Разработка модульной системы

Разработка модульной системы

1. Описание конструкторской разработки

Разработанный образец модульной системы агрегатирования комплектуется из трактора тягово-энергетической концепции и тягово-прицепного модуля с навешенной на него сельскохозяйственной машины, или комплектуется из трактора тягово-энергетической концепции и технологического модуля.

Тягово-прицепной модуль макетного образца тягово-приводного МТА выполнен с использованием корпуса заднего моста трактора МТЗ-80 и заднего ведущего моста автомобиля ГАЗ-52. Тягово-прицепной модуль навешивается на треугольник заднего навесного механизма трактора МТЗ-80/82 или МТЗ-1221 и имеет привод от его вала отбора мощности (ВОМ). Все элементы соединения (навесное устройство, ВОМ, гидро-, пневмои электрокоммуникации) обычные. Для стыковки трактора и тягово-прицепного модуля, последний оснащен передней выдвижной опорой. Тягово-прицепной модуль представляет собой тележку с активными колесами оснащенную универсальным гидравлическим навесным оборудованием, необходимым для выполнения полевых технологических операций. Привод ведущих колес тягово-технологического модуля осуществляется через вал отбора мощности трактора. Таким образом, МТА сформированный на базе колесного трактора имеет дополнительный ведущий мост, что позволяет использовать сцепной вес не только трактора, но и тягово-прицепного модуля с навешанным на него сельскохозяйственным орудием.

Существующий энергетический модуль оснащен приводным редуктором, гидронавеской трактора МТЗ-80 и ведущими колесами. Вращение от вала отбора мощности трактора к энергетическому модулю передается через карданный вал и приводной редуктор. Для того чтобы присоединить энергетический модуль к трактору изготавливаются тяга и раскос. К тяге присоединяется прицепное ушко, для того чтобы присоединить к навеске трактора. Тяга крепиться на мост модуля при помощи хомутов, которые привариваются к тяге. Раскос приваривается наверх тяги. Между раскосом и тягой устанавливаются втулки для прочности. На раскос сверху устанавливается плита, которая служит для закрепления гидроцилиндра и поворотного вала гидросистемы. Тяги гидросистемы модуля крепятся на ведущий мост при помощи креплений. В плите, раскосе и тяге сверлиться отверстия, для скрепления этих деталей шпильками.

Тягово-прицепной модуль оснащен тем же рабочим оборудованием, что и трактор МТЗ-82. Применение выносной гидравлической системы трактора позволяет применить при выполнение технологической операции позиционно силовой регулятор, что обеспечивает использование части веса орудия для увеличения сцепного веса предлагаемого модуля. Получение дополнительных тяговых усилий позволяет использовать перспективные в том числе полунавесные широкозахватные или комбинированные орудия с тракторами меньшего тягового класса. Разработанный тягово-прицепной модуль оснащен согласующим редуктором, от которого осуществляется привод его ведущих колес и ВОМ.

Для пробного выезда в поле на агрегате необходимо провести ряд следующих регулировок рабочих органов и узлов:

подготовка прицепного устройства модуля для агрегатирования с трактором.

проверка гидросистемы трактора и энергетического модуля, чтобы нигде не подтекали шланги.

установка хода глубины хода рабочих органов: подстановкой подкладок хода рабочих под колеса культиватора и поочерёдным вращением винтовых механизмов, подъёма колес.

Автоматическая блокировка вертикального шарнира транспортно-технологического модуля Предназначена для автоматической блокировки вертикального шарнира ТТМ при пахоте, на транспорте и др. работах с целью обеспечения прямолинейности хода МЭС, предусмотрена возможность обеспечения принудительного блокирования вертикального шарнира при необходимости маневрирования задним ходом (при сцепке с с.-х. машинами и др.).

Автоматическая блокировка состоит из клапана блокировки, 2-х гидроцилиндров, панели управления с установленными на ней контрольной лампой, выключателями и реле, соединительных шлангов и электроприводов.

Электрический сигнал на разблокирование при автоматической блокировке вертикального шарнира поступает от датчика АБД заднего моста энергомодуля, причем независимо от того, включена АБД энергомодуля или нет.

Клапан блокировки крепится на пластине кронштейна и состоит из корпуса, электромагнита, золотника, толкателя, пружины, пробки.

Через каналы, А и Б клапана соединены полости гидроцилиндров (левого и правого), подпитка система осуществляется из гидросистемы трактора. Полость В клапана соединена шлангом с корпусом трансмиссии трактора и предназначена для слива утечек масла.

Управляемый электромагнитом, золотник либо перекрывает полости, А и Б (вертикальный шарнир блокирован) либо сообщает их (вертикальный шарнир разблокирован). Выключатель установлен на оси вертикального шарнира и взаимодействует с профильной частью кронштейна, установленного на трубе балансира.

При прямолинейном движении профильная часть кронштейна воздействует на шарик выключателя и контакты его замыкаются; при повороте ТТМ относительно трактора и контакты размыкаются.

Контрольная лампа, сигнализирует о включении блокировки вертикального шарнира.

Выключатель имеет три положения:

— переднее: автоматическое блокирование вертикального шарнира, при этом при прямолинейном движении вертикальный шарнир будет блокирован, так как клапан блокировки перекроет каналы, сообщающие полости левого и правого цилиндров вертикального шарнира; при повороте рулевого колеса трактора на 8°-10° датчик АБД заднего моста трактора, смонтированный на ГУРе разомкнет цепь электромагнита клапана блокировки и блокировка выключается.

— среднее положение: блокировка вертикального шарнира выключена и обеспечивается поворот ТТМ в горизонтальной плоскости относительно трактора 30°.

— заднее положение: принудительное блокирование вертикального шарнира при движении задним ходом (включается одновременно с выключателем).

Положение выключателя, используемое при маневрировании задним ходом: — - переднее: вертикальный блокируется при любом угле поворота относительно вертикального шарнира;

— заднее: выключено; при этом управление блокировкой вертикального шарнира осуществляется выключателем.

Автоматическая блокировка вертикального шарнира действует следующим образом:

— блокировка выключена, масло из полостей цилиндров перетекает через каналы клапана блокировки, обеспечивая свободный поворот ТТМ относительно трактора; с целью гашения возникающих при наезде на препятствия и поворотах угловых колебаний ТТМ относительно вертикального шарнира в магистралях, соединяющих разноименные полости левого и правого цилиндров установлены замедлительные клапаны.

— включена автоматическая блокировка; обмотка магнита управления золотником клапана блокировки соединяются через выключатели, реле, электрическую цепь с датчиком АБД трактора; если датчик АБД включен, магнит передвигает золотник клапана блокировки, перекрывает его каналы; шарнир блокируется. Блокирование при этом возможно только при прямолинейном движении МЭС (трактора и TIM), т. е. когда контакты выключателя (датчика) замкнуты.

При повороте колес трактора более чем на 10…12° датчик АБД размыкает цепь, также обесточивается обмотка клапана блокировки вертикального шарнира, и пружиной золотник переводится в выключенное положение: вертикальный шарнир при этом разблокируется.

Блокирование принудительное. B этом случае обмотка магнита замыкается на «+» источника питания, золотник перекрывает каналы клапана блокировки и вертикальный шарнир блокируется. Позиция используется только одновременно с выключателем — для маневрирования задним ходом.

Автоматическое блокирование используется на пахоте, транспортных работах для повышения устойчивости прямолинейности хода, предотвращения «складывания» агрегата трактор — ТТМ и др. Принудительное блокирование при маневрировании задним ходом используется при движении задним ходом по прямой, кривой траектории, сцепке с СХМ.

Вертикальный шарнир ТТМ при этом может быть заблокирован под любым углом — от 0° до 30°. При этом выключатель автоматической блокировки вертикального шарнира должен быть установлен в положение «принудительное» (заднее). При окончании маневрирования задним ходом выключатель должен быть выключен. Заполнение системы автоматической блокировки вертикального шарнира ТТМ маслом осуществляется от дополнительных выводов гидросистемы трактора T-I42: для этого выводы системы блокировки ТТМ соединяются с помощью быстросоединяемых муфт шлангами с дополнительными выводами гидросистемы трактора, после соединения рукоятка гидрораспределителя используемой секции поочередно устанавливается в положение «подъем» и «опускание».

Таблица 1. Техническая характеристика МЭС-200

2. Расчет и построение тяговых характеристик трактора МТЗ-82 с использованием энергетического модуля и без него

Для расчета передаточного отношения трансмиссии энергетического модуля воспользуемся коэффициентом кинематического несоответствия:

(3.6)

где и — соответственно теоретические скорости задних ведущих колес трактора и колес энергетического модуля.

Теоретические скорости задних ведущих колес трактора и колес энергетического модуля определим соответственно:

(3.7)

где — угловая скорость коленчатого вала двигателя;

— передаточное отношение трансмиссии трактора;

— передаточное отношение трансмиссии энергетического модуля.

С учетом последнего коэффициент кинематического несоответствия будет равняться:

(3.8)

Наилучшие тяговые показатели трактора с энергетическим модулем возможны при условии, что коэффициент кинематического несоответствия будет равняться нулю. Тогда

(3.9)

Динамические радиусы ведущих колес трактора и колес энергетического модуля определяем по следующей формуле:

(3.10)

где и — соответственно диаметр посадочного обода и ширина профиля колеса в мм.

.

Подставляя, для примера, значения передаточного отношения трансмиссии для шестой передачи и значения динамических радиусов получим:

Учитывая, что передаточное отношение трансмиссии ВОМ равно, тогда требуемое передаточное отношение моста энергетического модуля будет равно:

Такое передаточное отношение имеет ведущий мост автомобиля ГАЗ-52.

С учетом того, что масса энергетического модуля составляет определим максимальную касательную силу тяги энергетического модуля по сцеплению.

где _- коэффициент сцепления;

— ускорение свободного падения.

Используя справочные данные трактора МТЗ-82 готовим исходные данные для расчета на ПЭВМ тяговых характеристик трактора и сводим их в таблицу 3.1.

При расчете тяговой характеристики трактора определяем для заданных значений и, величины теоретической и действительной скорости (,), касательной силы тяги и крюкового усилия (и), крюковой или тяговой мощности, удельного крюкового расхода топлива в функции оборотов дизеля на каждой передаче и значения тягового КПД при номинальной нагрузке дизеля.

Расчетные формулы имеют вид:

(3.11)

(3.12)

где — буксование.

При расчете буксования использовались формулы, полученные путем аппроксимации усредненных опытных кривых буксования для различных агрофонов.

Для колесных тракторов:

; при >0,5 (3.13)

; при y?0,5 (3.14)

где

Касательная сила тяги;

(3.15)

Сила сопротивления качению трактора:

(3.16)

Крюковое усилие:

(3.17)

Крюковая мощность:

кВт (3.18)

Удельный крюковой расход топлива:

; г/кВт ч (3.19)

Тяговый КПД:

; (3.20)

Таблица 3.1. Исходные данные для расчета на ПЭВМ

3. Расчёт операционных карт

Расчёт операционной карты для агрегата МТЗ-82+ПЛН-3−35

Исходными данными для расчёта операционной карты служат следующие характеристики производственных условий:

Площадь поля — 133 га.

Длина гона — 350 м.

Аэрофон — стерня.

Культура — озимая рожь.

Для вспашки стерни применяем трактор МТЗ-82 в агрегате с плугом ПЛН-3−35 с шириной захвата 1,05 м.

Таблица 3.3.1 — Техника-экономическая характеристика трактора МТЗ-82

Определяем вес плуга, приходящегося на один корпус:

(2.1)

гдевес плуга, Н;

— количество корпусов, шт.

Тяговое сопротивление одного корпуса.

(2.2)

где — глубина, м;

— ширина захвата, м;

— удельное тяговое сопротивлению;

g _кор. — вес на один корпус плуга, Н;

— коэффициент .

(2.3)

Коэффициент использования силы тяги.

(2.4)

где — тяговое усилие.

— коэффициент использования силы тяги трактора .

Таким образом обработка должна производиться на четвёртой передаче со скоростью 5,6 км/ч. Возможно работать на пятой передаче со скоростью 7,35 км/ч.

Снижение производительности из — за холостых ходов на поворотах зависит не только от кинематической характеристики или формы поворота, но и от способа движения. Радиус поворота R=6 м.

Номинальная ширина поворотной полосы.

(2.5)

Длина рабочего хода.

(2.6)

где — длина гона, м.

Средняя длина холостого хода.

(2.7)

где — длина выезда агрегата.

Определяем коэффициент рабочих ходов.

(2.8)

Время рабочего хода.

(2.9)

Время холостого хода

(2.10)

Производительность за один рабочий ход

(2.11)

где В_р. — ширина захвата, м.

Часовая производительность

(2.12)

где _. — коэффициент захвата .

Сменная производительность агрегата.

(2.13)

Определяем коэффициент рабочих ходов.

(2.8)

Время рабочего хода.

(2.9)

Время холостого хода

(2.10)

Производительность за один рабочий ход

(2.11)

где В_р. — ширина захвата, м.

Часовая производительность

(2.12)

где _. — коэффициент захвата .

Сменная производительность агрегата.

(2.13)

где время подготовки агрегата к переезду;

— расстояние одного переезда;

— средняя площадь поля;

— транспортная скорость агрегата;

Определяем расход топлива:

(2.21)

где

Определяем расход топлива на весь объём работ.

(2.22)

Расчёт операционной карты для агрегата МТЗ-82+ТТМ+ПЛН-4-35

Исходными данными для расчёта операционной карты служат следующие характеристики производственных условий

Площадь поля — 133 га.

Длина гона — 350 м.

Аэрофон — стерня.

Культура — озимая рожь.

Для вспашки стерни применяем трактор МТЗ-82 в агрегате с плугом ПЛН-4−35 с шириной захвата 1,40 м.

Определяем вес плуга, приходящегося на один корпус:

(2.1)

гдевес плуга, Н;

— количество корпусов, шт.

Тяговое сопротивление одного корпуса.

(2.2)

где — глубина, м;

— ширина захвата, м;

— удельное тяговое сопротивлению;

g _кор. — вес на один корпус плуга, Н;

— коэффициент .

(2.3)

Коэффициент использования силы тяги.

(2.4)

где — тяговое усилие.

— коэффициент использования силы тяги трактора .

Таким образом обработка должна производиться на четвёртой передаче со скоростью 5,6 км/ч. Возможно работать на пятой передаче со скоростью 7,35 км/ч.

Снижение производительности из — за холостых ходов на поворотах зависит не только от кинематической характеристики или формы поворота, но и от способа движения. Радиус поворота R=6 м.

Номинальная ширина поворотной полосы.

(2.5)

Длина рабочего хода.

(2.6)

где — длина гона, м.

Средняя длина холостого хода.

(2.7)

где — длина выезда агрегата.

Определяем коэффициент рабочих ходов.

(2.8)

Время рабочего хода.

(2.9)

Время холостого хода

(2.10)

Производительность за один рабочий ход

(2.11)

где В_р. — ширина захвата, м.

Часовая производительность

(2.12)

где _. — коэффициент захвата .

Сменная производительность агрегата.

(2.13)

где Т_р — чистое рабочее время в течении смены, ч.

(2.14)

Время подготовительно — заключительно работы.

(2.15)

гдезатрат времени на техническое обслуживание трактора;

— затраты времени на техническое обслуживание культиватора;.

— время получения наряда;

— время сдачи работы.

Время организационно — технического обслуживания агрегата на загоне.

(2.16)

где — время очистки рабочих органов.

— время технического регулирования органов

— время технического обслуживания

время отдыха на механизированных работах Коэффициент вспомогательных работ определяется по формуле:

(2.17)

Коэффициент поворотов.

2.18)

где — средняя рабочая скорость

Коэффициент внутренних переездов с поля на поле.

где время подготовки агрегата к переезду;

— расстояние одного переезда;

— средняя площадь поля;

— транспортная скорость агрегата;

Определяем расход топлива:

(2.21)

где

Определяем расход топлива на весь объём работ.

(2.22)

4. Методика и результаты эксплуатационно-технологических испытаний

С целью сравнения технико-экономических показателей тягового и тягово-приводного машинно-тракторных агрегатов были проведены эксплуатационно-технологические испытания в соответствии с ГОСТом 24 055−88. При эксплуатационно-технологических испытаниях тягово-приводного машинно-тракторного агрегата в качестве трактора-аналога, с которым проводили сравнительные испытания, принят трактор МТЗ-82. Испытания были осуществлены на основной обработке почвы: отвальная вспашка с плугами ПЛН-3−35 с трактором-аналогом и ПЛН-4−35 при использовании тягово-прицепного модуля в составе МТА.

Технологические операции по обработке почвы проводились на стерне зерновых текущего года. Для определения мощностных и экономических показателей двигателя и соответствия их технологическим требованиям снимались скоростные характеристики в стендовых условиях согласно ГОCTа 18 509−88. Сравнительные испытания на сельскохозяйственных технологических операциях осуществлялись на одном поле, одним трактором-аналогом. Для исключения субъективных погрешностей все опыты проводились одной группой исполнителей. Агрегатирование тягово-приводного МТА в ходе испытаний выполнял один человек, причем трудоемкость не превышала трудоемкости агрегатирования трактора МТЗ-82. Исследование машинно-тракторного агрегата осуществлялось с соблюдением агротехнических требований предъявляемых к технологическим сельскохозяйственным операциям.

Перед началом контрольных опытов на тракторе производился выбор оптимальной передачи, для достижения наивысшей производительности при данной глубине обработки. Подготовка поля, перед проведением испытаний включала в себя: освобождение от пожнивных остатков, разбивка поля на загоны, отбивка поворотных полос, разметка вешками через 100 м длины гона. После каждой серии опытов замерялась глубина обработки, брались пробы грунта на анализ в соответствии с ГОСТом 20 915−75. Плотность почвы на каждом участке определялась плотномером ДорНИИ. Контролировались метеорологические условия в дни испытаний.

При проведении зачетных опытов регистрировалось: продолжительность опыта, показания штатных приборов трактора (температура воды в системе охлаждения и системе смазки двигателя и давление в системе смазки) и определялся расход топлива за опыт. Расход топлива определялся объемным способом. Результаты испытаний макетного образца тягово-приводного МТА на базе трактора МТЗ-82 и тягово-прицепного модуля в агрегате с четырехкорпусным плугом ПЛН-4−35 в сравнении с агрегатом состоящим из того же трактора-аналога с плугом ПЛН-3−35 приведены в таблице. Для сравнения были выбраны опыты с близкими рабочими скоростями около 2 м/с.

Сменная производительность пахотного тягово-приводного машинно-тракторного агрегата состоящего из МТЗ-82+ТПМ+ПЛН-4−35 на 31% выше, чем пахотных агрегатов состоящего из МТЗ-82+ПЛН-3−35 при более низком погектарном расходе топлива — на 16%, без увеличения буксования ведущих колес трактора. Буксование движителей ведущих колес трактора МТЗ-82 в составе тягово-приводного машинно-тракторного агрегата лежало в пределах 6,8…10,4% при расходе топлива 13,6 кг/ч. Полученные результаты сопоставимы с результатами испытаний, проведенными под руководством научного консультанта авторов, профессором Г. М. Кутьковым еще в 70 годы в НАТИ совместно с Минским и Харьковским тракторными заводами, КубНИИТИМ, модульных энергетических средств, соответствующих тяговым классам 3 и 5 на основе тракторов, соответственно классов 2 и 3.

Проведенные авторами эксплуатационно-технологические испытания подтвердили гипотезу о том, что использование тягово-прицепного модуля в составе машинно-тракторного агрегата позволяет эксплуатировать трактор с сельскохозяйственными орудиями, предназначенными для тракторов более высокого, смежного тягового класса. Это делает трактор более универсальным и позволяет эксплуатировать его как для междурядной обработке, так и для основной обработки почвы. Применение тягово-приводных МТА вместо тракторов-тягачей позволяет агрегатировать перспективные широкозахватные и комбинированные сельскохозяйственные машины с энергонасыщенными тракторами меньшего тягового класса, что обеспечивает снижение затрат на самопередвижение трактора и уплотнение почвы с одновременным увеличением производительности МТА и снижением удельной энергоемкости работ.

Годовая экономия эксплуатационных затрат на один тягово-приводной агрегат МТЗ-82+ТПМ+ПЛН-4−35 составила 5130 руб., годовой экономический эффект 4900 руб., сроки окупаемости дополнительных капиталовложений — 4,9 года, коэффициент эффективности капитальных вложений 0,20.

модульный агрегатирование трактор тяговый