The influence of the number of axles of wheeled transport traction machines on rolling resistance

Full Text

Введение Воздействие ходовых систем транспортно-тяговых машин ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Повышение плотности почвы, вызванное воздействием ходовых систем, приводит к увеличению ее твердости в 2-3 раза. Между твердостью, плотностью и удельным сопротивлением почвы при вспашке существует тесная корреляционная связь. Удельное сопротивление при обработке пахотного слоя после прохода тракторов повышается на 15-65 %, а транспортных средств и комбайнов - на 60-90 % [1, 2]. Происходящий в результате воздействия ходовых систем транспортно-тяговых машин на почву процесс «деформирование - уплотнение - разуплотнение - накопление уплотнения почвы» зависит как от режимов эксплуатации техники, так и от изменяющихся свойств почвы в зависимости от ее типа, агрофона и периодов года. Деформация почвы колесами сопровождается расходом энергии на преодоление возникающей силы сопротивления качению. Поскольку основная часть потерь энергии при передвижении по полю машинно-тракторных агрегатов тратится на образование следов, то весьма важным является установление влияния числа проходов колес на изменение силы сопротивления качению. Цель исследования Целью исследования является обоснование закономерности изменения силы сопротивления качению от числа проходов колес по следу в различных почвенных условиях. Это позволит определить перспективные пути улучшения конструкций ходовых систем, в частности обосновать число осей колесных транспортно-тяговых машин. Материалы и методы В теории транспортно-тяговых машин для оценки затрат энергии на деформацию почв и грунтов используют термин «коэффициент сопротивления качению», представляющий собой отношение силы сопротивления качению к весу машины [3]. При передвижении ходовых систем по почве сопротивление качению обусловливается, в основном, потерями энергии на деформацию почвы. Работа вертикальной деформации почвы при i-м проходе колеса равна: , где А - площадь пятна контакта колеса с почвой, м2; hi-1 - глубина следа при (i-1)-м проходе колеса, м; hi - глубина следа при i-м проходе колеса, м; - зависимость между напряжением и осадкой при i-м проходе колеса, м. Суммарная величина работы после n нагружений . Значения работы при i-м проходе колеса за один оборот и после n проходов будут равны соответственно: , (1) , (2) где r - радиус колеса, м; Bk - ширина контакта колеса с почвой, м. С другой стороны, работа сил сопротивления качению равна , (3) где Ff - сила сопротивления качению колесного хода, Н. Приравняв правые части уравнений (1) и (3), находим значение силы сопротивления качению при i- м проходе колеса . (4) Аналогично из уравнений (2) и (3) находим суммарную силу сопротивления качению n-осного колесного хода . (5) Результаты и их обсуждение Для сильно упрочняющихся почв суммарную силу сопротивления качению n-осного хода найдем исходя из того, что функция для сильно упрочняющихся почв является непрерывной. Поэтому к уравнению (5) можно применить свойство аддитивности интеграла [4] . Зависимость между сопротивлением и осадкой почвы подчиняется функции гиперболического тангенса [5]: (6) где р0 - предел несущей способности почвы, Па; k - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3. С учетом зависимости (6) формула силы сопротивления качению примет вид: . Значение этого интеграла . Значение hn определяется по формуле [6]: , (7) где В - коэффициент накопления повторных осадок сильно упрочняющейся почвы. Подставив вместо верхнего предела интегрирования hn его значение, определяемое формулой (7), с учетом того, что контактное напряжение σ1 равно давлению колеса на почву q, получим или . (8) При первом нагружении (n = 1) . На основании формулы (8) получена графическая зависимость силы сопротивления качению колесной ходовой системы от числа осей для сильно упрочняющейся почвы (рис. 1). Значения параметров колес и свойств почвы были равны: Вk = 0,3 м; k = 2800 кН/м3; В = 0,01, ро = 500 кПа. Из рис. 1 видно, что сила сопротивления качению в основном формируется при первом проходе колеса. При каждом последующем проходе колеса по следу приращение силы сопротивления качению снижается. Проанализируем, как влияют параметры колесной ходовой системы транспортного средства на сопротивление качению по сильно упрочняющейся почве. В случае изменения давления в зависимости, обратно пропорциональной количеству осей системы, формула (8) примет вид: , где - коэффициент распределения давлений под опорной поверхностью колеса; F - нагрузка на ходовую систему, Н; Аk - площадь опорной поверхности колеса, м2; N - число осей ходовой системы, шт. Из рис. 2, построенного на основании данной зависимости, видно, что при сохранении общей постоянной нагрузки на ходовую систему увеличение числа осей способствует снижению силы сопротивления качению. Рис. 2. Влияние числа осей на сопротивление качению при постоянной общей нагрузке для сильно упрочняющейся почвы Найдем сопротивление качению при повторных проходах колес на слабо упрочняющихся почвах. Для этого воспользуемся зависимостью суммарной силы сопротивления качению n-осного колесного хода (5) и зависимостями напряжений от деформаций почвы. Зависимость между напряжением и осадкой при n-м нагружении слабо упрочняющейся почвы имеет вид [6]: (9) где - коэффициент интенсивности накопления повторных осадок для слабоупрочняющейся почвы; - приращение осадки при n-м нагружении, м. В результате преобразований зависимостей (5), (6) и (9) получим Проинтегрировав это выражение, получим или (10) Найдем зависимость в функции давления . Представим зависимость (6) в виде: . Известно, что . Тогда . (11) Приращение осадки при n-м приложении нагрузки (hn - hn-1) определяется по формуле [7]: . (12) Подставив в зависимость (10) вместо (k/p0)h1 его значение (11) и вместо разности (hi - hi-1) -выражение (12), получим: После преобразований получим (13) На основании формулы (13) построим график зависимости силы сопротивления качению колесной ходовой системы от числа осей для слабо упрочняющейся почвы (рис. 3). Значения параметров колес и свойств почвы были равны: Вk = 0,3 м; k = 1000 кН/м3; kи = 1, ро = 350 кПа. Из рис. 3 видно, что при давлении колес на почву q = 75 кПа прирост силы сопротивления качению незначительный. При более высоких давлениях интенсивность приращения силы сопротивления качению при последующих проходах колес возрастает. В случае изменения давления в зависимости, обратно пропорциональной числу осей ходовой системы, на слабо упрочняющейся почве зависимость (13) примет вид: Из рис. 4, построенного на основании данной зависимости, видно, что при увеличении числа осей глубина следа снижается. При этом интенсивность снижения глубины следа по сравнению с сильно упрочняющимися почвами уменьшается. Экспериментальные исследования тягово-сцепных свойств многоосного колесного хода проводились на механической модели в почвенном канале. Применялись шины 5.00-10.00 несущих колес с неразвитыми почвозацепами (рис. 5). Из рис. 6 видно, что основная часть силы сопротивления качению приходится на первое колесо. Увеличение числа осей при сохранении постоянной нагрузки (давление колес на почву изменяется в обратно пропорциональной зависимости от числа осей) сопротивление качению снижается. Нагрузка на ходовую систему равнялась 5,2 кН. Рис. 6. Влияние числа осей на сопротивление качению модели многоосного колесного хода: 1 _ - давление колес на почву одинаковое; 2 - - - - - давление изменяется в обратно пропорциональной зависимости от числа осей Выводы Предложенные закономерности изменения силы сопротивления качению при повторных проходах колес по следу учитывают тип и состояние почвы. Для сильно упрочняющихся почв наибольшая энергия на передвижение расходуется при первом проходе колеса. Для слабо упрочняющихся почв при давлении колес на почву свыше 150 кПа происходит интенсивный прирост силы сопротивления качению при последующих проходах колес по следу. Для обоих типов почв при сохранении постоянной общей нагрузки на ходовую систему увеличение числа осей способствует снижению сопротивления качению. Рис. 1. Зависимость силы сопротивления качению колесной ходовой системы от числа осей для сильно упрочняющейся почвы + Рис. 3. Зависимость силы сопротивления качению колесной ходовой системы от числа осей для слабо упрочняющейся почвы Рис. 4. Влияние числа осей на сопротивление качению при постоянной общей нагрузке для слабо упрочняющейся почвы Рис. 5. Общий вид модели многоосного колесного хода с тележкой почвенного канала

About the authors

I. N SHilo

Belarusian State Agrarian Technical University

Email: romanyuk-nik@tut.by
DSc in Engineering

N. N Romanyuk

Belarusian State Agrarian Technical University

Email: romanyuk-nik@tut.by
PhD in Engineering

A. N Orda

Belarusian State Agrarian Technical University

Email: romanyuk-nik@tut.by
DSc in Engineering

V. G Kushnir

Kostanay State University

Email: valkush@mail.ru

References

Supplementary files