Калинин Е.И, асп.

Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка

Оценка установки сдвоенных шин как одного из способов повышения эффективности работы пахотного агрегата на агрофоне со слабой несущей способностью

Постановка проблемы. Интенсификация сельскохозяйственного производства, отражающаяся в виде увеличения сроков проведения полевых работ, привела к более раннему выходу машинно-тракторных агрегатов в поле и более позднему окончанию работы. Все это сказывается на условиях эксплуатации МТА (в частности, эксплуатация в экстремальных почвенных условиях – при повышенной влажности почвы). При этом наблюдаются увеличенные расходы топлива, что негативно сказывается на энергосбережении агрегатов. Пахота же на влажной почве ведет к значительным расходам топлива и иногда ставит вопрос о целесообразности выполнения технологического процесса в таких условиях. Таким образом, поиск методов повышения тягово-энергетических свойств пахотного агрегата на агрофоне повышенной влажности является одним из актуальных вопросов современности.

Анализ последних исследований. Вопросам изучения и повышения тягово-сцепных свойств колесных тракторов посвящены работы Аксенова В.П., Алексейчика Н.А., Бочарова Н.Ф., Золотаревской Д.И., Климанова А.В., Ксеневича И.П., Коцарь Ю.А., Кузнецова Н.Г., Кутькова Г.М., Лопарева А.А., Ляско М.И., Мухамадьярова Ф.Ф., Наумова А.С., Пирковского Ю.В., Скотникова В.А., Слюсаренко В.В., Филюшкина А.В., Фортуны В.И., Чудакова Д.А., Чудакова Е.А., Ярмошевича Ю.И. и др. В работах данных авторов рассматриваются эксплуатационные и конструктивные факторы, влияющие на тягово-сцепные свойства колесных траткоров. Проведен анализ основных факторов и их влияние на тягово-сцепные свойства. Выявлены положительные и отрицательные моменты каждого из них. Одним из наиболее влиятельных факторов является площадь опорной поверхности. Увеличение ее приводит к снижению удельных давлений на почву, снижению буксования, а следовательно и повышению тягового усилия [1,2]. Рассмотрены несколько способов увеличения площади опорной поверхности: применение уширителей колес, полугусеничного хода, установка широкопрофильных шин, снижение внутреннего давления в шинах и др. Наиболее оптимальным и эффективным способом в реальных условиях сельскохозяйственного производства является установка на тракторе сдвоенных шин.

Формулирование целей статьи. Целью данной работы является оценка возможности повышения тягово-сцепных свойств пахотного агрегата на агрофоне повышенной влажности путем установки сдвоенных шин.

Основная часть. В общем случае уравнение тягового баланса трактора имеет вид:

где – касательная сила тяги трактора, Н; – тяговое усилие, реализованное трактором, Н; – сила сопротивления качению, Н; – сила сопротивления подъема, Н; – сопротивление сил инерции, Н.

Если принять допущение, что скорость трактора постоянна () и трактор движется на ровном участке (), то уравнение тягового баланса трактора примет следующий вид:

Таким образом, касательная сила тяги при установившейся работе трактора на горизонтальном участке равна горизонтальной составляющей тягового сопротивления и силы сопротивления качению колеса.

Для определения касательной силы тяги сдвоенного колеса в общем случае можно использовать формулу В.В. Гуськова [3].

где – коэффициент трения скольжения; – коэффициент деформации грунта, м; – нагрузка, приходящаяся на і-ое колесо, Н; – коэффициент буксования движителей трактора; – длина пятна контакта движителя с опорной поверхностью, м; – приведенный коэффициент трения; – напряжение почвы на срез, Н/м; – высота грунтозацепа, м; – шаг грунтозацепа, м.

Для упрощения расчетов примем, что при определенном тяговом усилии нагрузка на переднюю и заднюю ось распределяется равномерно ().

При работе трактора со сдвоенными шинами необходимо учитывать вес пары колес, которые находятся на одном борту моста. Таким образом:

.

Кроме того, при наличии сдвоенных шин и при значении влажности почвы выше оптимальной, последняя налипает в пространстве между колесами и создает дополнительную нагрузку на колесо, которую можно определить по формуле:

где – масса налипшего грунта, кг; – ускорение свободного падения, м/с².

Учитывая вышеизложенное, нормальная нагрузка на і-ую пару может быть определена по формуле:

;

Тогда касательная сила тяги сдвоенного колеса при повышенной влажности почвы будет определяться по формуле:

Для определения массы грунта, налипшего в пространство между колесами примем некоторые допущения (рис. 1):

Рис. 1. К определению массы налипшего грунта

1. Масса грунта, находящегося между колесами остается постоянной и не изменяется с течением времени.

2. Грунт находится в пространстве между колесами в виде массы, площадь поперечного сечения которой соответствует равнобедренному треугольнику.

3. Высота равнобедренного треугольника поперечного сечения массы почвы равна глубине колеи, возникающей при движении рассматриваемой пары.

4. Длина основания равнобедренного треугольника (расстояние между спаренными шинами рассматриваемой пары) остается постоянной.

Учитывая вышеизложенные допущения, массу грунта между шинами можно определить по формуле:

где – объем грунта, находящегося между колесами в рассматриваемой паре, м³; – плотность грунта из которого образована несущая поверхность.

Объем грунта, находящегося между колесами в рассматриваемой паре можно определить из следующего соотношения:

где – свободный диаметр колеса, м; – площадь треугольника – площадь поперечного сечения массы грунта, м²:

где – основание равнобедренного треугольника – расстояние между шинами в рассматриваемой паре, м; – высота равнобедренного треугольника – глубина колеи, образованной при взаимодействии движителя с грунтом, м.

Глубину колеи, образовавшейся при взаимодействии движителя с опорной поверхностью в общем случае можно определить по формуле [3]:

Ввиду того, что при работе сдвоенных шин в пространстве между ними образуется земляной клин, который участвует в формировании касательной силы тяги [4], с некоторым допущением, можно ширину колеса заменить шириной образовавшегося пневмокатка , которая может быть определена по формуле:

,

где – ширина одного колеса в рассматриваемой паре, м; – расстояние между шинами в рассматриваемой паре, м.

Таким образом, глубина колеи для сдвоенного колеса будет определяться по формуле:

.

Прогиб шины может быть определен по формуле Хейдекеля [3] с учетом того, что радиус сечения шины определится по формуле:

.

Тогда формула Хейдекеля будет иметь вид:

.

Зависимость между напряжением и деформацией грунта под сдвоенными шинами будем определять по формуле В.В. Кацыгина [3]:

где – приведенный коэффициент трения; – коэффициент трения скольжения; – коэффициент деформации, м; – деформация грунта, возникающая при приложении давления.

При этом необходимо учитывать, что давление, действующее в пятне контакта шины с опорной поверхностью будет определятся по формуле:

,

где – площадь пятна контакта сдвоенной пары с опорной поверхностью, м².

Для определения площади пятна контакта примем допущение, что последняя имеет форму прямоугольника с длиной и шиной , где – длина пятна контакта сдвоенной пары шин с опорной поверхностью, м, а – ширина сдвоенной пары, м, тогда:

;

Приведенный коэффициент трения определяем по формуле [3]:

,

где – коэффициент трения покоя, с учетом увеличения давления в пятне контакта сдвоенной шины с несущей поверхностью, а коэффициент деформации грунта – по формуле [3]:

Для определения сопротивления качению пары колес по несущей поверхности при установившемся режиме воспользуемся формулой, которая имеет вид:

,

где

.

При дальнейшем тяговом расчете пахотного агрегата необходимо учитывать особенность его движения на гоне.

Установка сдвоенных шин приводит к необходимости большего смещения навесного устройства (которое вызовет увеличение разворачивающего момента) либо движения трактора так, что одно колесо из пары правого борта движется по непаханому полю, а второе – по вспаханной борозде (рис. 2). Таким образом, каждая шина в паре правого борта имеет неравноправные условия движения и, следовательно, формирует различные значения касательной силы тяги. Такое движение трактора в борозде приводит к изменению касательных сил тяги на правом борту трактора.

Рис. 2 . Схема движения пахотного агрегата со сдвоенными шинами на гоне.

Результаты исследований. Расчет проводился для трактора тягового класса 30 кН – ХТЗ-150К-09. Для данного трактора используется проставка для сдваивания колес, которая обеспечивает расстояние между шинами сдвоенной пары в 620 мм. Для построения тяговых характеристик трактора использовались данные, полученные с регуляторной характеристики двигателя трактора. Для характеристики несущей поверхности, с которой взаимодействует движитель трактора использовались данные, приведенные в табл. 1.

Решение полученных уравнений осуществляется с использованием программного комплекса MathCad.

Таблица 1.

Характеристики несущей поверхности

Наименование параметра	Единица измерения параметра	Значение параметра
Тип грунта	–	Чернозем обыкновенный
Оптимальная влажность грунта	%	30
Коэффициент объемного смятия грунта	Н/м^3	2
Плотность грунта	кг/м^3	1,06
Критическая деформация грунта при повышенной влажности	см	6,5

По данным теоретических расчетов построены тяговые характеристики трактора ХТЗ-150К-09 на агрофоне повышенной влажности (рис. 3) с одинарными (а) и сдвоенными (б) шинами.

Для анализа адекватности теоретических исследований были проведены тяговые испытания трактора ХТЗ-150К-09. Испытания проводились в период с 20 октября по 5 ноября 2009 г (рис. 4). Агрофон – чернозем обыкновенный (влажность 32%).

а б

Рис. 3. Теоретические тяговые характеристики трактора ХТЗ-150К-09 на агрофоне повышенной влажности:

а – одинарные шины; б – сдвоенные шины.

а б

Рис. 4. Трактор ХТЗ-150К-09 со сдвоенными шинами в составе пахотного агрегата:

а – вид спереди; б – вид сзади.

Определение мощностно-экономических показателей двигателя испытываемого трактора проводилось методом торможения на гидротормозе типа Е-4 в соответствии с п.2.14 ГОСТ 7057-73. Для замера оборотов вала гидротормоза применялся электроимпульсный счетчик МЭС-54 и датчик с прерывателем, установленный на валу. Продолжительность опыта замерялась секундомером с ценой деления 0,2 сек. Расход топлива определялся по времени расхода 200 г топлива за опыт. Подсчет мощностно-экономических показателей двигателя производился по формулам ГОСТ 7057-73 и 18309-73. Производительность, мощность на крюке, КПД определялись по ГОСТ 7057-73. Буксование движителей трактора замерялось прибором конструкции ХТЗ, аналогичным прибору ПТИ-2НАТИ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2

Исследуемый параметр	Теоретическое значение		Экспреимен-тальное значение		Процентное соотношение параметров тракторов с одинарными и сдвоенными шинами
	Одинарные шины	Сдвоенные шины	Одинарные шины	Сдвоенные шины
Буксование, %	12	6,5	12,5	8	56,25
Скорость, км/ч	7,5064	7,9329	7,4	8,2	10,81
Крюковая мощность, кВт	62,553	70,385	61,8	71,1	15,05
Номинальный тяговый КПД	0,4856	0,5465	0,475	0,531	11,79
Крюковой расход топлива (номинальный), г/кВт×ч	500,37	444,69	502,4	445,6	12,75
Производительность г/час	1,31	1,39	1,295	1,435	10,81

Таким образом, при установке сдвоенных шин буксование трактора уменьшается на 56,25%. Увеличение данного показателя можно объяснить увеличением площади пятна контакта колеса с опорной поверхностью (для левого борта) и увеличением давления внутри пятна контакта (для правого борта), а также увеличением коэффициента трения скольжения и трения покоя – увеличением касательной силы тяги. Уменьшение буксование приводит к увеличению скорости движения пахотного агрегата (на 10,81%), крюковой мощности (на 15,05%), номинального тягового КПД (на 11,79%). При установке сдвоенных колес на 12,75% уменьшается крюковой расход топлива (номинальный), а также (за счет увеличения скорости движения агрегата) увеличивается производительность МТА на 10,81%.

Выводы. В результате тяговых расчетов и проведения тяговых испытаний пахотного агрегата на агрофоне повышенной влажности было установлено, что использование сдваивания колес повышает тягово-энергетические свойства пахотного агрегата и позволяет эффективно использовать его на агрофоне со слабой несущей способностью без значительных потерь на буксование.

Литература

1. Скотников В.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. – М.: Агропромиздат, 1986.

2. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система–почва–урожай. – М.:Агропромиздат, 1985.

3. Тракторы: Теория: Учебник для студентов по спец. «Автомобили и тракторы»/В.В. Гуськов, Н.Н.Велев, Ю.Е. Атаманов и др.; Под общ. ред. В.В. Гуськова. – М.: Машиностроение, 1988.

4. Кузнецов Н.А.. Повышение эффективности использования агрегатов с трактором РТ-М-160 путем улучшения его тягово-сцепных свойств. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. – Челябинск, 2007.

5. Колобов Г.Г., Парфенов А.П. Тяговые характеристики тракторов. – М.: Машиностроение, 1972.

6. Иголкин А.И., Кальченко Б.И., Огий Г.Е. /Под ред. Абдулы С.Л./ Трактор Т-150К: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. –Х., 1990