Физико-техническая специфика обоснования процесса формирования силы тяги Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Физико-техническая специфика обоснования процесса формирования силы тяги

В.Е. Медведев, к.тех.н, П.А. Иванов, преподаватель, В.С. Стеновский, аспирант, Оренбургский ГАУ

Проблема влияния внешней силы на улучшение тяговой динамики колесных тракторов является наиболее актуальной в механике МЭС. Основной целью изучения взаимодействия системы «машины — местность» является обеспечение на-

дежных методов определения тяговой силы движителей различных форм, поскольку сельскохозяйственный трактор, прежде всего, машина тяговая. При этом необходимо учитывать уровень и интенсивность колебаний, сопровождающих работу трактора.

Решение данной проблемы возможно путем изучения физической сущности процесса движе-

ния грунтозацепа в грунте, учитывая вертикальные колебания трактора, распространяющиеся от остова машины к колесу, а также колебания сельскохозяйственной машины при переезде неровностей поля.

Очевидно, что за счет передаваемого крутящего момента в контакте ведущего колеса с основанием возникает касательная сила тяги, а максимальное значение последней определяется физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей (силой трения). В результате касательная сила тяги Fк является следствием упора почвозацепов, сдвига и среза почвенных элементов. Если каждый элемент почвы сдвинется на некоторую величину, то грунтозацеп вследствие этого получит наибольшее перемещение.

Рассмотрим характер формирования касательной силы тяги, развиваемой колесным движителем с учетом всех сил трения и сопротивлений, возникающих в контакте колеса (грунтозацепа) с грунтом.

Характеризуя почву как линейно деформируемую вязкую среду, будем рассматривать движение грунтозацепа в ней аналогично движению физического тела в произвольной вязкой среде. При движении ведущего колеса трактора возникают различного вида силы трения и силы сопротивления, причем зачастую силы сопротивления больше, чем силы трения. Так, например, в физике понятия сил трения и сил сопротивления объединяются в один термин, называемый «суммарной силой трения».

При реализации касательной силы Fк ведущего колеса горизонтальная реакция почвы Хк образуется за счет сил сопротивления горизонтальному сдвигу Fo , возникающих при упоре почвозацепов, и сил трения Fтр, действующих между упорными поверхностями почвозацепов с почвой, а также на боковой поверхности колеса и боковых гранях почвозацепов.

Почвозацепы сжимают почву в продольном направлении, и колесо проскальзывает до тех пор, пока равнодействующая сил трения Fтр и равнодействующая упорных реакций Fo почвы на поч-возацепы не окажется достаточной для того, чтобы уравновесить касательную силу Fк (рис. 1).

Почвозацепы колеса, находящиеся в контакте с почвой, сдвигают почвенный элемент, причем на каждый почвозацеп действуют различные по величине упорные реакции почвы. Если до определенного предела пропорциональности принять линейную зависимость между средними горизонтальными напряжениями о деформацией почвы е, и поскольку действие движителя сельскохозяйственной машины вызывает пассивное разрушение грунта [1], то можем определить равнодействующую упорных реакций всех почвозацепов. Причем она будет находиться в параметрической зависимости от коэффициента объемного смятия почвы к, проекции площади почвозацепа на вертикальную плоскость Бп, угла наклона почвозацепа а:

Га = о8п 8Іпа• (і += к-є• I

• а 8іп а

(1)

2 2 где а — высота почвозацепа, м;

Ь — ширина почвозацепа, м;

I — количество пар почвозацепов, находящихся одновременно в зацеплении с почвой.

Срез почвенных элементов происходит в основном во время выхода из почвы последнего почвозацепа, и с учетом допустимого буксования Одоп [2] величина максимальной, упорной реакции почвозацепов примет следующий вид:

/

■ 81П а

1 + — к

(2)

где Ь — длина контакта шины с почвой, м; к — шаг почвозацепов, м.

При движении колесного движителя по почве происходит заполнение почвой пространства между грунтозацепами. За счет подводимого крутящего момента Мкр в месте контакта ходового аппарата с плоскостью пути формируется касательная сила тяги, которая воздействует на некоторую глубину Нсл и сдвигает грунт в направлении, противоположном направлению движения трактора (рис. 2). В результате верхние слои деформируются со скоростью и 0, равной разности между теоретической и т и действительной и скоростями трактора. А на глубине Нсл деформации затухают.

Рис. 1 - Расчетная схема взаимодействия пневматического колеса с почвой

Рис. 2 - «Течение» грунта под ведущим колесом трактора

Между слоем почвы, заключенным между поч-возацепами и основной почвой, возникают касательные напряжения т, которые вызывают силу внутреннего трения Геиутр. [3, 4]:

(3)

^внутр. Т И- ' и0 ' Ь '

А поскольку 0 =— т, то получаем:

внут р.

(4)

объемный коэффициент вязкости,

кг/м3 • с;

ит — теоретическая скорость трактора, м/с.

В отличие от сил внутреннего трения (вязкости), связанных с наличием градиента скорости в слое деформируемого грунта, трение движителя о поверхность пути называют внешним, которое имеет место и в отсутствие движения. Данный вид трения возникает в месте контакта нижнего горизонтального основания грунтозацепа и грунта, а также поверхностью движителя и грунтом, заключенным между грунтозацепами. Внешнее трение представлено двумя составляющими — силой сухого трения tgфP •£ и силой сопротивления почвы срезу С0 •В:

Р£ШШ = ■ Р ■ £ + С0Я, ' ^> (5)

где tgф — коэффициент трения;

Ф — угол внутреннего трения частиц, рад;

Р — среднее давление трактора на грунт, МПа; £ — площадь контакта движителя с опорной поверхностью, м2.

Вторая составляющая характеризуется напряжением С0 С , где С0 — коэффициент связности, Н/м2, а С — угловая деформация грунта, и пропорциональной площади 8 контакта движителя с опорной поверхностью.

Под воздействием движителя пласт почвы нормальной влажности хорошо крошится, и почва оказывает на боковые грани грунтозацепа такое же действие, как сыпучий материал. Любая горизонтальная площадка испытывает только сжимающие напряжения:

(6)

где у — удельный вес почвы, Н;

^ — глубина погружения грунтозацепа в почву, м.

Боковое давление на боковые грани грунто-зацепа можно найти при условии, что почва возле них находится в предельном равновесии [5], из уравнения которого получаем

где

45° -

01

2

45° -

£

величина течения грунта.

Как видно из рис. 3, максимальное напряжение достигается у основания грунтозацепа. Рав-

Рис. 3 - Схема действия сил и эпюра давления почвы на боковые грани

нодействующую N давления слоя на боковую грань шириной с найдем из выражения:

N = 0,5о1шах • а• с = 0,5 уа2сtg 2

45°-

£

(7)

Центр давления Уе находится на расстоянии

2а 3

от поверхности [5]. Равнодействующая N вызывает на боковой грани силу трения Рбок = f■N, направленную против движения (здесьf — коэффициент трения грунтозацепа по почве).

В результате получаем:

Рбок = °,5уа 2 с/ tg 2

45° -

£

(8)

Итак, из формулы (8) следует, что сила бокового трения зависит от физико-механических свойств почвы, конструкции грунтозацепов и технологических режимов работы колеса.

Таким образом, суммарное значение рассмотренных всех выше сил и даст нам максимальное значение касательной силы тяги, развиваемой движителем («суммарная сила трения»):

Иг Иг Иг Иг

~ ^ ^ Гвнеш + ^ Гбок — ^ Гвнутр (9)

0 0 0 0 ’

где N — число грунтозацепов, находящихся в зацеплении с почвой.

Проведенные теоретические исследования дают основание полагать, что при работе ведущих колес касательная сила тяги зависит как от параметров грунтозацепов (а, Ь, с), площади контактной поверхности £ и шага грунтозацепов к, так и от параметров почвы ( ц , С0, ф).

Как показывают экспериментальные исследования, при работе трактора снижение его тяговодинамических показателей вызывается не только колебаниями крюковой нагрузки, но и вертикальными колебаниями остова, вследствие переезда неровностей поля. Если предположить, что происходящие вертикальные колебания остова (колеса) приводят к изменению высоты грунтозаце-

Ї1

V

2

па в почве, то согласно формуле (9) это, в свою очередь, приведет к изменению максимального значения касательной силы тяги. Если найти и обосновать зависимость силы тяги от меняющейся со временем высоты грунтозацепа, при работе трактора в различных климатических условиях, учитывая внешние воздействия различного рода на сельскохозяйственную машину, то в результате это позволит объяснить снижение тягово-ди-намических показателей колесных тракторов и обеспечить нахождение путей для дальнейшего решения данной проблемы.

Литература

Вонг, Дж. Теория наземных транспортных средств / Дж. Вонг. М.: Машиностроение, 1982. 281 с.

Ксеневич, И.П. Реализация тяги трактора класса 1, 4 со спаренными и широкопрофильными шинами / И.П. Ксеневич, С.Ф. Антимоник, А.М. Кононов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1978. №4. С. 5—7.

Агафонов, К.П. Удельная сила тяги трактора с учетом вязких свойств грунта / К.П. Агафонов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1979. №9. С. 7—9.

Агафонов, К.П. О роли вязкости при деформировании грунта / К.П. Агафонов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1981. №5. С. 11—13.

Галлямов, P.M. Сопротивление боковых граней стоек почвообрабатывающих рабочих органов / P.M. Галлямов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №8. С. 33—34.