Анализ взаимодействия ходовых систем колесных и гусеничных тракторов с почвой

АГРОИНЖЕНЕРИЯ

_______________________________________________________________________________

Размещено на http://www.allbest.ru/

_______________________________________________________________________________________

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2008.-№2.

2

Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова

Кафедра электротехники и механизации животноводства

Анализ взаимодействия ходовых систем колесных и гусеничных тракторов с почвой

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Р.А. Крупчатников

доцент Б.М. Ковынев

В теории взаимодействия ходовых систем колёсных и гусеничных тракторов большое значение имеет коэффициент объёмного смятия, который показывает, насколько возрастает сопротивление почвы при смятии единицы её объёма (в фазе уплотнения). При линейном изменении сопротивление (рис. 1) почвы смятию от деформации, коэффициент объемного смятия К, (Н/м³) представляет собой [1].

K=

где Р - удельное сопротивление почвы, Н/м²

Z - деформация почвы.

Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления почвы Р смятию от её линейной деформации Z

Однако такое представление (п=0) о линейной зависимости между напряжением и деформацией является слишком приближённым.

При воздействии движителей тракторов на почву, величина и характер деформаций обусловлены действием внешних или внутренних сил, вызывающих смещение частиц относительно друг друга, а также изменением среднего расстояния между частицами. Если после устранения внешнего воздействия частицы почвы вернутся в первоначальное положение, деформация считается упругой. Если же положение частиц после снятия нагрузки отличается от первоначального, имеет место остаточная деформация. Когда она равна общей деформации, то говорят, что эта пластическая деформация.

Реальные почвы являются не чисто упругими, не чисто пластическими. Одна и та же почва при различных условиях деформирования проявляет свойства как упругости, так и пластичности. При малых нагрузках почва ведёт себя как упругое тело. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает прирост деформации. В этом состоянии почва близка к упруго-пластичным средам. При какой-то предельной нагрузке происходит увеличение деформации без заметного роста напряжения.

Деформация, находящаяся в естественном состоянии почв, представляет особый тип деформации, свойственный только полидисперсным системам, когда величина напряжений в связях между частицами приближается к величине сил сцепления между ними. Поэтому даже при линейной зависимости между напряжением и деформацией (малые нагрузки) после снятия нагрузки имеют место большие остаточные деформации. ходовой трактор напряженный почва

Движитель трактора, взаимодействуя с почвой, подвергает её смятию и сдвигу в разных направлениях. В результате этого в почве возникают поля нормальных и касательных напряжений, распространяющихся на глубину и в разные стороны от места приложения нагрузки. От способности почв выдерживать такие напряжения зависит глубина колеи, образуемой движителем подвижного объекта, и сила сцепления последнего. Поэтому сопротивления почв сжатию и сдвигу являются основными показателями, влияющими на тягово-сцепные качества машин.

При оценке напряжённого состояния почвы, вызванного взаимодействием ходовых систем трактора, с достаточной точностью грунт можно отнести к двухслойной структуре [2]. Высказанное допущение сильно упрощает расчёты процесса взаимодействия движителя трактора с почвой и даёт возможность определить механические характеристики многослойных грунтов.

Различие между концепциями механики грунтов и механики движения тракторов по поверхностям (или различия между статикой и динамикой) состоит в том, что грунт под фундаментами оседает годами, при этом происходит комплекс явлений, известных под общим термином “консолидация грунтов”; под движущейся машиной процесс осадки грунта и сдвиг грунта движителей машины происходят быстро. При снятии экспериментальных кривых сжатия скорость приложения нагрузки на штамп обычно приводят в соответствие со скоростью приложения нагрузки при реальном процессе взаимодействия движителя с грунтом.

Идеальный процесс сжатия в двухслойных грунтах при малых глубинах погружения штампа может быть представлен линиями ОА и АВ (рис.2). Линия ОА представляет начальную стадию процесса, где преобладают упругие деформации и релаксация; точка А характеризует приблизительно предел несущей способности грунта. Линия АВ описывает процесс осадки при полном разрушении грунта при незначительном возрастании нагрузки. Форма реальной кривой, показанная на рис. 2, может несколько меняться для различных грунтов. На рис. 3 показано семейство типичных кривых процесса нагрузка-осадка, которые могут быть получены экспериментально при одних и тех же размерах штампа для однородных различных грунтов. Кривые могут быть разделены на две группы, зависящие от величины n уравнения

р=КZⁿ

В соответствии с этим уравнением разделяющей линией является прямая, у которой n=1. Ниже этой линии лежат «слабые» грунты, которые быстро теряют свою прочность и разрушаются при повторных нагрузках (n1); выше этой линии находятся «прочные» грунты, которые упрочняются и сжимаются при многократных нагрузках (n1). Значительное количество опытов по погружению штампов различных размеров в одну и ту же однородную среду показало, что кривые p - z (рис. 4) для штампов больших размеров (b₂) располагаются обычно ниже, чем те же кривые для штампов меньших размеров (b₁). Иногда кривые меняются своими местами, вследствие неоднородности грунтов. Даже в однородных грунтах может быть отличие от кривых, показанных на рис. 4, благодаря местным, локализованным неоднородностям или другим причинам (рис. 5).

Рис. 2. Кривая сжатия в однородных грунтах, полученная при помощи круглого или прямоугольного штампа

Рис. 3. Семейство кривых нагрузка-осадка, полученных при погружении штампа в различные пластичные однородные грунты

Общие закономерности протекания функции нагрузка-осадка неоднородных грунтов при анализе процесса их взаимодействия с движителем машины могут быть обобщены применительно к двум группам грунтов: 1) слой слабого грунта на твёрдом основании; 2) слой прочного грунта (или растительности), лежащего на слабом основании.

Граница между двумя указанными слоями может быть и чёткой, и расплывчатой.

Первый тип неоднородного грунта встречается довольно часто, например, слой песка на скалистом основании, вспаханная почва на недеформированном основании, свежевыпавший снег на промёрзшей земле или сухой несвязный грунт, упрочняющийся с глубиной (вследствие сцепления, создаваемого капиллярными силами, консолидации и т.д.).

Формы кривых нагрузка-осадка для двух штампов при погружении их в неоднородную среду, состоящую из слабого грунта, что выше точки А, где оба штампа действуют как бы в «однородной» среде, т.е. в среде, где эффект дна ещё не чувствуется и где степень упрочнения с глубиной ещё не достаточна, кривая b₂ лежит ниже кривой b₁, согласуясь с результатами, справедливыми для случая b₂b₁ (рис. 5). Однако ниже точки А кривая для большего штампа лежит выше кривой b₁. Большая площадь как бы “чувствует” твёрдый подстилающий слой раньше, чем меньшая и поэтому наклон dz/dp кривой для b₂ меньше, чем для b₁. В результате кривые b₁ и b₂ в более глубокой зоне меняются местами.

Рис. 4. Кривая нагрузка-осадка для двух различных штампов (b₂>b₁), полученная при погружении их в несвязный пластичный однородный грунт

Рис. 5. Кривая нагрузка-осадка для двух различных штампов (b₂>b₁), полученная при погружении их в неоднородную среду, состоящую из слабого грунта, лежащего на твердом основании

Важным показателем механических свойств почвы является сопротивление почв сдвигу. Эти свойства проявляются в виде трения. Оно представляет собой перемещение одного тела относительно другого (внешнее трение) или одних частиц относительно других частиц одного и того же тела (внутреннее трение).

При движении трактора, имеющего нагрузку на крюке, в плоскости взаимодействия движителя с почвой возникают силы трения, представляющие касательные реакции на поверхности соприкасающихся тел.

Т=f_пN

где Т - сила трения покоя;

f_п - коэффициент трения покоя;

N-нормальная нагрузка.

При взаимодействии движителя трактора с почвой имеет место переменный, неустановившийся режим перехода от относительного покоя к движению.

Если отнести силу к единице площади соприкасающихся тел, то получим напряжение касательных сил.

Многочисленные исследования [3, 4, 5, 6, 7] показывают, что касательные напряжения зависят от перемещения S. Теоретические выражения, как правило, носят гиперболический [4, 6] или экспоненциальный характер [2, 5]. В работе [7] изменение касательных напряжений рассматривается зависящим от 3-х параметров - перемещения, удельного давления и вида колебательного характера прилагаемой нагрузки.

Обобщая данные исследований, можно сделать вывод о том, что для плотных сыпучих грунтов характерным является максимум касательных напряжений при небольших деформациях с последующим их снижением, для пластичных, однородных грунтов максимум касательных напряжений является установившимся. Частота и амплитуда приложения нагрузки вызывает снижение максимального касательного напряжения.

Литература

1. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. - М.: Колос, 1994. - 751 с.

2. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность- машина Ч.1: Пер. с англ. д-ра техн. наук В.В. Гуськова / М.Г. Беккер. - М.: Машиностроение, 1973. - 310 с.

3. Генних М.Э. Сцепление автомобильного колеса с деформированным грунтом. Проблемы повышения проходимости колёсных машин. - М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 340 с.

4. Гуськов В.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. - М.: Машиностроение, 1966. - 180 с.

5. Запольский В.П. Исследование параметров гусеничной ленты. Тр. научн. конф. ЦНИИМЭСХ 1961. - Минск.: Сельхозгиз, 1963. - 210 с.

6. Кацыгин В.В. Некоторые вопросы деформации почв. Вопросы сельскохозяйственной механики. - Минск: Сельхозгиз, 1964. - Т.Х11. - 340 с.

7. Трактор селекционный МТ-14С. Техническое описание и конструкция по эксплуатации. - Кутаиси, 1986.

Размещено на Allbest.ru