Исследование процессов взаимодействия элементов колесно-гусеничной ходовой системы с деформируемой поверхностью перемещения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕСНО-ГУСЕНИЧНОЙ ХОДОВОЙ СИСТЕМЫ С ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

The comparative estimation by the offered new criterion of a level of ecological influence used wood caterpillar logging tractors on a deformable surface is lead. The prospect ofperformance of running systems of wood tractors is determined. The offered technique allows to estimate on a design stage of a running part a level of ecological influence of a caterpillar logging tractors on a deformable surface.

Современная тенденция совершенствования ходовых систем лесных трелевочных тракторов должна быть направлена в основном на выполнение требований экологии, тягово-сцепных свойств и повышения проходимости тракторов в бездорожных условиях применения, т.е. на лесосеке. Критерии оценки повышения указанных свойств тракторов разрабатываются теорией системы "местность-машина", направленной главным образом на решение экологических проблем промышленного вмешательства человека в экосреду. Разрушение опорного слоя с образованием глубокой колеи, уплотнение и эрозия почвы определяется в значительной степени конструкцией ходовой системы и параметрами технологического использования трелевочных тракторов.

Увеличение количества применяемых трелевочных тракторов с колесно-гусеничным движителем в определенной степени оправдано, т.к. они дешевле гусеничных, меньше по габаритам и весу, отличаются высокой маневренностью, удобством управления, более высокой плавностью хода.

В последнее время ряд фирм Швеции и Финляндии, выпускающих лесозаготовительную технику (форвардеры, харвестеры, процессоры и т.д.), стали применять новый тип ходовых систем - тандемные опорно -тяговые ходовые тележки, пневматические катки которых попарно снабжены гусеничными лентами. Подобную конструкцию ходовых систем развивает фирма "Тимберджек". Указанная тенденция поддерживается рядом фирм "Osa", "Valmet" и развивается по двум направлениям:

- с приводом гусеничной цепи от ведущей звездочки (фирма Valmet) - в системе "Экотракт";

- с приводом гусеничной ленты от ведущих опорных пневматических шин катков (в основном фирмы "Тимберджек" и "Valmet").

Второе направление позволяет использовать ходовую часть как в колесном варианте, так и в гусеничном. Это представляет для нас наибольший интерес.

Процессы взаимодействия элементов такой ходовой системы осуществляются в двух параллельных алгоритмах:

- создание силы перематывания гусеничной ленты за счет взаимодействия опорных ведущих (приводных) колес - катков с гусеничной лентой без явных признаков зацепления с ней, кроме упругих сил трения (возможен специальный

профиль шин, имитирующий цевочное зацепление колеса с гусеницей за счет поперечных грунтозацепов на профиле шины);

- создание силы тяги гусеничной ленты в зоне взаимодействия с деформируемой поверхностью за счет привода от опорных колес.

Такой последовательный и взаимозависимый характер взаимодействия элементов ходовой системы является малоизученным, поэтому осуществлена попытка теоретического осмысления происходящих процессов взаимодействия. При рассмотрении вопроса применена следующая последовательность:

- рассмотрены параметры движения и силовые факторы качения опорных ведущих шин-катков по твердой поверхности (по гусеничной ленте) с передачей силовых параметров по тяге - гусеничной ленте через зону упругого контакта катка с этой лентой;

- затем рассматриваются параметры взаимодействия гусеничной ленты с поверхностью (необходимая площадь опорной поверхности гусеничной ленты, оптимальная вертикальная нагрузка на тандем ходовой части, коэффициент сцепления с поверхностью);

В качестве опорных катков применим тороидальные шины с радиальной нагрузкой 24... 40 кН.

При рассмотрении вопроса применена методика определения параметров взаимодействия шина - гусеничная лента (рис. 1) [1].

Р

кар

толкающая сила перемещения каретки с опорными катками от силы сцепления

катка Р^ с гусеничной лентой; М1

реактивный момент от сил Р„

-Р™= • (ргус — ттах • /' - реакция "кирпичиков" грунта, заключенных между

сргус

кар

грунтозацепами гусеничной ленты и грунтом на действие реактивной силы Р^ от

взаимодействия ведущего опорного катка ходовой системы с гусеничной лентой; Р -площадь опорной поверхности гусеничной ленты.

Рисунок 1 - Колесно-гусеничный движитель с одним ведущим опорным катком

Сопротивление качению опорного ведущего катка по гусеничной ленте можно выразить [1]:

г0 м о

у _ у К КР к к

ГК С>,< К ■ гк

к >

где г® - радиус колеса (катка) в ведомом режиме, м;

М - крутящий момент, подводимый к оси колеса, Н-м (Мкр &М<р); гк ~ гд ~ условно "динамический" радиус катка в функции подводимого крутящего момента, /;. = - Лк ■ Мкр;

Ок - вертикальная нагрузка на каток, Н;

/0 - коэффициент сопротивления качению катка в ведомом режиме (М =0).

/о

сс + рО«

1+ Р

(1)

W

где Р1Г - давление воздуха в шине катка (МПа);

а = (0,05...0,7)-10~1, МПа; /? = (1,34...3,63;-1(Г12, Н-м2.

Радиус колеса (катка) в ведомом режиме определяется по формуле:

г0 1 + а1-°к

к ~ 0 1 , ^ 1 + а2-Ок

(2)

где г0 - наружный радиус шины в состоянии, свободном от всех видов нагрузки, м;

г0 =0,574... 0,641 м; он = (0,747... 1,494)-103 Н"1; а2 = (0,917... 1,883) • 10' Н"1.

чЗ тт-1

к - к

1-

1_ Ок

О,

Р

W

Р

W

(З)

где Л,., (},., 1)у - паспортные параметры шин катка.

Радиус качения шины при буксовании гк тШ (с учетом упрощений из -за малости значений сомножителей):

' ктт 'к

Гк -Д-Ю"3 -К -°к-(Рк)

где <рк - коэффициент сцепления шины с гусеничной лентой.

Момент, реализуемый шиной при сцеплении с гусеничной лентой в начале буксования равен:

Мф*\0-3-Ок-(/0+(рк)-гк0.

'К \ J0 ' 'ГК / •к

Значение М , деленное на радиус катка /;, П1|П определяет натяжение в гусеничной ленте Т, т.е. тангенциальное воздействие ленты на поверхность.

Коэффициент сцепления (рк ведущей опорной шины катка с гусеничной ленты в начале возможного буксования определяется по формуле:

<Рк =

Ы9( 1 + д/1-4-10-3.4 - Ок- /о )

2 Ок-г?

-/о,

или с незначительной погрешностью:

м

•Гк

Формула (4) соответствует началу процесса буксования колеса относительно гусеницы.

Согласно [2] коэффициент сцепления гусеницы с грунтом равен:

Сп • .Р ___Со

= о ^ " ~ ~ - .1

гус

(Ргус = 0.5 + tgв = 0,5 + tgв. (5)

исц Я

где q - удельное давление гусеницы (КПа); CoЯtgв- параметры тангециального сопротивления почвы сдвигу.

Для определения необходимой площади Р опорной поверхности гусеничной ленты колесно-гусеничной ходовой системы (тандема) рассмотрим систему с двумя ведущими опорными катками по борту. Рассматриваемая схема наиболее часто встречается для полной реализации сцепного веса, приходящегося на каретку тандема.

При рассмотрении вопроса могут иметь место следующие два соображения:

1. Если допустить возможность пробуксовывания ведущих колес относительно гусеничной ленты, то надо принять (ргус> (рк.

Это экологически оправданный вариант, т. к. отсутствует повреждение поверхности от режима буксования гусеничной ленты. Однако, это приводит к снижению тяговых свойств и износу шины катка.

2. Если допустить возможность пробуксовки гусеничной ленты относительно поверхности, то надо принять срк > сргус.

Это экологически неоправданный вариант, т.к. будет иметь место образования глубокой колеи и увеличение сопротивления движению ходовой системы.

Примем равенство коэффициентов сцепления <рк = <ргус.

Определим потребную площадь опорной поверхности колесно -гусеничной ходовой системы из принятого условия:

Сп-Р „ ма

СЧ ^ сц ' к

где Осц =2-Ок.

Преобразуя, получим:

2 -Мгп Ог Т

I) -Со 0,5-Со

_О А

или с учетом М9 «10 -Ок(/0+(рк)-г^, а для двух катков

_О А

МФ ~110 -Сси(/о +(рк)-гк, получим

Р = в.

сц

2-10-у /0+срк)

Со 0,5 • Со

После преобразований получим:

в,

сц

СП

<Рк +

/о

1-Ю"3 ■ Лк-Ок-(р1

'к: ^ к г к /

Учитывая формулу (3), получим:

в

/7 = сц

С

о

<Рк +

/о

1-Ю"3 -Ск-(рк-Хк

__к_

в

р

к

р

ш_ *

(6)

Пример определения необходимой площади гусеничных лент двух ко-лесно-гусеничных тандемов по борту машины с одной ведущей шиной в тандеме.

В качестве опорных катков применены обычные тороидальные шины 14,00-20,00 (370 - 508 мм) при нагрузке на каждую шину 22,50 кН; внутреннем

* п—г Г)

давлении воздуха Рм/ = 0,36 МП а; радиус шины гк = 0,6 м; коэффициенте сцепления шин с гусеничной лентой, равном коэффициенту сцепления гусеничной ленты с почвой (заболоченным лугом, торфом) <рк = сргус = 0,4; /0 = 0,01806;

С0 = 20 кПа; tgв= 0,105.

1

^ —^о,4 + -

2о,о

о,о18об

1-Ш"3 • 22,5 • о,4 • о,об

Г, 38 > о,3б"

1

1 22,5) о,3б_

-2( о,о18о^о,Ю5 )

=1,287 м2

Общее давление трактора на поверхность при С2 = 90 кН и количестве тандемов - 4 на оба борта (8 шин) равно:

Ч

О

Е

9о

2-Р 2-1,287

= 35,0 кПа.

Ширина гусеничной ленты b равна b = В + 2А}, где В = 0,37 м - ширина шины; Aj= 0,025 (м) - ширина ограничителя шины на ленте; b = 0,37 + 2-0,025 = =0,42 м.

Суммарная длина опорной поверхности гусеничной ленты по борту l-F/Ъ-3,06 м, а параметр деформатора x-1/Ъ- 3,06/0,42 = 7,3.

При двух тандемах на борт (4 шины) на каждый тандем приходится длина опорной поверхности гусеничных лент по 1,53 м. Для справки: длина опорной поверхности гусеницы по каждому борту тракторов - ТТ-4М равна 3,0 м; ТЛТ-100 - 3,2 м.

Литература

1. Петрушов В.А. и др. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов. - М.: Машиностроение, 1975.- 221с.

2. Анисимов Г.М. и др. Лесные машины: Учебник. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 511с.