книги из ГПНТБ / Алферов, С. А. Динамика зерноуборочного комбайна

Июльский (1970 г.) Пленум ЦК КПСС и XXIV съезд КПСС, намечая программу дальнейшего развития сельского хозяйства, указали, что ключевой проблемой его является увеличение годо­ вого производства зерна до 195 млн. т. При этом комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производ­ ства должны обеспечить повышение производительности труда и снижение себестоимости продукции.

Для ускоренного создания новых высокопроизводительных энергонасыщенных зерноуборочных комбайнов и других зерно­ уборочных машин, а также систем автоматического управления ими требуются аналитические расчеты поведения этих сложных машин при статических и динамических нагрузках. Качественно новый аналитический подход ко всем методам разработки и опре­ деления оптимальных параметров сельскохозяйственных машин диктуется конструктивной, технологической и эксплуатационной сложностью современных сельскохозяйственных агрегатов.

Приемы составления и решения дифференциальных уравне­ ний, отражающих большие движения многомаесовых систем с неголономными связями типа кинематических передач (фрикцион­ ных, гидростатических и др.), до сих пор не имеют достаточно ши­ рокого применения в земледельческой механике. Это объясняется отсутствием исследований по выявлению общих механико-мате­ матических свойств неголономных связей и общих характеристик внешних воздействий, а также сложностью моделей, воспроизво­ дящих основные особенности сельскохозяйственных машин. Осо­ бые сложности представляют при этом составление и решение си­ стем нелинейных дифференциальных уравнений, отражающих движение моделей реальных машин с переменной во время работы структурой.

Специфика сельскохозяйственного производства и особенно­ сти конструкций мобильных сельскохозяйственных машин вы­ зывают необходимость при аналитических исследованиях учиты­ вать такие факторы, как тяговые характеристики фрикционных передач, неидеальность неголономных связей и др.

Специальных обобщающих работ по динамике больших дви­ жений зерноуборочных машин в отечественной литературе пока нет. На примере зерноуборочного комбайна автор попытался обобщить приемы аналитического исследования динамических процессов при больших движениях сложных .механических си­ стем сельскохозяйственных машин. В основу этой работы поло­ жены теоретические и экспериментальные исследования, выпол­ ненные автором по заданиям КБ и ГСКБ комбайновых заводов. Однако некоторые вопросы этих исследований, например анализ систем автоматического регулирования постоянства подачи и ки­ нематического режима рабочих органов, находящиеся в стадии развития и становления, еще не могут быть описаны с исчерпываю­ щей полнотой.

Г л а в а I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ

ИИХ ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

§ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФРИКЦИОННЫХ ПАР

Рассмотрим разнородные фрикционные пары для выявления их механико-математической общности как своеобразных связей, В современных сложных сельскохозяйственных машинах значи­ тельное число передач или связей можно отнести к типу фрикци­ онных, например дисковые муфты сцепления, плоско- и клино­ ременные передачи, соединения колесных и гусеничных движите­ лей с почвой и др. Теория механических систем с фрикционными связями развита недостаточно вследствие того, что эти системы значительно отличаются от обычных с одной степенью подвижности (свободы). Так, например, клиноременные передачи в механи­ ческих системах можно рассматривать как упругие (консерватив­ ные), обладающие характерной особенностью— гашением кру­ тильных колебаний валов из-за потерь потенциальной энергии, накопленной в ведущей ветви, при скольжении разгружаемой части ремня по ведущему шкиву. Практическая сторона гашения колебаний важна для обеспечения надежности приводов машин. Упругие клиноременные и другие фрикционные передачи как связи благодаря явлению скольжения под нагрузкой не наклады­ вают ограничения на обобщенные координаты элементов механи­ ческих систем и ,. следовательно, не являются голономными или геометрическими механическими связями. Фрикционные передачи накладывают ограничения только на скорости элементов меха­ нических систем и являются неголономными связями.

Скольжение или буксование фрикционных передач объяс­ няется явлением предварительного смещения при действии не­ полной силы трения, которая возникает при контактировании ре­ альных упругих тел с фрикционными поверхностями.

Явление предварительного смещения описано в работах И. В. Крагельского и И. Э. Виноградовой [21 ], В. С. Щедрова [39 ], акад. Е. А. Чудакова [34] и др. По определению А. В. Андреева, неполная сила трения представляет собой сдвигающее усилие, которое меньше силы, необходимой для взаимного перемещения тел, связанных контактом трения [8]. Как показал А. В. Андреев, предварительное смещение в пределах упругих свойств контакти-

в основном благодаря зоне скольжения Іск. Такое смещение не­ сколько больше, чем показанное на рис. 1.

Эти две схемы передачи сдвигающего усилия через контакт трения упругой полосы с фрикционной поверхностью могут быть распространены на большую группу фрикционных передач и со­ единений современных машин. Предварительное смещение в фрик­ ционных парах при приложении сдвигающей силы и последую­ щий переход к полному скольжению контактирующих тел являются для каждой фрикционной пары, благодаря множеству точек, участвующих в перераспределении давлений и сдвигов, стати­ стическими или закономерными свойствами при заданных усло­ виях.

§ 2. ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ КОЛЕС

Основные закономерности при качении пневматических колес.

Качение колес с пневматическими шинами по твердой дороге, а также по почве в настоящее время хорошо изучено благодаря работам советских ученых — акад. Е. А. Чудакова, Б. В. Гольда, Б. С. Фалькевича, В. И. Новопольского, В. А. Петрушова, Г. В. Зимелева, А. С. Шелухина и др., а также благодаря трудам зарубежных ученых Беккера, Зоннена, Цомбори, Вильса и др. [15, 18, 26, 27, 35, 38, 40—43].

Основным показателем оценки потерь энергии при качении пневматических колес по твердой дороге является коэффициент сопротивления качению /, определение которого наиболее пра­ вильно сделано в последнее время В. И. Новопольским [26]. Однако при качении пневматических колес по мягкой или рыхлой почве коэффициент сопротивления качению, являющийся характе­ ристикой пары шина—дорога, не дает возможности полностью оценить потери энергии, так как не учитывает потерь энергии на буксование ведущих колес или скольжение ведомых, нагружен­ ных тормозным моментом. В связи с этим ряд ученых предлагают оценивать эффективность работы колеса как механизма, преобра­ зующего вращательное движение в поступательное (ведущее колесо) или, наоборот, поступательное движение во вращательное (ведомое колесо), коэффициентом полезного действия [27, 42]. Использование к. п. д. для оценки пневматических колес в совре­ менных машинах затруднено из-за сложности динамических си­ стем ходовой части и переменности внешних нагрузок.

Коэффициент сопротивления качению /, согласно исследова­ ниям акад Е. А. Чудакова, В. А. Новопольского и других ученых, можно определить как отношение смещения а вертикальной реакции колеса от центра площадки контакта с опорной поверх­ ностью к динамическому радиусу колеса Rd:

Смещение вертикальной реакции Z объясняется тем, что эпюра давлений колеса на почву (см. рис. 4, а) в результате гистерезиса материала шины и проскальзывания, как показывают опыты В. И. Новопольского, становится асимметричной относительно линии А'А , проходящей через центр площадки контакта. Асим­ метрия эпюры давлений объясняется тем, что справа от линии А 'А находится область нагружения, а слева — разгружения, где давление вследствие гистерезиса в материале шины значительно меньше при таких же деформациях.

Потери энергии на перекатывание колеса по твердой дороге, очевидно, происходят главным образом из-за гистерезиса в мате­ риале колеса и компенсируются за счет энергии, отдаваемой дви­ гателем. При движении пневматического колеса по мягкой почве потери энергии на перекатывание состоят из потерь на гистерезис в материале колеса, на уплотнение почвы, а также на буксование ко­ леса. Анализ перекатывания колес, работающих в условиях без­ дорожья на пересеченной местности, развивался слабо из-за огра­ ниченности исследований свойств почвы и характера ее взаимодей­ ствия с ходовой частью.

Акад. В. П. Горячкин дал общую зависимость между деформа­

kc и kf практически не зависят от размеров штампа и являются, следовательно, параметрами, характеризующими свойства почвы при вдавливании различных тел. Для сыпучих почв kc = 0, а для