Optimization of design parameters of radial tires of propellers of combine harvesters

Full Text

Введение Появление на полях страны новых зерноуборочных комбайнов высокой производительности вызвало необходимость решения сложных инженерных задач по разработке способов и методов повышения показателей функционирования их ходовых систем с целью улучшения качества выполняемого комбайнами рабочего процесса, снижения часового расхода горюче-смазочных материалов, повышения уровня условий труда операторов, а также уменьшения уплотнения почвы [1-4]. Движитель зерноуборочного комбайна, перекатываясь по почвенному опорному основанию (почве), деформирует ее, перемещает и раздробляет почвенные частицы, в результате чего изменяется водный, воздушный, тепловой режим почв и, как следствие этого, ухудшается агробиологический процесс в почве, что приводит к снижению урожайности [1-4]. Обычно зерноуборочные комбайны высокой производительности, в связи с их большой массой, особенно с полным бункером, комплектуют шинами диагональной конструкции. Однако, как показали исследования, радиальные шины, которые устанавливаются на тракторы, имеют существенные преимущества по деформационным характеристикам перед диагональными шинами [3, 4]. Для эффективного применения радиальных шин на зерноуборочных комбайнах необходимо определить параметры внутреннего строения [2, 5, 6], так как нагрузочные характеристики их движителей значительно отличаются от тракторных. Цель исследования Целью исследования является теоретическое установление и экспериментальное подтверждение возможности улучшения агроэкологических показателей движителей зерноуборочных комбайнов большой производительности путем комплектации их шинами 30,5R-32 с оптимальными параметрами армирования. Объект исследования - технологические процессы взаимодействия с опорным основанием шин 30,5L-32 и 30,5R-32 при комплектации ими зерноуборочных комбайнов высокой производительности. Предмет научных исследований - закономерности изменения агротехнологических показателей диагональных и радиальных шин типоразмера 30,5-32 ведущих движителей зерноуборочных комбайнов высокой производительности. Метод исследования - экспериментальный с использованием «шинного тестера» и специально разработанных приспособлений для определения деформаций шин и почвенного опорного основания. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Для ускоренного проведения научно-исследовательских работ испытания шин типоразмера 30,5-32 проводились на специальных мобильных установках типа «шинный тестер» [7], а также непосредственно на зерноуборочном комбайне во время прямого комбайнирования зерновых колосовых. Комплекс измерительной аппаратуры для экспериментальных исследований позволял фиксировать [1-5] показатели деформации пневматической шины, угол поворота оси колеса, крутящий момент на оси колеса, длину пятна отпечатка шины, напряжения в пахотном и подпахотном горизонтах почвы. Для определения влияния внутреннего строения шины на показатели функционирования ходовой системы зерноуборочных комбайнов (параметров контакта с почвой и тягово-энергетических показателей) принят комплект из 16 шин 30,5R-32. Варьирование параметров оболочки данного комплекта осуществлено по греко-латинскому (4×4) квадрату [1, 2, 3, 4, 6]. Исходя из условий работы колесного движителя зерноуборочного комбайна (в отличие от тракторного [6]), основное требование к нему заключается в обеспечении минимального уплотняющего воздействия на почву." не закончено. Оно требует завершения, или его нужно перефразировать. Задача оптимизации параметров конструкции оболочки шин ведущих колес может быть сформулирована в следующем виде - определить такое сочетание слойности и углов наклона нитей корда брекера и каркаса, которое создает максимум площади контакта Fкп при заданных ограничениях момента сопротивления качению Mf , радиальной деформации hz, КПД ηк и коэффициента неравномерности распределения давлений по длине контакта шины Kд. В качестве независимых переменных при экспериментальных исследованиях были установлены: X1 - слойность брекера с задаваемыми значениями: a1 = 2; a2 = 4; a3 = 6; a4 = 8; X2 - угол наклона нитей корда брекера с задаваемыми значениями: b1 = 70°; b2 = 65°; b3 = 60°; b4 = 55°; X3 - слойность каркаса с задаваемой величиной: c1 = 2; c2 = 4; c3 = 6; c4 = 8. X4 - угла наклона нитей корда каркаса с задаваемыми значениями: d1 = 0°; d2 = 5°; d3 = 10°; d4 = 15°; План экспериментальных исследований по данному методу показан в табл. 1. Таблица ١ План исследований комплекта шин ٣٠,٥R-٣٢ a1 a2 a3 a3 b1 1. c1 2. c2 3. c3 4. c4 d4 d3 d1 d2 b2 5. c3 6. c4 7. c1 8. c2 d3 d4 d2 d1 b3 9. c2 10. c1 11. c4 12. c3 d2 d1 d3 d4 b3 13. c4 14. c3 15. c2 16. c1 d1 d2 d4 d3 Испытания шин проведены на мобильной установке «шинный тестер» [7, 10-12]. Почвенный фон - стерня озимой пшеницы. Нормальная нагрузка на шины R = 63 кН, внутреннее давление воздуха в них Pw=0,176 МПа. По результатам измерений были построены регрессионные зависимости вида: . Для решения такой задачи удобно воспользоваться методами линейного программирования и, в частности, симплекс-методом. Предварительно заметим, что по условию механической прочности каркаса при нагрузке на шину 63 кН и внутреннем давлении воздуха 0,176 МПа минимальное число слоев корда в нем должно составлять шесть (Х3 = 6). По результатам измерений и расчетов получены регрессионные зависимости от конструктивных факторов для следующих показателей шины: Fкп - площадь контакта, м2; hz - радиальная деформация, мм; Mf - момент сопротивления качению, Н·м; Kд - коэффициент неравномерности распределения давлений по длине контакта шины; ηк - коэффициент полезного действия шины. Путем многофакторного регрессионно-корреляционного анализа [3, 6] установлено, что для шины 30,5R-32 зависимости описаны формальным полиномом первой степени. Таким образом, необходимо найти максимум Fкп: при ограничениях: Зависимость площади контакта шины от конструктивных факторов представлена на рис. 1. Исследованиями установлено, что при увеличении слойности каркаса с 2 до 8 контактные давления повышаются более чем на 11 %, а такое же изменение слойности брекера приводит к увеличению давлений движителя на почву до 8 %. Статическими испытаниями шин установлено, что при повышении угла наклона нитей корда каркаса с нуля до 15° давления в пятне контакта колеса увеличиваются более чем на 10,8 %, а увеличение угла нитей корда брекера сопровождается уменьшением радиальной жесткости шины и средних давлений в контактном отпечатке колесного движителя. На основе полученных зависимостей составлен алгоритм, по которому написана программа и произведены расчеты с перебором возможных вариантов сочетания исследуемых конструктивных факторов. В результате аналитического решения данной задачи с учетом принятого ранее Х3 = 6 получены оптимальные значения конструктивных параметров армирования оболочки шины 30,5R-32: число слоев в брекере - 7, в каркасе - 6; угол наклона нитей корда к меридиану в брекере - 62°, в каркасе - 15°, при этом максимальная площадь контакта с почвой такой шины будет равна 0,478 м2, что позволяет получить среднее давление на почву 130 кПа или по скорректированной методике ГОСТ 26953-86 - максимальное давление 162,5 кПа. Такая величина давления позволяет использовать зерноуборочные комбайны высокой производительности согласно ГОСТ 26955-86 при влажности почвы до 0,6 НВ включительно. В соответствии с программой были проведены экспериментальные исследования уплотняющего воздействия шин (диагональной и радиальной с оптимальным внутренним строением) зерноуборочных комбайнов высокой производительности на почву. Контурная площадь контакта шины по методике ГОСТ 26953-86 [1, 2, 3, 4], определяемая на жестком основании с помощью «шинного тестера» [7, 10-12], у радиальной шины больше на 13 %, чем у шины диагональной конструкции. Для измерения давления в контакте шин с почвой устанавливались датчики [3, 8] на равном расстоянии между экваториальной плоскостью шины и ее плечевой зоной на двух-трех соседних грунтозацепах. Результаты измерений давления на выступах грунтозацепов шин зерноуборочного комбайна с комплектацией диагональными 30,5L-32 и радиальными 30,5R-32 шинами при проведении уборочных работах представлены в таблице 2. Значения максимальных давлений на почву, полученные по методике ГОСТ 26953-86 [3, 8], показывают, что максимальные давления меньше на 18 % у радиальной шины по сравнению с шиной диагональной конструкции. Средние давления по контуру контакта (см. табл. 2) для исследуемых моделей шин различны: большие - у шины 30,5L-32, меньшие - у шины 30,5R-32, причем процентное соотношение по величине давлений такое же, как и по величине площадей контакта. Давление по длине контакта у радиальной шины более равномерное. Для измерения напряжений в почве использованы датчики напряжений конструкции АЧИМСХ [3, 8, 9]. Датчики напряжений устанавливались в заранее подготовленные ниши вертикальной скважины на различной глубине: 5, 10, 20, 30 и 40 см и 10, 20, 30, 40 и 50 см. В первом случае комбайн с работающей молотилкой наезжал на датчики и останавливался (с целью изучения деформаций, возникающих в почве); во втором случае комбайн с работающей молотилкой проезжал по датчикам, не останавливаясь. На опытном участке вертикальные скважины располагались на расстоянии 25 м друг от друга. Полученные экспериментальные данные (табл. 3) показывают, что с увеличением глубины установки датчиков максимальные нормальные напряжения в почве уменьшаются. При этом характер снижения нормальных напряжений в почве для обоих вариантов шин практически идентичен. Однако заметно прослеживается различие воздействия исследуемых шин на пахотный и подпахотный горизонты почвы. По величине напряжения в пахотном горизонте почвы (0…30 см) преимущество радиальных шин несомненно. Значения напряжений, возникающих в пахотном горизонте почвы (0…30 см) под действием этих шин, более чем на 26 % меньше, чем под диагональными шинами. Полученные данные показывают, что из двух исследованных шин ни одна не имеет существенного преимущества по величине напряжений в подпахотном горизонте, хотя шины 30,5R-32 более предпочтительны, нежели шины 30,5L-32. Физические свойства почвы под воздействием движителей зерноуборочного комбайна высокой производительности изменялись (табл. 4) существенно. Так, плотность сложения почвы в пахотном горизонте увеличилась по сравнению с фоном почти от 7,8 до 8,6 %. В подпахотном горизонте изменение плотности сложения и влажности почвы по следам движителей по сравнению с фоном незначительно, а между вариантами шин практически отсутствует. Это подтверждается и данными общей скважности и скважности аэрации. Анализ полученных данных показывает, что плотность сложения и общая скважность почвы в пахотном и подпахотном горизонтах, изменившиеся под воздействием колесных движителей комбайна, не превышают равновесных значений для предкавказского карбонатного чернозема, которые составляют, соответственно, 1,27 г/см3, 50,7 %. Меньшее уплотняющее воздействие на почву оказывает комбайн при комплектации его ведущих колес шинами радиального типа исполнения. Выводы Средние давления по контуру контакта для исследуемых моделей шин различны: большие - у шины 30,5L-32, меньшие - у шины 30,5R-32, причем процентное соотношение по величине давлений такое же, как и по величине площадей контакта. Давление по длине контакта у радиальной шины более равномерное. Значения максимальных давлений на почву, полученные по методике ГОСТ 26953-86, показывают, что максимальные давления меньше на 18 % у радиальной шины по сравнению с шиной диагональной конструкции. Значения напряжений, возникающих в пахотном горизонте почвы (0…30 см) под действием радиальных шин, более чем на 26 % меньше, чем под диагональными шинами. Плотность сложения почвы при проходе зерноуборочного комбайна в пахотном горизонте увеличилась по сравнению с фоном почти от 7,8 до 8,6 % (большие значения - при комплектации комбайна диагональными шинами). Рекомендуется устанавливать на зерноуборочных комбайнах большой мощности шины радиальной конструкции. Рис. 1. Зависимость площади контакта шины от конструктивных факторов при Х3 = 6: а - Х1; б - Х2; в - Х4 а б в Таблица ٢ Параметры контакта шин зерноуборочного комбайна с почвой Варианты шин 30,5-32 Площадь контакта, см2 Среднее давление, кПа Максимальное давление, кПа Коэффициент неравномерности давлений по длине 30,5L-32 4540 147,4 431,6 1,2 30,5R-32 4680 143,4 417,9 1,1 Таблица ٣ Показатели уплотнения почвы зерноуборочными комбайнами Варианты шин Максимальные нормальные напряжения, кПа Пахотный горизонт, см Подпахотный горизонт, см 0 10 20 30 40 50 30,5L-32 660 477 305 185 100 52 30,5R-32 484 350 224 135 90 50 Таблица ٤ Показатели агрофизических свойств почвы при прямом комбайнировании озимой пшеницы Фон и по следу шин комбайна Пахотный горизонт Подпахотный горизонт Плотность сложения, г/см3 Общая скважность, % Скважность аэрации, % Влажность, % Плотность сложения, г/см3 Общая скважность, % Скважность аэрации, % Влажность, % Фон 1,16 54,5 27,6 26,9 1,26 51,9 25,7 23,8 30,5L-32 1,26 50,2 27,3 22,9 1,27 50,7 26,0 22,3 30,5R-32 1,25 50,7 25,9 24,8 1,27 50,7 26,1 22,8

About the authors

I. M Melikov

M. Dzhambulatov Dagestan State Agricultural University

Email: izmelikov@yandex.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files