Снижение воздействия колес трактора на почву

Введение. Показатели эффективности отрасли растениеводства в РФ существенно ниже по сравнению с развитыми странами. Например, по урожайности зерновых культур – в 2...5 раз. Причиной этого являются не только природно-климатические, но и другие факторы, связанные с несоблюдением технологии производства сельскохозяйственной продукции и агротехнических требований, предъявляемых к ней. Одним из таких факторов является негативное воздействие ходовой системы машинно-тракторного агрегата (МТА) на почву при выполнении технологических операций.

Стремление сельскохозяйственных предприятий повысить производительность труда за счет применения современных агрегатов с энергонасыщенными тракторами повышенной единичной мощности (300...500 л.с.), позволяющих в 3...4 раза снизить затраты труда механизатора по сравнению с традиционными [1], приводит к переуплотнению почвы их движителями из-за высокой эксплуатационной массы (15...25 т). При этом существенно снижается неравномерность заделки семян в почву у посевного МТА по колее трактора [2], уменьшается урожайность культуры, увеличиваются затраты энергии на передвижение тягового средства по полю и на последующую операцию по обработке почвы из-за повышения её удельного сопротивления.

Цель исследования. Снижение максимального давления движителей колесного трактора на почву применением рационального давления воздуха в шинах.

Задачи исследования.

• -    теоретически определить влияние давления воздуха в шине на контурную площадь контакта колеса с опорной поверхностью и его максимальное давление на почву;

• -    экспериментально подтвердить влияние давления воздуха в шине колеса на контурную площадь её контакта с опорной поверхностью.

Методика исследования. Частично устранить негативное воздействие движителей трактора на почву возможно за счет дифференциации его массы [3]. Суть этого способа заключается в изменении и перераспределении по осям колес эксплуатационной массы трактора, работающего в составе агрегата при выполнении технологических операций, в зависимости от нагрузки на его крюке. Однако в аналитических зависимостях работы [3] по расчету максимального давления единичного движителя на почву не учитываются такие важные факторы, как давление в шинах колес и их геометрические параметры. В соответствии с ГОСТ 26953-86, данный показатель рассчитывается по следующему выражению:

p =

GK

F к K 1

где р – максимальное давление единичного колесного движителя на почву, кПа;

• G – нагрузка на почву единичного колесного движителя, кН;

К 2 – коэффициент продольной неравномерности распределения давления по площади контакта шины;

F к – контурная площадь контакта шины колеса с почвой, определяемая на жестком основании, м²;

К 1 – коэффициент, зависящий от наружного диаметра шины колеса.

Для определения контурной площади контакта шины колеса с почвой примем условие, что опорная поверхность недеформируемая, и рассмотрим схему, представленную на рисунке 1.

Рис. 1. Деформация шины под действием нормальной нагрузки: G – нормальная нагрузка, действующая на колесо; h ш – деформация шины; r 0 – радиус ненагруженного колеса; l – длина площади контакта шины с опорной поверхностью

Длина площади контакта шины колеса с опорной поверхностью равна длине отрезка l = ас (рис. 1). Для ее определения воспользуемся тригонометрическими выражениями:

ab = oa • sin x

ob ^>  x = arccos —

oa

к        • (       obУ ab = oa • sin arccos —

= oa, 1

V      oa 7

С учетом того, что l =2 ab , oa = r 0 , ob = r 0 - h ш , после преобразования получим следующую аналитическую зависимость:

l = ² r o

-

r ₀

-

h _ш

V

r ₀

— 2^

² r o

-

V

-

h _ш

r o 7

.

Контурная площадь контакта шины с опорной поверхностью имеет форму эллипса, поэтому ее вели- чину определим как

F k =

π b _ш l

= ^{0 ,5nb} ш r 0_A ¹

—

—

h _ш

V

r o 7

,

где b ш – ширина шины, м.

Величину деформации шины найдем по формуле Хейдекеля [4, с. 40 ]

h

ш

G 2π p _ш   r ₀ r _c

где G – нагрузка, действующая на колесо, кН;

p ш – давление воздуха в шине, кПа;

r c – радиус сечения шины, м.

С учетом выражения (6) аналитическая зависимость по определению контурной площади контакта шины с опорной поверхностью примет вид

F K = ^{0 ,5n} b ш r 0

—

(

¹ к

G

—

^2п Р ш ^r 0 уГР ,

Подставим формулу (7) в выражение (1) и получим следующую аналитическую зависимость по определению максимального удельного давления единичного движителя на опорную поверхность:

Р =

GK

ГТ к У

0 Л b . Г о K 1 — 1 — -----_

\   к ^2п Р ш ^r 0 V ^r 0 r c )

Полученное выражение показывает, что максимальное удельное давление единичного движителя на почву зависит от его геометрических ( b ш , r 0 ) и эксплуатационных параметров ( G , p ш ).

Результаты исследования. Рассмотрим полученную аналитическую зависимость наглядно, построив график, на примере трактора Buhler Versatile 2425, на осях которого установлены сдвоенные шины одинакового размера. Исходные данные для расчетов представлены в таблице, а результаты – графически на рисунке 2.

Исходные данные для расчета удельного давления единичного движителя трактора Buhler Versatile 2425 на опорную поверхность

p ш , кПа

Максимальное давление;       контурная площадь

Рис. 2. Изменение максимального давления единичного движителя на опорную поверхность и контурной площади их соприкасания в зависимости от давления воздуха в шине

G , кН	K 1	K 2	B ш , м	r 0 , м	r c , м
20	1,1	1,5	0,71	0,9	0,3

Давление в шинах колес существенно влияет на площадь ее контакта с опорной поверхностью (рис. 2). Снижение давления воздуха в шинах с 200 до 80 кПа приводит к увеличению площади ее соприкосновения с опорой более чем на 50 %. Конечно, в расчетах представлен частный случай, когда нагрузка на единичное колесо составляет 20 кН. В реальности происходит ее перераспределение по осям колес трактора в зависимости от усилия на крюке. Расчеты показывают, что снижение давления воздуха в шине колес трактора позволит на 10...20 % уменьшить давление движителей на почву и снизить негативное воздействие на нее.

Для подтверждения теоретических исследований были проведены полевые эксперименты. В качестве объекта исследований был использован канадский трактор Buhler Versatile 2425 со сдвоенными колесами.

Одной из особенностей данного трактора является возможность изменения его эксплуатационной массы (за счет установки/снятия съемных грузов) от 16,0 до 19,5 т. Это позволило применять различную нагрузку на единичный движитель, которая определялась с помощью весов ВА-15 (рис. 3).

Рис. 3. Весы для определения нагрузки, действующей на колесо

Результаты экспериментального определения контурной площади контакта шины колеса с опорной поверхностью на жестком основании представлены на рисунке 4.

Нагрузка на колесо, кН

Рш=80 кПа       Рш=140 кПа     Рш=200 кПа

•  Рш=80 кПа ▲  Рш=140 кПа ■  Рш=200 кПа

Рис. 4. Зависимость контурной площади контакта колеса трактора Buhler Versatile 2425 (шина Firestone 710/70 R38) с почвой

Кривыми линиями на графике (рис. 4) представлены результаты теоретических расчетов, а точками – экспериментальные данные, отклонение которых составляет не более 15 %.

Снижение давления воздуха в шинах колес с 200 до 80 кПа позволяет увеличить контурную площадь контакта шины с опорной поверхностью до 50 % в зависимости от нагрузки, действующей на колесо.

Выводы. Проведенные теоретические исследования показывают, а экспериментальные подтверждают, что снижение удельного давления воздуха в шинах колес тракторов до рационального значения позволяет до 50 % увеличить контурную площадь контакта шины с опорной поверхностью и в 1,2...1,5 раза снизить давление колес на почву. Очевидно, это позволит уменьшить негативное воздействие на почву и повысить урожайность сельскохозяйственных культур, уменьшить затраты энергии при последующей ее обработке.