Процес інваріантного формування тягового зусилля машинно-тракторного агрегату

1. Процес інваріантного формування тягового зусилля машинно-тракторного агрегату, при якому попередньо створюють запас кінетичної енергії, використовують для цього її механічний акумулятор, який відрізняється тим, що як джерело для акумулювання кінетичної енергії використовують двигун машинно-тракторного агрегату, а величину накопиченої акумулятором енергії задають за умови сумісного з двигуном агрегату подолання найбільшого з можливих перепадів тягового опору при обробці ґрунту із змінними параметрами і в межах перепаду незмінності величини тягового зусилля, створюваного двигуном агрегату. 2. Процес за п. 1, який відрізняється тим, що величину накопиченої акумулятором енергії задають відповідно виразу: Корисна модель відноситься до транспортного машинобудування, зокрема як сукупність операцій, покладених в основу побудови машинотракторного агрегату. Останній об'єднує в собі двигун внутрішнього згорання, трансмісію, ґрунтообробний робочий орган, механічний акумулятор (накопичувач) кінетичної енергії, вал відбору потужності. Агрегат призначений для ведення сільськогосподарських робіт, пов'язаних з обробкою земельних угідь з рішенням питань економічності, продуктивності праці, незалежності в певній мірі (інваріантності) від змінних умов обробки ґрунту, розширення технологічної універсальності машино-тракторних агрегатів при піднятті показників енерго та ресурсозабезпечення і екології. Одночасно пропонуєма корисна модель по закладеним принципам її формування з урахуванням технологічної універсальності доцільна для використання розкриви гірничих родовищ, гідромеліоративних роботах, енергетичному будівництві та ремонтах шляхів. При цьому, характерними особливостями використання агрегатів в реальних умовах їх експлуатації є робота із змінним рельєфом та міцністю ґрунтів, хвилястістю поверхні, її нахилом, змінній глибині занурення в ґрунт робочого органу, розмаїтістю вологості та липучості ґрунту, окре мими вкрапленнями прошарків значної твердості. Згідно [1] твердість ґрунтів на сільськогосподарських угіддях коливається від 0,5 до 1,5 одиниць по шкалі проф. Протодьяконова (прошарки землисті 0,5; легкі суглинки - 0,6; м'яка глина - 0,8; глина щільна - 1,0; затвердівши глина - 1,5; вкраплення гальки ≤2 одиниць) які разом породжують сплески тягового опору. Все це впливає на роботу машинотракторного агрегату і діє у вигляді змінного зовнішнього навантаження, тобто змінного тягового опору. Коливання останнього через трансмісію передається на двигун, викликає зміну швидкості обертання його колінчатого валу та швидкості поступального руху трактора, також породжує неоперативні дії машиніста, що впливає на продуктивність та недоцільні витрати палива. Наведене вимушує на пошуки забезпечення стабільності роботи двигуна і його незалежності від зовнішніх заважаючих впливів. В свою чергу, незважаючи на те, що сучасні двигуни мають в своїх характеристиках так звану «полицю постійної потужності» при одночасному запасі крутного моменту і можуть працювати в межах незначних змін швидкості проблема впливів наведених вище так званих не штатних особливостей потребує свого вирішення. Одним із таких рішень може бути облаштування агрегату додатковим джерелом енергії, працюючо   2 2 0,5  Ід  nн  nм , (19) UA (11) 57101 (13) U де Ід - момент інерції двигуна, nн - номінальні оберти двигуна, nм - оберти двигуна агрегату, при яких має місце його максимальний крутний момент. 3 го при появі вказаних ситуацій по системі «два джерела енергії на один вал». Таким чином специфіка роботи машинотракторних агрегатів при ведені ґрунтообробних робіт, а саме наведені вище характерні особливості і необхідність при їх появах включення компенсуючої дії додаткового джерела енергії є базою вихідних даних для формування задачі корисної моделі та відмітної частини її формули. При цьому способи використання додаткового джерела енергії для забезпечення основного параметра обладнання або його захисту достатньо відомі в різних галузях: в електротехніці - буферний режим роботи акумулятора та зарядного пристрою, в електротранспорті, тощо. Наприклад, для управління тяговим приводом рудникових електровозів відомі рішення з використанням джерела енергії у вигляді зарядженого конденсатора вхідного фільтру [2] або конденсатора гальмівного контуру [3]. Накопичену енергію останніх відповідно використовують при виникненні аномальних явищ для збереження робочого стану тягового приводу або для переведення його в гальмівний режим з одночасним забезпеченням операцій зміни напрямку руху та керованого гальмування. В аналогу [4] в якості джерела накопичені енергії використовують масу піднятого вантажу(в даному випадку піску) енергію якого витрачають для забезпечення фіксуючого положення приводу підняття екскаваторної чи бурової платформи. В свою чергу відоме використання індуктивно накопиченої енергії, як джерела для підтримки непереривності горіння зварювальної дуги з електропостачанням її від електромережі змінного струму в момент переходу напруги через нуль [5] («...последовательно с обычным трансформатором ... включают реактивную катушку. В этом случае ... будет иметься значительный сдвиг фаз между напряжением и током, что исключает погасание дуги при прохождении напряжения через нуль.») або формування захисних функцій при виникненні аварійних ситуацій в системі електропостачання тягового приводу залізничних та рудникових електровозів [6]. Наведені технічні розробки маючи відрізняючі фізичні принципи накопичення енергії та близький математичний апарат опису фаз протікаючих процесів опосередковано є аналогами пропонуємої корисної моделі. Але по своїй суті вони не можуть бути перенесені на інваріантне формування тягового зусилля машино-тракторного агрегату з слідуючих причин: мають одномоментну дію; потребують чи використовують енергію позабортового джерела або енергію динамічно змінюючого процесу; в своїй більшості реалізують не масовагомий вплив; мають обмежені функціональні і енергетичні можливості. Більш близькими до пропонуємого рішення, побудованими на механічних накопичувачах кінетичної енергії у вигляді супермаховика є аналоги [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. При цьому супермаховики порівняно з наведеними вище рішеннями [2, 3, 4, 5, 6] мають значно більший рівень накопиченої енергії, величина якої лежить в межах від 500,0 до 100000,0 Втгод. Супермаховики, як правило, 57101 4 мають у своєму складі один або декілька дисків виконаних шляхом навиття стрічкового матеріалу з сталевої стрічки, проводу або полімерних матеріалів типу суперкарбон чи полімерновуглецевих волокон. Якими з використанням зовнішнього джерела енергії виконують розкрутку в десятки тисяч обертів на хвилину чим накопичують відповідний рівень енергії. При цьому супермаховмкам конструктивно забезпечують їх цілісність, а шляхом розміщення у вакуумкапсулі високий рівень коефіцієнта корисної дії. Дані розробки знайшли використання в транспортному машинобудуванні як гірокомпаси, стабілізатори частоти напруги в системі електропостачання особливо важливих використачів електричної енергії - космодроми (в т. ч. NASA), ракетні комплекси, тощо, а також силові стабілізатори круїзних суден останнього покоління шляхом протидії на судно штормовим впливом. Але і дані рішення не можуть бути безпосередньо використані для процесу формування інваріантного тягового зусилля машинотракторного агрегату в силу їх ([7...14]) невідповідності умовам експлуатації (стаціонарність, капсульність розміщення, вакуумування власне супермаховика, не підготовленість протидії проявам змінних параметрів навантажень). Найближчим з відомих рішень взятого за прототип заявляемому процесу по його транспортному призначенню, близькості сфери використання, енергетичним потокам, накопичуванню енергії та конструктивним складовим відповідає процес формування тягового зусилля рудникового транспортного засобу - гировозу [15], при якому попередньо створюють запас кінетичної енергії, використовують при цьому в якості накопичувача енергії маховик. В якості енергетичного забезпечення із-за проявів вибухонебезпечності використовують по протяжності гірничої виробки стаціонарні джерела пневматичної енергії. Відстань між останніми обумовлена величиною експлуатаційно необхідним значенням накопиченої енергії гировозу. Недоліки прототипу: - обмежені енергетичні і функціональні можливості; - вузька сфера використання; - складність трансмісії та її недостатня надійність; - висока витратність машинобудівного та експлуатаційного забезпечення. Задача корисної моделі: підвищення енергетичної незалежності та адаптивності роботи машино-тракторного агрегату до змінних умов експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що в процесі інваріантного формування тягового зусилля машино-тракторного агрегату при якому попередньо створюють запас кінетичної енергії, використовують для цього її механічний акумулятор у вигляді маховика, а в якості джерела для акумулювання кінетичної енергії використовують двигун машино-тракторного агрегату, величину накопиченої акумулятором енергії задають за умови сумісного з двигуном агрегату подолання найбільшого з можливих перепадів тягового опору при обробці ґрунту із змінними параметрами і в межах перепа 5 ду незмінності величини тягового зусилля, створює мого двигуном агрегату. При цьому величину накопиченої маховиком енергії задають відповідно   2 2 виразу 0,5  Ід  nн  nм , де Ід - момент інерції дви гуна, nн - номінальні оберти двигуна, nм - оберти двигуна агрегату, при яких має місце його максимальний крутний момент. Дякуючи оснащенню двигуна машинотракторного агрегату механічним накопичувачем енергії у вигляді маховика, його зарядження відповідною (заданою) кількістю кінетичної енергії досягнута стабільність роботи агрегату при проходженні дільниць із проявами змінних параметрів ґрунту, збереження продуктивності виконуваних орних (вскришних) робіт, обмеженості недоцільних витрат палива і, як наслідок, негативних екологічних викидів. Порівняльний аналіз пропонованого процесу з відомим рівнем техніки у відповідності з приведеними багатогалузевими джерелами інформації та виконаними наробками тестових технологій роботи агрегату на різноманітних ґрунтах з використанням трактора Т-150К не виявив його (рівня) впливу на досягнення позитивного результату згідно сформованої задачі. Таким чином, пропоноване технічне рішення відповідає вимогам корисності та новизни, призначене для використання в промисловості, зокрема сільському господарстві, гірничодобувних галузях, енергетичному і транспортному будівництві, реалізоване на діючому машинобудівному обладнанні, серійних агрегатах та на основі визнаних наукових методів і при його реалізації в галузях господарювання забезпечує досягнення практичного результату, чим виконано вимогу промислового використання, які планували автори. Суть корисної моделі пояснюється описом технологічних операцій роботи машино-тракторного агрегату, його складових частин та кресленням (фіг.). До складу агрегату входять двигун 1 внутрішнього згоряння, муфта 2 зчеплення, коробка 3 передач, редуктор 4 роздаточний, головна передача 5, редуктори 6 колісні, колісні пари 7, вал 8 відбору потужності з редуктором 9, накопичувач (маховик) 10 кінетичної енергії, органи керування і ґрунтообробний орган (останні на фіг. не наведені). Накопичувач 10, вал 8 та редуктор 9 складають конструктивний ланцюжок, об'єднаний безпосередньо через муфту 2 зчеплення з колінчатим валом двигуна 1. Величина коефіцієнта передачі редуктора 9, працюючого в напрямку від двигуна 1 до маховика 10 в режимі мультиплікатора, ґрунтується на засадах необхідного рівня акумулювання кінетичної енергії накопичувача 10 та за умови його конструктивних можливостей механічно цілісної протидії відцентровим силам після його розкручення. Процес формування тягового зусилля машино-тракторного агрегату формується слідуючим чином. Після запуску в роботу двигуна 1 його крутне зусилля з задією муфти 2 зчеплення, вала 8 відбору потужності, редуктора 9 попередньо надходить до накопичувача 10; інші елементи транс 57101 6 місії на цей період не задіяні. Останній (10) розкручують до заданих обертів та відповідного рівня акумулювання кінетичної енергії. Величина останньої визначається наведеним вище виразом. Після виходу накопичувача 10 на заданий режим машиніст із задією органів керування та елементів трансмісії 2, 3, 4, 5, 6, 7 з переведеним в робочий режим ґрунтообробним органом починає виконувати відповідну обробку сільськогосподарського угіддя, вскришної поверхні кар'єру, тощо. При цьому накопичувач 10 та двигун 1 працюють в режимі «два джерела енергії на один вал», але роль накопичувача 10 при однорідності предмета обробки є пасивною. При появі у ґрунті наведених вище відхилень які ведуть до збільшення тягового опору і відповідно зменшення обертів двигуна 1 енергія маховика 10 через редуктор 9 підживлює енергетику роботи двигуна 1. Тобто стабілізує своїм доповненням загальний режим роботи машинотракторного агрегату в частині його тягового зусилля і завантаження двигуна 1. Після проходження агрегатом заважаючих умов обробки ґрунту енергія накопичувача 10 автоматично поповнюється від двигуна 1 з задією елементів 2, 8, 9 і є готовою для послідуючих компенсацій протидії виникаючим проявам аномалій ґрунту, досягаючи в цілому виконання сформованої задачі корисної моделі. Джерела інформації: 1. Бессонов Е.А. Технология и механизация гидромеханических работ. Справочное пособие. М., «Центр», 1999, 544 с., с.8. 2. SU № 610285, Н 02 Р 13/16, 05.06.1978, Бюл. № 21. 3. SU № 703376, В 60 L 7/04,15.12.1979, Бюл. № 46. 4. SU № 1002471, Е 02 F 9/00, 07.03.1983, Бюл. № 9. 5. Белов Д.В., Кордюков В.В., Титар А.С. Судовые электрические машины. Л., «Судостроение», 1972, 432 с., с.183. 6. SU № 851622, Н 02 Н 7/10, Н 02 М 1/18, 30.07.1981, Бюл. № 28. 7. Гулиа Н.В. Супермаховики - из суперкарбона. Изобретатель и рацонализатор. 2005, № 12 (672). 8. RU № 2379561, F 16 F 15/30, 20.09.2009, www1.fips.ru. 9. UA № 15561, F 16 F 15/30, 30.06.1997, Бюл. № 3. 10. RU № 2025611, F 16 F 15/30, 30.12.1994, www1.fips.ru. 11. RU № 2025609, F 16 F 15/30, 30.12.1994, www1.fips.ru. 12.RU № 2029162, F 16 F 15/30, 20.02.1995, www1.fips.ru. 13.MEMBRANA. Вращающаяся армия бережет 60 герц стабильного электричества. Статья о супермаховиках Beacon Power в интернет журнале MEMBRANA, 2010. 14. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М., Наука, 1980,150с. 15.RU № 2043211, В 60 К 8/00, 10.09.1995, www1.fips.ru. 7 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 57101 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601