Обґрунтування раціональних параметрів і режимів навантаження пневматичних шин колісних тракторів сільськогосподарського призначення

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 133 – Галузеве машинобудування (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Дисертація присвячена розв'язанню науково-практичної задачі підвищення ефективності та екологічної безпеки рушіїв створюваних колісних тракторів за рахунок обґрунтованого вибору типорозмірів пневматичних шин і схемних рішень колісних систем. Задача реалізована на прикладі нової створеної конструкції інтегрального трактора ХТЗ-160У. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності колісного трактора ХТЗ-160У на тягових сільськогосподарських операціях за рахунок комплектації науково-обґрунтованими типорозмірами тракторних шин. Об’єкт дослідження – процес взаємодії пневматичних шин і колісних систем трактора ХТЗ-160У з опорною поверхнею при виконанні сільськогосподарських операцій. Предмет дослідження – вплив параметрів і режимів навантаження тракторних пневматичних шин і схемних рішень колісних систем на ефективність технологічних процесів машино-тракторного агрегату на базі трактора ХТЗ-160У. Актуальність дисертаційного дослідження обумовлена необхідністю підвищення ефективності колісних сільськогосподарських тракторів при виконанні ґрунтообробних технологічних процесів аграрного виробництва при одночасному забезпеченні екологічної безпеки та нівелювання негативного ущільнюючого впливу на ґрунт з метою збереження його родючості. В Україні, як і в більшості країн світу, ходові системи колісних тракторів повинні відповідати вимогам державних стандартів щодо норм дії на ґрунт мобільної сільськогосподарської техніки, тому удосконалення та розробка нових методів, які дозволять одночасно покращити ефективність та екологічну безпеку колісних рушіїв на стадії проектування нових або модернізації існуючих конструкцій колісних тракторів, є актуальним науково-практичним завданням. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, показаний зв'язок з науковими програмами, планами, темами, сформульвані мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, наведені дані методи досліджень, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, відзначений особистий внесок здобувача та представлена інформація про апробацію результатів дисертації та публікації. В першому розділі провдений огляд досліджень ефективності функціонування колісних тракторів при виконанні тягових технологічних операцій. Розглянуті чинники, які безпосередньо впливають на тягову ефективність трактора та показники його впливу на ґрунт. Наведений аналіз шляхів підвищення ефективності колісних сільськогосподарських тракторів. Особлива увага приділена процесам взаємодії колісного рушія з грунтом, реалізації тягового зусилля та колієутворення. Розглянуті питання стану грунтів під час його механічної обробки та показники екологічної безпеки колісних рушіїв. Зважаючи на поступове зростання енергонасиченості сучасних тракторів проаналізована ефективність тягових та тягово-привідних сільськогосподарських операцій. Розглянуті питання режимів роботи тракторних двигунів, шляхи підвищення їх економічності та узагальнений досвід тягових випробувань тракторів у визнаних в світі лабораторіях штату Небраска (США) та Німецького товариства сільськогосподарських інженерів. У другому розділі наведена модель взаємодії тракторної шини згрунтом, що базується на універсальніх характерстиці пневматичної шини, показаний алгоритм індентифікації коефіцієнтів моделі, що забезпечує відповідність розрахункових результатів даним експериментальних випробувань. Розділ містить математичну модель статичного тягового розрахунку трактора з урахуванням механічних властивостей тракторної шини, перерозподілу 4 радіальних навантаг, внутрішнього тиску повітря, показників трансмісії, величини кінематичної невідповідності в плямах контакту шин ведучих мостів трактора та процесів пресування грунту та колієутворення. Також наведені особливості моделювання тягових процесів при баластуванні трактора литими вагами, заповненні шин рідиною та застосуванні здвоєних колісних систем. Розглянута ефективність здвоєння штатних шин трактора. У третьому розділі на основі обробки та узагальнення наявних даних та інформаційних джерел подана методика обґрунтованого вибору тракторних сільськогосподарських шин, яка апробована на прикладі створеного вітчизняного інтегрального трактора ХТЗ-160У. Методика враховує компонувальні, навантажувальні та експлуатаційні обмеження щодо показників тракторних сільскогосподарських шин. В розділі наведені розрахункові дані статичних тягових розрахунків широкого переліку техніко-економічних показників трактора ХТЗ-160У при комплектуванні різними типорозмірами шин. За погодженням з виробником обраний ряд шин для проведення імітаційних випробувань за процедурою PowerMix. Наведена математична модель режимів роботи тракторного двигуна з урахуванням його завантаження та керування подачею палива. Показана удосконалена апроксимація паливної характеристики двигуна, що дає змогу мінімізувати розбіжність теоретичних та експериментальних даних щодо витрати палива на часткових режимах роботи. Для реалізації тягово-динамічних імітаційних випробувань тактора ХТЗ160У наведений опис та чисельна формалізація польових випробувальних циклів PowerMix, план проведення імітаційного експерименту. В якості критеріїв оцінки ефективності трактора та екологічної безпеки його рушія запропоновано комплексний критерії, що базується на значеннях ККД машинотракторного агрегату та враховує складові втрат потужності в ДВЗ, трансмісії, ходовій системі, а також ймовірності виконання екологічних вимог. Для наочного сприйняття результатів моделювання за процедурою PowerMix та об’єктивного порівняння різних комплектів шин запропонована методика наведення показників ефективності трактора, що базується на параметрах чистої продуктивності та витрати палива. В четвертому розділі проведена оцінка техніко-економічних показників трактора ХТЗ-160У на основі польових випробувальних циклів PowerMix при комплектуванні різними шинами, що містить як підсумкові дані, так і результати за окремими випробувальними циклами. Також наведена оцінка показників агроекологічної безпеки колісної ходової системи трактора ХТЗ160У при комплектуванні різними шинами при виконанні тягових і тяговопривідних технологічних операцій відповідно до плану імітаційного експерименту та широко визнаних в світі польових випробувальних циклів PowerMix. На основі результатів імітаційних випробувань колісного трактора ХТЗ-160У визначались перспективні до застосування шини та схемні рішення колісних систем, а також надані відповідні рекомендації. Результати дисертаційної роботи можуть використовуватися при визначенні або прогнозуванні ефективності та екологічної безпеки рушіїв колісних тракторів при їх проектування та модернізації на основі імітаційних випробувань колісного трактора, що базується на визнаних в тракторобудуванні польових випробувальних циклами PowerMix. Практичну значимість мають наступні результати дослідження: методика аналітичного визначення перспективних до застосування шин і схемних рішень колісних рушіїв для створюваних колісних сільськогосподарських тракторів; методика імітаційних випробувань колісного трактора, яка базується на визнаних в тракторобудуванні польових випробувальних циклами PowerMix. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні наукових досліджень Національного технічного університету «Харківський політехнічний інституту» в рамках договірної роботи: «Розробка рекомендацій по вибору параметрів ходової системи і системи підресорювання кабіни трактора» (договір № 26999, ВАТ «Харківський тракторний завод», 2020 р.), Основні наукові положення дисертаційної роботи, розробки і рекомендації впроваджені: – на ВАТ «Харківський тракторний завод» при виборі й обґрунтуванні колісної системи і типорозмірів шин для створюваного інтегрального трактора потужністю 160 к.с.; – на ТОВ «Харків трактор інжиніринг» при виконанні проектних робіт з розробки колісної системи трактора ХТЗ-160У; – у навчальний процес підготовки бакалаврів та магістрів за спеціальністю 133 – «Галузеве машинобудування» в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут». За результатами дослідження отримано такі наукові результати: Вперше: – запропонований новий підхід до аналітичного визначення перспективних до застосування шин з широкої номенклатури наявних типорозмірів і схемних рішень колісних рушіїв для створюваних колісних сільськогосподарських тракторів, що базується на показниках ефективності та екологічної безпеки рушіїв; – отримані показники ефективності та екологічної безпеки рушія колісного трактора вітчизняного виробництва, які, на відміну від відомих, визначені за визнаними в тракторобудуванні польовими випробувальними циклами PowerMix; отримали подальший розвиток: – методи визначення критеріїв оцінки ефективності та екологічної безпеки колісних рушіїв, що враховують широкий спектр типових сільськогосподарських тягових і тягово-привідних сільськогосподарських операцій. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 133 – Industrial mechanical engineering (13 – Mechanical engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2023. The dissertation is dedicated to the solution of the scientific and practical problem of increasing the efficiency and environmental safety of the drives of the wheeled tractors being created due to the justified choice of pneumatic tire sizes and schematic solutions of wheel systems. The task is implemented on the example of the newly created design of the integral tractor KhTZ-160U. The aim of the dissertation is to increase the efficiency of the KhTZ-160U wheeled tractor in traction agricultural operations by equipping it with scientifically based tractor tire sizes. The object of the study is the process of interaction of pneumatic tires and wheel systems of the KhTZ-160U tractor with the support surface during agricultural operations. The subject of the study is the influence of the parameters and load modes of tractor pneumatic tires and schematic solutions of wheel systems on the efficiency of the technological processes of the machine-tractor unit based on the KhTZ-160U tractor. The relevance of the dissertation research is due to the need to increase the efficiency of wheeled agricultural tractors when performing tillage technological processes of agricultural production while simultaneously ensuring environmental safety and leveling the negative compacting effect on the soil in order to preserve its fertility. In Ukraine, as in most countries of the world, the running systems of wheeled tractors must meet the requirements of state standards regarding the norms of action on the soil of mobile agricultural machinery. Therefore, the improvement and development of new methods that will allow simultaneously improving the efficiency and environmental safety of wheeled tractors at the stage of designing new or modernization of existing designs of wheeled tractors is an urgent scientific and practical task. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, shows the connection with scientific programs, plans, topics, formulates the goal, task, object and subject of the research, gives the given research methods, scientific novelty and practical significance of the results obtained, notes the personal contribution of the recipient and information about the approval of the results of the dissertation and publication is presented. In the first chapter, an overview of studies of the effectiveness of wheeled tractors in the performance of traction technological operations is carried out. The factors that directly affect the traction efficiency of the tractor and indicators of its impact on the soil are considered. The analysis of ways to increase the efficiency of wheeled agricultural tractors is given. Special attention is paid to the processes of interaction of the wheel drive with the ground, implementation of traction force and rutting. The issues of soil condition during its mechanical processing and indicators of environmental safety of wheeled vehicles are considered. Taking into account the gradual increase in energy saturation of modern tractors, the effectiveness of traction and traction-drive agricultural operations is analyzed. The issues of tractor engine operation modes, ways to increase their efficiency, and the generalized experience of traction tests of tractors in the world-recognized laboratories of the state of Nebraska (USA) and the German Society of Agricultural Engineers are considered. In the second chapter, the model of the interaction of the tractor tire with the soil, based on the universal characteristics of the pneumatic tire, is presented, the algorithm for identifying the coefficients of the model is shown, which ensures the correspondence of the calculated results with the data of experimental tests. The section contains a mathematical model of the static traction calculation of the tractor taking into account the mechanical properties of the tractor tire, the redistribution of radial loads, internal air pressure, transmission indicators, the magnitude of the kinematic discrepancy in the contact spots of the tires of the tractor's driving axles and the processes of soil compaction and rutting. Features of modeling traction processes when ballasting a tractor with cast weights, filling tires with liquid and using dual wheel systems are also given. The effectiveness of doubling standard tractor tires is considered. In the third chapter, based on the processing and summarization of available data and information sources, a method of justified selection of tractor agricultural tires is presented, which is tested on the example of the domestic integrated tractor KhTZ-160U. The methodology takes into account compositional, loading and operational limitations regarding the indicators of tractor agricultural tires. The section contains the calculation data of static traction calculations of a wide list of technical and economic indicators of the KhTZ-160U tractor when equipped with different tire sizes. In agreement with the manufacturer, a number of tires were selected for simulation tests using the PowerMix procedure. A mathematical model of tractor engine operation modes is given, taking into account its loading and fuel supply control. An improved approximation of the fuel characteristics of the engine is shown, which makes it possible to minimize the discrepancy between theoretical and experimental data on fuel consumption at partial operating modes. For the implementation of traction-dynamic simulation tests of the KhTZ-160U tractor, a description and numerical formalization of PowerMix field test cycles, a simulation experiment plan, are given. As criteria for evaluating the efficiency of the tractor and the environmental safety of its driver, a complex set of criteria is proposed, which is based on the values of the efficiency of the machine-tractor unit and takes into account the components of power losses in the internal combustion engine, transmission, running system, as well as the probability of meeting environmental requirements. For a visual perception of the results of the simulation using the PowerMix procedure and an objective comparison of different sets of tires, a method of specifying tractor efficiency indicators based on the parameters of net productivity and fuel consumption is proposed. In the fourth chapter, an evaluation of the technical and economic indicators of the KhTZ-160U tractor was carried out on the basis of PowerMix field test cycles when equipped with different tires, which contains both summary data and results for individual test cycles. An evaluation of the agro-ecological safety indicators of the wheeled running system of the HTZ-160U tractor when equipped with different tires during traction and traction-drive technological operations in accordance with the plan of the simulation experiment and widely recognized in the world PowerMix field test cycles is also provided. Based on the results of simulation tests of the KhTZ-160U wheeled tractor, prospective tires and schematic solutions of wheel systems were determined, as well as appropriate recommendations were provided. The results of the dissertation work can be used in determining or predicting the efficiency and environmental safety of wheeled tractor engines during their design and modernization based on simulated tests of a wheeled tractor based on PowerMix field test cycles recognized in tractor construction. The following research results are of practical significance: the method of analytical determination of promising tires and schematic solutions of wheel drives for the wheeled agricultural tractors being created; method of simulation tests of a wheeled tractor, which is based on PowerMix field test cycles recognized in tractor construction. The results of the dissertation work were used in the performance of scientific research of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" within the framework of the contractual work: "Development of recommendations for the selection of parameters of the running system and suspension system of the tractor cabin" (contract No. 26999, "Kharkiv Tractor Plant", 2020), The main scientific provisions of the dissertation work, developments and recommendations have been implemented: - at "Kharkiv Tractor Plant" during the selection and justification of the wheel system and standard sizes of tires for the 160 hp integrated tractor being created; - at "Kharkiv Tractor Engineering" during design work on the development of the wheel system of the KhTZ-160U tractor; - in the educational process of training bachelors and masters in specialty 133 - "Industrial mechanical engineering" at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". According to the results of the research, the following scientific results were obtained: for the first time: – a new approach to the analytical determination of promising tires from a wide range of available standard sizes and schematic solutions of wheeled drives for the new wheeled agricultural tractors is proposed, which is based on indicators of the efficiency and environmental safety of the drives; – obtained indicators of efficiency and environmental safety of the drive of a wheeled tractor of domestic production, which, unlike the known ones, are determined according to PowerMix field test cycles recognized in tractor construction; received further development: - methods of determining the criteria for evaluating the efficiency and environmental safety of wheel drives, taking into account a wide range of typical agricultural traction and traction-drive agricultural operations.