Тягово-сцепные свойства шин типоразмера 33-32 с разным внутренним строением

Введение. Главная задача, стоящая перед тружениками агропромышленного комплекса, – это стабильный рост производства продовольствия и сырья. Определяющим фактором выполнения народнохозяйственной задачи является обеспечение повышения качества и надёжности мобильных энергетических средств и других машин для выполнения сельскохозяйственных операций.

Поэтому перед работниками сельскохозяйственного машиностроения приоритетными направлениями развития должны быть, прежде всего:

• -    ускоренное обновление машинно-тракторного парка на основе повышения потенциального технического уровня всех элементов и звеньев его как основных энергетических, так и других мобильных средств;

• -    устойчивый рост поставляемой в сельское хозяйство техники, обладающей улучшенными технико-экономическими показателями по приспособленности к выполняемым технологическим операциям;

• -    осуществление модернизации существующей сельскохозяйственной техники и выпуск новых моделей, которые смогут существенно повысить эффективность сельскохозяйственного производства.

Рост технического уровня техники, поставляемой в сельское хозяйство, за короткий период может быть обеспечен за счёт модернизации выпускаемых моделей, обеспечения их комплектующими изделиями, которые смогут способствовать значительному повышению производительности и других эксплуатационных свойств, характеризующих эффективность производства.

Выполнение такого объёмного комплекса работ возможно только при широком использовании результатов научных исследований потенциальных возможностей различных сельскохозяйственных машин, их узлов и агрегатов [1, 2, 3, 4, 5].

В связи с внедрением стандартов, регламентирующих показатели воздействия на почвенные основания движителей сельскохозяйственной и другой мобильной техники, необходимо проводить модернизацию на основании результатов научных исследований их ходовых систем с целью обеспечения выполнения установленных норм. Ходовые системы тракторов и других сельскохозяйственных машин не должны оказывать такое уплотнение почвы, которое может вызвать её деградацию и, в конечном счёте, потерю урожая [6, 7, 8, 9, 10].

Однако решение этой проблемы необходимо решать при условии сохранения у движителей высоких тягово-сцепных свойств [11, 12].

В задачу наших исследований входила экспертиза тягово-сцепных свойств новых моделей крупногабаритных шин к мощным тракторам тягового класса 5.

Выходные показатели пневматических движителей зависят от большого количества внешних и внутренних факторов. Одним из главных факторов являются свойства шины, определяющие её способность к такому деформированию, при котором обеспечивается с незначительными гистерезисными потерями энергии и допускаемыми возникающими в ней напряжениями наибольшая контактная площадь с любым опорным основанием [12, 13].

Воздействие ведущего момента, продольных и вертикальных сил на движитель при движении мобильного энергетического средства определяет в оболочке пневматической шины возникновение сложных по своей структуре деформационных процессов. Оболочка шины, растянутая в первоначальный период от воздействия давления воздуха в ней, испытывает при движении мобильного энергетического средства радиальное и окружное сжатие, а также деформацию в горизонтальном направлении. При таком сложном деформационном процессе в беговой дорожке пневматической шины появляются дополнительные деформации, определяющие в ней напряжения сжатия и растяжения [13].

Цикличность нагружения шины при качении движителя способствует повышению напряжённого состояния её оболочки, что, в конечном счёте, приводит к уменьшению её моторесурса и негативному изменению энергетических и кинематических выходных показателей: тягового КПД, сопротивления самопередвижению и др.

Исследование процессов движения пневматического колеса даст нам возможность сделать оценку совершенства шины и определить способы и методы улучшения её эксплуатационных показателей.

Особо важное значение занимают подобные исследования для крупногабаритных шин, которые применяются на высокопроизводительных комбайнах и мощных тракторах сельскохозяйственного назначения, потому что их работа сопряжена с большими нагрузочными режимами, имеющими к тому же колебательный характер [13].

Максимально возможные качества шины определяется её так называемыми потенциальными свойствами, которые, в свою очередь, представляют совокупность выходных характеристик шин. Выходные характеристики дают зависимости оценочных показателей взаимодействия шины с опорным основанием от внешних и внутренних факторов при эксплуатации мобильных энергетических средств – внут-ришинного давления воздуха, скорости движения, а также действующих на колесо сил, моментов и др. Именно по таким характеристикам можно установить степень соответствия шины той или иной сельхозмашине.

Создание сельскохозяйственной шины является сложной задачей, так как требует учёта сложных закономерностей взаимодействия шины с грунтовыми основаниями.

Из основных положений теории трактора и опыта испытаний шин известно, что общий тяговый КПД трактора, как обобщённый показатель его эффективности, почти полностью определяется значением КПД его ходовой части. Это связано с тем, что в движителе сосредоточены основные источники непроизводительных затрат мощности при работе трактора.

С этой точки зрения испытания единичных колёс позволяют с высоким уровнем достоверности характеризовать основные техникоэкономические показатели трактора в целом.

При проектировании трактора более предпочтительным путём является предварительная разработка его ходовой системы (для колёсных машин - шины) с оптимальными ха- рактеристиками.

На основании вышеизложенного в данной работе целью исследований является определение тягово-сцепных показателей пневматических движителей с разным внутренним строением оболочки шины для колёсных тракторов тягового класса 5.

Объект исследований – процесс взаимодействия почвенного основания и пневматических движителей колёсных тракторов тягового класса 5 сельскохозяйственного назначения.

Методы исследований. В работе был применён теоретико-экспериментальный метод исследования с использованием измерительного комплекса «шинный тестер», с помощью которого обеспечивалось определение всех необходимых тягово-сцепных свойств сельскохозяйственных мобильных средств при взаимодействии его ходовых систем на бетонное и почвенное опорные основания.

В соответствии с задачами работы программой исследований предусматривалось определение тягово-сцепных и энергетических показателей ведущего колеса с испытуемыми вариантами шин 33R-32, 33R-32М с оптимизированным внутренним строением [12, 14] и 33DP-32 экспериментального конструктивного исполнения [15] в сравнении со стандартной шиной 30,5R32 для тракторов сельскохозяйственного назначения тягового класса 5 на бетоне и почвенных фонах.

Техническая характеристика этих шин приведена в таблице 1, характеристика почвенных фонов (стерни зерновых колосовых и пара) – в таблице 2. Вертикальная нагрузка на шины типоразмера 33-32 при испытаниях устанавливалась за счёт сменных грузов в размере 40,8 кН, а для шины 30,5R-32 – 40 кН.

Таблица 1 – Техническая характеристика испытываемых шин

Параметры	Шины
	33R-32	33R-32М	30,5R32	33DP-32
Диаметр шины наружный, мм	1924	1930	1820
Ширина профиля шины, мм	829	830	768
Шаг грунтозацепов протектора шины, мм	288	290	274	290
Высота грунтозацепов протектора шины, мм	54	54	52	54
Коэффициент насыщенности рисунка протектора	0,30	0,30	0,31	0,30
Параметры армирования оболочки: число слоёв: – каркаса - брекера угол наклона нитей корда к меридиану: - в каркасе	4 4 5,0	6 4 5,0	6 6 5,0

- в брекере                                     I 65 I 65 I 65 I        "

Таблица 2 – Показатели агрофизических свойств почвенных фонов при проведении испытаний одиночных шин

Показатели	Фон
	стерня зерновых колосовых	пар
Плотность сложения почвы по слоям, г/см3
0 – 10 см	1,079	0,875
10 – 20 см	1,167	1,185
20 – 30 см	1,134	1,262
средняя	1,127	1,107
Влажность почвы в слоях, %
0 – 10 см	16,93	9,39
10 – 20 см	19,47	19,85
20 – 30 см	21,00	20,89
Высота стерни, см	15,0	-

Внутреннее давление во всех вариантах шин была равна: при испытаниях на бетоне – 0,07; 0,09; 0,11; 0,13; при испытаниях на стерне озимой пшеницы – 0,09; 0,11; 0,13 МПа; при испытаниях на пару – 0,07; 0,09; 0,11 МПа.

Бетонная дорожка и выбранные участки поля для испытаний шин были ровными с углом уклона во всех направлениях не более 2°.

На участках проведения испытаний отсутствовали следы, оставленные ходовыми системами сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов после выполнения предыдущей технологической операции, а показатели, характеризующие состояние почвенных фонов, находились в пределах равновесных значений для данной зоны. Выбранные участки для испытаний располагались далее 50 м от краёв поля.

Следует отметить, что такая низкая влажность верхнего слоя стерни (0–10 см) является обычным явлением для летне-осеннего периода на Северном Кавказе, относящегося к острозасушливым зонам страны.

Испытания шин проведены на мобильной установке типа «шинный тестер» в соответствии с рекомендуемыми для такого вида исследовательских работ стандартами и отраслевыми методиками.

Результаты исследований. На тяговосцепные свойства мобильных энергетических средств оказывают влияние параметры армирования внутреннего строения шин [12, 13, 14].

У диагональных шин нити корда образуют очень жёсткую оболочку. Поэтому такие шины широко используются при комплектации мобильных средств, имеющих значительные радиальные нагрузки. Шины диагональной конструкции не ориентированы на возможность повышения агротехнических показателей трак- торов и другой сельскохозяйственной техники.

Для радиальных шин характерна существенно большая податливость, чем диагональных, что положительно сказывается на движении машины при динамических процессах. Шины радиального исполнения развивают площадь контактного отпечатка до 20% больше, чем диагональные, что приводит к улучшению их тягово-сцепных свойств.

Другое принципиально отличное и практически реализованное направление перспективного 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 [15].

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.

Расчёт тяговой энергетики и переходных процессов на примере агрегатов с тракторами класса 5 показал, что потери можно снизить и, значит, выходные показатели агрегатов повысить, если увеличить продольную жёсткость шин тракторов и совместить нагрузку, при которой у шин максимум тягового КПД, с нагрузкой определяющий тяговый класс трактора [12, 14].

Для оценки тягово-энергетических качеств шин приняты полученные при ведущем режиме силового нагружения колеса показатели:

– сила тяги Р и ведущий момент, подводимый к оси колеса М ;

• - кинематический радиус качения r ;

• - коэффициенты, характеризующие величину буксования 5 и сопротивления качению

где Р , Р – значения горизонтальных сил, действующих на левой и правой опоре оси движителя;

R – вертикальная нагрузка на движитель;

mк – масса движителя и деталей его приво- да, установленных на оси;

а - угол расположения рамы тестера по отношению к горизонту;

– кинематический радиус качения движи- теля:

r = -^о-^к

2 • п • n к

n

= r • —, п

n

к

где Sоп – пройденное движителем при испытании расстояние, определяемое по частоте вращения путеизмерительного колеса;

– тяговый КПД:

P п = M • rk;           (3)

к

– коэффициент, характеризующий буксование движителя:

r

5 = 1 - -^.             (4)

r

к где rкс – радиус испытываемого колеса при свободном режиме движения.

При свободном режиме движения ( Р = 0)

ведущий момент М , подводимый к оси испытываемого колеса, будет равен величине момента M , определяющего силой сопротивления качению Р . Отсюда коэффициент f легко определяется по зависимости

PM f = —f =---к—

т • g   rС • т • g к   кк

Характерной особенностью зависимости крутящего момента от силы тяги (рисунки 1–3) является её практическая прямолинейность.

До определённого и выше номинального f движителя;

- тяговый КПД п к .

Показатели тягово-сцепных свойств испытываемой шины вычислены по формулам:

– сила тяги:

^Р К = ^Р 1 ^{+ Р} 2 ^{±( R} — m K • g У ^а ,

(12,5 кН) значения силы тяги зависимости радиуса качения r ( р_к ) и, соответственно, коэффициента буксования 5 ( Р_к ) шин на бетоне также прямолинейны. Вблизи максимально возможной по сцеплению силы тяги кривые r ( р_к ) , 5 ( Р_к ) резко загибаются из-за начавшегося проскальзывания элементов контактной площадки.

При качении ведущего колеса на почвенных фонах: стерне зерновых колосовых и пара, прямолинейные участки на графиках r ( р_к ) и 5 ( Р_к ) менее выражены или вообще отсутствуют. Радиусы качения принимают меньшие, а коэффициенты буксования – большие значения, чем на бетоне и это более характерно при качении на пару.

Обобщающий показатель тягово-энергетических качеств шины – тяговый КПД имеет выраженный максимум, нередко с довольно пологим протеканием кривой п ( Р_к ) в данной зоне.

В дальнейшем анализе использованы показатели при максимальном значении тягового КПД: п макс , соответствующее ему тяговое усилие Р_к и коэффициент буксования 5 и при номинальной величине силы тяги Р = 12,5 кН, п _к , 5 _к (таблицы 3,4).

Если учесть, что на бетоне тяговый КПД шин в основном определяется энергетическими затратами на деформацию их резинокордных элементов, а показатели тягово-сцепных свойств – трением и нормальной нагрузкой на колесо, то результаты испытаний подтверждают известный эффект снижения энергетического показателя п шин на этом опорном основании при уменьшении внутреннего давления воздуха. Причём у шины с более жёсткой оболочкой 33R-32 эта зависимость выражена слабее. У эластичных шин диапазон изменения тягового КПД при заданных пределах внутришинного давления воздуха больше и составляет 0,03.

б

а – на бетоне (внутришинное давление воздуха

0,09 МПа)

б – на стерне зерновых колосовых (внутришинное давление воздуха 0,11 МПа)

в – на пару (внутришинное давление воздуха 0,11 МПа)

Рисунок 1 – Базовая и тяговая характеристики шины 30,5R-32

в

б

а – на бетоне (внутришинное давление воздуха

0,11 МПа)

б – на стерне озимой пшеницы (внутришинное давление воздуха 0,09 МПа)

в – на пару (внутришинное давление воздуха 0,07 МПа)

Рисунок 2 – Базовая и тяговая характеристики шины 33R-32

б

а – на бетоне (внутришинное давление воздуха

0,13 МПа)

б – на стерне озимой пшеницы (внутришинное давление воздуха 0,09 МПа)

в – на пару (внутришинное давление воздуха 0,07 МПа)

Рисунок 3 – Базовая и тяговая характеристики шины 33DP-32

Уровень показателей испытываемых моделей на бетонном опорном основании практически одинаков. Некоторое исключение составляет шина 33R-32М и, в особенности, 33DP-32, имеющая лучшие показатели по тяговому КПД (0,84) и коэффициенту буксования (3,2%). Из базовых характеристик видно, что затраты крутящего момента на создание тягового усилия 18,9 кН этой шиной незначительно отличаются от аналогичных затрат для других моделей шин.

Следовательно, указанная эффективность данной шины достигается за счёт снижения буксования. Последнее, в свою очередь, определяется её повышенной продольной и окружной жёсткостью, что является особенностью конструкции оболочки шин подобного типа.

Следует также отметить, что на жёстком опорном основании шины всех сравниваемых вариантов имеют максимум тягового КПД при силе тяги, значительно превышающей номинальную (12,5 кН) величину. При номинальной же силе тяги КПД шин существенно снижаются.

Результаты испытаний шин на стерне зерновых колосовых и пару показывают заметное преимущество новых моделей шин 33R-32М и 33DP-32.

Величина их тягового КПД больше на 0,03, а буксование меньше на 5–16 %. Причём здесь характерно то, что это преимущество особенно проявляется на пониженном давлении воздуха в данных шинах.

Для шины 33R-32М такое давление составляет на пару 0,09 МПа и на стерне зерновых колосовых 0,11 МПа. Для экспериментальной шины 33DP-32 давление ещё ниже – на пару 0,07 МПа и на стерне зерновых колосовых 0,09 МПа. При таких давлениях p шины 33R-32М и 33DP-32 наилучшим образом проявляют способность деформирования оболочки под нагрузкой. Гистерезисные потери в резинокордных элементах шин становятся минимальными, распределение давления по контакту с почвенными фонами – наиболее равномерным, а глубина колеи по ширине следа – практически постоянной.

Очевидно также, что закономерности деформирования шин при данных условиях обуславливают такой их прогиб, что основная часть его направлена на развитие площади контакта.

Важной особенностью тягово-энергетических показателей всех испытываемых шин на стерне является практическое соответствие максимума их тягового КПД номинальному тяговому усилию (12,5 кН). Следовательно, по нагрузочной характеристике единичной шины можно прогнозировать тяговые показатели трактора.

О

R о"

гО

о со"

о"

ей ей

о"

8 О

^Ч

Й-J сп

ей О

со ей

□ в

О

о"

ей

О_ сО

R о"

О о"

3 □ 3

8 О

СҺ ей о"

еч

со О

3 о

Гх|_

8 О

сО о"

Г-

ей со"

t о"

о сЧ

о о"

о"

If

о"

о о"

с0_

гО О

ей о"

^

О сО

£ О"

о"

о"

О о"

о_

М о"

о ей о"

-J.

I

2 SI LT 9

ra C

О

СО о"

С£

со"

t о

ем о

2 |± 9

га С

8 О

о"

^Ч

о"

О о"

с e-J

о я ф

X 3 i

8 О

к О

гО

СЧ сО

Е о"

и о"

П ч

X 3

о о"

СҺ ей о"

еч

й-J о"

СҺ ей о"

Гх|_

b І і

6 8 £

со о"

R о"

гО

сО о"

й о"

о с\Г

1

й І

о"

3 о

о_

сО о"

ей о"

его"

Й в

I

о"

S о’

ей

сО"

о"

ей о"

5 У У

3 сс 3

1

8 О

о ей о"

ей о"

О О

ей о"

С'^_ еч

г І. ф

8 о"

о"

^

м СҺ

й о"

ем

2 к

о о"

О о"

сО о"

сО СҺ

О ей о"

ей

£ і r^

го о"

ю о"

гО

сп"

R о"

во

1

о"

ей О

О.

о"

В о

со e-J

I

£ 3

о"

Е о"

ей

ей СҺ

G о"

о (Ч

3 и? 3

8 О

ей о"

О.

СО О

ей о"

О

8 О

о’

г0_

О О

й о"

оО еЧ

о о

ей о"

о"

В о

Г-С_ еЧ

к?

йГ

6?

еЗ

й?

sS ^

fr

ч"

ra 3

1 EZ

1

1 1=

Г-1 <

га 3

1 EZ

1

1

в о 1=

9 г4 II &Г

Итак, приведённые результаты тяговых испытаний шин подтверждают эффективность доработок, внесённых в конструкцию модели 33R-32М, и целесообразность работы над шиной 33DP-32 диагонально-параллельного типа исполнения.

Выводы. Уровень показателей испытываемых моделей на бетонном опорном основании практически одинаков за исключением шин 33R-32М и, в особенности, 33DP-32, у которых лучшие показатели по тяговому КПД и коэффициенту буксования, что определяется её повышенной продольной и окружной жёсткостью, являющейся особенностью конструкции оболочки шин подобного типа.

На стерне зерновых колосовых и пару значение тягового КПД шин 33R-32М и 33DP-32 больше на 0,03, а буксование меньше на 5– 16%, чем у серийных шин, причём это преимущество особенно проявляется на пониженном давлении воздуха в данных шинах. Для модели 33R-32М такое давление составляет 0,11 МПа на стерне и 0,09 МПа на пару. Экспериментальная шина 33DP-32 показывает лучшие тяговосцепные показатели при давлении воздуха в ней: на стерне – 0,09 МПа; на пару – 0,07 МПа.

То есть по обобщающему тяговому показателю (КПД) шины 33R-32М и 33DP-32 превосходят шину 33R-32 и, тем более 30,5R32, от 0,01 до 0,03 на различных почвенных фонах. Особенно это заметно на стерне озимой пшеницы.

Оценка эксплуатационных качеств сравниваемых вариантов шин показала эффективность конструктивных мероприятий в радиальной шине 33R-32М и целесообразность работ по экспериментальной шине 33DP-32.