Оптимизация трансмиссии тракторов

Текст: С. Н. Капов, д-р техн. наук, проф.; А. В. Бобрышов, канд. техн. наук, доц.; А. В. Орлянский, канд. техн. наук, проф.; А. Н. Петенёв, канд. техн. наук, доц.; И. А. Орлянская, канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Создание тракторов, обладающих высокими эксплуатационными качествами, надежностью и долговечностью, выступает одной из важнейших задач современного машиностроения. Для ее решения необходимо проведение разносторонних исследований, в том числе по определению нагруженности узлов и агрегатов в реальных условиях

Сегодня для повышения эффективности в конструкции сельскохозяйственных тракторов вместо обычных механических коробок перемены передач устанавливаются гидромеханические. Данный метод позволяет осуществлять более плавное переключение во время выполнения технологических операций.

ЭТАПЫ ИСПЫТАНИЙ

С целью детального изучения нагруженности фрикционных муфт при перемене передач и параметров процессов с различными регулировками гидроаккумулятора коробки специалисты ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» провели исследования. Они осуществлялись на тракторе класса II, оснащенном гидромеханической трансмиссией и гидромуфтой, в разных эксплуатационных условиях. Затем выполнялся анализ мероприятий по оптимизации переключения передач. Настройки гидроаккумулятора машины предусматривали несколько вариантов: устройство заглушено, регулировки 0–0–0, I–0–I и II–0–II.

Испытания были проведены на определенных сельскохозяйственных операциях: пахота плугом ПЛН-3-35 на глубину 20 см, культивация двумя орудиями КПС-4А со стрельчатыми лапами, транспортная работа с автопоездом общей массой 17 т. Первые два этапа были реализованы на горизонтальном участке поля, представляющего собой зябь с суглинистой почвой. Транспортная работа осуществлялась на ровной сухой укатанной грунтовой дороге. Опыты проходили в следующей последовательности: разгон агрегата до установившегося режима с последующим переключением на высшую передачу, а затем возвращение на предыдущую ступень. Работа проводилась в ΙΙΙ диапазоне, так как все основные сельскохозяйственные операции — пахота, культивация и другие — рассчитаны именно на него по агротехническим требованиям.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА

При испытании измерялись значимые параметры. В частности, регистрировались частоты вращения коленчатого вала двигателя, первичного вала КПП и ведомых частей фрикционов, выявлялись крутящие моменты на промежуточном валу между шестернями на XI и XII передачах, после шестерни XII ступени и на входе к вторичному валу, затем — на левой полуоси. Тяговое усилие определялось тензометрическим звеном с пределом измерения 30 кН. Фиксировалась продолжительность опыта.

Для сравнительной оценки процессов при переключении передач было выбрано несколько измерителей. Так, коэффициент динамичности характеризовал динамические нагрузки, возникающие при изменении передач: КД = Мmax/Муст, где Мmax — наибольшее значение момента на соответствующем валу, Муст — средний показатель при установившемся движении в данных условиях. Помимо этого, определялась работа буксования фрикционных элементов при переключении передач. Важно было установить минимальный показатель момента М2min на промежуточном валу, а также среднюю величину относительной скорости ведущей и ведомой частей фрикциона во время переключения передач. В этом случае ω1j — угловая скорость первичного вала на j-м участке при перемене передач, ωnpj — то же для промежуточного вала, i — передаточное число шестерен между первичным и промежуточным валами на данной ступени. Регистрировалось время смены t.

ПРОЦЕСС ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Специалистам было важно рассмотреть картину перехода с низшей на высшую передачу. Значимыми показателями при этом выступали давление в бустерах фрикционов III и IV ступеней РфIII, РфIV, крутящие моменты на промежуточном валу между шестернями III и IV передач соответственно и после шестерни IV передачи — M1 и М2. Также в расчет принимались частота вращения турбинного колеса гидромуфты и время. Следовало проанализировать и процесс переключения с III на IV ступень. В этом случае давление РфIV во включаемом фрикционе плавно нарастало на участке а–в до ≈0,1 МПа за 1,5–2 с, что составляло время сжатия возвратных пружин. В данный период давление РфIII оставалось постоянным за счет подпора, создаваемого пружинами гидроаккумулятора. Зона b–d характеризовалась более интенсивным увеличением давления во включаемом устройстве, плунжер гидроаккумулятора перемещался из одного крайнего положения в другое, одновременно начиналось снижение давления в выключаемом фрикционе — в точке а1.

Уменьшение передаваемого крутящего момента фрикционом III передачи происходило через 0,4 с после начала падения давления масла в бустере соответствующего устройства, поскольку давление fе должно обеспечивать передачу момента, равного сопротивлению. Далее наблюдалось уменьшение момента на выходе промежуточного вала — М2, что свидетельствовало о буксовании обоих фрикционов ФIII и ФIV, так как давление РфIV превышало усилие сжатия возвратных пружин, но еще было недостаточным для передачи момента, равного сопротивлению на промежуточном валу. Длительность совместного буксования обоих фрикционов x'd' составляла 0,6 с. Отрезок q–c характеризовался резким нарастанием давления РфIV, хотя буксование ФIV заканчивалось уже в точке q1, когда момент во фрикционе становился равным моменту сопротивления.

ЗАКОН ИЗМЕНЕНИЯ

Таким образом, в ходе исследования были сделаны определенные выводы. Прежде всего, начало буксования выключаемого фрикциона определялось величиной момента сопротивления, чему на кривой записи параметра М2 соответствовало его уменьшение — точка х'. Устройство ФIII заканчивало буксовать, когда M1 снижалось до нуля. Проскальзывание включаемого фрикциона стартовало в точке d' и завершалось в точке q1. Время переключения передач при данной регулировке гидроаккумулятора определялось величиной момента сопротивления, и чем он оказывался больше, тем длительнее становилось время перемены. Период нарастания давления во включаемом фрикционе увеличивался на ≈0,3–0,4 с на участке х–q из-за перемещения плунжеров гидроаккумулятора из одного крайнего положения в другое. При таком законе изменения давлений во включаемом и выключаемом фрикционах циркуляция паразитной мощности была возможна только при малых моментах сопротивления, когда отключаемое устройство еще не буксовало, а активированное — уже не проскальзывало, поскольку давление было достаточным для передачи момента сопротивления.

ВЗАИМНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ

Анализ результатов испытаний показал, что средняя величина крутящего момента на промежуточном валу коробки передач М2 находилась в пределах от 207 до 385 Нм на пахоте и культивации, от 138 до 316 Нм — на транспорте. Частота вращения первичного вала коробки перед началом переключения была различной — от 1800 до 2322 об/мин. Средняя крюковая нагрузка находилась в интервале 15–19 кН на пахоте и культивации, 6–8 кН на транспорте. Время переключения передач определялось средней относительной скоростью ведущих и ведомых частей фрикциона за период включения, а также моментом сопротивления. В зависимости от указанных факторов оно изменялось от 0,2 до 0,77 с.

Существенное влияние на весь процесс переключения передач оказывала частота вращения первичного вала перед началом перехода. Чем она была выше, тем при прочих равных условиях оказывалось больше буксование фрикционов. Минимальное значение момента на промежуточном валу М2min во время переключения передач свидетельствовало о качестве перекрытия или разрыве потока мощности. При сравнении между собой значений М2min при различных регулировках гидроаккумулятора и в случае, когда последний был заглушен, отмечалось, что чем больше прокладок размещалось в устройстве, тем ниже оказывался М2min, то есть тем хуже было качество перекрытия. В случае с заглушенной машиной наблюдался разрыв потока мощности, длительность которого колебалась от 0,04 до 0,1 с. Однако чем меньше была величина М2min в процессе перемены передач, тем при прочих равных условиях больше оказывалась работа буксования выключаемого и в особенности включаемого фрикциона.

ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПЕРЕХОДА

Значительная разница в процессе переключения передач на пахоте и культивации не была замечена. На транспорте при перемене ступеней работа буксования фрикционов была существенно меньше — в 2–4 раза, чем в аналогичных условиях на остальных операциях. Данную особенность можно объяснить меньшими величинами момента сопротивления и относительной скорости, поскольку агрегат в этом случае продолжительное время может двигаться по инерции. Максимальное значение работы буксования включаемого фрикциона, составляющее 11,064 тыс. Дж, было зафиксировано на культивации при переключении с XI на XII передачу, когда регулировка гидроаккумулятора была I–0–I. При перемене передач с высшей на низшую в целом работа буксования фрикционов оказалась несколько ниже, чем при обратном переходе.

Коэффициент динамичности, характеризующий динамическую нагруженность трансмиссии при переключении передач, был высок и составлял на пахоте и культивации 1,2–1,3. При выполнении транспортных работ он равнялся 1,03–1,05. Сравнение процессов перемены ступеней с заблокированной и разблокированной гидромуфтой при одинаковом моменте сопротивления показало, что в первой ситуации частота вращения первичного вала оставалась более высокой, следовательно, значение средней угловой относительной скорости ведущей и ведомой частей включаемого фрикциона было больше, чем во втором случае. По этой причине длительность перехода передач и работа буксования активируемого устройства оказались на 25–30% выше при заблокированной гидромуфте.

УМЕНЬШИТЬ БУКСОВАНИЕ

В целом проведенное специалистами исследование показало, что время переключения передач при заводской регулировке гидроаккумулятора определялось величинами момента сопротивления и относительной скорости между ведущей и ведомой частями фрикциона. При любом варианте регулировки в данных условиях эксплуатации в контуре между выключенным и включаемым устройствами циркуляция паразитной мощности не наблюдалась. При заглушенной машине отмечался разрыв потока мощности, то есть значение момента на промежуточном валу падало до нуля. Оптимальным вариантом регулировки можно считать 0–0–0, когда из гидроаккумулятора удалены прокладки, поскольку в этом случае момент на промежуточном валу при переключении передач снижается слабее всего. Кроме того, для уменьшения работы буксования фрикционов целесообразно перед переменой передач сокращать частоту вращения первичного вала коробки, а для понижения коэффициента динамичности при переключении ступеней необходимо повысить качество перекрытия путем установки в гидроаккумуляторе пружин большей жесткости. Обозначенные выводы помогут оптимизировать работу тракторов.