The choice of a rational ballasting scheme and the angle of application of the traction force for a caterpillar tractor

Full Text

Введение На сегодняшний день балластирование трактора является наиболее распространенным способом повышения его тягово-сцепных свойств. При этом требования, предъявляемые к балластированию колесных и гусеничных машин, различны. Так, на колесных тракторах стремятся обеспечить максимальную догрузку ведущих колес, что достигается размещением боковых и передних балластов, заполнением камер ведущих колес жидкостью, а также - при работе с навесными орудиями автоматическим управлением навесной системой. Для гусеничных тракторов необходимо обеспечить равномерное распределение нагрузки по всей длине опорной поверхности гусениц [1-4]. Наиболее простым способом выполнения данного условия, не требующим изменений в компоновке трактора, является размещение балластного груза спереди машины на специальном кронштейне. На рис. 1 приведен пример таких тракторов с передним балластом. Однако указанный способ не обеспечивает оптимальные технико-экономические показатели. При этом в ряде работ [5, 6] предлагается прикладывать силу тяги под положительным углом, который создает ее вертикальную составляющую, препятствующую опрокидыванию трактора, что в совокупности с балластированием позволяет обеспечить возможность управления положением центра давления. Цель работы Целью работы является анализ возможности обеспечения оптимальных тягово-сцепных свойств трактора на всем диапазоне его нагрузок при условии постоянства массы балласта и отсутствия конструктивных изменений в компоновке машины. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Для достижения поставленной цели рассмотрим схему сил, действующих на трактор при его установившейся работе на горизонтальной поверхности (рис. 2). Особенностью данной схемы является приложение силы тяги под углом γ и размещение балласта сзади на специальном кронштейне. Также балласт может быть размещен на нижних тягах навески. На рис. 2 принято: Gтр., Gб. - вес трактора и балласта, соответственно; Pкр., Pкр tgγ - горизонтальная и вертикальная составляющая силы тяги W; Rп - суммарная реакция почвы на гусеницы; Xп - реакция почвы на гусеничный движитель; L - длина опорной поверхности; Xд - положение центра давления относительно оси вращения O ведущего колеса; a - расстояние от точки 6 до точки O; b - расстояние от центра масс трактора до точки O; с - расстояние от центра масс балласта до точки O; d - длина нижней тяги 2; e - высота положения оси вращения нижней тяги 2; f - расстояние от точки O до точки 3 нижней тяги 2 в горизонтальном положении; hкр - высота положения точки 6; k - расстояние от точки 3 нижней тяги 2 в ее крайнем положении до опорной поверхности; r - высота положения точки O; γ - угол приложения силы тяги. Распределение нормальных реакций почвы на опорные поверхности гусеничных движителей трактора характеризуется положением центра давления Xд, которое для принятых обозначений может быть определено из уравнения моментов, записанного относительно вертикали, проходящей через ось вращения ведущего колеса трактора [1, 2]: . В данном выражении знак момента от веса балласта (Gб y) будет зависеть от положения балласта по отношению к оси вращения ведущего колеса (знак «+» - балласт спереди от оси вращения, «-» - сзади), а знак силы (Pкр tgγ) будет определяться знаком угла γ. В соответствии с рис. 2 и учитывая тот факт, что для обеспечения высоких тягово-сцепных свойств трактора его центр давления должен находиться на середине его опорной поверхности (Xд = 0,5L), а также расстояние от балласта до оси вращения ведущего колеса y равно c, можно записать: (1) Данное выражение соответствует уравнению моментов, записанному относительно середины опорной поверхности. Также его можно преобразовать, как: (2) где - коэффициент балластирования; - коэффициент использования сцепного веса трактора без учета массы балласта. Коэффициент балластирования ψ - безразмерная величина, показывающая, как вес установленного балласта соотносится с весом трактора. Из выражения (2) он равен: . В табл. 1 для трех гусеничных тракторов схожей компоновки и разных тяговых классов (рис. 1) приведены параметры, среди которых значения a, b, c были приняты условно, основываясь на известных размерах машин [7]. Трактор Challenger MT865B и тракторы John Deere 8310T, Challenger MT745 - разного тягового класса, John Deere 8310T и Challenger MT745 - одного. Данное обстоятельство также может быть отмечено по числу n опорных катков, которое тем больше, чем больше длина опорной поверхности гусениц. Основываясь на данных табл. 1, можно заключить, что, не смотря на разницу в тяговых классах и фирмах-производителях, значения параметров навесных систем рассматриваемых машин близки. В связи с этим для проведения дальнейших расчетов также примем, что высоты hкр точки крепления дышла 4 к орудию для всех трех машин одинаковы. В качестве примера подробнее рассмотрим энергонасыщенный трактор Challenger MT865B массой mтр = 20021 кг и с двигателем мощностью Nдв = 340 кВт. Для данного трактора представляется возможным построить зависимость ψ = f(φ, γ). Из рис. 3 видно, что при отсутствии нагрузки на крюке (φ = 0) для смещения центра давления до середины опорной поверхности необходимо сзади машины разместить балласт с ψ = 0,096, т.е. массой 1929 кг, а при γ = 0° и нагрузке на крюке, превышающей 80 кН (φ > 0,41) коэффициент балластирования будет отрицательным. Отрицательный знак коэффициента ψ говорит о необходимости балластирования машины спереди для обеспечения условия совпадения центра давления с серединой опорной поверхности. Также из рис. 3, б видно, что все кривые диапазона нагрузок пересекаются в одной точке при γ = 10,2° и ψ = 0,096, т.е. данными значениями текущих параметров можно обеспечить весь диапазон нагрузок, и эти значения являются оптимальными для трактора с приведенными выше параметрами. Оптимальный угол приложения силы тяги определяется высотой hкр и расстоянием а, определяемым регулировкой длины дышла 4 (рис. 2). Это хорошо видно из выражения (1), где момент от вертикальной составляющей силы тяги должен уравновешивать момент от горизонтальной составляющей: . (3) Откуда оптимальный угол приложения силы тяги будет: . При выполнении условия (3) для выражения (1) за смещение центра давления на середину опорной поверхности будет отвечать только масса балласта и плечо, на котором предполагается его размещать. Тогда оптимальный коэффициент балластирования будет определяться как: . Расчеты (табл. 1) показывают, что значения γопт и ψопт для машин разных тяговых классов будут отличаться незначительно, что обусловлено схожими геометрическими размерами основных элементов их навесных систем. Также видно, что для рассматриваемых машин значения вертикальной составляющей от силы тяги может превышать треть веса, к примеру, оборотного плуга, дающего сопоставимые значения по нагрузке. При этом уменьшение вертикальной нагрузки на орудие может быть достигнуто уменьшением угла γопт, которое в свою очередь может быть получено в значительной степени уменьшением высоты точки крепления к орудию. С учетом вышесказанного предлагаемая схема балластирования может потребовать пересмотра существующих конструкций орудий. Выводы 1. Приведены расчетные зависимости по определению угла приложения силы тяги и коэффициента балластирования, которые позволяют обеспечить совпадение центра давления с серединой опорной поверхности на всем диапазоне нагрузок трактора. 2. Приведенные расчетные зависимости показали, что балластирование в рассмотренной схеме направлено исключительно на устранение конструктивно заложенного смещения центра масс трактора от середины его опорной поверхности. 3. Приложение силы тяги под положительным углом создает вертикальную составляющую, которая дополнительно нагружает орудие. Это делает рассматриваемую схему актуальной только при агрегатировании трактора с орудиями, имеющими свое шасси, которое способно воспринять вертикальную составляющую от силы тяги, сохраняя при этом глубину пахоты. Причем, для устранения перегрузки опорных колес орудия и снижения его уплотняющего воздействия на почву орудие может быть дооснащено дополнительными колесами. 4. Поскольку точка крепления различных орудий к навесной системе трактора может находиться на разной высоте, дышло, соединяющее нижнюю тягу навески с орудием, должно иметь регулируемую длину. а б Рис. 1. Гусеничные тракторы: а - Challenger MT865B; б - John Deere 8310T Рис. 2. Схема сил, действующих на гусеничный трактор: 1 - трактор; 2 - нижняя тяга навесной системы; 3 - точка крепления дышла к нижней тяге 2; 4 - дышло регулируемой длины; 5 - гидроцилиндр навесной системы; 6 - точка крепления орудия к дышлу; 7 - балласт Таблица ١ Исходные и расчетные данные Параметр Challenger MT865B Challenger MT745 John Deere 8310T Nдв, кВт 340 155 154 mтр, кг 20021 12710 11775 n, шт 4 3 3 L, мм 3110 2600 2261 r, мм 890 849 853 d, мм 929 1005 1056 f, мм 1369 1230 1231 k, мм 230 230 203 e, мм 590 549 573 hкр., мм 590 590 590 a, мм 1730 1600 1600 b, мм 1800 1510 1310 c, мм 1000 950 950 γопт, град 10,2 11,5 12,2 ψопт 0,096 0,093 0,087 Pкр tgγ, кН, при Pкр = 0,4 mтр g 14,2 10,1 10,0 а б в Рис. 3. Зависимости: а - ψ = f(φ); б - ψ = f(γ); в - ψ = f(φ, γ)

About the authors

K. I Gorodetskiy

Moscow Polytechnic University

Email: kg1101@yandex.ru
DSc in Engineering

V. M Sharipov

Moscow Polytechnic University

Email: kg1101@yandex.ru
DSc in Engineering

E. M Alendeev

Central scientific research automobile and automotive engine institute «NAMI»

Email: evg9702@gmail.com
PhD in Engineering

A. M Lavlinskiy

Central scientific research automobile and automotive engine institute «NAMI»

Email: evg9702@gmail.com

References

Supplementary files