Теоретические исследования взаимодействия колесной ходовой части трактора с почвой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дальневосточный государственный аграрный университет

Теоретические исследования взаимодействия колесной ходовой части трактора с почвой

Лонцева И.А.

Соболева Н.В.

Аннотация

колесный трактор сельскохозяйственный машина

Наибольшую популярность в агропромышленном комплексе России завоевали колесные универсально-пропашные тракторы тяговых классов 1,4-2. Исследования в области изучения взаимодействия колесной ходовой части тракторов не учитывали ряд факторов, которые оказывают большое влияние на данный процесс: упругие свойства лугово-черноземовидных почв, действие силы на качение колеса, время контакта колеса и скорость деформации почвы.

В статье представлены теоретические исследования процессов взаимодействия колесной ходовой части тракторов с лугово-черноземовидной почвой. Показаны схемы: взаимодействия пневматического колеса с почвой, влияния препятствий на процесс качения. Получены аналитические зависимости, более полно характеризующие процесс взаимодействия колеса с почвой.

В условиях ресурсосберегающих технологий в сельском хозяйстве одним из главных направлений становится работоспособность ходовых систем машин.

В теории термин «проходимость» связан, прежде всего, с работоспособностью ходовых систем мобильных энергетических средств (МЭС). Под проходимостью МЭС понимают его способность перемещаться без остановки, преодолевая препятствия двух типов: препятствия профильного характера и участки со слабонесущим опорным слоем почвы или грунта.

Основной задачей в полеводстве является своевременное выполнение работ согласно технологической карте. Зональные условия Амурской области таковы, что сельскохозяйственной технике зачастую приходится работать в условиях слабой несущей поверхности грунтов (высокой влажности почвы и низкой проходимости), что влечет за собой потери времени и урожая. Учитывая данную специфику, необходимо правильно рассчитать и подобрать сельскохозяйственные машины для выполнения полевых работ. Оценку проходимости МЭС (тракторов, комбайнов, самоходных машин) можно получить в результате исследования взаимодействия колес с поверхностью качения [1, 2]. Однако при изучении взаимодействия колесной ходовой части мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин в условиях Амурской области не учитывается ряд факторов, которые оказывают большое влияние на данный процесс: упругие свойства лугово-черноземовидных почв, действие сил на качение колеса, время контакта колеса и скорость деформации почвы. Основу тракторного парка области составляют универсальные пропашные колесные тракторы классов 1,4-2 (37%). Особенностью этих тракторов является то, что радиус передних колес меньше задних (рис. 1). Соответственно, и степень воздействия у них различная.

Рис. 1. Схема трактора тягового класса 1,4-2

В связи с этим возникает необходимость выявить закономерности, которые характеризуют процесс качения колеса (рис. 2).

Рис. 2. Схема взаимодействия пневматического колеса с почвой

На элементарную площадку обода длиной и шириной действует элементарная реакция почвы:

, (1)

где - удельное сопротивление почвы.

Приняв качение колеса за установившийся процесс, спроектируем все внешние силы, приложенные к колесу, на горизонтальную и вертикальную оси:

, (2)

. (3)

Так как

, (4)

, (5)

то получим:

, (6)

, (7)

где: , - полухорды погруженного колеса в зоне нагрузки и разгрузки,

- вес трактора, приходящийся на одно колесо.

Интегрирование этих выражений возможно, если известна зависимость удельного сопротивления почвы q от глубины погружения колеса Н. Вдавливание плоских эллиптических штампов и пневматического колеса на различных фонах лугово-черноземовидных почв и аппроксимация полученных при этом зависимостей показали, что этот процесс наиболее удачно характеризует гиперболическая зависимость [3, 4]:

, (8)

где: - несущая способность и коэффициент объемного смятия почвы при скорости деформации, близкой к нулю;

- метрические коэффициенты;

- глубина образовавшейся колеи;

- скорость деформации почвы.

Подставляя полученное выражение значения удельного сопротивления почвы q в уравнение (6) и интегрируя его, получим зависимость для определения качения колеса:

, (9)

Для определения глубины колеи необходимо решить уравнение (7), которое после преобразований и подстановок примет вид:

, (10)

где: h_y - величина обратимой деформации почвы

- диаметр приводного колеса.

Для решения полученного уравнения необходимо подынтегральную функцию разложить в ряд и, задавшись требуемой точностью, принять нужное количество членов ряда. Оценка точности по методу Лагранжа для различных значений диаметра колеса, видов агрофона и состояний почвы показала, что для практических расчетов вполне допустимо использование только первого члена ряда.

Тогда

, (11)

Решив это уравнение относительно глубины погружения (Н), получим выражение для определения величины полной деформации почвы:

, (12)

где - коэффициент упругости почвы.

Величина обратимой деформации почвы и глубина образовавшейся колеи определяются из уравнений:

, (13)

, (14)

Так как почвы в Амурской области обладают значительными упругими свойствами (суглинистые), то часть работы, затраченная на упругие деформации почвы при качении колеса в зоне загрузки, будет возвращаться в зоне упругого восстановления. Поэтому в выражении (9) вместо величины полной деформации почвы Н необходимо брать или, выразив через полную деформацию, , где k_y - коэффициент, учитывающий возвращающуюся энергию в зоне разгрузки. В связи с этим выражение (9) примет следующий вид:

, (15)

Полученные зависимости для определения сопротивления качения и деформации почвы учитывают только один из факторов, связанных с влиянием скорости движения: упрочнение почвы при возрастании скорости приложения нагрузки. Однако с ростом скорости движения будут расти инерционные и ударные силы, которые могут оказать значительное влияние на величину Р_f и H.

Величина и степень влияния инерциальных сил на процесс качения колеса будут зависеть от способа обработки почвы, выровненности поверхности, наличия растительных остатков и состояния почвы.

Для определения величины инерциальных сил при наезде колеса на препятствие или падение его в выемку воспользуемся схемой на рис. 3.

а) б)

Рис. 3. Схема к определению влияния препятствий на процесс качения колеса: а) на препятствие, б) с препятствия

Величину силы инерции Р_jn, возникающую в центре колеса О при переезде его через препятствие, можно определить из уравнения энергетического баланса. При столкновении колеса с препятствием происходит потеря кинетической энергии машины.

В зависимости от приращения кинетической энергии ДЕ, выделяют три этапа движения работы машины:

ДЕ>0 - увеличение скорости движения трактора;

ДЕ=0 - этап установившегося движения;

ДЕ<0 - остановка или снижение скорости движения трактора.

Рис. 4. Изменения кинетической энергии в зависимости от этапов движения

Производительным этапом работы трактора является установившееся движение. На этом режиме трактор может двигаться при выполнении основной технологической операции (обработка почвы, посев, посадка, уборка урожая и пр.) по длине загона. При установившемся режиме работы потеря кинетической энергии зависит от изменения скорости [1, 5]:

, (16)

которая тратится на подъем центра тяжести на высоту h_n под действием силы Р_jn.

Приравняв эти работы и выполнив преобразования, получим:

, (17)

где: g - ускорение свободного падения;

- вес трактора, приходящийся на одно колесо;

- скорость движения трактора;

- высота неровности поверхности;

г - угол, составленный проекциями центра колеса при прохождении неровности.

Для преодоления препятствия высотой h_n потребуется дополнительное тяговое усилие [3]:

, (18)

где: Ш - коэффициент, учитывающий возвращаемую часть накопленной энергии при ударе упругим колесом и зависящий от жесткости шины; для тракторных шин Ш=(0,3…0,6);

- диаметр управляемого колеса.

При преодолении впадин наибольшая инерциальная сила возникает при быстром падении колеса во впадину прямоугольной формы (рис.3(б)). В этом случае вертикальная сила инерции, действующая на колесо, будет равна:

, (19).

Принимая вертикальное движение центра колеса при падении в выемку равномерно ускоренным (под действием постоянных сил), получим:

, (20)

где: а_jb - ускорение падения центра колеса;

t - время падения;

h_в - глубина выемки.

Так как при падении колеса в выемку поступательная скорость машины не меняется, то после подстановки и преобразований получим:

, (21)

, (22)

Сила Р_jв, возникающая при падении колеса в выемку и при съезде его с препятствия (рис. 3(б)), может превысить вес трактора, приходящийся на одно колесо, в несколько раз. Таким образом, она будет вызывать дополнительные деформации почвы. И хотя процесс качения колеса нельзя рассматривать как беспрерывно чередующиеся колебания его центра вверх и вниз, однако при наличии значительного количества неровностей и твердых включений в почве эта сила инерции окажет значительное влияние на образование колеи.

Таким образом, изменение величины сопротивления качению и глубины колеи будет зависеть от того, в какой степени, приведенные выше, факторы влияют на процесс качения колеса по деформируемому основанию. Поэтому в выражения (12), (15) необходимо внести соответствующие изменения, которые учитывали бы эти факторы.

Для учета влияния динамических нагрузок, связанных с преодолением препятствий и неровностей, в выражение (15) введен поправочный коэффициент k₁:

, (23)

В зависимости (12), (13) и (14) для учета ударных и инерциальных сил Р_jв необходимо ввести поправочный коэффициент k₂. Влияние времени контакта на деформацию почвы в этих формулах учитывается коэффициентом k_t.

; (24)

; (25)

. (26)

Поправочные коэффициенты определяются в конкретных условиях работы с учетом основных факторов поверхности качения (агрофона).

Если в выражение (23) вместо величины глубины погружения колеса Н подставить тригонометрическую функцию выражения (8), то получим зависимость для определения сопротивления качению от удельного давления:

. (27)

Полученные аналитические зависимости более полно характеризуют процесс взаимодействия колеса с почвой.

В результате теоретических исследований получили закономерности, характеризующие процесс качения колеса, выражающийся в определении сопротивления качению с учетом скорости деформации, удельного сопротивления почвы и поправочных коэффициентов, зависящих от условий работы (агрофона).

Список использованных источников

1. Лепешкин А.В., Круглов С.М., Петров С.Е., Пхакадзе С.Д. Результаты исследования разработанной математической модели взаимодействия эластичного колеса с деформируемой поверхностью при установившемся прямолинейном качении // Научный рецензируемый журнал Известия МГТУ «МАМИ». - М.: МГТУ «МАМИ». - 2012, т. 1, № 2 (14). - С. 106-111.

2. Система земледелия Амурской области: производственно-практический справочник / под общ. ред. д-ра с.-х. наук, проф. П.В. Тихончука. - Благовещенск: Изд-во Дальневосточного ГАУ. - 2016. - 570 с.

3. Тимошенко В.Я., Нагорный В.А., Лонский А.Л. О взаимосвязи потерь на качение трактора и его балластированием [Электронный ресурс] // Агропанорама. -- Электрон. дан. - 2017, № 3. - С. 9-13. - Режим доступа: https://e.lanbook.com/journal/issue/301616.

4. Щитов С.В. Пути повышения агротехнической проходимости колесных тракторов в технологии возделывания сельскохозяйственных культур Дальнего Востока: дис…д-ра техн. наук: 05.20.01. - Благовещенск. - 2009. - 325 с.

5. Кузнецов Е.Е., Кривуца З.Ф., Шарвадзе Р.Л., Краснощекова Т.А., Перепелкина Л.И., Кузнецова О.А., Авняв М.А. Экспериментальные исследования эффективности конструкции для межколесного перераспределения весовой нагрузки // АгроЭкоИнфо. - 2018, № 4. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/4/st_462.doc.

Размещено на Allbest.ru