Кинематика агрегата

Содержание

 

	Введение ………………………………………………………………..	2
1.	Уравнение движения агрегата………………………………….........	3
2.	Тяговый баланс агрегата……………………………………………..	5
2.1	Сила, движущая агрегат, и ее зависимость от почвенных условий…………………………………………………………………..	9
3	Кинематика агрегата…………………………………………………..	13
3.1	Кинематические характеристики  рабочего  участка……………...	13
3.2	Основные элементы кинематики агрегатов, виды поворотов…………………………………………………………………	14
3.3	Кинематические характеристики агрегата………………………..	17
3.4	Маневровые свойства агрегатов  ……………………………………	20
3.5	Классификация способов движения агрегатов, их оценка………..	21
	Заключение………………………………………………………………	24
	Литература………………………………………………………………	25

 

Введение

Основным видом средств выполнения механизированных процессов

(операций) в растениеводстве  являются мобильные сельскохозяйственные агрегаты, реализация потребительских свойств которых происходит в процессе их движения по полю. Энергетическое средство (двигатель и передаточные механизмы энергии от него к рабочим машинам) является ведущим звеном агрегата рабочая машина – ведомым. Энергетическую основу растениеводства в настоящее время составляют тракторы – энергетические средства с приводом от двигателя на ведущие колеса (звездочки). К ним присоединяются (прицепляются или навешиваются) рабочие машины.

Если на ведущее звено агрегата постоянно или переменно устанавливаются различные по технологическому назначению рабочие машины (рабочие

органы), то такой агрегат называется самоходным шасси. Сюда относятся зерно и кормоуборочные комбайны. Смешанный агрегат имеет часть навесных, часть полунавесных или прицепных рабочих машин, например, зерноуборочный комбайн с измельчителем соломы и прицепом для ее сбора.

В зависимости от способов передачи энергии от двигателя к рабочим машинам МТА подразделяются на тяговые, тягово-приводные и приводные.

У тяговых агрегатов эффективная мощность двигателя реализуется через крюк или другой тяговый орган типа навесного устройства. Частный случай тягового агрегата – тракторный транспортный агрегат.

У тягово-приводного агрегата полезная мощность (эффективная мощность, мощность гидро- и электропривода и др.) одновременно реализуется через тяговый орган и валы отбора мощности (ВОМ), гидромоторы или электродвигатели; пневмоприводы. Тягово-приводные агрегаты с одновременной передачей части эффективной мощности ДВС непосредственно к рабочим органом все шире используются при выполнении технологических процессов в растениеводстве: уборки кормовых культур и корнеплодов прицепными комбайнами; основной обработки почвы орудиями с активными рабочими органами (плуги, культиваторы, фрезы); разбрасывании минеральных и органических удобрений и др.

 

1.  Уравнение  движения агрегата

 

Движение и работа агрегата происходят в результате взаимодействия сил,

действующих на агрегат. Движущую силу создает энергетическое средство.

Силы сопротивления слагаются из усилий, возникающих при полезной работе машин-орудий (обработка почвы, срез растений, их подбор и т.д.), трении в механизмах ходовой системы агрегата, деформации почвы при передвижении агрегата по полю и др.

Действующие на МТА силы могут быть представлены следующими

составляющими:

- движущей (толкающей) силой  Рдв, приложенной к мобильному энергетическому средств (МЭС – трактор, самоходная машина, автомобиль и пр.) и вызывающей движение агрегата;

- силой сопротивления  Рс:

а) движению технологической части агрегата (рабочих машин-орудий -прицепных, полунавесных), то есть их тяговое сопротивление Rм;

б) движению трактора Pf (сила сопротивления возникает в связи с

 деформацией почвы  ходовым аппаратом, механическими  потерями в нем и т.д.);

- силой веса трактора  Gтр и рабочих машин Gм, приложенной в центре их

тяжести;

- реакцией почвы, возникающей  под воздействием сил тяжести  и действующей на ходовой аппарат  трактора и ходовые колеса  машин;

- реакцией между отдельными  машинами агрегата, действующей  в сцепных устройствах и соединительных  шарнирах.

Соотношение (аналитически выраженная зависимость) между силами,

действующими на агрегат, и скоростью его движения может быть выражено

уравнением движения агрегата. Основой его является второй закон механики

– закон Ньютона.

Уравнение движения агрегата может быть составлено на основе закона

кинетической энергии, по которому приращение кинетической энергии равно

работе всех действующих сил, приложенных в точках системы.

Работа сил, действующих на агрегат на элементарном пути dS:

                                                      1.1  

Реакции, действующие на ходовую систему, гусеницы, колеса, приложены в мгновенных центрах их перемещения, следовательно, их работа равна нулю. Реакции, возникающие между машинами, также не дадут работы, так как они взаимно обратны по знаку.

Кинетическая энергия агрегата как сумма кинетической энергии поступательно движущихся и вращающихся масс определяется по выражению    

                                                      

                                         1.2

где М1 – приведенная масса трактора, включая двигатель, кг; М2 – приведенная

масса машин в агрегате, кг.

Приращение кинетической энергии агрегата найдем, продифференцировав выражение по скорости:

                                                  

                                               1.3

Учитывая, что приращение работы ΔА равно приращению кинетической

энергии агрегата, получим:

                                                          1.4

 

 

Но следовательно:

                                             1.5

Полученное выражение представляет собой в общем виде уравнение

движения агрегата. Все величины, входящие в уравнение, в процессе движения агрегата непрерывно изменяются. Движущая сила, создаваемая двигателем и взаимодействием ходовой части с почвой, колеблется. Это обусловлено колебаниями крутящего момента двигателя из-за неравномерности подачи топлива и других факторов, но главным образом изменениями свойств почвы во времени и пространстве (пути). Это переменные сцепные свойства почвы, ее плотность, влажность, различный макро- и микрорельеф, растительный покров и т.д. Еще больше изменяются силы сопротивления передвижению агрегата вследствие переменных свойств обрабатываемого материала и неоднородности свойств рабочих органов машин и их регулировок. Одновременно происходит, хотя и более плавное, изменение приведенной массы агрегата из-за колебания угловой скорости вращающихся масс в функции переменной подачи или свойств обрабатываемого материала, а также изменение наполненности бункеров, банок, семенных ящиков машин.

 

2. Тяговый баланс агрегата

 

Если уравнение (3.5) представить в виде

 

		(3.6)

то левая часть его будет приведенной силой инерции Pj, параллельной поверх-ности поля и направленной в сторону, обратную направлению движения. Тогда уравнение, показывающие, на что затрачивается движущая агрегат сила при его движении, будет называться уравнением силового баланса, или уравнением тягового баланса агрегата в общем виде. В этом уравнении движущая сила агрегата равна алгебраической сумме внешних сил, действующих на агрегат при движении:

 

(3.7)

 

Рассмотрим прямолинейное движение агрегата на подъеме и силы дейст-вующие на него (рисунок 1).

При неустановившемся движении агрегата на него действуют движущая сила, силы сопротивления передвижению агрегата, вес трактора и прицепных машин, силы инерции и реакции почвы.

 

Движущая сила Рдв есть горизонтальная реакция почвы на почвозацепы звеньев гусеницы или ведущих колес трактора. Движущая сила равна окруж-ному усилию на ободе ведущих колес (звездочек). Эту силу называют также ка-сательной силой тяги (Рк). Она направлена по движению агрегата и параллельна поверхности поля, создается энергетическим средством. Ее величина зависит не только от его технических параметров (параметров ДВС, трансмиссии, ходовой системы), но и от характеристик поверхности поля (физико-механические свой-ства почвы, агрофон и др.), а также от нагрузочно–скоростных показателей ре-жима и использования МТА.

 

Силы сопротивления передвижению агрегата слагаются:

а) из силы сопротивления движению трактора (самоходной машины), равной сумме сил трения его ходовой части, и сил, затрачиваемых на деформа-цию грунта для образования колеи. Суммарная сила сопротивления движению трактора Рf всегда направлена против движения, ее можно считать действую-щей параллельно пути;

б) из силы сопротивления подъему трактора Рα;

в) силы сопротивления машин (орудий) Rа, равной силе тяги на при-цепном устройстве (крюке) Ркр. Общую силу сопротивления машин составляют сопротивление рабочих органов, сопротивление перекатыванию, а также гори-зонтальная составляющая силы веса машин (прицепных, полунавесных) Gм·sinα;

г) силы сопротивления воздуха Рw. При движении МТА со скоростью 10…12 км/ч величины их незначительны, и ими, как правило, пренебрегают (Рw=0).

Силы веса трактора G тр и машин Gм приложены в их центре тяжести. Равнодействующая силы веса трактора может быть разложена на две состав-ляющие силы: параллельную пути Gтр·sinα(Рα) и перпендикулярную к указан-ной поверхности Gтр·cosα. Аналогичную структуру имеют силы веса рабочих машин.

Силы инерции отдельных частей агрегата возникают при неравномер-ном движении j≠0. Результирующая сила инерции направлена параллельно по-верхности пути в сторону, обратную направлению ускорения. При замедлении движения агрегата она направлена по ходу движения, при разгоне - против движения.

Силы реакции почвы, нормальные к поверхности пути, воздействуют на ходовую часть трактора, машин – орудий и частично на их рабочие органы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Схема сил, действующих на тяговый агрегат при движении на подъеме (гусеничный трактор – сцепка – сеялки)

 

На основе рассмотренного уравнение тягового баланса агрегата в раз-вернутом виде запишем следующим образом:

 

 

(3.8)

Так как скорости движения МТА при выполнении технологических опе-раций в растениеводстве, как правило, не превышают 10…12 км/ч, а площадь лобового сопротивления у большинства агрегатов мала (S<10 м2 ), то в практи-ческих расчетах сопротивление воздушной среды принимают равной нулю (РW=0).

Величина ускорения dVdt зависит от большого количества случайных фак-торов и, как показывают экспериментальные данные, распределена по нор-мальному закону. Поэтому наиболее вероятной величиной dVdt является нуль.

Физически это объясняется тем, что процессы разгона и замедления чередуют-ся, причем запас кинетической энергии агрегата достаточен для преодоления временных изменений сил сопротивления.

Если абсолютная величина dVdt не выходит за допустимые пределы, то расчеты по составлению агрегатов (при обеспечении непрерывного движения) упрощают и принимают движение агрегатов установившимся (то есть dVdt =0;Рj=0).

Изложенное выше позволяет записать уравнение тягового баланса аг-регата при равномерном движении на подъеме (спуске) в виде

(3.9)

В случае движения агрегата на горизонтальном участке (α=0; Рα=0)

уравнение тягового баланса агрегата при равномерном движении на горизон-тальном участке примет простой вид:

(3.10)

Сила на крюке трактора равна по величине силе сопротивления рабочих машин и сцепки, при ее наличии в агрегате (Ркр=Rа), но направлена в противо-положную сторону.

Тяговое усилие трактора Ркр – основной классификационный параметр отечественных тракторов, определяющий возможность их агрегатирования с той или иной сельскохозяйственной машиной. Тяговый класс трактора соответ-ствует нормальному тяговому усилию Рнкр (тонно–силах, в кН), реализуемомуна стерне нормальной плотности и влажности при допустимом буксовании. Предельно допустимые значения буксования δд на стерне определяются агро-техническими требованиями: до 0,05 (5%) – для гусеничных тракторов; до 0,15 (15%) – для колесных 4К4 и до 0,18 (18%) – для колесных тракторов 4К2. Указанные ограничения на величину буксования обусловлены в большей степени разрушением структурных частиц почвы с последующим усилением процессов, связанных с ветровой и водной эрозией, а также с потерями мощности на буксование.

 

2.1 Сила, движущая агрегат, и еѐ зависимость от почвенных условий

 

Как уже отмечалось, движущая сила – это внешняя по отношению к трактору сила, которая образуется в результате взаимодействия с почвой ведущего аппарата (движителя) трактора, получающего крутящий момент Мк от двигателя через передаточные механизмы (трансмиссию).

На ведущее колесо (движитель) действуют: крутящий момент Мк, который можно заменить парой сил Рк, действующих на плече, равном ра-диусу rк; сцепной вес трактора Gcц; вертикальная составляющая реакция почвы RB на ведущее колесо и горизонтальная составляющая реакция поч-вы F, вызываемая действием силы Рк (касательной силы), приложенной в

зоне соприкосновения колеса  с  почвой.  Рассмотрим  это  на схеме  рис.2).

При отсутствии буксования Рк приложенная в точке касания колеса с почвой, и F уравновешиваются, а сила Рк, приложенная к оси колеса, вы-зовет перемещение трактора, т. е. и будет движущей агрегат силой.

Таким образом, в условиях достаточного сцепления движителя трактора с почвой Рдв = Рк. 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Схема сил, действующих на ведущее колесо (движитель)

Так как Pк= крутящий момент на колесе можно представить в виде

 

окончательно формулу для расчета Рк можно записать так:

 

где Рк  – касательная сила тяги трактора, кН;     – номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; iT – общепередаточное число трансмиссии; ηмг – механиче-ский КПД, учитывающий потери мощности в трансмиссии и гусеницах; для колесных тракторов ηм = 0,91...0,92; для гусеничных ηмг = 0,86...0,88; nн – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя,; rк – динамический радиус качения ведущего ко-леса (звездочки), м. Для гусеничных тракторов он равен радиусу начальной окружности ведущей звездочки, а для колесных:

 

где r0 – радиус стального обода колеса, м; kш – коэффициент усадки шин; hш – высота шины, м; nн – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, с-1.

При передаче части мощности двигателя на привод механизмов ра-бочих машин (в тягово-приводных агрегатах) через ВОМ* или гидросис-тему трактора касательная сила тяги

 

 

где Nвом – мощность, передаваемая через ВОМ или гидросистему трактора, кВт; ηвом – механический КПД передачи от двигателя к ВОМ; ηвом = 0,95.

При работе трактора в агрегате нередки случаи, когда почва не спо-собна противостоять давлению почвозацепов. Она спрессовывается, сме-щается, что вызывает буксование движителя. В этом случае касательная сила тяги трактора Рк не может уравновеситься горизонтальной состав-ляющей реакции почвы F. Уравновешивается лишь какая-то ее часть, оп-ределяемая реакцией почвы.

Эта реакция характеризуется максимальной силой сцепления дви-жителя трактора с почвой Fmax, соответствующей наибольшему допусти-мому буксованию δдоп . Для колесных тракторов с одной ведущей осью δдоп = 18 %, с двумя ведущими осями – 15%; для гусеничных тракторов δдоп = 5 %. В этом случае Рдв = Fmax (рис. 3.5.2).

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.5.2. Схема образования движущей силы при недостаточном сцеплении движителя трактора с почвой

Максимальная сила сцепления движителя тракторов с почвой

 

Где μ– коэффициент сцепления движителя трактора с почвой, .Gcц – сцепной вес трактора (вес, приходящийся на движитель), кН; для гусеничных тракторов и ко-лесных с двумя ведущими осями Gcц = G,

для колесных с одной ведущей осью

Коэффициент сцепления μ зависит от почвенного фона и кон-структивных особенностей движителей (табл. 1).

Табл.-1. Значения коэффициента сцепления μ для колесных и гусе-ничных тракторов в зависимости от агрофона

	Агрофон		Трактор
			колесный	гусеничный
	Сухая грунтовая дорога		0,6...0,7	0,9
	Залежь		0,8...0,9	1
	Стерня нормальной влажности		0,7...0,8	0,9...1
	Почва,  подготовленная  под	посев,	0,5...0,6	0,6...0,7
	свежевспаханное поле, чистый пар
	Зависимость движущей силы от почвенных условий показана на рис. 3

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3 Зависимость движущей силы от почвенных условий

В условиях достаточного сцепления движителя трактора с почвой, когда Fmax > РК движущая агрегат сила определяется значением касатель-ной силы тяги трактора Рк (номинальная движущая сила по двигателю); в условиях недостаточного сцепления (Fmax<PK) – максимальной силой сце-пления движителя трактора с почвой Fmax (номинальная движущая сила по сцеплению).

3. Кинематика агрегата

 

Кинематика агрегата – это его движение (с точки зрения геомет-рических форм) при выполнении сельскохозяйственных работ. Работа большинства сельскохозяйственных агрегатов связана с перемещением по полю. При этом они выполняют основные элементы движения – рабочие и холостые (повороты и переезды) ходы, причем стремятся к тому, чтобы как можно длиннее был путь рабочих ходов и как можно короче – путь по-воротов и переездов. При правильно организованной работе агрегата холо-стой ход составляет 5...10% общего пути.

3.1Кинематические характеристики  рабочего  участка:

 загон,  делянка, поворотная полоса, контрольная линия (рис. 4).

Рабочий участок — это участок или все поле севооборота, нахо-дящееся на массиве и отведенное для выполнения определенной сельско-хозяйственной работы одному или нескольким агрегатам. Участок харак-теризуется длиной Lуч и шириной Суч.

Загон — часть рабочего участка, выделяемая для выполнения тех-нологической операции в соответствии с принятым способом движения. Основные размеры загона: рабочая длина гона Lp и ширина С. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Схема рабочего участка агрегата

Делянки – это отдельные части загона, которые агрегат проходит по однотипной схеме. Ширину делянки обозначают Д.

Поворотная полоса – это часть загона, временно выделяемая для поворотов агрегатов. Она характеризуется шириной Е.

Контрольная линия – линия, разделяющая поворотную полосу и ос-тальную часть загона. Она служит ориентиром для включения и выключе-ния рабочих органов.

 

3.2 Основные элементы кинематики агрегатов, виды поворотов.

 

Как уже было отмечено выше, при выполнении технологической опе-рации машинно-тракторный агрегат совершает циклически повторяющие-ся движения. Определѐнный порядок циклически повторяющихся движе-ний принято называть способом движения агрегата.

Необходимо отметить, что для выполнения одной и той же техноло-гической операции может быть принято несколько способов движения аг-регата. Но на практике необходимо выбрать такой способ движения, кото-рый в данных условиях может дать наибольший экономический эффект.

При выполнении технологической операции путь (траектория), про-делываемый агрегатом состоит:

1. из прямолинейных отрезков, на которых выполняется полезная работа, такое движение является главным, его ещѐ называют «рабочим ходом»;
2. поворотов вокруг некоторых точек – это более сложные элементы движения, на них полезная работа не производится.
• сельскохозяйственном производстве при выполнении технологических операций на участке поля приняты следующие способы движения:
1. гоновый – агрегат во время работы движется вдоль одной из сторон загона (участка);
2. диагональный – агрегат во время работы передвигается под некото-рым углом к стороне загона (участка);
3. круговой – агрегат при своѐм движении копирует контуры участка. При выполнении работы, совершая циклически повторяющиеся ходы,
4. агрегат на концах загона выполняет повороты.
5. На рис. 5 приведена таблица, в которой показаны виды поворотов, наиболее часто встречающихся при работе агрегатов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Схемы и классификация поворотов

 

 

3.3 Кинематические характеристики агрегата (рис. 6 , 7 ):

 

кинематический центр агрегата (ц. а.), центр О и радиус R поворота, кине-матические длина lк и ширина dк, длина выезда агрегата е, продольная база L, – ширина захвата агрегата Вр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Основные кинематические характеристики агрегата

Центр поворота агрегата — это точка, относительно которой в данный момент совершается поворот центра агрегата.

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Основные кинематические характеристики агрегата

 

Центр агрегата (принят условно) – это точка агрегата, относитель-но траектории и которой рассматривают кинематику всех других его точек.

Положение точки центра агрегата (ц. а.) на кинематических схемах раз-личных тракторов показано на рисунке 8.

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Положение центра агрегата:

а – колесный трактор с одной ведущей осью; б – гусеничный трактор; в – ко-лесный трактор с двумя ведущими осями; г – колесный трактор с шарнирным остовом

Кинематический центр агрегата: у тракторов Т-25А, Т-40АМ, ЮМЗ-6Л, МТЗ-80/82 – в точке пересечения продольной оси симметрии трактора с вертикальной плоскостью, проходящей через ось задних ведущих колѐс;

• тракторов К-701, Т-150К – в центре шарнира полурам трактора;
• гусеничных тракторов – в точке пересечения продольной оси симметрии трактора с вертикальной плоскостью, проходящей через середину гусениц.
• Радиус поворота агрегата –это расстояние между центрами агрегата и оворота:

• R = rkr,

• где r – радиус поворота при скорости 5 км/ч; kr – коэффициент изменения ра-диуса поворота в зависимости от скорости движения агрегата на повороте.

• - петлевой; б – беспетлевой Рис. Рис. 9 Схема поворота

• Кинематическая длина агрегата представляет собой проекцию расстояния между центром агрегата и линией расположения наиболее удаленного рабочего органа при прямолинейном движении. Эту длину можно определить по формуле (см. рис. 6)

• lк = lr + lc+ lм

• где lr, lc, lм – кинематическая длина соответственно трактора, сцепки и рабочей машины. Значения lr, lc, lм выбирают по справочникам.
• Кинематическая ширина dK – это проекция расстояния между про-дольной осью агрегата, проходящей через его центр, и наиболее удаленной от этой оси точкой агрегата. Различают dк вправо и влево от продольной оси:

• dк = 0,5bn0 + 0,5,

• где b – конструктивная ширина основной машины, м; n0 – число основных машин;
• 0,5 – запас ширины, м.
• Длина выезда агрегата е — расстояние, на которое нужно продви-нуть агрегат от контрольной линии на поворотной полосе до начала или конца поворота, чтобы избежать огрехов или травмирования растений.

• Для прицепных машин длина выезда агрегата e = (0.25…0.75)lк;

• для навесных машин

• e = (0…0.1)lк;

• для агрегатов с передней фронтальной навеской
• e = -lк.

• Продольная база L – это расстояние (горизонтальная проекция) ме-жду осями ведущих и ведомых колес трактора для колесных агрегатов или между осями катков, ограничивающих опорную поверхность, для гусенич-ных.

• Важнейшие кинематические характеристики всех поворотов: длина Lп; радиус R; требуемое значение ширины поворотной полосы Е.
• Длина Lп зависит от вида и радиуса поворота и длины выезда агре-гата Минимальное значение ширины поворотной полосы Етin зависит от вида и радиуса поворота, длины выезда и кинематической ши-рины агрегата. Однако поворотную полосу следует обрабатывать, поэтому ее ширина должна быть кратна рабочей ширине захвата агрегата.
• По значению Emin определяют фактическую ширину поворотной полосы. Вначале вычисляют число проходов агрегата, необходимое для обработки поворотной полосы минимальной ширины,