Проектирование элементов системы агрегатирования высокотехнологичных мобильных энергетических средств

Проектирование элементов системы агрегатирования высокотехнологичных мобильных энергетических средств

ЕМ Асманкин, д.т.н., профессор, А.А. Сорокин, к.т.н., А.С. Подуруев, к.т.н., И.З. Аширов, к.т.н., А.А. Петров,

к.т.н., Оренбургский ГАУ

Проблема реализации энергетического потенциала двигателя в тяговый потенциал машины имеет решение в результате повышения тягово-сцепных показателей энергонасыщенных колесных тракторов. В ряде работ [1, 2, 3] обоснована технико-экономическая целесообразность создания модульных энерготехнологических средств на базе отечественных и импортных тракторов, мощность силовой установки которых не может быть полностью реализована через ходовую систему. Однако в указанных трудах отсутствует информация о специфике методов конструктивной реализации модульных энерготехнологических средств (МЭС), что затрудняет варьирование уровней технологичности блочно-модульной схемы агрегатирования в практических условиях.

Материалы, методы и результаты исследований. Научная группа кафедры модульных энерготехнологических средств ОГАУ занимается разработкой конструкции и механизмов управления МЭС на базе трактора МТЗ-1221.

Учитывая преимущества унификации, наиболее целесообразно в качестве тягово-технологического модуля (ТТМ) использовать заднюю полураму трактора Т-150К, с активным ведущим мостом и весом 2380 кг при её балластировании грузом массой 210 кг для создания требуемого крюкового усилия [4].

Задняя тележка трактора Т-150 К с ведущим мостом (4) (рис. 1) состоит из двух полурам: передней и задней. Для обеспечения соединения ТТМ с энергетическим модулем (ЭМ) на передней полураме предусмотрено сцепное устрой-

ство (7), посредством которого она присоединяется к задней навесной системе (2) трактора МТЗ-1221. Для обеспечения эксплуатационной технологичности при комплектовании МЭС оригинальное сцепное устройство выполнено на базе автоматической сцепки СА-1. В результате время, необходимое для соединения ЭМ с ТТМ, значительно уменьшается.

Крутящий момент, подводимый к ведущему мосту тележки, создает двигатель трактора через его задний вал отбора мощности (8). При этом эксплуатация МЭС должна осуществляться при синхронном приводе ВОМ, то есть при переводе рычага управления ВОМ в положение, при котором частота вращения его хвостовика пропорциональна скорости поступательного движения трактора.

Для предотвращения кинематического рассогласования ведущих колес трактора и модуля вследствие различных угловых скоростей ведущих колес ЭМ и ТТМ в силовом приводе последнего предусмотрен согласующий мультипликатор 3, имеющий два выходных вала: от одного (11) осуществляется привод ВОМ ТТМ, а от другого (6) — привод ведущего моста ТТМ. На участке кинематической схемы «хвостовик ВОМ трактора — согласующий редуктор» предусмотрена обгонная муфта (9). Это необходимо для того, чтобы иметь возможность отключить подвод силового потока к подкатному (третьему) мосту при выключении ВОМ ЭМ и при обкатывании колесами ТТМ неровностей дороги с целью исключения циркуляционной (паразитной) мощности. В случае использования ВОМ ТТМ при стационарной работе МЭС также предусмотрено принудительное отключение привода ведущих колес модуля посредством жесткой муфты (10).

Рис. 1 - Модульное энерготехнологическое средство:

I - энергетический модуль (ЭМ); 2 - тяги навесного устройства ЭМ; 3 - согласующий мультипликатор; 4 - транспортнотехнологический модуль (ТТМ); 5 - навесное устройство ТТМ; 6 - вал привода колёс ТТМ от согласующего мультипликатора; 7 - шарнирное соединение ЭМ и ТТМ; 8 - вал от ВОМ ЭМ; 9 - роликовая обгонная муфта; 10 - шлицевая муфта;

II - вал привода ВОМ ТТМ

Шарнирное сочленение несущей рамы ТТМ обеспечивает взаимный поворот её передней и задней частей на 30° в обе стороны в горизонтальной плоскости при поворотах агрегата и на 15° в обе стороны в поперечной вертикальной плоскости при копировании колесами ТТМ неровностей дороги. Кроме того, как и трактор Т-150К, ТТМ оснащён пневмотормозами и тем же рабочим оборудованием (прицепным, тягово-сцепным и седельным устройствами), что и трактор Т-150К.

В связи с тем, что модульное энерготехнологическое средство представляет собой комплект, состоящий из ЭС, имеющего поворот управляемых колёс, и тягово-технологического модуля со способом поворота по типу «ломающаяся рама», МЭС будет иметь комбинированную схему поворота. Указанная схема предполагает поворот управляемых колес ЭМ и вращение одной относительно другой шарнирно сочленённых секций: остовов ЭМ и ТТМ. Выбор комбинированной схемы поворота не влечёт за собой изменения конструкции ходовой системы энергетического и технологического модулей.

Одним из важнейших условий поворота с постоянным радиусом, установившейся скоростью движения и при отсутствии боковой эластичности движителя является вращение всех колёс без бокового скольжения и боковых деформаций шин. Это условие выполняется, когда полюс поворота (рис. 2) лежит на пересечении осей всех колёс. В противном случае поворот будет сопровождаться повышенным износом шин и

дополнительными затратами энергии, то есть отклонением от оптимальных критериев управляемости. Другим не менее важным условием является копирование колёсами ТТМ следов задних колес ЭМ, причём только при выполнении этого условия колёса ТТМ будут вращаться без бокового скольжения и деформаций шин, а наличие мультипассэффекта позволит повысить тягово-сцепные свойства агрегата на базе МЭС.

Анализ рисунка 2 позволяет сделать следующий вывод: для обеспечения движения колёс ТТМ по следу задних колёс ЭМ необходимо, чтобы точка пересечения оси колёс ТТМ с его продольной осью (А) и точка пересечения оси задних колёс ЭМ с его продольной осью (В) располагались на одной окружности, проведённой из центра вращения (полюса поворота). Концентричное расположение точек А и В возможно только при определённой величине Ьт. Таким образом, для обеспечения движения колёс ТТМ по следу необходимо определить расстояние от оси задних колёс ЭМ до оси вертикального шарнира Ьт.

Согласно геометрии поворота (рис. 2) треугольники В0102 и А0О2 определяют положение оси вертикального шарнира 02. Вершина треугольников 02 является точкой пересечения касательных к окружностям, проведённых в точках А и В; стороны ВО1 и АО! равны; сторона 0102 общая. Следовательно, эти треугольники равны, а значит, стороны А02 и В02 равны, т.е.

^т.

Рис. 2 - Кинематическая комбинированная схема поворота МЭС для определения положения вертикального шарнира:

Вк - ширина колеи; I - продольная база ЭМ; Ні, т - расстояние от оси вертикального шарнира до осей колёс ЭМ и ТТМ соответственно; ан, авн, ат - углы установки колёс

При значении Ьт меньше ЬИ след от колёс ТТМ будет смещён относительно следа задних колёс ЭМ в сторону полюса поворота, а при величине Ьт больше, чем ЬИ, наоборот, след от колёс ТТМ будет удалён от полюса поворота дальше, чем след задних колёс ЭМ.

Рассматривая кинематику поворота, можно определить основные критерии устойчивости. Теоретический минимальный радиус поворота МЭС Лт1п рассчитываем по формуле:

= яп + 2 вк

где ЯП — радиус поворота, м;

ВК — ширина колеи, м.

Радиус поворота можно определить из треугольника В002:

Я = 1т

А От

где ат — угол между осями колёс ЭМ и ТТМ, град.

Относительный радиус поворота определяется выражением:

Р =

вк'

Для обеспечения движения колёс ТТМ по следу задних колёс ЭМ спроектирована конструкция соединительного узла на базе автоматической сцепки СА-1 (рис. 3), применение которой позволит расположить ось вертикального шар-

нира посредине между осями промежуточного (заднего моста ЭМ) и заднего (моста ТТМ) моста МЭС.

Устойчивость агрегата характеризуется его способностью работать на продольных и поперечных уклонах без опрокидывания, сохраняя заданную траекторию движении под действием внешних сил. В случае использования агрегатов на базе МЭС значение курсовой устойчивости приобретает актуальность по причине увеличенного продольного габарита, особенно при выполнении пропашных технологических операций. В этой связи при проектировании соединительного узла МЭС необходимо обеспечить блокировку вертикального шарнира ТТМ при прямолинейном движении агрегата и свободное вращение подкатного модуля относительно энергетического при маневрировании.

Для этой цели (рис. 4) используются штатные поворотные гидравлические цилиндры (2) трактора Т-150К. Передние головки (3) цилиндров крепятся с помощью пальцев к отверстиям задних кронштейнов (5) навески ЭМ, а штоки (4) — к поворотным рычагам (1) вертикального шарнира (задней полурамы трактора Т-150К).

Управление блокировкой и разблокировкой поворотных гидроцилиндров осуществляется автоматически адекватно положению управляемых колёс энергетического модуля относительно продольной оси трактора. Разработана электрическая схема управления (рис. 5), элементы которой унифицированы. Механизм управления работает следующим образом.

При повороте направляющих колёс ЭМ на угол больше 7° относительно продольной базы трактора контакт 6'01 замыкается и образуется электрическая цепь: положительный зажим выпрямителя генератора В — обмотка — масса — отрицательный зажим М выпрямителя. Сердечник 3 намагничивается и притягивает якорёк (1), и контакты КЬ замыкаются. При этом ток течёт по цепи: положительный зажим выпрямителя В — ярмо КЬ2 — втягивающая обмотка тягового реле 8 — масса — отрицательный зажим М выпрямителя. Втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле намотаны в одну сторону, и их магнитные потоки действуют согласованно. Тяговое реле воздействует на клапан (2) (рис. 6), отрывая его от седла и соединяя соответствующие полости гидроцилиндров (1) с баком (3).

При этом масло свободно переливается из гидроцилиндров в бак, не препятствуя повороту тягово-технологического модуля. Наличие масла в баке создаёт затвор поступлению воздуха в полости гидроцилиндров, а следовательно, нарушению нормальной работы блокировки поворота при прямолинейном движении МЭС.

При повороте налево масло из полостей А и Г сливается в бак (3). Одновременно из бака

з_

Рис. 3 - Соединительный узел МЭС:

1 - замок автоматической сцепки СА-1; 2 - согласующий мультипликатор; 3 - поворотная часть вертикального шарнира; 4 - установочный кронштейн; 5 - пластина

Рис. 4 - Механизм блокировки вертикального шарнира:

1 - поворотный рычаг вертикального шарнира ТТМ; 2 - поворотный гидроцилиндр; 3 - головка цилиндра; 4 - шток гидроцилиндра; 5 - задний кронштейн навески; 6 - силовой трубопровод

Рис. 5 - Электрическая схема механизма управления поворотными гидроцилиндрами соединительного узла МЭС:

1 - якорь; 2 - ярмо; 3 - сердечник; 4 - пружина; 5 - обмотка реле; 6 - тяговое реле; 7 - якорёк; 8 - втягивающая обмотка; 9 - удерживающая обмотка; 10 - диоды прямой полярности; 11 - диоды обратной полярности

Рис. 6 - Гидравлическая схема механизма управления поворотными гидроцилиндрами соединительного узла МЭС:

1 - поворотные гидроцилиндры; 2 - клапан с электромагнитным управлением; 3 - бак; 4 - трубопроводы; А, Б, В, Г -полости гидроцилиндров

масло направляется в полости Б и В. При повороте направо масло из полостей Ви Б направляется в бак.

Сразу после окончания манёвра и возвращения направляющих колёс в нейтральное положение (при достижении угла между колёсами и продольной базой трактора угла менее 7°) продольные оси трактора и ТММ не совпадут. Если в этом положении заблокировать вертикальный шарнир, то колёса ТММ будут двигаться с боковым скольжением, агрегат будет уводить в сторону и возрастут энергозатраты на передвижение МЭС.

При нейтральном положении направляющих колёс контакт (рис. 5) размыкается и цепь втягивающей обмотки обесточивается, но удерживающая обмотка тягового реле не позволяет возвратной пружине вернуть клапан в исходное

положение. В этом случае ток идёт по цепи: положительный зажим выпрямителя генератора В — удерживающая обмотка (9) тягового реле (6) — масса — отрицательный зажим М выпрямителя. Только при совпадении продольных осей энергетического и тягово-технологического модулей контакт £02 размыкается, клапан под действием пружины запирает полости гидроцилиндров и блокирует вертикальный шарнир. При этом невозможно относительное вращение ТТМ и ЭМ. Таким образом, прямолинейное рабочее движение МЭС осуществляется при блокированном вертикальном шарнире. Это даёт высокую курсовую устойчивость движения агрегата на базе МЭС.

Для обеспечения работоспособности рассмотренной электрической схемы необходимо разместить контакты и $22 на МЭС.

Рис. 7 - Замыкающий контакт 5£\:

1 - корпус; 2 - подвижный контакт; 3 - неподвижные контакты; 4 - ось подвижного контакта; 5 - хомут; 6 - сошка; 7 - клеммы; 8 - шунт

Рис. 8 - Размыкающий контакт 5(?2:

1 - корпус; 2 - контакты; 3 - клеммы; 4 - кнопка; 5 - упор

Замыкающий контакт целесообразно расположить в диэлектрическом корпусе, который посредством кронштейна крепится к фланцу корпуса гидроусилителя и располагается строго над сошкой при нейтральном положении управляющих колёс (рис. 7).

Подвижный контакт (2) насажен на ось (4) и может поворачиваться вокруг неё в горизонтальной плоскости. Своим изолированным концом он свободно входит в хомут (5), который неподвижно прикреплён к сошке (6). Одна из клемм (7) электрически связана с положительным зажимом выпрямителя генератора. Между собой клеммы соединены шунтом (8). При повороте управляемых колёс сошка посредством хомута увлекает за собой подвижный контакт и замыкается цепь (рис. 5): положительный зажим генератора — неподвижный контакт (3) —

подвижный контакт (2) — ось (4) — обмотка КЬ — масса.

Регулировать угол поворота колёс, при котором замыкается цепь, можно перемещением хомута вдоль сошки. При этом для обеспечения хорошей манёвренности агрегата угол между плоскостью управляемого колеса и продольною осью трактора должен быть в интервале от 6 до 8°.

Размыкающий контакт £02 крепится к поворотной части несущей рамы ТТМ над вертикальным шарниром. В корпусе (1) (рис. 8) расположены два постоянно замкнутых контакта (2).

При прямолинейном движении МЭС (продольные оси трактора и ТТМ совпадают) упор (5) находит на кнопку (4), которая при своём движении вниз размыкает контакты, и ток в цепи удерживающей обмотки не течёт.

При повороте упор (5), расположенный на несущей раме ТТМ, освобождает кнопку (4), и под действием сил упругости контакты замыкаются, образуя цепь удерживающей обмотки тягового реле. Регулировать момент блокировки вертикального шарнира можно перемещая упор.

Таким образом, применяя блочно-модульную систему агрегатирования, можно решить проблему реализации энергетического потенциала двигателя в тяговый потенциал МЭС.

Литература

1. Кутьков Г.М. Энергонасыщенность и классификация тракторов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2009. № 5.

2. Кутьков Г.М. Исследование модульного энерготехнологического средства // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1989. № 12.

3. Асманкин Е.М., Сорокин А.А. Проектирование модели блочно-модульной системы агрегатирования с целью повышения эксплуатационно-технологических свойств энергонасыщенных тракторов // Известия ОГАУ. 2010. № 4.

4. Бугара В.А. Трактор Т-150К. М.: Колос, 1976. 312 с.