автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров "гибких колес", используемых на сельскохозяйственной технике

На правах рукописи

ГАВРИКОВ Алексей Николаевич

УДК 631.3.012

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ «ГИБКИХКОЛЕС», ИСПОЛЬЗУЕМЫХНА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Диссертация выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ).

Научный руководитель

доктор технических наук, зав. лабораторией В. А. Русанов

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

А. В. Рославцев

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заслуженный деятель наук РФ А. П. Спирин.

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное

предприятие Государственный научно-исследовательский тракторный иститут «НАТИ»

Зашита состоится » ¡ЛгО-Р_ 2004 г., в /О часов

на заседании диссертационного совета Д006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ) по адресу 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

1. М. МарченксР

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема создания новых эффективных движителей, отвечающих всему комплексу предъявляемых к ним требований, весьма сложна. Обусловлено это тем, что движитель является многофункциональным объектом, к которому предъявляются достаточно жесткие требования. Движитель в значительной степени определяет эксплуатационные расходы при работе мобильной техники на деформируемых опорных основаниях. Известно, что до 35...45 % подводимой к тракторной шине энергии идет на непроизводительные затраты. Переуплотнение и разрушение структуры почв также в большой мере определяются характеристиками движителя.

Изложенное свидетельствует, что создание новых движителей улучшенных конструкций и потребительских качеств является важной и актуальной задачей.

Цель работы - разработка и обоснование параметров колесных движителей, обеспечивающих повышение эффективности мобильной полевой сельскохозяйственной техники, работающей на деформируемых почвенно-грунтовых опорных основаниях.

Объекты исследований - экспериментальные образцы движителей типа «гибкое колесо» с различными параметрами, пневмошины сельскохозяйственного назначения, жесткие колеса.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы методы математического моделирования, обеспечившие расчетное определение показателей системы «движитель-опорное основание», а также экспериментальные исследования, проведенные в полевых и лабораторных условиях с использованием оригинального стендового оборудования.

Научная новизна:

- схема движителя «гибкое колесо», разработанная на основе анализа рабочих процессов, происходящих внутри колеса, и определяющая исключение внутренних предварительных напряжений при сокращении негатив-

»»ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

ного воздействия на почву, непроизводительных энергозатрат и повышении тяговых возможностей в рамках ограниченных компоновочных габаритов;

- математическая модель, обеспечивающая определение и анализ комплекса геометрических и жесткостных параметров движителя «гибкое колесо», позволяющая осуществить выбор варианта движителя, соответствующего заданным условиям и режимам его работы;

- методы раздельной оптимизации внутренних и внешних энергопотерь колесного движителя.

Практическую ценность имеют:

- конструкция движителя «гибкое колесо» с переналадками, позволяющими обеспечить мобильность сельскохозяйственной техники при любых состояниях почвенно-грунтового основания;

- методика и комплекс стендового оборудования для проведения исследований различных колес, в том числе экспериментальная установка для тяговых испытаний единичного движителя с использованием мотоблока в качестве энергосредства;

- рекомендации по созданию колесного движителя, использованные при разработке опытных образцов движителя «гибкое колесо», обеспечивающих снижение давления на почву, уменьшение буксования, повышение тяговых усилий на деформируемых опорных поверхностях.

Апробация результатов исследований: Основные результаты исследований доложены на международной научно-технической конференции «Сельскому хозяйству — техническое обеспечение XXI века» («Техника-21»), посвященной 70-летию ВИМа (Москва, ГНУ ВИМ, январь 2000 г.) и XI международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции» (Москва, ГНУ ВИМ, октябрь 2002 г.)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 148 страниц машинописного текста, включая 9 таблиц и 38 рисунка. Список литературы составляет 74 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ работы различных вариантов движителей качения, используемых в практике современного сельского хозяйства. Дана оценка характерных для них энергопотерь, разрушающего воздействия на почву, уменьшения тяговых возможностей машин вследствие ограничений по сцеплению.

Вопросы взаимодействия движителей с почвогрунтами рассматривались в работах Я.С. Агейкина, В.Ф. Бабкова, М.Г. Беккера, И.И. Водяника, Дж. Вонга, В.В. Гуськова, В.В. Кацыгина, И.П. Ксеневича, А.Ф. Полетаева, Н.А. Ульянова и многих других исследователей. Обоснованию допустимого воздействия на почву посвящены исследования А.Г. Бондарева, В.А. Русанова, В. В. Медведева и др.

На основе анализа рабочих процессов в зоне контакта с почвой установлено, что функциональные возможности движителя определяются формой и жесткостными характеристиками коронной части обода. Существенное изменение указанных характеристик обода может быть достигнуто с выходом за рамки традиционных конструктивных схем пневмоколес, в частности, при отказе от внутренних предварительных напряжений в движителе.

Анализ патентных разработок, касающихся компоновки, устройства узлов и составляющих элементов движителей качения для слабонесущих опорных поверхностей, позволил определить основные тенденции и направления совершенствования движителей. Преобладающим является стремление увеличить площадь контакта, добиться более равномерного распределения давления по площади, сократить энергопотери как внутри движителя, так и на следообразование.

Анализ работ по данной проблеме позволил обобщить рекомендации конструктивного характера относительно направлений совершенствования колесных движителей для деформируемых опорных поверхностей. Установлено, что большинство этих рекомендаций воплощены в «гибких колесах», которые являются перспективным вариантом энерго- и почвосбере-гающего движителя повышенных тяговых возможностей.

Для сельскохозяйственных движителей существует ряд дополнительных требований: ограничение их габаритной ширины для работы в междурядьях; допустимый уровень буксования и давления в контакте; почвозаце-пы, щадящие корневую систему растений.

С учетом поставленной цели исследования и на основании проведенного анализа рабочих процессов и конструктивных решений сформулированы следующие задачи исследования:

- обосновать конструктивные схемы и математическую модель для расчетного определения параметров «гибких колес»;

разработать математическую модель, описывающую взаимодействие «гибких колес» с деформируемой опорной поверхностью;

- создать стендовое оборудование, программу и методику проведения сравнительных исследований «гибких», жестких колес и пневмоколес;

провести сравнительные испытания «гибких колес» в лабораторных, а также в полевых условиях;

- выполнить расчетную оценку эффективности применения «гибких колес».

Во второй главе рассмотрены принципиальные особенности «гибких колес», приведены конструктивные схемы различных вариантов их исполнения.

Движитель «гибкое колесо» имеет ряд принципиальных особенностей: отсутствие внутренних предварительных напряжений; обод, выполненный в виде ленточного кольца односторонней гибкости; отсутствие неподвижного соединения обода со ступицей; передача рабочих нагрузок в ободе посредством сжимающих усилий. Указанные особенности обеспечивают возмож-

6

ность получения увеличенных нормальных деформаций гибкого обода и, как следствие, возрастание длины контакта с опорной поверхностью при повышенной равномерности распределения удельных нагрузок. В результате достигается существенное снижение давления в контакте, буксования и энергозатрат на качение.

Рассмотрены два варианта конструктивных схем «гибких колес»: с диафрагмой (рис. 1) и со свободными стойками (рис. 2). Формы обводов обоих вариантов «гибких колес» практически идентичны, а во внутреннем устройстве есть существенные различия. В первом варианте взаимодействие между ступицей 3 и ободом 1 осуществляется через гибкие стропы 2, которые не препятствуют нормальному прогибу обода.

Рис. 1. Схема диафрагменного «гибкого колеса»

Во втором варианте взаимодействие между ступицей 2 и ободом 1 осуществляется посредством консольных зацепов 5, предусмотренных на вершинах удлиненных стоек 3 обода, и отбортовки 4 , выполненной по периметру диска ступицы 2. На схеме также показано протекторное резиновое кольцо, которое установлено на обод 1.

Выделение двух конструктивных схем, по существу, является первым уровнем варьирования характеристиками «гибких колес». На последующих

7

уровнях реализуются различные варианты исполнения основных элементов, например, ступица жесткая или с требуемыми характеристиками упругости, обод шарнирный или бесшарнирный, грунтозацепы резиновые или металлические и т.д.

Рис. 2. Схема «гибкого колеса» со свободными стойками

Для определения геометрических параметров и деформационных характеристик движителя t «гибкое колесо» разработана математическая модель.

На рис. 3 представлена расчетная схема «гибкого колеса» со свободными стойками, где показаны размеры элементов, определяющих величину статического радиуса движителя. Внутри каждого диапазона деформирования, характеризуемого распределением звеньев по участкам, зависимость статического радиуса от геометрических параметров элементов движителя выражается аналитически.

В качестве исходных параметров для расчета принимаем: £)0 - диаметр обода при его цилиндрической укладке; - число звеньев в ободе; -радиус переходного участка; - радиус ступицы; - высота стоек звеньев. Согласно построениям на схеме рис. 3., все параметры, необходимые для •

установления аналитической зависимости, могут быть выражены через исходные.

Рис. 3. Расчетная схема определения статического радиуса «гибкого колеса» со свободными стойками

Величина статического радиуса гс может быть записана:

п • (л А , ■ гг = кгып в--+(&тап.

I 2)

где входящие параметры выражаются следующим образом:

Яг =(/-ст+ и) со%—в\ (2) / 18

< = О0$т(я/и); (4)

0 = 18 агщ-,

2(гст+А)' / = 2гЯузт(у/2);

Яг СОБ

у = 8 агсБт -

2г„

(6) .

л

в-- — 2г 2

а = агссоэ-

• У

2гпу5т~ 2

о

(1)

(3) (5)

•(7)

После подстановок в формулу (1) выражений согласно (2) - (7) и преобразований получили:

Гг =

xsin

Ггт+h

_ 'гг

сс» А

-эш

18А-—

+ 2 г sin

ПУ

4arcsin-

2 г

arceos -

(rCT +/i)cos 18А-—" 2 -2fcosA

сое А2г вт ПУ f ^ 4arcsin- 2 г 1 пу)

(8)

Полученная зависимость гс = /('сТ,Л,Г>'лу) позволяет расчетным путем определить влияние изменений каждого из конструктивных параметров на статический радиус «гибкого колеса».

Расчет Гс по формуле (8) проводится с контролем соблюдения граничных условий, которые предполагают, что при изменениях конструктивных параметров элементов «гибкого колеса» не нарушается принятое соотношение числа звеньев по участкам. Такое условие может быть записано в виде неравенств, которые после преобразований имеют вид:

В качестве примера, по формуле (8) с соблюдением граничных условий согласно (9) и (10) определены зависимости гс=/(л) и гс = /{гпу), см. рис.4 и 5.

0Д2О 0,224 0,228 А 0,26 0,28 0,3 0,32 Г

Рис. 4. Зависимость ге(Ь) Рис. 5. Зависимость гс(гПу)

Для расчета зависимости Гс = /(й) в относительных величинах принято: С0=1,0; Гст =0,3; гпу = 0,3. Для з а в и с и мр т в е т -

ственно 00=1,0; /ст =0,3; к = 0,226.

Как показывает анализ зависимости Гс = /(/1), с увеличением высоты стойки Л статический радиус «гибкого колеса» уменьшается. Зависимость имеет почти линейный обратно пропорциональный характер. В рамках принятого диапазона согласно граничным условиям (9) и (10), с увеличением Л на 5,5 % статический радиус гг уменьшился на 12%. Увеличение радиуса гПУ на 27 % дает прирост гг около 8 %.

Полученные зависимости могут быть использованы для расчета «гибких колес» со свободными стойками разных размеров, методика расчета сохранится.

Определение нагрузок, действующих в конструкции «гибкое колесо», с учетом упругости её элементов достаточно сложно, т.к. образуется система многократно статически неопределимая. Для целей проектирования и общей оценки нагруженности элементов допустим приближенный их расчет при действии одной вертикальной нагрузки. Действие дополнительных нагрузок может быть учтено введением соответствующих коэффициентов.

В силу симметрии конструкции и приложенной внешней нагрузки можно ограничиться рассмотрением половины колеса (рис. 6). Выделим три участка, для каждого из которых определяются величина и направление внешних сил, т.к. связаны они шарнирами.

Направление сил Ро определяется прямой, проходящей через крайние шарниры переходного участка. Угол этой прямой относительно горизонта обозначим ао.

Рг

Величина силы действующей в соединительных шарнирах:

Р0 = 0,5СК / tga0, (И)

где б, - вертикальная нагрузка на колесо.

12

Из условия равновесия первого верхнего звена переходного участка определяем величины сил N1 и Ри а также направление действия последней. Первые два уравнения из системы уравнений равновесия ( ИХ = 0; = 0; 1М0 = 0 ) используем для записи всех неизвестных сил через Р0 и Х\ - составляющую силы вдоль оси д;, тогда:

Угол между направлением действия силы Р\ и осью х:

у, = агс81П-

Р1

(16)

Наклон линии действия силы Р| по отношению к горизонтали: Аналогичным образом определим силы Р2 и Л^.

Силы, действующие в конструктивных элементах опорного участка, определяем так же из условий равновесия соответствующих звеньев:

_ Р01$та0 .

'I----»

(18)

т _ Р02г5т«0

(19)

Характер изменения силовых нагрузок показывает, что наиболее нагруженными являются элементы опорного участка движителя.

Расчетная схема для определения нормальной жесткости «гибкого колеса» представлена на рис. 7.

Обод выше точек А и Б, а также ступица представляют собой жесткую часть «гибкого колеса». Элементы обода ниже точек А и Б не замыкаются на ступицу и образуют упругую арку, шарнирно опирающуюся в точках А и Б. Упругость арки с накладками жесткостью С(, работающими на сжатие, и связями Сг, работающими на растяжение, а также протекторный слой с же-

сткостью Сз создают упругость движителя в целом. Перечисленные упругие элементы, по существу, составляют последовательную цепь, в которую включается непосредственно, а С) и Сг входят через функциональные зависимости от геометрических параметров движителя.

Рис. 7. Расчетная схема определения нормальной жесткости «гибкого колеса»

Получено выражение вертикальной составляющей жесткости радиусного участка:

(20)

где Б.,= — вшу + 5 2

Вертикальная жесткость опорного участка СВ после преобразований выражается формулой:

/г.

Г -2С* ^ВС--

Жесткость движителя в целом определится по формуле:

1

-сг/с

1 ..-и-1

Свс С3

(22)

При использовании «гибких колес» в качестве альтернативного движителя важно обеспечение жесткости на уровне заменяемых пневмоколес, чтобы сохранить неизменной нагруженность машины.

Характер влияния размеров отдельных конструктивных элементов на параметры движителя в целом исследован на примере оптимального соотношения размера ступицы и радиуса переходного участка по критерию получения максимальной длины контакта. Полученная зависимость представлена на рис. 8.

Ц/Я

1,04-

1,03 1,02 1.01 1

; Ч

N

0,68

0,6

0,82 0,64 0,66 0,68

0,7

Бсг/Яг

Рис. 8. Зависимость длины контакта с почвой от диаметра ступицы

Анализ полученной зависимости показывает, что оптимальным будет размер ступицы, равный 0,64 йг.

В третьей главе изложена расчетная оценка взаимодействия движителя «гибкое колесо» с деформируемым опорным основанием.

В качестве исходной принята зависимость «сопротивление - деформация почвы» в виде гиперболического тангенса:

где сг- напряжение в контакте движителя с почвой, Па; р„ - предел несущей способности почвы, Па; кк- приведенный коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3; - глубина деформации почвы, м. Из зависимости (23) выразим глубину следа от воздействия на почву колесного движителя:

(23)

А = —АгаИ

Ра

<7,

(24)

где - максимальное давление колеса на почву, Па.

а

V/ ЛУ4У /У/ У// Л Ж^У ///

X

Рис. 9. Схема взаимодействия движителя «гибкое колесо» с почвой

Исходя из положения, что наименьший коэффициент неравномерности распределения давления по длине обеспечивает слегка выпуклая опорная поверхность движителя, задаемся параметрами «гибкого колеса», при которых опорный участок имеет форму вытянутого эллипса. Такая форма образуется при наличии упругости в поясе растяжения «гибкого колеса».

Для каждой точки опорного участка будет иметь место соотношение

Деформация почвы в месте элементарной площадки опорного участка равна у-уо- Нагрузка на элементарную площадку dp = ab dx, тогда вертикальная нагрузка, действующая на «гибкое колесо», будет равна:

где Вк - ширина обода «гибкого колеса», м;

къ - коэффициент объемного смятия почвы для данной наладки «гибкого колеса», Н/м3.

Из геометрических построений опорного участка (рис. 9) определим, что ордината верхней точки соприкосновения обода с почвой равна Верхний предел интегрирования Хо равен:

(25)

(26)

(27)

С учетом выражения (27) получим:

(28)

При небольших значениях —Л функция гЛ—^-Л

Ра Ро Ро

С учетом этого допущения интеграл (28) запишется в виде:

& к =

(29)

Рис. 10. Зависимость глубины следа от нагрузки на «гибкое колесо»: 1-при коэффициенте объемного смятия почвы ¿,=400 кН/м3; 2- ¿„=500 кН/м3;3- кк=600 кН/м3; 4- £к:=700кН/м3.

Решение уравнения (28) при разных значениях кК показано на рис. 10. Значения параметров были приняты: В, =0,1 м, а = 1,5 м, Ъ = 0,4 м. Характер расчетных зависимостей хорошо согласуется с результатом экспериментального определения зависимости И(О) - пунктирная линия на графике рис. 10.

В силу увеличенной длины и малой кривизны опорного участка «гибкого колеса» его воздействие на опорное основание эквивалентно некоторому жесткому цилиндрическому колесу большого диаметра. Поэтому дополнительная сравнительная оценка эффективности «гибких колес» и пнев-мошин равных габаритов выполнена с использованием расчетных формул предложенных профессором А.Ф. Полетаевым для жестких колес. Для большей общности результатов расчет и графическое построение зависимо-

стей выполнены в относительных единицах, полученных делением нагрузки на параметр грунта С.

Рис. 11. Номограмма определения показателей взаимодействия с грунтом колес разных условных эффективных диаметров.

Опуская нормали из точек 1 и 4 (рис. 11) на ось ординат, находим, что жесткое колесо при нормальной нагрузке 200С образует след глубиной 98 мм, а гибкое — 62 мм, т.е. в 1,5 раза меньше. Точки 2 и 5 соответственно дают коэффициенты сопротивления качению 1: для жесткого колеса - 0,23, для «гибкого» - 0,11, т.е. в 2,1 раза меньше. Точки 3 и 6 определяют коэф-

фициенты использования сцепного веса (рд: жесткое колесо имеет ф<з = 0,25, а «гибкое» - ф(} = 0,38, т.е. в 1,5 раза больше.

Для оценки эффективности перехода от пневмошины к «гибкому колесу» равных габаритов выполнено расчетное сравнение их показателей при одинаковых нормальных нагрузках.

В четвертой главе приведена программа и методика экспериментальных исследований, дано описание испытуемых объектов и испытательного оборудования, которое было разработано и изготовлено для данной работы: обжимного стенда, установки для проведения тяговых испытаний (рис. 12) и установки для определения сопротивления качению. В главе представлены результаты стендовых и полевых экспериментальных исследований различных вариантов колес.

Определение длины и площади контакта движителя с опорной поверхностью производилось при статических испытаниях на обжимном стенде.

Рис. 12. Экспериментальная установка для проведения тяговых испытаний: 1- энергосредство (переоборудованный мотоблок МТЗ-05); 2 - испытуемое колесо; 3 - опорные ролики; 4 - рельсовая направляющая; 5 -мерные грузы; 6 - система блоков; 7 - почвенный канал; 8 - металлору-кав.

Целью экспериментальных исследований являлась проверка зависимостей функциональных возможностей движителя от его конструктивного исполнения и, в частности, длины и радиуса опорного участка.

Согласно программе и методике испытания спланированы как сравнительные для исследуемых образцов колесных движителей при сохранении неизменными внешних условий, которые могут влиять на результат, но инструментально не контролировались. Ходовые испытания проводились как серия заездов при ступенчато увеличивающихся нагрузках.

Деформационные характеристики сравниваемых вариантов колес определены при их вертикальном нагружении. На рис. 13 приведены экспериментально полученные зависимости для гибкого колеса и пневмоши-ны, показывающие, что «гибкие колеса» имеют больший прогиб, чем пнев-мошины, при равных нагрузках. Наличие существенного прогиба «гибкого колеса» еще до приложения нагрузки является принципиальной особенностью этого типа движителя.

Рис. 13. Зависимость нормальной дефор-ма-ции от нагрузки: 1 - «гибкое колесо» с радиусом переходного участка Гпу=160 мм; 2 - «гибкое колесо» с радиусом переходного участка гпу=130 мм; 3 -шина 4.00-10, Рж:=80 кПа.

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1.2 1,4 в*, кН

Определение зависимости буксования от тягового усилия (рис. 14) показало, что в диапазоне от 0,12 до 0,15 кН буксование движителя «гибкое колесо» в 4...6 раз меньше, чем шины 4.00-10 при Рж=0,08 МПа равных габаритов и грузоподъемности.

Рис. 14. Зависимость буксования 5 от силы тяги для различных вариантов колесного движителя при одинаковых вертикальных нагрузках: 1 -цилиндрическое жесткое колесо с ободом гибкого колеса; 2 - пневмо-шина 4.00-10, Рж=0,08 МПа; 3 - «гибкое колесо», грунтозацепы резиновые, И=14 мм; 4 - «гибкое колесо», грунтозацепы металлические, И=22 мм, и резиновые, И=14 мм, через один

0 5 Ю Р«р, кН

Рис. 15. Зависимость буксования от нагрузки на крюке трактора Т-40М при движении по полю, подготовленному под посев: 1- колеса с шинами 13.6R.38, Р„,:=80 кПа, 2 - движитель «гибкое колесо»

Аналогичные тяговые испытания, но с другим типоразмером движителей, были проведены в полевых условиях с использованием трактора Т-40М (рис. 15). Анализ полученных кривых буксования также показывает, что по

тяговым возможностям «гибкие колеса» существенно превосходят трак-

торные пневмошины с минимальным внутренним давлением.

Рис. 16. Зависимость глубины следа Ь^, одиночного движителя от величины вертикальной нагрузки 1- пнев-мошина 4.00-10; 2-цилиндрическое жесткое колесо; 3-гибкое колесо.

Так, при Ркр:= 8...12 кН различие по величине буксования указанных колес составляло 4... 5 раз.

Рис. 17. Зависимость сопротивления качению одиночного движителя «гибкое колесо» от величины вертикальной нагрузки 1- фон грунтовое основание; 2 - фон жесткое основание

Экспериментальные зависимости глубины следа Ьсл от Ок для трех сравниваемых вариантов колес, приведенные на рис. 16, показывают, что наибольшая разница глубины следа зафиксирована при проходе колес с на-

чальной нагрузкой 0,5 кН. Это объясняется тороидной формой беговой дорожки пневмошины.

Для контроля внутренних потерь в «гибком колесе» проведено определение сопротивления качению по ровной твердой поверхности (рис. 17). Результат показывает, что в исследуемом образце внутренние потери превышают внешние, связанные со следообразованием. Это объясняется низким качеством изготовления деталей опытного образца «гибкого колеса».

Рис. 18. Эпюры напряжений аг в песчаном основании под колесами движителей: 1- колесо с шиной 13,6К38, Рж:=80 кПа; 2-«гибкое колесо»; на глубине а) -20 и б)-50 см при нагрузке на колесо 12,2 кН

Испытания пары «гибких колес», установленных на тракторе Т-40М, проводились в полевых условиях. На рис. 18 показаны осциллографические записи изменений напряжений в грунтовом основании на глубинах 0,2 и 0,5 м под колесом с шиной 13.6R.38, Рш:=0,08 МПа, и «гибким колесом».

24

Эпюры при проходе «гибкого колеса» более равномерны, но седлообразная форма и зубчатость эпюры давления свидетельствуют о неоптимальной форме опорной поверхности колеса.

Полученные экспериментальные данные характеризуются удовлетворительной погрешностью опыта (^=2,5 %) и незначительной изменчивостью данных (V:5,5 %) и согласуются с результатами расчетных оценок с достоверностью 0,95, что позволяет сделать вывод о возможности их использования для анализа исследуемых процессов работы колесных движителей.

В пятой главе приведена оценка эффективности движителя «гибкое колесо» в сравнении с пневмошиной равных габаритов.

Выполненный расчет экономической эффективности показывает, что применение «гибких колес» на легкодеформируемых опорных поверхностях обеспечивает повышение тягового КПД трактора в 1,5...1,7 раза, существенную экономию по составляющим эксплуатационных затрат и сокращение потерь урожая.

ВЫВОДЫ

На основании выполненного обобщения и анализа различных вариантов существующих колесных движителей, а также полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие выводы:

1. Существующие колесные движители, используемые на современных тракторах и сельхозмашинах, не достаточно эффективны на деформируемых опорных основаниях, так как их работа сопровождается существенными энергопотерями и нерациональным использованием предельных возможностей деформации почвы,.

2. Снижение основных факторов негативного воздействия на деформируемые опорные поверхности и энергопотерь достигается при использовании «гибких колес», принципиальными особенностями которых являют-

ся: отсутствие внутренних предварительных напряжений, ленточный обод, величина нормальных деформаций до 40% от свободного радиуса.

3. Разработана математическая модель «гибких колес», позволяющая определять их выходные характеристики с учетом параметров структурных элементов: соотношения размеров ступицы и стоек обода, кривизны участков сопряжения.

4. Установлено, что движитель «гибкое колесо» в сравнении с пнев-мошиной равных габаритных размеров обеспечивает увеличение длины контакта колес с опорной поверхностью на 30...50%, повышение тягового КПД на деформируемых почвогрунтах на 15...20% при снижении коэффициента сопротивления качению в 1,5... 2 раза и буксования в 3... 4 раза.

5. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили теоретические рекомендации по направлениям изменений конструктивных параметров движителей, обеспечивающим улучшение его тягово-сцепных возможностей и снижения негативного воздействия на почву.

6. На основе проведенных экспериментальных исследований образцов движителя «гибкое колесо» обоснованы варианты конструктивного исполнения движителя для различных уровней его загруженности. Разработаны основы комплексной оценки выбора типа движителя «гибкое колесо» для сельскохозяйственных машин, работающих в полевых условиях.

7. Разработанные номограммы позволяют определять габаритные размеры и тип колесного движителя в зависимости от нагрузки на него, с учетом допустимого уровня воздействия на почву. Эти номограммы, как справочный материал, могут использоваться при выборе комплектации машинно-тракторных агрегатов.

8. На основе комплексной оценки эффективности колесного движителя для деформируемых опорных поверхностей разработаны и переданы ФГУП «ФИИЦ СХМ» рекомендации, использованные при создании опытных образцов движителя «гибкое колесо».

9. Применение «гибких колес» в движителях сельскохозяйственных тракторов классов 0.6, 0.9, 1.4 обеспечивает повышение производительно-

26

сти МТА на энергоемких операциях (вспашка и др.) на 25...30% и снижение погектарного расхода топлива на 10... 15%. Экономический эффект от использования движителя «гибкое колесо» обеспечивает его окупаемость в течение 1,0...1,5 лет.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гавриков А.Н. К созданию движителей, обеспечивающих допустимое воздействие мобильной техники на почвогрунтовое опорное основание // Научные труды ВИМ, том 134, часть П.- М, 2001.

2. Гавриков А.Н, Гавриков Н.П. Конструктивные особенности гибких колес мобильной техники // Научные труды ВИМ, т. 139. - М, 2002.

3. Гавриков Н.П., Зайцев С.Д., Бейненсон В.Д, Гавриков А.Н. Альтернативный движитель для колесного трактора // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2003. № 6.

Р-8 18 9

Подписано в печать 01.03.04.

Формат бум. 60/90 1/16. Объем 1,5 п.л. Тир. 100 экз. Зак. Типография ГНУ ВИМ,

Москва, 109428, 1-й Институтский проезд, д.5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ - ОПОРНОЕ ОСНОВАНИЕ».

1.1. Воздействие ходовых систем на почву.

1.2. Особенности различных типов движителей и их воздействие на почву.

1.3. Анализ рекомендаций по совершенствованию движителей в научных работах.

1.4. Обоснование направления совершенствования колесного движителя для мобильных сельскохозяйственных машин.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ГИБКИХ КОЛЕС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СНИЖЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ДЕФОРМИРУЕМОЕ ОПОРНОЕ ОСНОВАНИЕ ДО ДОПУСТИМОГО

УРОВНЯ.

4 2.1. Описание конструктивной схемы «гибкого колеса».

2.2. Расчет геометрических параметров «гибкого колеса».

2.2.1. Геометрический расчет диафрагменного «гибкого колеса».

2.2.2. Геометрический расчет «гибкого колеса» со свободными стойками.

2.3. Определение деформационных характеристик.

2.4. Оценка предельных нагрузок, ограничений.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИБКИХ КОЛЕС

С ДЕФОРМИРУЕМЫМ ПОЧВОГРУНТОВЫМ ОПОРНЫМ ОСНОВАНИЕМ.

3.1. Анализ силового воздействия «гибких колес» на деформируемое опорное основание.

3.2. Расчетная оценка тягово-сцепных показателей.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОБРАЗЦОВ «ГИБКИХ КОЛЕС».

4.1. Программа и методика. Объекты экспериментальных исследований. Испытательное оборудование.

4.2. Результаты экспериментальных исследований. Анализ полученных результатов.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ДВИЖИТЕЛЯ «ГИБКОЕ КОЛЕСО».

Анализ данных о состоянии окружающей среды и влиянии на нее хозяйственной деятельности заставил человечество задуматься об уязвимости экосферы. Воздействие на нее антропогенного фактора (в том числе и мобильных средств различного назначения) ведет к необратимым изменениям климата, ландшафта, состояния водных ресурсов и почвы. С другой стороны, рост населения планеты ставит проблему обеспечения продовольствием в ряд наиболее актуальных. Роль почвы в решении этой задачи трудно переоценить.

Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур предусматривают многократные проходы машин по полю. Вследствие этого поля подвергаются за сезон двух.четырехкратному воздействию ходовых систем, а отдельные участки поля восьми.девятикратному. Исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными, показали, что по следу колесных тракторов урожайность основных сельскохозяйственных культур снижается на 8.25 % [52,18], сопротивление последующей обработке увеличивается на 40 % [34], переуплотнение приводит к деградации почв, разрушение структуры -к развитию ветровой эрозии [48]. Перечень негативных последствий можно продолжать.

Современные колесные тракторы имеют двигатели, мощность которых более чем достаточна для целей движения, и лимитирует И функциональные возможности трактора чаще всего движитель (ограничения по сцеплению, воздействие на почву, энергопотери на движение, скорость и плавность хода и, соответственно, производительность).

Низкая продуктивность полеводства, высокая энергоемкость механизированных работ в значительной мере являются результатом несоответствия ходовых систем условиям сельскохозяйственных опорных поверхностей. Эффективность движителей не может быть определена в ♦ отрыве от рассмотрения опорных поверхностей, на которых они должны работать. Оценивать можно только систему «движитель - опорное основание». Эффективность этой системы для дорожных машин повышается путем совершенствования обеих составляющих, включая строительство дорогостоящих дорог. Для трактора основным опорным основанием служит почва, и ее не только нельзя уплотнять в угоду движителю, но необходимо максимально беречь.

Негативные последствия носят кумулятивный характер, ведут к деградации почв, поэтому проблема допустимого воздействия движителей на почву приобретает все большую остроту.

Экономическая значимость проблемы настолько существенна, что даже ее частичное решение окажет заметное влияние на уровень эффективности сельскохозяйственного производства.

Усовершенствования пневмошин в течение длительного времени не дают радикального прогресса, поэтому представляется целесообразным рассматривать проблему более широко, с выходом за рамки конструктивной

• схемы пневмоколес.

В литературе приводятся отдельные рекомендации конструктивного плана по усовершенствованиям эластичных колес, но нет комплексных решений высокоэффективного движителя. Сложность процессов, многофакторность оценок работы движителя затрудняют обоснование оптимальных параметров колесных движителей для сельскохозяйственных полевых машин. Указанные аргументы свидетельствуют об актуальности научных работ в данном направлении.

Настоящая работа - вариант решения научно-технических задач создания движителя, обеспечивающего допустимое воздействие на почву при высокой функциональной эффективности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании выполненного обобщения и анализа различных вариантов существующих колесных движителей, а также полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие выводы:

1. Существующие колесные движители, используемые на современных тракторах и сельхозмашинах, не достаточно эффективны на деформируемых опорных основаниях, так как их работа, сопровождается существенными энергопотерями и нерациональным использованием предельных возможностей деформации почвы.

2. Снижение основных факторов негативного воздействия на деформируемые опорные поверхности и энергопотерь достигается при использовании «гибких колес», принципиальными особенностями которых являются: отсутствие внутренних предварительных напряжений, ленточный обод, величина нормальных деформаций до 40% от свободного радиуса.

3. Разработана математическая модель «гибких колес», позволяющая определять их выходные характеристики с учетом параметров структурных элементов: соотношения размеров ступицы и стоек обода, кривизны участков сопряжения.

4. Установлено, что движитель «гибкое колесо» в сравнении с пневмошиной равных габаритных размеров обеспечивает увеличение длины контакта колес с опорной поверхностью на 30.50% и повышение тягового КПД на деформируемых почвогрунтах на 15.20% при снижении коэффициента сопротивления качению в 1,5.2 раза и буксования в 3.4 раза.

5. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили теоретические рекомендации по направлениям изменений конструктивных параметров движителей, обеспечивающим улучшение его тягово-сцепных возможностей и снижения негативного воздействия на почву.

6. На основе проведенных экспериментальных исследований образцов движителя «гибкое колесо» обоснованы варианты конструктивного исполнения движителя для различных уровней его загруженности. Разработаны основы комплексной оценки выбора типа движителя «гибкое колесо» для сельскохозяйственных машин, работающих в полевых условиях.

7. Разработанные номограммы позволяют определять габаритные размеры и тип колесного движителя в зависимости от нагрузки на него, с учетом допустимого уровня воздействия на почву. Эти номограммы, как справочный материал, могут использоваться при выборе комплектации машинно-тракторных агрегатов.

8. На основе комплексной оценки эффективности колесного движителя для деформируемых опорных поверхностей разработаны и переданы ФГУП «ФИИЦ СХМ» рекомендации, использованные при создании опытных образцов движителя «гибкое колесо».

9. Применение «гибких колес» в движителях сельскохозяйственных тракторов классов 0.6, 0.9, 1.4 обеспечивает повышение производительности МТА на энергоемких операциях (вспашка и др.) на 25.30% и снижение погектарного расхода топлива на 10. 15%. Экономический эффект от использования движителя «гибкое колесо» обеспечивает его окупаемость в течение 1,0. 1,5 лет.

1. Автомобильные шины / Бидерман B.JL, Гуслицер P.JL, Захаров С.П. и др. М.: Госхимиздат, 1963. - 384 с.

2. Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. — М.: Машиностроение, 1972. 184 с.

3. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981.-232 с.

4. Алексейчик H.A. Использование машинно-тракторного парка на тофяно-болотных почвах. JL: Колос (Ленингр. отд-ние), 1978. - 240 с.

5. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. М.: Высшая школа, 1976. - 328 с.

6. Бабков В.Ф. и др. Проходимость колесных машин по грунту. -М.: Автотрансиздат, 1959. 189 с.

7. Балабин И.В., Путин В.А. Автомобильные и тракторные колеса. -Челябинское книжное издательство, 1963. 336 с.

8. Баранов Д.С. Измерительные приборы, методика и некоторые результаты исследования распределения давлений в песчаном грунте. Научное сообщение. -М.: ЦНИИСК, 1959. Вып.7. - С.61.

9. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность машина. - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

10. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. — М.: Агропромиздат, 1988. 240 с.

11. Бондарев А.Г. Прогнозная оценка уплотнения почв движителями // Техника в сельском хозяйстве. 1988. - №5. - С.13.

12. Бондарев А., Русанов В. Осторожно почва!//Сельский механизатор. - 1984. - №8. - С.22.23.

13. Бухин Б.Л., БойковВ.П., Сизова С.И., Чернявская Л.Е. Современные конструкции и перспективы развития шин для сельскохозяйственной техники: Обзорная информация. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1986.

14. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин. М.: Химия, 1988.-224 с.

15. Веденяпин Г.В. и др., Эксплуатация машинно-тракторного парка. -М.: Колос, 1968.

16. Веселов Н.Б., Рукавишников C.B. и др. Сравнительный анализ воздействия на почву пневматической и металлической гусениц трактора // Научные труды ВИМ, т.81. М.: ВИМ, 1978.

17. Водяник И.И. Воздействие ходовых систем на почву (научные основы). М.: Агропромиздат, 1990. - 172 с.

18. Водяник И.И. Улучшение работы тракторных шин//Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1985. - №9.

19. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. М.: Машиностроение, 1982. - 281 с.

20. Вражнов A.B. Деформация почвы мощными тракторами. //Земледелие. 1965. - №12. - С.27-29.

21. Гавриков А.Н., Гавриков Н.П. Конструктивные особенности гибких колес мобильной техники // Научные труды ВИМ, том 139. М.: ВИМ, 2002. -С.66-68.

22. Гавриков А.Н. К созданию движителей, обеспечивающих допустимое воздействие мобильной техники на почвогрунтовое опорное основание // Научные труды ВИМ, том 134, часть П. М.: ВИМ, 2001. -С.76-97.

23. Гавриков Н.П., Зайцев С.Д., Бейненсон В.Д., Гавриков А.Н. Альтернативный движитель для колесного трактора // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2003. - № 6. - С.5-6.

24. Генних М.Э. Сцепление автомобильного колеса с деформируемым грунтом. «Проблемы повышения проходимости колесных машин». М.: Изд-во АН СССР, 1959.

25. Гуськов В.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. (Выбор и обоснование некоторых параметров). М.: Машиностроение, 1966. - 196 с.

26. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (с основновами статистической обработки результатов исследований). — Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Колос, 1979. - 416 с.

27. Кацыгин В.В. Вопросы технологии механизированного сельскохозяйственного производства. Минск, БССР: Сельхозгиз, 1963.

28. Кацыгин В.В. Основы теории выбора оптимальных параметров мобильных сельскохозяйственных машин и орудий. В кн.: Вопросы земледельческой механики т. XIII. Минск: Урожай, 1964.- с. 5-147.

29. Кнороз В.И., Кленников Е.В., Шины и колеса. М.: Машиностроение, 1975.

30. Коробейников А.Т., Лихачев B.C., Шолохов В.Ф. Испытания сельскохозяйственных тракторов. — М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

31. Косов Е.В. Интенсификация научных исследований и разработок. -М.: Экономика, 1983.

32. Ксеневич И.П., Ляско М.И. О нормах и методах оценки механического воздействия на почву движителей с.-х. техники // Тракторы и сельхозмашины. 1986. - №3. - С. 9. .15.

33. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система — почва урожай. -М.: Агропромиздат, 1985. - 304 с.

34. Куляшов А.П., Колотилин В.Е. Экологичность движителей транспортно-технологических машин. -М.: Машиностроение, 1993. 288 с.

35. Литвинов A.C. О причинах потерь мощности при качении ведущего колеса // Автомобильная промышленность. 1972. - №5.

36. Львов Е.Д. Теория трактора. Машгиз, 1952.

37. Маслов H.H. Прикладная механика грунтов. М.: Машиностроение, 1949.-413 с.

38. Машиностроительные материалы. Краткий справочник. Под ред. В.М.Раскатова, изд. 2-е пер. и доп. М.: Машиностроение, 1969.

39. Медведев В.В., Цыбулько В.Г., Слободюк П.И. Нормирование допустимых нагрузок ходовых систем МТА на почву // Научные труды ВИМ, т.118. М.: ВИМ, 1988. - С.57-67.

40. Петрушов В.А., Шуклин С.А., Московкин В.В. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов. М.: Машиностроение, 1975.

41. Пигулевский М.Х. Отчет по испытанию тракторов в Персиановке. Часть III.-Л., 1929.- 191 с.

42. Полетаев А.Ф. Основы теории сопротивления качению и тяги жесткого колеса по деформируемому основанию. — М.: Машиностроение, 1971.-С.69.

43. Природно-сельскохозяйственное районирование земельного фонда СССР.-М., 1975.

44. Пупонин A.B., Матюк Н.С. Депрессия почвы при уплотнении и методы ее устранения // Земледелие. 1986. - №6.

45. Ревут И.Б., Соколовская H.A., Васильев A.M. Структура и плотность почвы основные параметры, кондиционирующие почвенные условия жизни растений. - В кн.: Пути регулирования почвенных условий жизни растений. - JL, 1971.

46. Результаты испытаний гибких колес на сельскохозяйственном тракторе тягового класса 0,9 и перспективы их применения для снижения воздействия на почву. Гавриков Н.П. и др. // Ходовые системы сельскохозяйственных тракторов: Тр. НПО НАТИ. М., 1991.

47. Рекомендации по снижению уплотняющего воздействия ходовых систем мобильной сельскохозяйственной техники на почву. Киев: Урожай, 1988.-40 с.

48. Рославцев A.B. Теория движения тягово-транспортных средств — М.: УМЦ «Триада», 2003.

49. Рукавишников C.B. Влияние некоторых конструктивных параметров снегоходной машины на сопротивление движению // Труды Горьковского политехнического института, т.31, вып.16. Горький, 1975.

50. Русанов В.А., Небогин U.C., Фиронов H.H. Изменение затрат энергии на обработку почвы при ее уплотнении различными ходовыми системами // Научные труды ВИМ, т.91. М., 1981. - С.69-78.

51. Русанов В.А. Проблема переуплотнения почв движителями и эффективные пути ее решения. -М.: ВИМ, 1998. 368 с.

52. Русанов В.А., Садовников А.Н., Юшков Е.С. Небогин И.С., Баутин В.М. Воздействие движителей тракторов на почву и ее плодородие // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1983. - №5.

53. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.

54. Синкевич П.Н., Кункевич П.А., Быков H.H. Определение воздействия ходовых аппаратов машин на почву // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1985. - №4. - С.23-25.

55. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин: Учеб. для студентов автомобильных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1981.-271 с.

56. Спирин П.С., Кушнарев A.C. Проблемы экологии // Техника в сельском хозяйстве. 1989. - №1.

57. Справочник каталог по сельскохозяйственным шинам. В 2-х т. / Г.А.Клысак и др. - Днепропетровск: Лира, 2001.

58. Танклевский М.М. Снижение затрат энергии при взаимодействии ходовых устройств с почвой // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1984. - №11.

59. Транспортные средства на высокоэластичных движителях. / Н.Ф.Бочаров и др. М.: Машиностроение, 1974. - 208 с.

60. Тяговые характеристики сельскохозяйственных тракторов. — Альбом-справочник. -М.: Россельхозиздат, 1979. -240 с.

61. Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных. — М.: Колос, 1994. 169 с.

62. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров./Пер. с англ. М.: Наука, 1968. - 400 с.

63. Цытович H.A. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979. -272 с.

64. Чудаков Е.А. Качение автомобильного колеса // Труды OAJI Института машиноведения АН СССР, вып.9. М. - JL: Изд-во АН СССР, 1948.-200 с.

65. Шалягин В.Н, Ткаченко Д.И. К вопросу определения радиусов, сопротивления качению и КПД эластичного колеса // Сборник научных трудов МИИСП. М., 1979. - с.9-16.

66. Шалягин В.Н. Транспортные и транспортно-технологические средства повышенной проходимости: Теория рабочих процессов и системное проектирование. -М.: Агропромиздат, 1986. 254 с.

67. Шины для сельскохозяйственной техники / В.Н.Белковский, В.Н.Лаптев, А.А.Матвеев и др. -М.: Химия, 1986. 112 с.

68. Эффективность применения ходовых систем со сниженным уровнем воздействия на почву. A.A. Юшин, В.Г. Евтенко, Ю.Н. Благодатный // Научные труды ВИМ, т. 118. М.: ВИМ, 1988. - С. 174-181.

69. Яблонский О.В. Научные основы обоснования и установления предельно допустимого буксования колесных сельскохозяйственных тракторов: Автореф. дис. д.т.н. — Минск, 1981.

70. Hemingway P., Price I.S., Scoott I.O. A system to control traktor ture inflation pressure on the move // Agricultural Engineering. — 1982. N 4. - p. 109112.

71. Landtechnik und Uniwelt Herausforderung der 90er Jahre/ Eisenkrämer Kurt//Landtechnik. 1989. -№12. - S.504-506.

72. Soane B.D. The ground pressure of wheels and traks // Power Farm. -1970. V.44, X&4. - P.40-44.

73. Terra-Reifen Bodendruck. Jsensee Edmund, Sonderhoff Winfried // Landtechnik, 1985. № 9. - S.384-387.