Результаты исследования тягово-сцепных свойств олигомерных шин для движителей тракторов третьего тягового класса

Введение. Ведущее колесо колёсного сельскохозяйственного мобильного энергетического средства должно обладать высокими тягово-сцепными и агротехнологическими свойствами [1, 2, 3, 4, 5]. Мобильная сельскохозяйственная техника при выполнении технологических операций воздействует своими ходовыми системами на почву [6, 7, 8, 9, 10], что приводит к снижению урожая сельскохозяйственных культур, а также к росту сопротивления сельскохозяйственных машин при последующей обработке, в результате чего годовой перерасход топлива по стране составляет около одного млн т [3].

Решение этих задач во многом зависит от изыскания и реализаций мероприятий по совершенствованию и созданию новых конструкций шин, являющихся основными элементами колёсного движителя, удовлетворяющих современным требованиям [3, 4].

В практике тракторостроения преобладают две основные тенденции улучшения тяговоэнергетических и агротехнических свойств колёсных движителей: применение шин увеличенного типоразмера и совершенствование конструкций шин [3, 4, 11, 12].

Не отрицая полезности исследований первого направления, следует отметить, что улучшение эксплуатационных качеств колёсных движителей путём применения шин повышенного типоразмера в настоящее время практически исчерпало свои возможности вследствие ограничения габаритов трактора [3, 4, 11, 12].

Опыт конструирования и испытаний сельскохозяйственных тракторов, накопленный в Российской Федерации и других странах, показывает, что наиболее перспективным направ- лением является создание новых высокоэластичных и совершенствование существующих конструкций пневматических движителей, которые будут работать, не снижая своего срока службы даже при низких давлениях воздуха в шине [3, 4, 11, 12, 13].

Создание новых высокоэластичных пневматических шин современных конструкций требует новой рецептуры резин и материалов, применения каучук-олигомерных композиций [13], которые позволяют применять новые прогрессивные технологии при изготовлении шин.

В настоящее время в Российской Федерации и в других странах создаются шины на основе каучук-олигомерных композиций. В частности, австрийской фирмой «Lim» создан типоразмерный ряд широкопрофильных шин на основе олигомеров.

Целью исследований и испытаний предусматривалось определение тягово-энергетических показателей трактора третьего класса тяги в комплектации олигомерными шинами типоразмера 66×43,00-25 и шинами 21,3R24 модели ФД-14А на пару (фон 1), стерне зерновых колосовых (фон 2) и бетоне (фон 3).

Программа исследований и испытаний включала определение и сравнительную оценку тягово-энергетических показателей движителей, укомплектованных олигомерными и серийными шинами типоразмеров соответственно 66×43,00-25 и 21,3R24 на различных опорных основаниях.

Объект исследований – трактор третьего класса тяги в комплектации олигомерными шинами типоразмера 66×43,00-25 и серийными шинами 21,3R24.

Предмет научных исследований – тягово-энергетические и агротехнологические показатели трактора третьего класса тяги в комплектации олигомерными шинами типоразмера 66×43,00-25 и серийными шинами 21,3R24.

Метод исследования и условия проведения экспериментов. Нами был принят экспериментальный метод исследования с применением тяговых лабораторий и «шинного тестера» (авторские свидетельства и патенты на изобретение № 1557469, 1767381, 2085891, 2092806, 2107275, 2131119, 2167402, 2221998) [3, 12, 14, 15], который был модернизирован для обеспечения установки шины 66×43,00-25 и снижения трудоёмкости при монтаже и демонтаже испытываемого колеса.

Полевые испытания олигомерных шин типоразмера 66×43,00-25 и шины 21,3R24 проводились в агротехнические сроки на пару, стерне озимой пшеницы и бетоне, удовлетворяющим требованиям зональных нормативов и ГОСТ 7057-2001. Выбранные на расстоянии более 50 м от краёв поля с геометрическими размерами 600×1000 м участки, на которых проводились испытания, были выровнены, угол наклона их во всех направлениях был менее одного градуса, на них отсутствовали следы от проезда техники после последней обработки, а уплотнение подпахотного горизонта не превышало равновесного значения. Характеристики почвенных фонов участка показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики почвенных фонов

Наименование показателей	Фон	Слой почвы, см
		0–10	10–20	20–30	30–40	40–50	50–60
Влажность, %	фон 1	22,23	23,95	23,90	25,63	25,32	25,40
	фон 2	25,24	24,31	24,23	23,87	24,11	24,21
Объёмная масса, г/см3	фон 1	0,85	1,14	1,29	1,31	1,32	1,32
	фон 2	1,08	1,28	1,30	1,28	1,30	1,29

Результаты исследований. Проведение экспериментальных исследований с целью определения тягово-энергетических характеристик и агротехнологических показателей шин непосредственно на мобильном энергетическом средстве затруднено в связи с необходимостью обеспечения точности измерения и устранения влияния конструкции других агрегатов, систем и узлов трактора. В связи с этим для проведения экспериментальных исследований нами была применена специальная модернизированная установка «шинный тестер» [3, 12, 14, 15].

Для оценки тягово-энергетических показателей шин приняты следующие показатели [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]: η - тяговый КПД колеса; δ - коэффициент буксования; P - сила сопротивления качению; η , η - составляющие тягового КПД колеса соответственно по качению и буксованию колёсного движителя.

Определение тягово-энергетических показателей шин проводилось с использованием данных измерений: М - момента, подводимого к оси ведущего колеса; Р , Р - составляющих сил в продольной плоскости, действующих на колёсный движитель; α - угла, определяющего расположение рамы «шинного тестера» к гори- зонту; nК , n - числа оборотов испытываемого и путеизмерительного колёс.

Методика проведения полевых испытаний шин на тестере заключается в следующем. «Шинный тестер» приводился в движение по заданному курсу, который обеспечивался заранее выбранными ориентирами. Регулированием потока масла в приводе испытываемого колеса и переключением передач трактора создавалось необходимое кинематическое несоответствие, и, вследствие этого, получался разный уровень тяговой загрузки колеса. Качение колеса осуществлялось в нейтральном, свободном и ведущем режиме [3], причём длина зачётного участка пути для каждого уровня нагрузки соответствовала 60–80 м. Испытания шин ведущих колёс трактора третьего тягового класса проводились при штатных значениях нормальной нагрузки на колесо N , которая соответствует максимально нагруженному колесу трактора Т-150К, и внутреннего давления воздуха в шине.

Значения нормальной нагрузки на колесо и внутришинного давления воздуха при испытаниях тракторов третьего класса тяги с олигомерными шинами типоразмера 66×43,00-25 и шинами 21,3R24 приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Нагрузочные режимы при проведении испытаний

Модель шины	Нормальная нагрузка, N , кН			Давление воздуха в шине, p W , МПа			Прогиб шины, h , мм
	фон 1	фон 2	фон 3	фон 1	фон 2	фон 3	фон 1	фон 2	фон 3
66×43,00-25	28,5	28,5	28,5	0,06	0,09	0,10	379	195	-
21,3R24	26,0	26,0	26,0	0,10	0,11	0,16	-	-	-

Показатели тягово-энергетических качеств испытываемых шин определялись по зависимостям:

- тяговое усилие

Р кр = ^Р 1 + ^Р 2 ±⁽ N - m K • g ) • ^а , ⁽¹⁾ где N – нормальная составляющая нагрузки на исследуемый движитель;

m – масса исследуемого движителя вместе с деталями привода, установленными на ведущей оси;

- кинематический радиус качения веду- щего колеса

г

K

Sn оп                пк

------= r-- пк 2 п • n     п

KK

где S - расстояние, проходимое исследуемым движителем при проведении эксперимента, которое определяется по количеству оборотов путеизмерительного (флюгерного) колеса;

r - радиус качения путеизмерительного (флюгерного) колеса;

• -    коэффициент буксования

5 = 1 - r 0 ,                 (3)

rK где r0 - радиус качения в свободном режиме качения (Ркр = 0);

• -    тяговый КПД

Р

• ^П К =5^ • r K ;             ⁽⁴⁾

кр

в

а – фон 1 ( N = 28,5 кН, P w = 0,06 МПа);

б – фон 2 ( N = 28,5 кН, P w = 0,09 МПа);

в – фон 3 ( N = 28,5 кН, P w = 0,10 МПа)

Рисунок 1 – Тяговые характеристики олигомерной шины 66×43,00-25

б

в

а – фон 1 ( N = 26,0 кН, P w = 0,10 МПа);

б – фон 2 ( N = 26,0 кН, P w = 0,11 МПа);

в – фон 3 ( N = 26,0 кН, P w = 0,16 МПа)

Рисунок 2 – Тяговые характеристики серийной шины

21,3R24

• -    потери мощности на буксование

П = 1 - 8;(5)

• -    потери мощности на перекатывание колеса

η

ηf = K ;(6)

ηδ

• -    сила сопротивления качению

MK

Pf =   0   PK .(7)

r K

В результате обработки экспериментальных данных были получены базовые характеристики шин типоразмера 66×43,00-25 и шины 21,3R24, на основании которых были рассчитаны и построены их тяговые характеристики (рисунки 1, 2). Под базовыми характеристиками здесь понимаются закономерности изменения кинематического радиуса качения r и крутящего момента М подводимого к оси ведущего колеса в зависимости от тягового усилия р_к развиваемого в пятне контакта движителя с опорным основанием.

Анализ результатов испытаний показал, что испытываемые шины обладают весьма приемлемыми тяговыми показателями.

Так, на пару максимальные значения тягового КПД у олигомерной шины 66×43,00-25 достигают 0,655–0,715 в диапазоне тяговой нагрузки, равного 6,0–14,0 кН, при изменении буксования от 4 до 20% (см. рисунок 1 а ). Значения тягового КПД в пределах 0,53–0,62 шины 21,3R24 получены при изменении тяговой нагрузки 4,0–10,0 кН. Буксование при этом находится в пределах 6–30% (см. рисунок 2 а ).

На стерне озимой пшеницы получены аналогичные результаты. У шины 21,3R24 при силе тяги, равной 4,0–10,0 кН, развивается тяговый КПД 0,50–0,65 при буксовании от 5 до 25% (см. рисунок 2 б ). У олигомерной шины 66×43,00-25 максимальные значения тягового КПД 0,73–0,81 получены при изменении тяговой нагрузки от 6,0 до 14,0 кН, буксование при этом изменяется от 2,5 до 19% (см. рисунок 1 б ).

На бетоне (см. рисунки 1 в , 2 в ) у олигомерной шины 66×43,00-25 максимальный тяговый КПД достигает значения 0,915, тогда как у шины 21,3R24 – 0,79.

Качение испытуемых шин по бетону происходит с незначительным буксованием.

Так, у олигомерной шины 66×43,00-25 буксование при изменении крюкового усилия от 0 до 18 кН достигает лишь 3%, при дальнейшем же увеличении крюкового усилия до 19 кН бук- сование резко возрастает, причём отмечается и уменьшение силы тяги, что свидетельствует о потере сцепных свойств шины.

У шины 21,3R24 буксование на бетоне больше, чем у олигомерной шины 66×43,00-25: при крюковой нагрузке, равной 16 кН, – буксование достигает 10%. Резкое возрастание буксования наблюдается при увеличении крюковой нагрузки более 16 кН.

На основании полученных данных экспериментов можно сделать вывод, что олигомерные шины типоразмера 66×43,00-25 фирмы «Lim» значительно превосходят по тяговым показателям серийную шину ФД-14А.

Однако это можно объяснить не столько хорошими свойствами шины 66×43,00-25 фирмы «Lim», сколько низкими показателями шины ФД-14А.

При оптимизации внутреннего строения шины ФД-14А можно существенно повысить её эксплуатационные показатели. Так, например, шина Ф-81 отечественного производства после её доводки продемонстрировала аналогичные с шиной фирмы «Lim» показатели [3].

В дальнейшем по базовым и тяговым характеристикам шин были определены момент сопротивления качению M f и свободный радиус качения колеса r0 = rK при Ркр = 0, а также тяговый КПД колеса пк• коэффициент буксования S, крутящий момент Мк, подво- димый к колесу для реализации последним номинальной силы тяги при номинальной силе тяги колеса трактора класса 3, равной 7,5 кН.

Сила сопротивления при свободном режиме качения определялась по формуле

M ^f

Р f    r K

.

Определённые таким образом тяговые показатели шин сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Тяговые показатели шин 66×43,00-25 и 21,3R24 при номинальной силе тяги Р _кр = 7,5 кН

Наименование показателя	Олигомерная шина			Серийная шина
	фон 1	фон 2	фон 3	фон 1	фон 2	фон 3
Свободный радиус качения r 0 , м	0,824	0,821	0,780	0,675	0,661	0,627
Момент сопротивления качению M f , кН∙м	1,90	2,20	0,35	1,35	1,25	1,10
Сила сопротивления самопередвижению Р f , кН	2,30	1,30	0,60	2,15	2,00	1,75
Тяговый КПД движителя П к	0,790	0,790	0,890	0,620	0,650	0,740
Коэффициент буксования S , %	5,5	4,0	0,7	15,5	13,0	2,0
Крутящий момент М к , кН∙м	8,2	8,0	6,3	6,8	6,7	6,2

Результаты расчётов показали, что сила сопротивления качению Р _{f 0} при Р _кр = 0 у шины 21,3R24 выше на бетоне (фон 3) в 2,92 раза, на стерне озимой пшеницы (фон 2) – в 1,5 раза, а на пару ниже в 1,07 раза, чем у олигомерной шины. Значительное возрастание силы сопротивления на стерне и пару по сравнению с бетоном у олигомерной шины 66×43,00-25 объясняется, очевидно, большой шириной шины. А увеличение силы сопротивления перекатыванию с увеличением крюковой нагрузки связано с процессом колееобразования.

Тяговый КПД при номинальной силе тяги Ркр = 7,5 кН ниже у шины 21,3R24, чем у олиго- мерной шины 66×43,00-25: на бетоне на 16,85%, на стерне – 17,72%, а на пару – 11,43% (таблица 3). Следует учитывать то, что нагрузка на шину типоразмера 66×43,00-25 почти на 9% выше, чем на шину 21,3R24.

Максимальный тяговый КПД олигомерная шина развивает при больших крюковых нагрузках, чем шина 21,3R24 (таблица 4).

Анализ составляющих потерь мощности на буксование и качение колеса с различными шинами (рисунок 3) показывает, что в обоих случаях преобладающими являются потери на самопередвижение.

Таблица 4 – Максимальный тяговый коэффициент полезного действия движителя

Шина	Показатели	Фон 1	Фон 2	Фон 3
21,3R24	Тяговый КПД η к	0,620	0,645	0,720
	Тяговая нагрузка Р , кН	7,0	7,3	11,5
66×43,00-25	Тяговый КПД η к	0,715	0,810	0,920
	Тяговая нагрузка Р , кН	11,0	9,4	12,0

Однако следует отметить, что, если потери мощности на качение на пару у сравниваемых шин практически одинаковы, то при номинальной силе тяги Р = 7,5 кН на бетоне и на кр стерне потери на перекатывание у шины 21,3R24, соответственно, выше в 2,3 и 1,5 раза.

Сила сопротивления Рf с увеличением нагрузки Ркр растёт, что связано с увеличени- ем гистерезисных потерь в шинах и образованием колеи при движении колеса по опорным основаниям.

Темп роста силы сопротивления перекатыванию при возрастании крюкового усилия выше на всех фонах у шины 21,3R24, что объясняется большим колееобразованием.

а

в

__________ шина 66×43-25,

----------- шина 21,3R24

Рисунок 3 - Составляющие потерь мощности на пару ( а ), стерне озимой пшеницы ( б ), бетоне ( в )

В то же время сила сопротивления перекатыванию сильно меняется в зависимости от фона. Так, например, при номинальной тяговой нагрузке сила сопротивления перекатыванию у олигомерной шины типоразмера 66×43,00-25 на пару выше в 3 раза, чем на бетоне, и в 1,7 раза, чем на стерне. Очевидно, это связано со значительной шириной шины, когда даже незначительные изменения колеи приводят к смятию большого объёма почвы, за счёт чего происходит существенный прирост силы сопротивления качению и, в конечном итоге, снижению тяговоэнергетических показателей.

В соответствии с планом испытаний были проведены сравнительные испытания тракторов Т-150К с серийными шинами и в комплектации олигомерными шинами типоразмера 66×43,00-25 фирмы «Lim». На представленных данных тяговых испытаний (таблица 5) видно, что лучшие показатели трактор Т-150К имеет на олигомерных шинах фирмы «Lim».

На стерне зерновых колосовых максимальный тяговый КПД трактора Т-150К с олигомерными шинами составил 0,799, что на 18,3% выше, чем с шинами ФД-14А. Удельный расход топлива при максимальном значении тягового КПД Т-150К на шинах типоразмера 66×43,00-25

почти на 14% ниже, чем у трактора серийного исполнения.

Тяговое усилие на стерне зерновых колосовых при агротехнически допустимом буксовании трактора (15%), укомплектованного олигомерными шинами, составило 48,6 кН, что на 53,3% больше, чем с одинарными шинами ФД-14А.

На пару преимущество трактора с шинами фирмы «Lim» ещё значительней. Так, у трактора Т-150К с олигомерными шинами максимальный тяговый КПД выше на 23,7%, а удельный расход топлива ниже на 19,4%, чем у трактора серийной комплектации. Сдваивание колёс, хотя и даёт незначительный прирост тягового КПД на некоторых передачах по сравнению с серийным вариантом, приводит к существенному увеличению удельного расхода топлива и уступает по тягово-энергетическим показателям олигомерным шинам фирмы «Lim».

Таблица 5 – Тяговые показатели трактора Т-150К

Комплектация трактора и эксплуатационная масса	Передача трактора	Максимальная тяговая мощность, кВт	Показатели при наибольшей тяговой мощности			Буксование, %	Условный тяговый КПД
			сила тяги, кН	скорость, км/ч	уд. расход топлива, г/кВт∙ч
стерня ярового ячменя
ФД-14А на одинарных	2-1	65,2	38,5	6,1	425	23,4	0,529
	2-2	69,5	38,5	6,5	423	23,4	0,564
шинах,	2-3	78,8	35,0	8,1	378	18,6	0,639
7990 кг	2-4	83,2	26,5	11,3	353	11,2	0,675
ФД-14А на сдвоенных	2-1	71,2	42,0	6,1	416	24,4	0,578
	2-2	79,1	39,0	7,3	382	19,6	0,642
шинах,	2-3	80,8	34,0	8,5	364	12,8	0,655
9000 кг	2-4	83,3	27,0	11,1	331	7,4	0,675
На олигомерных шинах	1-4	86,2	47,0	6,0	336	13,2	0,699
66×43,00-25	2-1	95,6	43,0	8,0	312	9,4	0,775
фирмы «Lim»,	2-2	98,6	39,0	9,1	304	6,4	0,799
8890 кг	2-3	94,8	32,5	10,5	298	3,8	0,769
пар
ФД-14А	2-1 2-2	61,2 67,6	38,0 38,0	5,8 6,4	425 423	26,6 26,6	0,496 0,548
на одинарных шинах,	2-3	75,2	33,0	8,2	394	18,4	0,610
7990 кг	2-4	78,5	25,0	11,3	371	9,6	0,637
ФД-14А	2-1 2-2	60,2 71,0	38,0 36,0	5,7 7,1	480 418	24,1 20,2	0,488 0,576
на сдвоенных шинах,	2-3	75,8	32,5	8,4	385	14,8	0,616
9000 кг	2-4	75,3	24,0	11,3	390	7,4	0,611
На олигомерных шинах	1-4	84,3	44,0	6,9	358	13,6	0,684
66×43,00-25	2-1	93,2	43,0	7,8	326	12,4	0,756
фирмы «Lim»,	2-2	97,1	38,0	9,2	299	7,8	0,788
8890 кг	2-3	95,7	32,5	10,7	297	4,6	0,776

Данные эксплуатационно-технологической оценки олигомерных шин, проведённой ме- тодом контрольных смен пахотных агрегатов согласно ГОСТ 24055-80 и ГОСТ 24057-80

(см. таблицу 5), показывают, что производительность агрегата за час основного времени с олигомерными шинами фирмы «Lim» на 21,6% выше, а удельный расход топлива на 10,7% ниже, чем с шинами ФД-14А.

Агротехническая оценка трактора Т-150К с олигомерными шинами была проведена на бороновании зяби, посеве озимой пшеницы, предпосевной культивации почвы, повсходовой культивации кукурузы и посеве ярового ячменя. В качестве эталона использовали трактор Т-150К со сдвоенными шинами ФД-14А.

Скорость трактора на шинах фирмы «Lim» на посеве и закрытии влаги была выше более чем на 21%, а на бороновании озимых и культивации – до 36%.

Однако по обоим вариантам комплектации уплотнение почвы после прохода агрегатов не превышало предельных для зоны Северного Кавказа величин, препятствующих нормальному росту и развитию растений (3,5 МПа и 1,3 г/см3).

Количество всходов ярового ячменя на один квадратный метр получено вполне удовлетворительное, а различие между вариантами несущественно.

Урожайность зерна ярового ячменя получена практически одинаковой как по колее после прохода олигомерной шины и сдвоенных шин ФД-14А, так и вне колеи. Имеющаяся разница в урожаях находится в пределах ошибки опыта, что подтверждается оценкой существенности разницы (НРС 0,5 = 3,51 ц/га).

На всех видах работ по качеству выполнения технологического процесса не выявлено существенных преимуществ олигомерных шин фирмы «Lim» в сравнении со сдвоенными шинами ФД-14А, хотя трактор Т-150К с олигомерными шинами фирмы «Lim» превосходит по тягово-энергетическим, эксплуатационно-технологическим и агротехническим показателям трактор Т-150К с серийными шинами.

Выводы

• 1.    На всех опорных основаниях лучшими тягово-энергетическими показателями обладает олигомерная шина 66×43,00-25 по сравнению с шиной 21,3R24. Однако это можно объяснить не столько хорошими свойствами шины 66×43,00-25, сколько низкими показателями серийной шины 21,3R24. При оптимизации внутреннего строения шины 21,3R24 можно существенно повысить её эксплуатационные показатели. Так, на-

• пример, шина Ф-81 отечественного производства после её доводки продемонстрировала аналогичные с олигомерной шиной 66×43,00-25 показатели. Это говорит о возможности оптимизации внутреннего строения шины 21,3R24 с целью получения более высоких тягово-энергетических показателей.

• 2.    При номинальной тяговой нагрузке Р _кр = 7,5 кН тяговый КПД олигомерной шины 66×43,00-25 выше на 16,85%, 17,72% и 11,43%, соответственно, на бетоне, стерне и пару.

• 3.    Преобладающими в балансе мощностей являются потери мощности на перекатывание. На пару КПД по перекатыванию у сравниваемых шин примерно одинаков. На мало-сминаемых фонах шина 21,3R24 уступает олигомерной шине.

• 4.    Потери на буксование на всех фонах у олигомерной шины 66×43,00-25 меньше, чем у шины 21,3R24. При номинальной тяговой нагрузке 7,5 кН буксование шины 21,3R24 по сравнению с шиной 66×43,00-25 больше, соответственно, на пару, на стерне и бетоне в 1,80, 3,25 и 2,85 раза.

• 5.    Колёсный трактор третьего класса тяги с олигомерными шинами фирмы «Lim» превосходит по тягово-энергетическим, эксплуатационно-технологическим и агротехническим показателям такой же с серийными шинами.

• 6.    На всех видах работ по качеству выполнения технологического процесса не выявлено существенных преимуществ олигомерных шин фирмы «Lim» в сравнении со сдвоенными шинами ФД-14А.

Однако следует отметить, что сравнение шины ФД-14А с шиной фирмы «Lim» носит несколько отвлечённый характер, так как диаметр и ширина профиля шины 66×43,00-25 значительно превышают (в 1,23 и 2,04 раза соответственно) такие же параметры шины 21,3-24. Кроме того, тормозные свойства трактора Т-150К на шинах фирмы «Lim» на дорогах общего назначения значительно хуже, чем с серийными шинами. Испытания также показали низкую надёжность олигомерных шин: после наработки широкопрофильными шинами фирмы «Lim» 340 моточасов (вместо 2000 моточасов по плану) средняя величина боковых грунтозацепов составила с внутренней стороны 3,7 мм, с наружной – 6,0 мм; из шести шин 66×43,00-25 четыре оказались непригодными для дальнейшей эксплуатации.