CC BY
103
УДК 631.372:629.4.027.412
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ В АГРЕГАТЕ С ДВУХОСНЫМИ ПРИЦЕПАМИ
© 2014 г. В.П. Гребнев, А.В. Ворохобищ А.В. Подстрешный, О.В. Лещёва
Представлены исследования по целесообразности оснащения тракторов устройством для корректирования вертикальных нагрузок, позволяющим регулировать тягово-сцепные свойства тракторов в составе прицепных транспортных агрегатов. Предложена схема устройства и приведены результаты исследований по оценке эффективности его использования.
Ключевые слова: трактор, тракторно-транспортный агрегат, корректирование вертикальных нагрузок, сцепной вес, тягово-сцепные свойства.
Presents research on the feasibility of equipping tractors with a device for adjusting the vertical loads, allowing to adjust drawbar properties of tractors in the composition of the transport trailer units. The proposed scheme of arrangement and the results of studies evaluating the efficacy of its use.
Key words: tractor, tractor transport unit, the correction of the vertical loads, wheel weights, drawbar properties.
Широкому применению разнообразных способов повышения тягово-сцепных свойств колесных сельскохозяйственных тракторов способствовали известные ограничения рабочих скоростей движения и
ширины захвата машинно-тракторных агрегатов, а также грузоподъемность транспортных средств. Эти ограничения часто не позволяют полностью реализовать мощность двигателей энергонасыщенных
тракторов. У тяговых агрегатов одновременно с увеличением используемой мощности двигателя необходимо и увеличение тяговых возможностей движителя, т.е. чтобы полностью использовать мощность двигателя, нужно обеспечить необходимое сцепление движителей с опорной поверхностью [1, 7].
Повысить тягово-сцепные свойства колесных тракторов можно путем их рациональной конструктивной компоновки, хотя возможности этого способа весьма ограничены, а в большей степени - использованием специальных технических средств. Большинство таких способов повышения тягово-сцепных свойств основаны на увеличении максимальной касательной силы по сцеплению Р равной произведению
(р-ОаГ где (р - коэффициент сцепления:
С - сцепной вес трактора [2].
Согласно приведенной формуле определения касательной силы тяги, все способы можно разделить на две группы. К первой группе относятся те, с помощью которых увеличивают коэффициент сцепления движителя с почвой или дорогой; ко второй - сцепной вес трактора.
Коэффициент сцепления движителей с почвой можно повысить применением грунтозацепов, уширителей колес, полугусеничного хода, широкопрофильных и арочных шин и др. Все эти способы в большинстве своем или не обеспечивают высокой эффективности, или усложняют конструкцию тракторов и прицепов, или ухудшают маневренность, скоростные свойства и надежность агрегатов [1, 3, 8].
Особого внимания заслуживает вторая группа способов, основанная на увеличении сцепного веса трактора. Наиболее простой из этой группы - балластирование за счет дополнительных грузов, установленных на ведущих колесах или на остове трактора. Однако балластирование специальными грузами увеличивает металлоемкость тракторов, кроме того, такие грузы в хороших условиях работы необходимо снимать, так как ухудшается маневренность, а транспортирование излишнего груза повышает расход топлива, перегру-
жает тормозную систему, увеличивает потери на качение и снижает тяговый КПД трактора [1].
Одним из перспективных способов увеличения сцепного веса трактора является способ, основанный на корректировании вертикальных нагрузок (КВН), приходящихся на колеса транспортного агрегата. Этот способ работает по принципу силового воздействия прицепа на трактор, заключающийся в переносе части веса с прицепа на тягач [4].
В работе И.П. Ксеневича [5] отмечается, что для оптимального использования мощности двигателя в разнообразных условиях необходимо чтобы эксплуатационный и сцепной вес были регулируемыми, особенно это относиться к тяговым агрегатам.
Кроме того, данное корректирование во многих случаях может осуществляться с места тракториста, без затрат времени и усилий. Степень такого корректирования является регулируемой, что свидетельствует о его перспективности и преимуществах по сравнению с другими способами увеличения сцепного веса.
На кафедре «Тракторы и автомобили» Воронежского ГАУ разработано устройство для корректирования вертикальных нагрузок на колеса тракторно-транспортного агрегата (ТТА), позволяющего регулировать тягово-сцепные свойства трактора. За основу конструкции данного устройства взят патент РФ № 2297938 [6].
На рисунке 1 представлена схема сил, действующих на ТТА при соединении трактора и прицепа посредством устройства для корректирования вертикальных нагрузок. Данное устройство имеет две силовые связи, одна из которых является основной 1 (тяговой) с действующим в ней усилием Р и соединяющей дышло прицепа с гидрокрюком трактора, а другая дополнительная 2 (догружающая) с действующим в ней усилием Рт и соединяющая нижние тяги навески с передней осью прицепа. При этом изменение усилий, действующих в силовых связях, взаимосвязано.
Применительно к представленной схеме сил выражения для определения вер-
тикальных реакций дороги соответственно прицепа для общего случая движения ТТА на передние и задние колеса трактора и выглядят следующим образом:
у„ =
G • а - Рт • (sin a-f + cos a-h )-P -h ±P -h - M,
mp nip T V up ip ' hp /р jmm mp jmm
1.
(D
tup
Y _ G»>P • (Ln,p - amp ) + • (sin • (Lmp + lnp) + cos a • hir) + Prp ' hhv ± Pjmm • hmp + M fmm ^
mp
^ np.n
Oljp ■ Cinp - PT • (sin or ■ Lnp - cos a - htp) + Pfp ■ hKp ± Pjnn ■ hnp -Mfnn
I
np
у _ Gnp • a,p - Py •• К - ■ К ± ■ Kp + M fnn
пр. 4
(3)
(4)
up
где Уп> Ук, Упрп и Упр з - соответственно вертикальные реакции на передние и задние колеса трактора и прицепа; С Сщ; -соответственно вес трактора и прицепа; Ь, Ьпр - соответственно продольная база
трактора и прицепа; атр, Нтр, апр и Ьпр -
соответственно продольная и вертикальная координаты центра тяжести трактора и прицепа; Р РТ - соответственно усилие в тяговой и догружающей силовых связях;
а - угол наклона догружающей связи; ±Р]мпП ± Р}пп - соответственно сила инерции трактора и прицепа; Л - высота приложения усилия в основной силовой связи;
М6„„ = У!Га„+Ук-ак
^fun ^ нр.п^нрп ^ tip .3 ^пр.з
- соответственно суммарный момент сопротивления перекатыванию колес трактора и прицепа; / - расстояние от оси задних колес трактора до точки соединения гидрокрюка с его остовом.
Рисунок 1 - Схема сил, действующих на ТТА при соединении трактора с прицепом
по тяговой и догружающей связям
Усилие в дополнительной (догружающей) силовой связи раскладывается на две составляющие. Вертикальная (Рг -ята) является той частью веса, которая переносится с прицепа на трактор, а горизонтальная уменьшает усилие в основ-
ной (тяговой) силовой связи на величину РТ - cosа.
Таким образом, уровень догрузки (степени корректирования) ведущих колес трактора можно регулировать либо за счет изменения усилия в догружающей силовой связи, либо за счет изменения угла ее наклона.
Результаты расчета по выражениям (1)...(4) применительно к колесному трактору тягового класса 1,4, агрегатируемого с прицепом грузоподъемностью 60 кН в условиях, характеризуемых коэффициентом перекатывания, принятым равным /= 0,1, при установившемся режиме движения ТТА, представлены на рисунке 2.
Из рисунка 2 видно, что при увеличении усилия в дополнительной (догружающей) связи уменьшается вертикальная реакция дороги на передние колеса трактора (Уп) и прицепа (У ). При этом происходит увеличение вертикальной реакции на
задние колеса трактора (У^), которые, как правило, являются основными ведущими. Вертикальная реакция на задние колеса прицепа (Упр,) практически не изменяется.
Кроме того, наблюдается увеличение суммарной реакции на передние и задние колеса трактора то есть увеличивается его эксплуатационный вес. Чем больше сила Рт и угол наклона к горизонту дополнительной силовой связи, тем выше догружающий эффект от действия рассматриваемого устройства. Оба эти параметра (Рт и а) являются регулируемыми.
Рт. кН
-10 ■«
Рисунок 2 - Зависимость вертикальных реакций дороги на передние и задние колеса трактора и прицепа, соединенных по двум силовым связям, от изменения усилия в дополнительной (догружающей) связи
Из рисунка 2 также видно, что оба усилия в основной и дополнительной силовых связях являются взаимосвязанными: при увеличении усилия в дополнительной (догружающей) силовой связи происходит снижение усилия в основной силовой связи. Ограничивающими факторами увеличения усилия в дополнительной силовой связи являются допустимая нагрузка на задние колеса трактора по их грузоподъем-
ности (У,./юп) и допустимая нагрузка на
передние колеса по критерию сохранения удовлетворительной управляемости (У„л0„). В рассматриваемом примере ни по
одному из ограничивающих факторов предельного уровня не достигнуто.
Таким образом, связь трактора и прицепа по рассмотренному варианту позволяет регулировать тягово-сцепные свойства
трактора. Для универсально-пропашных тракторов с обеими колесными схемами (4К2 и 4К4а) происходит увеличение и сцепного, и общего эксплуатационного веса, причем более интенсивно увеличивается сцепной вес трактора 4К2, чем 4К4а, так как в первом случае сцепной вес равен реакции Ук, а во втором - сумме (У^ + Уп ).
На кафедре «Тракторы и автомобили» Воронежского ГАУ проведены экспериментальные исследования ТТА, оборудованного устройством для корректирования вертикальных нагрузок, изготовленным по схеме, представленной на рисунке 1. Объектом испытаний являлся универсально-пропашной трактор тягового класса 1,4 в агрегате с двухосным прицепом грузоподъемность - 60 кН. Прицеп с тракто-
ром был связан посредством опытного устройства. Испытания проводились на почвенных фонах с низкой несущей способностью и дорогах с сухим плотным грунтом. Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунках 3, 4 и 5.
При установившемся движении по дорогам с низкой несущей способностью использование рассматриваемого устройства для корректирования вертикальных нагрузок позволило значительно снизить буксование ведущих колес трактора (рисунок 3). Снижение буксования достигало 40%. Эффекта при движении в хороших дорожных условиях (сухая грунтовая дорога) не получено прежде всего из-за малого значения буксования.
II Без корректпр О 13 хол в штсжа В 23 хода штока О Корректор. макс.
1 - песок; 2 - грунтовая дорога после дождя; 3 - сухая грунтовая дорога
Рисунок 3 - Изменение буксования ведущих колес трактора при разной степени корректирования вертикальных нагрузок
1 - е>/; =32 кН; 2 - Огр =40 кН; 3 - <2,р =48 кН
Рисунок 4 - Изменение производительности прицепного ТТА при разной грузоподъемности прицепа и разной степени корректирования вертикальных нагрузок
1 - Огр =32 кН; 2 - Огр =40 кН; 3 - Огр =48 кН.
Рисунок 5 - Изменение удельного расхода топлива прицепного ТТА при разной грузоподъемности прицепа и разной степени регулирования сцепного веса
В свою очередь снижение буксования ведущих колес трактора позволило повысить скорость движения и вместе с этим производительность ТТА.
На рисунке 4 показано изменение производительности ТТА при разной грузоподъемности прицепа и разной степени корректирования.
Из рисунка 4 видно, что при увеличении грузоподъемности прицепа происходит увеличение производительности ТТА. Причем повышению производительности ТТА способствует также увеличение сцепного веса трактора, что стало возможным за счет использования исследуемого устройства для корректирования вертикальных нагрузок. Получено, что увеличение грузоподъемности прицепа на 50% увеличило производительность, при движении ТТА без регулирования сцепного веса, на 41% (с 32,64 до 46,08 ткм/ч), а с регулированием сцепного веса производительность повысилась еще на 13% (с 46,08 до 52,07 ткм/ч).
На рисунке 5 показано изменение удельного расхода топлива при разной грузоподъемности прицепа и разной степени регулирования сцепного веса. Установлено, что при увеличении грузоподъемности прицепа на 50% и движении без регулирования сцепного веса удельный расход топлива снизился с 220,3 до 160,2 г/ткм, а регулирование сцепного веса позволило дополнительно снизить удельный расход топлива с 160,2 до 133,4 г/ткм, что составляет 20%.
Таким образом, результаты исследований устройства для корректирования вертикальных нагрузок, позволяющего регулировать тягово-сцепные свойства трактора, показали достаточно высокую эффективность его применения при движении прицепного ТТА в сложных по проходимости дорожных и полевых условиях. Эта эффективность, в конечном счете, выражается в увеличении производительности прицепного ТТА в среднем на 15% и снижении удельного расхода топлива до 20%.
Литература
1. Ворохобин, A.B. Повышение эффективности использования тракторно-транспортного агрегата при корректи-
ровании вертикальных нагрузок на колеса: дис...канд. техн. наук: 05.20.01: защищена 19.10.2007: утв. 18.01.2008 / Ворохобин Андрей Викторович. - 2007. - 172 с.
2. Гребнев, В.П. Тракторы и автомобили. Теория и эксплуатационные свойства: учебное пособие / В.П. Гребнев, О.И. Поли-ваев, А.В. Ворохобин; под общ. ред. О.И. Поливаева. - 2-е изд., стер. - Москва: КНОРУС, 2013.-264 с.
3. Поливаев, О.И. Как улучшить тяго-во-сцепные свойства колесных тракторов / О.И. Поливаев, В.П. Гребнев, А.В. Ворохобин // Сельский механизатор. - 2009. -№5,-С. 6-7.
4. Гребнев, В.П. Эффективность оборудования колесных тракторов тягово-догружающим устройством / В.П. Гребнев, А.В. Ворохобин // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - № 8. - С. 9-11.
5. Ксеневич, И.П. Об оптимальной массе трактора / И.П. Ксеневич // Тракторы и сельхозмашины. - 1988,- № 12. - С. 5-8.
6. Пат. 2297938 РФ, МПК7 В 62 D 53/04, В 60 D 1/00, А 01 В 59/04. Сцепное устройство для соединения колесного трактора с прицепом / В.П. Гребнев, В.И. Панин, А.В. Ворохобин (Россия). -№ 2005138232/11; Заявлено 08.12.2005; Опубл. 27.04.2007, Бюл. № 12. - 5 е.: ил.
7. Кравченко, В.А. Пути повышения эффективности сельскохозяйственных МТА / В.А. Кравченко // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Процессы и машины агроинженерных систем. Технические науки. Приложение № 1. -2004.-С. 95-99.
8. Кравченко, В.А. Повышение динамических и эксплуатационных показателей сельскохозяйственных машинно-трактор-ных агрегатов: монография / В.А. Кравченко. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010.-224 с.
References
I. Vorokhobin, A.V. Povyshenie effektivnosti ispolzovaniya traktorno-transportnogo agregata pri korrektirovanii vertikalnykh nagruzok na kolesa: dis...kand. tekhn. nauk: 05.20.01: zashchi shchena 19.10.2007: utv. 18.01.2008, 2007, 172 p.
2. Grebnev V P., Polivaev О.I., Voro-khobin A.V. Traktory i avtomobili. Teoriya i ekspluatatsionnye svoistva: uchebnoe posobie, 2-е izd., ster. - M.: KNORUS, 2013.-264 s.
3. Polivaev. O.I., Grebnev V.P., Voro-khobin A.V. Как uluchshit tyagovo-stsepnye svoistva kolesnykh traktorov // Selskii mekhan-izator. - 2009. - № 5. - S. 6-7.
4. Grebnev, V.P., Vorokhobin A.V. Effektivnost' oborudovaniya kolesnykh traktorov tyagovo-dogruzhayushchim ustroistvom // Traktory i sel'khozmashiny. -2009. -№ 8.- S. 9-11.
5. Ksenevich, I P. Ob optimal'noi masse traktora // Traktory i selkhozmashiny. - 1988. -№12.-S. 5-8.
6. Grebnev, VP., Panin V.I., Vorokhobin A.V. Pat. 2297938 RF, MPK7 V 62 D
53/04, V 60 D 1/00, A 01 V 59/04. Stsepnoe ustroistvo dlya soedineniya kolesnogo traktora s pritsepom, № 2005138232/11; Zayavleno 08.12.2005; Opubl. 27.04.2007, Byul, № 12, 5 s.:il.
7. Kravchenko V.A. Puti povysheniya effektivnosti sel'skokhozyaistvennykh MTA, Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Severo-Kavkazskii region // Protsessy i mash-iny agroinzhenernykh sistem. Tekhnicheskie nauki. Prilozhenie. - 2004. - № 1. - S. 95-99.
8. Kravchenko, V.A. Povyshenie dinamicheskikh i ekspluatatsionnykh pokazate-lei selskokhozyaistvennykh mashinno-traktornykh agregatov: monografiya. - Zerno-grad: FGOU VPO AChGAA, 2010.-224 s.
Сведения об авторах Гребнев Виктор Петрович - доктор технических наук, профессор кафедры «Тракторы и автомобили», Воронежский ГАУ (Россия). Тел.: 8(473) 253-59-16, 8(473) 253-79-00.
Ворохобии Андрей Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили», Воронежский ГАУ (Россия). Тел.: 8(473) 253-79-00, 8-915-549-18-82. E-mail: dogruzka@rambler.ru.
Подстрешиый Александр Викторович - магистрант кафедры «Тракторы и автомобили», Воронежский ГАУ (Россия). Тел.: 8(473) 253-79-00.
Лещёва Оксана Вячеславовна - студентка, Воронежский ГАУ (Россия). Тел.: 8(473)253-79-00.
Information about the authors Grebnev Victor Petrovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Tractors and automobiles department, Voronezh SAU (Russia). Phone: 8(473) 253-59-16, 8(473) 253-79-00.
Vorokhobin Andrey Victorovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Tractors and automobiles department, Voronezh SAU (Russia). Phone: 8(473) 253-79-00, 8-915-549-18-82. E-mail: dogruzka@rambler.ru.
Podstreshnyi Alexander Victorovich - post-graduate of the Tractors and automobiles department, Voronezh SAU (Russia). Phone: 8(473) 253-79-00.
Leshchyova Oxana Vyacheslavovna - student of Voronezh SAU (Russia). Phone: 8(473) 253-79-00.
