценах 2012 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что наибольшее уплотняющее воздействие на почву движителями машинно-тракторного агрегата наблюдается на поворотных полосах.

2. Установлено, что предложенная в работе модернизированная система рулевого управления трактора (патент РФ №2240343), решает задачу повышения устойчивости движения при предложенном способе поворота за счет устранения бокового скольжения и заноса, а так же равномерного распределения вертикальных нагрузок по колесам.

3. Теоретические исследования по определению воздействия колес МТА на почву показали, что при одинаковых скоростях движения и радиусе поворота трактор с двумя управляемыми мостами создает меньшие нагрузки на почву, чем с одним передним, при этом максимальное значение силы на переднем внешнем колесе на 0,5 кН или на 2,5% ниже, чем при первом варианте поворота.

4. Применение модернизированной системы рулевого управления позволяет при скорости движения 2,39 м/с уменьшить максимальное значение силы на переднем внешнем колесе на 2,4 кН, что на 9% ниже, чем при повороте трактора вторым способом, когда передние и задние управляемые колеса поворачиваются в разные стороны.

5. Экспериментальные исследования универсально-пропашного МТА с модернизированной системой рулевого управления на базе трактора ЛТЗ-155 свидетельствуют о повышении эффективности их работы за счет снижения площади поворотной полосы на 20% и снижения времени, затраченного на переход к следующему техническому проходу, а так же приводит к снижению деформации почвы за счет уменьшения плотности в следах трактора на 17,7% и твердости на 9,4% в сравнении с базовым участком.

6. На основе экспериментальных исследований определена наиболее рациональная скорость движения трактора на повороте по динамическому воздействию на почву для универсально-пропашного МТА ЛТЗ-155, составившая 1,417 м/с.

7. Оценка относительных показателей эффективности свидетельствует о том, что годовой экономический эффект от модернизации системы рулевого управления МТА составит 94510 руб., а срок окупаемости инвестиций – 1,2 года.