Эффективность сдваивания колёс тракторов тягового класса 5

Введение. Развитие мирового сельскохозяйственного производства показывает, что механизация производственных процессов в растениеводстве осуществляется и будет осуществляться с использованием мобильной сельскохозяйственной техники. Причём следует прогнозировать существенное увеличение как количества, так и номенклатуры машин, работающих на полях.

В литературе приводятся многочисленные данные по отрицательному воздействию на почву мобильной техники, используемой при проведении технологических операций по выращиванию продуктов растениеводства [1, 2, 3, 4]. Это подтверждается изменением структуры и физико-механических свойств почв после прохода мобильных машинно-тракторных агрегатов, а также снижением урожайности зерновых и других сельскохозяйственных культур.

Внедрение государственных стандартов, лимитирующих уровень воздействия на почву, существенно осложнило проблему использования тракторной техники. Это связано главным образом с тем, что до принятия указанных стандартов тракторная техника развивалась без ограничений воздействия на почву. Наиболее существенно мероприятия новых стандартов (ГОСТ 26955-86, ГОСТ 26953-86 и ГОСТ 2695386) коснулись энергонасыщенной техники, способной работать на повышенных скоростях, так как в подавляющем большинстве случаев использование положений государственных стандартов практически исключает использование на полях колёсных тракторов, тем более мобильных энергетических средств большой мощности и тяги.

Поиск альтернативных технических средств обработки полей, обеспечивающих высокую производительность и низкий уровень воздействия на почву, натолкнулся на ряд технических трудностей и к настоящему времени не вышел на реализуемый уровень. В таких условиях поиск конструктивных мероприятий и эксплуатационных режимов, обеспечивающих допустимый уровень воздействия на почву традиционных машинно-тракторных агрегатов (МТА), представляется весьма актуальной задачей [5, 6, 7, 8, 9].

В соответствии с этим целью исследований является определение эффективности применения тракторов класса 5 со сдвоенными колёсами.

Объект исследований. Процесс взаимодействия почвенного опорного основания и ходовых систем сельскохозяйственных мобильных энергетических средств со сдвоенными колёсами.

Методы исследований. При проведении полевых испытаний основной задачей было определение показателей, характеризующих воздействие ходовых систем энергетических средств на почву , а также тяговых показателей энергетических средств пятого класса тяги при различных вариантах комплектации ходовых систем.

Как известно, методиками стандартов рекомендованы экспериментально-расчётные методы определения параметров воздействия, максимального давления и напряжения в почве, без использования прямых методов измерения воздействия непосредственно в почвенных слоях.

Однако, как с научно-методической, так и практической точки зрения, представляет существенную ценность одновременно с рекомендуемыми стандартами расчётными косвенными методами оценки параметров воздействия определение показателей взаимодействия при их прямом измерении [5].

Поэтому нами принят теоретико-экспериментальный метод исследования, для которого были разработаны и созданы оригинальные технические средства и методика прямых измерений воздействия движителей на почву.

Для исследований были приняты следующие варианты шин для комплектации ходовых систем трактора класса 5 (трактор К-701М): Ф-81(30,5R-32), Ф-147 (33R-32), Ф-82 (71×47×25) и сдвоенные колёса (Ф-81+Ф-86). В качестве объекта для сравнения результатов испытаний был использован гусеничный трактор Т-150.

Бетонная дорожка и участки поля, на которых проводились исследования, были ровными , наклон поверхности был менее 2°. На поверхности участков отсутствовали следы от прохода другой техники при проведении предыдущей операции технологического процесса.

Показатели, характеризующие агрофизические свойства почвенного фона, не выходили за пределы равновесных значений. Участки, на которых проводились испытания, находились от краёв поля не ближе 50 м. То есть условия испытаний соответствовали требованиям стандартов (ГОСТ 7057-2001). При проведении испытаний шин применялась мобильная установка типа «шинный тестер» [5, 8, 9] в соответствии с рекомендуемыми для такого вида исследовательских работ стандартами и отраслевыми методиками.

В соответствии с методикой ГОСТ 26953-86 для расчёта нормативного показателя воздействия на почву требуется определение среднего давления в контакте шины на жёстком основании. Требуемые при этом значения статической нагрузки на колесо определялись путём взвешивания трактора на четырёх платформенных весах с погрешностью не более 5%.

Площадь контактной поверхности колеса на жёстком опорном основании определялась методом планиметрирования отпечатков-следов контактных элементов шины, предварительно окрашенных краской. Для получения полной конфигурации отпечатка следы накладывались многократным воздействием с поворотом колеса на некоторый угол после каждого опыта [5, 8, 9].

Максимальное давление ходовых систем мобильного средства на почву определялось расчётным путём по ГОСТ 26953-86 и фактическим давлениям, определяемым прямым методом.

Для измерения величины давления опорного элемента движителя на почву использовались малогабаритные датчики давления типа ДМП. Датчики монтировались на опорных частях движителей, выступах грунтозацепов колеса или на звеньях гусеницы.

Запись показаний датчиков производилась при каждом обороте колёсного движителя или гусеницы с 30–60-кратной повторностью, что соответствовало длине мерного участка 300–400 метров.

С помощью датчиков давления определялась фактическая контактная площадь движителя с почвой [5, 8, 9].

Полученный в процессе полевых опытов объём данных позволил произвести оценку расчётных по методике стандартов и фактических значений контактных давлений колёсных движителей тракторов тягового класса 5.

В соответствии с методикой ГОСТ 26954-86 для оценки максимальных нормальных напряжений в почве рекомендованы расчётные методы [5, 10]. Для оценки фактического уровня воздействия ходовых систем мобильного средства на почвенное основание в полевых условиях были разработаны и созданы технические средства измерений нормальных напряжений на основе тензометрических датчиков напряжений, внедряемых в почву до прохода трактора [5]. Датчики располагались в боковых нишах вертикальных скважин в почве на горизонтах 10, 20, 35 и 50 см с некоторым натягом и начальным напряжением, принимаемым за нулевую линию отсчёта на осциллограммах. Для предотвращения осыпания почвы и выдавливания датчиков скважины запирались заглушкой.

После установки датчиков по линии движения колеса производился проход трактора вдоль линии скважин, располагаемых на расстоянии 20–25 метров одна от другой. Показания датчиков регистрировались на ленту осциллографа и обрабатывались при 12–15-кратной повторности опытов.

Опыты по оценке степени воздействия на почву имели комплексный характер. Параметры воздействия (контактные давления и нормальные напряжения) измерялись непосредственно на поле при закладке опытов на контрольных делянках. При этом тракторы работали в режиме сеялочных агрегатов в их серийной комплектации.

После проведения операций и разметки границ колеи сразу после прохода измерялись показатели физического состояния и сложения почвы по колее, вне колеи трактора и на контроле.

Проведение таких опытов позволило произвести наиболее полную комплексную оценку воздействия движителей на физические характеристики почв.

Комплексная постановка вопроса по оценке эффективности различных вариантов движителей предполагала одновременно с измерением показателей воздействия на почву производить оценку тяговых показателей трактора. Последние определялись путём проведения тяговых испытаний тракторов тягового класса 5 по методике ГОСТ 7057-2001.

Для сравнения в качестве эталона использовалась серийная шина Ф-81 типоразмера 30,5R-32, используемая для комплектации ходовых систем отечественных тракторов пятого тягового класса.

В соответствии с ГОСТ 7057-2001 перед испытаниями производился замер показателей характеристики фона (таблица 1).

Таблица 1 – Характеристика почвенного фона для проведения тяговых испытаний трактора К-701М

Наименование показателей	Поле, подготовленное под посев
Твёрдость в горизонтах, кг/см2
0…5 см	2,5
5…10 см	3,9
10…15 см	5,6
Влажность в горизонтах, %
0…5 см	12,9
5…10 см	23,4
10…15 см	24,1

Масса трактора при комплектации одинарными шинами Ф-81 была 15020 кг, при комплектации сдвоенными шинами Ф-81+Ф-86 – 16700 кг.

Результаты исследований. В таблице 2 приведены комплексные сравнительные показатели, определяющие уровень воздействия на почвенное основание различных вариантов комплектации ходовой системы трактора К-701М, в том числе со сдвоенными шинами.

На основе анализа данных испытаний можно сделать вывод, что комплектация ходовых систем трактора пятого тягового класса сдвоенными шинами Ф-81+Ф-86 представляет собой единственный из всех прошедших полевые испытания вариантов, отвечающих требованиям стандартов и по уровню максимального давления, и по значениям максимальных напряжений на глубине 0,5 м.

Данные значений объёмной массы , определённой по колее движителя, показывают, что при сдваивании шин обеспечивается наименьший уровень уплотнения почвенного основания.

При оценке результатов испытаний сдвоенных шин на Северо-Кавказской МИС в 1981 году и отрицательном отзыве о его эффективности на Всесоюзном совещании по сдваиванию шин (протокол 22/35/20 от 26.03.81) следует иметь в виду, что эти испытания проводились при повышенных давлениях в шинах (0,11–0,14 МПа), использовались опытные варианты шин с жёстким каркасом и грунтозацепами повышенной высоты. В таких условиях шины не развивали площадь контакта, оставляли большую колею, плохо самоочищались от влажной почвы и увеличивали энергозатраты на движение.

Таблица 2 – Сравнительные показатели, характеризующие воздействие на почвенное основание ходовых систем трактора К-701М при различных вариантах их комплектации

Параметры и показатели	Варианты комплектации ходовых систем				Т-150
	Ф-81	Ф-147	Ф-82	Ф-81+Ф-86
Вертикальная нагрузка на движитель, кН	44,5	45,0	45,5	46,0	–
Внутришинное давление, МПа	0,09	0,09	0,09	0,06 / 0,05	–
Площадь контакта движителя на бетоне, см2	4410	5330	4720	7060	7680
Среднее давление в пятне контакта (по ГОСТ 26953-86), кПа	100,9	84,4	96,4	59,0 / 73,5	46,0
Максимальное давление движителя на опорное основание (по ГОСТ 26955-86), кПа	136,0	142,0	131,0	89,0	88,0
Допускаемое давление движителя на почву (по ГОСТ 26955-86), кПа	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
Действительная площадь контакта движителя с почвой, см2	5200	5760	6460	8150	7900
Напряжения в почве (по ГОСТ 29954-86), кПа	44,7	53,0	39,2	25,0 / 24,9	20,4
Объёмная масса почвы в слое 0…30 см, г/см3: по колее вне колеи	1,17 1,02	1,22 1,02	1,14 1,02	1,13 1,02	1,11 1,02

Диагональная шина Ф-82, имеющая большее значение ширины профиля, чем серийная радиальная шина, по размерам контактной площади с почвенным основанием несущественно превосходит шину Ф-81.

Такой результат легко объясняется:

– высокой жёсткостью каркаса диагональной шины Ф-82;

– малым значением радиуса кривизны её беговой дорожки;

– диагональная шина Ф-82 при установленной нормальной нагрузке и значении внут-ришинного давления не может обеспечить по всей её ширине полное развитие контактной площади с почвой.

При сравнении развиваемых максимальных давлений ходовыми системами на почвенное основание, расчёт которых производился по методике ГОСТ 26953-86, было установлено, что наибольшее отрицательное воздействие на довые системы указанного трактора при комплектации одинарными шинами Ф-81 и Ф-82, несмотря на создание максимальных давлений ими в пятне контакта с почвенным основанием, на 4,4% и 8,4% ниже соответственно, также не выполняют требования стандартов по этому показателю.

Оценка формы возникающего отпечатка шины при её контакте с почвенным основанием (рисунок 1) должна производиться с учётом того , что тот движитель, который при равной площади контакта имеет большую её длину, обладает такими преимуществами:

– при одинаковом уровне воздействия на почвенное основание уплотняет меньшую поверхность обрабатываемого участка;

– мобильное средство показывает более высокие энергетические показатели, так как в этом случае уменьшаются его потери на самопередвижение, а также повышаются сцепные

Для количественной оценки этого явления необходимо введение показателя К f , определяемого как частное от деления длины на ширину отпечатка на почвенном основании.

Для различных вариантов комплектации шин при давлении воздуха Р W = 0,09 МПа в них имеем по результатам опытов: для Ф-81 – К f = 1,20; для Ф-82 – К f = 0,63; для Ф-147 – К f = 1,06.

То есть наилучший показатель по форме контактной площади движителя на почвенном основании имеет шина Ф-81.

В то же время диагональная шина Ф-82, у которой форма контактного отпечатка имеет больший размер в поперечной плоскости пере- мещения, характеризуется наиболее нерациональной площадью контакта.

Анализ данных таблицы 2 и рисунка 2 показал, что наименьшие значения давлений на опорное основание, определённых по методикам стандартов, оказывают ходовые системы трактора К-701М при установке на них сдвоенных шин Ф-81Э+Ф-86, имеющих внутришинное давление соответственно 60 и 50 кПа, и гусеничного трактора Т-150, принимаемого при испытаниях за эталон.

Ходовые системы мобильных энергетических средств Т-150 и К-701М, при установке на них сдвоенных шин Ф-81Э+Ф-86, оказывающих практически одинаковые максимальные давления на почвенное основание, удовлетворяют требованиям ГОСТ 26953-86. Но, так как в гусеничном движителе возникают значительные по величине динамические нагрузки, а также наблюдается значительная неравномерность распределения давлений по всей длине контак- та гусеничного обвода с почвой (ζ = 1,85), нам представляется, что применение пневматического движителя при выполнении сельскохозяйственных работ предпочтительно.

1 – максимальные давления; 2 – средние давления

Рисунок 2 – Графическое изображение распределения контактных давлений на грунтозацепах шин при использовании их в сдвоенном варианте

Полученные при испытаниях опытные данные (см. таблицу 2), свидетельствуют, что единственным из рассмотренных вариантов комплектации ходовых систем тракторов пятого тягового класса является установка сдвоенных шин.

Такой вариант отвечает требованиям стандартов как по величине максимальных давлений, возникающих в контакте движителя с почвенным основанием, так и по развиваемым максимальным напряжениям на глубине 0,5 м после прохода агрегата.

Более низкий уровень воздействия на почву при проходе трактора К-701М, ходовая система которого укомплектована сдвоенными шинами, подтверждается полученными при испытаниях значениями объёмной массы, взятой в пахотном горизонте почвы по колее, оставляемой движителями на поле.

Результаты сравнительных тяговых испытаний энергетического средства пятого клас- са тяги (трактор К-701М) с комплектацией ходовой системы одинарными (Ф-81) и сдвоенными шинами (Ф-81+Ф-86) на поле, подготовленном под посев, приведены в таблице 3.

Результаты тяговых испытаний трактора показывают явное преимущество комплектования ходовых систем сдвоенными шинами.

На основе анализа тяговых испытаний энергетического средства пятого тягового класса (трактор К-701М) установлено, что применение в ходовых системах сдвоенных колёс повышает его эксплуатационную эффективность, особенно на рыхлых почвенных основаниях:

– увеличивается номинальное крюковое усилие с 55,0 до 66,0 кН при снижении буксования движителей;

– повышается значение максимальной мощности на крюке с 151,0 до 164,1 кВт;

– наблюдается рост тягового КПД энергетического средства до 0,715 (против 0,658 на одинарных шинах) при снижении расхода топлива на 4,3%.

1 ё > 5		r*- -V- m '— ID CD r- T- v X- Q О COr Г-- Г-п ▻-„ Г-„ ▻-„ o" Q О О О О	csl 'S- co ю co r- r- r-co^ COn COn COn o" co" co" o'	ex CO Ю Ю О СОп О COn о" о" о" о"
б о і-а 8 р >3 і IS 1і р га о 5 с і Е	cd ° „	со Ц2 со г- r- L^ ^ cd" Г*-" LQ ^	^ ^ CXJ о ^ ^ cd' co	^ О CXI ^ ? 5 ^ ”
	3 ч 9 T 5 S І H | ^ о ^	CD CO CX CO "^ CO co co co co co co	0Q r*- co 'T-СО CXJ CXJ CXJ co co co co	О 09 СО О LD 'еГ CXI СО со со со со
	| 1Һ m g ra - 0- и F±	co ^r CD LQ ^ ^ co" 09 co' Cpr     у	". -*,174 °-0Q~ Ql" 5	°0 Г-„ CQ 'г~-^-" со'" со" ^
	S' £	LQ, CD CO Ю LQn Q o'" о co" T- ID cd" CQ Г— CO CO IQ ^"	LQ, O^ O^ LQ^ LD CO" ID O" CO ID Ю ID	Or LQ^ LQ^ U9 co" 0" ю" co" co co LD ^-
га ш Һ 1 е s И ^ Q		■O' CO, -s- СЧ CO CO^ id" CO" ^ CO" V* CO LQ CO CO CO CO CO	^ ^ ^ °. V ^ LD id" LQ LD LD Ю	Or CXJ, O_ LQ^ co" co" x=" co" ТГ '’T ID ТГ
Cl o. ™		T- cxj "V co ^ ^ 1             1             1             1             1             1	cxi -v co ^	^ 7 r	7 2
ra „ 8		LQ G3 CD co CDk o"	or 0"	0
= 2 h		CD О co x        ra I      1 =     5 I    1 6     1 Ф 1”  У о   n	0 CXI LD I  1 і   e і  1 О  о	co i I c	D X D О 1 "О D 2 E к ■Q D *□ и 3

Результаты полевых испытаний сеялочных агрегатов, агрегатируемых трактором К-701М в комплектации сдвоенными шинами, показали удовлетворительные показатели по управляемости и устойчивости движения. Нарушений целостности колёс в виде проворачивания шин, даже при максимальных крюковых усилиях, при проведении испытаний не наблюдалось.

Следует отметить, что установка на ходовые системы сдвоенных шин является эффективным средством для балластирования тракторов, имеющих высокую энергонасыщенность, так как при сдваивании колёс ходовых систем трактора растёт его сцепная масса и повышаются сцепные свойства движителей.

Этот факт подтверждается результатами экспериментальных исследований многих других авторов и организаций.

По результатам выполненных исследований сделаем следующие выводы:

– различные по габаритным размерам и внутреннему строению шины оказывают разный уровень воздействия на почвенное основание, но при одинарной комплектации ими колёс ходовые системы мобильных энергетических средств не соответствуют требованиям ГОСТ 26955-86;

– при большей контактной площади с опорным основанием шина 33R-32 (Ф-147) имеет значения максимальных давлений выше, чем шина 30,5R-32 (Ф-81) из-за высокой неравномерности давлений по её ширине;

– снижение негативного воздействия на почвенное основание движителей энергетических средств пятого тягового класса возможно при комплектации их сдвоенными колёсами;

– результаты тяговых испытаний трактора К-701М со сдвоенными колёсами на пару показывают, что наблюдается рост номинального тягового усилия с 55,0 до 66,0 кН, снижается буксование движителей, повышаются значения максимальной мощности на крюке и тягового КПД почти на 8,7% при уменьшении расхода топлива на 4,3%.

Кроме этого при сдваивании колёс ходовые системы энергонасыщенных тракторов обладают такими преимуществами:

– возможность сдваивания колёс с серийно выпускаемыми шинами одной модели, предназначенными для данного тягового класса тракторов, что явно предпочтительнее освоения новой модели широкопрофильной шины, имеющей низкое внутреннее давление воздуха;

– сохранение серийного варианта трактора при демонтаже комплекта сдваивания.