ТАВРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лебедєв Сергій Анатолійович

УДК 629.1.075

ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ОРНОГО АГРЕГАТУ НА БАЗІ ГУСЕНІЧНОГО ТРАКТОРА З БЕЗСТУПЕНЕВИМ МЕХАНІЗМОМ ПОВОРОТУ

Спеціальність 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Мелітополь – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Александров Євген Євгенович, Національний технічний університет ”Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри колісних та гусеничних машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дідур Володимир Аксентійович, Таврійський державний агротехнологічний університет, завідувач кафедри гідравліки та теплотехніки;

Кандидат технічних наук, доцент Артьомов Микола Прокопович,

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка , доцент кафедри “Трактори і автомобілі”

Захист відбудеться “28” березня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К18.819.01 при Таврійському державному агротехнологічному університеті за адресою: 72312, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр-т Б.Хмельницького,18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Таврійського державного агротехнологічного університету за адресою: 72312, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр-т Б.Хмельницького,18.

Автореферат розісланий “18” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.Т.Діордієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найважливіших резервів підвищення ефективності сільськогосподарського виробництва є виконання технологічних процесів у задані агротехнічні строки. Велика роль у вирішенні цього завдання приділяється гусеничним тракторам, зайнятим 65...70% часу на орних роботах. Недоліки гусеничних тракторів в експлуатації по стійкості руху при агрегатуванні з плугом, підвищеній витраті палива при русі на гоні і поворотах наприкінці гонів обумовлені в основному конструкцією механізмів повороту. тенденція створення світовими тракторобудівними фірмами гусеничних тракторів з безступеневими гідрооб'ємними механізмами повороту (ГОП) дозволяє підвищити їх маневреність, паливну економічність і продуктивність. Однак, до цього часу недостатньо інформації про їх експлуатаційні властивості на орних роботах.

Таким чином, дослідження з підвищення експлуатаційно-технологічних показників орних агрегатів на базі гусеничного трактора з безступеневим механізмом повороту є актуальними і перспективними для механізації сільськогосподарського виробництва України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до Державної програми “Виробництво технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу в 1998 – 2005 роках”, розробленою відповідно постанови Кабінету Міністрів України від 1 грудня 1997 року "Про розвиток сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромислового комплексу конкурентоспроможною технікою"; пріоритетних напрямків розвитку сільського господарства Харківської області в 2001 – 2005 роках та на період до 2010 року і відповідно договорів “Періодичні і типові випробування нових і модернізованих тракторів виробництва ХТЗ” (договори № 70/219, № 70/276, № 70/27-23 – замовник ВАТ “ХТЗ ім. С. Орджонікідзе”). Результати роботи спрямовані на реалізацію концепції Державної програми з технічної політики в агропромисловому комплексі на період до 2010 року, затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України № 93-Р від 15 лютого 2006 року.

Мета задачі дослідження. Метою роботи є підвищення експлуатаційно-технологічних показників орного агрегату на базі гусеничного трактора з безступеневим механізмом повороту.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні завдання:–

розробити математичну модель орного агрегату на базі гусеничного трактора, що дозволяє при оцінці стійкості його руху на гоні, тягово-енергетичних режимів роботи враховувати нерівномірність розподілу навантажень по бортах і зміщення центра мас орного агрегату в поздовжній і поперечній площинах;–

обґрунтувати залежність гакового ККД гусеничного трактора при агрегатуванні з плугом, який враховує як нерівномірність розподілу передавальної потужності правим і лівим бортами та додатковими втратами потужності на підвороти при русі агрегату на гоні;–

пояснити причини порушення курсової стійкості руху гусеничного трактора з ГОП у напрямку борозни, запропонувати спосіб стабілізації стійкості його руху на орних роботах;–

провести стендові та польові експериментальні дослідження з оцінки навантажувальних режимів елементів трансмісії гусеничного трактора з ГОП і його експлуатаційно-технологічних показників на орних роботах.

Об'єкт дослідження – процес функціонування орного агрегату.

Предмет дослідження – стійкість руху і тягово-енергетичні параметри орного агрегату.

Метод дослідження – у роботі використовуються аналітичні методи при розрахунках кінематичних і силових характеристик динамічної системи, числові методи вирішення системи диференціальних рівнянь руху складових частин і методи математичного моделювання з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження проведені на натурних стендах і на тракторах в умовах сільськогосподарського виробництва.

Наукова новизна отриманих результатів. Основний науковий результат дисертації – розробка теоретичних основ і методологічних принципів підвищення експлуатаційно-технологічних показників гусеничного трактора з безступеневим механізмом повороту на орних роботах.

Вперше:–

запропоновані закономірності руху на гоні орного агрегату на базі гусеничного трактора, що дозволяють комплексно вирішувати завдання його кінематики і динаміки, оцінити тягово-енергетичні параметри при нерівномірному розподілі навантажень по бортах [5, 6, 10];–

встановлені нові закономірності порушення курсової стійкості руху гусеничного трактора з ГОП у напрямку борозни, які дозволили обґрунтувати спосіб підвищення його руху на гоні [2, 7, 9, 15, 16].

Вдосконалено: фізична модель нерівномірного розподілу навантажень по бортах гусеничного трактора при агрегатуванні з плугом, відмінна від відомих тим, що дозволяє враховувати зміщення центра мас орного агрегату в поздовжній і поперечній площинах [17].

Одержали подальший розвиток: критерії оцінки оптимальних швидкостей руху орного агрегату по продуктивності та економічності; закономірності зміни навантажувальних режимів елементів трансмісії і тягового ККД гусеничного трактора з ГОП при агрегатуванні з плугом при нерівномірному розподілі тягових зусиль по бортах і додаткових втратах потужності на корекцію напрямку руху [3, 4, 12 – 14, 18 – 20].

Практичне значення отриманих результатів:–

підтверджена гіпотеза про техніко-економічну ефективність застосування безступеневого механізму повороту на гусеничних тракторах сільськогосподарського призначення серії ХТЗ-200;–

обґрунтовані раціональні параметри системи керування трактора ХТЗ-200;–

запропоновані практичні рекомендації з підвищення експлуатаційно-технологічних показників орних агрегатів на основі гусеничних тракторів, які впроваджені в агрофірмі “Козацький стан”, Полтавська обл., Козельщинський р-н і які дозволили знизити експлуатаційні витрати на орних роботах на 11,0 грн/га.

Особистий внесок автора. У наукових працях, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в:–

аналізі гідрооб'ємних механізмів повороту на гусеничних тракторах [1];–

розробці методики і проведенні експериментальних досліджень по оцінці стійкості руху гусеничного трактора на оранці [7];–

обґрунтуванні теоретичних основ керованості гусеничного трактора з гідрооб'ємним механізмом повороту [9];–

обґрунтуванні математичної моделі орного агрегату [10];–

обґрунтуванні структурної схеми та енерговитрат гідроприводів трактора ХТЗ-200 [11];–

обґрунтуванні способу стабілізації руху на гоні гусеничного трактора з гідрооб'ємним механізмом повороту [15];–

моделюванні стійкості руху гусеничного трактора [16];–

обґрунтуванні критеріїв вибору оптимальних швидкостей руху орного агрегату [18];–

обґрунтовані схеми виміру об'ємного ККД ГОП [22].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародних конференціях “Технічний прогрес у рослинництві”, м. Харків, 2001 р.; “Науково-технічні засади розробки, випробування перспективної сільськогосподарської техніки і технологій”, СМТ Дослідницьке, 2003 р.; “Сучасні проблеми землеробської механіки”, м. Харків, 2003 р.; “Технічний прогрес в АПК”, м. Харків, 2004 р., 2007 р.; “Перспективи розвитку автомобіле- та тракторобудування”, м. Харків, 2005 р., 2007 р.; “Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва”, м. Полтава, 2006 р.

У повному обсязі дисертаційна робота обговорена та схвалена на міжкафедральному семінарі Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка та розширеному засідання кафедри колісних та гусеничних машин Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 22 наукові статті в спеціалізованих наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України як фахові, з них 13 одноосібні. Одержано патент України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, списку використаних джерел з 121 найменувань і 11 додатків. Дисертація викладена на 191 сторінці комп’ютерного тексту, з них основного тексту 149 сторінок, містить 52 рисунки, 12 таблиць і додатків на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, наведений зв'язок роботи із програмами, планами і темами НДР; сформульовані мета та завдання дослідження; відображена наукова новизна, практичне значення отриманих результатів і особистий внесок здобувача.

У першому розділі виконаний аналіз науково-технічної літератури за темою дисертації; відзначено, що на частку гусеничних тракторів загального призначення доводиться виконання найбільш енергоємних орних робіт. Вагомий внесок у розвиток теорії та практики основного обробітку ґрунту, у тому числі оранки, внесли відомі вчені Гуков Я.С., Дубровін В.О., Заїка П.М, Кушнарьов А.С. і ін. Фундаментальні основи теорії гусеничних машин, що забезпечують їх розвиток у науковому та прикладному напрямках, відображені в роботах Александрова Є.Є., Аниловича В.Я., Антонова О.С.., Барського І.Б., Гуськова В.В., Дідура В.А., Забавникова Н.А., Іванцова В.Д., Коденко М.М., Львова Є.Д., Медведєва М.І., Платонова В.Ф., Самородова В.Б., Уткіна-Любовцева О.Л. і ін. У роботах Киртбая Ю.К., Саакяна Д.Н., Фортуни В.І. і інших запропоновані основні експлуатаційно-технологічні показники тракторних агрегатів, до яких віднесені: тягово-енергетичні показники, стійкість руху, коефіцієнт корисної дії (ККД), витрата палива, продуктивність, витрати часу на технологічне обслуговування, якість виконання робочої операції.

Узагальнення результатів відомих досліджень дозволило встановити, що підвищення експлуатаційно-технологічних показників сільськогосподарських гусеничних тракторів може бути досягнуте на основі застосування безступеневих ГОП, які забезпечують поворот трактора по траєкторії будь-якого радіуса. Відомі дослідження з ГОП відносяться в основному до аналізу і параметричного синтезу гідроагрегатів, гідромеханічних трансмісій і інших спеціальних гусеничних машин. Досліджень у напрямку підвищення експлуатаційно-технологічних показників орних агрегатів на базі гусеничного трактора з безступеневим механізмом повороту не проводилося, хоча необхідність подібних досліджень відзначена в ряді робіт.

Таким чином, поставлені завдання дослідження з підвищення стійкості руху та тягово-енергетичних режимів роботи гусеничного трактора з ГОП на орних роботах є новими і спрямовані на підвищення його експлуатаційно-технологічних показників.

У другому розділі виконано математичне моделювання і комплексний аналіз стійкості руху гусеничного трактора на орних роботах, пояснені причини порушення курсової стійкості руху гусеничного трактора з ГОП на гоні, запропонований спосіб стабілізації стійкості його руху при агрегатуванні з плугом. Дані завдання вирішені для різних схем приєднання плуга до трактора, різниці опору коченню правої та лівої гусениць, нестабільності об'ємного ККД ГОП трактора.

Для трьохточкової схеми приєднання плуга до трактора (рис. 1) при оцінці перехідних процесів орного агрегату використовується єдина для режимів прямолінійного руху та режимів повороту модель руху гусеничного трактора на рівній горизонтальній поверхні з заданими характеристиками ґрунту.

Для даної схеми приєднання плуга до трактора в якості незалежних координат, які визначають траєкторії руху орного агрегату, прийняті X, Y, Q. Похідні визначають швидкості орного агрегату відповідно в поздовжньому і поперечному напрямках, Q – курсовий кут стійкості руху трактора.

Диференціальні рівняння руху орного агрегату в прийнятих координатах мають вигляд:

(1)

де g = 9,81 м/с2 прискорення вільного падіння; fсд сумарний коефіцієнт опору руху від ґрунту та ходової частини; Т1, Т2 сили тяги на правій і лівій гусеницях; Fc сумарна сила опору бічному зміщення гусеничного трактора; М, Мс сумарні моменти опору руху і повороту гусеничного трактора; Втр. – поперечна база гусеничного трактора; Ім – момент інерції орного агрегату.

Рис. 1. Схема агрегатування гусеничного трактора з плугом при трьохточковому навісному механізмі: 1 трактор; 2, А миттєвий центр обертання механізму навіски; 3 вісь навіски трактора; 4 поздовжні тяги трьохточкової навіски; 5 вісь навіски плуга; 6 центральна тяга навіски; 7 лінія тяги; 8 опорне колесо плуга; 9 плуг; 10 польова дошка; 11 середній корпус плуга; d – відстань між краєм борозни попереднього проходу і гусеницею; ЦП – геометричний центр повороту; Pxy – тягове зусилля; В – центр прикладення рівнодіючої опору плуга – кут відхилення тягового зусилля від напрямку поступального переміщення плуга; v – швидкість руху орного агрегату

При асиметричній двоточковій навісці плуга врахований обертовий момент, обумовлений дією плуга Мсн=Fн, де Д – ексцентриситет прикладення сили опору плуга Fн.

На гусеничних тракторах типу ХТЗ-200 встановлена двопотокова трансмісія, що забезпечує ступеневу зміну швидкості трактора при прямолінійному русі та безступеневу – при повороті (рис. 2).

Рис. 2. Кінематична схема трансмісії гусеничного трактора з гідрооб'ємним механізмом повороту (ГОП): 1 – двигун внутрішнього згоряння; 2 – редуктор привода гідронасоса ГОП; 3 – коробка передач; 4 – роздавальна коробка; 5 – шестерня розподілу потужності по бортах; 6, 22 – шестерні коронні; 7, 20 – сателіти; 8, 19 – шестерні сонячні; 9, 18 – карданні передачі; 10, 17 – ведучі колеса (зірочки) гусеничного рушія; 11, 16 – півосі кінцевих передач; 12, 13 – головні передачі; 14, 15 – водила; 21 – шестерня привода від гідромотора ГОП; 23 – гідромотор ГОП; 24 – регульований гідронасос ГОП

Двопотоковість даної трансмісії забезпечується шляхом передачі основного потоку потужності від двигуна внутрішнього згоряння 1 через механічну коробку передач 3, роздавальну коробку 4, карданні 9, 18 і головні 12, 13 передачі до ведучих коліс правого 10 і лівого 17 бортів трактора, а додатковий потік при повороті трактора – через ГОП, що містить регульований гідронасос 24 і нерегульований гідромотор 23.

Аналіз кінематичної схеми шасі гусеничного трактора з ГОП показує, що прямолінійність руху трактора забезпечується при нейтральному положенні системи керування гідронасосом 24 і при однакових моментах опору M1(t) і M2(t) відповідно на правому 10 і лівому 17 ведучих колесах. У цьому випадку сонячні шестерні 8, 19 і ротор гідромотора 23 нерухомі. Трактор рухається прямолінійно.

На орних роботах завжди M1(t) > M2(t), що є наслідком асиметричності приєднання плуга до трактора, а також різного опору коченню гусениць правого і лівого бортів. У цьому випадку на роторі гідромотора 23 з'являється момент навантаження Mг(t), а отже і тиск рідини Р(t) у ГОП пропорційний різниці Mг(t) =1(t) – M2(t). При витоках робочої рідини в гідронасосі та гідромоторі ГОП пропорційних Р(t) під впливом Mг(t) ротор гідромотора 23 провертається, що призводить до провертання в різні сторони сонячних шестерень 8 і 19. Напрямок руху трактора відхиляється від заданого, трактор “звалюється” у борозну. Повернення трактора до прямолінійного напрямку руху досягається керуванням водієм положенням упорно-розподільного диска регульованого аксіально-поршневого гідронасоса 24. При цьому забезпечується подача рідини гідронасосом 24 у гідромотор 23, що викликає обертання сонячних шестерень 8 і 19 у протилежних напрямках. У тому планетарному ряді, де напрямок обертання сонячної шестерні збігається з напрямком обертання водила, кутова швидкість ведучого колеса (зірочки) зростає, а в іншому – зменшується. Це призводить до корекції напрямку руху трактора, що забезпечує рух по заданій траєкторії до повернення його до заданого напрямку руху.

Для оцінки стійкості руху гусеничного трактора з ГОП при агрегатуванні з плугом був застосований новий комплексний підхід, заснований на спільному врахуванні збурюючих і керуючих факторів, які діють на орний агрегат. В основу даного підходу покладені методики, що дозволяють розробити універсальну математичну модель орного агрегату на основі гусеничного трактора і програмне забезпечення для дослідження стійкості руху агрегату при зміні параметрів ГОП, тягового опору плуга та схеми його приєднання до трактора.

Підхід, закладений у програму, заснований на принципі, застосованому в методиці кінцевих елементів (МКЕ). У запропонованій методиці, як і у МКЕ, розглядається система незалежних зосереджених мас, у яких на відміну від МКЕ використані не силові, а кінематичні зв'язки. В результаті отримана базова математична модель руху гусеничного трактора з ГОП при агрегатуванні з плугом, яка записується в матричному вигляді:

(2)

де – вектор-стовбець прискорень координат ; Мр – вектор-стовбець реактивних моментів у накладених зв'язках динамічної системи; J – діагональна матриця моментів інерції; Вт, В – матриця рівнянь зв'язку відповідно елементів трансмісії і трактора з плугом; – вектор-стовбець узагальнених сил, що діють на зосереджені маси динамічної системи.

По даній моделі оцінена стійкість руху орного агрегату при різних параметрах ГОП і його систем керування, зміні тягового опору плуга:–

об'ємний ККД ГОП o= 0,9 (номінальне значення) і o = 0,6 (граничне значення);–

блокування обертання вала гідромотора ГОП при прямолінійному русі трактора;–

відхилення рульового колеса на постійний кут б при прямолінійному русі трактора;–

тяговий опір плуга – 40 кн, 50 кн.

При виконанні орних робіт трактором ХТЗ-200 відстань між краєм борозни попереднього проходу і гусеницею повинна бути не меншою Y = мм. На основі математичного моделювання отримано, що дана агротехнічна вимога виконується при зміні o від 0,9 до 0,6 при проходженні трактором при навантаженні на гаку 40 кН відстані на гоні Х = 18 м. Примусове гальмування вала гідромотора ГОП при прямолінійному русі трактора не призводить до істотного підвищення стійкості руху трактора.

Відхилення рульового колеса трактора ХТЗ-200 на орних роботах на постійний кут дозволяє забезпечити стійкий прямолінійний рух агрегату по довжині гону. Величина компенсуючої дії на рульове колесо трактора залежить від тягового опору на гаку. Підвищення тягового навантаження на гаку трактора ХТЗ-200 до 40 кн при агрегатуванні з плугом практично не впливає на відхилення трактора від борозни, а при тяговому навантаженні 50 кн "звалювання" трактора в борозну відбудеться через 15...17 м.

У третьому розділі обґрунтована фізична модель гусеничного трактора при агрегатуванні з плугом при нерівномірному розподілі навантажень по бортах, запропонована нова залежність ефективного гакового ККД гусеничного трактора на орних роботах, сформульовані умови оптимальних швидкостей руху орного агрегату по продуктивності та економічності.

При агрегатуванні гусеничного трактора з навісним плугом (рис. 3) горизонтальна реакція Rx від опору Rп плуга визначає горизонтальну складову Ркр від тягового зусилля Рт, що забезпечує тягу трактора; а вертикальна реакція Rz, що призводить до заглиблення плуга, разом з вертикально складовою Pz від тягового зусилля Pт визначає розподіл вертикальних реакцій ґрунту по опорній поверхні гусеничного рушія лівого Y1, Y3, Y5 та правого Y2, Y4, Y6 бортів (на рис. 3 не позначені).

Рис. 3. Схема зовнішніх сил і реакцій, що діють на гусеничний трактор з торсіонною підвіскою при агрегатуванні з навісним плугом: 1, 5 – напрямне і ведуче колеса; 2 – опорні котки; 3 – кронштейни кареток; 4 – опори торсіона; 6 – опорне колесо плуга; 7 – плуг; 8 – начіпний механізм

Вертикальні реакції ґрунту на гусеничний рушій лівого борта Y1, Y3, Y5 та правого борта Y2, Y4, Y6 визначаються в основному силою ваги трактора Gт і плуга Gп, а також вертикальною реакцією Pz від тягового зусилля Pт трактора. Вертикальна реакція Yн визначається в основному тяговою силою плуга , що приходиться на опорне колесо 6.

Нерівномірність розподілу вертикальних реакцій Y1, Y3, Y5 і Y2, Y4, Y6 при агрегатуванні гусеничного трактора з навісним плугом приводить до зміщення лінії дії сумарної вертикальної реакції Rz на гусеничні рушії щодо лінії дії сили тяги орного агрегату, прикладеної в його центрі мас. Це зміщення визначається по залежності:

, (3)

де М – перекидаючий момент, що діє на трактор з боку навісного плуга; mтп – приведена маса трактора з урахуванням маси навісного плуга; g – прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с2.

Момент, що перерозподіляє навантаження по бортах від вертикальної складової зусилля у верхній тязі навісного механізму, враховується при визначенні навантажень на правий і лівий борти:

, (4)

де RTz – вертикальна складова взаємодії верхньої тяги навісного механізму з остовом; с – зміщення навісного механізму і плуга вправо.

Вагові навантаження на правий і лівий борт визначаються залежностями:

(5)

де G – вага трактора; MOX – сумарний момент навколо поздовжньої осі трактора; Втр – поперечна база гусеничного трактора.

Нерівномірний розподіл навантажень по бортах гусеничного трактора на орних роботах створює неоднакові навантаження на підвісках лівого і правого бортів, що призводить до зміщення центру тиску трактора на ґрунт одночасно в подовжньому і поперечному напрямах (рис. 4).

На вказаній схемі (цифри 1 і 2 в подвійних індексах відносяться відповідно до правого і лівого бортів) позначено:

– координати приведених підвісок по осі х (для трактора ХТЗ-200 число катків на одному борті n = 5);

– відповідно подовжня база і колія трактора;

– координата точок прикладання рівнодіючих і бічних дотичних сил на передніх ділянках епюр їх розподілу;

– те ж для задніх ділянок епюр і сил і ;

Rf1, Rf2; P1, P2 – рівнодіючі відповідно сил опору руху гусениць та тягових зусиль;

; Mx, My, Mz – осьові компоненти відповідно головного вектора та головного моменту навантажень на трактор від плуга.

Нерухома система координат х, у, z має початок в центрі мас трактора (т.0), коли вона вільна від навантажень, включаючи сили ваги. Вісь х направлена вперед, а у – у бік лівого борту. Величина z визначає вертикальне переміщення центру мас; а , – кути повороту каркасу трактора щодо осей у і х відповідно.

Рис. 4. Розрахункова схема гусеничного трактора на орних роботах

Для кожної гусениці реакції Ni визначаються як Ni=czi, де с – жорсткість, а zi – деформація приведеної підвіски. Величина zi, а, отже, і Ni різні для лівого і правого бортів:

Нормальні сумарні реакції ґрунту під котками кожного з бортів

Рівнодіючі сил опору

Rf1=F1Q1; Rf2=f2Q2,

де f1, f2 – коефіцієнти опору руху гусениць.

В прийнятих позначеннях рівняння рівноваги трактора масою G при агрегатуванні з плугом мають наступний вигляд:

(6)

Перше, четверте і п'яте з рівнянь рівноваги (6) дозволяє знайти переміщення каркасу трактора під дією прикладених до нього статичних навантажень:

(7)

По другому і шостому з рівнянь рівноваги (6) визначені тягові зусилля:

(8)

За силами тяги обчислюються моменти на ведучих колесах

, (9)

де Rвк – радіус ведучого колеса; зГ – ККД гусениці.

Розглядався рух трактора ХТЗ-200 з плугом ПЛП-6-35 при оранці стерні озимої пшениці на глибину 0,28 м. Навантаження, що діють при цьому на трактор, виражаються компонентами головного вектора і головного моменту. В проекціях на координатні осі x, у, z (див. рис. 4) вони відповідно рівні Х = –58,47 кН, Y = 4,95 кН, Z = –31,22 кН, Мх = 4,58 кНм, Му = –59,85 кНм, Мz = –10,46 кНм. Плуг приєднаний до трактора по двоточковій схемі.

Нерівномірність розподілу тягових зусиль по бортах гусеничного трактора приводить до зниження його ефективного гакового ККД на орних роботах. Припускаючи, що ККД трансмісії тр і буксування б не залежать від розподілу навантажень по бортах гусеничного трактора, а ККД кочення f1, f2 і використання зчіпної ваги 1, 2 не рівні між лівою і правою гусеницями, тяговий ККД трактора при прямолінійному русі на гоні визначається за схемою послідовно і паралельно з'єднаних тр, б і f1, 1; f2, 2 (рис. 5).

Для даної схеми з'єднаннятр, б, f1, f2, 1 і 2 обґрунтована залежність тягового ККД гусеничного трактора:

. (10)

Для трактора ХТЗ-200 при оранці стерні озимої пшениці плугом ПРУН-5-45 на глибину 30 см експериментально визначені Nт1= 41 кВт і Nт2= 59 кВт.

Рис. 5. Структурна схема для визначення тягового ККД гусеничного трактора:

Nд– потужність двигуна; Nт1, Nт2 – тягова потужність лівого і правого бортів

При русі на орних роботах лівої гусениці трактора на добре зв'язаному ґрунті f1= 0,92, а правої – на мало зв'язаному (поблизу краю борозни) з більшим опором коченню f2= 0,90.

Підвищення навантаження правого борта гусеничного трактора на орних роботах є причиною підвищеного ККД використання зчіпної ваги правої гусениці. Наприклад, при виконанні трактором ХТЗ-200 орних робіт плугом ПРУН-5-45 на глибину 30 см вагове навантаження лівого борта G1= 39367 Н при 1= 0,85 і правого G2= 46482 Н при 2= 0,87. При тр = 0,92 і б = 0,96 шляхом розрахунку (10) отримано т max = 0,69.

Для випадку руху гусеничного трактора на гоні обґрунтована залежність ефективного гакового ККД, яка враховує витрати потужності на підвороти

, (11)

де m маса трактора; g = 9,81 м/с2; коефіцієнт використання зчіпної ваги на гаку; N номінальна потужність двигуна; Q(–*), Qn(–*) n, складові, що враховують збільшення тягового опору відповідно при прямолінійному русі агрегату та при підворотах при підвищенні швидкості від *= 6,0 км/год до 9,0 км/год; = 5% ( = 0,05), n = 2,0% (n = 0,02) збільшення на кожний кілометр швидкості руху агрегату.

Для агрегату ХТЗ-200 + ПРУН-5-45 при оранці стерні озимої пшениці на глибину 30 см шляхом розрахунку (11) отримано = 0,63 при = 7,8 км/год.

Для змінних швидкісних режимів роботи орного агрегату за допомогою методів варіаційного обчислення обґрунтовані умови його роботи з максимальною продуктивністю (Cw) і економічністю (C):

, (12)

де Wсм – виробіток агрегату за зміну; – швидкість агрегату; – кут нахилу дотичної до Wсм =f(); R – опір пересуванню тракторного агрегату.

На основі умови (12) зроблений висновок, що виробіток тракторного агрегату за зміну буде найбільшим, якщо швидкість агрегату обрана за умови збереження постійного відношення збільшення продуктивності до збільшення швидкості; оптимальна швидкість по економічності визначається постійним відношенням збільшення опору руху агрегату до збільшення швидкості.

У четвертому розділі наведені програма і методика експериментальних досліджень, що включають лабораторні і польові випробування гусеничного трактора з ГОП при агрегатуванні з плугом. Програма лабораторних досліджень передбачала оцінку: нерівномірності розподілу навантажень по бортах при агрегатуванні з плугом, тягових властивостей при нерівномірному розподілі навантажень по бортах, стійкості руху на орних роботах, навантажувальних режимів трансмісії. Програма польових випробувань передбачала оцінку: експлуатаційно-технологічних показників на орних роботах, ефективності застосування на гусеничних тракторах безступеневих механізмів повороту.

Методика експлуатаційних досліджень по оцінці тягово-зчіпних властивостей, експлуатаційно-технологічних показників гусеничного трактора базується на нормативних матеріалах ГОСТ 7057-81, ГОСТ 24055-88, ГОСТ 2457-80 і ГОСТ 18509-88. Експлуатаційні дослідження з оцінки нерівномірності розподілу навантажень по бортах, ефективного гакового ККД, стійкості руху гусеничного трактора з ГОП при агрегатуванні з плугом базується на розроблених методиках із застосуванням оригінальних приладів по виміру витрати палива дизельного двигуна трактора, курсомера та способу оцінки об'ємного ККД ГОП без демонтажу агрегатів трактора. Методика оцінки ефективності застосування на гусеничних тракторах безступеневих механізмів повороту базується на порівнянні експлуатаційно-технологічних показників на орних роботах тракторів ХТЗ-200 з ГОП і ХТЗ-180 з різношвидкісним механізмом повороту (базовий варіант) при агрегатуванні із плугами ПРУН-5-45 і ПЛП-6-35.

Методика оцінки нерівномірності розподілу навантажень по бортах гусеничного трактора, його тягово-енергетичних властивостей і стійкості руху передбачає проведення досліджень без тягового навантаження і з тяговим навантаженням з баластовою масою вантажу правого борта 0; 2,5; 5,0 кН, а також при агрегатуванні із плугами ПРУН-5-45 і ПЛП-6-35. Методика оцінки навантажувальних режимів трансмісії гусеничного трактора з ГОП передбачає проведення досліджень з плугом ПРУН-5-45 у транспортному положенні при різкому рушанні з місця на ґрунтовій дорозі та при агрегатуванні із плугами ПРУН-5-45 і ПЛП-6-35 на полі після збирання зернових.

При виконанні експериментальних досліджень застосовані датчики, апаратура та прилади, які базуються на тензометруванні тягового зусилля, крутних моментів, що передаються валами, та індуктивних переривниках виміру частоти обертання валів і ін.

Обробка результатів експериментальних досліджень виконувалася за стандартними методиками.

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень трактора ХТЗ-200 з ГОП, що підтверджують основні теоретичні положення про нерівномірний розподіл навантажень по бортах, впливу підворотів трактора при русі на гоні на ефективний гаковий ККД, підвищенню стійкості руху трактора шляхом корекції рульовим керуванням і ін. У порівнянні з гусеничним трактором з різношвидкісним механізмом доведена ефективність застосування безступеневих механізмів повороту на гусеничних тракторах.

Тягові властивості трактора ХТЗ-200. Аналіз тягово-потужносних показників трактора ХТЗ-200 на стерні пшениці при рівномірному розподілі навантажень по бортах доводить, що максимальну тягову потужність 100 кВт (136 к.с.) трактор розвиває при тяговому зусиллі 64,19 кН, швидкості руху = 5,61 км/год і буксуванні = 3,5%, маючи максимальний умовний тяговий ККД y= ,803. Максимальне тягове зусилля трактор ХТЗ-200 має при швидкості руху = 4,42 км/год, маючи умовний тяговий ККД y = 0,801.

Представляється доцільним скорегувати швидкість руху трактора ХТЗ-200 на першій передачі першого діапазону в бік зменшення, забезпечивши реалізацію максимальної тягової потужності буксуванням трактора. З цією метою необхідно збільшити передаточне число коробки передач на першій передачі першого діапазону.

При русі трактора ХТЗ-200 зі швидкістю = 7,5 км/год на стерні озимої пшениці коефіцієнт використання зчіпної ваги кр= 0,570 при умовному тяговому ККД y = 0,792. Довантаження правого борта трактора додатковою масою 5 кН призводить до незначного підвищення кр = 0,578 при y = 0,796. Дана закономірність зберігається при швидкостях руху трактора = 8,5...9,7 км/год.

Стійкість руху трактора ХТЗ-200. Агротехнічна вимога по забезпеченню відстані між краєм борозни попереднього проходу і гусеницею, що повинна бути в межах 200 мм, при оранці на глибину 25...27 см при агрегатуванні трактора ХТЗ-200 (об'ємний ККД ГОП ог = ,9) з плугом ПЛП-6-35 виконується на довжині гону Х = 18,5 м, з плугом ПРУН-5-45 – Х = 16,6 м. При оранці на глибину 30... 32 см “звалювання” у борозну трактора ХТЗ-200 з плугом ПЛП-6-35 відбудеться на довжині гону Х = 18,0 м, з плугом ПРУН-5-45 – Х = 15,5 м (рис. 6, а).

При відхиленні рульового колеса трактора ХТЗ-200 з плугом ПРУН-5-45 на відносний кут = 0,1 “звалювання” у борозну трактора відбувається на довжині гону Х = 37 м, при = 0,14 – Х = 45 м (рис. 6, б). При оранці стерні пшениці (глибина оранки 25... 27 см, = 8,8 км/год) при одному підвороті від початку відхилення напрямку руху від борозни до закінчення підвороту додаткова відстань, яка проходиться агрегатом ХТЗ-200 + ПРУН-5-45 на гоні 16,5 м без відхилення рульового колеса рівна х = 2,4 м, з відхиленням на відносний кут =  ,1 – х = 0,6 м. Кількість підворотів на довжині гону 1000 м агрегатом ХТЗ-200 + ПРУН-5-45 дорівнює n = 60, з відхиленням рульового колеса на відносний кут = 0,1 – n = 28. У першому випадку агрегат на довжині гону L = 1000 м проходить відстань L = 1144 м при середній швидкості руху = ,69 км/год, у другому – L = 1016,8 м при = 8,65 км/год.

Рис. 6. Відхилення (Y) трактора ХТЗ-200 на довжині гону (Х) при агрегатуванні з плугом: а – плуг ПЛП-6-35 (х…х) і ПРУН-5-45 (…), глибина оранки – 25... 27 см, 30...32 см, = 7,5 км/год; б – відхилення рульового колеса на постійний відносний кут: х...х – б = 0,1; Д….Д – б = 0,14

Нерівномірність розподілу навантажень по бортах трактора ХТЗ-200 наведена в табл. 1.

Таблиця 1

Розподіл навантажень по бортах трактора ХТЗ-200 при оранці плугом ПРУН-5-45

(фон – стерня пшениці)

Аналіз даної таблиці доводить, що навантаження правого борта трактора ХТЗ-200 при оранці плугом ПРУН-5-45 більше на 4,80...8,25 кН (12...22%) навантаження лівого борта. З підвищенням глибини оранки навантаження правого борта зростає, а лівого пропорційно зменшується. Це пояснюється підвищенням опору перекочуванню правої гусениці, що рухається по більш пухкому ґрунту поруч із борозною попереднього проходу.

Ефективний гаковий ККД гк трактора ХТЗ-200 при агрегатуванні з плугом отриманий на основі аналізу витрат потужності в трансмісії Nтр, на буксування Nб, пересування трактора Nf та на підвороти Nп.

За результатами випробувань отриманий ККД трансмісії при прямолінійному русі на гоні для трактора ХТЗ-200 тр = 0,92 (витрати потужності на привод гідронасоса навісного механізму і ГОП 10,2...10,4 кВт (13,9…14,2 к.с). При підворотах трактора на гоні витрати потужності зростають у межах 12,5...25,3 кВт (17,0…34,4 к.с.) внаслідок включення в роботу гідромотора ГОП. При підворотах ККД трансмісії трактора ХТЗ-200 перебуває в межах тр = 0,8...0,9, де нижня межа відноситься до повороту на місці на стерні пшениці.

Потужність визначається величиною буксування рушіїв, яка збільшується на повороті трактора через перерозподіл дотичної сили тяги між гусеницями, що забігають та відстають. За результатами експериментальних досліджень отримано, що при агрегатуванні трактора ХТЗ-200 із плугом ПРУН-5-45 (оранка стерні пшениці на глибину 30 см) при русі без підворотів буксування при коефіцієнті використання зчіпної ваги кр = 0,7 знаходиться в межах д ,5...3,5%, при русі з підворотами буксування зростає д = 3,5...4,0%,. При агрегатуванні трактора ХТЗ-200 з плугом ПЛП-6-35 буксування при русі без підворотів знаходиться в межах д = 2...3%, при русі з підворотами буксування в трактора ХТЗ-200 зросло до д = 3,0...3,5%. Знижене буксування трактора ХТЗ-200 при агрегатуванні з плугом ПЛП-6-35 у порівнянні з агрегатом з плугом ПРУН-5-45 пояснюється більш рівномірним розподілом вертикальних реакцій по бортах трактора.

Потужність Nf на пересування трактора (формування колії) при прямолінійному русі трактора визначається опором перекочування, який для трактора ХТЗ-200 при русі на рівній ділянці стерні пшениці Pf= 9,2 кН. Для даного випадку ККД перекочування = 0,92.

При перекочуванні трактора на добре зв'язаному ґрунті під лівою і малозв'язаному під правою гусеницею (поблизу краю борозни) з більшим опором коченню зусилля опору перекочуванню зростає до = 12,3 Н, що призводить до зниження f = ,89. При перекочуванні трактора по криволінійній траєкторії на ґрунті з різним опором кочення під гусеницями ККД знижується f = 0,86, що пояснюється в основному додатковим опором при криволінійному русі тракторів за рахунок тертя і бічного зміщення ґрунту гусеницями.

При криволінійному русі орного агрегату (підвороти трактора) потужність на гаку за рахунок зниження тр, f і підвищення буксування при швидкості руху = 6,35 км/год агрегату ХТЗ-200 + ПРУН-5-45 зменшується на 12,2%, при = 8,37 км/год на 16,3%, тобто збільшення швидкості орного агрегату на 1,0 км/год при русі на гоні з підворотами приводить до зменшення на 2,0% потужності на гаку трактора. Це приводить до зниження ефективного гакового ККД гк трактора (рис. 7).

Аналіз кривих зміни ККД трактора ХТЗ-200 на орних роботах доводить, що ефективний гаковий ККД гусеничного трактора на орних роботах, що відображає співвідношення витрат енергії двигуна на подолання опору плуга і додаткових енерговитрат на підвороти через непрямолінійність руху, менше на 5...9% тягового ККД трактора при прямолінійному русі в діапазоні робочих швидкостей руху = 6,5...9,5 км/год.

Рис. 7. Зміна тягового (тр) і ефективного гакового (гк) ККД трактора ХТЗ-200

на орних роботах з плугом ПРУН-5-45 (оранка стерні пшениці на глибину 30 см)

Навантаженість елементів трансмісії трактора ХТЗ-200. Аналіз результатів експериментальних досліджень довів, що при підворотах трактора ХТЗ-200 при агрегатуванні з плугом на відстаючому борті спостерігається негативне значення крутного моменту (табл. 2).

Таблиця 2

Навантаженість півосей трактора ХТЗ-200 при різних режимах руху

(плуг ПРУН-5-45, глибина оранки 25...27 см, фон – стерня озимої пшениці)

При підворотах трактора ХТЗ-200 на гоні півосі забігаючого борта зростає в 1,6…2,3 рази, негативний момент на півосі відстаючого борта приблизно в 4...5 рази менше .

Експлуатаційно-технологічні показники трактора ХТЗ-200 на орних роботах оцінені в порівнянні з трактором ХТЗ-180 (базовий варіант) при агрегатуванні з плугами ПРУН-5-45 і ПЛП-6-35 при проведенні трьох контрольних змін по 8,2 год за кожну зміну (табл. 3).

В табл. 3 позначені: середня швидкість руху ; ширина захвата В; глибина оранки h; обсяг виконаної за зміну роботи F; коефіцієнти робочих ходів K1, технічного обслуговування K2, надійності технологічного процесу K3; продуктивність за годину основного Wo і технологічного Wт часу; співвідношення продуктивності тракторів ХТЗ-200 і ХТЗ-180 за годину основного Wo2 / Wo1 і технологічного Wт2 / Wт1 часу; витрата палива за одну годину технологічного часу Gт і 1 га обробленого поля Gn; співвідношення витрати палива тракторів ХТЗ-200 і ХТЗ-180 за одну годину технологічного часу Gт2 / Gт1 і 1 га обробленого поля Gn2 / Gn1.

Таблиця 3

Експлуатаційно-технологічні показники тракторів ХТЗ-200 і ХТЗ-180 на орних роботах

За результатами експлуатаційно-технологічних випробувань тракторів ХТЗ-200 і ХТЗ-180 на орних роботах можна зробити висновки:–

продуктивність за одну годину технологічного часу трактора ХТЗ-200 при агрегатуванні з плугами ПРУН-5-45 і ПЛП-6-35 вище на 6,8...9,3% у порівнянні з орним