WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

«СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ КОЛЕСНЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Волгоградский государственный аграрный университет

На правах рукописи

ГАПИЧ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ

КОЛЕСНЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Кузнецов Николай Григорьевич Волгоград -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ

С ТЯЖЕЛЫМИ ПОЧВАМИ ЗАСУШЛИВЫХ ЗОН И НЕКОТОРЫЕ

ДОПОЛНЕНИЯ К НЕЙ…………………………………………………………...

1.1. МАШИННО-ТРАКТОРНЫЙ АГРЕГАТ КАК ДИНАМИЧЕСКАЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ……………………………………………………. 1.1.1. Системный анализ — методологическая основа математического моделирования системных объектов……………………………………………. 1.1.2. Концептуальная физическая модель машинно-тракторного агрегата…

1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНОГО

ДВИЖИТЕЛЯ С ПОЧВОЙ………………………………………………………. 1.2.1. Аналитическая связь между вертикальной нагрузкой на гладкое колесо и максимальной деформации шины при свободном качении…………………

1.2.2.Распределение вертикальных удельных давлений в пятне контакта пневматического колеса с почвозацепами, нагруженного вертикальной силой………………………………………………………………………………. 1.2.3. Оценка вертикальных удельных давлений в пятне контакта шины ведущего колеса с почвой……………………………………………………....... 1.2.4. Оценка горизонтальных удельных давлений (почвозацепа) в пятне контакта шины ведущего колеса…………………………………………………

1.3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ МОМЕНТА

СОПРОТИВЛЕНИЯ ВЕДУЩЕГО КОЛЕСА ТРАКТОРА ПРИ РАБОТЕ В

СОСТАВЕ МТА ………………………………………………………………….

1.4. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЕННОГО ФОНА В

ГОРИЗОНТАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ (АППРОКСИМАЦИЯ КРИВОЙ

БУКСОВАНИЯ)…………………………………………………………………...

1.5. ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЁСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ С

ПОЧВОЙ КАК ИСТОЧНИК НЕРАВНОМЕРНОГО НАГРУЖЕНИЯ

МТА………………………………………………………………………………...

1.6. ПРОБЛЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ

ТРАКТОРА В СОСТАВЕ МТА УСТАНОВКОЙ УПРУГИХ

ЭЛЕМЕНТОВ……………………………………………………………………... 1.6.1. Машинно-тракторный агрегат как измерительное устройство прочностных свойств обрабатываемого материала…………………………….. 1.6.2. Физическая и структурная модель машинно-тракторного агрегата для работы в условиях повышенного динамического нагружения……………….. ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ………………………………………………… ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………………………

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

ПОЧВЫ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ…………………………...

2.1. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ТРАКТОРОВ

С КОЛЕСНОЙ ФОРМУЛОЙ 4К2……………………………………………… 2.1.1. Определение параметров дробно-рациональной функции, аппроксимирующей кривую буксования ……………………………………… 2.1.2. Влияние динамичности крюкового усилия трактора на коэффициент буксования (динамика процесса буксования) ……………………………….. 2.1.3. Снижение тяговых свойств колесного движителя трактора за счет самогенерации неслучайных устойчивых колебаний действующих усилий в пятне контакта …………………………………………………………………. 2.1.4. Полная характеристика несущей способности почвы …………………..

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ТРАКТОРОВ С

КОЛЕСНОЙ ФОРМУЛОЙ 4К4………………………………………………….

ГЛАВА 3. СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ КОЛЕСНЫХ

ТРАКТОРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ В НАВЕСКЕ…...

3.1. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1.1. Оптимизация жесткости упругого элемента в прицепном устройстве по разностному критерию

3.1.2. Оптимизация жесткости упругого элемента в прицепном устройстве из 3.1.3. Другие возможные критерии оптимизации жесткости упругого 3.1.4. Определение частоты собственных продольно-угловых колебаний колесных

3.2.ЭПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

3.2.1. Исследование влияния жесткости упругого элемента в прицепном 3.2.2. Влияние жесткости упругого элемента в прицепном устройстве МТА 3.2.3. Влияние жесткости упругого элемента в прицепном устройстве 3.2.4. Производственные показатели МТА при различной жесткости

ГЛАВА 4. СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ КОЛЕСНЫХ

ТРАКТОРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КРЕПЛЕНИИ

4.1. ВОЗМОЖНОСТИ АКТИВИЗАЦИИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН………………………………………

4.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ

ЖЕСТКОСТИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕСТАХ КРЕПЛЕНИЯ

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ



КУЛЬТИВАТОРНОЙ СТОЙКИ С УПРУГОЙ СВЯЗЬЮ В ЕЕ

4.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КРЕПЛЕНИИ РАБОЧИХ

4.4.1. Влияние жесткости и предварительного натяга упругого элемента в креплении рабочего органа на горизонтальную составляющую тягового 4.4.2. Обоснование величины усилия предварительного натяга упругого элемента в креплении рабочего органа ……………………………………… 4.4.3. Спектральный анализ горизонтальной составляющей тягового сопротивления рабочего органа культиватора………………………………….

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УПРУГИХ

ГЛАВА 6. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНЕДРЕНИЯ ОПЕРАЦИИ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПОЛИВА В ТЕХНОЛОГИЮ ОБРАБОТКИ

6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА

6.2. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ

6.3. АНАЛИЗ РАБОТЫ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ НА УВЛАЖНЕНОЙ

6.4. ОПТИМИЗАЦИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ В ОРОШАЕМЫХ

ХОЗЯЙСТВАХ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ

6.5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ………… 6.5.1. Исследование силовых и кинематических затрат………………………. на самопередвижение трактора в зависимости от влажности почвы…………. 6.5.2. Исследование влияния влажности поля на динамичность процесса нагружения трактора в составе МТА…………………………………………… 6.5.3. Влияние рабочей скорости движения МТА на К.П.Д. ходовой системы трактора, на полях различной влажности………………………………………. 6.5.4. Зависимость крюкового усилия от влажности поля и скорости движения МТА на различных сельскохозяйственных операциях……………. 6.5.5. Производственные показатели МТА на полях разной влажности………

ГАВА 7 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕР ПО СТАБИЛИЗАЦИИ

7.1. Экономическое обоснование введения в технологические операции обработки почвы предварительного полива……………………………………. 7.2. Экономический эффект от использования упругих элементов в прицепном устройстве и в креплении рабочих органов культиваторного ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современное развитие сельскохозяйственного производства основывается на использовании высокопроизводительной техники и энергосберегающих технологий. Основным направлением повышения производительности труда в почвообработке является повышение энергонасыщенности применяемых колесных тракторов. В этом случае наиболее острой становится проблема оптимизации состава и эффективного использования машиннотракторных агрегатов (МТА). В производственных условиях недоиспользование мощности двигателя может достигать до 20%, а перерасход топлива до 15 %, кроме того неустановившиеся нагрузки, действующие на трактор со стороны почвообрабатывающей машины, в значительной степени снижают потенциальные тяговые возможности энергонасыщенных колесных тракторов, и как следствие, приводят к превышению экологических ограничительных порогов (допустимого коэффициента буксования) при установлении допустимых режимов их работы [145].

Эта проблема получила новое звучание с приходом на отечественный рынок импортных колесных тракторов. Связано это со следующими обстоятельствами.

Для любой сельскохозяйственной машины (в том числе и для трактора) в качестве обоснования технического задания на проектирование формулируется агротехнические требования, включающие технические параметры машины и ограничения, накладываемые на них для обеспечения заданного качества выполнения той или иной сельскохозяйственной операции.

Агротехнические требования, разработанные научно-исследовательскими институтами сельского хозяйства и представителями производства конкретно нашей страны являются перечнем свойств машины, составляющим основу показателей для оценки машины с целью постановки ее на производство.

Импортная техника – это машины, созданные в другой экономической, социальной и природно-климатической среде, как правило, не прошедшие сертификационных испытаний на российских машинно-испытательных станциях (МИС), а поэтому не имеющие четкой информации относительно номинального тягового усилия трактора, его энергонасыщенности, четкой системы реализации повышенной мощности двигателя и др. Кроме того, учитывая ориентированность конструктора на идеальные условия эксплуатации, используемые сегодня машиннотракторные агрегаты в основном приспособлены к эффективному функционированию лишь в условиях, приближенных к статическим, при идеальной взаимосвязи параметров всех рабочих систем и четко отлаженной системе контроля за их техническим состоянием.

Приобретая такую технику для существующего парка сельскохозяйственных машин, эксплуатационник часто при достаточно хорошем энергосредстве и такой же качественной сельскохозяйственной машине может получить не совсем эффективный МТА.

Решение проблемы повышения энергоэффективности колесных МТА в реальных условиях эксплуатации и оптимизация их состава видится:

- в развитии методов аналитического расчета и прогнозирования закономерностей формирования оценочных показателей эффективности функционирования МТА в целом с учетом его конструктивных особенностей и условий эксплуатации;

- в ограничении динамических нагрузок до уровня колебаний, не вызывающих резкого повышения энергоёмкости выполняемых операций, а значит приводящих к повышению полезно используемой мощности двигателя.

- в разработке простых и доступных мер по стабилизации режимов нагружения трактора в составе МТА, создающих такие условия работы трактора, при которых выполняется высококачественное и надежное осуществление технологических операций.

К таким мерам можно отнести: проведение подготовительных работ по выравниванию полей, использование специальных двигателей (ДПМ-двигатель постоянной мощности), применение упругих элементов в системах: «валопровода»; механизма навески; движетелях; муфте сцепления; в креплении рабочих органов почвообрабатывающей машины; изменение прочностных характеристик обрабатываемого материала – почвы за счет введения в технологию почвообработки операции предварительного полива.

Вопросам прогнозирования и повышения энергетической эффективности колесных машинно-тракторных агрегатов различных конструктивных схем в реальных условиях эксплуатации, имеющих важное народнохозяйственное значение, посвящена предлагаемая работа.

Целями исследования является:

1. Развитие методов аналитического расчета тягово-сцепных свойств проектируемых и существующих моделей колесных тракторов различных конструктивных схем, учитывающих зональные условия эксплуатации и особенности динамического нагружения трактора в составе МТА технологическим процессом.

2. Разработка и реализация конструкторских и технологических мер по стабилизации режимов нагружения трактора в составе МТА.

Объекты исследования. МТА на базе колесных тракторов различных конструктивных схем и тяговых классов.

Задачи исследования:

1. Уточнить математическую модель оценки тягово-сцепных свойств тракторов с колесной формулой 4К2 при нагружении их постоянным крюковым усилием.

2. Изучить влияние динамического характера нагружения колесного трактора крюковым усилием на процесс буксования, а также возможность снижения тяговых свойств колесного движителя за счет самогенерации неслучайных устойчивых колебаний действующих усилий в пятне контакта.

3. Разработать математическую модель оценки несущей способности почвы по кривой буксования d = f ( Pk ) при стационарном и динамическом нагружении трактора крюковым усилием.

4. Разработать математическую модель оценки тягово-сцепных свойств полноприводных тракторов на базе теории формирования полной несущей способности почвы.

5. Уточнить методику тягового расчёта колесных тракторов на базе теории формирования полной несущей способности почвы.

6. Уточнить теоретические положения оптимизации параметров горизонтальных стабилизаторов нагрузки.

7. Разработать теоретические положения снижения динамических импульсов нагружения трактора за счёт изменения прочностных характеристик почвы путём повышения виброактивности рабочих органов и оптимизации их действия на почву без экологических последствий.

8. Провести теоретическое обоснование возможности использования операции предварительного полива в технологии механической обработки почвы для снижения импульсов динамического нагружения трактора за счёт уменьшения её прочностных характеристик.

9. Обосновать экономическую целесообразность дополнительной стабилизации нагружения МТА с тракторами высоких тяговых классов.

Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:

развита теория взаимодействия колесных движителей сельскохозяйственных тракторов класса 1,4 кН с почвой, позволяющая по средним показателям физико-механических свойств почвы, геометрическим параметрам шины и динамическим характеристикам крюкового усилия оценивать тяговые возможности трактора в составе МТА;

доказана возможность распространения разработанных закономерностей рассматриваемой теории на работу движителей полноприводных тракторов и использование этих закономерностей при оптимизации рабочих процессов МТА;

разработана математическая модель взаимодействия МТА с обрабатываемым материалом, используемая для определения оптимальной жесткости стабилизирующего упругого элемента в прицепном устройстве тракторов класса 3 и выше, работающих с современными широкозахватными комбинированными почвообрабатывающими орудиями;

разработаны теоретические положения по стабилизации тягового усилия культиваторного МТА путем оптимизации упругих связей, обеспечивающих устойчивое колебание пассивных рабочих органов, с целью снижения внутреннего трения в почвенных пластах;

проведена комплексная оценка целесообразности использования упругих элементов в системе формирования силового потока МТА;

разработаны теоретические положения по использованию операции предварительного полива в технологии механической обработки почвы с целью повышения производительности и снижения суммарных затрат почвообрабатывающих МТА на орошаемых землях.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в развитии научных основ, методов и средств, с помощью которых можно:

получать достоверную информацию о тяговых свойствах колесных тракторов различных конструктивных схем в реальных условиях эксплуатации без проведения натурных тяговых испытаний;

оценивать приспособленность колесных тракторов к местным условиям эксплуатации и режимам их нагружения в составе МТА;

устанавливать допустимые режимы нагружения тракторов в составе МТА на этапе его комплектования;

принимать решение о целесообразности приобретения данного колесного трактора к имеющемуся парку почвообрабатывающих машин;

разрабатывать методы и алгоритмы адаптации узлов и механизмов МТА к эффективному функционированию в реальных условиях эксплуатации, а также находить оптимальные характеристики при модернизации серийных тракторов с целью повышения их технико-экономического уровня;

проводить прогноз по эксплуатационным показателям тракторов в составе МТА как на стадии его проектной разработки, так и в процессе функционирования;

совершенствовать нормативно-методическую базу тяговых испытаний тракторов в составе МТА.

Методология и методы исследования.

Методика исследования предусматривала теоретический анализ рабочих гипотез, их экспериментальную проверку в полевых условиях и экономическую оценку результатов работы.

В теоретических исследованиях использованы положения теории грунтов, теоретической механики, методы математического анализа и математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях на базе общепринятых и частных методик, разработанных автором.

Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту.

математические модели по оценке тягово-сцепных свойств колесных тракторов различных конструктивных схем в реальных условиях эксплуатации;

конструкторские и технологические меры по повышению энергетической эффективности колесных машинно-тракторных агрегатов при выполнении технологических операций за счет стабилизации режимов их нагружения крюковым усилием.

Степень достоверности и апробация результатов.

Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении.

Основные положения работы и результаты исследования доложены и получили положительную оценку в процессе обсуждения на следующих семинарах и конференциях:

Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава «Актуальные проблемы развития АПК» (Волгоград с 2003 по 2013 годах);

Международной научно-практической конференции «Региональные проблемы народного хозяйства» (Ульяновск 2004 год);

Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (Таганрог 2011);

Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоградского государственного технического университета 2013 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 научных работ, в том числе 3 патента, 1 авторское свидетельство, 20 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 17,87 печатных листов, из них 9,5 печатных листов принадлежит автору.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ СОВРЕМЕННОЙ

ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ

С ТЯЖЁЛЫМИ ПОЧВАМИ ЗАСУШЛИВЫХ ЗОН

И НЕКОТОРЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ К НЕЙ

КАК ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

1.1.1. Системный анализ — методологическая основа математического моделирования системных объектов В научных исследованиях группы объектов, в комплексе выполняющих какоелибо действие, направленное на изменение состояния обрабатываемого материала, используется понятие «системный анализ».

Системный анализ — это методология научного исследования о способах достижения целей при функционировании сложных систем [139].

Система — это совокупность элементов, связанных между собой совместным выполнением определенных действий, способных обеспечить рациональное согласование их взаимодействия для достижения поставленных целей.

Элемент — это некая самостоятельная часть системы, рассматриваемая при системном анализе как единое целое с интегральным поведением всей системы, направленное на реализацию присущей этому целому функции.

Фундаментальным свойством системы является целенаправленность, определяющая способность реализовывать целевое назначение системы, то есть возможность её функционирования в нужном направлении.

Целевое назначение системы воплощается с помощью определённого набора элементов, обладающих тремя важнейшими свойствами:

1) возможностью выполнения одного или нескольких действий;

2) наличием логики поведения (алгоритмом действия);

3) исполнением их в определённых условиях.

Целесообразное использование системного объекта обеспечивается другим свойством системы — целостностью.

Целостность — характеристика, определяющаяся не только глубиной механических и других связей элементов, но и способностью использования свойств отдельных элементов системы при формировании ее суммарных передаточных функций, вплоть до появления свойства эмедржетности, то есть формировании новых свойств, которые отсутствовали в составляющих элементах.

Новые свойства могут быть получены при создании систем только при наличии обратных связей у объединенных в систему элементов.

Обратные связи — это каналы информации (иногда и действий), по которым в системе формируется неотъемлемое свойство системы — управляемость. Управляемость технических систем является искусственным порождением, формируемым направленным действием создателей систем. Управляемость может быть активной и пассивной. Активные алгоритмы управления формируются с помощью специальных устройств, обеспечивающих степень изменения выходных параметров изменением задающих параметров (например, подачи топлива в двигатель).

Пассивные системы используют существующие в природе закономерности влияния режимных параметров на выполняемое действие.

Любая система, выполняющая некоторую функцию, взаимодействует со средой, в которой она существует, в условиях некоторой информативной неопределённости. Информативная неопределённость вызывает необходимость проведения идентификации (обоснования оценки, по какой-либо характеристики) условий, в которой действует сложный объект. Методы идентификации разнятся в зависимости от типа информативной неопределённости, которая может оказаться устранимой или неустранимой. При неустранимой информационной неопределённости используются кибернетические методы обхода неопределённости путем использования алгоритмов самоорганизации.

В нашем случае (эксплуатации машинно-тракторного парка), как правило, наблюдается устранимая информативная неопределённость, связанная с неизвестностью точных характеристик среды, с которой приходится работать машиннотракторному агрегату (МТА). Неизвестны законы расположения неоднородностей в почве и характеристики этих неоднородностей. Неоднородности в почве могут быть проявлением особых свойств включений в однородную среду, могут вызываться изменением глубины обработки вследствие вертикальных колебаний рабочих машин МТА. Как правило, названные неоднородности не позволяют, исследователю оценить импульс ударных воздействий и закон его формирования, действующий со стороны среды на МТА.

Однако использование теории случайных функций позволяет обойти эти неопределённости и провести силовой, кинематический и энергетический анализ машинно-тракторных агрегатов разных конструктивных схем и найти пути формирования рациональных (а может быть, и оптимальных в полном смысле) схем МТА.

Методы системного анализа опираются на математическое моделирование изучаемых объектов. Конечно, при этом математическое описание (на любом языке (содержательном, вербальном (словесном)) может отражать лишь некоторые стороны их функционирования не совсем полно, в пределах изученности входящих в систему элементов. Сам системный анализ, в его сущностном содержании, немыслим без построения математической модели. В современном исследовании математическое моделирование — центральный этап изучения или проектирования любой системы, считает Моисеев Н.Н. [173].

При краткой характеристике метода системного анализа отмечено шесть свойств, присущих методу исследования сложных объектов. Их значительно больше, но названные свойства являются определяющими, особенно если к ним добавить свойства интерпретируемости. Интерпретация, согласно основам математического моделирования, — это установление соответствия между формальной математической моделью и содержательной системой (объекта).

Если все исходные положения, полученные анализом математической модели, имеют подтверждение в реальном объекте (содержательной системе), то математическая модель интерпретируема, а значит, в принятых ограничениях при формулировке определения системного объекта, она может быть адекватна и ему, то есть может соответствовать реальному объекту при этих условиях и служить для использования изучения свойств этого объекта.

Необходимость интерпретируемости модели определяет порядок выполнения операций [31, 42, 139, 173,] при построении концептуальной модели (для нас это физическая модель):

1. Обоснование реальной размерности объекта (числа значащих факторов).

Это действие предполагает:

a) выявление всех действующих факторов, определяющих поведение объекта.

Разделение их на главные, которые необходимо учитывать при моделировании, и второстепенные, которые могут при достаточном обосновании не учитываться;

б) принятие допущений по особенностям использования действующих в объекте связей;

в) обоснование способа математического описания связей элементов объекта.

2. Построение алгоритма счета в математических символах и форме, представляющей возможность проведения расчетов в известных пакетах программного обеспечения.

3. Создание машинного алгоритма счета.

4. Составление плана проведения вычислительного эксперимента и расчета по нему;

5. Обработку результатов счета, их анализ и формулировку выводов.

Полученные с машины данные представляют собой числовой массив, который каким-либо способом группируется (в зависимости от поставленной цели) для проведения сущностного или поведенческого анализа исследуемого сложного объекта.

Способ компоновки для числовых данных массива опирается на возможность получения ответов на следующие задачи [42]:

апробация преемственности исследований в новом;

отыскание объяснений неожиданных аспектов результатов исследования;

адаптация результатов для практического использования (оптимизация объекта, изменение структуры его на основании осмысления математической модели).

С первым пунктом связано доказательство адекватности модели реальному объекту, со вторым — возможность появления новых направлений научных поисков, а с третьим — решение повседневных вопросов хозяйственной жизни.

1.1.2. Концептуальная физическая модель машинно-тракторного агрегата Машинно-тракторный агрегат — это мобильный энерготехнологический комплекс машин, предназначенный для выполнения одной или нескольких сельскохозяйственных операций с заданным качеством.

Уже эта констатация сущности МТА свидетельствует о наличии в нём энергетического узла (двигателя внутреннего сгорания как источника энергии) для обеспечения его передвижения по обрабатываемому полю; движителей, осуществляющих преобразование вращательного движения коленчатого вала двигателя в поступательное движение трактора и крутящего момента движителей в тяговое усилие трактора для передвижения рабочего орудия по полю и выполнения присущей данному МТА сельскохозяйственной операции. Связь двигателя с движителями осуществляется трансмиссионной установкой через муфту сцепления, а остова трактора с сельскохозяйственным орудием — через механизм навески или сцепки.

Такое укрупненное членение сложного объекта, каковым является МТА, допускается необходимостью изучения [145]:

уровня загруженности двигателя;

закономерностей передачи энергии через трансмиссионную установку для привода движителей;

закономерностей преобразования потока энергии, подведённой к движителям, в энергию тяги для обеспечения работы рабочего орудия, то есть для выполнения или функционального назначения МТА;

закономерностей формирования характера изменения во времени крюкового усилия трактора.

Для получения перечисленных характеристик в экспериментальных условиях необходима установка соответствующих измерительных устройств, по крайней мере в трёх точках: 1 — на выходном конце коленчатого вала двигателя; 2 — на валу привода ведущих элементов движителей; 3 — на месте соединения с сельскохозяйственным орудием (рисунок. 1.1).

Рисунок 1.1. Концептуальная модель колёсного МТА: Д — двигатель; М — муфта сцепления; Т — трансмиссия; Движ — движители; СХМ — сельскохозяйственная машина При энергетическом исследовании МТА на установившемся эксплуатационном режиме (хотя и колебательном) его целесообразно упростить согласно рисунку 1.2.

Преимущество такого представления проявляется при составлении энергетического баланса МТА, исследовании типов приводов и комплексной энергетической оценке МТА в целом, включая и определение эксплуатационных характеристик.

Рисунок 1.2. Концептуальная модель МТА при работе на установившемся режиме: N дж, N кр, N е — соответственно мощности, передаваемые через ходовую часть (движители), крюком и развиваемая двигателем; М н, М дж, Ркр — соответственно моменты передаваемые двигателем, трансмиссией и крюковое усилие;

w н,wдж,Vтр — угловые скорости муфты сцепления, выходного вала трансмиссии и поступательная скорость трактора При наличии характеристик отдельных составляющих элементов (узлов) с помощью такой обобщенной модели могут устанавливаться закономерности обмена энергией между узлами и энергетические возможности всего агрегата.

Основная цель всех анализируемых, создаваемых или совершенствуемых методик, состоит в использовании их при оценке полезности комплектуемого МТА в виде его эксплуатационных характеристик (рисунок. 1.3).

Рисунок 1.3. Динамическая концептуальная модель МТА. Дополнительно появившиеся обозначения по сравнению с рисунком 1.1 и 1.2: Рк — касательное усилие движителя, hдв — КПД двигателя, Pf — сопротивление движения трактора, — коэффициент буксования К разрабатываемой модели МТА для его энергетической оценки предъявляются обычные требования системного анализа, в частности, необходимость отражения его объективной реальности, учета полезной и рассеянной энергии при соответствующих их характеристиках, обеспечения принципа наглядности связей.

В этом случае при помощи моделей, создаваемых на базе описанной концептуальной модели, могут решаться следующие задачи:

обоснование структурной модели взаимодействия трактора и рабочего орудия в исследуемом комплексе;

учет взаимодействия элементов МТА с целью определения выходных (оценочных) характеристик МТА;

установление зависимости выходных характеристик МТА от конструктивных параметров звеньев и оптимизация их по критериям оценки работы МТА в целом;

анализ состояния несущей способности почвы (способности осуществлять преобразование в любой момент времени колесом крутящего момента в тяговое усилие);

анализ тяговых возможностей серийных и вновь проектируемых сельскохозяйственных тракторов в различных почвенно-климатических условиях;

изыскание способов конструктивного совершенствования сельскохозяйственных тракторов и МТА на их базе с целью повышения их тягово-сцепных свойств и минимизации энергетических затрат с увеличением рабочих скоростей.

Выводы эти получены на основании анализа последующих работ, выполненных на базе рассмотренной концептуальной модели [1, 2, 9, 70, 84, 91, 94, 95, 118, 131, 132, 164, 193, 222, 237, 238].

Составление математического описания концептуальной модели стало возможным только после всесторонних натурных испытаний машинно-тракторных агрегатов разных конструктивных схем на разных работах, с разными рабочими скоростями, а также после изучения явлений, происходящих в пятне контакта движителей сельскохозяйственных тракторов с почвенном фоном. Для этого потребовались не только испытания реальных МТА, но и изучение использования научных положений по свойствам грунтов и других сыпучих сред, полученных строительными исследовательскими учреждениями [17, 22, 58, 59, 74, 78, 90, 120, 149, 233]. Совместный анализ результатов этих исследований позволил создать основы теории взаимодействия движителей с почвой на базе гипотезы формирования несущей способности «почвенного кирпича», зажатого между почвозацепами [141,142,143].

В результате этих изысканий были решены задачи [141]:

1) установление аналитической зависимости между вертикальной нагрузкой на тракторное колесо и деформацией его шины на почвах с разной вертикальной жёсткости;

2) распределение вертикальных удельных давлений в пятне контакта шины, снабжённой почвозацепами, с почвой и расчёта этих давлений;

3) установление связи между вертикальными удельными давлениями в пятне контакта и давлениями на упорных поверхностях почвозацепов (распространяющейся и на работу гусеничного движителя);

4) составление математической модели функциональной связи между коэффициентом буксования и крутящим моментом, конструкцией колеса, размерами и расположением почвозацепов на шине, характеристиками почвы;

5) обоснование критерия допустимого коэффициента буксования и ограничиваемого им крюкового усилия колёсного трактора;

6) формулировка закономерностей взаимосвязи сопротивления движению колёсных тракторов с характеристиками вертикальных и горизонтальных колебаний при работе с переменной нагрузкой на крюке на полях с неровным микрорельефом;

7) разработка методики расчета коэффициента буксования колесных тракторов при работе с переменной нагрузкой на крюке на полях с неровным микрорельефом.

Адекватность всех теоретических исследований описываемым реальным процессам была широко проверена экспериментальными исследованиями с непрерывной регистрацией всех значащих факторов, определяющих выходные показатели машинно-тракторных агрегатов.

Экспериментальные исследования для проверки теоретических положений перечисленных задач исследования потребовали регистрации всех значимых параметров, которые учтены на динамической концептуальной модели (рисунок 1.2, 1.3): момента двигателя ( М M ), момента привода ведущих элементов движителей ( М Т ), крюкового усилия ( Ркр ) и соответствующих им кинематических характеристик (частот вращения двигателя w м и выходных валов трансмиссии wдвиж, а также действительной скорости движения МТА Vтр ).

Измерение перечисленных величин можно было произвести непосредственно измерительными устройствами в передаваемом от двигателя мощностном потоке с регистрацией отдельно взятых силовых и кинематических показателей.

Но, в концептуальной модели фигурирует ещё один изменяемый фактор — коэффициент буксования трактора, который никак не может быть измерен непосредственно. Существующие ныне указатели, устанавливаемые в кабинах современных тракторов фиксируют практически некую условную величину по статической кривой буксования по действующему крутящему моменту на движителях [10,67,116,117,159,219].

Величина коэффициента буксования может быть вычислена по разности теоретической и действительной скорости движения (для этого необходимо непрерывное измерение деформации шины и угловой скорости колеса, а также действительного пути, пройденного трактором). Тогда выражение и будет коэффициентом буксования в процентах или в долях единицы который и определяет кинематический КПД движителей: hd = (1 - d ) тоже в долях единицы. В предыдущих формулах: Vт — теоретическая скорость движения трактора Vт = w rд ( w, rд — угловая скорость и динамический радиус колеса); Vд — действительная скорость трактора.

Для такого опосредованного определения коэффициента буксования требуется путеизмеритель, датчик измерения деформации шины и специальное вычислительное устройство счета искомого показателя через записываемые параметры.

Также для изучения распределений давлений в пятне контакта шины с почвой необходимы датчики давлений на элементы поверхностей шины, чтобы иметь представление о том, что в нём происходит.

Только в целом такой измерительно-вычислительный комплекс может обеспечить составление полного энергетического баланса МТА. Экспериментальный энергетический баланс может быть получен в виде числового массива и использован как «информация для размышлений», то есть для аналитического осмысления того, какие процессы идут в рассматриваемом «черном ящике».

Экспериментальной проверке подвергались тракторы МТЗ-5 МС, трактормакет, изготовленный на базе МТЗ 5МС с двигателем ЗИЛ 120 мощностью 67, кВт (92 л.с.); трактор-макет на базе МТЗ-50ПЛ с тем же двигателем; трактормакет, изготовленный на базе колёсного Т-40 с двигателем автомобиля ГАЗ-53Ф 53 кВт; серийные тракторы Т-40, МТЗ-52, МТЗ-80, К-700; трактор-макет с двигателем постоянной мощности со свободным впуском, изготовленный на базе трактора МТЗ-80; гусеничные тракторы-макеты, изготовленные на базе трактора ДТС с упругими навесками, а также с автомобильным дизельным двигателем ЯМЗ-238, дефорсированным в двигатель постоянной мощности со свободным впуском.

Все названные экспериментальные установки были оборудованы специальными упругими элементами в разных местах валопровода (в муфте сцепления, движителях и навеске) снабжены названными ранее измерительными устройствами с непрерывной регистрацией силовых и кинематических параметров, необходимых для энергетического анализа работы МТА. Дополнительно к ним производилась запись толкающих усилий, вертикальных нагрузок на передние и задние колеса, сопротивление передвижению переднего моста трактора.

Программы исследований в каждой из названных работ были индивидуальны.

Однако все они были частью общего плана экспериментальных работ, направленных на решение теоретических вопросов эксплуатации скоростных колёсных тракторов на тяжёлых почвах засушливых зон. Первые экспериментальные работы изучали зависимости показателей колесных тракторов (сопротивление движению и коэффициента буксования) от рабочей скорости движения МТА. Последующие работы планировались для накопления экспериментальных данных для решения частных вопросов, необходимых для отдельных этапов разработки теории взаимодействия колесных движителей скоростных тракторов с почвой. Данные по гусеничным тракторам использовались авторами для распространения положений теории взаимодействия ходовых систем колёсных тракторов с почвенным фоном на базе аналогий на взаимодействие гусеничных движителей с почвой.

Полученные экспериментальные данные использовались не только для сравнения скоростной и нескоростной сельскохозяйственной техники, но и для установления адекватности аналитически моделируемых процессов взаимодействия движителей с почвенным фоном на разных этапах такой работы. Для обоснования положений развиваемой теории привлекались экспериментальные данные исследователей, параллельно работающих по рассматриваемому направлению [17, 31, 34, 37, 38, 45, 77, 90, 130, 136, 160, 161, 177, 181, 182, 220, 221, 227, 228, 238]

1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

КОЛЕСНОГО ДВИЖИТЕЛЯ С ПОЧВОЙ

Теория взаимодействия колёсного движителя с тяжёлыми почвами засушливых зон использует следующие допущения [145]:

1. Сопротивление почвы вертикальному смятию зависит от глубины смятия и подчиняется линейному закону где p — давление «штампа», Н ; h — глубина погружения штампа, м; c — коэффициент объёмного смятия почвы, Н.

2. При росте скорости движения колеса по сминаемому грунту уменьшения глубины колеи в связи с отставанием роста деформации от роста деформирующего усилия не происходит.

3. Рост несущей способности почвы, связанный с возможной фильтрацией воды и воздуха в ней, не учитывается.

4. Возможное уменьшение глубины колеи колёсного движителя за счет роста скорости движения не учитывается, в связи с тем, что его влияние малозначительно при расчете сопротивления движению.

5. Упругая деформация почвы отсутствует в связи с её проявлением после полного съезда колеса с рассматриваемого участка поля.

6. Деформация отдельных участков шины происходит нормально к исходной поверхности.

Эти допущения были обоснованны изучением работ, выполненных в ведущих научно-исследовательских институтах и вузах страны [17, 18, 55, 90, 107]. Они обусловлены характеристиками почвенно-климатических зон с тяжелыми почвами (коэффициент удельного сопротивления 7…12 кг ), имеющих малое содерсм жание органических остатков (гумуса — менее 2% ), устойчивый климат (работа МТА связана с взаимодействием с почвой влажностью 8 - 12 % ). Хотя в некотором приближении они могут оценить работу МТА и на других почвах. В подтверждении такого вывода можно сослаться на работу, выполненную в СЗНИИМЭСХ в 2000 г. [172].

Основы теории взаимодействия колёс сельскохозяйственного трактора с почвой, с описанными выше свойствами, подробно изложена в книге Н. Г. Кузнецова.

Её вариация для цилиндрических шин представлена ниже [145].

1.2.1. Аналитическая связь между вертикальной нагрузкой на гладкое колесо и максимальной деформации шины В авторских обозначениях зависимость между вертикальной нагрузкой на гладкое колесо и максимальной деформации шины представляется в следующем виде:

где Q — вертикальная нагрузка на колесо, Н; C r — коэффициент радиальной жесткости единичного (в один радиан) сектора шины, Н ; — максимальм рад e ная деформация шины в пятне контакта, м; r0 — свободный радиус шины в продольной плоскости, м; k — коэффициент относительной жёсткости шины;

k= ; B — ширина шины, м; c — коэффициент объёмного смятия почвы, 1.2.2.Распределение вертикальных удельных давлений в пятне контакта пневматического колеса с почвозацепами, Наружняя поверхность почвозацепа реальной шины заглубляется раньше, чем наступает момент контакта поверхности впадин. Величина предварительного нагружения почвозацепа шириной b и высотой t окажется равной ctb, поэтому максимальное значение на наружной поверхности почвозацепа оценено зависимостью а на поверхности впадин — где H = ke — максимальная расчётная деформация почвы, м; S — круговой шаг почвозацепа, м.

Распределение давлений по углу поворота в продольном сечении колеса охарактеризовано следующими соотношениями:

a) на наружной поверхности почвозацепа набегающего на почву участка шины б) на почвозацепе сбегающего с почвы участка шины в) во впадине набегающего участка шины на почву г) во впадине сбегающего с почвы участка шины Входящие в выражение (1.5)…(1.8) углы a и j отмечены на рисунке 1.4, e определяется из выражения (1.2).

Рисунок 1.4. Схема определения угла зацепления шины с почвой 1.2.3. Оценка вертикальных удельных давлений в пятне контакта шины ведущего колеса с почвой На основании линейной зависимости удельного давления от деформации почвы (1.1) и гипотезы Флорина о равноправности действий горизонтальных и вертикальных напряжений при деформации «почвенного кирпича» при действии на колесо крутящего момента установлено:

где H м — глубина колеи ведущего колеса, м; i рd — приведённый расчетный коэффициент буксования для пятна контакта, учитывающий число поджатий «почвенного кирпича» при нахождении его в пятне контакта.

Расчетная величина среднего количества поджатий i р определяется зависимостью где вновь введенная величина z — число рядов почвозацепов на шине.

Закономерности распределения вертикальных давлений в пятне контакта на ведущем колесе с почвозацепами скорректированы в связи со сказанным выше:

a) на почвозацепе набегающего на почву участка шины б) на почвозацепе сбегающего с почвы участка шины в) во впадине набегающего на почву участка шины г) во впадине сбегающего с почвы участка шины Коэффициент буксования, при котором происходит выравнивание удельных давлений на наружной поверхности почвозацепа и поверхности впадин в пятне контакта, определен соотношением:

1.2.4. Оценка горизонтальных удельных давлений (почвозацепа) Рассматриваемая оценка произведена при обстоятельствах, указанных в предыдущем разделе (при линейной зависимости деформации и действующего давления и равноправности горизонтальных и вертикальных напряжений). При этом оказалось, что коэффициент объёмного смятия почвы в горизонтальном направлении ( c h ) определяется значением коэффициента объёмного вертикального смятия почвы и зависит от глубины залегания в почве сминаемого элемента почвы:

Суммарное относительное сжатие i рd в этой зависимости отнесено к любому рассматриваемому «кирпичу» пятна контакта, поэтому где a Т — угол между поперечным сечением шины, которое начинает касаться почвы, и сечением, где расположен рассматриваемый почвозацеп: для набегающего на почву участка шины aТ = a0 - a, а для сбегающего — a Т = a 0 + j (см.

рисунок 1.4).

Зависимость (1.16) показывает, что рост удельных давлений на боковой поверхности любого почвозацепа с увеличением реализуемого колесом крутящего момента с учетом буксования будет происходить до тех пор, пока суммарное поджатие «почвенного кирпича» не вызовет его сдвиг по срезаемому основанию, и поэтому все приведённые зависимости справедливы только для тех значений коэффициента буксования, при которых справедливо неравенство i рd < d ср. Распределение удельных давлений на поверхностях элементов шины и контактирующих с ними почвенной среды зависит от характеристик шины Cr и почвы c, которые определяются экспериментально в зависимости от действующей вертикальной нагрузки и реализуемого крутящего момента (через коэффициент буксования).

В целом материалы раздела 1.2 представляют собой группу аналитических математических моделей, описывающих состояние поверхностей шины и сминаемой поверхности почвы заданной характеристики по вертикальной жесткости (с).

Значение этих математических моделей для тягового расчёта колесных и гусеничных машин состоит в возможности на их базе определять:

1) несущую способность почвенного фона по горизонтальным и вертикальным напряжениям;

2) границы действия тех или иных закономерностей при росте моментной и вертикальной нагрузки на колесо;

3) количественные характеристики тяговых возможностей трактора в составе МТА при разных крюковых нагрузках;

4) состояние почвы по колее движения при разных режимах нагружения трактора крюковым усилием, а значит, устанавливать допустимые крюковые нагрузки по пороговым процессам деформации почвы в пятне контакта;

5) путем использования свойств почвы как дисперсного объекта закономерности изменения несущей способности почвы при изменении режима работы МТА.

И наконец, на этой теоретической базе можно формулировать общие направления стабилизации режимов работы тракторов в составе МТА с целью повышения их эксплуатационных показателей.

Эти направления могут содержать как конструкторские мероприятия, проводимые с целью снижения динамичности выполняемых МТА работ, так и эксплуатационные ограничения режимов работ, исключающих влияние повышенной динамичности нагружения на выходные показатели МТА. Некоторые из этих мероприятий были осуществлены и экспериментально проверенны, но не все потенциальные возможности ещё изучены.

1.3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ МОМЕНТА

СОПРОТИВЛЕНИЯ ВЕДУЩЕГО КОЛЕСА ТРАКТОРА

ПРИ РАБОТЕ В СОСТАВЕ МТА

Согласно [145] момент сопротивления ведущего колеса M К трактора при работе в составе МТА складывается из момента сил сопротивления деформации почвы шиной M П, момента гистерезисных сил сопротивления в шине M Ш, момента сопротивлению перекатывания шины, вызванного изменением формы шины под действием приложенного крутящего момента M Ф, а также тяговым моментом сопротивления, характеризуемым необходимостью выполнения функционального назначения, M Т :

Уровень составляющих момента сопротивления колеса как движителя определяется необходимым тяговым моментом для выполнения заданной операции.

Реализация необходимого МТА тягового момента связана с горизонтальным смятием почвы и процессами, сопровождающими его. Использование группы математических моделей, связанных с деформацией «почвенных кирпичей», позволило установить, что суммарный тяговый момент ведущего колеса при его коэффициенте буксования складывается из моментов сил горизонтального смятия почвы почвозацепами, сил трения наружных поверхностей почвозацепов по почве и сил сопротивления частичному сдвигу «почвенных кирпичей»

(t + t Н ) — расчетная высота почвозацепа; t H — наружная высота почгде t р = возацепа; i ру — расчетная количество почвозацепов в пятне контакта (усреднённое) Qт — вертикальная загрузка колеса, приходящаяся на поверхность впадины, Н.

m — коэффициент трения материала шины по почве; dМ ср — момент сопротивления частичному сдвигу «почвенных кирпичей» по недеформированной почве.

пов в пятне контакта.

Выражение (1.19) может быть использовано при исследовательском тяговом расчёте только при наличии алгоритма вычисления полного тягового момента сопротивления за счет сдвига почвы по недеформируемой почве по основанию и боковым поверхностям «почвенных кирпичей».

Оценка этой части момента сопротивления произведена автором модели на основании закона Кулона, связывающего предельные тангенциальные напряжения [t ] в слое с действующими нормальными напряжениями (в стандартных обозначениях s ):

почвы.

Аналитическое моделирование с учетом сказанного позволило представить математическую модель формирования полного тягового момента сопротивления, определяемого сдвигом «почвенных кирпичей»:

Выражение (1.21) справедливо для начального момента сдвига «почвенных кирпичей», когда текущее значение d достигает величины dср, а вертикальные нагрузки на поверхности впадин шины — значений, равных расчетным по (1.19 б) и (1.19 в) при d = d ср, при средней горизонтальной опрессовке i руd.

Оно же дает возможность определить в окончательной форме суммарный тяговый момент сопротивления по (1.19) при d = d ср :

а затем — момент сопротивления частичному сдвигу в (1.19).

Значение МТ по выражению (1.19) при d = d ср описывает напряжённое состояние в пятне контакта, которое, с другой стороны, представлено выражением (1.22), откуда получено уравнение для определения одной из важнейших характеристик взаимодействия колесного движителя с почвой — коэффициента буксования трактора при начале полного среза «почвенных кирпичей» пятна контакта:

Уравнение (1.23) устанавливает связь между коэффициентом буксования d ср, конструктивными показателями колеса (r0, t, b, t H, S, B ), вертикальной нагрузкой Q и свойствами шины и почвы (k, c0, tg (j )). Нагрузка на ведущее колесо подсчитывается с учётом сочленения трактора и рабочей машины в МТА.

Определённый по (1.19) тяговый момент, как уже было сказано, влияет на величину силовых (моментных) параметров колеса, обеспечивающих формирование тягового усилия: МФ, МШ, МП.

Момент сопротивления МФ обусловлен изменением формы шины под действием крутящего момента на колесе. Возникает он от роста смещения центра диска колеса с увеличением крутящего момента МК на колесе [145]:

где rb — радиус диска колеса, m k — коэффициент круговой эластичности шины рад, то есть угол, на который закручивается обод колеса относительно часН м ти трактора шины, находящийся в пятне контакта с почвой, при действии единичного момента. Остальные составляющие сил сопротивления качению ведущего колеса, нагруженного вертикальной нагрузкой Q и крутящим моментом, оценены в рассматриваемой теории следующим образом:

где a — коэффициент гистерезесных потерь (он может быть определен по методике в [146]).

На основании (1.24), (1.25), (1.26) суммарный момент сопротивления движению ведущего колеса трактора, нагруженного постоянным крюковым усилием, оказался равным Из [145] следует, что выражение (1.27) может быть использовано для определения полного сопротивления движению трактора при работе с постоянным усилием на крюке на основании зависимости:

где PfB = — сопротивление движению ведущего колеса, а PfП — сопротивr0 - e ление движению переднего колеса, определяемое по тому же выражению (1.27) при МТ = 0.

Это правильно только в общем случае, когда колеи переднего и заднего колеса не совпадают. Обычно же при выполнении сельскохозяйственных операций ведущие колеса движутся по колее передних колес. Поэтому общее сопротивление движению трактора оказывается равным Pf = 2 PfB, если M fB учитывает смятие почвы по всей ширине более широких ведущих колес.

1.4. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЕННОГО ФОНА

В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ

(АППРОКСИМАЦИЯ КРИВОЙ БУКСОВАНИЯ)

Реализация крутящего момента движителей трактора происходит в результате взаимодействия их с почвенным (деформируемым) основанием, возможности реализации крутящего момента ограничиваются деформационными характеристиками почвы, которые оцениваются кривой буксования (зависимостью коэффициента буксования от действующего усилия в пятне контакта напряжений, возникающих от нагрузки движителей).

Как и в классической теории тягового баланса, в математической модели взаимодействия движителей с почвой профессора Кузнецова [145, 146] кривая буксования трактора строилась в зависимости от силы тяги на крюке РТ, которая для тракторов с колесной формулой 4К2 складывалась непосредственно из крюкового усилия и силы сопротивления переднего моста.

В работах, посвященных разработке математических моделей взаимодействия ведущего колеса с почвой по концепции «почвенного кирпича», опорными точками, на которые накладывалась аппроксимирующая кривая буксования в виде дробно-рациональной функции, являлись точки тягового усилия начала полного срезания «почвенных кирпичей» пятна контакта d = d ср и тягового усилия, вызывающего наступление момента среза последнего в пятне контакта «почвенного кирпича» (рисунок 1.5), то есть тягового усилия, ограничиваемого по наступлению интенсивного истирания почвы.

Оценки тягового усилия для точек 1 и 2 (рисунок 1.5) были произведены на основании (1.19) и (1.22).

Рисунок 1.5. Зависимость коэффициента буксования от относительного тягового усилия: d ср - коэффициент буксования, при котором наблюдается полный срез «почвенных кирпичей» в пятне контакта шины с почвой; d дэ - допустимый коэффициент буксования по истиранию почвы Аппроксимирующая кривая зависимости d = f ( p ), где р — относительное тяговое усилие, развиваемое движителем, к максимально возможному тяговому усилию PT max = T max ;

а РТ — текущее тяговое усилие, представлена дробно-рациональной функцией:

У неё два параметра ( kd и PT max ), которые должны быть определенны по двум названным точкам. Алгоритм счета, позволяющий это сделать, представлен в [145]. Результаты расчета кривой буксования представлены в таблице 1.1. в ней приведены значения коэффициента kd дробно-рациональной функции, на которые укладываются соответствующие точки.

рш=1, Сr= рш=1, Сr= Автор работы попытался определить kd ср, обеспечивающей идентификацию аппроксимации расчётных значений коэффициентов буксования. Профессор Н. К.

Куликов, предложивший такую аппроксимацию кривой буксования, считал, что она должна строится в зависимости не от тягового усилия (фактически от крюкового усилия), а от полного горизонтального усилия реализуемого крутящим моM ментом ведущего колеса, PK = K, то есть от силы, учитывающей силовые затраты на качение самого ведущего колеса.

Анализ привёденных сведений из рассматриваемой теории показал, что горизонтальная деформация почвы зависит также и от силовых затрат на качение самого движителя:

для каждой рассматриваемой точки: PK = P + PfB.

Поэтому только зависимость PK = f (d ) будет полной характеристикой несущей способности почвы, хотя и не однозначной, так как её количественная оценка зависит ещё и от структурной схемы и конструктивных особенностей МТА.

В этом случае уравнение (1.23) для определения величины коэффициента буксования dср, при котором происходит срезание всех «почвенных кирпичей», полностью сохраняет свою структуру и позволяет определить наступление этого момента при взаимодействии движителей с почвой. Отсутствующие в нем силы сопротивления перекатыванию колеса должны были бы присутствовать и в правой, и в левой части уравнения, а также оценивать это сопротивление для одного и того же режима нагружения, а значит — могли быть взаимно погашены.

Изменёнными путем использования зависимости (1.32) для рассматриваемого случая окажутся выражения (1.29) и (1.30) по отношению к приведённым касательным усилиям PK 1 и PK 2 :

Учтя, что K 1 в первом выражении равно PK 1, а во втором — r - e = PK 2, касательные усилия на движителях можно записать следующим образом:

Математически описанные две характерные точки кривой буксования дают возможность получить параметры кривой буксования в зависимости от касательного усилия PK (фактически — от крутящего момента движителя) по тому же алгоритму из книги [145].

Для любого движителя (колёсного и гусеничного) ещё одной важнейшей точкой кривой буксования является, конечно, значение максимального касательного усилия (а значит, и максимального крутящего момента на движителе), которое вызывает полное буксование ведущего колеса (d = 1). При использовании названного алгоритма [145] построения аппроксимационной функции (1.31) по двум названным точкам возможно определение этого максимального усилия PK max. При этом возникает возможность проверки адекватности математической аппроксимации действительным процессам в пятне контакта.

Если почвенные характеристики (c0, tg (j )) не зависят от скорости относительного скольжения слоёв почвы, то PK max = P max + PfB(max ), где PT max можно опреT делить по зависимости MT d > d ср при (d = 1) :

Сравнение полученных данных по формуле (1.37) и алгоритму счёта [145] аппроксимационной зависимости может свидетельствовать о степени точности данных аппроксимирующей дробно-рациональной функции (1.31).

В принципе обсуждаемый параметр PK max позволяет свести расчёты при тяговом балансе к относительным единицам нагружения движителей р (теперь уже не по тяговому усилию, а по касательной силе или крутящему моменту движителя).

Всякое смещение положения дробно-рациональной функции в координатах d - p для трактора, отвечающего концептуальной модели и традиционной конструкции (то есть при жёстких связях между его элементами), может свидетельствовать об изменении характеристик почвы.

При анализе методики определения первой характерной точки кривой буксования по цитируемой книге может возникнуть опасение, что в неё вкралась некая условность рассуждений, помогающая найти быстрый ответ на вопрос о допустимом коэффициенте буксования для сельскохозяйственных тракторов. Пугает читателя мысль о равноправном участии любого почвозацепа в пятне контакта шины с почвой, ведь они находятся в разном напряжённом поле деформаций пятна контакта.

А раз это так, то возникает вопрос, почему автор модели не попытался определить это состояние из условия прочности «почвенного кирпича» по поверхности возможного сдвига. Для этого имелись все условия: аналитическая модель распределения вертикальных удельных давлений на почву, связи напряжений на боковой поверхности почвозацепа и вертикальными напряжениями.

Только глубокое продумывание описанного автором явления позволяет установить некоторую неполноту перечисления всех принятых допущений при описании физической модели. За их бортом оказались будто бы само собой разумеющееся: любые деформации шины не вызывают изменения расстояния между почвозацепами. Только в этом случае возможно равнозначное участие каждого почвозацепа в формировании деформации последнего «почвенного кирпича» в пятне контакта.

КОЛЁСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ПОЧВОЙ

КАК ИСТОЧНИК НЕРАВНОМЕРНОГО НАГРУЖЕНИЯ МТА

Физико-механические свойства почв засушливых зон исключают появление производственных полей с идеальными (изотропными) свойствами почвенного покрова. Наличие плохо разделываемых почвенных образований (солонцов) создает условия для усиления силовых воздействий со стороны почвы на ходовую систему и формирует процесс взаимодействия шин с почвой, как ударный со всеми вытекающими отсюда негативными явлениями, вызывающими повышение энергетических затрат на самопередвижение МТА (силовых и кинематических).

На этих полях взаимодействие движителей трактора с почвой зависит от скорости агрегата как характеристики уровня силового импульса взаимодействия шин и почвы.

В общем случае источниками неравномерности воздействия почвенного фона на работу МТА являются:

1) неравномерности поверхности почвенного фона и неоднородности почвенных включений в нём;

2) непостоянство силового воздействия рабочей машины на трактор (непостоянство крюкового усилия во времени или по пройденному пути).

Первая группа причин формирует дополнительное сопротивление перекатыванию самого трактора (как заднего, так и переднего моста) за счет непрерывного изменения динамического радиуса колеса при вертикальных колебаниях остова трактора.

Вторая группа причин является источником постоянного перераспределения вертикальных нагрузок на мосты трактора, генерирующим продольные угловые колебания трактора на его мостах.

Детерминированный анализ явлений, возникающих при взаимодействии ведущих колёс в почве, в описанных условиях позволил оценить сопротивление ведущего колеса.

где использованы вновь введённые обозначения: K r — коэффициент радиальной жёсткости шины ведущего моста, Н ; DQМср — средняя догрузка моста при ком лебаниях, Н; Н с — высота подъёма моста при наезде на препятствия, м; bп — ширина препятствия, на которое наезжает колесо ведущего моста, м.

В работе [145] приведены уравнения связи вновь названных параметров и методика их оценки, исходя из усреднённых размеров почвенных препятствий ( bп и Н с - ширины и высоты препятствий). Из этих материалов следует возможность оценки усреднённых размеров препятствий, обеспечивающих динамический прирост сопротивлению движения ведущих колёс, полученных при испытаниях в естественных условиях.

Анализ полученных зависимостей показал, что динамическая догрузка моста зависит от высоты и протяжённости препятствий, расстояния между ними, и соответственно этому вызывает рост сопротивления движению трактора.

Режимы движения и нагружения трактора крюковым усилием сказываются и на росте кинематических потерь агрегата (росте коэффициента буксования).

В первую очередь, вследствие кривизны зависимости d = f (PK ), как это следует из рисунка 1.6, при колебаниях тяговой нагрузки на трактор в пределах Ркро ± DРкр при максимальном крюковом усилии коэффициент буксования окажется максимальным d max, а при минимальном — d min, причём из-за кривизны апроксимирущей дробно-рациональной функции d = f Pкр окажется, что средd max + d min ) будет больше, чем при стационий коэффициент буксования d од = нарном режиме нагружения dо при Pкр = Ркр(ср ). Конечно, величина рассматриваемого прироста коэффициента буксования не будет постоянной при DРкр = const. Она будет зависеть от частоты колебания нагрузки с амплитудой DРкр.

Рисунок 1.6. Зависимость коэффициента буксования колесного трактора от крюкового усилия Инерционность колебательной системы трактора на шинах с ростом частоты вынужденных колебаний l будет снижать размах коэффициента буксования d, а значит — замедлять рост коэффициента буксования.

Для проверки такого тезиса составлена математическая модель нагружения МТА переменным тяговым усилием при представлении её трехмассовой системой (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7. Принципиальная схема реализации крюкового усилия колесным трактором В этих уравнениях введены дополнительные обозначения: J — приведенный момент инерции маховика; J к — момент инерции ведущего колеса трактора; w — угловая скорость коленчатого вала двигателя; PТ — касательное (толкающие) усилие, являющееся полезной составляющей теоретической касательной силы ведущего колеса; PfВ — сила сопротивления движения ведущего колеса; М дв — момент на коленчатом валу двигателя; m масса трактора; V — скорость поступательного движения трактора; h тр — КПД трансмиссии; PП, V П — сила сопротивления и скорость горизонтального смятия почвы; rд — динамический радиус ведущего колеса.

Система (1.39) решалась при дробно-рациональной аппроксимации регуляторной характеристики двигателя (по крутящему моменту) в пределах от wМ (угловой скорости, соответствующей режиму максимального момента) до w max (рисунок 1.8):

где d w — коэффициент, характеризующий снижение угловой скорости коленвала носительный загрузочный момент, то есть mдв = ; w — коэффициент проM max порциональности, представляющий собой тангенс угла наклона касательной к кривой d w = f ( mдв ) в начале координат ( dw = 0, mдв = 0 ). Последний коэффициент может быть найден по известным параметрам регуляторной характеристики двигателя — коэффициент приспособляемости двигателя; Dw —разбег регугде kпр = лятора (по угловой скорости коленчатого вала).

Часть расчетов приведены на рисунке 1.9, свидетельствуют о том, что динамический коэффициент буксования повышается из-за кривизны кривой буксования при колебаниях крюкового усилия только при частотах колебаний в пределах до l = 8K10 рад.

Рисунок 1.9. Некоторые результаты расчета изменения коэффициента буксования трактора МТЗ-52 при колебаниях нагрузки на крюке Более глубокое изучение динамических процессов нагружения трактора в составе МТА позволило констатировать:

1) прирост динамического коэффициента буксования из-за нелинейности кривой буксования (d од - d о ) зависит от величины крюковой нагрузки;

2) величина динамического коэффициента буксования возрастает с ростом средней крюковой нагрузки;

3) увеличение частоты колебаний при прочих данных условиях в случае периодического изменений крюковой нагрузки за счет изменения физикомеханических свойств почвы перед рабочими органами или прерывистости технологической операции сужает размах колебаний d, а значит, снижает и динамический коэффициент буксования d од.

Увеличение частоты колебаний в связи с ростом рабочей скорости движения будет меняться с частотой, равной частоте наезда трактора на препятствие, и вызывает увеличение размаха колебаний нагрузки на крюке, а значит, и размаха коэффициента буксования.

Суммарное действие обоих факторов будет определять закономерность изменения d од = f (l ), как это и отраженно на рисунке 1.9.

Дополнительно к выводам автора модели можно сделать ещё один вывод: существует область колебания коэффициента буксования Dd, отличного от нуля, за исключением узкого участка 8K10 рад, указывающего на возможность появс ления виброускорений в зоне пятна контакта a = Dd S l2 (S — шаг почвозацепов), которые способны при значительных l изменять одну из характеристик связи почвенных компонентов — коэффициент внутреннего трения ( tg (j ) — тангенс угла внутреннего трения).

Представленная на рисунке 1.10 зависимость tg (j ) от обобщенного показателя виброактивности g (отношения виброускорений к ускорению свободного падения) — свидетельствует о возможности значительного снижения максимального касательного усилия, реализуемого ведущим колесом. Последний факт может намного увеличить коэффициент буксования, по сравнению с тем, что получается на основании решения системы дифференциальных уравнений (1.39). Это в свою очередь, приведёт к росту Dd из-за нелинейности кривой буксования. Устойчивость решения будет нарушена, как и реального процесса, и коэффициент внутреннего трения нарастающим темпом может снизится до минимального значения, равного примерно 0,5 от стационарного (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10. Зависимость коэффициента внутреннего трения от ускорения колебания Исходя из определённости размеров неоднородностей поля и на основании разработанного алгоритма счёта в цитируемой книге, утверждалось о возможности построения динамических кривых буксования путём использования постоянной дробно-рациональной аппроксимации кривой буксования при изменяющейся максимальной касательной силы тяги за счёт снижения коэффициента внутреннего трения почвы tg (j ) при сохранении его среднего значения.

О возможном расхождении результатов расчёта с изменением характеристик почвы при появлении виброускорений в первоисточнике речи не было.

Случайный характер расположения неровностей и генерируемый ими спектр воздействий со стороны почвенного фона с разными сдвигами фаз относительно друг друга вполне может обеспечить непрерывное снижение несущей способности почвы при рассматриваемом виде нагружения почвы, приводящей к разбросу коэффициента буксования не по отдельным кривым буксования, а в области; расположенной между стационарной кривой d = f (PK ) и кривой буксования, аппроксимирующей границу рассматриваемой области при максимальном касательном усилии, определяемом минимальным коэффициентом внутреннего трения tg (j ) = tg (j )min.

В конечном счете, область, характеристик несущей способности почвы при реализации на ней крутящего момента в касательное усилие может быть представлено так, как показано на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11. Область несущей способности почвы при разных режимах нагружения Такая картина формирования несущей способности почвы вполне способна объяснить протекание некоторых экспериментальных кривых буксования с большим разбросом концевых режимов нагружения тракторов крюковым усилием, получаемых официальными научными учреждениями [130].

Представленные материалы по изучению влияния эксплуатационных условий работы МТА на выходные его показатели (реализуемое крюковое усилие, коэффициент буксования, при котором эта реализация обеспечивается, а значит и его производительность) указывают не только на экспериментальную возможность снижения эффективности использования скоростной сельскохозяйственной техники, но и помогают обосновать основы теории взаимодействия движителей скоростных тракторов, подтверждающих закономерность появления отмеченных в эксплуатации МТА негативных явлений.

Такая теоретическая оценка скоростных тяговых средств доказала необходимость учитывать снижение тяговых показателей сельскохозяйственных тракторов при увеличении степени неравномерности нагрузки на крюке, и принимать меры по устранению описанных негативных последствий повышения рабочих скоростей МТА:

создание машин-орудий, уменьшающих степень неравномерности технологической составляющей крюкового усилия;

тщательную обработку полей с тяжёлыми солонцовыми почвами специальными плугами, помогающими избежать глыбистости почвенного фона;

изменение жёсткости связей элементов МТА, в частности, навески трактора.

Виброускорения в пятне контакта движителей с почвенным фоном, в целом оказывающие негативный эффект (повышение коэффициента буксования, сопротивление движению, снижение производственных показателей МТА), могут оказаться полезными с точки зрения возможного снижения сопротивления разрушению почвы при обработке.

Наличие в спектре колебаний достаточно высоких частот с амплитудами, способными генерировать колебания (вибрацию) рабочих органов, может привести к значительному снижению коэффициента внутреннего трения в обрабатываемом материале и снизить сопротивление рабочего процесса. Использование такого способа активации рабочих процессов известно в истории разработки рабочих органов сельскохозяйственных машин, работы велись на тихоходной сельскохозяйственной технике. Низкий энергетический уровень, на котором осуществлялся процесс, исключал возможность появления устойчивых колебаний, способность возбудить действенные (по отношению к обрабатываемому материалу) автоколебания рабочих органов. В рассматриваемых машинах (нескоростных) для возбуждения устойчивых виброускорений использовался активный привод, сложный и дорогой. На скоростной технике на машинах с рабочими органами с малой массой, наверное, возможно возбуждение устойчивых автоколебаний. Этот тезис необходимо проверить.

Раздел теории динамики взаимодействия сельскохозяйственных тракторов с почвенным фоном носит все признаки объясняющей теории: он устанавливает причины появления негативных явлений при скоростной интенсификации рабочих процессов, даёт некую посредственную оценку возможного снижения эффективности работ МТА при осреднённых значениях размерных характеристик почвенных неоднородностей.

Прогностические возможности этой части теории ограничиваются перечислением (как это видно из только что приведённых обобщающих выводов) некоторых мероприятий технологического плана и конструкторских улучшений структуры комплектации МТА, снижающих негативные явления.

Только знание реальных свойств производственных полей, определяющих уровень диссипации энергии двигателя трактора при интенсификации работы МТА, позволит установить необходимые количественные характеристики устройств, способных стабилизировать нагружения звеньев МТА с целью снижения затрат на выполнение необходимой сельскохозяйственной операции. Изыскание возможности такой оценки реальных производственных полей и разработка методик оптимизации взаимодействий движителей тракторов при работе в составе МТА с ними может установить нужные соотношения между качеством полей и количественными характеристиками стабилизирующих устройств, а значит, сделать рассматриваемые теоретические вопросы этого раздела не только объясняющими, но и предсказывающими, тем самым дополнить теорию.

Такая оценка нагруженности (конечно, в первую очередь крюковой нагрузкой) возможна на базе теории случайных функций, на которой основывается статистическая динамика машинно-тракторных агрегатов.

Во многих отраслях производства, а в сельскохозяйственном в особенности, приходится иметь дело со случайными величинами, непрерывно изменяющимися во времени или расстоянии (микрорельеф поля, загрузка трактора в таких условиях и многое другое).

Такие случайные величины называются случайными функциями. Если функция во время опытов может принять тот или иной вид, но какой — заранее неизвестно, то она и называется случайной. Принимаемый во время опыта конкретный вид функции называется реализацией случайной функции. Реализация функции в теории случайных функций аналогична событиям в теории вероятностей.

Каждая реализация случайной функции есть неслучайная функция, только все реализации образуют случайную функцию во всех её проявлениях.

Характеристиками случайных функций являются: математическое ожидание случайной функции, дисперсия и корреляционная функция.

Математическое ожидание случайной функции X (t ) — это неслучайная функция X M, представляющая собой при любом значении аргумента t математическое ожидание сечения случайной функции. Короче говоря, это некоторая средняя функция, относительно которой колеблются отдельные реализации случайной функции.

Дисперсия случайной функции X (t ) — это тоже неслучайная функция Dx (t ), представляющая собой дисперсию сечения случайной функции при любом значении аргумента. Точно так же это будет справедливо для функции среднего квадратичного отклонения случайной функции S x (t ) = Dx (t ).

Неслучайная корреляционная функция — это корреляционный момент сечений случайной функции для каждой пары t и t1 значений аргумента (рисунок 1.12). Она описывает внутреннюю структуру случайных процессов и показывает степень зависимости ординат (значений X (t ) ) друг от друга при увеличении интервала времени между отрезками.

Рисунок 1.12. Одна из реализаций случайной функции Действительно X (t1 ) зависит от того, какой она была в точке t, если Dt = t - t будет достаточно малым. Если D t будет возрастать, то эта зависимость будет снижаться.

Согласно определению корреляционная функция равна:

где М — символ момента; X (t ) и X (t1 ) — значение функции в рассматриваемых сечениях.

При t = t1 оказывается K X (t) X ( t1) = M ( X (t ) - X M )2, т. е. корреляционная функция превращается в дисперсию. Следовательно, дисперсию можно и не вводить в основные характеристики случайных процессов.

Случайные процессы (функции) разделяются на стационарные и нестационарные.

Стационарные случайные процессы (функции) описывают процессы, которые приблизительно протекают без существенных изменений с течением времени (или расстояния) и колебания которых происходят вокруг некоторого среднего значения.

В сельскохозяйственном производстве часто встречаются случайные процессы, которые могут рассматриваться как стационарные (микрорельеф поля, урожайность, влажность с/х продукции и т. п.). На самом деле стационарность таких процессов часто нарушается. Но стационарные процессы проще, проще их преобразования, они несут информацию, которая помогает анализировать технические и производственные процессы.

Таким образом, стационарная случайная функция характеризуется постоянством математического ожидания и дисперсии:

Корреляционная функция для стационарных случайных процессов зависит от выбранного промежутка между двумя соседними значениями аргумента. При одинаковой разнице по времени между парами сечений Dt = t корреляционный момент зависит только от t и не зависит от участка кривой, на котором этот интервал взят, т. е.

Последнее обозначение корреляционного момента K X (t ) показывает, что определяется он интервалом t. Корреляционный момент случайной функции K X (t ) является чётной функцией и строится только для положительных значений аргумента.

Вместо корреляционной функции в практике анализа случайных функций используется нормированная корреляционная функция где DX — дисперсия стационарного процесса, являющаяся постоянной величиной.

Функция r X (t ) по физическому смыслу является коэффициентом корреляции между сечениями случайной величины с интервалом между ними, равным t.

Корреляционная функция, кроме выяснения внутренней структуры случайного процесса, используется для определения спектрального состава случайной функции.

Известно, что любой колебательный процесс можно представить в виде суммы гармонических колебаний различных частот и амплитуд. Зависимость, показывающая, какие амплитуды приходятся на разные частоты, называется спектральной плотностью.

Спектральные плотности показывают, какие дисперсии приходятся на разные частоты. В этом случае дисперсия DX (t ) стационарного процесса представляется в виде бесконечной суммы элементарных слагаемых (дисперсий), приходящиеся на соответствующие частоты (в координатах S X (t ) и w ). Площадь, ограниченная кривой S X (w ) в этих координатах, равна дисперсии DX (t ).

Вместо спектральной часто используется понятие нормированной спектральной плотности, равной с размерностью в секундах.

Для стационарных процессов нормированные корреляционные функции и спектральные плотности связаны между собой, и эта связь описывается зависимостями То есть после вычисления r X (t ) может быть посчитана и спектральная плотность.

В сельскохозяйственном производстве многие случайные процессы могут представляться одной реализацией достаточной продолжительности. Такие случайные функции, для которых выполняется это правило, называется эргодическими, а само свойство — эргодичностью. Характеристики эргодической функции можно определять по одной достаточно длинной реализации.

Корреляционная функция при t ® стремиться к нулю. Математическое ожидание рассчитывается по формуле где Т — длительность реализации (рисунок 1.13).

Реализация X (t ) обычно экспериментальная, её математическое описание отсутствует, поэтому её не интегрируют, а интеграл для определения X ср заменяют конечной суммой из n слагаемых:

где x(ti ) — значение функции при t = t1, t2 и т. д.; i — номер интервала. Сейчас для этого используются специальные вычислительные программы.

Рисунок 1.13. Методика расчета математического ожидания реализации случайной функции Вид корреляционных функций (для эргодичных процессов они называются автокорреляционными функциями) и спектральных плотностей представлен на рисунке 1.14.

Названные характеристики служат для оценки процессов при решении статистической динамики агрегатов.

Корреляционная функция позволяет определять вид нагружения, наличие скрытых (иногда неизвестного происхождения) периодических и гармонических составляющих (незатухающих), декремент затухания. Спектральная плотность не дает дополнительной информации о случайном процессе по сравнению с корреляционной функцией.

Обе эти характеристики совместно определяют внутренние свойства и структуру процессов: корреляционная функция во временной, а спектральная плотность — в частотной области.

Вместе с тем надо заметить, что для реальных случайных процессов, имеющих место при работе сельскохозяйственных агрегатов и других механических систем, наиболее физической ощутимой характеристикой является спектральная плотность, определяющая спектр дисперсии случайного процесса и его частотный состав.

Рисунок 1.14. Корреляционные функции и спектральные плотности эргодичных процессов Особой характеристикой сложных динамических систем со случайными процессами являются передаточные функции, преобразующие характеристики случайных процессов входа в выходные. Зная их, можно воздействовать на структуру такой системы для достижения нужных результатов на выходе.

Спектральная плотность может быть пересчитана в амплитудно-частотную характеристику процесса нагружения, средние значения которых, как показали исследования в ВолГАУ [227], являются для жёстких систем характеристикой динамического нагружения рабочих машин в составе МТА.

РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ ТРАКТОРА В СОСТАВЕ МТА

УСТАНОВКОЙ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.6.1. Машинно-тракторный агрегат как измерительное устройство прочностных свойств обрабатываемого материала Интенсификация рабочих процессов машинно-тракторных агрегатов за счёт роста скорости движения поднимает энергетический уровень, на котором выполняется сельскохозяйственная операция, и приводит к повышению уровня ударных нагрузок со стороны рабочих органов машин и ходовых систем тракторов на почву.

Уровень воздействия ответных реакций почвы на сам машинно-тракторный агрегат при стационарном (с точки зрения теории случайных функций) характере взаимодействия элементов системы и почвы будет определяться уже названными характеристиками случайных процессов: математическим ожиданием и спектральной плотностью случайного процесса выполняемой операции.

Интегральное действие динамических процессов выполняемой сельскохозяйственной операции на трактор проявляется в формируемом при её выполнении крюковым усилием. В этом смысле крюковое усилие является не только источником нагружения трактора, но и обобщённой характеристикой прочностных свойств обрабатываемого материала, с которым приходится иметь дело рабочим органам сельскохозяйственной машины.

Особенно сказанное выше относится к сельскохозяйственным тракторам, конструкция которых соответствует той концептуальной (физической) модели, которая представлена на рисунке 1.2. Все составные части (элементы) в этой модели являются абсолютно «жёсткими», не изменяющими своих преобразующих свойств при изменении нагруженности рабочей машины. Поэтому характеристики обрабатываемого материала при обработке на разных скоростных режимах хотя и будут характерными для МТА рассматриваемой комплектации, могут также рассматриваться как оценочные параметры условий среды, с которой взаимодействует МТА.

Следовательно, трактор в составе МТА без специальных устройств системы передачи энергетического потока является «измерительным устройством» физико-механических свойств среды, в которой или с которой он работает.

Использование трактора как «измерительного устройства» внешних воздействий на него при выполнении определённой сельскохозяйственной операции возможно в случае установления аналитических связей между входными и выходными параметрами, способными оценить коэффициент полезного использования полученной от двигателя энергии и уровень загрузки двигателя, занимающий не последнее место при формировании удельного расхода топлива на единицу выполненной работы.

Единственным измерительным устройством в таком МТА должен быть датчик регистрации во времени крюкового усилия. Все остальные параметры могут быть посчитаны по результатам обработки полученных записей крюкового усилия.

Преимущество такого тензоизмерительного устройства заключается:

1) в удешевлении работ по набору нагружающих характеристик тракторов в составе МТА при работе на разных полях и выполнении разных сельскохозяйственных операций;

2) получении расчётным путём нагруженности узлов и механизмов трактора и его двигателя при работе в разных условиях;

3) возможности анализа работы передаточных механизмов и выработке стратегии совершенствования структурной схемы комплектования машиннотракторного агрегата;

4) выборе преобразующих характеристик основных звеньев МТА (двигателя, трансмиссии, движителей трактора и, в конце концов, характеристик узлов сочленения трактора и СХМ и связей валопровода двигатель — движитель).

При достаточно большом уровне динамического нагружения машины повышаются общие энергетические затраты МТА на выполнение одинаковых работ, как уже было показано, за счёт увеличения сопротивления самой рабочей машины, сопротивления передвижению трактора и горизонтальной деформации почвы.

Этот рост обуславливается нелинейностью и неустойчивостью кривой буксования при изменении режимов нагружения трактора. В таком случае использование трактора как энергетического средства МТА вызывает необходимость изучения приспособленности тракторов и МТА классических конструкций к динамическим нагрузкам скоростной техники.

Традиционно, как это следует из обзорного материала, энергетический баланс и степень нагруженности скоростных тракторов исследовались экспериментальными методами при соответствующем оборудовании тракторов измерительной аппаратурой. Глубокое изучение процессов взаимодействия движителей трактора с почвой, аналитическая аппроксимация нелинейных выходных характеристик двигателя и аналитическое описание связей всех звеньев МТА позволяет переложить всю расчётную тяжесть такой работы и ограничить тем самым материальные затраты деятельности на организацию компьютерного исследования полученной математической модели с одним источником внешней информации — реализацией крюкового усилия при усреднённых условиях эксплуатации.

Описанная методика экспериментально-теоретического анализа функционирования МТА применима не только для МТА с концептуальной структурой, состоящей из элементов (звеньев), обеспечивающих выполнение только технологических действий, направленных на выполнение основной сельскохозяйственной операции для него. Методика может быть использована и для оптимизации взаимодействий звеньев МТА за счет внесения изменений в структуру математической модели добавлением специальных соединительных звеньев, способствующих понижению уровня динамичности исходных процессов нагружения при передаче его через движители к двигателю, которые в большей мере, чем другие звенья, склонны к снижению оценочных показателей в таких условиях работы.

Конечно, не только соединительные звенья составляющих МТА элементов способны повлиять на передаваемый энергетический поток (в смысле изменения уровня диссипации энергии в местах, наиболее чувствительных к режиму нагружения), сами характеристики звеньев МТА тоже могут быть трансформированны с целью ослабления негативных явлений динамических процессов на конечные выходные показатели. Например, замена двигателей внутреннего сгорания традиционной регулировки на двигатель постоянной мощности некоторым образом стабилизирует режим нагружения и повышает эксплуатационные показатели МТА [131, 132, 139, 174]. Они хотя и понижают общий тяговый КПД трактора за счёт внутренних потерь, однако способность автоматического приспособления к режимам нагружения как статической, так и динамической нагрузкой делает МТА с такой трансмиссией менее чувствительным к динамическим процессам нагружения.

Можно было назвать здесь и другие способы стабилизации режимов работы МТА. Однако в этом разделе предполагается остановиться на проблемах, которые возникли с установкой упругих соединительных звеньев в валопроводе сельскохозяйственного трактора.

Следует отметить ещё одну возможность влияния на результат направленного формирования крюкового усилия машинно-тракторного агрегата: возможность изменения прочностных характеристик почв изменением их влажности.

Все математические модели строятся на использовании детерминированных свойств почвы как обрабатываемого материала, таких как коэффициент объемного смятия, коэффициент сцепления, угол внутреннего трения. Специалисты, работающие в области изучения свойств грунтов, отмечают значительные изменения их прочностных свойств от влажности деформируемых объектов. Особенно это относится к динамическим процессам в результате ударных воздействий деформирующих тел о препятствия (в нашем случае о почвенные препятствия) [233].

Возможность регулировать уровень прочностных характеристик искусственными мероприятиями имеется в хозяйствах, работающих по мелиоративным технологиям. Предварительные поливы сельскохозяйственных угодий перед обработкой могут оказаться эффективным средством повышения производительности и снижения затрат на выполнение таких работ.

1.6.2. Физическая и структурная модель машинно-тракторного агрегата для работы в условиях повышенного динамического нагружения

Защита звеньев, наиболее чувствительных к динамическому нагружению, может быть обеспечена установкой упругих элементов между рабочей машиной и остовом трактора (в навеске), на движителях трактора (на оси привода движителей) и первичном валу коробки передач (или в муфте сцепления).

В этом случае схема валопровода рисунка 1.6 превращается в схему, представленную на рисунке 1.15, являющуюся физической моделью МТА, предназначенного для работ в условиях динамического нагружения.

Рисунок 1.15. Принципиальная схема МТА с колесным трактором: mсх — масса сельскохозяйственной машины; mТ — масса трактора; J Д — момент инерции двигателя; J К — момент инерции колеса; сi — жесткость упругого элемента; ki — коэффициент пропорциональности сопротивления перемещения упругого элемента; iдк — передаточное отношение трансмиссии; Ф — муфта сцепления; Б — звено учитывающие буксование трактора Математическая модель этой четырёхмассовой системы была составлена при использовании всех положений математической модели взаимодействия колёсных движителей с почвенным фоном в операторном виде [91, 139, 148]:

или через передаточные функции Обозначения параметров в приведённых формулах математической модели — это операторные характеристики колебательных звеньев, выраженные через их массовые и упругие свойства, а также передаточные функции, рассчитываемые по этим характеристикам. Здесь их расшифровки не приведены (их можно найти в ранее названных в этом подразделе источниках [148]).

Взаимные связи звеньев и соединительных элементов очень хорошо просматриваются в структурной модели колёсного машинно-тракторного агрегата на рисунке 1.16 [148].

Рисунок 1.16. Структурная схема трактора в составе МТА Для исследования математической модели функционирования машиннотракторного агрегата, снабженного упругими элементами в сочленениях звеньев МТА, был составлен алгоритм счёта на ЭВМ, учитывающий нелинейности в характеристиках звеньев и неустойчивость протекания зависимости коэффициента буксования от действующего среднего крюкового усилия с учётом его динамического изменения.

Структурная модель МТА рисунка 1.16 позволяет установить:

1) наличие обратных связей на входе с передаточными функциями W12,W14,W1, обеспечивающих конструктору возможность снижения импульсов входного сигнала, передаваемого к движителям;

2) обратные связи W10,W13, могут дополнительно влиять на работу движителя;

3) передаточная функция W2 не только обеспечивает защиту почвы от действующих нагрузок, но и снижает динамические нагрузки на муфте сцепления.

Если характеристики действующего крюкового усилия жёсткого валопровода считать неизменными, то разработанный алгоритм счёта для приведённой математической модели позволяет на предпроектном уровне определить нагруженность всех узлов и механизмов трактора, что и было сделано в названных выше работах.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |


Похожие работы:

«УРБАН ОЛЬГА АНДРЕЕВНА СОЦИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ИНСТИТУЦИОНАЛЬНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ХОЗЯЙСТВА В МОНОПРОДУКТОВОМ РЕГИОНЕ Специальность 22.00.03 – экономическая социология и демография Диссертация на соискание ученой степени доктора социологических наук Научный консультант – доктор социологических наук, профессор Мостовая Е.Б. Новосибирск СОДЕРЖАНИЕ...»

«ЛАВРЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН Специальность 05.05.06 – Горные машины ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«УДК 547.992.2 Гречищева Наталья Юрьевна Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами: химические и токсикологические аспекты 02.00.03 –Органическая химия 11.00.11 –Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов Научные руководители: кандидат химических наук И. В. Перминова доктор химических наук, профессор В. С. Петросян Научный...»

«МАНКЕЛЕВИЧ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПЛАЗМЕННО И ТЕРМИЧЕСКИ СТИМУЛИРОВАННОЕ ОСАЖДЕНИЕ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК: МНОГОМЕРНЫЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Специальность 01.04.08 – физика...»

«Анкудинова Полина Михайловна ЭВОЛЮЦИОННОЕ СТАНОВЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА В ФИЛОСОФСКО-АНТРОПОЛОГИЧЕСКИХ КОНЦЕПЦИЯХ ХХ ВЕКА: МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКИЙ АСПЕКТ Специальность 09.00.13 – философская антропология, философия культуры Диссертация на соискание ученой степени кандидата философских наук Научный руководитель : доктор философских наук,...»

«Соломатин Алексей Владимирович Развитие теории и методологии долгосрочного сейсмического прогноза для Курило-Камчатской дуги (С.А. Федотова) Специальность: 25.00.10. геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«Куликова Анна Анатольевна Казенное предприятие как правовая форма реализации государственной и муниципальной собственности в Российской Федерации Специальность 12.00.03 – Гражданское право; предпринимательское право; семейное право;...»

«Тарасов Антон Юрьевич Факторы, детерминирующие процесс взаимодействия руководителей и персонала крупных промышленных предприятий Специальность 22.00.08 – Социология управления Диссертация на соискание ученой степени кандидата социологических наук Научный руководитель Потемкин Валерий Константинович доктор экономических наук,...»

«МАМЕДОВ Заур Вагиф оглы РЕГИОНАЛЬНЫЙ ФАКТОР ВО ВНЕШНЕПОЛИТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СОВРЕМЕННОГО АЗЕРБАЙДЖАНА 23.00.04 Политические проблемы международных отношений, глобального и регионального развития Диссертация на соискание ученой степени кандидата политических наук Научный...»

«Кулипанова Наталья Викторовна СИСТЕМНЫЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ XX–XXI ВЕКОВ (СОЦИАЛЬНО-ФИЛОСОФСКИЙ АНАЛИЗ) Специальность 09.00.11 – социальная философия Диссертация на соискание ученой степени кандидата философских наук Научный руководитель : доктор философских наук,...»

«Лебединская Наталья Григорьевна ОБРАЗОВАНИЕ ВЗРОСЛЫХ В РОССИИ И ШВЕЦИИ: СРАВНИТЕЛЬНО-СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 13.00.01 – общая педагогика, история педагогики и образования ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель доктор педагогических наук, профессор Лезина В.В. Пятигорск...»

«Козлов Владимир Николаевич Электрические методы искусственного регулирования осадков Специальность: 25.00.30-Метеорология, климатология, агрометеорология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант доктор физико-математических наук В.Н....»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Ларина, Елена Викторовна Признание доказательств недопустимыми в российском уголовном судопроизводстве Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Ларина, Елена Викторовна Признание доказательств недопустимыми в российском уголовном судопроизводстве : [Электронный ресурс] : В стадии предварительного расследования : Дис. . канд. юрид. наук  : 12.00.09. ­ М.: РГБ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)...»

«ШАКАРЬЯНЦ Алла Андрониковна ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЧЕНИЯ ОЧАГОВОЙ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ЭМАЛИ В СТАДИИ ДЕФЕКТА МЕТОДОМ ИНФИЛЬТРАЦИИ В СОЧЕТАНИИ С РАЗЛИЧНЫМИ РЕСТАВРАЦИОННЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ 14.01.14 - Стоматология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени КАНДИДАТА...»

«Малахова Алла Александровна ОПТИМИЗАЦИЯ СРОКОВ И НОРМ ПОСЕВА СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В ПОДЗОНЕ СВЕТЛО-КАШТАНОВЫХ ПОЧВ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ Специальность 06.01.01. – общее земледелие, растениеводство Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель : доктор с.-...»

«Каргополова Таисия Михайловна Развитие музыкальных способностей у учащихся младшего школьного возраста в процессе изучения фольклора 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (музыка) Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор В.Г. Кузнецов Москва – 2014 Содержание Введение Глава I. Теоретико-методологические основы...»

«УДК 519.21 Громов Александр Николаевич ОПТИМАЛЬНЫЕ СТРАТЕГИИ ПЕРЕСТРАХОВАНИЯ И ИНВЕСТИРОВАНИЯ В СТОХАСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ РИСКА 01.01.05 теория вероятностей и математическая статистика Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико–математических наук Научный руководитель профессор, доктор физ.–мат. наук Булинская Екатерина Вадимовна Москва 2013 г....»

«Григоров Игорь Вячеславович ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ УНИТАРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук,...»

«Шиповский Константин Аркадьевич ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБРАЗОВАНИЯ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПРИХВАТОВ (НА ПРИМЕРЕ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ) 25.00.15 Технология бурения и освоения скважин Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических...»

«УДК 519.72,519.68 Домахина Людмила Григорьевна СКЕЛЕТНАЯ СЕГМЕНТАЦИЯ И ЦИРКУЛЯРНАЯ МОРФОЛОГИЯ МНОГОУГОЛЬНИКОВ 01.01.09 - Дискретная математика и математическая кибернетика. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор Л.М. Местецкий Москва...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.