Теоретические исследования взаимодействия колесной ходовой части трактора с почвой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические исследования взаимодействия колесной ходовой части трактора с почвой

Лонцева И.А., Соболева Н.В.

Дальневосточный государственный аграрный университет

Аннотация

трактор луговой черноземовидный почва

Наибольшую популярность в агропромышленном комплексе России завоевали колёсные 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 колёсной 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.

Ключевые слова: ТРАКТОР, ПОЧВА, КОЛЕСО, ДЕФОРМАЦИЯ ПОЧВЫ, СКОРОСТЬ ТРАКТОРА, КОЭФФИЦИЕНТ

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:

1) ДЕ>0 - увеличение скорости движения трактора;

2) ДЕ=0 - этап установившегося движения;

3) 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 учётом 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 учётом скорости деформации, удельного сопротивления почвы и поправочных коэффициентов, зависящих от условий работы (агрофона).

Список использованных источников

трактор луговой черноземовидный почва

1. Лепёшкин 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 колёсных 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., Перепёлкина 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.

Цитирование

Лонцева И.А., Соболева Н.В. Теоретические исследования взаимодействия колесной ходовой части трактора с почвой // //АгроЭкоИнфо. - 2019, №3 - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/3/st_330.doc.

Размещено на Allbest.ru