CC BY
49
УДК 629.114.2-182
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДЪЕМНО-НАВЕСНЫХ УСТРОЙСТВ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
В. Б. ПОПОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого» Республика Беларусь
Введение
Рост производительности труда в растениеводстве тесно связан с совершенствованием технологических процессов и научно обоснованным выбором рациональных параметров машинно-тракторных агрегатов (МТА). В процессе эксплуатации критериальную оценку режимов работы МТА рекомендуется проводить по показателям: его максимальной производительности; минимуму расхода топлива; минимальным потерям урожая и др. [1]. Необходимо отметить, что вне зависимости от выбора варианта оценки должно соблюдаться требуемое качество работы МТА.
Мобильные энергетические средства (МЭС) - энергонасыщенные тракторы и фронтальные погрузчики, универсальные энергетические средства и шасси при агрегатировании с рабочими орудиями (РО) и навесными машинами используются в разных функциональных режимах, три из которых основные - рабочий, транспортный и режим перевода навесной машины из рабочего положения в транспортное [2]. Характер агрегатирования МЭС с РО определяется выходными параметрами подъемно-навесных устройств (ПНУ), связывающих энергосредства с рабочими орудиями. При этом можно выделить взаимодействующую тетраду: МЭС-ПНУ-РО-внешняя среда. Результаты проектирования, испытаний и эксплуатации ПНУ показывают, что часть его выходных параметров, определяемых как показатели качества, оказывает преимущественное влияние на характеристики производительности и экономичности трех вышеперечисленных режимов работы.
Целью исследования является обоснованный выбор показателей качества ПНУ на основных режимах работы МТА.
Основная часть
Подъемно-навесное устройство состоит из гидропривода и механизма навески, с помощью которого рабочее орудие или навесная машина агрегатируется с МЭС. В проекции на продольную плоскость симметрии МЭС механизм навески (МН) представляется одноподвижным восьмизвенным шарнирно-рычажным механизмом (рис. 1). Методическая база для структурного, геометрического, кинематического и силового анализа плоского аналога МН представлена в известных источниках [3], [6].
В условиях автоматизированного проектирования МЭС выходные параметры ПНУ должны многократно рассчитываться на ранних стадиях проектирования. Для этого были разработаны функциональные математические модели процедур геометрического, кинематического, силового и динамического анализа ПНУ [4].
Перераспределение нагрузки на оси МЭС во время работы (в составе МТА) и транспортного переезда, управляемость МЭС, передаточные числа МН и грузоподъемность ПНУ, максимальная высота и вылет навесной машины, а также время ее подъ-
ема, потери давления в гидромагистрали и коэффициент полезного действия МН влияют на режимы работы МТА. Это показатели качества (критерии оптимальности) ПНУ, определяемые внутренними параметрами ПНУ, МЭС и навесного оборудования.
а) б)
Рис. 1. Подъемно-навесное устройство (а) и плоский аналог его механизма навески (б): 1 - тяга верхняя; 2 - тяга механизма фиксации; 3 - рычаг поворотный; 4 - гидроцилиндры;
5 - тяги нижние; 6 - захват; 7 - ручка фиксатора; 8 - раскос
Координаты центра тяжести навесной машины (РО) определяются в рабочем и транспортном положении МН (рис. 1, б) через параметры вектора Ь56, связанного с координатами оси подвеса - П56 и повернутого в правой декартовой системе координат относительно Ь6 на угол ф56:
Х56 = Х56 + ^6 • С°^Ф6 + Ф56 ); ^6 = ^56 + ^6 • Мф6 + Ф56 ). (1)
Передаточное число МН представляет собой аналог вертикальной скорости центра тяжести навесной машины [5], зависящий от внутренних параметров МН и координат центра тяжести навесной машины относительно оси подвеса:
1 (5) = 53 [¿56 • Ф5 + и6546 • С°^Ф6 +Ф56 )], (2)
где фЗ - аналог угловой скорости поворотного рычага; и53, и65 - передаточные отношения, показывающие соотношения угловых скоростей звеньев; ф5(5), Ф6(5) -углы, образуемые аналогами звеньев в правой декартовой системе координат.
Первая часть суммы в выражении (2) представляет собой передаточное число МН на оси подвеса, позволяющее сравнивать между собой потенциальные возможности МН различных ПНУ.
Зная I(5), можно, не выполняя силовой анализ кинематической цепи, включающей МН и РО, оценить нагрузку, передаваемую от навесной машины (Р6) через звенья МН на шток гидроцилиндра:
^ (5) = Р61 (5). (3)
Силовой анализ МН выполняется по группам Ассура по известной методике [3], в результате определяются силы, действующие в шарнирах МН. Приведенная к штоку гидроцилиндра сила трения равна отношению от деления суммы мгновенных мощностей трения, затрачиваемых в шарнирах МН, на скорость поршня гидроцилиндра (ГЦ) - £ плюс трение манжеты поршня о гильзу ГЦ ^ ):
^ (£)=FтP.ц+т/р ^ (£) • Ф; (£)+^ я, (£) [ф; (£) ± ф;+1 (£ )]| (4)
где т - радиус шарниров тяг; /тр - коэффициент трения; Я0; (£), Яр (£) - силы, действующие, соответственно, в неподвижных и подвижных шарнирах МН; ф', ф'+1 -
аналоги угловых скоростей звеньев МН.
Для упрощения выражения (4) радиусы шарниров звеньев МН и коэффициенты трения полагаем одинаковыми для всех пар. В результате коэффициент полезного действия МН определяется по выражению
F^ (£ )
л(£) = , . (5)
Fs (£)+Fтрр (£)
Из выражений (4) и (5) следует, что КПД МН величина переменная. Аналитическое выражение для грузоподъемности ПНУ [3] имеет вид:
РТ Fc-Кпрр(£ •) + ^р(£ •)]
с = . гц с ,-^^ (6)
£ I (£ 0)
где £ ° - значение обобщенной координаты, соответствующее максимальному зна-
„шах /т^ттч
чению передаточного числа; ргц - максимальное давление в гидроцилиндре (1 Ц); Fc - суммарная площадь поршней со стороны нагнетающей магистрали; FиIIlр (£°) -
приведенная сила инерции.
Максимальное давление в ГЦ определяется по разнице между настройкой (константой) предохранительного клапана (рпк), с одной стороны, и минимумом потерь давления в гидромагистрали (величиной переменной), с другой [4]. Поэтому чем меньше потери давления (Лр) в гидроприводе, тем больше возможное давление в напорной полости ГЦ:
Ргц = Рпк - М + а2£ + аз£2), (7)
где а1, а2, а3 - коэффициенты пропорциональности, соответствующие инерционным, скоростным и местным потерям давления; £ и £ - ускорение и скорость движения поршня ГЦ.
Приведенная сила инерции определяется по результатам динамического анализа ПНУ [4] и имеет вид:
F^(£) = т(£)£ + 2т'(£)£2, (8)
где т(£) и т'(£) - приведенная масса РО и ее производная по обобщенной координате.
Грузоподъемность ПНУ (6) характеризует вес РО, находящегося на соответствующем расстоянии от оси подвеса, который можно перевести из рабочего в транспортное положение. Как следует из выражения (6), грузоподъемность ПНУ - это интегральный показатель, зависящий одновременно от параметров гидропривода, механизма навески и массово-геометрических характеристик РО. Следует также отметить, что передаточное число МН МЭС (2) изменяется по мере подъема РО, а его максимальное значение ограничивает грузоподъемность ПНУ, т. е. вес РО, который можно перевести при помощи ПНУ в транспортное положение.
Время перевода РО из рабочего положения в транспортное определяется как отношение рабочего объема гидроцилиндров к подаче насоса гидропривода ПНУ с учетом его объемного КПД, но без учета времени нарастания давления в гидроцилиндре при переключении распределителя гидропривода ПНУ из-за его быстротечности:
t =
под
^Лоб
(9)
где V - суммарный рабочий объем гидроцилиндров ПНУ; q - производительность гидронасоса; п - частота вращения вала гидронасоса; лоб - объемный КПД гидронасоса.
В транспортном положении навесной машины опрокидывающий момент относительно точки A (рис. 2), создаваемый ее весом, приобретает максимальное значение. Из практики эксплуатации МТА было принято [7], что для устойчивого управления движением агрегата часть его веса, приходящаяся на мост управляемых колес (RA), должна составлять от 16 до 20 % (0,16 < к < 0,2) от общего веса МТА.
_ L _
Рис. 2. Схема сил, действующих на опорную поверхность со стороны МТА с навесной машиной в транспортном положении
Для расчета параметра управляемости МЭС в режиме транспортного переезда составляется уравнение равновесия моментов сил, действующих на МТА относительно точки опоры ведущих колес:
2M = PJa + L) + PM3Cb-P6Xs6 -RaL = 0,
где P - вес противовеса, PMac - вес МЭС; P6 - вес навесной машины; L - база МЭС;
a и b - расстояние от вертикальной проекции центра тяжести УЭС до вертикальных проекций центра тяжести противовеса и оси моста ведущих колес, соответственно.
Разрешив уравнение моментов сил относительно реакции на управляемом колесе RA, получим:
Р 1Уа + '■) + РмэсЬ - ^6
Р=-г-•
Вместе с вышеуказанным ограничением получим систему, состоящую из уравнения и неравенства:
п рмэс Ь — р6 х8 6 + Рр( г + а)
А г ' (10)
ЯА > к (Рмэс + Рб + Ргр)-
В результате решения системы (10) получим условие соблюдения управляемости МТА, которое состоит в ограничении веса агрегатируемой с МЭС навесной машины или рабочего орудия:
Рмэс(Ь—кг)+РГР [а+г(1—к)]
6 + кг
Рб <— . (11)
^ 6
В режиме транспортного переезда МТА из-за кинематического возбуждения со стороны микрорельефа [8], [9] центры тяжести МЭС и навесной машины совершают сложные колебания в продольной плоскости (рис. 2), получая ускорения, вызванные контактированием колес МЭС с соответствующим агрофоном:
р;= Р6 ±т6?86. (12)
При этом исходная нагрузка Р6*, передающаяся на тяги МН, также приобретает вероятностный колебательный характер, что приводит к переменному характеру силового воздействия на раму МЭС и перераспределению нормальных реакций между передним и задним мостами МЭС.
В рабочем режиме, например при агрегатировании МЭС с плугом, во всем диапазоне глубины обработки почвы должны обеспечиваться благоприятные условия для самозаглубляемости и стабильности глубины хода рабочих органов (плуга), что обеспечивается соответствующим расположением [10] горизонтальной координаты (ХР) мгновенного центра вращения навесной машины (рис. 3) в рабочем положении:
Хр =(^56Х05-^>Х>6)Х^—^^ХоЗ-Х>6)06Х)7—^От^т) (13)
Р 0(07 Х67)\Х05 Х56) \Х07 Х67)\^05 °56/
Для анализа динамики МТА, кроме тягового сопротивления РО, необходимо также иметь данные о величине догрузки МЭС вертикальными силами, действующими на РО, и о влиянии силового воздействия навесных машин на распределение нормальных реакций между передними (РА) и задними колесами (Рв) МЭС [8]. Поэтому силовой анализ по группам Ассура необходимо провести повторно, дополнительно, учитывая не только вес РО, но и его тяговое сопротивление, а также реакцию со стороны опорного колеса плуга.
Рис. 3. Схема движения внешнего четырехзвенника МН и МЦВ выходного звена L6
Анализ распределения нагрузок по осям МЭС показывает, что зависимость тяго-во-сцепных качеств УЭС 290/450 со всеми ведущими колесами (4К4) от распределения нагрузок между их осями может быть представлена в функции коэффициента X, изменяющегося в пределах 0,25 < X < 0,66:
X - Ra
X- R,
Оптимальная величина X у МЭС будет, если его тяговый КПД стремится к своему максимальному значению (лт ^ max) [11], причем он определяется по известному выражению
лТ ^трЛ^Л^ (14)
где лтр - КПД трансмиссии; лк - КПД колеса; Лз - КПД, учитывающий потери мощности на буксование; лспр - КПД, учитывающий потери мощности на образование колеи.
Произведение первых двух компонент выражения (14) определяет совершенство конструкции МЭС, а ЛбЛспр - его тягово-сцепные свойства. Уточняя содержательную часть двух последних компонент выражения (14), получим:
Лт -лтрлк(1 "s)
Г F Л
1 спр
V1
где 5 - буксование в долях единицы; Fспр - сила сопротивления перекатыванию при смятии грунта движителем и образовании колеи; ^ - касательная сила тяги [10].
Заключение
Автоматизированное проектирование МЭС опирается на компьютерное моделирование его узлов и агрегатов. Формирование функциональных математических моделей режимов работы подъемно-навесных устройств МЭС является необходимым условием для многовариантного анализа их выходных параметров в различных условиях эксплуатации. Одно из условий решения задачи параметрического синтеза ПНУ, удовлетворяющего требованиям заказчика, состоит в назначении показателей качества ПНУ и получении для них аналитических выражений для использования на ранних стадиях
проектирования МЭС. Обоснованный выбор критериев качества - ступень в формировании постановки задачи параметрической оптимизации ПНУ [12], решение которой
послужит технико-экономической рационализации режимов работы МТА.
Литература
1. Амельченко, П. А. Агрегатирование тракторов «Беларусь» : учеб. пособие / П. А. Амельченко, Б. Я. Шнейсер, Н. Г. Шатуня. - Минск : Ураджай, 1993. -С. 302.
2. Попов, В. Б. Анализ режимов работы подъемно-навесного устройства универсального энергетического средства УЭС-290/450 «Полесье» // Актуальные вопросы машиноведения : сб. науч. тр. / Объедин. ин-т машиностроения НАН Беларуси» ; редкол.: А. А. Дюжев [и др.]. - Минск, 2012. - Вып. 1. - С. 99-102.
3. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин / И. И. Артоболевский. - М. : Машиностроение, 1988. - С. 640.
4. Попов, В. Б. Функциональная математическая модель анализа подъемно-навесных устройств мобильных энергетических средств / В. Б. Попов // Механика-2011 : сб. науч. тр. V Белорус. конгр. по теорет. и приклад. механике / Объедин. ин-т машиностроения НАН Беларуси ; редкол.: М. С. Высоцкий [и др.]. - Минск, 2011.-Т. 1. — С. 169-176 (Справ. по с.-х. машинам).
5. Попов, В. Б. Аналитические выражения кинематических передаточных функций механизмов навески энергоносителей / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2000. - № 2. - С. 25-29.
6. Озол, О. Г. Теория механизмов и машин : пер. с латыш. / О. Г. Озол / под ред. С. Н. Кожевникова. - М. : Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - С. 432.
7. ГОСТ 10677-2001. Устройство навесное заднее сельскохозяйственных тракторов классов 0,6-8. Типы, основные параметры и размеры (межгосударственный стандарт). - Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2002. - С. 8.
8. Скотников, В. А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля / В. А. Скотников, А. А. Мащенский, А. С. Солонский. - М. : Агропромиздат, 1986. - С. 383.
9. Попов, В. Б. Математическое моделирование мобильного сельскохозяйственного агрегата в режиме транспортного переезда / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2005. - № 3. - С. 13-18.
10. Попов, В. Б. Влияние параметров механизма навески и плуга на тягово-энергетические показатели пахотного агрегата / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2013. - № 4. - С. 58-64.
11. Многоцелевые гусеничные и колесные машины. Теория : учеб. пособие / В. П. Бойков [и др.] ; под общ. ред. В. П. Бойкова. - Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М. -М., 2012. - 543 с. : ил. - (Высш. образование).
12. Попов, В. Б. Параметрическая оптимизация подъемно-навесного устройства универсального энергетического средства УЭС 290/450 «Полесье», агрегатируемого с навесным кормоуборочным комбайном КНК-500 / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2013. - № 1. - С. 35-43.
Получено 23.04.2015
