Оценка показателей агропроходимости мощных зерноуборочных комбайнов в комплектации с шинами различного исполнения

Введение. На полях нашей страны в настоящее время в технологическом процессе производства сельскохозяйственных культур применяются мощные тракторы типа К-701М и К-744Р, самоходные зерноуборочные комбайны высокой производительности, такие как Дон-1500Б, Vektor-410, Agros-530, RSM-161, Torum-

740 и их модификации, а также другие мобильные энергетические средства (МЭС), на которых применяются ходовые системы, оснащённые пневматическими шинами, способствующие более высокой мобильности колёсных машин по сравнению с гусеничными [1, 2, 3, 4, 5]. Но колёсные машины больше чем гусеничные уплот- няют почву, что приводит к ухудшению жизненно важных для растений биологических процессов в почве, таких как водный, тепловой и воздушный режимы, к существенному снижению урожая возделываемых культур, значительному повышению сопротивления пахотных и других агрегатов при проведении последующей технологической операции и т.д. [1, 2, 6].

Поэтому в настоящее время повышенное внимание уделяется модернизации ходовых систем мобильных агрегатов, обеспечивающих их высокие тягово-сцепные свойства с одновременным выполнений допустимых по ГОСТ 26955-86 показателей агротехнической проходимости. Под агротехнической проходимостью следует понимать способность машины двигаться по агрофону с заранее принятыми ограничениями на уплотнение почвы, которые обуславливаются щадящим воздействием движителя на почву, когда её потенциальное плодородие не нарушается. При этом факторы, определяющие уплотняющее воздействие, могут быть приведены к такой последовательности [1, 7]:

– масса, приходящаяся на единичный движитель;

– площадь контакта движителя с почвой;

– среднее и максимальное давления в контакте;

– распределение давления по контакту;

– глубина колеи;

– напряжения в слоях пахотного и подпахотного горизонтов почвы;

– плотность сложения почвы в пахотных и подпахотных слоях.

Из перечисленных показателей интегральным и обобщающим показателем потенциального плодородия почвы является её плотность сложения (объёмная масса) [1]. Для каждого типа почв существует предельное и допустимое по уплотнению равновесное значение этого показателя, а также наиболее благоприятное для произрастания сельскохозяйственных культур. Следовательно, данные значения плотности почвы являются основными при оценке агротехнологической проходимости МЭС в предполагаемой зоне.

При оценке степени воздействия ходовых систем трактора класса 5 на полях ООО «Нива» Кизлярского района Республики Дагестан нами были взяты пробы почв на различных горизонтах по следу трактора и сделано сравнение аналогичных данных по фону (таблица 1, рисунок 1).

Таблица 1 – Средние значения плотности почвы

Место забора проб	Плотность почвы, г/см3
	0–10 см	10–20 см	20–30 см	30–40 см	40–50 см
Фон	1,15	1,37	1,63	1,63	1,70
По следу трактора	1,29	1,53	1,82	1,82	1,81

Рисунок 1 – Графики изменения плотности почвы после прохода трактора

Результаты измерений плотности почв на различных горизонтах по следу трактора класса 5 показали значительное увеличение её после его прохода (от 5 до 13%). Причём большее уплотнение наблюдается в тех горизонтах почвы, где формируется обычно корневая система сельскохозяйственных растений.

На основании вышеизложенного целью исследований является определение показателей агротехнической проходимости ходовых систем колёсных мобильных средств, оснащённых шинами с разным внутренним строением оболочки шины.

Объект исследования – процесс взаимодействия почвенного основания и движителей сельскохозяйственных мобильных энергетических средств.

Методы исследований. Нами принят теоретико-экспериментальный метод исследования, при котором использовался шинный тестер [1, 7, 8, 9] с применением необходимого комплекса аппаратуры, обеспечивающей определение всех регламентируемых показателей, устанавливающей воздействие ходовых систем сельскохозяйственных мобильных средств на почву.

Результаты исследований. Колёсный движитель сельскохозяйственной машины должен выполнять многообразные функции, выполнение которых возможно лишь на основе комплекса различных, зачастую противоречивых, качеств пневматической шины как основного его элемента. Шина тем совершенней, чем выше её тягово-энергетические и показатели агротехнической проходимости. Из всего многообразия основных направлений совершенствования движителей колёсных машин наиболее предпочтительными, на наш взгляд, являются оптимизация внутреннего строения, а также разработка новых типов шин [1, 7, 8, 10].

В работе для практической реализации снижения уплотняющего воздействия на почву приняты два направления: оптимизация параметров существующих шин и создание с оптимизацией параметров принципиально новых типов их конструктивного исполнения.

Метод решения задачи оптимизации – расчётно-экспериментальный, для которого исходные условия зависят от основных требований к движителю данной машины. Для тракто- ров и комбайнов необходимо получить максимальное значение показателей агротехнической проходимости при допустимом прогибе и приемлемых тягово-энергетических показателях шины.

Динамические и статические режимы нагружения шины учтены результатами испытаний на «шинном тестере» [1, 7, 8] специального комплекта шин, разработанного по греколатинскому квадрату с комбинацией изменяемых в нём на четырёх уровнях параметров – слойность п , п и углы нитей корда α , α соответственно в каркасе и бреккере.

Анализ данных, полученных экспериментальным путём (рисунок 2), показал, что на выходные показатели колёсного движителя оказывает большое влияние внутреннее строение шины. При этом у шин наблюдаются значительные изменения значений тангенциальной жёсткости (от 374,5 до 883,0 кН∙м/рад).

Полученные статические характеристики испытываемых шин имеют между собой хорошую корреляционную связь.

Относительный прогиб шины движителя с изменением её внутреннего строения имеет значительную стабильность. Это объясняется тем, что тангенциальная жёсткость меньше зависит от давления воздуха в шине, чем её несущая способность. Так, например, изменение угла наклона нитей брекера с 55° до 70° приводит к снижению тангенциальной жёсткости пневматика в 1,36 раз при увеличении относительной её деформации на 4,3%.

В то же время, несмотря на то, что увеличение тангенциальной жёсткости пневматика наблюдается при снижении относительного прогиба шины, темп и характер поведения относительного прогиба и тангенциальной жёсткости шины с изменением вышеперечисленных параметров армирования её различен. Необходимо также отметить, что увеличение радиальной деформации пневматика не обеспечивает пропорциональное повышение площади контакта шины с опорным основанием. Для полного использования радиальной деформации шин на увеличение площади контакта, как показали проведённые нами исследования, следует увеличить эластичные способности коронной части пневматика.

б

── слойность брекера п ;

─ · ─ слойность каркаса п ;

─ ─ угол наклона нитей корда брекера α ;

─ ·· ─ угол наклона нитей корда каркаса β

Рисунок 2 – Графики зависимости жёсткости с (а), прогиба h   (б) и средних давлений g  (в) шины от её армирования

Значение давлений в контакте колёсного движителя с опорным основанием в большей мере зависит от строения каркаса шины: повышение слойности брекера с двух до восьми приводит к увеличению давлений на опорное основание всего на 7,8%, а такое же изменение слойности каркаса – на 11,2%; изменение угла наклона к меридианной плоскости нитей корда каркаса от 0° до 15° увеличивает средние давления в контурной площади с опорным основанием на 10,8%.

Влияние исследуемых параметров на выходные показателей шин неоднозначно. Поэтому для решения многопараметрической задачи оптимизации использованы метод «исследование пространства параметров» и симплекс-метод Данцига, основу вычислительной схемы которого составляют модифицированные жордановы исключения [1, 7].

Для шины типоразмера 30,5R32 её тангенциальная жёсткость с (кН∙м/рад), относительная деформация h (%), тяговый КПД колеса η (%) и значение средних давлений q (кПа) движителя на опорное основание с достаточной степенью точности можно определить с помощью следующей системы уравнений:

h отн = 16,5 - 0,124 ⋅ п б + 0,047 ⋅ α б - 0,438 ⋅ п к - 0,131 ⋅ α к ;

с = 4982,3 + 8,73 ⋅ п - 135,5 ⋅ α + 20,05 ⋅ п - 0,366 ⋅ α - τ    ббк  к

• - 1,278 ⋅ п ² + 0,09 ⋅ α ² + 0,172 ⋅ п ² + 0,986 ⋅ α ² ;

η = 51,2 + 1,21 ⋅ п + 0,58 ⋅ α + 0,63 ⋅ п - 0,15 ⋅ α -

• - 0,14 ⋅ п ² - 3 ⋅ 10 ^{- 3} ⋅ α ² - 7,8 ⋅ 10 ^{- 2} ⋅ п ² - 8 ⋅ 10 ^{- 4} ⋅ α ² ;

q = 94,05 + 1,21 ⋅ п - 0,22 ⋅ α + 1,63 ⋅ п - 0,63 ⋅ α .

ср                         б              б             к              к

Проверка адекватности по критерию Фишера математических моделей показателей агропроходимости ходовых систем мобильных энергетических средств показала, что они значимы на заданном отрезке.

В соответствии с указанными функциями цели определено оптимальное сочетание конструктивных параметров радиальной шины 30,5R-32 для зерноуборочного комбайна: слой-ность бреккера должна быть равной семи, каркаса – шести, наклон нитей корда в бреккере – в пределах 62°, в каркасе – около 15°.

Характерно, что угол 15° в каркасе определяет границу между диагональными шинами (рисунок 3 а ) и радиальными (рисунок 3 б ).

Другое принципиально отличное и практически реализованное направление перспек- тивного проектирования шин заключается в создании и оптимизации шин такого исполнения, в которой гистерезисные потери будут уменьшены с одновременным увеличением размеров её пятна отпечатка и продольной жёсткости (рисунок 3 в).

Это достигнуто за счёт реализации таких закономерностей деформирования оболочки, которые обеспечивают нагружение нитей корда, близкое к растяжению в зонах восприятия, и тангенциальных сил – к изгибу в зоне контакта. В такой шине нити корда в каркасе расположены под углом 30–40° к меридиану, как у диагональной, но параллельно друг другу в смежных слоях. Причём наклон нитей выполнен от бортовых колец к беговой дорожке в направлении, противоположном угловой скорости оси колеса.

а                               б                             в а – диагональная шина; б – радиальная шина; в – экспериментальная шина

Рисунок 3 – Конструктивное исполнение шин ведущих колес мобильных энергетических средств

Окончательная оценка агротехнических качеств шин проведена с учётом реальных условий эксплуатации на машинах. С этой целью проведены испытания зерноуборочного комбайна Agros-530, поочерёдно укомплектованного шинами одного и того же 30,5-32 размера, но разных по типу конструктивного исполнения.

Показатели агротехнической проходимости определены на основе факторов, отражающих последовательность уплотняющего воздействия шин на почву: площадь отпечатка, давления в контакте, напряжений и плотности сложения в пахотном и подпахотном горизонтах почвы [1, 7, 8, 9].

Показатели воздействия на почвенное основание зерноуборочных комбайнов, оснащённых различными по конструктивному исполнению шин, были определены в соответствии с рекомендациями ГОСТ 26955-86, ГОСТ 2695386 и ГОСТ 26954-86 (таблица 2).

Нами были проведены экспериментальные работы по оценке воздействия на почву зерноуборочных комбайнов Agros-530 и СК-5М «Нива» с шинами различной конструкции. С этой целью нами было проведено определение давлений движителей в контакте шин с опорным основанием, напряжений, возникающих в различных горизонтах почвы, а также агрофизические свойства почвы до и после прохода «Agros-530» при уборке озимой пшеницы.

Табпар 2 - Показатели оценен воздействия юдоази систем воиоалнов на опорное осноза-ие по негоднее ГОСТ

J ҺҺ 1^1

1

5 8'

3

s'

s s'

s s'

О

1

h h F 8 fl

^1

—4

CM4

1

І I

s' г

o.j S'

Й

60 s'

LQ S'

ills к Е 5 HI

Й

в

I

CM s'

£

i 12 £

s is и 3 Й

s'

о s'

s'

c*S S'

5

is И

СП

s'

s'

s'

lip

Cd s'

=0 S'

о 5

CM s'

u-1 Й

CM S E

E £ J i

1 1 2 И T? ой

5

S'

1 8

Че

s.

s.

d| £ 1 1 H

1 o’

5! 3 о

o'

1 o’

E cm □z о w 5 V

1 o"

1

І G 4 S 5 Й i § 5

ti іу

5'

cd S'

s' Г

СП s'

CT? S'

05 S'

cm s'

S is и

u-1 s'

UH S'

cn s'

о s'

5^ _ c

0 o’

=0 9 o’

о o'

9 CM o'

1 o'

О

h 8g |!

I

I

1

8 1

is н и

u-1 s'

Cd

s'

cm s'

bi di

1

i

§ CM

i

|

4 1

Че

cm

R

hl I Ip

o’

^ o'

o’

o’

8 o’

к cm CM o"

I 1

9 u-1 s'

s Lfl S'

s'

p

3 ui s'

Ш S'

3 я s'

3 s'

s CM

cm CM

1-

т 1 и 8 К

1

3 LO S'

3 u-1 s'

^ s s'

Ходовая система комбайна Agros-530 поочерёдно комплектовалась шинами: серийными 30,5L-32, радиальными шинами с оптимальным внутренним строением 30,5R-32 и экспериментальными шинами 30,5Э-32, а ходовая система комбайна СК-5М была укомплектована серийными шинами. Давление движителей и управляемых колёс с опорным основанием было-установлено по ГОСТ 26953-86, а также дополнительно – по разработанной нами методике.

Несмотря на то, что шины 30,5L-32, 30,5R-32 и 30,5Э-32 одного типоразмера, экспериментальная шина имеет контактную площадь с опорным основанием больше серийной на 16,65%, а радиальной шины, имеющей оптимальные параметры внутреннего строения, на 7,38%, что объясняется разной величиной их радиальной жёсткости.

Значения максимальных давлений, определённые в контакте наиболее нагруженного пневматика с опорным основанием, показали преимущество ходовых систем комбайна Agros-530 при комплектации их любыми испытываемыми шинами перед ходовой системой комбайна СК-5М. Однако было установлено, что комбайн Agros-530 соответствовал требованиям ГОСТ 26955-86 по величине максимальных давлений только при установке на его ходовые системы шин экспериментальной конструкции.

Как установили расчётно-экспериментальные исследования, требованиям ГОСТ 26955-86 по максимальным напряжениям, возникающим на глубине 0,5 м почвенного основания, удовлетворяет только ходовая система комбайна СК-5М. Аналогичные напряжения, создаваемые ходовой системой комбайна Agros-530, выше допустимых стандартом на 12–34%. Большие напряжения получены при движении комбайна на серийных шинах.

Определение показателей воздействия ходовых колёсных систем на почву по методике ГОСТ достаточно простая операция, но она не учитывает ряд факторов.

Так, согласно ГОСТ 26953-86, для определения максимального давления, создаваемого ходовыми системами мобильных энергетических средств на почву, увеличивают площадь отпечатка шины, полученную на жёстком опорном основании при статически создаваемой нагрузке, на так называемый коэффициент приведения к почвенным условиям, который зависит от типоразмера шины и её внешнего диа- метра. Тогда среднее давление на почвенное основание получают делением статической нагрузки на движитель на полученную величину приведённой к почвенным условиям площади контакта, а величину максимального давления принимают в 1,5 раза больше полученного среднего значения.

Но в реальности условия развития радиальной деформации пневматика при качении и нагрузке, создаваемой статически, совершенно различны. При качении пневматического колеса с почвенным основанием в соприкосновение входят сначала экваториальные элементы протектора шины, а потом вступают в контакт последовательно другие элементы протектора в зависимости от их расстояния от плоскости, расположенной по центру колеса, до плечевых зон. При выходе элементов пневматического колеса из контакта определяемый порядок обратный.

При определении площади соприкосновения неподвижной шины с опорным основанием в статических условиях в контакт входят одновременно элементы, располагающиеся и в радиальном сечении пневматика, и в его плечевых зонах. В то же время участки грунтозацепов, находящиеся в средней части протектора, не контактируют с опорным основанием, поэтому оболочка шины испытывает несимметричное нагружение, в результате чего создаётся её перекос. Особенно присуще такое протекание процесса деформации у шин с более эластичной оболочкой, что приводит к существенному занижению потенциально возможной площади контактного отпечатка.

Таким образом, при определении значений коэффициентов приведения площади контактного отпечатка шины К 1 и неравномерности по длине контакта давлений К 2 необходимо учитывать, помимо наружного диаметра, внутреннее строение шины, а также условия качения движителя ходовой системы зерноуборочного комбайна.

По методике, применяемой в работе нами, предусматривалось измерение фактической площади контакта, а также величины давлений, возникающих в контакте движителей ходовой системы с почвенным основанием, и напряжений в различных слоях почвы прямым измерением с помощью потенциометрических датчиков, устанавливаемых заподлицо на по- верхности протектора шины и в специальных нишах на различной глубине [1, 7, 8].

Значения максимальных давлений, оказываемых движителем на почву, снимались непосредственно с осциллограммы контактных давлений, а средние давления – с учётом весовой доли показаний всех датчиков.

Эффективность предложенных конструктивных решений подтверждается также агротехническими показателями, значения которых были получены экспериментальным путём.

При прочих равных условиях площадь контакта на стерне радиальных, с оптимальным внутренним строением, и экспериментальных шин больше, а давление в пятне контакта с почвенным основанием ниже на 12–17%, чем диагональных шин (таблица 3). Плотность сложения почвы, а также величина максимальных нормальных напряжений в пахотном горизонте на 18% меньше после прохода ходовых систем, укомплектованных радиальными, с оптимальным внутренним строением, и экспериментальными шинами (таблица 4).

В подпахотных горизонтах напряжения, измеренные прямым методом, и плотность выравниваются и на глубине 60 см по следу данных шин остаются постоянными.

Результаты проведённых экспериментальных исследований показали неравномерность распределения давлений по ширине протектора движителя во время движения комбайна при уборке озимой пшеницы (рисунок 4).

1 – 21,3L -24; 2 – 30,5Э-32;

3 – 30,5L-32

______ – максимальные давления;

____– средние давления

Рисунок 4 – Распределение контактных давлений по ширине протектора шин

Наибольшая неравномерность давлений по ширине пневматика и по длине его контактного отпечатка наблюдается у серийной шины диагональной конструкции 30,5L-32. Минимальная неравномерность давлений отмечена у экспериментальной шины 30,5Э-32 .

На основе данных, полученных при проведении натурных экспериментов, по зависимостям, установленным ГОСТ 26953-86, было проведено уточнение значений коэффициентов К 1 и К 2 и определены показатели воздействия на почву ходовых систем зерноуборочных комбайнов (таблица 5).

Таблица 5 – Показатели воздействия колёсных движителей зерноуборочных комбайнов на почву

Типоразмер шины	Статическая масса на шину, кг	Фактическая площадь контакта, м2	Коэффициент		Максимальное давление колёсного движителя на почву, кПа	Максимальное нормальное напряжение в почве, кПа
			К 1	К 2
«Agros-530»
30,5L-32	6820	0,4538	1,040	1,170	176,9	60,38
30,5R-32	6850	0,4683	1,160	1,100	157,8	59,17
30,5Э-32	6850	0,5300	1,130	1,230	152,2	56,49

Из таблицы 5 видно, что зерноуборочный комбайн «Agros-530» при установке на его хо- довую систему любых испытываемых шин соответствует требованиям ГОСТ 26955-86 по вели- чине максимальных давлений на почвенное основание. Но всё же предпочтительным является установка на ходовые системы зерноуборочных комбайнов высокой производительности шин экспериментальной конструкции.

Нормальные напряжения, возникающие на глубине 0,5 м почвенного основания после прохождения зерноуборочного комбайна «Agros-530», при установке любых вариантов исследуемых шин превышают допустимые стандартом (ГОСТ 26955-86) на 25–35%.

Выводы. Анализ результатов расчётноэкспериментальных исследований показал, что при установке на ходовые системы экспериментальных шин улучшается агротехническая проходимость мощных зерноуборочных комбайнов:

• -    величина максимальных давлений на почву ходовых систем комбайнов с экспериментальными шинами (по ГОСТ 26953-86) на 11% меньше, чем с радиальными, и на 28% – с серийными (диагональными) шинами;

• -    меньшее значение давления с почвенным опорным основанием ходовые системы зерноуборочных комбайнов показали при комплектации их экспериментальной шиной 30,5Э-32, но напряжения, возникающие в почве на глубине 50 см, для всех вариантов исследуемых шин практически одинаковы.

Негативное влияние ходовых систем на показатели агрофизических свойств почвы после прохода мощных зерноуборочных комбайнов при установке радиальных или экспериментальных шин ниже, чем в серийной комплектации.