Наукове обґрунтування підвищення ефективності колісних рушіїв сільськогосподарських тракторів на енергоємних технологічних операціях обробітку ґрунту

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.02 "Автомобілі та трактори" (13 – Механічна інженерія, 27 – Транспорт). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертація присвячена розв'язанню науково-прикладної проблеми підвищення ефективності та екологічності рушіїв колісних тракторів при виконанні комплексу сільськогосподарських операцій за рахунок науковообґрунтованого вибору типорозмірів шин та раціональних режимів їх функціонування. На основі розгляду фізичних основ окресленої проблеми виявлено протиріччя між підвищенням тягової ефективності та екологічності рушіїв трактора, яке полягає у їх протилежній спрямованості. Показано, що виявлене протиріччя може бути розв’язане за рахунок обґрунтованого підходу до вибору шин та їх експлуатаційних режимів функціонування. Даний аналіз ґрунтовим ресурсам України, розглянуті фізико-механічні властивості ґрунту та проблема його переущільнення. Показано, що на території України сприятливі ґрунтовокліматичні умови для високоефективного обробітку ґрунту. Проаналізовані фактори та чинники, що впливають на ефективність взаємодії трактора з ґрунтовим середовищем, а також шляхи та засоби підвищення ефективності сільськогосподарських колісних тракторів. Доведена необхідність аналізу та врахування ґрунто-кліматичних умов при дослідженні питань підвищення ефективності та екологічності колісних рушіїв. Розглянуті сучасні інноваційні конструкції шин, системи, пристрої й конструктивні заходи, спрямовані на підвищення ефективності колісних тракторів. Наведені принципи розробки та ідентифікації математичної моделі тракторних шин, поданий аналіз здвоєння та способів баластування трактора, у тому числі й наповнення шин рідиною. Окреслена методологія нового підходу до визначення основних конструктивних параметрів колісних сільськогосподарських тракторів. Дана оцінка методики визначення потенційних тягових характеристик та технікоекономічних показників тракторів з урахуванням режимів роботи ДВЗ, параметрів пневматичних шин і їх взаємодіїзґрунтом. Показана перспективність формування та ідентифікації тягово-динамічної моделі функціонування колісних тракторів на типових сільськогосподарських операціях за польовими циклами PowerMix, що є загальновизнаними випробувальними циклами процедури тягово-динамічних випробувань. Показана необхідність формування інтегральних критеріїв оцінки ефективності та екологічності рушіїв сільськогосподарських тракторів за комплексом техніко-економічних та екологічних показників, що дасть змогу сформулювати рекомендації щодо заходів і способів підвищення ефективності та екологічності рушіїв при проектуванні нових конструкцій та модернізації наявних тракторів. Визначені показники ґрунто-кліматичних умов України, фізико-механічні характеристики тракторних шин і їх взаємодії з ґрунтом. Наукова новизна дослідження відображена в нових взаємозв’язках ґрунто-кліматичних умов, агроекологічних обмежень і показників взаємодії трактора з зовнішнім середовищем. Проаналізовано та узагальнено досвід світового тракторобудування у вигляді кількісних показників щодо конструктивних параметрів трактора та його ходової системи. Визначені перспективи та тренди розвитку тракторобудування. На основі аналізу світового досвіду та вивчення впливу параметрів ходової системи на ефективність функціонування трактора обґрунтовані теоретичні положення щодо визначення основних конструктивних показників сільськогосподарських колісних тракторів, що становить наукову новизну дисертаційного дослідження. Наведено методику моделювання та аналізу тягових та технікоекономічних показників машинно-тракторних агрегатів (МТА) на базі колісних тракторів, у тому числі з урахуванням режимів роботи двигуна. Розглянуті складові енергетичного балансу та ККД трактора, проаналізоване перетворення потоку потужності в тракторі з урахуванням умов відсутності циркуляції потужності та особливостей погодження довжини окружності кочення шин з внутрішнім передавальним числом приводу ведучих мостів. Запропонована методика визначення відносних середньоінтегральних показників ефективності трактора, яка має ознаки наукової новизни та дає змогу об’єктивно кількісно оцінювати й порівнювати трактори при комплектуванні різними шинами. Підтверджені рекомендації щодо внутрішнього передавального числа приводу ведучих мостів в частині забігання шин переднього моста, що має практичне значення для створення нових колісних тракторів з шинами однакового розміру, та запобігає виникненню процесів циркуляції потужності при русі трактора без сили тяги на гаку. Наведено методику моделювання характеристик тракторного дизельного двигуна з урахуванням швидкісного режиму, зовнішньої навантаги, а також положення органу управління подачею палива. Запропонована нова методика апроксимації універсальної характеристики витрати палива комбінованим способом: поліномом і сплайном, яка містить також алгоритм коректування відхилення теоретичних та експериментальних даних за допомогою функції щільності ймовірності двомірного нормального розподілу випадкових величин. Розглянута структура та показники польових випробувальних циклів PowerMix, на основі яких запропонований план імітаційного експерименту, що враховує розподіл річного обсягу робіт трактора за типовими сільськогосподарськими операціями. Проведена апробація запропонованої моделі тягово-динамічних випробувань, на основі якої за сформованим планом імітаційного експерименту отриманий комплекс тягово-динамічних показників колісного трактора. Запропоновані критерії оцінювання ефективності тракторів за показниками тягово-динамічних випробувань за польовими циклами PowerMix, що дають змогу порівнювати трактори різної потужності та маси. Розроблений комплексний підхід до тягово-динамічних випробувань колісних тракторів на основі польових циклів PowerMix та оцінки їх результатів має всі ознаки наукової новизни. Запропоновані в дисертації основні наукові положення, розробки та рекомендації впроваджені у виробничих підприємствах та наукових установах, серед яких ВАТ "Харківський тракторний завод", ТОВ "Українське конструкторське бюро трансмісій і шасі", ТОВ "Лозівський ковальськомеханічний завод", ТОВ "ГА Інжиніринг", ТОВ "ГА Проект".The thesis for the degree of doctor of technical sciences, specialty 05.22.02 “Automobiles and tractors” (13 Mechanical Engineering, 27 Transport). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the decision of a scientific and applied problem of increase of efficiency and ecological friendliness of wheeled tractors at performance of a complex of agricultural operations at the expense of a scientifically proved choice of standard sizes of tires and rational modes of their functioning. Based on the consideration of the physical bases of the outlined problem, the contradiction between the increase of traction efficiency and environmental friendliness of the tractor is revealed, which consists in their opposite direction. It is shown that the identified contradiction can be resolved through a sound approach to the choice of tires and their operating modes. The analysis of soil resources of Ukraine is given, physical and mechanical properties of soil and a problem of its overcompaction are considered. It is shown that on the territory of Ukraine there are very favorable soil and climatic conditions for highly efficient cultivation. The factors and factors influencing the efficiency of the tractor interaction with the soil environment, as well as ways and means to increase the efficiency of agricultural wheeled tractors are analyzed. The need for analysis and consideration of soil and climatic conditions in the study of improving the efficiency and environmental friendliness of wheeled tractors is proved. Modern innovative designs of tires, systems, devices and design measures aimed at improving the efficiency of wheeled tractors are considered. The principles of development and identification of the mathematical model of tractor agricultural tires are given, the necessity of the analysis of doubling of tires and ways of ballasting of a tractor, including filling of tires with liquid is indicative. The methodology of a new approach to determining the main design parameters of wheeled agricultural tractors is outlined. The estimation of a technique of definition of potential traction characteristics and technical and economic indicators of wheeled tractors taking into account operating modes of internal combustion engines, parameters of pneumatic tires and their interaction with soil in static statement is given. The prospects of formation and identification of traction-dynamic model of operation of wheeled tractors on typical agricultural operations by PowerMix field cycles, which are generally accepted test cycles of the procedure of traction-dynamic tests of tractors, are shown. The need to form integrated criteria for assessing the efficiency and environmental friendliness of agricultural tractors on a set of technical, economic and environmental indicators, which will allow to formulate recommendations for measures and ways to improve efficiency and environmental friendliness in designing new structures and upgrading existing ones. Indicators of soil and climatic conditions of Ukraine, physical and mechanical characteristics of tractor agricultural tires and their interaction with the soil are determined. The scientific novelty of the study is reflected in the new relationship of soil and climatic conditions, agri-environmental constraints and indicators of interaction of the tractor with the environment. The experience of world tractor construction in the form of quantitative indicators concerning design parameters of tractors is analyzed and generalized. Prospects and trends in the development of tractor construction are identified. Based on the analysis of world experience and the determining influence of the running system on the efficiency of tractors, the theoretical provisions for determining the main design indicators of agricultural wheeled tractors are substantiated, which is the scientific novelty of the dissertation research. The method of modeling and analysis of traction and technical and economic indicators of the machine-tractor unit on the basis of wheeled tractors, including taking into account the modes of operation of the engine. The components of energy balance and efficiency of the tractor are considered, the power flow conversion in the tractor is analyzed taking into account the conditions of lack of power circulation and the peculiarities of matching the length of the tire rolling circumference with the internal gear ratio of the drive axles. A method of determining the relative average integrated performance of the tractor, which has signs of scientific novelty and allows you to objectively quantify and compare tractors when equipped with different tires. The recommendations on the internal gear ratio of the drive axles in terms of running the front axle tires have been confirmed, which is of practical importance for creating new wheeled tractors with tires of the same size and prevents power circulation during tractor movement without traction on the hook. The method of modeling the movement of the crankshaft of a tractor engine is given taking into account the speed mode, external load, as well as the position of the fuel supply control body. A new method for approximating the universal characteristic of fuel consumption in a combined way: polynomial and spline, which also contains an algorithm for correcting the deviation of theoretical and experimental data using the probability density function of two-dimensional normal distribution of random variables. The structure and indicators of PowerMix field test cycles are considered, on the basis of which the plan of the simulation experiment is offered, which takes into account the distribution of the annual volume of tractor work by typical agricultural operations. The approbation of the offered model of traction-dynamic tests is carried out, on the basis of which according to the formed plan of the simulation experiment the complex of traction-dynamic indicators of a wheeled tractor is received. Criteria for evaluating the efficiency of tractors on the indicators of traction and dynamic tests on PowerMix field cycles are proposed, which make it possible to compare the efficiency of tractors of different power and weight. The developed comprehensive approach to traction and dynamic tests of wheeled tractors based on PowerMix field cycles and evaluation of their results has all the hallmarks of scientific novelty. The main scientific provisions, developments and recommendations offered in the dissertation are implemented in industrial enterprises and scientific institutions, including PJSC "Kharkiv Tractor Plant", LLC "Ukrainian Design Bureau of Transmissions and Chassis", "GA Engineering", "GA Project".