Повышение тягово-сцепных свойств колесных движителей машинно-тракторных агрегатов

Анализ существующих конструкций  устройств противоскольжения  позволяет классифицировать их по следующим признакам: 

- форма рабочей поверхности  зацепа (прямоугольная; треугольная;  круглая; овальная; спиральная);

- характер внедрения  зацепа в почву (пассивный; активный: поступательный, вращательный, вращательно-поступательный);

- способ выдвижения  зацепа (ручной; механизированный; полуавтоматический; автоматический);

- источник энергии  привода (механический; пневматический; гидравлический; электрический; электромагнитный; комбинированный);

- крепление к диску  обода колеса (резьбовое; штифтовое;  штыковое; фрикционное);

- форма сечения стойки (круглая; коническая; полая);

- способ регулирования  параметров внедрения зацепов  и длины стойки (ручной; автоматический);

- конструкции устройств  (съемные − рис. 1 а, б, в, г; выдвижные − рис. 1 ж; складывающиеся − рис. 1 д).

Рассматриваемые устройства различаются также по характеру  крепления и расположению зацепов и стойки устройства, по конструкции направляющих втулок и щеки и т.д.

Снижению уплотняющего воздействия движителя на почву  способствуют устройства, позволяющие образовывать опору в подпахотных слоях почвы и за счет этого реализовывать тяговую нагрузку агрегата. В данном режиме работы колесо не контактирует с почвой (частично или полностью) и функцию основания выполняет устройство противоскольжения.

В отличие от шинных зацепов, шаг съемных зацепов в несколько  раз больше. При значении шага равном и выше длины опорной поверхности  колеса, сдвига почвенных «кирпичиков», зажатых между зацепами, не происходит. Это изменяет физическую сущность процесса взаимодействия

зацепов с почвой – происходит деформация и разрушение структуры почвы в горизонтальном направлении (рис. 2).

 

а      б    

 

 

 

 

в      г

 

 

 

 

д      е

 

 

 

 

ж      з

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Съемные устройства противоскольжения  различных конструкций: а – патент США, № 2496924 по кл. 301-51; б – патент Франции, №1559167 по кл. В 60 В 15/00; в – для тракторов класса тяги 0,9…2,0 (патент RU, № 84309); г – для тракторов класса тяги 0,6; д – со складывающимися зацепами (патент РФ, № 95103566); е – с волнообразной формой сегментного диска; ж – с выдвижными зацепами; з – образующие опору в подпахотных слоях почвы (патент РФ, № 2349460)

 

Следовательно, данное предположение может быть принято за основу расчетов тягово-сцепных свойств движителя МТА, оборудованного съемными зацепами. В связи с этим существует необходимость рассмотрения процесс деформации почвы при ее сжатии в вертикальном и горизонтальном направлениях и анализ влияния параметров съемных зацепов на тяговые и почвосберегающие свойства движителя.

На основании  анализа  состояния проблемы и в соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:

1. Классифицировать существующие методы повышения функциональных характеристик колесных движителей МТА и разработать способ повышения их тягово-сцепных и почвосберегающих качеств.

2. Исследовать процесс  формирования сил сопротивления  почв сжатию и разработать модели динамических коэффициентов объемного смятия, изменения угла давления и формы почвенного ядра.

3. Разработать математические модели, описывающие влияние параметров устройств противоскольжения на функциональные показатели движителей МТА.

4. Исследовать процесс  совместного действия шинных  и съемных зацепов на формирование тяговой способности колеса, а также влияние устройств противоскольжения на плотность почв в следе движителя и сил сопротивления движению колеса.

5. Разработать методику расчетов оптимальных параметров съемных зацепов по энергетическому критерию и дать научно-обоснованные рекомендации по улучшению тяговых свойств колесных тракторов и снижению их уплотняющего воздействия на почву.

6. Исследовать влияние  устройств противоскольжения различных конструкций на плотность почвы в следе движителя и силы сопротивления движению колеса со съемными зацепами в зависимости от режимов взаимодействия колеса с почвой.

7. Выдать практические рекомендации по применению устройств противоскольжения в зависимости от величины силы внедрения съемного зацепа в почву. Оценить годовой экономический эффект от внедрения результатов исследования в зависимости от агрегата, в составе которого применяются устройства противоскольжения. 

Во второй главе «Процесс формирования сил сопротивления почв сжатию» на основании экспериментальных исследований получены значения коэффициентов объемного смятия почвы, плотности почвы и ядра, коэффициентов динамики изменения угла и формы почвенного ядра, определены коэффициенты уравнений регрессии, значимости варьируемых факторов при постановке экспериментов с реализацией центральных композиционных планов второго порядка.

Процесс внедрения штампа в почву условно делят на  две  фазы (рис. 3). В течение первой фазы с увеличением глубины внедрения штампа

сила сопротивления  повышается. Во второй фазе увеличение деформации почвы не вызывает повышения сил сопротивления. Следовательно, вычислив координаты точки А, определяющей окончание первой и начало второй фаз, можно рассчитать  коэффициент объемного смятия почвы.

        

         Р_ш,   

Н  А

        Р_max

 

 

 

     

 

 

          h_max                        h_ш,м          1          2 

 

 

Рис. 2. Результат взаимодействия   Рис. 3. Зависимость силы

зацепов с почвой в режиме полного   сопротивления почвы смятию

буксования движителя     от деформации

 

Из анализа рис. 3 видно, что координата точки А определяется величинами максимальной силы сопротивления и деформации почвы под штампом при максимальном значении сил сопротивления.

С целью определения координат точки А, были проведены экспериментальные исследования на легких и среднесуглинистых почвах с различным содержанием влаги и воздуха. В результате чего было установлено, что слои почвы, находящиеся под движущимся штампом, накладываясь друг на друга, образуют более уплотненное почвенное ядро, что способствует увеличению сил сопротивления (первая фаза). Достигнув определенной формы, размеров и плотности, ядро начинает раздвигать слои почвы, сохраняя свои параметры, перпендикулярно направлению движения штампа (вторая фаза). Если при дальнейшем движении штампа ядро контактирует с более плотными слоями почвы, то оно, увеличивая свои размеры, способствует повышению сил сопротивления при внедрении штампа в почву.

Максимальная сила сжатия характеризует такое сжатие, при котором рост и уплотненность почвенного ядра прекращается и начинается процесс раздвижения слоев почвы. С данного момента почвенное ядро является продолжением штампа конусной (пирамидальной) формы наконечника. Следовательно, на границе ядра, с соответствующей боковой площади конусообразной формы, возникают деформации сдвига одних частиц почвы относительно других и силы сдвига, зависящие от максимальной силы сжатия. Учитывая угол трения почвенных частиц, запишем:

,    (1)

где с_о – сопротивление сдвигу, создаваемое силами сцепления, действующими между частицами почвы, кПа; – угол внутреннего трения, представляющий собой отношение приращения сопротивления сдвигу к соответствующему увеличению нормального давления; а_ш, b_ш – соответственно длина и ширина штампа, м; _ш – угол давления на последующие слои почвы, град.

Определив максимальную силу сжатия и длину почвенного ядра, рассчитаем коэффициент объемного смятия почвы :

 , (2)

где – коэффициент, учитывающий динамику изменения угла давления на последующие слои почвы; – коэффициент, учитывающий форму почвенного ядра в процессе сжатия ее штампом; F_{П ,} F_Я – соответственно пористость почвы и ядра; l_Я – длина почвенного ядра, м.

На основании рассмотрения фрактальной модели структуры почвы и параметров упаковок различных типов почв получена зависимость угла давления на последующие слои почвы от пористости:

 è    . (3)

Определены регрессионные модели влияния влажности  и типа почв на сопротивление сдвигу, создаваемое силами сцепления с_о и углом внутреннего трения :

с_о = 26,25 – 16,75Х₁ + 16,25Х₂ – 15,75Х₁Х₂ ,     (4)

= 18,25 – 1,75Х₁ – 11,75Х₂  – 1,75Х₁Х₂ ,     (5)

где Х_1,, Х₂ – соответственно относительная влажность и удельный вес почвы в кодированном виде.

Зависимость относительной влажности, при которой наступает предел пластичности W_о^П (%) и предел текучести W_о^Т (%), от удельного веса почвы , опишем выражениями:    

W_о^П = ( - 20) · 4.      (6)

W_о^Т = W_о^П  + J_p ,      (7)

где – удельный вес почвы, кг/м³; J_p – число пластичности, %.

Число пластичности зависит  от содержания глинистых частиц по весу G_гл (%), которое ориентировочно можно принять: J_p = 0,6 · G_гл.

Выражая плотность почвы  (кг/м³) через весовые и объемные показатели ее фаз, получим:  .   (8) 

Учитывая, что  .

.

Определим:

;     .

;               (9)           

Следовательно:

       (10) 

     (11) 

где V₁, V₂, V₃ – объем, занятый соответственно твердыми частицами, водой и воздухом, м³; , – вес соответственно твердых частиц и воды в порах почвы, кг, – объемный вес воды, = 10 кг/м³; W_а, W_о – абсолютная и относительная влажность почвы, %.

Пористость ядра в зависимости от абсолютной влажности почвы определится:

.            (12)

 

Обоснованы теоретические  модели коэффициентов динамики изменения угла давления (КДУ) и формы почвенного ядра (КФЯ)

.      (13)

На практике форма  почвенного ядра не всегда имеет конусообразную форму, поэтому с целью ее корректировки введем поправочный коэффициент формы почвенного ядра. Используя модель (2), коэффициент формы ядра определится:

  .     (14)

Исследования по определению экспериментальных моделей динамических коэффициентов почвы проводились в два этапа: для вертикального и горизонтального направлений. Сила внедрения штампов создавалась домкратом, расположенным между передним мостом автомобиля, динамометром и штампом. Определив место проведения эксперимента при помощи ручного твердомера, подгоняли автомобиль. Под тщательно разровненную поверхность почвы устанавливали, согласно рандомизации опытов, исследуемый штамп. После продолжительного нагружения штампа, с целью снижения фактора упругой деформации почвы, по образованной лунке штангенциркулем снимались замеры каждой стороны, определяя среднюю глубину погружения штампа, а по показаниям динамометра – силу сопротивления сжатию почвы. Повторность опытов была трехкратной. Необходимая твердость почвы достигалась за счет механического рыхления и искусственного ее переувлажнения (ГОСТ 28268-89, ГОСТ 27593-88 (2005)).

С целью возможного перемещения  исследуемых штампов в горизонтальном направлении вырывали яму размером 1 х 0,5 х 0,5 м, в которую помещали, для создания необходимого усилия внедрения, динамометр и домкрат.

Экспериментальные исследования проводились для следующих уровней и интервалов варьирования (табл. 1).

Таблица 1

Уровни и интервалы  варьирования факторов

 

Наименование  уровней	Обоз- начен.	Ф  а  к  т  о  р  ы
		Х1·10-4, м2	Х2	Х3, %	Х4	Х5, МПа
Нижний	-1	400	1	17	1,0	0
Центральный	0	600	5	20	1,5	0,25
Верхний	+1	800	9	23	2,0	0,50
Интерв. варьир.	Х	200	4	3	0,5	0,25