Конструкторская разработка

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского

Реферат по дисциплине: сельскохозяйственная техника

Конструкторская разработка

Выполнил

Студент - магистрант 1-го года обучения

Ильина Е.Е.

Калуга, 2012г.

1. Обоснование выбора конструкторской разработки

Из анализа потенциальной тяговой характеристики трактора (зависимость тяговой мощности трактора от его тягового усилия) можно отметить ярко выраженный максимум, величина которого определяется эффективной мощностью двигателя, способом преобразования ее в тяговую мощность, параметрами трактора и физико-механическим состоянием почвы. Режиму работы трактора при максимальной тяговой мощности () соответствуют определенные значения тягового усилия () и действительной скорости движения (), которые принято называть оптимальными и которые являются параметрами, положенными в основу типажа тракторов (тяговых классов).

Возрастающую тяговую мощность трактора тягача, при повышении его энергонасыщенности, можно реализовать либо увеличивая тяговое усилие трактора (увеличивая ширину захвата), либо увеличивая действительную скорость движения МТА.

Увеличение оптимальной силы тяги трактора, при сохранении оптимального коэффициента сцепления, пропорционально увеличению его сцепного веса . Однако увеличение массы сельскохозяйственного трактора повышает расход энергии на его перемещение, которое уже сегодня составляет до 40% номинальной мощности двигателя. При этом темп прироста производительности МТА за счет увеличения ширины захвата агрегата отстает от темпа увеличения мощности двигателя. Например, по данным [20], при увеличении мощности двигателя трактора Т-150М в сравнении с трактором Т-150 на 26,5%, производительность МТА (при постоянной рабочей скорости) возросла только на 15...18 % (в зависимости от технологической операции). При этом масса трактора увеличилась на 12%.

Необходимо также учитывать, что увеличение массы трактора приводит к уплотнению почвы, в том числе и в подпахотном слое, на величину которого оказывает влияние не только удельное давление движителей, но и общая масса трактора. Это не только существенно нарушает физико-механические качества почвы и как следствие - приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур (от 5 до 50%) [32], но и увеличивает энергозатраты на дополнительное рыхление почвы.

Поэтому есть все основания полагать, что увеличение тягового усилия, с точки зрения формирования энергосберегающего МТА, является неперспективным.

Другим вариантом повышения тяговой мощности трактора при неизменной оптимальной силы тяги является увеличение рабочей скорости. Из работы [13] известно, что для тракторов тягачей отношение мощности двигателя, преобразуемой в тяговую мощность трактора, к произведению массы трактора на оптимальную действительную скорость движения есть величина постоянная

где - часть мощности двигателя, преобразуемая в тяговую мощность трактора;

- максимальное значение тягового КПД трактора.

Из выражения (3.1) видно, что повышение мощности двигателя пропорци онально увеличению рабочей скорости трактора тягача, а следовательно, и производительности МТА. Однако по мере роста скорости сельскохозяйственных тракторов происходит уменьшение величины оптимального значения коэффициента использования сцепной массы трактора и максимального значения тягового КПД, т.е. нарушается прямая пропорциональность между оптимальной скоростью трактора и максимальной тяговой мощностью.

Так например при работе трактора в оптимальном тяговом режиме потребная мощность двигателя, преобразуемая в тяговую мощность трактора определится по уравнению

Учитывая, что уравнение (3.2) запишется

где - коэффициент, учитывающий потери касательной силы тяги на перекатывание трактора;

- коэффициент, учитывающий потери скорости движения трактора из-за буксования движителей;

- коэффициент, учитывающий потери в трансмиссии трактора.

Воспользовавшись уравнением (3.2), найдем степень необходимого увеличения мощности, подведенной к движителям, при увеличении скорости движения агрегата.

или

С учетом, что

имеем

Так как и больше единицы и с увеличением скорости движения МТА увеличиваются [9], т.е. снижается КПД ходовой системы и в связи с этим увеличиваются энергозатраты на самопередвижение трактора и преодоление буксования. Из анализа выражения (3.5) следует, что, т.е. мощность двигателя, преобразуемая в тяговую мощность трактора, увеличивается быстрее, чем растет его рабочая скорость. Это значит, что по мере увеличения энергонасыщенности трактора разность между приростом мощности, подведенной к движителям, и приростом скорости будет постоянно возрастать.

Кроме этого с увеличением скорости движения МТА, при повышении энергонасыщенности сельскохозяйственного трактора, происходит увеличение оптимального значения касательной силы тяги с одновременным снижением величины оптимального тягового усилия за счет увеличения силы сопротивления самопередвижению трактора. По данным [9] увеличение мощности двигателя с 27 кВт до 80 кВт для тракторов типа МТЗ в случае использования ее только через тяговую мощность максимальное значение КПД ходовой системы уменьшается до 20%, а оптимальное тяговое усилие - до 40% при работе на почвенном фоне-стерне. Для того, чтобы это не происходило, необходимо уменьшить массу трак тора, либо обеспечить независимость коэффициента самоперекатывания трактора от скорости движения.

Итак, увеличение рабочей скорости МТА (при увеличении энергонасыщенности трактора) приводит к снижению максимального значения КПД ходовой системы трактора с одновременным снижением оптимального значения тягового усилия. Все это является одной из причин снижения темпа увеличения его рабочей скорости с одновременным увеличением энергозатрат на единицу обработанной площади.

Кроме того рост рабочих скоростей МТА приводит к увеличению степени неравномерности момента сопротивления на входе в двигатель, что в свою очередь вызывает рассогласование систем топливо- и воздухоподачи, особенно у дизелей с ГТН, что вызывает падение мощности двигателя в эксплуатации до 20% от установленной.

Кроме этого уменьшение использования времени чистой работы агрегата приводит к еще более резкому отставанию роста производительности МТА от увеличения мощности двигателя, а следовательно, наблюдается дополнительный рост энергозатрат на единицу выполненной работы. Поэтому рост поизводительности МТА путем дальнейшего повышения рабочей скорости нецелесообразен.

При этом следует отметить, что в зависимости от вида выполняемой технологической операции, появляется потребность в варьировании рабочими скоростями МТА в сторону их уменьшения. Однако из анализа потенциальной тяговой характеристики трактора следует, что заданному значению рабочей скорости МТА при достижении минимальных энергозатрат должны соответствовать строго определенные значения тяговой мощности. С другой стороны оптимальной величине тяговой мощности должна соответствовать строго определенное значение мощности двигателя, преобразуемой в тяговую мощность трактора. Таким образом для снижения энергозатрат при выполнении МТА технологической операции при заданной скорости необходимо обеспечить работу трактора в оптимальной зоне соответствующей путем изменения мощности двигателя передаваемую на тягу.

Здесь возможны два пути [32]. Первый путь, это - изменение максимальной установленной (номинальной) мощности двигателя возможно переходом на частичный режим, или его дефорсированием, т.е. применение двигателей, имеющих несколько уровней мощности (двигателей переменной мощности). Причем возможно применение двигателей с регулируемым запасом по моменту и двигателей постоянной мощности.

Второй путь, это передача избыточной мощности через вал отбора мощности (ВОМ). В любом случае избыточная мощность может быть заранее запроектирована.

Необходимость увеличения производительности МТА при постоянном тяговом усилии трактора и постоянной скорости движения привело к перерастанию трактора-тягача в мобильное энергетическое средство (МЭС) [14]. Анализ МТА на базе МЭС показывает, что избыточная часть мощности двигателя трактора, снимаемая с ВОМ, может быть использована:

во-первых - для уменьшения удельного сопротивления одно-операционных сельхозмашин путем привода рабочих органов не от ходовых колес сельхозмашины, а от ВОМ трактора. Тогда при той же тяговой мощности и рабочей скорости трактора возможно увеличение ширина захвата одно-операционной сельхозмашины, или формирование комбинированного агрегата, способного выполнять одновременно не одну, а несколько технологических операций одновременно. При этом снизится удельная энергоемкость работ; во-вторых - для привода движителей сельхозмашин (технологических модулей) и рабочих органов-движителей. В этом случае используется вся масса агрегата для создания тягового усилия и за счет этого происходит увеличение производительности с одновременным рассредоточением сцепной массы по площади поля (по движителям), что снизит удельную энергоемкость работ с од новременным снижением уплотнения почвы, особенно в подпахотном горизонте.

Из приведенного выше анализа можно сделать вывод, что формирование энергосберегающего МТА на базе энергонасыщенного трактора тягача при увеличении оптимальной силы тяги или увеличения рабочей скорости являются неперспективными так как приводит с одной стороны к увеличению массы сельскохозяйственного трактора с другой стороны снижает КПД ходовой системы и таким образом повышает расход энергии на самоперемещение. Все это является одной из причин снижения темпа увеличения ширины захвата МТА и его рабочей скорости относительно увеличения мощности тракторного двигателя с одновременным увеличением энергозатрат на единицу обработанной площади.

Для приводного МТА на базе энергонасыщенного трактора, в котором «избыточная» мощность двигателя передается через ВОМ, тяговая мощность передаваемая к сельскохозяйственной машине может быть увеличена за счет движителей самой машины, а также ее рабочих органов-движителей. Применение ведущих колес на сельскохозяйственной машине, рабочих органов-движетелей и активных рабочих органов позволит снизить ее удельное тягового сопротивление, за счет чего возможно увеличение ширины захвата одно-операционной СХМ, или формирование комбинированного агрегата, способного выполнять не одну, а несколько технологических операций с сохранением оптимального тягового усилия трактора. Таким образом появляется возможность агрегатирования перспективных широкозахватных и комбинированных сельскохозяйственных машин с энергонасыщенными тракторами меньшего тягового класса с использованием массы всего МТА для создания тягового усилия, что позволит снизить затраты на самопередвижение трактора и уплотнение почвы с одновременным увеличением производительности МТА и снижением удельной энергоемкости работ.

В данной конструкторской разработки предлагается энергетический модуль для повышения производительности и для снижения расхода топлива агрегата.

Отличие предлагаемой компоновки машинно-тракторного агрегата от традиционной заключается в следующем. К трактору МТЗ-82 присоединяется модуль для навески сельскохозяйственных орудий. Привод ведущих колес модуля осуществляется через вал отбора мощности трактора. Таким образом предлагаемый МТА имеет не два, а три ведущих моста, что позволяет использовать сцепной вес не только трактора, но и модуля с навешанным на него сельскохозяйственным орудием. Применение выносной гидросистемы трактора МТЗ-82 позволяет применить при выполнение технологической операции позиционно силовой регулятор, что позволяет использовать часть веса орудия для увеличения сцепного веса предлагаемого модуля. Получение дополнительных тяговых усилий позволяет использовать перспективные широкозахватные орудия с тракторами меньшего тягового класса.

трактор тяговый винт шов

2. Описание конструкторской разработки

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.

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.

3. Расчет и построение тяговых характеристик трактора МТЗ-80 с использованием энергетического модуля и без него

Для расчета передаточного отношения трансмиссии энергетического модуля воспользуемся коэффициентом кинематического несоответствия

K= 1-Vтк /Vтм

где Vтк и Vтм - соответственно теоретические скорости задних ведущих колес трактора и колес энергетического модуля.

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

Vтк и = ?д*rк/iтр и Vтм = ?д*rкм/iтр эм.

где ?д - угловая скорость коленчатого вала двигателя;

iтр - передаточное отношение трансмиссии трактора;

iтр эм - передаточное отношение трансмиссии энергетического модуля.

С учетом последнего коэффициент кинематического несоответствия будет равняться

K= 1-rк iтр эм /iтрrкм.

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

iтр эм = iтрrкм/ rк.

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

rк = 10-3 [0,5d + (0,8...0,85)B]

где d и B - соответственно диаметр посадочного обода и ширина профиля колеса в мм.

rк = 25,410-3 [0,5*38 + 0,8*12]=0,725 м,

rк = 10-3 [0,5*508 + 0,8*210]=0,422 м.

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

iтр эм = iтрrкм/ rк. = 49,06 * 0,422/ 0,725 = 28,56.

Учитывая, что передаточное отношение трансмиссии ВОМ равно iтр ВОМ =4,63, тогда требуемое передаточное отношение моста энергетического модуля будет равно

iтр м эм = iтр эм/ iтр ВОМ = 28,56/ 4,63 = 6,17.

Такое передаточное отношение имеет ведущий мост автомобиля ГАЗ-52.

С учетом того, что масса энергетического модуля составляет mэм = 200 кг определим максимальную касательную силу тяги энергетического модуля по сцеплению.

Pк?=?сцmэмg = 0.7*200*9.81=1.37 кН

где ?сц - коэффициент сцепления;

g- 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 jсц и f, величины теоретической и действительной скорости (Vт, Vд ), касательной силы тяги и крюкового усилия (Pк и Pкр), крюковой или тяговой мощности Nкр, удельного крюкового расхода топлива gкр в функции оборотов дизеля на каждой передаче и значения тягового КПД при номинальной нагрузке дизеля.

Расчетные формулы имеют вид:

, м/сд = vт (1 -),м/с,

где - буксование.

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

Таблица 3.1 - Исходные данные для расчета на ПЭВМ

НаименованиеОбозначениеВеличинаНоминальная мощность двигателя, кВтNен58,84Номинальная частота вращения, об/минnен2200Номинальный удельный расход, г/кВт чgен238Мощность снимаемая с ВОМ, кВтNВОМ39,62 30,93 17,96 9,84 9,41 9,08 7,83 7,41 0КПД трансмиссииhтр0,867

0,866КПД привода ВОМhвом0,881 0,908Радиус ведущего колеса, мrк0,725Количество передачz8Передаточные числа трансмиссииiтр241,95 142,1 83,53 68,0 57,43 49,06 39,94 33,73Масса трактора, тmэ3,2Коэффициент сцепленияjсц0,7Коэффициент каченияf0,09Коэффициент сцепной массыlк1

Для колесных тракторов:

; при (3.13) = при

где

Касательная сила тяги

, кН

Сила сопротивления качению трактора

= fgмэ, кН

Крюковое усилие

кр = Pк - Pf, кН

Крюковая мощность

кр = Pкр vд, кВт

Удельный крюковой расход топлива

; г/кВт ч

Тяговый КПД

. Прочностной расчет сварного шва

Расчет будем вести для стыкового шва. Расчет прочности стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей, связанное со сваркой, учитывают при назначение допускаемых напряжений.

Наш шов работает на растяжение, поэтому расчет будем вести на растяжение.

Прочность шва определяем по формуле:

где b и d - ширина и толщина материала;

-сила нагрузки, Н;

-допускаемое напряжение для сварных соединений.

Отношение к допускаемому напряжению на растяжение для основного металла детали является коэффициентом прочности сварного соединения:

Значение колеблется в пределах 0,9…1,00

где - предел текучести для МПа;

- запас прочности =1,4…1,6;

отсюда находим

МПа

отсюда определяем прочность шва:

МПа

МПа -условие выполняется, значит шов может работать.

5. Расчет шпильки на прочность

Шпилька установлена в отверстие с зазором. На шпильку навинчивается гайка. Шпилька нагружена поперечной силой. В нашем случае шпилька работает на срез. Но нам необходимо также узнать силу затяжки.

Гайка навинченная на шпильку затягивается такой силой затяжки, чтобы возникающая при этом сила трения на поверхности стыка соединяемых деталей была не меньше внешней сдвигающей поперечной силы.

В результате этого шпилька работает на растяжение от силы . Необходимую силу затяжки шпильки определяют из условия:

где - коэффициент трения между соединяемыми деталями для стальных деталей;

F- внешняя сдвигающая поперечная сила, ; .

Находим силу затяжки:

Теперь посчитаем шпильку на срез. Условие прочности шпильки

где - расчетное напряжение среза шпильки;

- поперечная внешняя сила срезающая шпильку, ;

- диаметр стержня шпильки в опасном сечении;

- допускаемое напряжение на срез шпильки.

Для находим прочность шпильки

условие выполняется.

6. Расчёт винта на прочность

Расчёт винта проводим на деформацию среза, поэтому формула будет выглядить так.

где - сила действующая на винт,

- диаметр винта,

- для стали .

Получаем

Сравнивания полученный результат с допустимым мы видим, что винт данную нагрузку выдержит.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского

Больше работ по теме: