Макаров вячеслав Степанович совершенствование механического привода рабочих органов сельскохозяйственных агрегатов
| Вид материала | Автореферат |
- Ирующих насосное оборудование, уже сложилось четкое представление о возможностях использования, 49.51kb.
- Едачей танка называется группа соединенных между собой агрегатов, предназначенных для, 946.59kb.
- Методические указания к выполнению самостоятельной работы Моделирование процессов, 293.63kb.
- Факс: (4862) 44-03-17, 553.08kb.
- Примерная инструкция по охране труда при подготовке к работе сельскохозяйственных машин, 301.45kb.
- Автореферат разослан 2010, 247.49kb.
- Жду точками погружения уплотняющих рабочих органов (при глубинном уплотнении), минимальных, 59.19kb.
- Тимченко Вячеслав Степанович. Повестка дня: Оразвитии местного самоуправления в Российской, 30.6kb.
- Истинные, 45.74kb.
- © Макаров В. Г. Составление, вступительная статья и комментарии, 2002, 963.93kb.
На правах рукописи
МАКАРОВ Вячеслав Степанович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА
РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ АГРЕГАТОВ
05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Чебоксары – 2008
Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»
Научный консультант доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ
МЕДВЕДЕВ Владимир Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор КОРМЩИКОВ Александр Дмитриевич
доктор технических наук, профессор МУДРОВ Александр Григорьевич
доктор технических наук, профессор МУХАМАДЬЯРОВ Фарзутдин
Фаткутдинович
Ведущая организация ГОУ ВПО Чебоксарский политехнический институт (филиал) «Московского государственного открытого университета»
Защита состоится «26» декабря 2008 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА»
по адресу 428003, г. Чебоксары, ул. К.Маркса, 29, ауд. 222
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА»
Автореферат разослан «____»_______________200__г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Михайлова О.В.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Повышение производительности труда в сельском хозяйстве осуществляется как за счет увеличения количества машин, работающих в хозяйстве, так и повышения единичной мощности мобильных машин. Энергонасыщенные сельскохозяйственные машинные агрегаты позволяют уменьшить потери мощности на их собственное перемещение, т.к. установка на трактор более мощных двигателей происходит без существенных изменений массы.
Улучшение сцепных свойств ходовых аппаратов колесных тракторов, блокировкой ведущих колес, применением тракторов с колесной формулой 4х4 и применением других усовершенствований не решают коренным образом проблему несоответствия уровня энергонасыщенности трактора технологическим возможностям пассивных рабочих органов орудий. Совершенствование трансмиссии необходимо осуществлять за счет элементов и прежде всего передающих механизмах.
Энергонасыщенные колесные тракторы можно использовать более производительно, если часть энергии двигателя передавать через систему вала отбора мощности (ВОМ) трактора к исполнительным рабочим органам активного действия сельскохозяйственных орудий.
Узким местом в цепи передачи энергии является карданная передача. Работы, проведенные Лысовым М.И., Гафановичем А.А., Фликом Э.П. и др. показывают, что малый срок службы карданных передач в основном определяется надежностью работы шарнирного сочленения. Анализ литературных источников показывает, что надежную работу карданных передач можно обеспечить с учетом условий их работы при выполнении различных технологических операций, с учетом рельефа поля и передаваемой нагрузки.
В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований передающих механизмов транспортных и сельскохозяйственных агрегатов с рабочими органами-движителями в различных вариантах с обоснованием их компоновочных и конструктивных схем. Изложена методика определения силовых параметров рабочих органов-движителей, исследованы зависимости силовых и энергетических параметров от их режима движения и условий работы. Предложены варианты использования зубчатой передачи и механических коробок передач без разрыва передаваемого потока мощности.
Исследования проводились в соответствии с научно-техническим заданием Министерства сельского хозяйства и продовольствия СССР О. с/х. 109 «Разработать и внедрить машины и орудия для защиты почв от водной, ветровой и других видов эрозии, предусмотренные системой машин на 1981-1990 г.г. и обосновать новые технологические процессы и средства механизации, удовлетворяющие требованиям защитного земледелия», согласно государственной программе 16.01 «Разработка и внедрение технологий и комбинированных агрегатов для совмещения операций на возделывание зерновых и пропашных культур при агрегатировании с энергонасыщенными тракторами класса 2,3 и 5», «Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года», а также с планами НИР Чувашской ГСХА.
Цель работы. Разработать и исследовать механизмы привода исполнительных рабочих органов энергонасыщенных машинных агрегатов (МА) многофункционального назначения, при 2-х поточной раздаче энергии двигателя, позволяющих обеспечить более полную и эффективную загрузку его в условиях ограниченных возможностях движителей колесного трактора по сцеплению с опорной поверхностью.
Объекты исследований. Конструктивно-технологические схемы привода движителей и исполнительных рабочих органов (карданные передачи, коробки передач, механизм поворота, привод рабочего органа с постоянным режимом работы и др.).
Предмет исследования. Определение параметров и режимов работ новых и усовершенствованных новых исполнительных рабочих органов с целью их оптимизации.
Методы исследований. Задачи, поставленные в диссертации решались с использованием: теории автоматического управления, математического и физического моделирования, анализа патентных аналогов конструкций механизмов привода, анализа и синтеза механизмов, метод начальных параметров.
Экспериментальные исследования выполнены с применением отраслевых и частных методик и тензометрирования. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.
Научная новизна заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований:
- получены приводные механизмы, обеспечивающие более полную и эффективную загрузку двигателей энергонасыщенных МА сельскохозяйственного назначения;
- сформулированы и обоснованы теоретические предпосылки по улучшению эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов с рабочими органами-движителями;
- обоснованы возможности передачи части функций рабочих органов и движителей на элементы привода с целью упрощения конструкции этих элементов;
- предложены конструкции механических коробок передач для передачи крутящего момента без разрыва потока мощности и произведена их классификация;
- произведен кинематический анализ работы механических КП для передачи момента без разрыва потока мощности, обоснованы эффективные показатели предложенных КП и выявлены области их применения.
Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют обоснованно выбрать оптимальные конструктивные и эксплуатационные параметры элементов привода рабочих органов и движителей.
Реализация результатов исследований. Комбинированный плуг с дисками-движителями вошел в перечень перспективных комбинированных агрегатов и технологического оборудования к ним, предложенных для включения в Систему машин на 1976 – 1980 г.г. (раздел 3.3.).
Полученные результаты нашли практическое применение при разработке новых моделей энергонасыщенных колесных тракторов Минского и Липецкого тракторных заводов на основе хоздоговорных научных работ, проведенных совместно с конструкторскими бюро названных заводов. Приводной механизм «Прицеп-передача» признан классическим и вошел в сборник «Словарь-справочник» Крайнева А.Ф. М., Машиностроение, 1977 г. и монографию этого же автора «Идеология конструирования» М., Машиностроение, 2003 г.
Материалы исследования используются в учебном процессе, в частности, при курсовом и дипломном проектировании на инженерных факультетах сельскохозяйственных вузов.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на зональных научно-практических конференциях кафедр «Тракторы и автомобили» сельскохозяйственных вузов Поволжья и Предуралья в 1996 – 2004 г.г. (Чебоксары, Киров, Нижний Новгород, Ижевск, Пермь, Казань, Кострома, Рязань), научно-техническом совете ГСКБ Минского тракторного завода (Минск, 1979), Международной научной конференции «Земледельческая механика на рубеже столетия» (Мелитополь, 2001), научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЧГСХА (1968 – 2004), Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники с/х РФ, доктора технических наук, профессора Медведева Владимира Ивановича «Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК» (Чебоксары, 2003).
Публикации. Автором опубликовано 108 научных работ общим объемом 132,9 п.л., в том числе 1 монография; 2 учебных пособия, 16 авторских свидетельств и 12 патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и 9 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. При общем объеме страниц 465 работа включает 302 стр. основного текста, 105 рисунков, 22 таблиц. Список использованной литературы включает 158 наименований.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
1. Теоретические предпосылки по разрешению несоответствия уровня энергонасыщенности колесных тракторов технологическим возможностям исполнительных рабочих органов.
2. На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлены основные силовые зависимости на элементах карданных передач и определена и критическая частоты вращения.
3. На основе результатов экспериментальных исследований оптимизированы условия работы карданных передач в приводе исполнительных рабочих органов
4. Произведен анализ и осуществлена классификация коробок передач и предложены варианты совершенствования их конструкций.
5. Разработана методика выбора оптимальных параметров коробки передач без разрыва потока мощности и определена область их применение.
6. Предложены оценочные показатели преимуществ предложенных конструкций в приводе движителей и исполнительных рабочих органов.
Содержание работы
Во введении показана актуальность рассматриваемой темы, обоснована народнохозяйственная проблема, представлена информация о возможности реализации исследований и приведены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава «Анализ работы присоединительных элементов трактора и сельскохозяйственной машины».
Между тяговым усилием трактора и силой его тяжести сложились вполне определенные соотношения, нарушение которых приводит либо к излишней силе тяжести трактора при ограниченных возможностях двигателя, либо к значительному недоиспользованию мощности двигателя при недостаточной силе тяжести трактора.
Перечисленные трудности и противоречия в реализации мощности энергонасыщенных тракторов привели к мысли о необходимости применения такого способа передачи энергии двигателя к рабочим органам, который позволил бы миновать или разгрузить узкое звено в цепи передачи энергии «ведущие колеса-почва». В этом случае загрузку двигателя можно производить как за счет увеличения скорости движения, так и за счет увеличения ширины захвата сельскохозяйственных машин.
Энергонасыщенные тракторы можно использовать эффективно, если часть энергии двигателя передавать через систему ВОМ трактора к исполнительным рабочим органам сельскохозяйственной машины.
Большой вклад в теорию взаимодействия дисковых рабочих органов с почвой внесли: Н. Нерли, В.П. Горячкин, Г.Н. Синеоков, Ф.М. Канарев, П.С. Нартов, В.И. Медведев, В.В. Кацыгин и др. С развитием теории взаимодействия дисковых рабочих органов получили развитие и теоретические исследования других ротационных рабочих органов с почвой. Изучению процесса взаимодействия рабочих органов с почвой посвящено большое количество работ: Н.Б. Бока, Ю.И. Матяшина, А.И. Лещанкина, А.Д. Кормщикова, А.П. Акимова, Ю.Ф. Казакова и др.
Привод рабочих органов сельскохозяйственных машин через систему ВОМ с каждым годом расширяется, а в связи с продолжающимся ростом энергонасыщение тракторов ожидается еще большая интенсивность применения активного привода исполнительных рабочих органов. Опыт использования машинных агрегатов с приводом рабочих органов от ВОМ трактора показал, что узким местом в цепи передачи энергии является карданная передача. По данным исследований М.И. Лысова, А.А. Гафановича, Э.П. Флика, К.Б. Бицено и др. малый срок службы карданных передач предопределяется, главным образом, недостаточной надежностью шарнирных сочленений. В последние годы усилия исследователей, конструкторских бюро направлены на создание более долговечных шарнирных сочленений карданных передач. При этом условия работы других элементов конструкции карданных передач мало изучались. Недостаточно исследовано влияние режима работы телескопического соединения на кинематику и динамику работы всей передачи и на надежность и долговечность шарнирных сочленений.
Недостаточно изучены условия работы карданных передач сельскохозяйственных агрегатов на различных технологических операциях, при различном рельефе и других эксплуатационных условиях, а также влияние условий их работы на нагрузки в элементах привода исполнительных рабочих органов.
Для расширения зоны нормальной работы агрегатов необходимо уменьшить горизонтальное сопротивление движению рабочих органов. Этим требованиям удовлетворяют почвообрабатывающие орудия, у которых рабочие органы наряду с технологическими выполняют и функции движителей.
Отечественные тракторы, имеющие независимый и синхронный приводы ВОМ, во многих случаях не соответствуют скоростным технологическим характеристикам рабочих машин. По мере увеличения урожайности убираемой культуры или изменения нормы распределения материала на единицу площади поступательная скорость движения агрегата вследствие ограничения пропускной способности рабочих органов падает, тогда как число оборотов приводного вала машины должно увеличиваться. Отсюда следует, что синхронный привод здесь вообще не пригоден, а оптимальное значение скорости при независимом приводе рабочих органов практически трудно определить и постоянно поддерживать по мере изменения технологических показателей обрабатываемого материала и условий движения. Для обеспечения наилучшей загрузки двигателя энергонасыщенного трактора при меняющихся технологических параметрах необходимо иметь многоступенчатый независимый привод ВОМ, а ещё лучше – бесступенчатый привод, обеспечивающий постоянный режим работы рабочих органов при любой скорости движения агрегата.
На основании анализа состояния проблемы и в соответствии с поставленной целью решены следующие задачи исследования:
1. Провести исследования существующих приводов исполнительных рабочих органов и движителей по определению вредных сопротивлений и нагрузок на элементах привода.
2. Сделать анализ условий работы карданных передач в приводе исполнительных рабочих органов и движителей.
3. Разработать классификацию элементов привода исполнительных рабочих органов и движителей по функциональному назначению.
4. Определить необходимость создания привода, где часть функций исполнительных рабочих органов и движителей будут переданы элементам привода.
5. Разработать классификацию механических коробок передач (КП), позволяющих передавать крутящий момент без разрыва передаваемого потока мощности и определить область их применения.
6. Обосновать необходимость создания конструкции привода исполнительных рабочих органов в зависимости от действительной скорости движения агрегата.
7. Разработать и провести кинематический расчет механизма поворота гусеничной машины, совмещенного с коробкой передач.
8. Обосновать необходимость создания многопоточных энергосберегающих приводов исполнительных рабочих органов.
Изучением двухшарнирных карданных передач занимались Н.И. Мерцалов, Е.А. Чудаков, А.В. Верховский, З.Ш. Блох и др. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные И.Я Дьяковым, У.Б. Утемисовым, С.А. Лапшиным и др. показывают, что повышение долговечности карданных передач должно осуществляться по следующим направлениям:
1. Снижения температурного режима подшипниковых узлов шарниров в условиях эксплуатации.
2. Применения современных сортов смазки.
3. Создания карданных передач, позволяющих уменьшить нагрузки на элементах трансмиссии агрегата.
Для улучшения работы элементов привода движителей и исполнительных рабочих органов необходимо искать пути совершенствования конструкций с целью уменьшения нагрузок на элементах привода, улучшения технологического процесса передачи энергии, расширения границ изменения режимов работы, уменьшения непроизводительных затрат при передаче энергии и т.п.
При передаче крутящего момента под углом между валами на вилках карданных шарниров возникают знакопеременные изгибающие моменты, вызывающие поперечную вибрацию валов карданной передачи, которые представлены на рисунке 1.
а) б)
а) при копировании рельефа; б) при работе на поворотах.
Рисунок 1 - Знакопеременные изгибающие моменты на валах карданной передачи
В результате теоретических и экспериментальных исследований карданных передач выявлено, что изгибающий момент, возникающий на промежуточном валу карданной передачи, за каждый оборот вала дважды достигают максимума и меняют знак. На рисунке 2 показан график изменения изгибающих моментов на промежуточном валу от одного шарнира карданной передачи при передаче постоянного крутящего момента, в зависимости от угла поворота вала. Знакопеременные изгибающие моменты, возникающие на промежуточном валу карданной передачи, будут влиять на прогиб промежуточного вала и вызывает поперечную вибрацию телескопического соединения.
Рисунок 2 - График изменения изгибающего момента на промежуточном валу
в зависимости от угла между валами при постоянном крутящем моменте
Наибольший прогиб промежуточного вала получается при одноволновом изгибе и следует ожидать, что наименьшая критическая скорость будет при одноволновом изгибе промежуточного вала.
Используя метод начальных параметров нами определены критические частоты вращения карданного вала в зависимости от угла между валами, изгибающего момента и длины карданного вала.
(1)
Рисунок 3 - Схема действия сил на карданный вал
Обозначим через Qо и Мо – соответственно поперечную силу и изгибающий момент на левом конце вала (х=0).
Пусть в точках ai (1, 2, 3…) на вал действуют сосредоточенные силы Рi и изгибающие моменты Mi, уравнение упругой линии в этом случае будет иметь вид:
(2)При исследовании влияния изгибающего момента, зависящего от величины угла между валами и длины промежуточного вала, на величину критической частоты вращения карданного вала сделаем следующие допущения:
1. Карданная передача точно отбалансирована;
2. Критическая частота вращения зависит только от прогиба вала (одноволновый прогиб).
3. Изгибающие моменты, возникающие на валах при передаче крутящего момента под углом между валами, заменяем фиктивной знакопеременной силой Q, создающей эквивалентный прогиб.
4. Промежуточный вал карданной передачи безмассовый.
Учитывая условие, что фиктивная нагрузка Q и изгибающий момент создают эквивалентный прогиб, имеем:
(3)Результаты расчета приведем в виде таблицы 1.
Таблица 1.
| 1 | -1 | 3 | 1 | | 0 | | 0 | | | | |
| 0 | 1 | -6 | -3 | | 1 |  | 0 |  | | | |
| 0 | 0 | 1 | 1 | | 0 | | 0 | | | | |
| 0 | 0 | 0 | 1 | | 0 | | 1 | | | | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | | -1 | | 1 | | | | |
| - | 1 | 0 | 0 | | 0 | | 1 | | | | |
| 0 | 0 | 1 | 0 | | 0 | | 1 | | | | |
 | 0 | 0 | 1 | | 0 | | 1 | | | | |
| 1 | -1 | 0,6 | 0,2 | | -1 | | 1 | | | | |
| 0 | 1 | -1,2 | -0,6 | | 1 | | | | | | |
| 0 | 0 | 0 | 1 | | 0 | | 1+ | | | | |
| 0 | 0 | 0 | 1 | | - | | 1+ | | | | |
| Продолжение таблицы 1. | |||||||||||
| | | | | * | -2-0,2·  1+0,6 - - | | 4,8+0,2 -4,8-0,6 2 + 1 + | | |||
| | | | | * | |||||||