ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение А
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Условия эксплуатации самоходных комбайнов 9
1.2. Основные требования, предъявляемые к трансмиссиям самоходных комбайнов 12
1.3. Конструкции трансмиссий современных самоходных кормоуборочных комбайнов 18
1.4. Работа гидростатического привода ходовой части самоходного комбайна 22
1.5. Методы выбора нагрузочных режимов для расчета деталей трансмиссий мобильных машин 28
1.6. Специфика работы трансмиссии самоходного комбайна и
задачи исследовании 33
Глава 2. Экспериментальное исследование нагруженности трансмиссии самоходного комбайна с ОГП, экспериментальное определение параметров динамической системы 36
2.1. Программа-методика экспериментального исследования трансмиссии комбайна КСК-100 38
2.2. Результаты определения нагруженности системы "привод технологического оборудования - двигатель - трансмиссия" 49
2.3. Результаты определения нагруженности механических узлов трансмиссии по крутящему моменту на ведущих коле’сах комбайна КСК-100 53
2.4. Результаты определения максимальных динамических нагрузок
на первичном валу коробки передач 57
2.5. Результаты определения максимальных нагрузок на ведущих колесах в экстремальных режимах функционирования 62
2.6. Определение упруго-диссипативных параметров механических узлов трансмиссии комбайна КСК-100 65
2.7. Определение упругих свойств гидропривода 72
Глава 3. Моделирование работы трансмиссии самоходного комбайна,
оснащенного ОГП,на переходных режимах функционирования 75
3.1. Моделирование источников колебаний в системе с ОГП 75
3.2. Разработка динамической системы трансмиссии с ОГП и ее математического аналога 77
- 3 -
3.3. Результаты теоретических исследований 79
Глава 4. Прогнозирование вероятностных нагрузок в трансмиссии самоходного комбайна и их применение при исследованиях долговечности 94
4.1. Теоретическое обоснование параметров нагрузочной кривой трансмиссии самоходного комбайна 94
4.2. Определение длительно действующего крутящего момента на ведущих колесах и характеристик его распределения 95
4.3. Моделирование воздействий неровностей на ведущих колесах
при движении комбайна 98
4.4. Результаты определения длительно действующих нагрузок 100
4.5. Пример расчетно-экспериментального определения долговечности главной передачи комбайна КСК-100 110
Глава 5. Совершенствование узлов и элементов приводов комбайна 116
5.1. Анализ существующей конструкции моста ведущих колес комбайна КСК-100 116
5.2. Планетарная коробка передач ведущего моста комбайна
КСК-100 116
5.3. Конструктивно-технологические приемы,метода повышения работоспособности дифференциальных механизмов комбайнов 119
5.4. Обоснование нагрузочного режима для расчета и испытаний дифференциальных механизмов па долговечность 120
5.5. Предложения по конструктивно-технологическому совершенствованию элементов привода серийного комбайна КСК-100 132
Заключение 150
Литература 152
Приложение 165
- ц -
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших народнохозяйственных задач Х1-й пятилетки, определенной ХХУ1 съездом КПСС и подчеркнутой в Продовольственной программе майского пленума 1982 года,является дальнейший подъем сельского хозяйства на основе расширения и укрепления производственной базы.
Важнейшим звеном аграрной политики является животноводство и основа его - кормопроизводство. Коренное решение проблемы производства кормов неотъемлимо связано с созданием высокопроизводительных и надежных кормоуборочных машин. Увеличение объема производства кормов до 243 млн.т ставит перед конструкторскими, технологическими и исследовательскими организациями задачу внедрения высокоэффективных методов проектирования, изготовления и доводки узлов самоходных кормоуборочных машин.
Кормоуборочные комбайны - полевые уборочные машины, выполняющие технологический процесс (подбор валков, кошение однолетних и многолетних трав, уборка кукурузы на силос) с одновременным измельчением зеленой массы и погрузкой в транспортные средства.
С повышением урожайности культур, ростом скоростей сельскохозяйственных машин такого типа, повышением мощностей их силовых установок увеличиваются нагрузки на узлах машин и их деталях, и, несмотря на то, что управляют комбайнами операторы высокой квалификации, нередко, в силу рада причин, режим разгона выбирается интенсивным. на плохих почвах или по неровностям. Это приводит к значительным толчкам, резко повышающим нагрузки в приводе ходовой части.
В отличие от достаточно хорошо изученных агрегатов автомобилей, тракторов и зерновых комбайнов, специфической особенностью самоходного кормоуборочного комбайна является наличие в приводе ходовой части объемной гидропередачи (ОГП). Поэтому обеспечить высокие
- 5 -
показатели кормоуборочных комбайнов на современном этапе можно только на основании обстоятельных теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрения результатов работы на предприятиях, занятых производством таких машин.
Принимая во внимание тенденции развития уборочной техники за рубежом и главным образом в США, отечественное производство создало высокопроизводительную машину КСК-100 и несколько ее модификаций, по ряду показателей превышающую лучшие зарубежные образцы. Следует отметить, что в настоящее время в нашей стране серийно выпускаются такие самоходные комбайны с ОГП как КСКУ-6, СК-6Б, КСК-100. Ведутся работы по внедрению ОГП отечественного производства и на других сельскохозяйственных машинах. Анализируя конструктивные решения трансмиссий ряда зарубежных фирм ФРГ, Дании, Франции, Италии, США, следует отметить, что эти машины обладают высокой энергонасыщенностью (мощность силовых установок достигает до 250 кВт) при большой производительности (до 130 т/час). В значительной мере эффективная работа обеспечивается наличием ОГП в приводе ходовой части. Как показывает опыт, применение таких узлов повышает производительность комбайна на 15 * 20$, хотя до сих пор остается нерешенным вопрос о динамической нагруженности привода.
Изучение конструкций трансмиссий и тенденций их совершенствования выявило два основных направления в дальнейшем развитии: уменьшение весовых и габаритных показателей изделий путем повышения универсальности применяемых агрегатов; снижение динамической нагруженности узлов за счет совершенствования функционирования серийно выпускаемых агрегатов /108 /.
Исследованиями установлено, что применение гидропередач существенно изменяет картину формирования нагрузок за счет более плав-
- 6 -
кого трогания машины, отсутствия переключения передач на ходу. Однако, в условиях эксплуатации все еще имеются случаи выхода из строя деталей передач (дифференциалов, полуосей, зубчатых колес) по критериям усталостной прочности и из-за превышения нагрузок допустимого уровня. Существующие до настоящего времени расчеты деталей приводов не могут дать исчерпыващего ответа на источники формирования колебаний и протекания рабочих процессов в трансмиссиях самоходных комбайнов, оснащенных ОГП.
На основе изучения и совершенствования методов расчета нагрузок в трансмиссиях мобильных машин автором были выявлены источники колебаний силовых факторов в машинном агрегате с ОГП в условиях эксплуатации и путем моделирования рабочих процессов на ЭВМ. Полученные результаты использовались при составлении и обосновании нагрузочного режима для агрегатов трансмиссии, ее деталей с целью последующего анализа серийной и перспективных конструкций расчетным и экспериментальным путем.
Вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности темы настоящей диссертационной работы и сформулировать цель исследования.
Цель работы - разработка методов и средств оценки колебательных явлений в механических узлах трансмиссии самоходного комбайна, оснащенного объемной гидропередачей, определение направлений совершенствования его приводов и прогнозирование надежности основных деталей трансмиссии путем обоснования параметров нагрузочного режима.
Работа выполнена в Институте проблем надежности и долговечности машин АН БССР в рамках исследований республиканской научно-технической программы "Надежность" под руководством члена-кор-респондента АН БССР, д.т.н., профессора Цитовича И.С.
- 7 -
Для достижения указанной цели в настоящей работе обоснова-, ны и получены применительно к трансмиссиям самоходных комбайнов с ОГП математические модели для определения длительно действующих и динамических нагрузок с учетом специфики (нелинейности параметров) функционирования ОГП, а также конструктивных и эксплуатационных параметров. В результате расчета по приведенным методикам реализовано получение параметров вероятностных кривых нагрузок, использование которых в сочетании с уточненными аналитическими зависимостями позволяет прогнозировать долговечность элементов дифференциальных механизмов и других узлов по различным критериям выхода их из строя.
На основании экспериментального изучения нагрузок в трансмиссии сформулированы основные пути совершенствования трансмиссий самоходных комбайнов, по которым выполнены разработки, защищенные авторскими свидетельствами.
С учетом данных эксперимента и расчетов обоснована последовательность расчетно-экспериментального определения показателей надежности элементов передач путем ускоренных стендовых испытании.
В представленной работе на защиту выносятся:
- разработка и обоснование применительно к трансмиссиям самоходных комбайнов с ОГП математических моделей для определения длительно действующих и динамических нагрузок с учетом специфики (нелинейности параметров) функционирования ОГП, а также различных конструктивных и эксплуатационных параметров;
- расчетно-экспериментальное определение упругих и демпфирующих свойств привода ведущих колес;
- разработка уточненной инженерной методики и стендового оборудования для определения показателей надежности элементов
привода.
8
Результаты настоящей диссертационной работы практически реализованы на ПО "Гомсельмаш" и Западной Государственной машиноиспытательной станции, где внедрение методов и средств оценки надежности трансмиссии комбайна КСК-100, а также более совершенных узлов, позволило получить экономический эффект, доля участия диссертанта в котором составила 230 тыс.рублей.
- 9 -
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Условия эксплуатации самоходных комбайнов
Эффективное использование самоходных комбайнов неразрывно связано с правильным выбором нагрузочного режима для расчетов основных деталей приводов. В свою очередь, расчетные величины нагрузок должны учитывать реальные условия эксплуатации машины, а также возможные природные и производственные факторы.
Самоходные комбайны с колесным ведущим мостом могут эксплуатироваться практически во всех климатических зонах СССР, за исключением горных и переувлажненных районов, для которых создаются модификации этих машин с другими ходовыми системами.
В 1978 г. Производственное объединение "Гомсельмаш" наладило серийный выпуск самоходных кормоуборочных комбайнов КСК-100. Основные технические характеристики комбайна даны в приложении I. Применяемая совместно с двигателем внутреннего сгорания и системой отбора мощности на технологическое оборудование гидростатическая трансмиссия предназначена для плавного разгона комбайна в пределах выбранного скоростного диапазона и независимой работы технологического оборудования, выключаемого из работы посредством муфты сцепления. В связи с тем, что функции системы управления (дроссельной заслонки и педали включения муфты сцепления) объединены в одном органе - педали положения шайбы гидронасоса (ГН), достигается простое и надежное управление скоростными режимами движения комбайна: разгон и торможение.
Характерной и отличительной особенностью машин такого типа является то, что специфика работы предусматривает два независимых
10
случая эксплуатации: выполнение технологического процесса и транспортные переезды, т.е.не функционирует технологическое оборудование и весь поток мощности может передаваться трансмиссией.
Основную часть времени комбайн занят на скашивании и измельчении однолетних и многолетних трав, меньше времени эта машина используется на переработке кукурузы и подсолнечника, а также на подборе подвяленной массы. 3 суше технологические операции занимают до 95$ общего времени эксплуатации комбайна (машина находится в движении). Остальное время занимает выполнение поворотов и транспортные переезды. Структура эксплуатационного времени по данным / 94 / представлена на рис. 1.1.
Анализ показывает, что для западных регионов Европейской части СССР характерны следующие отношения площадей,убираемых кормоуборочной техникой: однолетние травы - 21,5 * 29,5$; многолетние травы - 50,3 *• 66,0$; кукуруза и подсолнечник - 12,5 * 20,2$.
По причине большой производительности технологического оборудования комбайн почти не используется с прицепами-емкостями (исключение составляют случаи осуществления первых прокосов на поле, занятом убираемой культурой). Мощные силовые установки (до 250 кВт) обеспечивают одновременно работу технологического оборудования и трансмиссии, которая передает весь силовой поток, необходимый для преодоления сопротивления движению ведущим колесам. Работа кормоуборочных самоходных машин сопровождается частыми ускорениями и замедлениями, поскольку оптимальная производительность зависит от пропускной способности измельчающего аппарата, потребляющего до 70$ всей мощности силовой установки.
При транспортных переездах увеличение скорости движения машины ведет к повышению уровня динамических нагрузок на трансмиссию и несущую систему, поскольку на территории хозяйств сеть хороших до-
ль и. Ж Е И Е.
М А и и Ц Ь\
/
51 -45
ОСНОВНАЯ РАБОТА
605?
Повороты
5 з
265 64 4
Переемы
^ Зг 5з
Е2
6 5
\
Все виды ТО,
УСТРАИЕииЕ ОТКАЗОВ 0ТЛ.ЫХ ПЕРСОМАЛА ПР. ПРОСТОИ
5145
45
52 зэ
* МП
3 627
34 зо
- 1975 пш - 1977 □ - 19 79
- 1982
-1984
Рис. 1.1. Структура эксплуатационного времени (в процентах)
по годам проведения контрольных испытаний комбайнов КСК-ЮО на Западной МИС
12
рог недостаточно развита, а в настоящее время существует разница в радиальных нагрузках на правое и левое ведущие колеса приблизительно в 10 кН, причем конструктивное исполнение несущей системы не предусматривает подрессоривания остова комбайна.
По данным / 122 / характерны следующие величины отношений пробегов по различным почвенно-дорожным фонам на транспортном режиме: твердое покрытие - 20$, грунтовые дороги и поле - 65%, преодоление борозд и кюветов - 15$.
Разнообразие условий работы, характер воздействия различных составляющих с учетом особенностей эксплуатации кормоуборочной техники могут быть представлены схемой на рис. 1.2., где обозначено:
•2100 - составляющая воздействия климатических условий эксплуата-
Таким образом, конструкция трансмиссии и моста ведущих колес должна обеспечить, в первую очередь, выполнение комбайном агротехнических требований. В связи с этим скорость самоходного комбайна должна выбираться оператором исходя из:
- максимального сбора растительной массы за счет сокращения потерь при прямом комбайнировании и качественного ее среза;
- максимального сбора растительной массы при ее подборе из валков;
ции;
составляющая почвенно-дорожного фона;
действие со стороны технологической к; сопротивления передвижению машины;
стороны ор-
экономичность и производитель-
ность комбайна соответственно
1.2. Основные требования, предъявляемые к трансмиссиям самоходных комбайнов
- 13 -
Рис. 1.2. Схема воздействия различных составляющих на агрегаты кормоуборочного комбайна
14
- загрузки измельчающего аппарата, потребляемая мощность которого не должна превышать значения, при котором это скажется на скоростных качествах машины;
- минимального загрязнения остатками почвы и растений.
Поскольку процесс измельчения является достаточно сложным и
энергоемким, то величина производительности комбайна зависит от многих факторов, но, в основном, определяется урожайностью культуры и пропускной способностью измельчающего аппарата.
Б таблице 1.1. приведены основные параметры некоторых лучших образцов отечественных и зарубежных комбайнов, полученные на основании анализа проспектов машин и•результатов испытаний в условиях эксплуатации, проведенных специалистами ГСКБ ПО 'Томсельмаш".
Отсюда видно, что 75 4- 80% машин оснащены гидростатистическими передачами трансмиссии и 40% комбайнов оборудованы гидроприводами технологического оборудования. Около 30% имеют бункера для технологической массы, т.е. у этих машин масса конструктивная имеет переменную величину. Для передвижения почти у 40% комбайнов используются передние колеса, 30% имеют привод ходовой части на задний мост, остальные машины могут приводится как на передний так и на задний мост.
Связь параметров технологического оборудования и скоростных режимов может быть выражена следующим образом.
Для удобства будем использовать размерность величин применительно к сельскохозяйственному производству: производительность М - т/час; ширина адаптера - [В>а] - м; урожайность -
т/га. Б расчете используется коэффициент потерь зеленой массы “| ^ , коэффициент использования ширины латки £>а , а также коэффициент
плотности зеленой массы по ширине адаптера Ка / 97 /.
Выражение для значения убираемой площади за 1-цу времени
Таблица І.І
Технические характеристики некоторых самоходных комбайнов
Показатели ] кск-юо • 1 ! Е-281 } (ГДР) }Хестон {4000 (США) {Аполлон {(Франция) |<га
Мощность двигателя, кВт 147 132 154 235 235 176
Ширина травяной натки, м 4*2 4,2 3,66 3,8; 4,5 3,05; 3,66
кукурузной, м 3,4 2,45 2-х и 3-х 4-х 4-х 3-х
рядковые рядковая рядковая рядковая
подборщика, м 2,2 2*1 1,85 2,13 2,2 1,8
Привод адаптеров механич. механич. гидрост. гидрост. гидрост. гидрост.
-"- измельчающего аппарата механич. механич. механич. гидрост. гидрост. гидрост.
Колеса ведущие задние передние задние задние задние и передние передние
Привод колес гидрост. механич. гидрост. гидрост. гидрост. гидрост.
Масса машины:
Шасси с измельчителем, кг 7600 5305 4536 5897 7859 5500
Травяной натки, кг 1540 1410 1147 - 1150, 1450 1200
Кукурузной натки, кг 1650 1142 360-570 735; 816 1050 800
Подборщика, кг 420 820 415 454 350 350
Наличие бункера нет нет нет нет да да
ИСТОЧНИК ттифирмаглти отчеты ГСКБ ПО "Гомсельмаш"
- 16 -
имеет вид:
(і.і)
при этом производительность с учетом урожайности:
= 2,8 5 Ц = 2,8 Во,Ус, 0.0-|а)^<дКс». (1.2)
В первом случае значения коэффициентов
Ра и Ко,
можно принимать равными 0,05, 1,0 и 0,95 соответственно, после чего выражение для определения скорости передвижения машины имеет вид с учетом (1.2):
Отсюда следует, что величина максимальной скорости прямо пропорциональна производительности комбайна и обратно пропорциональна урожайности на поле. Используя выражение (1.3) и характеристики комбайнов можно получить значения средних скоростей движения на различных технологических операциях с учетом реальной урожайности культур, приложение 2. Для комбайна КСК-100 эти величины составляют: на кошении трав - 1,3 м/с; на уборке кукурузы на силос -2,06 м/с; на подборе - 2,7 м/с. Ориентировочно такие же данные были получены на основании хронометража рабочего времени комбайна КСК-100 при эксплуатации в модельном (среднем) хозяйстве. С учетом вышесказанного получены следующие данные величин процентных отношений пробегов комбайна КСК-100 для различных технологических операций с учетом значений посевных площадей одно - и многолетних трав, а также кукурузы в республике:
- работа с травяной жаткой - 47% общего времени, ;
- работа с кукурузной жаткой - 13%, к ;
- эксплуатация с подборщиком - 25/, ^ ;
а
(1.3)
17
- транспортный режим с учетом проезда с различными адаптерами в сумме - 10%, Ц .
Для других комбайнов, например КСКУ-6, работающих практически все время эксплуатации с одним адаптером,можно принимать также, что машина работает 90% времени на технологических операциях и 10% на транспортных режимах.
Значения скоростей движения на транспортном режиме для комбайна КСК-100 во многом зависят от рельефа местности и условий движения машины. Установлено / 74 /, что средняя скорость его составляет 4,2 м/с.
Для агрегатов трансмиссии, работающих весь срок службы (детали конечных передач, главной передачи, дифференциала и зубчатых колес 1-й и П-й ступеней коробки передач), средняя частота вращения детали может быть подсчитана исходя из среднетехнической скорости движения, определяемой с учетом всех режимов движения:
Уср= 21 р,У<П , (1.4)
I8 А
где р; - вероятность работы на данном скоростном режиме;
\^. - соответствующая данному режиму скорость движения;
П. - количество учтенных режимов работы (для комбайна КСК-100 принимаем П =4).
«Идя деталей Ш-й ступени коробки передач нагрузочный режим назначается исходя из средней скорости движения на транспорте.
Анализ режимов движения комбайна, а также исследований,выполненных ранее в работе / 122 /^показывает, что экстремальные условия возникают при:
- кошении низменных лугов;
- движении по слабым грунтам;
- Киев+380960830922