Factors affecting the change in wheel resistance and track depth of wide-grip sprinkler machines

Full Text

Введение В процессе взаимодействия движителей двигательных машин (ДМ) с почвой образуется колея, во многом определяющая сопротивление передвижения колес, влияя на движение ДМ и качество процесса полива. Основными факторами, от которых зависит сопротивление передвижению колес и глубина колеи широкозахватных ДМ, являются влажность почвы, несущая способность, нагрузка, приходящаяся на ось колеса и давление воздуха в шинах. Как показывает практика, для уменьшения глубины колеи и сопротивления передвижению колеса необходимо уменьшить нагрузку, приходящуюся на ось колеса, и давление воздуха в шинах [1-6]. Минимальное значение нагрузки, приходящейся на ось колеса, составляет 0,01 кН, а минимальное значение давления воздуха в шинах - 0,05 МПа. Цель исследований Выявление влияния нагрузки на колесо и давления воздуха в шинах на изменение сопротивления передвижению колес и глубину колеи широкозахватных ДМ. Материалы и методы Теоретические исследования Возможность движения ДМ определяется известным критерием проходимости [7, 8]: , (1) где ϕC - коэффициент сцепления; f - коэффициент сопротивления качению; N - число тележек ДМ; i - величина уклона. При качении колеса по сминаемой почве передаваемый крутящий момент МКР определяется зависимостью (рис. 1): . (2) А наибольшая сила сцепления РСЦ ведущего колеса с почвой: , (3) где rК - радиус колеса; τcр - удельное сопротивление срезу почвозацепами колеса; - момент сопротивления (статический момент поверхности среза). Из равенства (3) можно определить максимальную силу сцепления: . (4) Удельное сопротивление срезу согласно уравнению Кулона имеет вид: , (5) где qуд - удельное давление колеса на почву; tgϕ - угол внутреннего трения. Согласно исследованиям А.И. Рязанцева, в условиях испытания почв на вращательный срез с помощью крыльчатых наконечников собственным весом почвы в пределах глубины погружения можно пренебречь. То есть удельное сопротивление вращательному срезу, определяемому также выражением (5), с достаточной точностью может быть отождествлено со сцеплением почвы, которое определяется по вращательному моменту и константе крыльчатого наконечника kτ. . (6) При погружении конического наконечника теоретически доказано наличие пропорциональности между сцеплением грунта и величиной удельного сопротивления пенетрации: , (7) , (8) где kϕ - функция пропорциональности, зависящая от угла при вершине конического наконечника и угла внутреннего трения. Срез почвы при движении колеса происходит ее боковыми кромками и затылочной частью почвозацепов. Статический момент поверхности среза определяется следующим выражением: , (9) где DК - диаметр колеса; H′′ - глубина колеи; DК1 - диаметр окружности по вершинам почвозацепов; bn - ширина почвозацепа. Как видно из формулы, площадь поверхности среза зависит от глубины колеи и размеров почвозацепов. Применительно к ходовой системе двухколесных тележек ДМ, когда заднее колесо движется по следу переднего, PСЦ с учетом формулы (4) определяется по формуле: (10) где τСР1, τСР2 - соответственно удельные сопротивления почвы срезу до и после прохода переднего колеса; , - соответственно глубина колеи после прохода переднего и заднего колеса. С целью уменьшения нагрузки, приходящейся на оси колес, было решено использовать трехколесную ходовую систему, в которой три колеса располагаются друг за другом, - так называемая тандемная схема расстановки (рис. 2). Сила сцепления такой ходовой системы определяется следующей формулой: (12) где τСР3 - удельное сопротивления почвы срезу после прохода второго колеса; - глубина колеи после прохода третьего колеса. Сопротивление качению Pf c учетом известных положений [7] определяется по выражению для двухколесной тележки: , (13) где GК - нагрузка на колесо; В - ширина профиля колеса; РДПП1, РДПП2 - несущая способность почвы до и после прохода переднего колеса. Методика исследований Для достижения поставленной цели исследования - выявить влияние нагрузки, приходящейся на оси колеса, и давления воздуха в шинах на сопротивление передвижению колес и глубину оставленной колеи были проведены лабораторные эксперименты - (рис. 2, 3). Рис. 2. Тележки, используемые в экспериментах Fig. 2. Undercarriages used in experiments Рис. 3. Лабораторное оборудование для проведения экспериментов Fig. 3. Laboratory equipment for conducting experiments Для определения сил, которые действуют со стороны грунта на колеса в трех плоскостях использовался тензометрический измерительный комплекс MIC-018 с программными продуктами Recorder для регистрации сил и WinПОС для обработки полученного сигнала. Для имитации ходовой тележки ДМ была разработана конструкция, представленная на рис. 3, позволяющая крепить к ней пневматические и жесткие шины с разными диаметрами. В процессе проведения лабораторных экспериментов определялись: давление в пятне контакта колеса с почвой, плотность и твердость почвы, макроагрегатный состав. После каждого прохода ходовой тележки определялись параметры колеи. Нагружение производилось с учетом коэффициента перерасчета 8,8. Результаты и обсуждение Из полученных результатов экспериментальных исследований можно видеть, что при поддержании постоянного давления воздуха в шинах повышение нагрузки на ось пневматического колеса с 0,1 до 1,0 кН приводит к увеличению глубины колеи до 4 см, а также линейному росту сопротивления передвижению колеса (рис. 4). Сопротивление передвижению пневматического колеса достигает максимального значения - 0,07 кН. Глубина колеи после каждого прохода увеличивается по линейному закону. Глубина колеи повышается на 20 % при повышении давления воздуха в шинах с 0,5 до 1,0 МПа (рис. 5). При дальнейшем повышении давления с 1,0 до 1,6 МПа глубина колеи резко возрастает, достигая максимального значения 30 %. С увеличением давления, создаваемого пневматическим колесом, увеличивается остаточная деформация, глубина колеи и, следовательно, возрастает сопротивление передвижению пневматического колеса. Аналогичная тенденция была зафиксирована в процессе исследования влияния давления воздуха в шинах на сопротивление передвижению колес. Сопротивление передвижению пневматического колеса возрастает в среднем на 25 % при повышении давления воздуха в шинах с 0,5 до 1,6 МПа, и при давлении в шинах, равном 1,6 МПа, сопротивление достигает максимального значения. Подобные процессы объясняется тем, что в пятне контакта пневматического колеса с почвой при повышении нагрузки на колесе контактные нормальные давления возрастают. Почва продолжает деформироваться до тех пор, пока величина нормальных давлений больше сопротивления сжатию почвы. При снижении давления воздуха в шинах колес возрастает площадь контакта пневматических колес с почвой, вследствие чего уменьшается глубина колеи. Заключение Глубина колеи и сопротивление передвижению колес во многом определяют устойчивость и энергоемкость процесса передвижения дождевальных машин, соблюдение технологий и режима, а соответственно и качество полива. Проведенные исследования позволили выявить влияние нагрузки, приходящейся на ось ходовых систем дождевальных машины, и давления воздуха в шинах. От правильного, оптимального выбора параметров ходовых систем зависит эффективность работы машин в целом, и весьма актуальным являются дальнейшие исследования и разработки в этом направлении. Рис. 1. Схема качения колесных систем ДМ Fig. 1. Rolling scheme of wheel systems of SM Рис. 4. Влияние нагрузки на оси пневматического колеса на изменение глубины колеи и сопротивление передвижению колес при постоянном давлении воздуха в шине 1,0 МПа Fig. 4. Influence of the load on the axles of a pneumatic wheel on the change in the depth of the track and resistance to wheel movement at a constant air pressure in the tire of 1,0 MPa Рис. 5. Влияние давления воздуха в шине на изменение сопротивления передвижению колес и глубину колеи при постоянной нагрузке на оси колеса, равной 0,6 кН Fig. 5. Influence of air pressure in the tire on the change in the resistance to movement of the wheels and the depth of the track at a constant load on the wheel axles equal to 0,6 kN

About the authors

L. A Zhuravleva

Moscow Polytechnic University

Email: nguyenthuan230593@gmail.com
DSc in Engineering Moscow, Russia

N. V Tkhuan

Moscow Polytechnic University

Email: nguyenthuan230593@gmail.com
Moscow, Russia

References

Supplementary files