EFFICIENCY ANALYSIS OF ENERGY ACCUMULATING MECHANISM FOR TRACTOR WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION

Dependence of tractor wheel torque on theoretical tractor motion speed has been used for comparison of tractor operation with electromechanical transmission with installation of energy accumulating mechanism and without its installation. In this case a traction asynchronous electric motor is operating under nominal and limit conditions. The paper also considers dependence diagrams of actual input power for the traction asynchronous electric motor and its losses due to theoretical tractor motion speed. Tractor wheel torque is limited during the operation of the traction asynchronous electric motor with energy accumulating mechanisms by the following factors: maximum electric motor torque at the given frequency of supply voltage; maximum value of internal combustion motor output which can be transferred to the traction asynchronous electric motor; grip of the wheels. During the operation of the traction asynchronous electric motor with energy accumulating mechanisms there is a possibility for short power consumption without regard to the second limitation because it is possible to use power not only of internal combustion motor but also the power which is stored in the energy accumulating mechanisms. Comparison of characteristics has been made when a tractor is operating at high gear and when it is operating at all gears (that is two gears). Operation of the 5th class tractors has been analyzed for all possible cases (operation with energy accumulating mechanisms and without the mechanisms while being operated at all gears) and various types of work: tilling, sowing, cultivation, bulldozing work, transport mode. In this case equipment has been used which is aggregated with the 5th class tractor

Математическая модель поворачиваемости гусеничного трактора с резиноармированной гусеницей на деформируемом основании при кинематическом способе управления

A mathematical model and methodology for calculation turning of crawler tractor with deforming caterpillar while moving along deformable basis at kinematic steering manner have been developed. Motion rates of caterpillars relatively to a tractor body ensure control action. Reliability of calculative results is proved experimentally. The proposed methodology can be used for selection of running gear parameters and turning mechanism of a crawler tractor at a design stage by a turning criterion.Разработаны математическая модель и методика расчета поворачиваемости гусеничного трактора с деформируемой гусеницей при движении по деформируемому основанию при кинематическом способе управления. Управляющим воздействием выступают скорости движения гусениц относительно корпуса трактора. Достоверность результатов расчета подтверждена экспериментально. Предложенная методика может быть использована для выбора параметров ходовой системы и механизма поворота гусеничного трактора на стадии проектирования по критерию поворачиваемости

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА ПРИ КРИВОЛИНЕЙНОМ ДВИЖЕНИИ

Purpose of the paper – is to create a measuring complex, develop a methodology and carry out experimental investigations of curvilinear movement of the Belarus 1802 crawler tractor.The measuring complex and methodology for determination of kinematics and forced parameters of crawler tractor turning ability have been developed. Experimental investigations of curvilinear tractor movement have been carried out and they have shown that an increase in its movement speed leads to a decrease in its actual angular speed. It is explained by an increase in a radius of tractor’s turning. While increasing a speed difference of crawler a torque of a running track is increasing and a torque of a lagging track is decreasing and it even takes a negative value. Having a towed load of 20 kH a lagging track thrust force is also decreasing but it does not pass in the are of negative values, in other words, both tracks move in a traction mode. A minimal radius of tractor turning is 1.42 m. Relative minimal kinematics radius of turning is 0.89 m.The created measuring complex and developed methodology for investigations are transferred to Separate Design Bureau of the Republic Unitary Enterprise «Minsk Tractor Plant» and they are used for experimental investigations of crawler tractors. Цель работы – создание измерительного комплекса, разработка методики и проведение экспериментальных исследований криволинейного движения гусеничного трактора «Беларус 1802». Создан измерительный комплекс и разработана методика определения кинематических и силовых параметров поворачиваемости гусеничного трактора. Проведены экспериментальные исследования криволинейного движения трактора, которые показали, что с ростом скорости его движения действительная угловая скорость снижается. Это объясняется увеличением радиуса поворота трактора. При повышении разности скоростей гусениц крутящий момент на забегающей гусенице увеличивается, а на отстающей – уменьшается и даже принимает отрицательное значение. При наличии крюковой нагрузки 20 кН сила тяги на отстающей гусенице также снижается, но в область отрицательных значений не переходит, т. е. обе гусеницы движутся в тяговом режиме. Минимальный радиус поворота трактора составил 1,42 м, относительный минимальный кинематический радиус поворота –0,89. Созданный измерительный комплекс и разработанная методика исследований переданы ОКБ РУП «Минский тракторный завод» и используются при экспериментальных исследованиях гусеничных тракторов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВЕСКИ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА

Elastic and kinematic characteristics of two standard sizes of the “Belarus” caterpillar torsion suspension have been determined in the paper. The paper gives full speed values of a support roller, an angular displacement of the balance weight, a maximum load on a support roller, potential energy in case of roller full speed, a reduced modulus of elasticity, torsion angles and stresses of torsion shafts and journals, limits for suspension rate changes. The investigations have used analytical and experimental methods, a final elements method. The obtained results are employed for calculation of motion smoothness, load distribution in rollers, dynamic loading of running gear elements while selecting of caterpillar parameters at a design stage. Определены упругие и кинематические характеристики двух типоразмеров торсионной подвески гусеничных тракторов «Беларус». Приведены значения полного хода опорного катка, углового перемещения балансира, максимальной нагрузки на опорный каток, потенциальной энергии при полном ходе катка, приведенного модуля упругости, углов закрутки и напряжений кручения торсионных валов и цапф, пределы изменения жесткости подвески. В исследованиях использовались аналитические и экспериментальные методы, метод конечных элементов. Полученные результаты применяются для расчета плавности хода, распределения нагрузки по каткам, динамической нагруженности элементов ходовой системы при выборе параметров гусеничных тракторов на стадии проектирования

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ТРАКТОРЕ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ

Dependence of tractor wheel torque on theoretical tractor motion speed has been used for comparison of tractor operation with electromechanical transmission with installation of energy accumulating mechanism and without its installation. In this case a traction asynchronous electric motor is operating under nominal and limit conditions. The paper also considers dependence diagrams of actual input power for the traction asynchronous electric motor and its losses due to theoretical tractor motion speed. Tractor wheel torque is limited during the operation of the traction asynchronous electric motor with energy accumulating mechanisms by the following factors: maximum electric motor torque at the given frequency of supply voltage; maximum value of internal combustion motor output which can be transferred to the traction asynchronous electric motor; grip of the wheels. During the operation of the traction asynchronous electric motor with energy accumulating mechanisms there is a possibility for short power consumption without regard to the second limitation because it is possible to use power not only of internal combustion motor but also the power which is stored in the energy accumulating mechanisms. Comparison of characteristics has been made when a tractor is operating at high gear and when it is operating at all gears (that is two gears). Operation of the 5th class tractors has been analyzed for all possible cases (operation with energy accumulating mechanisms and without the mechanisms while being operated at all gears) and various types of work: tilling, sowing, cultivation, bulldozing work, transport mode. In this case equipment has been used which is aggregated with the 5th class tractor. Для сравнения работы трактора с электромеханической трансмиссией при установке накопителей и без  их установки использовали зависимость момента Mк на колесах трактора от теоретической скорости движения  трактора vт при работе тягового асинхронного электродвигателя на номинальном и предельно возможном режимах. Также были рассмотрены графики зависимости потребляемой тяговым асинхронным электродвигателем активной мощности и ее потерь от теоретической скорости движения трактора. При работе тягового асинхронного электродвигателя трактора без использования накопителей момент на колесах трактора ограничен: максимально возможным моментом электродвигателя при данной частоте питающего напряжения; максимальным значением мощности двигателя внутреннего сгорания, которая может быть передана тяговому асинхронному электродвигателю; сцеплением колес с опорной поверхностью. При работе тягового асинхронного электродвигателя трактора с использованием накопителей есть возможность кратковременно потребить мощность без учета второго ограничения, поскольку может быть использована мощность не только двигателя внутреннего сгорания, но и запасенная в накопителях энергии. Произведено сравнение характеристик при работе трактора как только на высшей передаче, так и на всех передачах (их две). Для всех возможных случаев (работа с накопителями и без них только на высшей передаче, работа с накопителями и без них при использовании всех передач) проанализирована работа трактора 5-го класса на различных операциях: при пахоте, севе, культивации, бульдозерных работах, транспортном режиме. При этом использовали оборудование, агрегатируемое с трактором 5-го класса

ВЫБОР СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ТРАКТОРА И ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Nowadays the work is in progress to develop wheeled and caterpillar tractors with electromechanical transmission. Range of changes in transmission gear ratio while using propulsion electric motor depends on mechanical characteristics of a tractor propulsion electric motor which is equipped with electromechanical transmission. In case when the range is rather high then it is possible to minimize number of gearings in the tractor gearing box or exclude its usage at all. Type of the applied propulsion electric motor and regulation method specify type of mechanical characteristics (characteristics family) of the propulsion electric motor.The paper considers a propulsion asynchronous electric motor with frequency control. While using frequency control it is possible to regulate electric motor revolutions by mutual changes in voltage and voltage frequency. There are various laws of mutual changes in voltage and frequency (regulation laws). Selection of a regulation law influences on type of mechanical characteristics of a propulsion electric motor. Application of any law can be admissible only for some specific range of voltage frequency otherwise it is possible to exceed some parameters (for example, admissible voltage in the winding of electric motor stator). It is necessary to ensure the required moment within wide range for a tractor propulsion electric motor. In this case losses in the electric motor must be minimal. Losses in the rotor of the propulsion asynchronous electric motor are directly proportional to its sliding and its best propulsion and mechanical properties of a mobile machine will be ensured in the case when sliding is preserved at a constant value. According to these reasons selection of regulation laws has been carried out for operation of the propulsion asynchronous electric motor with nominal sliding and mechanical characteristics at nominal sliding is conventionally called a nominal characteristics.The paper analyzes the possible laws of mutual application of voltage and voltage frequency and their application boundaries. A combination of laws for regulation of the propulsion asynchronous electric motor has been selected in the paper. The combination ensures the widest operational range of the electric motor with high moment value at nominal sliding and due account of limitations on application of every used regulation law. The following mechanical characteristics family has been constructed for the propulsion asynchronous electric motor regulated in accordance with the proposed law: at nominal sliding, at critical sliding, at changeable sliding and without changes in voltage and frequency.В настоящее время ведутся работы по созданию тракторов (как колесных, так и гусеничных) с электромеханической трансмиссией. От вида механической характеристики тягового электродвигателя трактора, оборудованного электромеханической трансмиссией, зависит диапазон изменения передаточного отношения трансмиссии при помощи тягового электродвигателя: если диапазон достаточно большой, то можно свести к минимуму число передач в коробке передач трактора или вообще ее не использовать. Тип применяемого тягового электродвигателя и способ регулирования им определяют вид механической характеристики (семейства характеристик) тягового электродвигателя.В статье рассматривается тяговый асинхронный электродвигатель с частотным управлением. При частотном управлении регулировать обороты электродвигателя можно совместным изменением напряжения и его частоты. Существуют различные законы совместного изменения напряжения и частоты (законы регулирования). Выбор закона регулирования влияет на вид механической характеристики тягового электродвигателя. Применение какого-либо закона может быть допустимо лишь для определенного диапазона частоты напряжения, при выходе за который могут быть превышены какие-либо параметры (например, допустимое напряжение в обмотке статора электродвигателя). Для тягового электродвигателя трактора необходимо обеспечить требуемый момент в широких пределах. При этом потери в электродвигателе должны быть минимальными. Потери в роторе тягового асинхронного электродвигателя прямо пропорциональны его скольжению, а наилучшие тягово-динамические свойства мобильной машины будут при сохранении скольжения постоянными. По этим причинам выбор законов регулирования произведен для работы тягового асинхронного электродвигателя при номинальном скольжении, а механическая характеристика при номинальном скольжении условно названа номинальной характеристикой.Проанализированы возможные законы совместного применения напряжения и его частоты и границы их применения. Подобрана комбинация законов для регулирования тягового асинхронного электродвигателя, обеспечивающая наиболее широкий диапазон его работы с высоким значением момента при номинальном скольжении с учетом ограничений по применению каждого из использованных законов регулирования. Для тягового асинхронного электродвигателя, регулируемого по предложенному закону, построено семейство механических характеристик: при номинальном скольжении, при критическом скольжении, при изменяющемся скольжении и без изменения напряжения и частоты

Выбор количества и расположения поддерживающих катков гусеничного трактора на основании анализа колебаний верхней ветви резиноармированной гусеницы

An analytical dependence was obtained to determine the amplitude of vibrations of the rubber track in the span of the free branch of the tractor bypass between the supporting rollers. The process of oscillations of this type of track in the middle of the span of a free branch during the operation of tracked tractors of the brand “Belarus” in pull and transport modes, taking into account the speed of movement, is investigated. It is shown that the resonant modes of transverse vibrations of the rubber track at the operational ranges of the tractor operation should be taken as the determining criterion for choosing the parameters of the spans of the free branch of the bypass. The maximum values of the oscillation amplitudes of such a track in the span of the free branch of the bypass between the supporting rollers for the family of tracked tractors “Belarus” under different operating modes are calculated. A frequency analysis of oscillations was carried out and it was found that on tracked agricultural tractors with rubber tracks, a mode of occurrence of resonant oscillations in the span of the free branch of the bypass between the supporting rollers is possible. An analytical dependence has been obtained to determine the limiting distance between the supporting rollers of a tractor with a rubber track and elastic and locked suspensions according to the criterion of deducing the resonant mode of vibration of the track in the span of a free branch outside the operational range of the tractor. The values of the maximum distances between the support rollers for tractors “Belarus” 1802, 2102 and 2103 at different suspension modes are calculated. The required number of supporting rollers is determined and recommendations are given on the place of their installation. The results of these studies can be used in the creation and operation of tractors with rubber tracksПолучена аналитическая зависимость для определения амплитуды колебаний резиноармированной гусеницы в пролете свободной ветви обвода трактора между поддерживающими катками. Исследован процесс колебаний указанного типа гусеницы в середине пролета свободной ветви при работе гусеничных тракторов марки «Беларус» в тяговом и транспортном режимах с учетом скорости движения. Показано, что в качестве определяющего критерия по выбору параметров пролетов свободной ветви обвода необходимо принимать резонансные режимы поперечных колебаний резиноармированной гусеницы на эксплуатационных диапазонах работы трактора. Рассчитаны максимальные значения амплитуд колебаний такой гусеницы в пролете свободной ветви обвода между поддерживающими катками для семейства гусеничных тракторов «Беларус» при различных режимах работы. Проведен частотный анализ колебаний и установлено, что на гусеничных сельскохозяйственных тракторах с резиноармированными гусеницами возможен режим возникновения резонансных колебаний в пролете свободной ветви обвода между поддерживающими катками. Получена аналитическая зависимость для определения предельного расстояния между поддерживающими катками обвода гусеничного трактора с резиноармированной гусеницей, упругой и заблокированной подвесками по критерию вывода резонансного режима колебаний гусеницы в пролете свободной ветви за эксплуатационный диапазон работы трактора. Рассчитаны значения предельных расстояний между поддерживающими катками для тракторов «Беларус» 1802, 2102 и 2103 при различных режимах работы подвески. Определено необходимое количество поддерживающих катков и даны рекомендации по месту их установки. Результаты настоящих исследований могут быть использованы при создании и эксплуатации тракторов с резиноармированными гусеницами

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАКТОРА

A methodology has been developed for selection of gear number and transmission gear ratios in mechanical part of a wheel-type tractor with electro-mechanical transmission containing a propulsion asynchronous electric motor with variablefrequency control. The paper proposes to determine a transmission gear ratio on the basis of the following: provision of wheel torque dependence on tractor speed which is the best one for a traction process and during transfer from one gear to the other; provision of nominal operational mode of the electric motor for all tractor operations where it is working for a long period of time; provision of minimum possible number of gears; complete realization of internal combustion engine power on the tractor wheels at limit operational mode of the electric motor. As a characteristic of the asynchronous electric motor with variable-frequency control contains various portions which can be used either completely or partially due to operating conditions, the gear number is determined in the process of transmission gear ration finding but not prior to this. A wheel torque of the tractor with electro-mechanical transmission can be limited according to the following factors: grip of wheel with supporting surface; maximum power of an internal combustion engine which can be transferred to the wheels and a torque which is developed by a propulsion electric motor. It is not proposed to exceed nominal operational mode of the propulsion electric motor for all the operations of the tractor if it is working for a long period of time because in the case of significant excess of the nominal operational mode of the asynchronous electric motor its rather long operation leads to low efficiency and high losses in power, large heat liberation and consequently requires to develop more complicated system for electric motor cooling. An excess of nominal electric motor torque can be justified for short-term operational modes because in this case there is no need to select more powerful electric motor and create an additional gear in the gear-box.Разработана методика для выбора числа передач и передаточных отношений передач механической части трансмиссии для колесного трактора с электромеханической трансмиссией, содержащей тяговый асинхронный электродвигатель с частотным управлением. Предлагается определить передаточное отношение исходя из: обеспечения зависимости момента на колесах от скорости движения трактора, наилучшим образом подходящей для тяги, в том числе и на участке перехода с одной передачи на другую; обеспечения номинального режима работы электродвигателя для всех операций трактора, на которых он работает продолжительное время; обеспечения минимально возможного количества передач; полной реализации мощности двигателя внутреннего сгорания на колесах трактора на предельном режиме работы электродвигателя. Поскольку характеристика асинхронного электродвигателя с частотным регулированием содержит различные участки, которые в зависимости от условий движения могут быть полностью или частично использованы, число передач определяется в процессе нахождения передаточных отношений, а не заранее. Момент на колесах трактора с электромеханической трансмиссией может быть ограничен: по сцеплению колес с опорной поверхностью, по максимальной мощности двигателя внутреннего сгорания, которая может передаваться на колеса, и моментом, развиваемым тяговым электродвигателем. Для всех операций трактора, на которых он работает продолжительное время, предлагается не превышать номинальный режим работы тягового электродвигателя, поскольку длительная работа при значительном превышении номинального режима работы асинхронного электродвигателя приведет к низкой эффективности и высоким потерям мощности, большому выделению теплоты и как следствие к необходимости разрабатывать более сложную систему охлаждения электродвигателя. Для работы в непродолжительных режимах может быть обоснованным превышение номинального момента электродвигателя, чтобы не выбирать более мощный электродвигатель или не делать дополнительную передачу в коробке

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF CRAWLER TRACTOR AT CURVILINEAR MOVEMENT

Purpose of the paper – is to create a measuring complex, develop a methodology and carry out experimental investigations of curvilinear movement of the Belarus 1802 crawler tractor.The measuring complex and methodology for determination of kinematics and forced parameters of crawler tractor turning ability have been developed. Experimental investigations of curvilinear tractor movement have been carried out and they have shown that an increase in its movement speed leads to a decrease in its actual angular speed. It is explained by an increase in a radius of tractor’s turning. While increasing a speed difference of crawler a torque of a running track is increasing and a torque of a lagging track is decreasing and it even takes a negative value. Having a towed load of 20 kH a lagging track thrust force is also decreasing but it does not pass in the are of negative values, in other words, both tracks move in a traction mode. A minimal radius of tractor turning is 1.42 m. Relative minimal kinematics radius of turning is 0.89 m.The created measuring complex and developed methodology for investigations are transferred to Separate Design Bureau of the Republic Unitary Enterprise «Minsk Tractor Plant» and they are used for experimental investigations of crawler tractors

Mathematical Model for Turning Crawler Tractor with Rubber-Reinforced Caterpillar on Deformable Basis at Kinematic Steering Manner

A mathematical model and methodology for calculation turning of crawler tractor with deforming caterpillar while moving along deformable basis at kinematic steering manner have been developed. Motion rates of caterpillars relatively to a tractor body ensure control action. Reliability of calculative results is proved experimentally. The proposed methodology can be used for selection of running gear parameters and turning mechanism of a crawler tractor at a design stage by a turning criterion