Moscow, Moscow, Russian Federation
Mytischi, Moscow, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
This work evaluates the tests of a 2 class tractor (integrated packaging LTZ -155) with front, rear, and combined aggregation, with the possibility of combining operations in the cultivation of row crops and forest plantations by using combined aggregates with forestry and agricultural vehicles with front and rear hinges. An assessment of the performance and efficiency of using such units with their vibration loading has been shown. During experimental studies of the tractor with different mounting methods (rear, front, both front and rear) of a cultivator weighing 2200 kg, horizontal and vertical components of traction resistance, as well as torques on the driving wheels of the tractor, were obtained by tensometric measurements. The work of the tractor took place at a specially prepared landfill for reforestation, to a depth of 4 and 8 cm, respectively, for the rear and front cultivators. The developed tensometric framework was used to analyze the resulting traction resistance. Field tests showed that the dynamics of the processes of power parameters for a unit with front and rear cultivators was significantly lower than with only front or rear cultivators. The absolute value exceeded 2 tons, i.e. traction class of the tractor. The applied spectral correlation analysis showed that these processes had low-frequency spectra (up to 1 Hz). They were “white” noise relative to each other. This, in mathematical modeling, simplifies the formation of the structures of the "impact" and "machine" subsystems
tractor, unit, power parameters, mutual analysis, white noise, modeling
Введение
Одной из главных отличительных особенностей трактора класса 2 ЛТЗ -155, на базе которой существенно повышается производительность труда, является возможность совмещения операций при возделывании пропашных и лесных культур путем применения комбинированных агрегатов с лесохозяйственными и сельхозмашинами передней и задней навесках [1, 2, 3, 4]. Однако работоспособность и эффективность использования таких агрегатов в существенной мере будет зависеть от их вибронагруженности [5, 6, 7, 8].
В свою очередь вопросы вибронагруженности входных и выходных процессов по отношению к динамической системе трактора интегрального типа при сравнении работы с передним, задним и комбинированным агрегатированием недостаточно изучены [9, 10, 11, 12, 13]. В современных условиях это не дает возможности корректно решать и ставить задачи, связанные со снижением вибронагруженности узлов и агрегатов трактора, а также оценки его тяговой динамики.
Материалы и методы
Нами были проведены испытания трактора ЛТЗ специально оборудованного лесохозяйственным и лесовосстановительным агрегатами. Мы устанавливали на трактор оборудование сходное по своим характеристика с культиватором КРШ – 8.1 (массой 2200 кг). При проведении экспериментов оборудование устанавливалось: 1 - на передней и задней навесках трактора, 2 - только на задней навеске трактора, 3 – только на передней навеске трактора. При исследованиях были получены результаты временных входных и выходных тяговых сопротивлений и крутящих моментов, а именно вертикальная составляющая тягового сопротивления и крутящие моменты на ведущих колёсах.
Работа трактора происходила на специально подготовленном под лесовосстановление полигоне. Почва на полигоне во время испытаний: 1 – влажность от 12 до 14%; 2 - твердость от 4 до 6 ударов ударником ДорНИИ с малым наконечником. Трактор на момент проведения испытаний имел ходовую систему со сдвоенными шинами, шины 9.5-42 мод. Я – 183. Давление воздуха в шинах регулировалось согласно утверждённой методики проведения испытаний: 1 - давление воздуха в шинах ведущих колес 0.15 – 0.14 МПа для комбинации с передней и задней навесками; 2 - давление воздуха в шинах ведущих колес 0.14 – 0.12 МПа с передней навеской; 3 – давление воздуха в шинах ведущих колес 0.11 – 0.10 МПа с традиционным расположением орудия.
Нами было разработано специальное измерительное оборудование, для сбора и последующего анализа тягового процесса сопротивления движения трактора во время проведения испытаний. Основным элементом разработанного оборудования являются тензометрические рамки представленные на схеме номер 1 рис. 1. Для обеспечения нормированных среднеквадратических ошибок оценок основных статистических характеристик процессов, вызванных конечностью длин реализаций 7-20% использовались длины реализаций процессов от 15 до 40 секунд.
Формирование числовых массивов из временных реализаций процессов, зарегистрированных на осциллографической ленте, проводилось с помощью аналого-цифрового преобразователя ЭВМ ВС-1045 по специально разработанным программам, позволяющим проводить авто - и взаимнокорреляционный и спектральный анализы двух процессов по системе «вход-выход».
Результаты и обсуждение
В табл. 1 представлены оценки характеристик вибронагруженности, рассчитанные для типичных в проведенных исследованиях реализаций входных и выходных процессов. Можно видеть, что для всех вариантов агрегатирования математические ожидания крутящих моментов на колесах левого борта больше (в 1.25 – 1.38 раза), чем правого, что может быть объяснено проявившейся ассиметрией в наладке навесных систем или культиваторов.
Эксперимент показывает, что за счет лучших сцепных качеств, суммарная нагруженность задних колес, идущих по следу в 1.19-1.46 раза выше, чем передних. Испытываемый трактор имел самоблокирующийся дифференциал храпового типа у передних колес и конический дифференциал у задних колес. Данные табл. 1 свидетельствуют, что конический дифференциал обеспечивает меньшую неравномерность крутящих моментов на колесах, чем дифференциал храпового типа. При этом отношение оценок математических ожиданий моментов на задних колесах составляет величины 1.11-1.21, а на передних 1.45-1.69.
Из таблиц видно, что средние значения горизонтальной составляющей тяговых сопротивлений от одного культиватора составляют значения
9-12 кН. Для комбинированного агрегата суммарная величина этого входного параметра равна 22.4 кН, что несколько повышает тяговый класса трактора. Вертикальные же составляющие тяговых сопротивлений от культиваторов близки к нулю и из роль в перераспределении сцепного веса трактора весьма мала.
Анализ уровня оценок коэффициентов вариации показывает, что при работе трактора с культиваторами на передней или задней навесках степень изменчивости процессов крутящих моментов на колесах существенно ниже, чем для комбинированного агрегата. Так, средние значения коэффициентов вариации для этих процессов в условиях переднего и заднего агрегатирования составляет величины 27,6 и 24,5 %, в то время как для комбинированного 10,4 %. Причем уровень средних квадратических отклонений моментов для различного агрегатирования приблизительно одинаков.
Из результатов проведенного эксперимента следует (табл. 1), что динамика изменения величины горизонтальной составляющей тягового сопротивления от культиватора на передней навеске заметно больше, чем от культиватора при традиционном (заднем) агрегатировании. Это проявляется как при сравнении абсолютных значений оценок средних квадратических отклонений, так и коэффициентов вариации. По абсолютным значениям средних квадратических отклонений также видно, что динамика процессов вертикальных составляющих тяговых сопротивлений при комбинированном агрегатировании (табл. 1) лежит в тех же пределах, что и для горизонтальных составляющих.
Спектральный анализ исследуемых процессов нагруженности показывает (рис. 2, 3), что их дисперсия лежит в области низких частот (до
1-2 Гц). Причем, качественного различия между спектрами крутящих моментов на передних, задних и стоящих по разным бортам трактора колесах как для переднего и заднего, так и комбинированного агрегатирования, не наблюдается (рис. 2 а, 3 а).
На рис. 4 представлены нормированные взаимно корреляционные функции (а) и функции когерентности (б) процессов.
Рисунок 1. Схема комбинированного агрегата трактора 4К4б
Figure 1. Combined-block design of tractor 4K4b
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Таблица 1
Оценки статистических характеристик нагруженности трактора 4К4б при разных способах агрегатирования
Table 1
Evaluation of statistic performance of loading of tractor 4K4b with variable building-block designs
|
Процесс Process |
Обозначение Designation |
Мат. ожид., Expected value, |
RMS value, σ |
Коэф. Вар., Var. factor |
Макс. значение | Max. value числитель
|
|||||
|
М1 |
М2 |
М3 |
М4 |
В2 |
Г2 |
|||||
|
Переднее агрегатирование, v=1.6 м/c | Front building-block design, v=1.6 m/s |
||||||||||
|
Момент на переднем левом колесе, кНм Front LH wheel torque, kNm |
М1 |
2.88 |
0.67 |
23.2 |
|
|
|
|
||
|
Момент на переднем правом колесе, кНм Front RH wheel torque, kNm |
М2 |
1.71 |
0.73 |
42.8 |
|
|
|
|||
|
Момент на заднем левом колесе, кНм Rear LH wheel torque, kNm |
М3 |
3.23 |
0.63 |
19.6 |
|
|
|
|||
|
Момент на заднем правом колесе, кНм Rear RH wheel torque, kNm |
М4 |
2.68 |
0.67 |
24.9 |
|
|
||||
|
Горизонтальная составляющая тягового сопротивления на передней навеске, кН Horizontal component of traction resistance on front mounting, kN |
Г1 |
9.35 |
2.37 |
25.4 |
|
|
|
|
|
|
|
Заднее агрегатирование, v=1.6 м/c | Rear building-block design, v=1.6 m/s |
||||||||||
|
Момент на переднем левом колесе, кНм Front LH wheel torque, kNm |
М1 |
3.55 |
0.67 |
19.0 |
|
|
|
|
||
|
Момент на переднем правом колесе, кНм Front RH wheel torque, kNm |
М2 |
2.46 |
0.76 |
30.9 |
|
|
|
|||
|
Момент на заднем левом колесе, кНм Rear LH wheel torque, kNm |
М3 |
3.76 |
1.31 |
34.8 |
|
|
|
|||
|
Момент на заднем правом колесе, кНм Rear RH wheel torque, kNm |
М4 |
3.39 |
0.46 |
13.5 |
|
|
||||
|
Горизонтальная составляющая тягового сопротивления от орудия на задней навеске, кН Horizontal component of traction resistance on rear mounting, kN |
Г2 |
10.63 |
1.42 |
13.5 |
|
|
|
|
|
|
|
Комбинированное агрегатирование, v=1.27 м/c | Combined building-block design, v=1.27 m/s |
||||||||||
|
Момент на переднем левом колесе, кНм Front LH wheel torque, kNm |
М1 |
5.06 |
0.34 |
6.7 |
|
|
|
|
||
|
Момент на переднем правом колесе, кНм Front RH wheel torque, kNm |
М2 |
3.23 |
0.46 |
14.3 |
|
|
|
|
|
|
|
Момент на заднем левом колесе, кНм Rear LH wheel torque, kNm |
М3 |
6.58 |
0.6 |
9.2 |
|
|
|
|
|
|
|
Момент на заднем правом колесе, кНм Rear RH wheel torque, kNm |
М4 |
5.48 |
0.62 |
11.3 |
|
|
|
|
|
|
|
Вертикальная составляющая тягового сопротивления на передней навеске, кН Vertical component of traction resistance on front mounting, kN |
В1 |
-0.35 |
1.10 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
Горизонтальная составляющая тягового сопротивления на передней навеске, кН Horizontal component of traction resistance on front mounting, kN |
Г1 |
10.15 |
1.17 |
11.5 |
|
|
|
|
|
|
|
Вертикальная составляющая тягового сопротивления на задней навеске, кН Vertical component of traction resistance on rear mounting, kN |
В2 |
0.32 |
1.71 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
Горизонтальная составляющая тягового сопротивления на задней навеске, кН Horizontal component of traction resistance on rear mounting, kN |
Г2 |
12.25 |
0.73 |
5.9 |
|
|
|
|
|
|
Источник: собственные вычисления авторов
Source: own calculations
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что использование конического дифференциала приводит к равномерному распределению крутящих моментов между ведущими колёсами трактора. Результаты представленные в таблице показывают, что максимальные значения обоюдных функций для процессов крутящих моментов на ведущих задних колёсах достигают величины 0.7 – 0.8 и для каждого вида комплектования трактора при испытаниях технологическим оборудованием оказываются достаточно большими, в отличии от других вариантов экспериментального анализа исследования процессов нагружения. По рис. 3 б можно определить, что существенная корреляция находится в зоне низких частот (до 0.8 Гц). Также максимальное значение 0.6 – 0.7 на частоте до 0.5 Гц отмечены также у взаимных функций между процессами вертикальных составляющих тягового сопротивления.
Рисунок 2. Нормированные спектральные плотности процессов нагруженности при культивации со скоростью v=1,6 м/с:
а) моментов М1 на переднем левом (–––– - культиватор на задней навеске, - - - - - на передней навеске) и заднем правом
(-о-о- - на задней навеске, -[]-[]- - на передней навеске) колесах; б) горизонтальной составляющей тягового сопротивления Г1: ––– - от культиватора на задней навеске; - - - - на передней навеске
Figure 2. Rated spectral densities of the cultivation load processes at a speed of v=1.6 mps:
а) moments М1 on front LH (–––– - cultivator is rear-mounted, - - - - - is front-mounted) and on rear RH (-о-о- - rear-mounted,
-[]-[]- - front-mounted) wheels; b) horizontal component of tractive resistance Г1: ––– - from rear-mounted cultivator; - - - - from front-mounted cultivator
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Рисунок 3. Нормированные спектральные плотности процессов нагруженности при культивации комбинированным агрегатом со скоростью v=1,27 м/с:
а) моментов М1 на переднем левом (–––) и заднем правом М4 (- - -) колесах; б) горизонтальных Г1, Г2 (––– - от культиватор на задней навеске; - - - - - на передней навеске) и вертикальных в (соответственно -о-о- и -[]-[]-) составляющих тягового сопротивления
Figure 3. Rated spectral densities of loading processes at cultivation done by combined block at a speed of v=1.27 mps:
а) moments М1 on front LH (–––) and rear RH М4 (- - -) wheels; b) horizontal Г1, Г2 (––– - caused by rear-mounted cultivator; - - - - - front-mounted cultivator) and vertical in (as per -о-о- and -[]-[]-) components of the tractive resistance
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Рисунок 4. Нормированные взаимно корреляционные функции (а) и функции когерентности (б) процессов нагруженности: - - - - между моментом левого и правого задних колес при культивации со скоростью v=1,6 м/с с передним агрегатированием; –––– - между горизонтальными и -о-о- - вертикальными составляющими тяговых сопротивлений при культивации со скоростью v=1,27 м/с с комбинированным агрегатированием
Figure 4. Rated cross-correlation functions (а) and coherence functions (b) of the load processes:
- - - - between moments of the LH and RH rear wheels during cultivation at a speed of v=1.6 mps at front building-block design;
–––– - between horizontal and -о-о- - vertical components of the tractive resistances during cultivation at a speed of v=1.27 mps at combined building-block design
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
На рис. 3 показано, что входным процессам в этом случае является вертикальная составляющая тягового сопротивления на задней навеске от культиватора трактора, в частности смещен в область отрицательных значений τ от оси ординат первый экстремум и что на данной составляющей возрастание значений сопровождается уменьшением вертикальной составляющей сопротивления по тяги от культиватора на передней навеске в диапазоне
τ = ±2 секунд.
Выводы
Экспериментальные исследования трактора ЛТЗ -155 показали, что при культивации в составе комбинированного агрегата суммарная горизонтальная составляющая тягового сопротивления
несколько превышает (10 %) тяговый класс трактора, вертикальные составляющие тягового сопротивления от переднего и заднего культиваторов близки к нулю, а динамика процессов крутящих моментов на колесах существенно ниже, чем при культивации с только передним или традиционным агрегатированном.
Возникаемые вертикальные и горизонтальные составляющие крутящих моментов и тягового сопротивления на колесах в полосе частот, определяемой полосой пропускания динамической системы трактора (свыше 0,8 Гц), является статистически независимым шумом по отношению друг к другу.
1. Podrubalov M. V. Podrubalov V. K., Nikitenko A. N. Eksperimental'naya ocenka vzaimosvyazi silovyh faktorov pri rabote traktora 4K4b v sostave s perednim i zadnim kul'tivatorami. Doklady TSHA : Sbornik statey, Moskva, 01 yanvarya - 31 2015 goda. Moskva: Rossiyskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet - MSHA im. K.A. Timiryazeva. 2016; 289-293. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41141048.
2. Goldina I. I., Nesgovorov A. G. Analiz i sravnenie ekspluatacionnye svoystva traktorov Belarus i traktorov veduschih zarubezhnyh firm. Nauchno-tehnicheskiy vestnik: Tehnicheskie sistemy v APK. 2019; № 3(3): 113-123. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38096683.
3. Sokolov-Dobrev N. S., Ljashenko M. V., Shekhovtsov V. V. Research of dynamic loading in a drivetrain by means of mathematical modeling. Paper presented at the IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017; №177(1).DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/177/1/012092.
4. Mederski P. S., Borz S. A., Đuka A., Lazdiņš A. Challenges in Forestry and Forest Engineering - Case Studies from Four Countries in East Europe.Croatian Journal of Forest Engineering. 2021; № 42(1): 117 - 134. DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2021.838.
5. Podrubalov M. V., Nikitenko A. N. K voprosu o metodike obrabotki dannyh etalonnyh sel'skohozyaystvennyh profiley puti mobil'nyh mashin. Sbornik statey po itogam II mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii "GORYaChKINSKIE ChTENIYa", posvyaschennoy 150-letiyu so dnya rozhdeniya akademika V.P. Goryachkina, Moskva, 18 aprelya 2018 goda. - Moskva: Rossiyskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet - MSHA im. K.A. Timiryazeva. 2019; 82-86. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38168834
6. Kosul'nikov R. A., Karsakov A. A., Fomin S. D., Privalov V. A. Formirovanie kryukovoy nagruzhennosti traktora v sostave mashinno-traktornogo agregata. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2019; № 1(53): 371-377. DOI: http://doi.org/10.32786/2071-9485-2019-01-49
7. Gapich D. S., Kosulnikov R. A., Vorobyeva N. S. Forecasting of towing indicators of tractors with 4k4 wheel arrangements. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016; №11(11): 6801-6806. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26828041
8. Kutzbach H. D., BürgerA., BöttingerS. Rolling radii and moment arm of the wheel load for pneumatic tyres. Journal of Terramechanics. 2019; №82: 13-21.DOI: https://doi.org/10.1016/j.jterra.2018.11.002.
9. Podrubalov M. V., Nikitenko A. N. K voprosu ekspluatacionnoy nagruzhennosti privoda traktora 4K4b pri kul'tivacii s razlichnym agregatirovaniem. Doklady TSHA: Materialy mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii, Moskva, 05-07 dekabrya 2017 goda. Moskva: Rossiyskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet - MSHA im. K.A. Timiryazeva. 2018; 126-128. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=34968743
10. Gapich D. S.,Privalov V. A., Afanas'ev Yu. N. Tyagovye pokazateli traktorov s kolesnoy formuloy 4K2 na uvlazhnennyh pochvah. Nauchnoe obozrenie. 2016; № 7: 95-102. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26145897
11. Kostyleva L. V., Ovchinnikov A. S., Gapich D. S. Gradient hardening chisel plow from nodular iron. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017; №12(7): 2085-2091. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29498638
12. Gnusov M., Lysych M., Druchinin D. Volumetric dynamometer units for laboratory and field testing of tillage equipment. Journal of Physics: Conference Series. 2021; 1889. 052047. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1889/5/052047.
13. Lysych M. Study of driving dynamics of modular forestry tillage machine-tractor units in CAE SolidWorks Motion. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020; 595. 012024. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/595/1/012024.
