Исследование стабильности вала отбора мощности двухпоточного привода с планетарным регулируемым редуктором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование стабильности вала отбора мощности двухпоточного привода с планетарным регулируемым редуктором

А.И. Бобровник

М.М. Дечко

М.Ф. Аль-Кинани

Работа сельскохозяйственной техники, в том числе машинотракторных агрегатов (МТА), характеризуется чрезвычайным разнообразием внешних факторов, оказывающих влияние на эксплуатационные параметры машин и механизмов. Мощность двигателя универсально-пропашного трактора может расходоваться как на преодоление тягового сопротивления при движении МТА, так и на привод прицепных и навесных агрегатов через вал отбора мощности (ВОМ). В зависимости от вида выполняемых работ, а также вследствие непрерывных изменений тяговой нагрузки происходит перераспределение мощности, развиваемой двигателем, между трансмиссией и ВОМ. При неустановившихся режимах движения, обусловленных изменением рельефа местности, изменением скоростного режима или тягового сопротивления, происходят изменения мощности, передаваемой на ВОМ, вызывающие нестабильность работы агрегатов, что в свою очередь ведет к ухудшению их эксплуатационных качеств. Поэтому актуальной является задача стабилизации частоты вращения ВОМ при различных режимах нагружения привода, что позволяетповысить производительность МТА и качество выполнения сельскохозяйственной операции.

Целью данной работы являлась оценка стабильности вращения ВОМ при различных режимах нагружения и частотах вращения входного вала с использованием двухпоточного привода на основе планетарного редуктора, управляемого гидромотором.

Анализ источников

В ряде работ изучено и показано, что применение в составе МТА стабилизированного привода ВОМ улучшает его технологические свойства [9] и повышает качество выполняемых сельскохозяйственных работ [1, 7]. Для достижения этой цели можно использовать широкий спектр различных конструкций двухпоточных приводов [10], а также систем управления и автоматического регулирования [6]. Предложенный нами в [2] способ стабилизации частоты вращения ВОМ при использовании двухпоточного привода на основе планетарного редуктора, управляемого гидромотором, дал положительный эффект для повышения технологических свойств тракторов «БЕЛАРУС» [3]. Однако потенциальные возможности этой конструкции использованы еще не в полной мере, поэтому требуется экспериментальное исследование влияния режимов нагружения на кинематические и динамические параметры привода.

Методы исследования

Экспериментальный испытательный стенд создан на ПО МТЗна базе заднего независимого ВОМ с редуктором 1220-4204005 и экспериментальным планетарным регулируемым двухпоточным приводом в составе трансмиссии трактора Беларус 1221 (рис. 1). Ведущий вал муфты сцепления (1) соединен с приводной балансирной машиной, а хвостовик заднего ВОМ (2) - с водяным тормозом DT-2100-1e HORIBA. Частота вращения ВОМ контролируется датчиком (3). Управление планетарным редуктором (4) осуществляется реверсивным гидромотором фирмы Linde модели HMF36-02 (5). Условия проведения испытаний соответствовали стандарту [5].

Рис. 1. Кинематическая схема ВОМ

Аппаратурное оснащение испытательного стенда позволяет вести запись с дискретностью отсчета 0.05с следующих контролируемых параметров:

а) кинематические параметры привода:

? частота вращения вала балансирной машины, nбм;

? частота вращения вала планетарного редуктора, nред;

? частота вращения ВОМ, nВОМ;

б) динамические параметры привода:

? момент на валу балансирной машины, Мбм;

? момент на валу ВОМ МВОМ;

? давление рабочей жидкости в контуре управления гидромотора, Р.

В экспериментах, проведенных в различных условиях нагружения хвостовика ВОМ, реализуемых с помощью гидротормоза, запись всех перечисленных параметров велась в течение 60 с. При этом частоту вращения хвостовика ВОМ (nВОМ) стремились поддерживать постоянной с помощью гидромотора, передающего дополнительный вращающий момент через планетарный редуктор. В процессе проведения эксперимента было трудно добиться синхронности работы операторов, вручную изменяющих параметры балансирной машины (nбм), гидротормоза (Мвт) и давления рабочей жидкости, подаваемой к гидромоторуР, что отмечается на графиках в виде всплесков и провалов регистрируемых контролируемых параметров. В то же время анализ влияния этих всплесков на частоту вращения хвостовика ВОМ позволяет оценить стабильность работы привода в условиях нестационарного нагружения.

Для анализа было выбрано два характерных режима работы привода: в первом частота вращения вала балансирной машины снижалась (переходной режим), во втором - была постоянной (установившийся режим). Колебания в механических системах можно анализировать на основе математических моделей, используя либо теоретические зависимости теории колебательных процессов [4], либо экспериментальные данные, обработанные статистическими методами теории случайных функций [8]. На данном этапе исследований мы использовали второй подход. Взаимосвязь колебательных процессов оценена нами с помощью взаимной корреляционной функции. Для амплитудного и частотного анализа выявленных колебаний нами использованы статистические методы анализа временных рядов, основанные на преобразовании Фурье. Статистическая обработка экспериментальных данных производилась в программе STATISTICA (StatSoftInc.).

В данном эксперименте с помощью гидротормоза повышался момент сопротивления вращению на ВОМ. Одновременно увеличивалось давление в гидромоторе. С помощью ручного управления не удается получить равномерноенагружение и синхронную компенсацию колебаний тормозящей нагрузки с помощью повышения давления в гидромоторе, поэтому кривые на графиках показывают всплески в окрестности 25 с. Изменение условий нагружения отражается на значениях кинематических параметров привода. Частота вращения ВОМ не имеет очевидного линейного тренда, несмотря на падение частоты вращения приводного вала балансирной машины. Падение частоты вращения вала балансирной машины компенсируется возрастанием частоты вращения редуктора, приводимого в движение гидромотором. Это подтверждает положительный эффект, достигнутый с помощью предложенной конструкции привода. В то же время частота вращения ВОМ имеет очевидную периодическую составляющую. Причем такая же периодическая составляющая явно выделяется и на графике частоты вращения редуктора. Таким образом, конструкция привода ВОМ позволяет компенсировать падение частоты вращения приводного вала балансирной машины, но вызывает возникновение колебательного процесса, отражающегося на его кинематических параметрах.

Для анализа периодических составляющих колебательного процесса кинематических параметров привода ВОМ удалим из зависимостей частоты вращения от времени линейные тренды и сцентрируем значения относительно средних. Частота вращения ВОМ и планетарного редуктора имеют синхронные периодические колебания, в то время как на валу балансирной машины такие колебания не наблюдаются. Причиной возникновения колебаний явилось, по-видимому, резкое падение вращающего момента на валу балансирной машины за первые 5 с наблюдения, что в свою очередь вызвало падение частоты вращения этого вала. Гидросистема привода отреагировала на падение частоты вращения вала балансирной машины увеличением скорости вращения редуктора, максимум которой достигнут на 10 с. В результате этого возмущения возбудились колебания в гидромеханической системе редуктора, которые проявились в синхронных колебаниям ВОМ.

Статистическая оценка взаимосвязи колебания частоты вращения редуктора и ВОМ выполнена с помощью взаимной корреляционной функции, график которой представлен на рис. 4. Корреляционный анализ подтверждает взаимосвязь частоты вращения ВОМ и редуктора, причем максимальное значение коэффициента корреляции наблюдается при нулевом лаге (смещении) двух этих процессов по времени, что указывает на мгновенную реакцию частоты вращения ВОМ на изменение частоты вращения редуктора, что обусловлено конструкцией привода (планетарный редуктор с механическим зацеплением). Однако при взаимном сдвиге обеих временных зависимостей наблюдаются периодические изменения коэффициента взаимной корреляции, который имеет локальные максимумы на лаге 4,3 с и 17,4 с. Это указывает на то, что процессы описываются сложными периодическими функциями, слагаемыми из нескольких периодических процессов с разными частотами и амплитудами и случайной составляющей.

Для оценки периодических функций нами выполнен спектральный анализ частоты вращения ВОМ и редуктора с помощью дискретного преобразования Фурье. Полученные результаты представлены на рис. 2. Очевидно, что спектры колебаний частоты вращения ВОМ и редуктора еще раз демонстрируют их тесную взаимозависимость. При этом колебательный процесс с максимальной амплитудой имеет период 20 с, но амплитуда колебаний ВОМ примерно в 8 раз меньше, что говорит о преимуществах данной конструкции. Второй составляющий колебательный процесс наблюдается на частоте с периодом 30 с. Выявлены еще два высокочастотных процесса с периодами 15 с и 10 c. Более высокие частоты могут быть связаны с вибрациями установки и нами в данном исследовании не рассматриваются.

Рис. 2. Спектр (периодограмма) частоты вращения редуктора и ВОМ на переходном режиме

С целью проверки предположения о влиянии скачка динамической нагрузки на ВОМ на возбуждение колебаний в приводе выполнен также эксперимент в установившемся режиме, при котором частота вращения вала балансирной машины поддерживалась постоянной n_бм = 1800 об./мин.

В отличие от переходного режима нагружения, в данном случае взаимная корреляция в точке с нулевым лагом еще выше и приближается к 1, но при увеличении лага корреляция снижается до статистически незначимой величины. К тому же в этом случае взаимная корреляционная функция симметрична, что можно объяснить отсутствием линейного тренда частоты вращения редуктора, а отсутствие значимой корреляции при увеличении лага говорит об отсутствии в колебательном процессе преобладающей гармонической составляющей.

Полученные спектры частоты вращения ВОМ и редуктора представлены на рис. 3. Сравнивая полученные результаты со спектром процесса в переходном режиме (рис. 2), можно отметить сходные и отличительные особенности.

а) б)

Рис. 3. Спектр (периодограмма) частоты вращения редуктора и ВОМ на установившемся режиме

В целом амплитуды колебаний частоты вращения ВОМ и редуктора в данном случае примерно в 2 раза больше. Максимальные амплитуды, как и в предыдущем случае, соответствуют колебательному процессу с периодом 20 с. Эти максимумы амплитуд, наблюдаемые как в переходном, так и в установившемся режимах нагружения, позволяют выдвинуть предположение, что привод имеет собственную резонансную частоту колебаний 1/20 Гц, причину которых следует искать в конструктивных параметрах привода с целью поиска способа демпфирования резонансной частоты.

Еще одним отличием установившегося режима нагружения является наблюдаемое уменьшение амплитуды колебаний с периодом 30 с и возрастание амплитуд высокочастотных колебаний с периодом 8,25 с и 17,5 с. Можно предположить, что эти составляющие спектра кинематических параметров вызваны колебаниями давления в гидросистеме, наблюдавшимися в этом опыте, что подтверждает и график, представленный на рис. 4. Спектр колебаний давления также содержит выявленную резонансную частоту 1/20 Гц и полностью подобен спектрам колебаний кинематических параметров.

Таким образом, можно утверждать, что колебательным элементом в системе является планетарный редуктор и приводящая его в движение гидросистема.

Рис. 4. Спектр (периодограмма) частоты колебаний давления
на установившемся режиме

Выполненное совместно с ПО МТЗ экспериментальное исследование кинематических и динамических параметров двухпоточного привода ВОМ на основе планетарного редуктора, управляемого гидромотором, при различных режимах подтвердило преимущества данной конструкции для стабилизации частоты вращения ВОМ. Тренд частоты вращения вала приводного вала полностью компенсируется возрастанием частоты вращения редуктора, приводимого в движение гидромотором.

Рассчитанные взаимные корреляционные функции колебания частоты вращения редуктора и ВОМ показывают, что максимальное значение коэффициента корреляции наблюдается при нулевом лаге (смещение) двух этих процессов по времени, что обусловлено конструкцией привода (планетарный редуктор с механическим зацеплением). В то же время выявлены локальные максимумы корреляции на лагах 4,3 с и 17,4 с, указывающие на то, что колебательные процессы описываются сложными периодическими функциями с разными частотами и амплитудами и случайной составляющей.

Изменение динамических параметров привода вызывает в системе сложный колебательный процесс с широким спектром частот диапазоне 1/30-1/7,5 Гц. Преобладающая амплитуда колебаний кинематических параметров привода наблюдается на частоте 1/20 Гц при всех режимах нагружения. Это позволяет предположить, что привод имеет собственную частоту колебаний, соответствующую этому значению. Спектр колебаний давления в гидросистеме полностью подобен спектрам колебаний кинематических параметров. Таким образом, можно утверждать, что колебательным элементом в системе является планетарный редуктор и его гидропривод. Целесообразно провести дальнейшие исследования и моделирование колебаний в гидроприводе и редукторе для поиска путей их демпфирования с целью повышения стабильности привода.

Литература

привод вал редуктор трактор

1. Бобровник, А.И. Повышение эксплуатационных качеств мобильных агрегатов для внесения удобрений / А.И. Бобровник. - Минск, МТЗ, 1997. - 159 с.

2. Бобровник, А.И. Повышение технологических свойств тракторов «БЕЛАРУС» с отбором мощности через ВОМ / А.И. Бобровник, М.Ф. Аль-Кинани // Известия Международной академии аграрного образования. - 2013. - Вып. № 16, т. 4.- С. 37-43.

3. Вульфсон, И.И. Колебания в машинах / И.И. Вульфсон. - СПб.: СПГУТД, 2008. - 260 с.

4. ГОСТ 30747-2001 Тракторы сельскохозяйственные. Определение показателей при испытаниях через вал отбора мощности. - Минск, Издательство стандартов, 2002. - 11 с.

5. Ксеневич И.П. Системы автоматического управления ступенчатыми трансмиссиями тракторов / И.П. Ксеневич, В.П. Тарасик. - М., Машиностроение, 1979. - 280 с.

6. Первушин, В.Ф. Повышение эффективности механизированной технологии возделывания картофеля в условиях малых форм хозяйствования (фермерские и личные подсобные хозяйства населения): автореферат дисс. … д-ра техн. наук/ В.Ф. Первушин. - М., 2011. - 20 с.

7. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. - А.А. Свешников. - СПб.: Лань, 2011. - 44с.

8. Влияние режима работы ВОМ на процесс разгона тракторного агрегата/ А.С. Солонский[и. др.]- Минск, 1973. - 47 с.

9. Шарипов, В.М. Проектирование механических, гиромеханических и гидрообъемных передач тракторов / В.М. Шарипов. -- М.: МГТУ, 2002. -- 300 с.

Размещено на Allbest.ru