Сравнительная оценка тягово-сцепных свойств крупногабаритных шин с разным конструктивным исполнением для трактора пятого тягового класса

Введение. Основной задачей, которая ставится перед агропромышленным комплексом, является достижение стабильного роста показателей сельскохозяйственного производства с целью обеспечения страны сырьём и продовольствием.

Анализ развития сельскохозяйственного производства показывает, что выполнение различных технологических операций в растениеводстве производится и будет производиться в перспективе с помощью мобильных энергетических средств, в которых предполагается установка ходовых систем на основе гусеничных или колёсных движителей [1, 2, 3].

Как известно, в настоящее время преимущественное распространение подавляющего числа мобильных энергетических средств получили колёсные движители (в России они составляют более 65%, в других странах мира – более 85%) в связи с общеизвестной универсальностью применения колёсного движителя.

Вместе с тем, достигнутые к настоящему времени эксплуатационные качества мобильных сельскохозяйственных средств с колёсными движителями нельзя признать предельными. По ряду показателей они уступают мобильным средствам с гусеничным типом движителя и не всегда отвечают требованиям существующих стандартов. К последним из них относятся чрезмерное в ряде случаев уплотняющее воздействие на почву, её разрушение и повышенные затраты мощности на передвижение мобильных средств по агрофону [4, 5, 6, 7, 8].

Повышение эксплуатационной эффективности мобильной сельскохозяйственной техники представляет собой один из главных факторов, способствующих увеличению продукции растениеводства при существенном уменьшении энергозатрат на её получение. При этом среди энергосберегающих технологий в отраслях полеводства немаловажное значение приобретают те разработки, которые связаны с совершенствованием конструкции движителей сельскохозяйственных машин.

В качестве одного из путей роста эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА) исследователями предлагается повышение рабочих скоростей и применение на обработке почв широкозахватной техники, что предполагает применение тракторов с высоким уровнем тяги [9, 10, 11].

Для любой мобильной машины первостепенное значение для достижения необходимых качеств принадлежит пневматической шине. Более того, её свойства являются определяющими для создания необходимых тяговых показателей, плавности хода и уплотняющего воздействия на почву мобильной сельскохозяйственной техники, а также характеристик траекторного движения агрегатов.

Качество пневматической шины можно установить по её потенциальным свойствам, представляющим собой совокупность определённых выходных её характеристик – различных показателей. Показатели, характеризующие процесс взаимодействия шины с почвой, зависят от многих внешних и внутренних факторов: внутришинного давления воздуха, рабочей ско- рости при выполнении технологической операции, а также действующих при качении на пневматическое колесо различных сил, моментов и так далее. По полученным характеристикам устанавливают соответствие выбранной шины для комплектации ходовых систем колёсной сельскохозяйственной технике.

Известно, что тяговый КПД мобильного энергетического средства (трактора), характеризующий его эксплуатационную эффективность, во многом определяется величиной значения КПД имеющейся у него ходовой системы, так как в ней заложены основные источники неэффективных затрат мощности, развиваемой силовой установкой, при работе мобильного энергетического средства.

Поэтому испытания единичных пневматических колёс позволяют устанавливать в целом, с высокой достоверностью, тягово-сцепные показатели мобильного энергетического средства.

Выбор шин для ведущих колёс тракторов и зерноуборочных комбайнов осуществлялся, в основном, по их несущей способности и долговечности, что приводило к существенному переуплотнению почвы в различных её горизонтах.

В таких условиях одним из способов, обеспечивающих повышение тягово-энергетических показателей мощной мобильной сельскохозяйственной техники при допустимом негативном воздействии её на почву, является разработка для ходовых систем новых по конструктивному исполнению шин, а также оптимизация их параметров [12, 13, 14].

На основании вышеизложенного задачей наших исследований являлось установление тягово-сцепных показателей крупногабаритных шин с разным конструктивным исполнением, для тракторов пятого тягового класса.

При исследовании выбран экспериментальный метод с использованием специально разработанного и изготовленного измерительного комплекса типа «шинный тестер», который позволял определить тягово-сцепные показатели сельскохозяйственных крупногабаритных шин.

При выполнении программы наших исследований проводилось определение тяговоэнергетических показателей тракторов пятого класса тяги в комплектации с серийными шинами типоразмера 30,5R-32 и шинами того же типоразмера, но с оптимизированным внутренним армированием 30,5R-32М, а также сравнительные показатели тягово-сцепных свойств серий- ных шин типоразмера 33R-32, с оптимизированными параметрами внутреннего строения шин того же типоразмера (33R-32М) [12] и нового конструктивного исполнения (33DP-32) [14] на бетоне и различных сельскохозяйственных фонах с различными значениями внутришинного давления воздуха.

Характеристика сельскохозяйственных почвенных фонов представлена в таблице 1.

Условия для проведения испытаний шин соответствовали требованиям соответствующих стандартов и отраслевых методик.

Испытания одиночных шин разных типоразмеров были проведены на «шинном тестере» [15 и др.]. Нормальная нагрузка на испытываемые шины изменялась при помощи сменных грузов: для шин типоразмера 33-32 устанавливалась в размере 40,8 кН, а для шин типоразмера 30,5-32 – 40 кН.

Результаты исследований. Тяговосцепные показатели мобильных сельскохозяйственных энергетических средств, какими являются тракторы, существенно зависят от параметров внутреннего строения элементов шин [12].

У шин диагонального исполнения (рисунок 1 а ) нити корда устанавливаются под углом от 15 ° до 45 ° к меридиальной плоскости в обе стороны, что обеспечивает очень жёсткую конструкцию её оболочки. Поэтому диагональными шинами в основном комплектуются ходовые системы мобильных средств, имеющих большие радиальные нагрузки. Но применение таких шин вызывает серьёзные затруднения при необходимости выполнения требуемых стандартами агротехнических показателей сельскохозяйственной техники.

Для радиальных шин (рисунок 1 б ) характерно расположение нитей корда под углом 0 ° -15 ° к меридиану. Эти шины за счёт внутреннего армирования нитей корда и брекера обладают большой податливостью, поэтому шины радиального конструктивного исполнения обеспечивают при одинаковых внешних габаритных размерах увеличение площади контакта колеса с опорным основанием до 20% по сравнению с шинами диагонального конструктивного исполнения, что способствует повышению их тяговых и агротехнологических показателей. Поэтому шинами радиального конструктивного исполнения комплектуются ходовые системы практически всех колёсных тракторов сельскохозяйственного назначения.

Таблица 1 – Характеристика сельскохозяйственных почвенных фонов при испытаниях шин

Table 1 – Characteristics of agricultural soil backgrounds when testing tires

Показатели почвы Soil indicators Сельскохозяйственный почвенный фон Agricultural soil background стерня зерновых культур cereal stubble поле, подготовленное под посев (пар) field prepared for sowing (steam) Плотность сложения по слоям почвы, г/см3 Bulk density by soil layers, g / cm3 0 – 10 см 0 – 10 cm 1,079 0,875 10 – 20 см 10 – 20 cm 1,167 1,185 20 – 30 см 20 – 30 cm 1,134 1,262 средняя average 1,127 1,107 Влажность в слоях почвы, % Moisture in soil layers, % 0 – 10 см 0 – 10 cm 16,93 9,39 10 – 20 см 10 – 20 cm 19,47 19,85 20 – 30 см 20 – 30 cm 21,00 20,89 Высота стерни над поверхностью поля, см Stubble height above the field surface, cm 15,0 - а                            б                            в а – диагональная шина; б – радиальная шина; в – экспериментальная шина Рисунок 1 – Принципиальные конструктивные схемы пневматических шин a – diagonal tire; б – radial tire; в – experimental bus Figure 1 – Principal design diagrams of pneumatic tires

С целью оценки качества испытываемых шин нами были приняты такие показатели, полученные при качении колеса в ведущем режиме:

• -    тяговое усилие Р к , развиваемое движителем, и подводимый к его оси крутящий момент М к ;

• -    кинематический радиус качения r к ;

• -    коэффициенты, характеризующие величину буксования δ и сопротивления качению f движителя;

• -    тяговый КПД п к .

Показатели тягово-сцепных свойств шины определялись по известным зависимостям [12]:

• – тяговое усилие Р к :

Р к = Р і + Р 2 ±⁽ R — ^тк • gУа        ⁽¹⁾

где Р 1 , Р 2 – горизонтальные силы, приложенные соответственно к левой и правой стороне ведущей оси испытываемого колеса;

R – нормальная нагрузка к горизонтальной поверхности на испытываемое колесо;

m к – масса испытываемого колеса вместе с его приводом, закреплённом на ведущей оси;

α – угол наклона рамы «шинного тестера» к горизонтальной поверхности;

– радиус качения (кинематический) испытываемого колеса r к :

S оп                      (2)

r к                      ,

2 • п • пк где Sоп – расстояние, пройденное испытываемым колесом;

n к – частота вращения испытываемого колеса;

– тяговый КПД испытываемого колеса:

n = P- ■ r ;               (3)

кк кMк

к

– коэффициент, характеризующий величину буксования испытываемого колеса:

5 = 1 - 2к,               (4)

с r к где rкс – радиус колеса при его качении в свободном режиме;

– коэффициент сопротивления качению f испытываемого колеса можно определить по зависимости f = M к .               (5)

r^с ⋅ m ⋅ g кк

Движитель мобильной сельскохозяйственной техники предназначен для выполнения самых разнообразных функций, успешность которого зависит от различных, во многом противоречивых, качеств основного элемента колеса – пневматической шины. Чем выше уровень тягово-сцепных, энергетических и агротехнических свойств шины, тем она считается совершенней.

Известно несколько направлений совершенствования движителей мобильной сельскохозяйственной техники. Мы считаем, что из них наиболее предпочтительными являются такие как оптимизация внутреннего армирования оболочек шин, а также создание шин принципиально новой конструкции [12, 13, 14].

Шины являются составным элементом динамической системы «двигатель – силовая передача – ведущие колеса – опорное основание – машина – нагрузка». При рассогласовании характеристик шин и других звеньев системы следует ожидать, что будут наблюдаться повышенные энергетические затраты на самопередвижение машинно-тракторного агрегата [12].

Нами для практического выполнения поставленных требований, а также уменьшения ходовыми системами техники уплотняющего воздействия на почвенное основание применялась оптимизация параметров армирования оболочек существующих шин и осуществлялась разработка принципиально новых их типов.

Решение поставленной задачи оптимизации внутреннего армирования шин зависит от предъявляемых основных требований движителю данного энергетического средства.

Для мобильных энергетических средств, относящихся к группе общего назначения, необходимо обеспечить максимальный тяговый КПД с достижением необходимой деформации шины при допустимом стандартами уровне воздействия на почву. Для современного комбайна и мобильных энергетических средств, относящихся к группе пропашных, необходимо обеспечить максимальное значение площади пятна контакта колеса с почвенным основанием с допустимым прогибом при приемлемых тяговоэнергетических качествах шины.

Необходимые данные для постановки задачи оптимизации внутреннего строения оболочек были получены при испытаниях специально изготовленного комплекта шин по греколатинскому квадрату, в которых менялись такие параметры, как норма слойности х 1 , х 2 и углы расположения нитей корда в каркасе и бреккере х 3 , х 4 [12] на «шинном тестере» [15].

Для решения задачи оптимизации внутреннего армирования шин нами в работе были применены два метода: метод исследования пространства параметров и симплекс-метод Данцига [12].

В результате решения задачи оптимизации внутреннего строения шин с применением метода исследования пространства параметров и симплекс-метода Данцига [12] нами было определено необходимое сочетание конструктивных параметров шины типоразмера 30,5R-32:

– для энергетического средства тягового класса 5 норма слойности брекера равна четырём, каркаса – шести, наклон расположения нитей корда в брекере – около 70°, в каркасе – около 0°;

– для комбайнового варианта соответственно: 7, 6, 62°, 15°.

Сравнительная оценка тяговой характеристики трактора К-701М, укомплектованного поочерёдно серийными и модернизированными радиальными шинами типоразмера 30,5-32 с оптимальными параметрами (таблица 2), показала явное преимущество трактора, ходовые системы которого были укомплектованы вторым вариантом испытываемых шин.

Таблица 2 – Тягово-энергетические показатели трактора класса 5 (К-701М) на стерне зерновых колосовых

Table 2 – Traction and energy indicators of a tractor of class 5 (K-701M) on grain stubble

Типоразмер шины Tire size	Рабочая передача Working gear	Крюковое усилие, кН Hook force, kN	Рабочая скорость, км/ч Working speed, km/h	Буксование, % Slipping, %	Условный тяговый КПД Conditional traction efficiency rate	Удельный расход топлива, г/кВт∙ч Specific fuel consumption, g/kW h
30,5R-32	2-1	78,0	5,6	27,1	0,548	407
	2-2	69,0	7,4	20,4	0,641	364
	3-2	64,0	8,2	16,6	0,658	356
	3-3	54,5	10,3	11,2	0,704	322
	2-4	49,5	11,5	9,2	0,714	319
30,5R-32М	2-1	72,5	6,7	20,8	0,605	363
	2-2	70,0	7,4	18,4	0,660	358
	3-2	65,0	8,4	14,2	0,685	336
	3-3	54,5	10,4	8,2	0,711	319
	2-4	50,0	11,0	6,2	0,716	317

Трактор К-701М, укомплектованный шинами с оптимальными параметрами, показал условный тяговый КПД выше серийного варианта на 7–19%, что выразилось при проведении контрольных смен в увеличении производительности пахотного агрегата при уменьшении удельного расхода топлива на 3–9 г/кВт∙ч.

На транспортной операции расход топлива за час уменьшился в среднем на 13% при увеличении рабочей скорости до 0,5 км/ч.

Зависимости крутящего момента, приложенного к ведущей оси колеса, от развиваемого тягового усилия для испытываемых крупногабаритных шин (рисунки 2–4) практически прямолинейны.

На жёстком опорном основании (бетоне) зависимости радиуса качения rк(Рк) шин коэффициента их буксования, δ(Рк) от тягового усилия, развиваемого испытываемым колесом, в начальный период до достижения им определённого значения (выше номинального значения, равного 12,5 кН) также имеют прямолинейную характеристику. При дальнейшем увеличении подводимого к оси испытываемой шины крутящего момента тяговое усилие приближается к максимально возможному значению по сцеплению, поэтому из-за возникновения про- цесса проскальзывания всех элементов контактирующей поверхности шины с опорным основанием кривые rк(Рк) и δ(Рк) резко загибаются.

При качении испытываемого колеса по деформируемым почвенным основаниям (стерне зерновых культур и полю, подготовленному под посев), на графиках r к ( Р к ) и δ ( Р к ) прямолинейные участки слабо выражены или отсутствуют вообще. Значения кинематических радиусов качения снижаются, а буксование испытываемых шин становится выше, особенно на поле, подготовленном под посев, чем на бетоне.

Тяговый КПД всех испытываемых шин имеет выраженное максимальное значение, часто с пологим протеканием зависимости ŋ к ( Р к ) в зоне номинальной величины тягового усилия.

Другим направлением проектирования движителей, имеющим принципиальное отличие от первого, является создание таких шин для ходовых систем мобильной сельскохозяйственной техники, в которых будет обеспечено существенное снижение гистерезисных потерь в процессе качения их по деформируемому основанию (почве) при увеличенных значениях продольной жёсткости и площади её контактного отпечатка (см. рисунок 1 в ).

О 4    8   12   16 20 24 Р_кр,кН

в

в

б а – на бетоне (давление воздуха в шине 0,09 МПа) б – на стерне зерновых колосовых (давление воздуха в шине 0,11 МПа) в – на пару

(давление воздуха в шине 0,11 МПа) Рисунок 2 – Базовая и тяговая характеристики шины 30,5R-32М a – on concrete

(tire pressure 0,09 MPa) б – on the stubble of cereal crops

(tire pressure 0,11 MPa) в – for a couple

(tire pressure 0,11 MPa) Figure 2 – Basic and traction characteristics of the tire 30,5R-32M

б а – на бетоне (давление воздуха в шине 0,11 МПа) б – на стерне озимой пшеницы (давление воздуха в шине 0,09 МПа) в – на пару

(давление воздуха в шине 0,07 МПа) Рисунок 3 – Базовая и тяговая характеристики шины 33R-32

a – on concrete (tire pressure 0,11 MPa) б – on winter wheat stubble (tire pressure 0,09 MPa) в – for a couple (air pressure in the tire is 0,07 MPa) Figure 3 – Basic and traction characteristics of the tire 33R-32

б а – на бетоне

(давление воздуха в шине 0,13 МПа) б – на стерне озимой пшеницы

(давление воздуха в шине 0,09 МПа) в – на пару

(давление воздуха в шине 0,07 МПа) Рисунок 4 – Базовая и тяговая характеристики шины 33DP-32

a – on concrete

(tire pressure 0,11 MPa) б – on winter wheat stubble

(tire pressure 0,09 MPa)

в – for a couple

(air pressure in the tire is 0,07 MPa) Figure 3 – Basic and traction characteristics of the tire 33R-32

В таких шинах [14] нагружение нитей корда в зонах восприятия тангенциальных сил близко по характеру к растяжению, а в зоне их контакта – к изгибу. В практически реализованной пневматической шине нового конструктивного исполнения нити корда укладываются в каркасе под углом к меридиану в размере 30–40°, как у шины диагональной конструкции, но они располагаются в смежных слоях параллельно относительно друг другу. Важно, что наклон нитей корда выполняется в сторону противоположную от направления угловой скорости оси колеса.

При дальнейшем анализе результатов исследований нами были рассмотрены (таблица 3) тяговые усилия Р к и коэффициент буксования δ испытываемых шин при их максимальном тяговом КПД ŋ макс , а также тяговый КПД ŋ к шин и коэффициент буксования δ к при номинальном тяговом усилии ( Р к = 12,5 кН).

Известно, что на жёстком опорном основании (бетон) тяговый КПД испытываемых шин определяется в основном затратами на гистерезисные потери в их элементах, а тягово- сцепные показатели – нагрузкой на испытываемое колесо, направленной по нормали к горизонтальной поверхности, и трением. Результаты проведённых испытаний подтверждают уменьшение значения энергетического показателя ŋк испытываемых шин на жёстком опорном основании при снижении в них давления воздуха. Следует отметить, что для шины типоразмера 33R-32, у которой оболочка более жёсткая, зависимость тягового КПД от давления воздуха в ней выражена слабее, а для эластичных шин типоразмера 30,5R-32 интервал изменения значения тягового КПД при установленных при испытаниях давлениях воздуха составляет 0,03.

Уровень показателей при испытаниях представленных крупногабаритных шин на бетонной дорожке практически одинаков, за исключением шины с оптимизированным внутренним строением 33R-32М, и особенно шины экспериментальной конструкции 33DP-32, которая показала более высокий тяговый КПД (0,84) при достаточно малом её буксовании (3,2%).

По графикам базовых характеристик можно констатировать, что затраты энергии на получение тягового усилия в размере 18,9 кН, развиваемого этой шиной, почти не отличаются от таких же затрат у других по конструктивному исполнению и типоразмеров шин. То есть засвидетельствованная эффективность экспериментальной шины по тяговому КПД получена за счёт уменьшения буксования, что определяется её более высокой жёсткостью в продольном и окружном направлении из-за особенности конструктивного исполнения её оболочки.

Необходимо отметить, что на бетонной дорожке все испытываемые шины показывали максимальное значение тягового КПД их при тяговом усилии, значительно выше (необходимого и достаточного) номинального (12,5 кН). При номинальном усилии испытываемые шины показали тяговый КПД существенно ниже .

Анализ данных, полученных при испытаниях шин на сельскохозяйственных фонах, различных по конструктивному исполнению оболочки и типоразмеру, показал существенное преимущество перед серийными шинами 30,5R-32 модернизированных и экспериментальных шин 30,5R-32М, 33R-32М и 33DP-32, тяговый КПД которых выше на величину 0,03 при уменьшении буксования на 5–16%. Причём это преимущество данные шины показывают при установлении в них пониженного давления воздуха.

Для модернизированных шин 30,5R-32М и 33R-32М на стерне зерновых культур таким давлением является 0,11 МПа, на поле, подготовленном под посев – 0,09 МПа. Для шины 33DP-32 экспериментального исполнения – 0,09 МПа и 0,07 МПа при движении по стерне зерновых культур и полю, подготовленному под посев, соответственно. При таких установленных давлениях воздуха р w в шинах 30,5R-32М, 33R-32М и 33DP-32 проявляются в более полной мере их деформационные свойства оболочек. Гистерезисные потери в их резинокордных элементах уменьшаются до минимальных величин, эпюры давлений в контактной площадке с почвой становятся более равномерными, глубина образованной колеи по всей ширине следа – почти одинакова.

Особенно важно то обстоятельство, что все шины при их испытаниях на стерне зерновых культур показали максимальные значения тягового КПД при тяговом усилии, соответствующем номинальному (12,5 кН) для ходовых си- стем энергетических средств пятого тягового класса.

Выводы. Тяговый КПД энергетического средства тягового класса 5 с шинами типоразмера 30,5-32 с оптимальными параметрами внутреннего строения выше на 0,07–0,19%.

Уровень показателей при испытаниях представленных крупногабаритных шин на бетонной дорожке практически одинаков, за исключением шины с оптимизированным внутренним строением 33R-32М, и особенно шины экспериментальной конструкции 33DP-32, которая показала более высокий тяговый КПД (0,84) при достаточно малом её буксовании (3,2%).

Анализ данных, полученных при испытаниях шин на различных сельскохозяйственных фонах, различных по конструктивному исполнению оболочки и типоразмеру, показал преимущество перед серийными шинами 30,5R-32 модернизированных и экспериментальных шин 30,5R-32М, 33R-32М и 33DP-32, тяговый КПД которых выше на величину 0,03 при уменьшении буксования на 5–16%.

Сравнительная оценка тягово-энергетических показателей установила эффективность предлагаемых конструктивных изменений в строении оболочек крупногабаритных шин типоразмеров 30,5R-32 и 33R-32 и целесообразность дальнейших исследований по экспериментальным шинам 30,5DP-32 и 33DP-32.