Согласование характеристик двигателя и механической трансмиссии трактора

руго-пластических деформаций пока не поддается аналитической оценке. Предложенные в [3] критерии перехода от упругого контакта к пластическому через глубину относительного внедрения являются в достаточной степени условными, так как не учитывают сил трения.

При трении, как и при статическом вдавливании индентора, до сих пор нет однозначного критерия пластичности, который указывал бы на условия наступления пластической деформации [4]. Если при одноосном нагружении пластическая деформация металла начинается при напряжениях, равных пределу текучести, то при трении вследствие сложного напряженного состояния несущая способность контакта повышается и пластическая деформация начинается при значениях q = cos, где as - предел текучести; с - коэффициент, который в зависимости от формы индентора, упрочнения и т. д. может меняться в значительных пределах (от 1 до 10) [3; 5]. В связи с тем, что структурные изменения являются комплексной характеристикой состояния поверхностного слоя, представляется целесообразным их исследование именно в упругопластической области, где они могут служить критерием степени развития пластической деформации, критерием перехода от упругого контакта к пластическому.

Литература

1. Харач Г.М. Исследование изнашивания поверхностей трения в условиях пластического контакта: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: ИМАШ АН СССР, 1965.

2. Непомнящий Е.Ф. Основы расчета поверхностей трения на долговечность по величине линейных размеров. - М.: Знание, 1968.

3. КрагельскийИ.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968.

4. Пилипчук Б.И. Современные проблемы теории упругости // Исследования в области измерения твердости. - М.; Л.: Изд-во стандартов, 1967.

5. О величине фактического давления при пластическом контакте / Н.Б. Демкин [и др.] // Надежность и долговечность деталей машин: тр. Калининского политехн. ин-та. - Калинин, 1974.

6. Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. - М.: Машиностроение, 1969. - 286 с.

7. Меновщиков В.А., Ереско С.П. Работоспособность карданных щарниров транспортно-технологических машин: моногр. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2005. - 236 с.

УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов

СОГЛАСОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАКТОРА

В статье обоснованы модели оптимизации режимов совместной работы двигателя и механической ступенчатой трансмиссии с учетом изменения массоэнергетических параметров трактора. Ключевые слова: двигатель, трактор, параметр, модель.

N.I. Selivanov CHARACTERISTICS COORDINATION OFTRACTORENGINE AND MECHANICAL TRANSMISSION

Models formodeoptimization of engine and mechanical step transmission teamwork taking into account mass and energetic tractor parameter change are substantiated in the article.

Key words: engine, tractor, parameter, model.

Основным правилом совмещения регуляторной характеристики двигателя и лучевой диаграммы механической ступенчатой трансмиссии является условие удовлетворительного преодоления трактором временного повышения тягового сопротивления без перехода на пониженную передачу. При этом необходимо установить взаимосвязи между коэффициентом приспособляемости двигателя по моменту Км=Мтах/Мн и кинематическими параметрами-адаптерами трансмиссии, которыми являются скоростной буосн диапазон основной группы передач, знаменатель

геометрического ряда q=iтрn-1/iтрn, число основных (рабочих передач) п и динамический радиус качения колеса Гд. Указанные параметры зависят от типа движителя и эксплуатационной массы трактора 1Т1э, мощности N03 и номинального скоростного режима Пн двигателя, характеристики распределения внешней нагрузки Vмс. Поэтому обоснование рациональных кинематических параметров механической трансмиссии для обеспечения основной группы рабочих скоростей движения сельскохозяйственного трактора переменного тягового класса является актуальным.

Цель работы. Обоснование рациональных кинематических параметров механической трансмиссии для наиболее полного использования мощности двигателя сельскохозяйственного трактора переменного тягового класса на основных операциях.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

1) обосновать модели оптимизации режимов совместной работы двигателя и трансмиссии трактора;

2) определить рациональные соотношения параметров регуляторной характеристики двигателя и трансмиссии в диапазоне основных рабочих передач трактора.

Решение поставленных задач целесообразно выполнять с использованием обобщенной вероятностной характеристики распределения средних значений тяговых нагрузок на основных энергоемких технологических и транспортных операциях с учетом установленных ограничений и допущений:

1) режимы работы дизеля постоянной мощности (ДПМ), соответствующие максимальному Мтах и номинальному Мн значениям крутящего момента по регуляторной характеристике, являются предельными;

2) средние значения максимальной касательной силы тяги Рк тах при допустимом буксовании движителя 5Д на первой передаче основной группы скоростей трактора соответствуют максимальному коэффициенту загрузки двигателя <;Мтах;

3) передаточные числа геометрического ряда одноименных передач основной группы скоростей для разных массоэнергетических параметров трактора остаются неизменными.

Для разбивки передаточного числа трансмиссии ^р по геометрическому ряду построим лучевую диаграмму зависимости между крутящим моментом двигателя Мк и касательной силой тяги на ведущих колесах Рк (рис. 1). В общем случае эту зависимость с небольшой погрешностью можно принять линейной и для первой передачи в условиях вероятностной нагрузки она имеет вид:

Р.

* .

— ^Мтах-^нЛтрІ

н 1тр ктах’

где 1ктах=1тр1/гд - относительное передаточное число трансмиссии на первой передаче основной группы.

Рис. 1. Совмещение характеристики дизеля и лучевой диаграммы скоростного ряда трансмиссии трактора с постоянной эксплуатационной массой

предельное значение по сцеплению Р.. , ограниченное максимальным коэффициентом сцепления ср

Фтах

При максимальной эксплуатационной массе трактора Тэтах сила Р ктах не должна превышать ее ьное значение по сце при допустимом буксовании

$

р < р = Ф ш 2.

кшах — Фтах ттах этахо V '

г * £ *

Для известных значений Км И Умс коэффициенты максимальной Цмтах И минимальной ^Мтт за' грузки тракторного дизеля выразятся как [1]:

*

- < К 3 „

м / ^ ^ » мс

йшт^ Км /(1 + ^мс)•

IМша^ Км /(^^мс );

Зависимости (3) можно использовать для определения максимального значения знаменателя геометрического ряда Яшах передаточных чисел трансмиссии трактора при оснащении его двигателем с традиционной регулировкой (Км^1,20) или ДПМ (Км^1,40). Для ДПМ должно выполнятся условие ^ 1,0, тогда

Ятах — ^Мтах ’Мтт' ^

Значения коэффициентов ^тах и ^тт определяют режимы работы дизеля по регуляторной

характеристике М ктах и Мкт;п, соответствующие переключению смежных повышенной и пониженной передач.

Передаточное число первой передачи ^тах определится с учетом (1) и (2) как граница устойчивой рао» *

боты дизеля при С,мтах и Д0ПУСТИМ0Г0 буксования трактора:

; =; = тэтахёФтах

ктах к1 Л 1

^Мтах нЛтр

Выразив коэффициент сцепления фтах через коэффициенты использования веса фкртах и сопротивления качению 1

фтax—фкртax+f

и учитывая, что буксование подчиняется зависимости 5=афкр/(Ь-фкр) [1], формула (5) примет вид:

• _тэтах8[аГ + 5д(Ь + 0]

где а и Ь - эмпирические коэффициенты.

Пересечение перпендикуляра из точки Р к шахі на оси абцисс (рис. 1) с линией Мк шах характеризует экстремальный нагрузочный режим совместной работы двигателя и трансмиссии при іктах = ік1. Луч,

проходящий через начало координат и точку пересечения Рктах и Мктах, представляет зависимость Мр^Рк) для первой передачи.

Точка а пересечения зависимости М^Рк) с линией М кш;п соответствует режиму работы двигателя,

при котором следует переключить передачу с 1 на 2, поскольку ниже нагрузки Мк т;п работать нельзя по

условию. Перпендикуляр, опущенный из точки а на ось абцисс определяет силу Рк2 на 2 передаче при максимальном нагрузочном режиме работы двигателя, соответствующем

V" *

Ьмтах1 Зависимость М^Рй) характеризует луч, проведенный из начала координат до пересечения РК2 и

Мк тах. Изложенным методом построение продолжается до нахождения точки Р,™, соответствующей минимальной силе тяги Рф1тат, ограничивающей тяговый диапазон трактора.

Минимальное передаточное число основной группы передач трансмиссии выбирается из условия перекрытия тяговых зон смежных классов, что позволяет расширить сферу применения трактора и выполнять работы, относящиеся к тяговой зоне предыдущего (1-1) класса. Расчетный тяговый диапазон трактора 5т определяется по формуле:

^КрШ £ Фкрш

5Т = ^=

^KpH(i-l) Фкртип

где { - коэффициент расширения тягового диапазона трактора (1,25-1,30).

Номинальное значение коэффициента использования веса ффы=Рфш/тэд и соответствующее ему номинальное тяговое усилие трактора i-го класса РфЫ выбираются из условий:

Р t<P <Р '

Kpopt _ крн _ крmax’

Фкрор^ — Фкрн — Ф:

кр max’

где ффор и Рфо^ - значение коэффициента использования веса и тяговое усилие при максимальном тяговом КПД трактора.

Основной тяговый диапазон трактора общего назначения целесообразно ограничить экстремальными значениями тяговой нагрузки:

Р < Р = О 9Р •

кр maxi _ крнтах1 ’ крн(1+1)’

р р р

Р < Р =0 9Р

кр mini — кр min(i-l) ’ крн(1-1)'

Тогда с учетом (8) с достаточной для практических расчетов достоверностью можно принять

p.p.

Kpmaxi KpHmaxi (ЛЛ^

т~~

Р__Р

кр mini KpHmin

Откуда для трактора i-го класса

Р — р /8<Р

Kpmmi крнтах1 т — крнтт(1-1)- \ I

Тогда минимальное передаточное число основной группы передач трансмиссии трактора с установленными массоэнергетическими параметрами определится как:

: • =тэтахё^ + 5тт(Ь + Г)]

кртт п 5-* л/г /с \ ’ ' '

ЬМтахМнГ1тр

где 5тт - буксование трактора, соответствующее Рфтт!.

Диапазон основных скоростей трактора буосн представляет отношение теоретических (расчетных) скоростей на высшей Утп и низшей Ут1 передачах

буосн=Утп/Ут1.

При этом передаточные числа низшей и высшей передач диапазона основных скоростей из кинематических соотношений выразятся как

{ <£-Ю /V '

к шах _ тк»! т ’

*

1 <Е со /V

кШ1П _ т>со„ ™н ' т

11 *п '

'ґ *

где - экстремальный коэффициент загрузки двигателя по скоростному режиму на п-й передаче.

’-"п

С учетом (15) зависимость для определения диапазона основных скоростей запишется в виде

^Чхш _ ^ю„^ктах/^сс^ктіп — ^Чк ГДЄ — ’ ^ік — ^ктах^ктиг

Используя формулу (5) и зависимости (7) и (13) для определения ^ік с учетом тягово-сцепных и динамических свойств трактора, выражение (16) примет вид

^Ч,сн = ^тэ У^МН 5

или

= ^“т ЧА- ^“М ^Т1 5

*ОСН А11Э V ХУІН Чтр

ГДе^тэ =тэтах/тэ„; \ = ^Мн=Мн/Мнп^ ЧР = ^тр/Птр,, •

Рациональное число передач По при установленном значении ^ определится из выражения [2]:

уосн

qn‘1 = 5У .

*осн

Передаточное число трансмиссии ітр=ікГд зависит от динамического радиуса колеса. Переменная величина Гд определяется многими факторами: нагрузкой на шину, ее конструкцией и деформацией, плотностью почвы и др. При выборе типа шины необходимо учитывать, что расчетное значение нормальной нагрузки на

шину не должно превышать максимально допустимого по ГОСТ 25641-84 при минимальном давлении возду-

ха в ней. Динамический радиус колеса вычисляют по формуле [1]:

Гд=

где Ок - диаметр выбранной шины по стандарту.

Радиус ведущего колеса гусеничного движителя при известных длине звена гусеницы 1зв и числе его зубьев 7п определяют по зависимости

Гк=!зв^/2п.

Зависимости (17) и (18) показывают, что диапазон основных скоростей ^ и передаточные числа

уосн

трансмиссии остаются неизменными при постоянном соотношении относительных параметров, характеризующих тягово-сцепные свойства трактора (Х1Т1 , Хт, Хп ) и энергетический потенциал двигателя

э Ф Чтр

{X Хм ).

н

Поэтому для повышения универсальности и эффективности функционирования трактора в составе тяговых и тягово-приводных агрегатов на передачах основной и транспортной групп скоростей целесообразно изменять его массоэнергетические параметры. Это раскрывает широкие возможности превращения трактора в мобильное энергетическое средство (МЭС) переменного тягового класса и улучшения его работы на транспортных передачах (рис. 2).

Рис. 2. Совмещение характеристики дизеля и лучевой диаграммы скоростного ряда трансмиссии

трактора переменной эксплуатационной массы

Указанное достигается изменением эксплуатационной массы трактора от тэтах: до тэтн—mэmaxi/(1+3vмс) при Рк—Ркнтт снятием балластных грузов и сдвоенных колес. Основной проблемой при этом является обоснование целесообразности, а также утомительность и трудоемкость самой процедуры.

Регулирование мощности двигателя с использованием широко распространенной электронной системы управления значительно проще. При этом наиболее эффективным с позиции ресурсосбережения, сохранения структуры передаточных чисел и одноименных рабочих передач являются следующие методы обеспечения оптимальной энергонасыщенности трактора:

а) форсирование двигателя по среднему эффективному давлению (номинальному крутящему моменту Мн) изменением цикловой подачи топлива на корректорной ветви при неизменном номинальном скоростном режиме;

б) форсирование по номинальному скоростному режиму при неизменных регулировках цикловой подачи топлива.

Для сравнительной оценки эффективности и целесообразности изменения массоэнергетических параметров трактора в условиях эксплуатации необходимо рассмотреть предлагаемые ниже основные их варианты.

1. Использование трактора во всем диапазоне рабочих и транспортных скоростей с максимальной эксплуатационной массой irbmaxi (рис. 1). При этом мощность ДПМ N^ в тяговом режиме для диапазона (РфттгРфтбш) остается неизменной. При отборе мощности через ВОМ (МОМ) на основных передачах и в транспортном диапазоне скоростей ДПМ переводится на режим «Bost» путем однократного или ступенчатого повышения его мощности на 15-17 % путем соответствующего увеличения цикловой подачи на корректорной ветви регуляторной характеристики. Ограничивающими факторами являются недопущение перегрузки трансмиссии на низших передачах основного диапазона.

2. Использование трактора в тяговом диапазоне (РкрттгРкрнттО и на транспортных передачах с мини-

мальной эксплуатационной массой rrbmini (рис. 2), а в диапазоне (РкрттгРкрнтаи) с максимальной rrbmaxi. Характеристика ДПМ на тяговых режимах при ^Р^ <Ркрнтах1, а также при Р^ ^Р^ и в

транспортном диапазоне остается неизменной. При Р^щ^ ^ Р^ ^ РКрнпшп используется традиционная характеристика дизеля с К„<1,20 и Ne3=idem, полученная изменением цикловой подачи топлива на корректорной ветви. Для работы трактора с ВОМ при Р^ > P^m^i используется режим «Bost», а при

^кр ~ ^кршшш ~~ режим ДПМ.

Только объективная и комплексная сравнительная оценка технико-экономических показателей агрегатов с указанными основными конфигурациями массоэнергетических параметров тракторов позволит обоснованно выбрать наиболее рациональный вариант их использования.

Выводы

1. Обоснованы математические модели взаимосвязи показателей тягово-динамических свойств и кинематических параметров основной группы передач механической ступенчатой трансмиссии трактора.

2. Определены рациональные соотношения параметров регуляторной характеристики двигателя и трансмиссии, позволяющие дать объективную оценку эффективности изменения эксплуатационной массы и мощности трактора в основном и транспортном диапазонах его использования.

Литература

1. Селиванов Н.И. Эксплуатационные свойства сельскохозяйственных тракторов. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2010. - 347 с.

2. Основы теории и расчета трактора и автомобиля / В.А. Скотников [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1986. - 383 с.