Исследование путей повышения эффективности работы гусеничного двигателя /1-3/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

АВТОТРАКТОРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

 

Магистерская диссертация

 

 

Исследование способов повышения эффективности

наименование темы

работы гусеничного движителя_________________

Автор работы ____________________ Шаров М.И.

подпись, дата фамилия, инициалы

Специальность  551402 Тракторы_________________

номер, наименование

Руководитель

магистерской

программы __________________ Победин А.В.

подпись, дата фамилия, инициалы

 

Руководитель работы __________________ Ляшенко М.В.

подпись, дата фамилия, инициалы

 

 

Волгоград, 2000

Рецензия

на магистерскую диссертацию студента группы ТС-6

Шарова Михаила Игоревича

Магистерская диссертация выполнена на тему: ”Исследование способов повышения эффективности работы гусеничного”.

Диссертация посвящена исследованию факторов, влияющих на работу гусеничного движителя, поиску путей увеличения к. п. д. гусеничного движителя, экономичности и экологичности его работы путем ведения новых конструктивных элементов, анализу физической осуществимости работы предложенных нововведений, а также практической оценке полученных результатов.

Студент продемонстрировал умение работать с научно-технической и справочной литературой, научными отчетами и патентами. Он умеет формулировать задачи исследования, выявлять противоречия при решении научных задач и разрабатывать методики по их разрешению.

При выполнении работы студент проявил высокую степень эрудированности, готовность к самостоятельной деятельности и поступлению в аспирантуру.

В первом разделе работы рассмотрено общее состояние вопроса и дан глубокий аналитический обзор. Рассмотрены пути повышения эффективности работы гусеничного движителя и поставлена задача исследования. Также предложена конструкция ведущего колеса с внутренним подрессориванием.

Второй раздел посвящён кинетическому исследованию работы представленного ведущего колеса, объяснен принцип его работы.

Третий раздел включает в себя кинетостатическое исследование механизма и дан расчет упругих элементов, обеспечивающих подрессоривание ведущего колеса гусеничного движителя.

В четвертом разделе приведен расчет навесоспособности и угловой жесткости модернизированного трактора, свидетельствующий о правоте выдвинутых предположений, а также показаны результаты компьютерного моделирования работы ведущего колеса гусеничного движителя с внутренним подрессориванием.

В этих разделах студент проявил способность самостоятельно разрабатывать методики научных расчетов, производить их сравнение с целью поиска оптимальной для данного типа задач и применять их для практических нужд.

Магистерская диссертация выполнена на высоком уровне, соответствует методическим указаниям для студентов направления 5514 “Наземные транспортные системы”, имеет научно-практическую ценность и заслуживает отличной оценки.

Студент Шаров Михаил Игоревич заслуживает присвоения степени магистра техники и технологии по направлению «Наземные транспортные системы».

Главный конструктор

ОАО «Волгоградский тракторный завод»,

кандидат технических наук Игорь Аполлонович Долгов

Раздел 5
Реферат

Магистерская диссертация выполнена на 78 страницах машинописного текста и включает 12 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 27 наименований.

Ключевые слова: эффективность, принцип работы, гусеничный движитель, ведущая звездочка, навесоспособность, плавность хода, почвосбережение, внутреннее подрессоривание, упругий элемент, машинное моделирование.

Работа посвящена исследованию некоторых аспектов эффективности работы гусеничного движителя трактора. В ней была поднята проблема обеспечения требований к характеристикам почвосбережения, экономичности, экологичности, плавности хода гусеничных машин, условий труда оператора на рабочем месте.

Согласно поставленной задаче было проведено исследование возможных конструкций гусеничного тягово-транспортного средства, отвечающего выставленным требованиям, предложена конструкция гусеничного движителя с ведущим колесом, опущенным на грунт, и конструкция ведущей звёздочки с внутренним подрессориванием.

Произведена оценка предложенной конструкции с точки зрения кинематики и кинетостатики. Сделан вывод о кинематической и кинетостатической реализуемости данного механизма. Также произведен расчет упругих элементов колеса на изгиб, и расчет координат точек шарниров упругих элементов, как однозначно задающих положение колеса в пространстве.

На основе произведенных вычислений, на ПЭВМ была реализована электронная модель колеса, что позволило произвести анализ изменения величины крутящего момента за один цикл. Также проведена оценка навесоспособности, угловой жесткости и распределения масс новой конструкции. Сделан вывод о конкурентоспособности данной модели и ряде преимуществ по сравнению с серийным трактором ВТ–100.

Содержание

1. Введение.. 6

2. Аналитический обзор и состояние вопроса.. 10

2.1 Анализ литературных источников. 10

2.2 Патентное исследование. 23

2.2.1 АС № 821229 «Упругое колесо транспортного средства со ступицей и обводом». 23

2.2.2 АС № 933481 «Металлоэластичное колесо транспортного средства» 25

2.2.3 АС № 160092 «Опорный каток гусеничных машин». 27

2.2.4 Патент США № 5125443 «Пружинно подвешенное колесное устройство» 28

2.2.5 Достоинства и недостатки рассмотренных конструкций. 33

3. Анализ работы объекта исследования.. 35

3.1 Требования, предъявляемые к конструкции. 35

3.2 Описание конструкции и принципа работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием.. 36

3.3 Кинематический расчет исследуемой конструкции. 40

3.3.1 Определение точек кривой траектории движения конца упругого элемента 40

3.3.2 Определение радиуса ведущего колеса по трём точкам. 43

3.3.3 Определение координат шарниров упругих элементов колеса в любой момент времени. 47

4. Физическая осуществимость кинематической модели ведущего колеса с внутренним подрессориванием... 51

4.1 Кинетостатический анализ работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием. 51

4.1.1 Расчетная схема. 51

4.1.2 Определение неизвестных реакций в шарнирах упругого элемента. 52

4.2 Расчет на изгиб пластинчатых упругих элементов, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси ступицы.. 54

5. Анализ результатов проведённых исследований.. 60

5.1 Программная эмуляция работы ведущего колеса с внутренним подрессориванием на поверхности с неровностями почвы.. 60

5.2 Расчет навесоспособности трактора с ведущим колесом с внутренним подрессориванием.. 64

5.3 Расчет угловой жесткости трактора с ведущим колесом с внутренним подрессориванием.. 68

6. Заключение.. 73

Список использованной литературы... 76

1. Введение

Сравнительный анализ и сопоставление колесных и гусеничных машин при эксплуатации их в тяжелых дорожных, а особенно во внедорожных, условиях показывает преимущество последних по таким важнейшим показателям, как проходимость, производительность, манёвренность, тягово-сцепные качества, удобство и надежность работы. Многоприводные автомобили и автопоезда даже при наличии четырех-пяти ведущих мостов не могут обеспечить в условиях бездорожья такую же реализацию тяговых качеств, как и гусеничные машины. При этом сложность и громоздкость активного привода к колесам ликвидирует такое важное достоинство автомобиля, как простота конструкций. Следовательно, необходимость в разработке новых и модификации старых конструкций тягово-транспортных средств с приводом от гусеничного движителя была и остаётся высокой. По-прежнему, эффективная работа целых отраслей народного хозяйства зависит от прогресса в разработках конструкторов гусеничных машин.

Машины с гусеничным приводом очень разнообразны по конструкции и назначению. Это промышленные и сельскохозяйственные тракторы, снегоболотоходные транспортеры, специальные тягачи, различные установки на гусеничном ходу, используемые для монтажа производственного или технологического оборудования, трубоукладчики на строительстве нефте- и газопроводов и т.д. Гусеничный движитель является одним из важнейших механизмов, определяющих тяговые качества, производительность, экономичность и надежность всех этих машин. Поэтому совершенствование конструкции движителя, выбор оптимальных параметров, рациональное сочетание характеристик отдельных его элементов, разработка более совершенной схемы привода и формы обвода гусениц представляют ответственный этап при создании или модернизации гусеничных машин.

Следует также учитывать, что в результате воздействия ходовых систем тракторов, в почве образуются уплотненные зоны, вызывая неравномерное распределение влаги и отрицательно влияющие на урожайности по всей ширине воздействия. Исследования влияния уплотнения почвы тяжелыми мобильными агрегатами на урожай сельскохозяйственных культур, проведённые в нашей стране, а также в США, Швеции, Японии показали, что урожай снижается на 20–35%. При этом большое влияние на уплотнение почвы оказывает среднее и максимальное удельные давления. Согласно данным [16] для большинства почв допустимое давление составляет 39–49 кПа, предельное — 98–147 кПа, а фактически же, оказываемое мобильными агрегатами давление достигает 294–420 кПа.

Создание долговечного, экономичного, экологичного гусеничного движителя является сложной научно-технической проблемой. Сложность ее обуславливается тяжелым режимом работы движителя, подвергающегося абразивному воздействию грунта, высокими динамическими нагрузками, нестабильностью геометрии и кинематики обвода, особенно при движении по пересеченной местности.

Стремление сократить до минимума все механические потери в движителе, иными словами обеспечить максимальный к. п. д., увеличить экономичность машины, повысить почвосбережение еще в большей степени усугубляет трудности решения этой задачи, так как неизбежным следствием повышения энергоемкости транспортного средства, уменьшения его массы является увеличение динамической нагруженности гусеничного движителя и уменьшение его надежности.

Существенное усовершенствование гусеничного движителя возможно только на базе серьезных теоретических и экспериментальных исследований. Теория гусеничного движителя была в основном разработана профессорами А. С. Антоновым, Е. Д. Львовым, М. К. Кристи, Л. В. Сергеевым, А. О. Никитиным, В. Ф. Платоновым и др. Она в достаточном объеме освещает вопросы кинематики нерастяжимого обвода, качения опорного катка по ровному основанию, потери мощности в движителе и взаимодействия опорной ветви с грунтом.

Применение новых конструктивных решений при создании современных ходовых систем гусеничных машин, а также необходимость улучшения их эксплуатационных показателей не могли не вызвать постановки и решения отдельных вопросов теории гусеничного движителя, разработки новых методов расчета его узлов и деталей. Это позволило развивать данную теорию в новых направлениях, позволяющих более полно и глубоко изучить динамическое нагружение гусеничного движителя, обосновать пути снижения его нагруженности и повышения надёжности.

Как часть данного направления можно рассматривать и текущую работу, основными задачами которой являлись изучение путей увеличения к. п. д. гусеничного движителя, экономичности и экологичности его работы путем введения новых конструктивных элементов, в частности ведущего колеса с внутренним подрессориванием, служащего одновременно ведущим и опорным элементом. Это позволяет при несущественном увеличении длины гусеничного обода увеличить базу, навесоспособность и устойчивость трактора от опрокидывания назад, а также значительно улучшить условия труда тракториста на рабочем месте путем улучшения характеристик плавности хода и шумности.

2. Аналитический обзор и состояние вопроса 2.1 Анализ литературных источников

Интерес к проблемам общей экологичности машины, и почвосбережения в частности, экономичности разрабатываемых конструкций, увеличения КПД никогда не ослабевал, а новые задачи, поставленные «Федеральной программой машиностроения для АПК России», утвержденной постановлением Правительства РФ от 19 апреля 1994 года №738 [1], увеличили круг затрагиваемых вопросов.

В аспекте создания новых типов гусеничных движителей, а также модернизации старых, с целью увеличения КПД движителя следует в первую очередь обратиться к работам [8, 9, 10]. В них широко рассматриваются как теоретические вопросы работы гусеничного движителя, так и практические задачи по решению проблем потери мощности в движителе, долговечности гусеничного движителя, динамики взаимодействия гусениц с направляющим и опорными катками, ведущим колесом, устойчивости обвода и пр.

Труды [8, 10, 14] показывают, что в последнее время использование гусеничных тракторов в сельском хозяйстве стало больше, чем колесных. В таблице 2.1 приведены результаты исследования уплотнений почвы после проходов тракторов с различными типами движителей. Из таблицы следует, что средине и максимальные давления на почву гусеничных сельскохозяйственных тракторов находятся с пределах, соответственно, 0,04–0,06 МПа и 0,154–0,240 МПа [16].

Машина, воздействующая на почву	Кратность воздействия при сплошном укатывании	Плотность почвы ´ 103 кг/м3 в слое почвы, см			Показатель воздействия, кН/м
		0–10	10–20	20–40
Без уплотнения	0	1,31	1,45	1,5	—
ДТ–75	1 3	1,35 1,40	1,48 1,49	1,52 1,52	112 165
Т–150К	1 3	1,38 1,41	1,48 1,49	1,54 1,54	184 270
К–700	1 3	1,38 1,44	1,52 1,52	1,56 1,56	240 354

Таким образом, гусеничные тракторы обладают меньшим показателем воздействия и удельным давлением, большей проходимостью, позволяя на одну-две недели раньше начинать полевые работы, что даёт возможность получать более высокие урожаи не только за счёт меньшего уплотнения почвы, но и за счёт повышения качества технологического процесса.

Эксперименты НАТИ [16, 23–26]показали, что при изменении давления на почву весьма значительно снижается прирост удельного сопротивления вспашке. По следу трактора Т–150 он в 4,34 раза меньше, чем по следу трактора К–150К, при этом производительность труда в 1,18–1,4 раза больше, а погектарный расход топлива снизился, соответственно, в 1,38–1,07 раза. В среднем, по всем видам работ, производительность МТА с допустимым давлением на почву возрастает в 1,27 раза, а расход топлива снижается в 1,22 раза (экономия до 4000 кг топлива в год только одной машиной).

Благодаря этому и другим, описанным ниже, преимуществам, в современном зарубежном тракторостроении также наметилась тенденция использования гусеничных тракторов в сельском хозяйстве.

Стоит также упомянуть и о затронутом в различных источниках, как зарубежных, так и отечественных, анализе развития современных технологий, указывающем на постоянно возникающий дисбаланс масс в конструкциях создаваемых машин и о путях его устранения.

Как видно из таблицы 2.2, основные массы трактора — это двигатель и навесные устройства. Исторически сложилось так, что при компоновка узлов машины эти две основные массы уравновешивают друг друга. Однако, современная наука не стоит на месте. Начинают применяться новые материалы, новые технологии, новые энергоносители, что в контексте развития двигателе- и тракторостроения приводит к парадоксу, из которого, казалось бы, нет выхода.

Составляющая	Трактор						Среднее значение, %
	Т-38М	Т-74	ДТ-75М	Т-150	Т-4	Т-108
Трактор без водителя	4100	5880	6570	7000	8140	11510	105
Балласт	—	130	200	—	—	—	—
Топливо	100	180	210	270	260	195	—
Возимые ЗИП	20	25	25	30	30	80	—
Вода системы охлаждения	30	45	60	45	50	75	—
Конструктивный вес	3950	5500	6100	6655	7750	11160	100
Двигатель в сборе с муфтой сцепления и воздухоочистителем	750	760	1050	1130	1290	2400	17,0
Радиаторы (водяной и масляный	70	150	180	90	105	110	1,6
Коробка передач	160	250	340	660	300	350	5,0
Задний мост и редуктор ВОМ	410	480	450	430	600	1010	8,5
Конечные передачи со звёздочками (две)	570	370	540	340	610	960	8,5
Рычаги управления и приборы	40	60	85	100	95	90	1,1
Рама	—	750	750	640	—	—	7,9
Полурама	190	—	—	—	310	370
Тележки с опорными катками	390	—	—	—	1410	2010	14,2
Каретки эластичной подвески	—	760	720	420	—	—
Поддерживающие ролики	30	90	110	130	120	180	1,5
Гусеницы	530	860	880	980	1500	2120	16,7
Кабина с оборудованием	110	130	130	340	260	315	3,0
Сидение, пол, крылья	80	100	100	105	120	105	1,5
Облицовка и капот	60	70	70	85	110	125	1,2
Прицепное приспособление	—	50	50	60	120	260	1,2
Механизм навески с цилиндром	230	270	270	320	350	—	5,0
Бак гидросистемы с маслом	30	65	65	60	60	—	1,4
Распределитель и арматура	20	25	30	25	30	—
Топливный бак	40	50	50	50	70	165	0,9

Напомню, что положение центра тяжести, согласно [11], определяется координатами: горизонтальной — от оси ведущего колеса , вертикальной от поверхности почвы  и поперечным смещением по горизонтали от плоскости симметрии .

Координаты центра тяжести для вновь проектируемого трактора находят графически или графоаналитически. На боковой проекции трактора выделяют контуры основных узлов и механизмов и наносят векторы их веса, приложенные к центрам тяжести. При графическом методе построением веревочных многоугольников находят вертикальную и горизонтальную равнодействующие суммы весов, точка пересечения которых определит положение центра тяжести. При графоаналитическом методе находят координаты центра тяжести каждого узла или механизма , , а затем общие координаты центра тяжести:

(2.1)

,

где G_уз — вес узла.

Координаты центра тяжести трактора с навешенным орудием в транспортном положении можно определить по формуле

(2.2)

,

где Q — вес орудия;

а_н — проекция на плоскость пути расстояния центра тяжести орудия от оси ведущих (задних) колес (звездочек); берётся со знаком «минус», если направлена в сторону, противоположную центру тяжести трактора;

h_н — высота центра тяжести орудия в транспортном положении.

Итак, очевидно, что на величину горизонтальной координаты центра тяжести трактора наибольшее влияние оказывают двигатель (энергетическая установка) и навешенное орудие, как элементы с наибольшим весом на самых больших расстояниях от предполагаемого центра масс. Однако теперь следует обратиться к истории развития тракторостроения.

Одной из насущных задач в тракторостроении всегда был вопрос повышения энергоемкости машинно-транспортного агрегата. Достигается это, в первую очередь, модернизацией двигателя путём применения новых материалов и технологий. Это приводит, с одной стороны, к снижению веса ДВС, а с другой к увеличению числа и/или массы навешенных на трактор орудий. И первый, и второй из перечисленных факторов приводит к уменьшению величины горизонтальной координаты центра тяжести (его смещению по направлению к навеске трактора). Получается некий замкнутый круг: снижение веса двигателя трактора и увеличение его мощности — увеличение числа и/или массы навешиваемых орудий — увеличение мощности двигателя и снижение его веса и т.д. Это приводит к попыткам конструкторов вынести максимально вперёд массу двигателя с целью увеличить его плечо (в качестве примера можно привести модельный ряд тракторов ВГТЗ серий ДТ-175 и ВТ-100) и/или разместить спереди трактора балластные грузы.

Альтернативным вариантом решения этой задачи может стать увеличение продольной базы трактора путем опускания ведущего колеса на грунт [20, 21]. Это позволить снизить массу балластных грузов, что приводит к экономии материалов, снижению общего веса конструкции, и, следовательно, снижению воздействия МТА на почву, решению ряда вопросов, связанных с эксплуатацией трактора без навешенных на него орудий. Однако данное решение также имеет ряд недостатков. В первую очередь это ведёт к увеличению момента сопротивления повороту. А самое главное, на ведущее колесо теперь будут действовать ничем не компенсируемые силы, которые могут привести к выходу из строя конечной передачи.

Еще одним решением проблемы может стать кардинальное изменение схемы работы движителя и, как следствие, полная перекомпоновка узлов трактора. Имеется в виду так называемый трактор с «треугольным обводом», примером которого может послужить опытный образец, разработанный в стенах НАТИ в начале 90-х годов (см рисунок 2.1). Однако, обладая рядом безусловных преимуществ, среди которых, наиболее рациональное, среди всех типов компоновок, расположение центра масс, самая большая навесоспособность, данная модель обладает и рядом недостатков, наиболее существенные из которых, это незамкнутый силовой контур машины и увеличенный износ гусениц ввиду добавления второго изгиба в форме обвода.

Стоит также упомянуть и о различных видах и типах гусениц как средстве увеличения эффективности работы гусеничного движителя.

На рисунке 2.2 показано влияние сопротивления качению, буксования и удельной силы тяги на КПД ходовой системы [13]. Из графиков видно, что чем меньше сопротивление качению и буксование, тем выше коэффициент полезного действия. Увеличивается КПД и при росте тяговой нагрузки. Это указывает на важность обеспечения высоких тяговых качеств трактора за счет его ходовой системы и объясняет преимущества гусеничной ходовой системы перед колесной при работе на мягких (легкодеформируемых) почвах с орудиями, требующими реализации высоких тяговых усилий. На тяговые качества трактора определяющее влияние оказывают конструктивные параметры ходовой системы.

Для работы с минимальными потерями мощности важное значение имеет натяжение гусеницы. Недостаточное натяжение приводит к ухудшению распределения давления на почву и увеличивает ее деформацию, способствует спаданию гусеницы с опорных катков, а чрезмерное — к росту потерь на трение и ускорению износа шарниров.

При работе с большими тяговыми усилиями опрокидывающий момент от тягового сопротивления орудий приводит к перераспределению нагрузок на опорные катки: передние — разгружаются, задние — догружаются. Поэтому у большинства гусеничных тракторов, работающих с задними орудиями, центр тяжести смещен вперед от середины опорной поверхности или имеются передние грузы, которые должны быть установлены при тяжелых условиях работы, так как наибольший КПД наблюдается при равномерном распределении нагрузок по опорным каткам.

Из конструктивных параметров ходовой системы наибольшее влияние оказывают на тяговые качества длина опорной поверхности гусениц, число опорных катков и шаг гусеничной цепи. Увеличение этих параметров способствует повышению коэффициента полезного действия ходовой системы благодаря снижению сопротивления качению и буксования. Этим объясняются конструктивные особенности болотоходных тракторов и увеличенный шаг гусениц на промышленных тракторах.

Тракторы Т-70С, ДТ-75БВ и Т-130Б могут работать с гусеницами различной ширины. Необходимо иметь в виду, что увеличение ширины гусеницы способствует повышению тяговых качеств только на слабых, легкодеформируемых почвах (болота, снежная целина, пески). На почвах и грунтах средней и высокой плотности увеличение ширины гусеницы эффекта не дает, так как приводит к росту массы ходовой системы, а, следовательно, и к повышению потерь на трение, ухудшает заглубление почвозацепов и увеличивает буксование. В результате КПД снижается.

При неизменной длине опорной поверхности увеличение числа опорных катков способствует росту КПД ходовой системы на легкодеформируемых почвах и грунтах. На плотных почвах и грунтах лучшие показатели имеет ходовая система с меньшим числом опорных катков большего диаметра, что объясняется уменьшением сопротивления качению и лучшим заглублением почвозацепов под опорными катками.

Из всех типов подвесок наиболее высокие тяговые качества обеспечивает упругая индивидуальная система подрессоривания опорных катков благодаря более равномерному распределению давления на почву.

Лучшими тяговыми качествами обладают составные гусеницы с уплотнениями и смазкой шарниров, а также гусеницы с резинометаллическими шарнирами. Это объясняется постоянством шага гусеницы, обеспечивающим минимум потерь в зацеплении с ведущим колесом, пониженным трением в шарнирах, а также более равномерным распределением давления на почву при наличии упругих моментов в шарнире.

Оптимальная форма почвозацепа звена гусениц — расчлененный почвозацеп с увеличивающимся к краям углом между упорной кромкой и осью шарнира.

2.2 Патентное исследование

Современная конструкторская мысль уделяет большое внимание проблеме усовершенствования конструкции всего гусеничного движителя в целом и ведущего колеса в частности. Были исследованы патенты с глубиной выборки сорок лет для патентов России/СССР и тридцать лет для патентов США (согласно [2]). Поиск показал, что конструкции ведущего колеса подобные проектируемому существуют. Однако, как уже указывалось выше, на практике такие колёса получили распространение только на промышленных тракторах. Кратко рассмотрим некоторые из существующих патентов [3–7] и проанализируем их достоинства и недостатки.

2.2.1 АС № 821229 «Упругое колесо транспортного средства со ступицей и обводом»