автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.04, диссертация на тему:Повышение тягово-сцепных свойств колесных мелиоративно-тракторных агрегатов при работе на переувлажненных почвах

^ А

О ч..

На правах рукописи

Со

\

БЕКИШЕВ БОРИС ТИМОФЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ КОЛЕСНЫХ МЕЛИОРАТИВНО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ РАБОТЕ НА ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ПОЧВАХ

05.20.04 - СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И МЕЛИОРАТИВНЫЕ МАШИНЫ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

МОСКВА 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства в сотрудничестве с кафедрой гидравлики и гидравлических машин Московского государственного агроинженерноп университета им. В.П.Горячкина.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.С.Казаков

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Суриков В.В.

кандидат технических наук, доцент Киселев С.Н.

Ведущая организация - НИИ Новгородинжпроект

Защита состоится в 1.Р.. часов на заседании

диссертационного совета К. 120.16.02 по присуждению ученых степей« Московского государственного университета природообустройства.

Адрес: 127550. г.Москва, ул.Прянишникова, 19, МГУП, диссертационный совет К. 120. 16. 02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан .•З.Р.:.£?.<7?..1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, _

кандидат технических наук, у

доцент г/ Т.И.Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Выполнение мелиоративных работ [а переувлажненных почвах связано с проблемами проходимости колесных гелиоративно-тракторных агрегатов (МТА), повышения их тягово-сцепных войств и эффективности использования. Переувлажнение определяет низкий :оэффициент сцепления колеса с почвой, высокое буксование и разрушение очвенного слоя. Особенно эта проблема проявляется в условиях рисовых истем, которые располагают на тяжелых по гранулометрическому составу швах, содержащих большое количество глинистых частиц. Разработка вставленных вопросов потребовала решения взаимосвязанной совокупности аучных и практических задач, базирующихся на комплексном исследовании истемы: "мелиоративная сеть-переувлажненные почвы-колесные МТА" и тдельных ее подсистем. Решению указанной народнохозяйственной проблемы освящена диссертационная работа, выполненная автором в Московском осударственном университете природообустройства в сотрудничестве с афедрой гидравлики и гидравлических машин Московского государственного гроинженерного университета имени В. П. Горячкина в 1993-1997 годах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать научные положения и способы овышения тягово-сцепных свойств колесных МТА при работе в условиях ереувлажнения почвы как теоретической основы для создания перспективных ысокопроизводительных мелиоративных машин, обеспечивающих высокое спользование мощности двигателя, увеличение производительности МТА ри сохранении плодородия почвы путем снижения сопротивления слоя воды атопления и повышения гребных свойств мелиоративного агрегата. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

-Провести аналитический поиск приемлемых схем МТА, беспечивающих существенное повышение их тягово-сцепных свойств.

-Изучить особенности взаимодействия пневмоколеса с ереувлажненной почвой в условиях образования гребня волны.

-Исследовать кинематику и динамику почвенных частиц в волновой эне впереди пневмоколеса.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Предусматривалось проведение еретических и экспериментальных исследований в лабораторных условиях на :нове системного подхода к решению поставленной проблемы. Использованы изические, математические методы моделирования процессов ¡аимодействия колес с переувлажненной почвой. Для проведения збораторных работ разработан макет пневматического колеса МТА с )ебными лопатками. При выполнении теоретических исследований применяли етоды теории поля, теории потока.Модельные исследования пневматического )леса и гребного колеса выполняли в гидравлическом канале. В диссертации ^следовательно соединяются опытные данные с результатами численного ссперимента при использовании компьютерных программ GW BASIC.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: -Способ повышения тягово-сцепных свойств МТА в условиях затопления (н примере рисовых чеков) путем повышения гребных свойств ведущего колес; взаимодействующего с водой при помощи лопаток.

Рекомендовано исходить из необходимости уменьшения высоты гребня волн впереди этого колеса и снижения его волнового, лобового сопротивления, также использования слоя воды для создания дополнительной касательно силы тяги МТА.

—Математические и физические модели, основанные на методах теории поля теории потоков, с помощью которых изучены: процессы взаимодейств!: пневматических и гребных колес МТА с переувлажненной почвой при г совместной работе; параметры волнового поля впереди колеса. Составле} методика расчета основных параметров гребного колеса и тяговь параметров МТА с применением ЭВМ.

Новизна технических решений подтверждена положительным решение о выдаче двух патентов РФ (№№ 93049312, 97115380).

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: —Технические средства для повышения тягово-сцепных свойств МТ* обеспечивающие значительное увеличение касательной силы тяги щ одновременном снижении сопротивления ведущего колеса. Принципиальн; схема пневматического колеса МТА, снабженного гребными лопаткал обтекаемого профиля.

—Результаты теоретических и экспериментальных исследований поля давлеш и скоростей жидкости впереди колес МТА в условиях образования высоко гребня волны и циркуляции частиц.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Совершенствование МТА при использовании гребного колеса да работы на переувлажненных почвах с целью повышения эффективное использования мощности двигателя; уменьшение буксования машины увеличение ее производительности. Основные положения диссертац] изложены в 8 опубликованных научных работах и изобретениях. О) докладывались на кафедре Тракторы и автомобили, кафедре Мелиоративн стоительных машин МГУП, кафедре Гидравлики и гидравлических мани МГАУ им. В.П.Горячкина и на научных конференциях в этих университетах 1994-1996 гг.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глг основных выводов и заключения, списка использованной литературы. Объ< диссертации 156 страниц основного текста, 78 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. КОЛЕСНЫЕ ХОДОВЫЕ СИСТЕМЫ МЕЛИОРАТИВНО-ТРАКТОРНЫХ

АГРЕГАТОВ

Выполнен анализ результатов исследований по различным аспект, проблемы повышения тягово-сцепных свойств МТА при работе переувлажненных почвах. Над решением этой проблемы работали коллекти:

гченых и конструкторов: ЧТЗ, Волгоградский тракторный завод, НАМИ, 1АТИ, ВНИИЗеммаш, ВНИИГиМ, МГМИ, ВНИИСтройдормаш, МАМИ, (атерпиллер, Интернейшенал, Джон Дир (США) и др. Существенный вклад в решение различных вопросов внесли: В.Н.Болтинский, 1 Б.Барский, В.Ф.Бобков, В.Л.Бидерман, Г.М.Кутьков, В.И.Кнороз, Е.Д.Львов, \..Ф.Полетаев, В.В.Попов, В.В.Суриков, В.А.Соколова, Н.А.Ульянов, £>.Г.Ульянов, Е.А.Чудаков, М.Веккег, Т.В1зсЬо1Г и др. Проанализированы ручные направления, по которым развиваются ходовые системы МТА. Для щенки этих направлений учтены агротехнические требования, что позволило щределить по основным показателям эффективность существующих МТА, а акже приступить к разработке новых аппаратов для условий взаимодействия иевматических колес с переувлажненной почвой. В качестве основной редпосылки приняты условия мелиорации земель. При этом МТА должны меть высокие тягово - сцепные свойства, не уплотнять почвенный слой.

Автор сгруппировал известные ходовые системы МТА, которые рименяют при выполнении мелиоративных работ и установил, что все они спользуют принцип создания большей площади пятна контакта и не читывают наличия слоя воды над ее поверхностью. Новым направлением в зучении колесных МТА, является применение гребного колеса в комбинации пневматическим колесом. При этом тягово-сцепные свойства МТА лучшаются без увеличения пятна контакта пневмоколеса с почвой.

2. ПЛАНИРОВАНИЕ ДИСЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Составлена блок-схема основных этапов исследований по теме иссертации с учетом трудов ряда авторов.

На этой основе представилась возможность обосновать перспективные гхнические средства для повышения тягово-сцепных свойств МТА при работе а переувлажненных почвах. Одним из таких направлений явилось меньшение гребня волны, которую колесо создает впереди себя во время зижения по переувлажненной почве. Учитывая волновой характер движения идкости, сложность распределения напряжений в жидкой почвенной среде тереди колеса, сложность динамических процессов, автор большое внимание хелил теоретическим исследованиям с помощью математических моделей, спользованы теоретические методы, основанные на теории поля скоростей астиц, которые дали возможность получить линии равных давлений по ¡зличным горизонтам почвенного слоя. Лабораторные опыты выполнены в адравлическом канале. Этот метод эффективного и быстрого тестирования ш большое количество вариантов. Широко использован метод пьезометров видеосъемки. Форма лопаток гребного колеса представлена в виде трех :новных конфигураций: прямоугольная пластина; пластина постоянной швизны и пластина переменной кривизны и поперечного сечения.Изучена •руктура сил, действующих на колесо МТА: поверхностные силы силы давления, действующие на поверхность колеса ); объемные [ассовые) силы, зависящие от массы частиц. Исследованы на

математических моделях циркуляционные явления впереди пневматическог колеса, вызывающие повышенное сопротивление потока, который колес формирует при движении по переувлажненной почве. Все эксперимент! многократно дублировались, что обеспечило высокую точность достоверность результатов опытов.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЕРЕУВЛАЖНЕННОЙ ПОЧВЕ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С КОЛЕСОМ МЕТОДОМ ЭГДА

Для построения электрических полей методом ЭГДА использовал токопроводящую бумагу, в которой выделяли профиль колес; взаимодействующего с почвой. Совокупность точек с равными электрическим напряжениями дает эквипотенциали, а перпендикулярно им - линии ток; Таким образом получены поля скоростей частиц в переувлажненной почве пр движении колеса на основе уравнения Лапласа У2а=0, которое не требуе ни одного критерия подобия, т.к. имеется только одна неизвестная величш (число критериев подобия на единицу меньше числа неизвестных члене уравнения). Анализ моделей ЭГДА(рис.1 ) показал, что кривые равнь нормальных сжимающих напряжений в относительных координатах щ равномерной нагрузке совпадают как на электростатической, так и 1 механической модели.

Рис.1. Модель ЭГД/ напряженной сплошно! почвенной среды пр1 движении колеса (горизон тальный разрез)

\ КОЛЕСО \->

Знание нормальных напряжений с (х,у), т.е. значение ст в кажд точке поля, дает возможность изучить также изменение по координат касательных напряжений. Для механической системы "Колесо — почв; скорость почвенных частиц V=~Cj -grado (по В.С.Казакову), где С3 коэффициент затухания; Последнее уравнение для случая упругой сре преобразуется и принимает вид уравнения Лапласа V2cr(x,j) = 0, где V

шератор Гамильтона. Если почвенная среда анизотропна, то значение коэффициента затухания неодинаково по координатам. С использованием фиведенных теоретических положений по методу ЭГДА на рис. 2 федставлена модель распределения напряжений в почве под действием колеса. 1унктирные линии есть линии тока, которые для установившегося движения ювпадаюг с траекториями частиц. Плотность почвенной среды под колесом меньше, чем на расстоянии от него. При переходе через границу сред (в зону ювышенной плотности) градиент потенциала резко возрастает, а затем его тачение практически остается неизменным по всей зоне повышенной 1ЛОТНОСТИ.

Рис. 2. Симметричная модель ЭГДА колеса с двухслойной почвенной средой (плотность среды вблизи колеса меньше чем на удалении от него) — поперечный вертикальный разрез

1зучены варианты взаимодействия колеса с почвенной средой —угол аострения периферии колеса менее 90° и более 90°. Установлено, что радиенты напряжений у этих моделей заметно отличаются. Так, градиент квипотенциалей у модели с углом заострения профиля колеса 90 - 120° [еныпе, чем у колеса с углом профиля 30°. У заостренного профиля онцентрация эквипотенциалей наблюдается в непосредственной близости т пневматического колеса.Это дает основание говорить о том, что профиль олеса существенным образом влияет на характер деформации почвы, концентрация напряжений вблизи колеса больше у заостренных профилей, ем у профилей с углом заострения 120° и более (поля напряжений аспространяются далеко от самого колеса). Узкие колеса с заостренным

профилем создают высокую концентрацию напряжений в почве и образую глубокую колею. В то же время эти колеса оказывают меньшее лобово сопротивление при движении по переувлажненной почве, т.к. имеют меньше сопротивление набегающему потоку жидкости.

4. СТРУКТУРА ПОТОКА ПЕРЕУВЛАЖНЕННОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С КОЛЕСОМ МТА

При взаимодействии колеса с почвой образуется поток части (выделенных объемов). Скорости Уд жидкой частицы в общем виде равна

УА=Уик+УвАВ+У°АВ,

где Уцк~переносная скорость колеса; V дв — деформационная скорость частиц; V дц — вращательная скорость частиц.

Это уравнение для скоростей частиц в потоке устанавливает однозначнс соответствие их с уравнением Коши—Гельмгольца. Для нахожденн скоростей гидравлических частиц в волновом поле выделен в жидкой cpe^ элемент

АВСЭ прямоугольной формы (до движения колеса) рис. 3. Пр движении колеса прямоугольник АВСО деформируется. Новые возмущеннь значения

АВ =АВ+^АЦВС =ВС+АЩШ =ахыщт =т+ш\,

где (•) — возмущенные векторы; А — приращения параметров.

Скорости частиц находят путем дифференцирования векторе

АВ; ВС; СО; О А, например ~ (перемещения

точки В относительно А). После дифференцирования имеем

АВ1, т.

скорость точки В относительно точки А.

Расход потока обтекающего колесо, равен

Я = \Vxdx + Уубу + Угбг

Если в потоке жидкости перед колесом нет разрывов, то векторное пoJ скоростей частиц будет потенциальным, если оно является градиенте некоторого скалярного поля ф. Тогда У= — gradф. Поверхность ф (х,у,л показывает, что равные значения скорости (эквипотенциали) имеют место I различных уровнях по гребню волны (рис. 3). Перпендикуляр! потенциальным линиям проходят линии тока, показывающие направлен! перемещения частиц жидкости. Касательные к этим линиям будут вектор скоростей частиц, которые перемещаются вдоль линии ток

Образование волны и вовлечение частиц жидкости в волновое движение приводит к рассеиванию энергии, которая от колеса передается жидкости. Поля скоростей (деформаций и напряжений) достигают больших размеров, происходит процесс торможения колеса и значительные потери полезной мощности.

Исследования показали, что гребень волны АЬ уменьшается в глубину по мере удаления от колеса. Установлено, что движение жидких почвенных частиц (выделенных объемов) АВСО, является вихревым. Вращение выделенного сегмента происходит вокруг мгновенного центра скоростей О. Выделенный сегмент ограничен дугами л/ф0 и (г+(1г)ск§0 с центром в точке а (центр тяжести сегмента АВСО ), рис. 3. Скорость частиц по дуге АО равна Уг, по ВС равна Уг+А Уг. Тогда приращение окружной скорости Скорость частиц на поверхности АО меньше, чем на поверхности ВС, поэтому внутри сегмента АВСО частицы жидкой почвы будут вращаться вокруг точки а. Следовательно, внутри выделенного сегмента

АВСО

имеет место циркуляция ГдвсП вектора скорости.

На лобовую поверхность колеса действует сила сопротивления. Эта сила И по автору складывается из двух составляющих: силы лобового сопротивления КР и силы сопротивления набегающего потока /р У^х > или РК т.е.

н = ю;ЧрУх<Эх,

где

площадь сечения набегающего потока; К —удельное сопротивление колеса; р — плотность жидкости; Ух —горизонтальная

скорость колеса; С^х — расход потока жидкости, набегающего на колесо.

Установлено, что изменение плотности жидкой среды, состоящей из воды и минеральных частиц, мало влияет на силу сопротивления колеса. Большее влияние на сопротивление колеса оказывает расход потока и сечение потока. Поэтому перспективным является уменьшение площади сечения потока набегающей жидкости при движении колеса и уменьшение расхода потока. Применение гребного колеса уменьшает высоту гребня волны, обеспечивает троточность жидкости вокруг колеса и под гребным колесом, разгружает золновую зону.

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОЛЕС МТА

При движении МТА впереди колеса образуется волна, гребень которой равен АЬ (рис.3). Для определения этого параметра составлено уравнение

Бернулли для сечения I — I без волны и в сечении II — II, по гребню волны

» , Ар Уг

А/1 = + —-1 + С —,

У

где С, - коэффициент местных потерь; у - удельный вес жидкости; Ар

перепад давлений в сечениях волны ; а - коэффициент Кориолиса.

Анализ показывает, что: при увеличении скорости частиц V

(увеличение буксования) гребень волны А/] уменьшается; чем больш<

коэффициент местных потерь С, , тем больше А/1 и сопротивлени!

перемещению колеса; увеличение скорости 1/<? приводит к увеличении высоты гребня волны и сопротивления колеса.

с

со.

II

X

Ив с

д

1 11 1 ю

Рис.3. К вопросу определения гребня волны А И впереди движущегося колеса ( X — касательные напряжения, СТ —нормальные напряжения)

Развитый (расчлененный) протектор, спаривание колес могут увеличит местное сопротивление и расход потока. Каждое колесо имеет сво коэффициент гидравлического сопротивления на переувлажненной почве.

Эксперименты выполнены в три этапа. Первый этап заключался в тол что на пневматическое колесо закрепляли почвозацепы в виде резиновы трубочек с металлическим сердечником (рис.4), диаметр трубочек 25 — 30 мл Опыты показали, что на переувлажненных почвах дополнительны почвозацепы могут выполнять функции гребных лопаток, т.е. обеспечит перекачку жидкости из волновой зоны и снизить гребень волны, тем самы уменьшая сопротивление колеса. Второй этап модельных исследовани заключался в том, что на том же колесе установили на периферии по центр колеса обрезиненный обод диаметром 25 — 30 мм, а иоперечены сохранен как лопатки для перекачки жидкости. Это повысило плавность хода колеса пр сохранении гребного эффекта. Однако исполнение в таком виде колеса дл производственных условий может вызвать трудности, т.к. центральный обе будет создавать проблемы при движении МТА по твердым покрытиям. Опыт по двум этапам показали, что для обеспечения работы МТА в условия переувлажненных почв, исследования целесообразно развивать в направлена повышения гребных свойств пневматического колеса.

Для потока, образовавшегося вокруг колеса, гидродинамический напор Н в конкретном сечении (мгновенный напор) расчитывали с помощью

р aV2

уравнения Эйлера > где ОС = =1,05 — 1,1 коэффициент

У 8

Кориолиса; V - скорость частиц жидкости, и данных пьезометров.

Результаты исследований по определению размеров волновой зоны представлены в виде полей скоростей частиц жидкости и напора Н перед колесом. Варианты опытов с использованием пневматического колеса с гребным колесом следующие. Лопатки гребного колеса параллельны оси колеса (колесо ведущее); Лопатки гребного колеса наклонены к оси под углом 30°; Лопатки гребного колеса наклонены к оси под углом 45° (рис. 4). Размеры пневматического колеса: диаметр 500 мм; ширина 150 мм. Размеры гребного колеса: диаметр 300 мм; ширина лопатки 70 мм; высота лопаток 50 мм. В процессе экспериментов снимались показания пьезометров на глубине h=120; h=70; h=20 мм, а затем строили графики изменения скорости частиц и эпюры давлений.

чЩшт» гш

i, И •• д * j ;

i t f * ;-i.-^ a -L m

Рис. 4. Пневматическое колесо с гребными лопатками под углом 45° к оси

Опыт №1 - лопатки гребного колеса параллельны оси пневматического колеса.На каждом из уровней распределение давлений по показаниям пьезометров описывается колокообразной кривой. Наибольшие значения напора Н наблюдается вблизи колеса и убывают по мере удаления от него. Опытами установлено что, максимальное снижение высоты гребня волны достигает 30-40 %. Под действием гребного колеса произошел свал потока жидкости, который формируется впереди пневматического колеса. При этом имеем единую волновую зону впереди конструкции: пневмоколесо -гребное колесо при их вращении под действием крутящего момента. Скорости частиц жидкости имеют максимальные значения вблизи

пневматического колеса и уменьшаются по мере удаления от него.

Скорости частиц жидкости при удалении от колеса

Скорость частиц, м/с 0,44 0.55 0,73

Расстояние от оси колеса, мм 280 250 180

Чем меньше скорость колеса, тем меньше размеры волновой зоны.

Опыт №2 - лопатки гребного колеса параллельны оси пневмоколес Поступательная и окружная скорости колеса 0,7 - 0,8 м/с, по сравнению опытом № 1 они уменьшились. Установлено, что границы волновой зо} сократились пропорционально скорости пневмоколеса. Ось симметрии пото сместилась в сторону гребного колеса на 0,1 м, а в опыте № 1 - на 0, 0' м, т.е. гребное колесо обеспечивает разгрузку волновой зоны интенсивне волновая зона сократилась (уменьшился объем жидкости, вовлекаемый движении пневматическим колесом). Значения скоростей жидкости в опы № 2 меньше по сравнению с опытом №1 на 20-22%. Уменьшилась таю высота гребня волны с 50 до 33 мм по максимальным значениям.

Эксперименты показали, что угол наклона лопаток гребного коле изменяет размер волновой зоны. В опыте № 3 скорость движения колеса 0,( 0,7 м/с. Угол наклона лопаток к оси колеса 30°. Результаты сравнительно анализа полей скоростей показывают, что смещение потока в сторо гребного колеса в варианте угла наклона лопаток 30° составляет 100 - 1' мм, а в варианте лопаток параллельных оси колеса - 70-75 мм, т.е. на 25 -30 больше. Гребень волны впереди пневматического колеса уменьшается в 2,( 2,5 раза. Образуется дополнительный свал потока, жидкость устремляется сторону гребного колеса. Движение жидкости из волновой зоны наблюдает также под гребным колесом.Опыт № 3.1-В варианте наклона лопаток гребне колеса под углом 45° принципиальных изменений в волновой зоне сравнению с вариантом №3 не произошло (рис.5). Значения скоростей част в волновой зоне лежат в диапазоне 0,5 - 0,9 м/с, максимальные значения по оси волновой зоны (сечение 3-3). Смещение оси симметрии по скоростей оставило 100 - 105 мм, что снизило сопротивление колеса.

6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕКОМЕНДУЕМЫ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА МТА Гребное колесо существенно изменяет тяговые параметры МТА п работе в условиях переувлажненной почвы (рис.6). .

Баланс мощности ведущего колеса

Касательная сила тяги, Рк

Осевая нагрузка на колесо,

Ведущий момент, Мк

Рис.6. Влияние гребного колеса на основные параметры МТА

К.п.д. ведущего колеса, Т|д

Показания

Рис. 5. Суммарные графики изменения давления жидкости впереди пневматического колеса с гребным колесом (лопатки находятся под углом 45°

к оси колеса)

Баланс мощности пневматического колеса МТА по Е.Д.Львову: Мощность Рк(Ут - КАтеряемая на буксование колеса и расходуемая нг горизонтальное прессование почвы:

Р \(Ут-У)=РкУт + АРк Уг - РКУ - АРКУ - Рк А У

где (*) - возмущенные параметры; Ут- теоретическая скорость МТА, равна! произведению динамического радиуса Гк на угловую скорость (йк; V фактическая скорость МТА.

Применение гребного колеса не вызывает дополнительной горизонтального прессования почвы.

Мощность ХКУ, расходуемая на качение колеса, на вертикальнук деформацию почвы и на упругий гистеризис баллона. Гребное колесо вызывае-дополнительную вертикальную нагрузку или вертикальную реакции

А Ук. При возмущенном движении

({кУ\)У= шк+Адк)(у+А VI

Значение коэффициента 1К = Зк/Гк, где Зк - коэффициент трени качения. При снижении высоты гребня волны Зк уменьшается.

Уменьшаются потери мощности на буксование ведущего колесг Значение буксования 5* при возмущенном движении

Я- 1 • Л У АУ\ о = 1 - Т]я = (1----)

18 Уг Ут

При использовании гребного колеса увеличивается загрузка двигател

МТА АА^ = (АРа,Гх — РкАгкУ\)к ПрИ приращени АРк. Загрузка двигател базового трактора МТА растет при увеличении частоты вращения колесг Коэффициент сцепления ведущего колеса, определяемый по формуле (р^ : Рк/при совместной работе пневматического и гребного коле

т- Д(?М ; А(?М

р2В6Н ТА" ~ п V п п П Имеем увеличение коэффициент

У к

сцепления т.к. значение мало по сравнению с .

Коэффициент качения ведущего колеса при совместной работе с гребны колесом / к равен

Г=Ё£.(л | Аг' ) | ([ | АгМ

* гч г/ ч г;' Пренебрегая членом второго порядка

малости, находим, что новое значение коэффициента качения мало отличается от исходного (без учета гребня волны). Уменьшение же гребня волны впереди колеса МТА в значительной степени влияет на динамику колес базового трактора. В новых условиях коэффициент качения ведущего колеса уменьшается пропорционально снижению гребня волны АА= А'-А.

Для вариантов

- без гребного колеса = / .

Для вариантов

Г — = — Л /■

- с гребным колесом к 'к

к

Снижения гребня волны впереди ведущего колеса влечет за собой уменьшение коэффициента качения на величину А/у = — ак / г'к .При этом сила :опротивления качения X к уменьшается на АХК, а это приводит к уменьшению затрат мощности на качение ведущего колеса.

Применение гребных колес увеличивает касательную силу тяги и уменьшает силу сопротивления качению базового трактора: &РКр=&Рк-/±Р[ . эазработана методика расчета на ПЭВМ основных гидравлических параметров шевматического колеса при совместной работе с гребным колесом: напор; исход воды в межлопаточном канале; лобовое сопротивление лопатки, ломент, развиваемый гребным колесом и, соответственно, мощность на ¡алу гребного колеса. Напор н и расход определяют по известной

формуле: ф — \ХН- гДе Мтс " коэффициент расхода; Ркдл -шощадь сечения межлопаточного канала. Развиваемый напор расходуется на феодоление гидравлических сопротвлений которые находят по формуле

1арси- Вейсбаха. Суммарные местные потери напора в межлопаточном канале

^^ = + где — коэффициент сопротивления на входе;

\2 — коэффициент сопротивления при сужении потока; ^ — юэффициент сопротивления при расширении струи; — коэффициент юпротивления при прохождении выходной кромки. Для увеличения :оэффициента гидравлических потерь X можно рекомендовать изготавливать юверхность лопаток рифленной, с игольчатыми гофрами.

По Эйлеру момент, развиваемый гребным колесом при работе одного

г \

межлопаточного канала М — 'Пи'? ггиг

^ \

1 — —СОБ Р.

и-,

кан

где ~ окружная скорость; 112- относительная скорость; $2 = 15-40с

угол между векторами

Щ и • Гидравлическая мощность N. развиваемая на валу гребного колеса при работе одного межлопаточногс канала N = у, где Г| = Х\ у Г|# Г\м . Значения Т|к=0,8 — 0,85

Г|//=0,85—0,9; Г^О.Э—0,95; у-удельный вес жидкости,Н/м3; §=9,81 м/с2.

Силы сопротивления лопатки гребного колеса

Г) — ^ 2 с

Горизонтальная сила по Н.Е.Жуковскому равна х ~ сх

где 1Лд — скорость набегающего потока; р — плотность воды; ¿> — площад] сечения лопатки; Сх—коэффициент лобового сопротивления:

Су 1,0 1,1 1,2

Ие 1 000 10 000 100 000

Ее - число Рейнольдса.

1

Вертикальная сила г ~

где С2— коэффициент подъемной силы, зависящий от угла атаки.

Необходимо иметь высокое лобовое сопротивление, безударный вхо лопатки в воду и турбулентный режим между лопатками. С использование! приведенных формул разработана модельная и расчетная части определени тяговых параметров МТА с гребным колесом на языке Бейсик. П результатам исследований сформулированы основные требования к гребном колесу. Изучены схемы лопаток для гребного колеса и определены места и расположения. Профиль лопатки выполнен обтекаемой формы с заостренно передней частью для снижения ударных нагрузок при входе (рис. 7 Наружный диаметр установки лопаток ограничивается радиусом /д который меньше радиуса пневматического колеса, а внутренний Г} диаметром ступицы. Начальная точка входа 1 и выходная точка 2 лежат г кривых, исходящих из одной точки 3. Профиль лопатки очерчивается помощью дуг окружности из трех центров радиусами Гн, Гв, Гл (рис.8).

В результате применения гребных лопаток на ведущих колесах МТА имеем: увеличение производительности ДП; увеличение крутящего момента АМ и приращение касательной силы тяги ДРК . Снижение буксования ведущих колес позволяет увеличить скорость МТА на 15-20%, а приращение касательной силы тяги - увеличить ширину захвата орудия с 2,2 до 2,5 м. В результате получим увеличение производительности агрегата на 20 - 25%.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на:

— разработку двухпоточного привода ведущих колес МТА и гребного колеса для создания условий, обеспечивающих дальнейшее повышение тягово-сцепных свойств МТА;

— на расширение области применения МТА с гребным колесом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненная группировка и анализ работы колесных МТА выявили их низкие тягово-сцепные свойства на переувлажненных почвах. Особенно это проявляется на глинистых почвах при производстве мелиоративных работ на рисовых чеках. Впереди пневматического колеса образуется волна, вызывающая значительные сопротивления. Высота гребня волны достигает 0,15-0,2 м в зависимости от скорости движения. Попытки улучшить тягово-сцепные свойства этих машин путем увеличения площади контакта с почвой, спаривания колес; применения широкопрофильных шин с двойными камерами, арочной конструкции не дали значительного результата.

2. Существенного улучшения тягово-сцепных свойств МТА можно достигнуть путем улучшения гребных свойств пневматических колес. При этом в 2,0-2,5 раза уменьшается глубина хода колеса, в 1,5-2,5 раза больше загружается двигатель при создании повышенного крутящего момента на ведущих колесах, создается дополнительное тяговое усилие при взаимодействии лопаток гребного колеса с переувлажненной почвой.

3. С помощью метода ЭГДА, а также метода гидромеханических аналогий исследованы структура потока жидкости и профиль лопаток гребного колеса. Показана эффективность применения для рассматриваемых целей обтекаемого профиля с заостренной передней частью для безударного входа в воду. Лопатки гребного колеса отводят поток жидкости, разгружают волновую зону. Крутящий момент на валу гребного колеса на 75-80% создает лобовое сопротивление лопаток, другая часть реализуется в виде реактивного движения жидкости между лопатками.

4.Применение гребных лопаток на пневмоколесе уменьшает значения коэффициента трения качения в 2,0-2,1 раза, а коэффициента качения ведущего колеса в 1,8-1,9 раза (при небольшом уменьшении динамического радиуса колеса), что определяет значительное снижение сопротивления пневмоколеса в результате уменьшения гребня волны. Касательная сила тяги увеличена в 2,0-2,2 раза. Суммарный эффект применения гребного колеса заключается в увеличении силы тяги на крюке: увеличение касательной силы тяги при одновременном снижении общего сопротивления качению МТА.

Увеличиваются в 1,3-1,5 раза рабочие скорости МТА (при уменьшении буксования колес) и производительность работ на 20-25%. 5. Передние колеса МТА с гребными лопатками (меньшего диаметра пс сравнению с задними) реализуют меньший крутящий момент, чем задние. В тс же время использование гребных лопаток позволяет уменьшить высоту волны перед колесом и снизить его сопротивление. Суммарный эффект от использования гребных лопаток на передних колесах МТА составляет 20-25% в общем баллансе.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бекишев Б.Т. Деформация почв ходовыми системами сельхозмашин и их воздействие на урожайность пропашных культур. Научные труды МГМИ, 1990.

2. Бекишев Б.Т. Воздействие движителей тракторов на почву и ее плодородие. Научные труды МГМИ, 1988.

3. Казаков B.C., Бекишев Б.Т. и др. Глубокое объемное рыхление переуплотненных почв. "Техника в сельском хозяйстве, № 1, 1997.

4. Казаков B.C., Бекишев Б.Т. Метод ЭГДА для исследований напряженного состояния почвы под колесами сельскохозяйственных машин Сборник научных трудов МГАУ им. В.П.Горячкина, 1995.

5. Кнороз В.И., Бекишев Б.Т.. Уплотнение почвы тракторами и урожай Научные труды МГМИ, 1987.

6. Кнороз В.И., Бекишев Б.Т. Пути снижения уплотнения почвь мобильными агрегатами. Научные труды МГМИ, 1989.

7. Заявка 93049312/11. Механизированный способ и стенд для испытаний ходовых систем с.х. машин. Авторы Б.Т.Бекишев, В.С.Казаков и др. 1993 (положительное решение).

8. Заявка 97115380/13. Способ и устройство для повышения тягово сцепных свойств колесных мелиоративно-тракторных агрегатов. Авторь Б.Т.Бекишев, В.С.Казаков, 1997 (положительное решение).