Loading of tractor on drawbar test when pulling force is directed at the angle

Full Text

Введение Реальные показатели тракторов определяются по результатам полевых тяговых испытаний. Известно по меньшей мере два метода тяговых испытаний тракторов. Первый метод применяется лабораторией испытаний тракторов Университета штата Небраска в Линкольне (США) [1], второй - машиноиспытательными станциями и другими организациями в России [2]. Есть основания полагать, что американским методом пользуются и некоторые европейские компании [3], чем обеспечивается сравнимость результатов. Оба метода подробно описаны и не требуют пояснений, однако кратко отметим их характерные особенности. Американский метод отличается применением специальной дорожки, на которой проводятся испытания (тармакадама). Это обеспечивает стабильность при разных погодных условиях, но исключает испытания гусеничных тракторов с металлическими траками. Заметим, что в США и мире парк с.-х. тракторов составляют преимущественно более универсальные колесные, в то время как в России в прежние годы они составляли только около половины парка. Подобная структура парков продиктована отличающимися почвенно-климатическими условиями стран. Цель исследования Цель работы - предложить и обосновать метод нагружения трактора силой тяги не горизонтально, а под углом. Материалы и методы В лаборатории испытаний тракторов Университета штата Небраска в Линкольне (США) проходят испытания практически все производимые в мире тракторы, результаты испытаний регулярно публикуются в Интернете [1]. Стабильные характеристики искусственной дорожки обеспечивают сопоставимость результатов. Однако отсутствие взаимосвязи таких данных с реальной почвой не позволяет оценить показатели работы движителей и ходовой системы в целом с рядом других общих характеристик. Методика испытаний тракторов, применяемая в РФ [2], предусматривает проведение опытов на реальных почвах, а не на искусственном фоне, и направлена на широкий охват разнообразных природных условий страны, из-за чего она весьма затратна. Но даже в этих условиях тяговые испытания не дают полной картины работы. Исходя из этого, можно получить для каждого трактора рекомендации по нагружению для различных случаев, обеспечивая максимально возможный тяговый КПД. Суть сказанного показана на рис. 1, на котором сила тяги приложена к тяговому поперечному брусу нижних тяг навесного устройства не горизонтально, а под некоторым углом . Разложим силу на горизонтальную составляющую , которая равна сумме сил тяги каждого колеса , и вертикальную составляющую . От силы возникает момент на плече , опрокидывающий трактор назад, а от силы возникает момент, опрокидывающий трактор вперед. При этом может происходить как догрузка, так и разгрузка задних и передних колес. Регулируя угол , можно воздействовать на тяговую динамику трактора. Для улучшения тягово-сцепных свойств применяют балластирование трактора. В зависимости от его тягового класса балластные грузы имеют различный вес. У наиболее мощных тракторов суммарный вес балласта может достигать 40 кН. Например, гусеничный трактор Challenger MT855 при увеличении эксплуатационного веса на 27 кН может на тармакадаме развить тягу на крюке на 20% больше, чем без балластирования, а при увеличении веса на 41 кН - на 37,5% больше при одной и той же величине буксования (рис. 2, а) [4]. На колесные тракторы балластные грузы навешиваются спереди и на диски колес. На гусеничные - спереди, сбоку на раму ходовой системы, на направляющие колеса. Балластные грузы, устанавливаемые спереди трактора и увеличивающие нагрузку на передний мост, улучшая его сцепные качества и управляемость, препятствуют опрокидыванию назад. Балластирование в целом снижает буксование, тем самым повышая скорость трактора (рис. 2, б). Из рис. 2, б видно, что без балласта на больших тягах имеет место снижение скорости. Для данного трактора при силе тяги до 170 кН балластирование не дает выигрыша в скорости, так как кривые практически совпадают, что позволяет снизить его массу. Однако при балластировании увеличивается сила сопротивления качению, негативно влияющая на тяговый КПД трактора. Более того, в большинстве случаев передний балласт не снимается и остается на тракторе на постоянной основе, что увеличивает расход топлива. Поэтому возникает задача поиска таких технических решений, которые оптимизировали бы работу трактора без использования переднего балласта. Графики на рис. 2 указывают на то, что параметры зависимы от применения балласта на специальном искусственном фоне тармакадаме и поэтому далеки от реальных. Имеющиеся же реальные характеристики [5] могут быть ограниченно использованы для предварительных расчетов на основных видах почв. Поэтому научная задача состоит в уточнении расчетных и экспериментальных методик испытаний машинно-тракторных агрегатов с учетом режимов их работы. Важно найти такую развесовку, при которой трактор может реализовать наибольшую силу тяги при наибольшем значении тягового КПД. Стоит отметить, что при увеличении сцепного веса тяговый КПД практически не меняется, но при этом увеличивается верхняя граница силы тяги [5]. Рассмотрим силы, действующие на колесный трактор с передним балластом и влияющие на величину реакций почвы. Допустим, что трактор движется по горизонтальной поверхности прямолинейно и равномерно, сопротивление качению пренебрежимо мало. Влияние каждой силы на реакции почвы показывают уравнения сумм моментов относительно точек и : ( ((1) Запишем уравнения реакций почвы на передние и задние колеса трактора только от действия веса : ( Вес, приходящийся на каждую ось, обозначим как и , кН. Проведем расчеты на примере трактора John Deere 5525 [6] (исходные данные см. в табл. 1). Значения и занесем в табл. 2. Таблица 1 Исходные данные для расчета развесовки трактора John Deere 5525 Параметр Значение Параметр Значение , Н 34 520 , Н 8000 , м 2,178 , м 0,996 , м 0,854 , Н 2000 , Н 30 000 , м 1 , м 0,455 , Н 1500 , град. +15 , м 1,8 Таблица 2 Сложение весовых нагрузок № п/п Задняя ось Передняя ось Параметр Значение, кН Параметр Значение, кН 1 20,98 13,54 2 0,26 1,24 3 -0,92 2,92 4 -11,71 5 5 6,27 -3,68 6 21,24 14,78 7 20,32 17,7 8 26,59 14,02 9 14,88 19,02 Аналогично рассчитаем развесовку для балласта, находящегося в пределах колесной базы (балластные грузы на колесах, водитель, оборудование и т.п.). Изменение веса на каждой оси относительно развесовки без использования балласта обозначим как и , кН (см. табл. 2). К реакциям от силы тяжести трактора добавим реакции от действия веса балласта, установленного спереди: ((2) В формулах (2) и в дальнейшем знак «-» у значения приращения веса означает разгрузку оси, знак «+» означает догрузку. Таким образом, при установке переднего балласта передние колеса догружаются, а задние разгружаются. Теперь добавим действие только силы . Найдем реакции почвы и занесем значения величин в табл. 2. ((3) С учетом знаков реакций откладываем их величины от нулевой линии (рис. 3). Схема сил показывает, что вертикальная составляющая силы на крюке разгружает задние колеса и нагружает передние. В данном случае разгрузка задних колес ведет к уменьшению сцепного веса заднего ведущего моста. Чтобы компенсировать разгрузку, предлагается использовать заднее балластирование (на навесной системе или присоединительной раме орудия). Момент от силы на плече догружает заднюю ось трактора так же, как разгружает переднюю. Соответственно, реакция почвы уменьшится на передней оси настолько же, насколько увеличится на задней. ((4) Рассмотренные случаи нагружения осей трактора оказывают различное влияние на суммарные реакции почвы. В табл. 2 приведено последовательное сложение нагрузок на оси от воздействий балласта в пределах базы, переднего балласта, сил на крюке. Изменяя вес балласта и угол , можно подстраивать суммарную развесовку трактора для достижения различных целей. При указанной крюковой нагрузке на заднюю ось приходилось 26,59 кН веса, на переднюю 14,02 кН. Строка 9 табл. 2 показывает, что при угле нагрузка на заднюю ось становится меньше нагрузки на переднюю (14,88 кН на задней оси и 19,02 кН на передней), т.е. при больших значениях достаточно малого изменения угла для выравнивания развесовки по осям. Воздействие переднего балласта на оси аналогично действию силы , если она направлена вверх, т.е. передний мост догружается, а задний разгружается. Направление силы зависит от угла , под которым приложена нагрузка на крюке. Управляя этим углом, можно догружать переднюю ось с помощью силы вместо использования переднего балласта. Но при этом разгружается задняя ось, уменьшается ее сцепной вес. Тогда догрузку задней оси необходимо регулировать с помощью добавления балластных грузов на задние колеса или поперечный брус нижних тяг. Таким образом, разгрузка задней оси от угла компенсируется добавлением балластных грузов сзади. Все это решает одну из задач рационального балластирования и агрегатирования трактора с орудиями, у которых тяговое сопротивление лежит в широких пределах (от плуга до прицепа). Поэтому для каждого случая нагружения силой тяги необходимо обеспечивать соответствующую развесовку по осям для достижения наибольшего тягового КПД. Зная вертикальную нагрузку на движители, можно переходить к расчетам коэффициента сцепления, что необходимо в данной работе, так как он определяет, какая часть вертикальной нагрузки участвует в создании силы тяги движителя. Тяговые испытания при общем нагружении трактора предлагается проводить следующим образом. Сначала трактор проходит цикл тяговых испытаний по принятой методике [2]. Далее проводим испытания по предлагаемой методике. Выбираем 4-5 значений угла и прицепляем дышло или сцепку загрузочной тележки под этими углами. При каждом значении угла трактор нагружается как передним балластом, так и балластом на колесах: сначала 1/3 от веса балласта, затем 2/3 и наконец максимальным весом балласта. Кроме того, устанавливаются наборы разных грузов в точках прицепа нижних тяг. Контроль за этим осуществляется и фиксируется по давлению в цилиндре навесного устройства. В результате получим ряд таблиц данных для каждого случая нагружения (величина буксования, мощность на крюке, расход топлива, скорость и др.). Проанализировав их и проведя вычисления, найдем такую комбинацию грузов и/или угла , при которой трактор будет способен реализовать наибольшую силу тяги при наибольшем тяговом КПД. Выводы 1. Метод проведения тяговых испытаний требует развития в силу двух причин. Первая - используемые сегодня методы расчета и методики тяговых испытаний разрабатывались во время наибольшего распространения заднеприводных тракторов 4к2 и их балластирования передним балластом. Однако в последние годы получают широкое распространение полноприводные тракторы. Вторая причина - появление гусеничных тракторов с двумя видами резиноармированных гусениц. 2. Основная задача, которую необходимо решить при развитии методов тяговых испытаний, - определение коэффициента сцепления движителя с опорной поверхностью. Для этого нужно знать вертикальную нагрузку на движитель, причем стоит рассмотреть применение различных видов балласта (передний, боковой, на колесах, на ведущем и направляющем колесах, на точке прицепа). Предложенная в работе схема приложения силы на крюке под углом дает дополнительную возможность воздействовать на опорные реакции. Момент от силы на крюке также перераспределяет вес машины. Поэтому в расчетах целесообразно комбинировать различные виды вертикального нагружения движителей для достижения желаемых показателей тяговой способности трактора. 3. В предложенной схеме приложения силы на крюке под углом одновременно используются и регулировки угла , и балластирование сзади.

About the authors

K. I Gorodetskiy

University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kg1101@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

A. M Lavlinskiy

University of Mechanical Engineering (MAMI)

Engineer Moscow, Russia

E. M Alendeev

Research Institute of Steel

Email: evg9702@gmail.com
PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files