Experimental evaluation of traction properties of ultra-low pressure tires

Full Text

Введение Одним из основных направлений совершенствования конструкций мобильных энергетических средств (МЭС) сельскохозяйственного назначения является повышение их экологической совместимости с почвой. Одним из основных направлением снижения вредного воздействия МЭС на почву является применение принципиально новых типов пневмоколесных движителей с низким внутришинным давлением [1-4]. В настоящее время ведущими производителями широкопрофильных шин низкого и сверхнизкого давления для и сельскохозяйственных машин являются компании Trelleborg, Michelin, Continental, Alliance и др. На российском рынке шины низкого и сверхнизкого давления представлены копаниями «Арктиктранс», AVTOROS, «ВОЛТАЙР», «ТРЕКОЛ» и др. Отличительной особенностью шин данного класса по сравнению с обычными шинами являются увеличенные габариты по ширине и относительный радиальный прогиб. Эти технические решения позволяют повысить величину площади контакта шины с опорной поверхностью и, следовательно, повысить тягово-сцепные качества МЭС [5-8]. Изучение особенностей взаимодействия пневмоколесного движителя с почвой невозможно без проведения исследований с использованием стендового оборудования. Однако в силу стоимостных показателей, широкого модельного ряда шин свернизкого давления, а также специфических особенностей испытаний на данный момент они недостаточно изучены. Компанией ООО «Логус-агро» совместно с кафедрой автомобилей и сервиса Воронежского государственного лесотехничесокого университета им. Г.Ф. Морозова было разработано мобильное энергетическое средство МЭС-600, оборудованное шинами сверхнизкого давления 1020×420-18 (рис. 1). Данное энергетическое средство спроектировано по принципу модульности конструкции, что позволяет при смене технологических надстроек применять его для различных технологических операций: химической обработки с-х культур, кустарников, деревьев; внесения твердых гранулированных и жидких удобрений, а также оборудовать установкой для комплексного мониторинга почв при составлении электронных карт поля и др. [3, 9, 10]. Для возможности эксплуатации данной МЭС в различных условиях, в том числе по снегу и почвам со слабой несущей способностью, а также снижения вредного воздействия шин на почву, оно оборудовано шинами сверхнизкого давления размерностью 1020×420-18, техническая характеристика представлена в табл. 1. Ввиду того, что использование данного энергосредства предполагается в различных дорожных условиях, необходимо определить параметры колесного движителя, обеспечивающие снижение вредного воздействия на почву при обеспечении высокого уровня тягово-сцепных свойств. Цель исследований Оценка тягово-сцепных свойств шины сверхнизкого давления размерностью 1020×420-18 мод. Бел. 79. Материалы и методы Для оценки эксплуатационных свойств данной шины в ОАО «ФИИЦ-М» совместно с кафедрой автомобилей и сервиса были проведены стендовые испытания на ее соответствие агроэкологическим требованиям к шине, установленной на МЭС-600. Испытания проводились на универсальном стенде для испытания тракторных шин СИБ-1М, принципиальная схема которого представлена на рис. 1. В соответствии с методикой [1, 3, 11] базовая и тяговая характеристика определялась на двух эксплуатационных фонах (рис. 3): бетонной дорожке и поле, подготовленном под посев, которые соответствовали ГОСТ 30745-2001 [12]. Для испытания на грунтовом основании на стенд устанавливалась емкость, заполненная грунтом влажностью 16-18 % и твердостью 2-2,5 удара по плотномеру ДорНИИ с площадью наконечника 10 см2. Согласно плану эксперимента, предварительно задавалось внутреннее давление воздуха в шине, и в соответствии с нагрузочным рядом устанавливалась требуемая нагрузка на колесо. Тяговое усилие создавалось путем прикладывания к горизонтальному столу стенда нагрузки от подвешенного через систему блоков пакета грузов. После каждого проезда колеса груз, создающий тяговое усилие, увеличивали до наступления момента полного буксования колеса. При оценке тягово-сцепных свойств на грунте после каждого проезда колеса почву рыхлили и выравнивали. В ходе проведения эксперимента при помощи измерительной аппаратуры фиксировали значения крутящего момента на оси колеса, величину тяговой нагрузки, перемещение подвижного стола и угол поворота колеса относительно оси вращения [13-15]. Результаты и обсуждение Результатами проведенных тяговых испытаний шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на асфальтобетонном покрытии и поле, подготовленном под посев, являются базовые характеристики шины, которые были аппроксимированы зависимостями вида [1]: где Mк - крутящий момент, подводимый к оси колеса; Pк - сила тяги, развиваемая колесом в зависимости от крутящего момента; Mf - момент сопротивления качению при отсутствии тягового усилия; ρ - динамический радиус колеса; rхх - радиус качения колеса холостым ходом при Pк = 0; α - эмпирический коэффициент; Pк max - максимальная сила тяги, развиваемая колесом. По экспериментальным базовым характеристикам шины 1020×420-18 мод. Бел-79 строили тяговые характеристики в виде зависимостей [3]: где δ - буксование колеса, %; δпр - предельное буксование колеса, при котором начинается «лавинный срыв» точек контакта колеса с опорной поверхностью; ηк - тяговый КПД колеса при заданных pw и Gz . Результаты определения базовых и тяговых характеристик шины представлены на рис. 4-7 и в табл. 3, а аппроксимированные зависимости базовых и тяговых характеристик от величины тягового усилия - в табл. 4 и 5. Заключение Проведенные тяговые испытания шины на бетоне показали, что при нагрузке на шину 800 кг и давлении воздуха 80 кПа реализуется высокое значение тягового коэффициента полезного действия ηmax = 0,98 при оптимальной силе тяги Рк опт = 2,42 кН и оптимальном буксовании δопт = 13,7 %. Максимальное реализуемое тяговое усилие составляет Pк max = 6,85 кН при довольно высоком значении коэффициента сцепления φmax = 0,856 и предельном буксовании δпр = 69,4 %, после которого начинается «лавинный срыв» точек контакта и шина срывается в 100%-е буксование. При снижении нагрузки на шину до 400 кг и давлении воздуха до 20 кПа реализуется меньшее значение тягового коэффициента полезного действия ηmax = 0,825 при оптимальной силе тяги Рк опт = 1,22 кН и оптимальном буксовании δопт = 12,3 %. Максимальное реализуемое тяговое усилие составляет Pк max = = 3,243 кН при довольно высоком значении коэффициента сцепления φmax = 0,81 и предельном буксовании δпр = 58,4 %, после которого начинается «лавинный срыв» точек контакта. Проведенные тяговые испытания шины на деформируемом грунте поля, подготовленного под посев, показали, что при нагрузке на шину 525 кг и давлении воздуха 40 кПа реализуется приемлемое значение тягового коэффициента полезного действия ηmax = 0,77 при оптимальной силе тяги Рк опт = 1,74 кН и оптимальном буксовании δопт = 8,02 %. Максимальное реализуемое тяговое усилие составляет Pк max = 2,74 кН при приемлемом значении коэффициента сцепления φmax = 0,52 и предельном буксовании δпр = 20,26 %. Коэффициент сопротивления качению имеет низкое значение f = 0,042 для ведущего режима движения. При снижении нагрузки на шину до 400 кг и давлении воздуха до 20 кПа реализуется довольно высокое значение тягового коэффициента полезного действия ηmax = 0,844 при оптимальной силе тяги Рк опт = 1,3 кН и оптимальном буксовании δопт = 11,5 %. Максимальное реализуемое тяговое усилие составляет Pк max = 2,66 кН при довольно высоком значении коэффициента сцепления φmax = 0,665 и предельном буксовании δпр = 40,5 %, после которого начинается «лавинный срыв» точек контакта. Коэффициент сопротивления качению увеличивается на 48 % и составляет f = 0,062 для ведущего режима движения. Таким образом, установлено, что наилучший режим работы шины на поле, подготовленном под посев, влажностью 16-18 % и твердостью 2-2,5 удара по плотномеру ДорНИИ с площадью наконечника 10 см2 соответствует нагрузке на шину 525 кг и внутреннем давлении 40 кПа, а на бетонном основании наилучшие тяговые показатели шины наблюдаются при нагрузке на шину 800 кг и давлении воздуха 80 кПа. Полученные результаты испытаний шины могут быть использованы для повышения эксплуатационных качеств мобильных средств на шинах сверхнизкого давления размерностью 1020×420-18. Таблица 1 Основные характеристики шины сверхнизкого давления 1020×420-18 мод. Бел-79 Table 1. Main characteristics of ultra-low pressure tire 1020×420-18 of Bel-79 model Наименование показателя Значение показателя Обозначение шины 16,5-18 Тип рисунка протектора Повышенной проходимости, поперечное расположение грунозацепов типа «шашка» Обозначение профиля обода 330-462 Индекс нагрузки, норма слойности 84 4 слоя Наружный диаметр, мм 1085±1,5 % Ширина профиля (не более), мм 440 Статический радиус, мм 505±6 Исполнение Камерное Масса шины (не более), кг 40 Рис. 1. Мобильное энергетическое средство МЭС-600, оборудованное шинами сверхнизкого давления 1020×420-18 мод. Бел-79 Fig. 1. Mobile power vehicle MES-600 equipped with ultra-low pressure tires 1020×420-18 of Bel-79 model Рис. 2. Схема тяговых и тормозных испытаний шин на универсальном стенде СИБ-1М: 1 - подвижный стол стенда; 2 - шкив крутящего момента; 3 - цепь крутящего момента; 4 - тензозвено крутящего момента; 5 - гидроцилиндр крутящего момента; 6 - тензозвено тягового (тормозного) усилия; 7 - пакет грузов тяговой (тормозной) нагрузки; 8 - тензозвено радиальной нагрузки на шину; 9 - гидроцилиндр радиальной нагрузки на шину; 10 - индуктивный датчик угла поворота (прокрутки) колеса; 11 - индуктивный датчик хода стола стенда (пройденного пути колеса); 12 - трос тяговый Fig. 2. Scheme of traction and braking tests of tires on the SIB-1M universal test bench: 1 - movable test bench table; 2 - torque pulley; 3 - torque chain; 4 - torque tensolink; 5 - torque hydraulic cylinder; 6 - tensolink of tractive (braking) force; 7 - traction (braking) load package; 8 - tensolink of radial load on the tire; 9 - radial tire load cylinder; 10 - inductive sensor of the angle of rotation (scroll) of the wheel; 11 - inductive sensor of the bench table travel (distance traveled by the wheel); 12 - traction cable а б Рис. 3. Фрагмент испытаний по определению опорно-сцепных показателей шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на различных опорных основаниях: а - асфальтобетонное покрытие; б - поле, подготовленное под посев Fig. 3. Fragment of tests to determine the support-coupling indicators of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on various support bases: а - asphalt covering; б - field prepared for sowing а б Рис. 4. Базовые (а) и тяговые (б) характеристики шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на бетонной дорожке при Gz = 400 кгс, pw = 20 кПа Fig. 4. Basic (a) and traction (b) characteristics of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on an asphalt covering at Gz = 400 kgf, pw = 20 kPa а б Рис. 5. Базовые (а) и тяговые (б) характеристики шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на бетонной дорожке при Gz = 800 кгс, pw = 80 кПа Fig. 5. Basic (a) and traction (b) characteristics of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on an asphalt covering at Gz = 800 kgf, pw = 80 kPa а б Рис. 6. Базовые (а) и тяговые (б) характеристики шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на поле, подготовленном под посев, при Gz = 400 кгс, pw = 20 кПа Fig. 6. Basic (a) and traction (b) characteristics of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on field prepared for sowing at Gz = 400 kgf, pw = 20 kPa а б Рис. 7. Базовые (а) и тяговые (б) характеристики шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на поле, подготовленном под посев, при Gz = 525 кгс, pw = 40 кПа Fig. 7. Basic (a) and traction (b) characteristics of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on field prepared for sowing at Gz = 525 kgf, pw = 40 kPa Таблица 3 Результаты тяговых испытаний шины 1020×420-18 мод. Бел-79 Table 3. Traction test results of tire 1020×420-18 of Bel-79 model Фон Pw, кПа Gz, кгс Рк max, Кн Мf, кНм f ϕсц max Рк опт, кН ρ, м ηmax, % δпр, % δопт, % Бетонная дорожка 80 800 6,849 0,205 0,055 0,856 2,42 0,388 0,986 69,4 13,70 Бетонная дорожка 20 400 3,243 0,101 0,053 0,810 1,22 0,478 0,852 58,4 12,30 Поле, подготовленное под посев 40 525 2,740 0,115 0,042 0,520 1,74 0,524 0,770 20,3 8,02 Поле, подготовленное под посев 20 400 2,660 0,116 0,062 0,665 1,30 0,471 0,844 40,5 11,50 Таблица 4 Экспериментальные зависимости базовых и тяговых характеристик шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на бетонном основании Table 4. Experimental dependences of the basic and traction characteristics of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on an asphalt covering Показатель Значение pw = 80 кПа; Gz = 800 кгс pw = 20 кПа; Gz = 400 кгс Радиус качения мм мм Крутящий момент кН·м кН·м Тяговый КПД шины Буксование, % Таблица 5 Экспериментальные зависимости базовых и тяговых характеристик шины 1020×420-18 мод. Бел-79 на грунтовом основании Table 5. Experimental dependences of the basic and traction characteristics of the tire 1020×420-18 of Bel-79 model on a ground base Показатель Значение pw = 40 кПа; Gz = 525 кгс pw = 20 кПа; Gz = 400 кгс Радиус качения мм мм Крутящий момент кН·м кН·м Тяговый КПД шины Буксование, ٪

About the authors

S. V Goncharenko

Open Joint Stock Company «Federal Research Testing Center of Mechanical Engineering»

Chekhov, Moscow region, Russia

Z. A Godzhaev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

A. V Artemov

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov

Email: vip16.vgltu@mail.ru
Voronezh, Russia

V. I Pryadkin

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov

Email: vip16.vgltu@mail.ru
DSc in Engineering Voronezh, Russia

T. Z Godzhaev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
Moscow, Russia

References

Supplementary files