Estimation of soil compaction by ВТ-150 tractor equipped with different types of caterpillars

Full Text

УДК 631.372:620.174 ТСМ № 9-2014 Оценка воздействий на почву трактора ВТ-150 с различными типами гусеничных движителей Канд. техн. наук В.Ю. Ревенко (Северо-Кавказская опытная станция Краснодарского НИИСХ), инж. Д.Г. Купрюнин, канд. техн. наук В.Д. Бейненсон, инж. Р.С. Федоткин (ОАО «НИИ стали», mail@niistali.ru), канд-ты техн. наук И.Ф. Белый (Северо-Кавказская МИС), Н.Б. Веселов, инж. Н.В. Зверев (ЗАО «Транспорт») Аннотация. Приведены результаты испытаний по оценке уплотняющих воздействий на почву с.-х. трактора ВТ-150 с различными типами гусеничных движителей. Ключевые слова: сельскохозяйственный трактор, резиноармированная гусеница, серийная гусеница с открытым металлическим шарниром, гусеница с пневматическими элементами, уплотняющее воздействие на почву, результаты испытаний. Ходовые системы с.-х. тракторов и машин воздействуют на 20-60% обрабатываемого поля. Некоторые участки поля подвергаются трех-девятикратному воздействию. Как правило, это приводит к ухудшению физико-механических и агрофизических свойств почвы: увеличению объемного веса в 1,1-1,4 раза, твердости в 3-5 раз, сопротивления обработке в 1,3-1,9 раза, глыбистости в 2,4 раза, количества эрозионно опасных частиц в 3-5 раз [1]. Один из путей снижения негативного воздействия ходовых систем на почву - усовершенствование гусеничных движителей тракторов и сельхозмашин. Несмотря на более высокие тяговые и агротехнические показатели гусеничной техники в сравнении с колесной, ее применение ограничено высоким уровнем шума и вибраций ходовой системы с металлическими гусеницами, их низким ресурсом, относительно низкой транспортной скоростью, невозможностью движения по дорогам с твердым асфальтовым покрытием. Устранение этих недостатков может быть достигнуто за счет использования резиноармированных гусениц (РАГ) или гусеничных лент с пневматическими элементами. Оценка воздействий на почву трактора ВТ-150 (ВгТЗ) с различными типами гусениц проводилась специалистами Армавирской опытной станции ВНИИМК совместно со специалистами ОАО «НИИ стали», Северо-Кавказской МИС и ЗАО «Транспорт». Техническая характеристика трактора приведена в работе [2]. Для решения поставленной задачи для каждого типа гусеничных движителей необходимо: - определить статическую нагрузку на опорные катки в соответствии с ГОСТом 26953-86; - измерить геометрические параметры ходовой системы трактора; - получить эпюры нормальных напряжений на глубине 0,2 м в соответствии с ГОСТом 26953-86; - рассчитать максимальные нормальные напряжения в почве на глубине 0,5 м в соответствии с ГОСТом 26954-86. Исследования проводили в крытом «песчаном канале» длиной 30 м и шириной 7 м. Глубина песчаного основания 0,7 м. В районе закладки датчиков песок был просеян на глубину 0,4 м. Влажность песка не превышала 1,1%, содержание частиц размером от 0,06 до 1,5 мм - 87%; от 0,002 до 0,06 мм - 9%; до 0,002 мм - 4%. В подготовленном песчаном опорном основании была вырыта траншея глубиной 20±1 см и шириной 0,7 м. На дно траншеи по продольной оси заложили пять датчиков давления, расстояние между которыми было установлено по данным многолетних практических испытаний и составило соответственно: 0,585; 0,745; 0,675 и 0,55 м. Для регистрации нормальных напряжений в опорном основании использовали датчики давления М-70 конструкции ЦНИИСК с пределом измерений 300 кПа. Каждый из них был подключен к своему модулю ввода-вывода ICP DAS I-7016. Эти модули были скоммутированы с модулем преобразования ICP DAS 4561, сигналы от которого регистрировались и обрабатывались с помощью ноутбука. Преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков и регистрирующий прибор обеспечивали общую погрешность измерений не более 1,5% от максимального значения градуировки. Определение линейных размеров и статических нагрузок от каждого единичного движителя осуществляли на специальной ровной бетонной площадке. Нагрузки на катки измеряли с помощью электронных тензометрических весов CAS RW-10P с пределом взвешивания 10 000 кг и пределом допускаемой погрешности 20 кг. Параллельно в соответствии с требованиями ГОСТа 26953-86 определяли массу трактора и нагрузки на движители с помощью платформенных весов Рс30Ц24Ас с пределом измерения 30 т. Трактор ВТ-150 был полностью укомплектован и заправлен эксплуатационными жидкостями и топливом. Спереди навешены балластные грузы общим весом 700 кг. Статическую нагрузку, передаваемую на почву опорными катками, определяли при полном растормаживании гусениц, которые были при этом кинематически отсоединены от двигателя и максимально ослаблены. Измерения проводили при наезде трактора левой и правой гусеницами в прямом и обратном направлениях (рис. 1). Нормальные напряжения определяли при проходе трактора со скоростью 0,7 м/с по участку с установленными датчиками. Регистрирующую аппаратуру включали на расстоянии не менее 1,5 м между первым опорным катком и первым датчиком и выключали после прохода последнего катка (рис. 2). Одной и той же гусеницей делали повторно в одном направлении не менее семи учетных проходов. Измерения проводили при трех перезакладках датчиков. Результаты измерения нагрузок, приходящихся на опорные катки, каретки, левый и правый борта трактора приведены в табл. 1. Учитывая, что правый борт весил больше левого, измерение эпюр нормальных напряжений в «песчаном канале» производили под правой гусеницей. Поскольку спереди на трактор были навешены балластные грузы, центр тяжести сместился вперед относительно центра базы (расстояния между крайними опорными катками): у ВТ-150 с серийными гусеницами и РАГ - на 20,6 см, с пневматическими гусеницами - на 15,9 см. Таблица 1 Распределение массы трактора по опорным каткам и кареткам Тип гусеничного движителя Борт Каток Каретка 4 3 2 1 II I I + II Серийный Л 680 680 1270 1400 1360 2670 4030 П 720 700 1280 1420 1420 2700 4120 Л+П 1400 1380 2550 2820 2780 5370 8150 РАГ Л 660 730 1250 1370 1390 2620 4010 П 670 750 1270 1400 1420 2670 4090 Л+П 1330 1480 2520 2770 2810 5290 8100 Пневматический Л 700 1080 1630 1300 1780 2930 4710 П 710 1110 1650 1330 1820 2980 4800 Л+П 1410 2190 3280 2630 3600 5910 9510 Благодаря многочисленным исследованиям установлено, что коэффициент неравномерности напряжений ξ зависит от положения координаты центра тяжести относительно середины опорной поверхности гусеницы, а также от упругости подвески, отношения шага катков к шагу гусеницы, количества катков, угловой жесткости гусеницы, вертикальной упругой податливости гусеницы, способности опорного основания перераспределять массу грунта из зон под катками в промежутки между ними и других факторов [1]. Так, при испытании на Армавирской опытной станции трактора Т-250 с резинометаллическими гусеницами с тремя координатами центра тяжести получены следующие значения ξ: 2,27 при L=1960 мм; 2,76 при L=2078 мм; 2,27 при L=2179 мм. Для гусениц с открытым шарниром коэффициент неравномерности напряжений был на 15% выше, чем для гусениц с РМШ. Для сравнения приведем коэффициенты неравномерности для гусеничных тракторов, полученные в разные годы: Т-70С - 2,86; Т-90С - 1,78; ДТ-75М - 2,89; Т-150 - 3,13; Т-4А - 3,44; Т-250 - 2,56. В результате проведения измерений наибольший коэффициент неравномерности ξ=3,817 был получен для трактора с серийными гусеничными движителями. Общий вид эпюр напряжений приведен на рис. 3. Анализ эпюр показал, что их экстремумы соответствуют нагрузкам, действующим на опорные катки. Характер протекания эпюр отличается от опыта к опыту, что обусловлено прежде всего тем, какая часть движителя находилась в момент измерений над датчиком - звено гусеницы или шарнирная часть, тем, насколько уплотнен столб песка над и под датчиком, а также другими причинами. Более равномерное распределение напряжений наблюдается у трактора с РАГ. Среднее значение ξ составило 2,99, что на 27,7% меньше, чем у эталона. Общий вид эпюр (рис. 4) также отличается от предыдущего случая: датчики фиксировали нормальные напряжения не только под катками, но и в промежутках между каретками (у серийных движителей в этом месте напряжения снижались практически до нуля). Данный фактор свидетельствует о более высоком натяжении резиноармированных гусеничных лент и более равномерном распределении веса трактора на плоскости опорного основания. На рис. 4, б приведены эпюры, полученные в результате нескольких заездов трактора по одному датчику М-70: амплитуды всплесков давлений на эпюрах отличаются незначительно, площади эпюр практически одинаковы. Переоснащение трактора ВТ-150 движителями с пневмоэлементами позволило снизить коэффициент неравномерности напряжений ξ до 2,315, что на 29,2% ниже, чем у трактора с РАГ, и на 65% ниже, чем у серийного образца. Характер протекания эпюр (рис. 5) несколько отличается от приведенных ранее. Датчики практически не реагировали на зазор между катками одной каретки, но каждый пневмотрак оставлял всплеск на осциллограмме. Кроме того, четко виден момент прохождения передней и задней кареток над датчиками. Положительную роль в увеличении равномерности распределения нормальных напряжений по опорному основанию сыграла конструкция гусеничной ленты с пневмоэлементами. Последние, соприкасаясь друг с другом, за счет трения передавали усилие от катков не одним, а несколькими пневмотраками. Статистические показатели коэффициентов неравномерности эпюр нормальных напряжений для различных видов движителей приведены в табл. 2. Относительная ошибка среднего значения коэффициента неравномерности для трактора-эталона составила 1,38%, для трактора с РАГ - 0,99%, с пневматическими элементами - 0,92%. Таблица 2 Результаты оценки гусеничных движителей Параметр Серийный движитель РАГ Пневматический движитель Масса трактора, кг 8150 8100 9510 Длина гусеницы в контакте с почвой, Lг, м 1,76 Условная длина гусеницы, Lус, м 1,93 1,85 1,93 Ширина гусеницы, bг, м 0,47 0,47 0,7 Шаг гусеницы, tг, м 0,17 0,126 0,17 Коэффициент неравномерности ξ 3,817 2,99 2,315 Доверительные границы, ξ05 ±0,115 ±0,0595 ±0,0423 Относительная ошибка, S, % 1,38 0,99 0,92 Площадь контакта гусеницы с почвой, Fг, м2 0,77 0,87 1,35 Среднее давление гусеничного движителя на почву, , кПа 52,42 46,14 34,85 Максимальное давление гусеничного движителя на почву, qг, кПа 156,87 107,61 65,27 Сопоставление полученных данных с нормативом, рассчитанным по ГОСТу 26955-86, показывает, что фактическое максимальное давление трактора ВТ-150ТГ на почву при ее влажности выше 0,9 НВ в весенний период превышает нормативный показатель: для серийного гусеничного движителя в 1,9 раза, для РАГ - в 1,3 раза. Для пневматического движителя оно соответствует нормативу и позволяет использовать данную конструкцию при любых значениях влажности почвы (с учетом забиваемости почвой). РАГ обеспечивают работу трактора при влажности почвы до 0,7 НВ в весенний период и до 0,9 НВ - в осенний. Серийный гусеничный движитель обеспечивает работу трактора, безопасную с точки зрения предотвращения возможного переуплотнения почвы, при влажности до 0,6 НВ в весенний и осенний периоды. Максимальное нормальное напряжение σh в почве на глубине 0,5 м регламентируется в целях предотвращения чрезмерного уплотнения подпахотных слоев и определяется по ГОСТу 26954-86. Для трактора ВТ-150ТГ оно составило: для серийного гусеничного движителя - 22,9 кПа, для РАГ - 23,7 кПа, для движителя с пневмоэлементами - 23,5 кПа, что меньше нормируемого показателя (σh норм= 25 кПа).

About the authors

V. Yu Revenko

North-Caucasian Testing Station of Krasnodar Research Institute of Agriculture

D. G Kupryunin

Research Institute of Steel, PLC

Email: mail@niistali.ru

V. D Beynenson

Research Institute of Steel, PLC

R. S Fedotkin

Research Institute of Steel, PLC

I. F Bely

North-Caucasian Machine-Testing Station

N. B Veselov

Transport closed corporation

N. V Zverev

Transport closed corporation

References

Supplementary files