CC BY
10
Научная статья
УДК 631.372
doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-150-154
Локальная модернизация как путь улучшения эксплуатационной технологичности колёсных движителей сельскохозяйственных тракторов
Вячеслав Сергеевич Стеновский, Евгений Михайлович Асманкин, Юрий Андреевич Ушаков,
Сария Валейевна Тарасова, Павел Александрович Иванов
Оренбургский государственный аграрный университет
Аннотация. В статье представлены результаты исследования влияния конструктивных характеристик колёсного движителя и геометрических характеристик грунтозацепов на его тягово-сцепные качества. Раскрывается нереализованный потенциал колёсного движителя. Исследование влияния геометрических характеристик колёсного движителя на тягово-сцепные свойства показывают, что эти манипуляции обеспечивают возможность регулирования сцепной силы в пределах от 10 до 20 % за счёт энергии, затрачиваемой на буксование. При проведении исследования в направлении модификации рисунка протектора, конструкции грунтозацепов установлена возможность повышения эксплуатационной технологичности колёсных тракторов на 10 % в сложных ландшафтных условиях, на участках с наклоном опорной поверхности в пределах 0,1...0,3 рад, что позволит применять неспециализированные колёсные машины в таких условиях и повысить вовлекаемость земель в сельскохозяйственное производство.
Ключевые слова: трактор, шина, протектор, буксование, грунтозацеп, пятно контакта.
Для цитирования. Локальная модернизация как путь улучшения эксплуатационной технологичности колёсных движителей сельскохозяйственных тракторов / В.С. Стеновский, Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 150 - 154. doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-150-154.
Original article
Local modernization as a way to improve the operational manufacturability of wheeled propellers of agricultural tractors
Vyacheslav S. Stenovsky, Evgeny M. Asmankin, Yu^ A. Ushakov,
Sariya V. Tarasova, Pavel A. Ivanov
Orenburg State Agrarian University
Abstract. The article presents the results of a study of the influence of the design characteristics of a wheel mover and the geometric characteristics of ground hooks on its traction qualities. The unrealized potential of the wheel mover is revealed. The study of the influence of the geometric characteristics of the wheel mover on the traction properties shows that due to these manipulations, it is possible to regulate the coupling force in the range from 10 to 20 % due to the energy spent on slipping. Conducting research in the direction of modifying the tread pattern, the design of ground hooks, the possibility of increasing the operational manufacturability of wheeled tractors by 10 % in difficult landscape conditions, in areas with a slope of the support surface within 0.1...0.3 rad, which will allow the use of non-specialized wheeled vehicles in such conditions, was established. Thus, to increase the involvement of land in agricultural production.
Keywords: tractor, tire, tread, slipping, ground hook, contact spot.
For citation: Local modernization as a way to improve the operational manufacturability of wheeled propellers of agricultural tractors / V.S. Stenovsky, E.M. Asmankin, Yu.A. Ushakov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 150 - 154. (In Russ.). doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-150-154.
При решении проблемы повышения сцепных качеств колёсных тракторов сельскохозяйственного назначения возможно и желательно применение методов, исключающих вмешательство в серийную конструкцию. Благодаря этому в современной практике отраслевой модернизации сформировано направление улучшения технологичности колёсных движителей посредством оптимизации геометрических характеристик конструкционных элементов собственно колёс. Наиболее ярким примером является исполнение их с функционально большим диаметром и увеличенной шириной профиля шины.
Материал и методы. Экспериментальные зависимости, показывающие снижение буксо-
вания движителя по кривой с отрицательным ускорением при увеличении диаметра и ширины профиля колеса, достоверны и неоднократно подтверждались исследованиями ведущих учёных в данной области [1, 2].
Характерен сам факт аналогичности независимости от специфики опорной поверхности и конфигурации пятна контакта, когда увеличение диаметра колеса в пределах 0,5...1,5 м обеспечивает снижение буксования от 15 до 10 %, а увеличение ширины колеса от 0,2 до 0,8 м предполагает снижение буксования в пределах 20.12 %
Явление повышения сцепных качеств движителя с увеличением размеров колёс естьследствие
увеличения площади контакта шины с почвой [1], так как деформированная при контакте опорная поверхность ведущего колеса оказывает значимое влияние на тягово-сцепные качества и проходимость трактора. В этой связи одним из приоритетных направлений развития методов аналитического экспериментального исследования движения тягово-сцепных характеристик колёсных машин является изучение формологиче-ских закономерностей пятна контакта эксплуатируемых шин при взаимодействии с опорной поверхностью в условиях нормальной деформации и их нормированном обжатии в установленных пределах. Для эллиптического отпечатка расчёт условной площади контакта алгоритмизуется методом формализации функции нормального прогиба шины с использованием соотношений полуосей контактного эллипса (рис. 1).
Анализируя параметры, полученные в результате экспериментальных исследований геометрии пятна контакта баллонных шин, профессор Д.А. Чудаков предложил эмпирическую зависимость ^отп = (4...4,8)(е - 0,03)62, учитывающую не только ширину обода колеса (Ь), но и функционально основанную на отношении (е) величины усадки к ширине установленного обода [3].
Результаты исследования. Как правило, оценивая способность мобильного энергетического средства к выполнению технологических операций, проектно-конструкторские организации (центры) анализируют, в каких пределах реализуется повышение производительности агрегата и уменьшение износа шин при снижении буксования. Также оценивают почвосберегающие свойства движителя, которые с увеличением размеров колёс закономерно улучшаются, что объясняется уменьшением давления на почву и, как следствие, приводит к росту урожайности
[1, 2, 4].
Однако при изменении параметров конструкции трактора для научно-технического исследования представляет интерес то, как проводится модернизация и новационная структуризация. Если рассматривать только влияние ширины профиля В и наружного диаметра В шины на кпд ходовой системы, то результаты исследований ряда авторов укажут: во-первых, на пределы ограничения эффективного варьирования конструкционными характеристиками данных элементов в аспекте снижения сопротивления движению и увеличения касательной силы тяги; во-вторых, на современные методы и тенденции развития эксплуатационной технологичности колёсных движителей для различных опорных поверхностей, включая условия ландшафтной нестабильности. Выражая лаконично суть проведённых исследований, можно утверждать, что коэффициент полезного действия ведущего колеса стабилизируется в интервале 0,78...0,81
и не имеет интенсивной положительной динамики при ширине шины более 1 м и диаметре колеса свыше 3 м. Разумеется, конструкторские центры в области тракторостроения чётко и быстро определили критерии в техническом перевооружении и направлениях модернизации мобильных энергетических средств. Уже в 1962 г. на поля вышли тракторы на сдвоенных колёсах, а 12 лет спустя практики оценили достоинства широкопрофильных и арочных шин. Ярким примером является тот факт, что при движении колёсного трактора по стерне суглинка нормальной влажности на сдвоенных колёсах с шинами 12 - 38, с установленным давлением воздуха в шине 80 кПа, при вертикальной нагрузке 12 кН глубина колеи уменьшается от 0,072 м для одного колеса до 0,051 м для сдвоенных колёс, т.е. на 41 %. Сопротивление движению в этом случае снижается на 37 %, касательная сила тяги увеличивается на 17 % при стабильном буксовании 10 %. Более того, при равной касательной силе тяги буксование снижается на 12 % [5 - 8].
Если заменить шины 15,5 - 38 на сдвоенные 12 - 38 сила тяги на крюке (при буксовании 10 %) на поле, подготовленном под посев, увеличивается на 24 %. При тяговом усилии 8 кН буксование трактора на сдвоенных шинах 12 - 38 снижается в 2 раза по сравнению с трактором на одинарных шинах 15,5 - 38 [6].
К вопросу использования широкопрофильных шин на тракторе типа МТЗ для ведущих колёс 18,4 - 34 необходимо отметить практическое повышение тягового усилия развиваемого трактором на 14% по сравнению с шинами 15,5 - 38. Следует добавить, что при установке колёс с арочными шинами та же машина обеспечивает наибольший КПД и наименьший расход топлива. Конкретно для тракторов класса 14 кН при установке
д, - давление д шине С - расстояние между закраинами
обода (раствор бортоб! Й - посадочный диаметр аВода В - ширина шины О - наружный Зиаметр шины В, - трпрртичргкая ширина профиля шины приведённая к идеальному ободу
(ь - нормальный прогиб шины а - большая полусь Ь - малая полусь 5™ - площадь пятно контакта
Рис. 1 - Определение площади пятна контакта
сдвоенных шин 7,5 - 20 или широкопрофильных шин на направляющие колёса глубина колеи уменьшается и увеличивается тяговое усилие трактора на 8 % по сравнению с трактором на одинарных шинах 7,5 - 20 [9, 10].
Использование модификационного направления равнодиаметрирования шин даёт эффект повышения тягово-цепных свойств, но при этом увеличивается масса трактора, ухудшается его маневренность и уменьшается защитная зона растений, что противоречит агротехническим требованиям [11]. Увеличение размеров колёс в агротехнологической практике затрудняет их вписываемость в междурядья при возделывании пропашных культур, приводит к увеличению массы МЭС. Как следствие, происходит увеличение уплотнения почвы, и наблюдаются другие негативные последствия, снижающие её плодородие и биологическую урожайность сельскохозяйственных культур. В этой связи уже достаточно широко и эффективно для снижения массы при сохранении тягово-сцепных свойств реализуется линейка мобильных энергетических средств с колёсной формулой 4К4, т.е. со всеми ведущими колёсами.
Несмотря на высокий научно-технический уровень уже созданной на сегодняшний день мобильной сельскохозяйственной техники, поток инновационирования продолжается. Обоснованно и рационально выдвигаются новые технические гипотезы и формируются информационно-методические базы по направлениям с неактивной динамикой исследований. Например, проектно-конструкторские работы, связанные с вопросами устойчивости движения и расширения тягового диапазона, содержат достоверную информацию об эффективных методах и подходах к улучшению тягово-сцепных качеств колёсного движителя посредством оптимизации геометрических характеристик грунтозацепов [2, 5, 12 - 14]. Авторы отмечают этот путь как наиболее щадящий при создании модификации техники, в проектную базу которой не приходится вносить принципиальных конструкционных новаций. При этом дорожно-технологические испытания показывают увеличение тяговых способностей колеса на 25.30 % с увеличением грунтозацепа до 250.300 мм. Тем не менее широкий спектр вопросов требует тщательных теоретических исследований и практической доработки. Так, например, ширина грунтоза-цепа существенно сказывается на увеличении сопротивления грунта перемещению, начиная с её значения, равного 45 мм. При величинах, превышающих это значение, между указанными показателями существует почти прямо пропорциональная зависимость. Поэтому в настоящее время исследователи и конструкторы предлагают анализировать пределы функциональности и
технологическую специфику конфигуратив-ности элементов протектора. Особый интерес представляет режим взаимодействия материала грунтозацепа с несущими грунтами в аспекте оценки адгезионных характеристик, а также конфигурации контактных поверхностей и их взаимосвязь с углами трения в условиях ландшафтной нестабильности. Всё это имеет прямое отношение к показателям надёжности как шин, так и самого трактора, реализующего энергонасыщенность технологических операций при выполнении сельскохозяйственных работ (рис. 2) [9, 10].
Рис. 2 - Динамическая модель взаимодействия частицы почвы с профилем почвозацепа
В изложенном аспекте необходимо прежде всего учитывать, что взаимное перемещение материала грунта и материала протектора будет иметь место только в том случае, когда угол, образованный касательной к боковой поверхности протектора и геометрической осью вращения колеса, имеет меньшую величину либо равен углу трения между указанными материалами.
Движение материала почвы по материалу грунтозацепа может осуществляться исключительно при условии преодоления касательной реакции силы тяги силы трения, т.е. должно выполняться условие, отражённое на рисунке 3.
д, - дайление 6 шине А - посадочный диаметр обода В - ширина шины О - наружный диаметр шины Рк, - тангенциальная састабляющая касательной силы тяги - площадь пятна контакта Яц - сила трения между почбои и материалом грунтозацепа
Рис. 3 - Условие движения материала почвы по материалу грунтозацепа
Тогда область возможных значений угла наклона грунтозацепов протектора допустимо определять по классической методике [2, 15]: в > агС§ ц, ц - угол трения между материалом протектора и материалом опорного основания.
В этом случае скорость перемещения почвы по протектору можно идентифицировать как составляющую скорости буксования (рис. 4, 5).
Рис. 4 - Скорость перемещения почвы
/ 7 Vi - действительная скорость
/ к., йр /
i А ------------
I
V>V,cosß
HD
6 - коэффициент буксоВания Р - угол установки грунтозацепа К - скорость буксобания V"ц - касательная составляющая скорости буксобания
Рис. 5 - Определение скорости перемещения почвы
При замене коэффициента буксования на коэффициент скольжения грунта вдоль протектора не формализуется принципиальное противоречие в аналитическом алгоритме алгебраической реализации уравнения скольжения (рис. 6).
^ К У, ß / ^ ~ ^йстбительная скорость
1
X
Va=V^2*~ Н
f-On,
Л
Vmcasß Е
К - теоретическая скорость - коэффициент скольжения ¡5 - угол устанобки грунтозацепа V- - скорость буксобания У"- - касательная составляющая скорости буксобания
Рис. 6 - Определение скольжения почвы Выводы
1. Исследование влияния геометрических характеристик колёсного движителя на тягово-сцепные свойства показывает, что за счёт этих манипуляций возможно обеспечивать регулирование сцепной силы в пределах от 10 до 20%;
2. При проведении исследования в направлении модификации рисунка протектора, конструкции грунтозацепов установлена возможность повышения эксплуатационной технологичности колёсных тракторов на 10%.
3. Установлена возможность повышения эксплуатационной технологичности колёсных тракторов в сложных ландшафтных условиях, на участках с наклоном опорной поверхности в пределах 0,1 - 0,3 рад.
Литература
1. Махмутов М.М., Хафизов К.А., Макаров П.И. Оптимизация параметров колёсного движителя // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. № 2.
2. Чудаков Д.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1972. 384 с.
3. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система - почва - урожай. М.: Агропромиздат, 1985.
4. Исследование зависимостей радиуса поворота колёсного транспортного средства от физико-механических свойств почвы / А.С. Вторников, С.Н. Марков, С.С. Ус [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 1 (87). С. 121 - 124.
5. Кутьков, Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. М.: КолосС, 2004. 504 с.
6. Войтиков, А.В., Бойков В.П., Кривицкий А.М. О влиянии ширины и наружного диаметра шины на тягово-сцепные качества колеса // Тракторы и сельхозмашины. 1982. № 9. С. 11 - 12.
7. Коцарь Ю.А. Тяговая динамика трактора с равными колёсами и блокированным приводом // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2002. № 12. С. 11 - 13.
8. Стеновский В.С., Петров А.А., Белоусова Н.В. Повышение курсовой устойчивости колёсного трактора при движении по негоризонтальной опорной поверхности // Лесотехнический журнал. 2016. Т. 6. № 1. С. 194 -202.
9. Пат. 2330763 Российская Федерация МПК7 B60C11/113. Протектор пневматической шины / Стеновский В.С. и др. № 2006131976/11; заявл. 05.09.2006; опубл. 10.08.2008
10. Пат. 2399538 Российская Федерация МПК7 B62D37/04. Способ стабилизации положения колёсного транспортного средства / Стеновский В.С. и др. № 2008146172; заявл. 21.11.2008; опубл. 20.09.2010
11. К вопросу о снижении буксования колёсной машины / B.C. Стеновский, Е.М. Асманкин, М.В. Завалий [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. № 7. С. 28 - 29.
12. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система - почва - урожай. М.: Агропромиздат, 1985.
13. Повышение эффективности использования колёсного пропашного трактора при бороновании / А.Е. Слепенков, О.А. Кузнецова, Е.Е. Кузнецов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 3 (83). С. 206 - 210.
14. Шепелев А.Б., Припоров Е.В., Ширин Д.В. Повышение тягово-сцепных свойств колёсного трактора в составе тракторно-транспортного агрегата // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 1 (81). С. 85 - 89.
15. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин. М.: Химия, 1988. 223 с.
Вячеслав Сергеевич Стеновский, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Евгений Михайлович Асманкин, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Юрий Андреевич Ушаков, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Сария Валейевна Тарасова, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected] Павел Александрович Иванов, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Vyacheslav S. Stenovsky, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Evgeny M. Asmankin, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Yuriу A. Ushakov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Sariya V. Tarasova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, 18, [email protected]
Pavel A. Ivanov, Candidate of Agriculture, Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, Associate Professor. [email protected]
-Ф-
Научная статья
УДК 628.134
doi: 10.37670/2073 - 0853-2021 - 91-5-154-158
Метод определения характеристик термоактивности процесса водораспределения для ёмкостей невысотного типа, эксплуатируемых в режиме отрицательных температур окружающего воздуха
Елена Викторовна Нейфельд, Евгений Михайлович Асманкин,
Юрий Андреевич Ушаков, Иван Юрьевич Каргаев
Оренбургский государственный аграрный университет
Аннотация. В работе изложены результаты теоретического исследования изменения температуры воды в ёмкости невысотного типа для случая отрицательных температур окружающего воздуха и отсутствия расхода воды потребителями. Для описания процесса охлаждения воды в ёмкости разработана математическая модель, в основу которой положено правило перемножения температурных критериев. В рамках модели распределение температуры описывается решением дифференциального уравнения теплопроводности при условии, что теплообмен между окружающей средой и поверхностью тела происходит по закону Ньютона. Приведены результаты расчётов и дана их графическая иллюстрация.
Ключевые слова: водораспределение, термоактивность, ёмкость невысотного типа, водоснабжение, режим отрицательных температур.
Для цитирования: Метод определения характеристик термоактивности процесса водораспределения для ёмкостей невысотного типа, эксплуатируемых в режиме отрицательных температур окружающего воздуха / Е.В. Нейфельд, Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 154 - 158. doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-154-158.
Original article
Method for determining the characteristics of thermal activity of the water distribution process for low-rise tanks operated in the mode of negative ambient temperatures
Elena V. Neifeld, Evgeny M. Asmankin, Yu^ A. Ushakov, Ivan Yu. Kargaev
Orenburg State Agrarian University
Abstract. The paper presents the results of a theoretical study of changes in water temperature in a low-rise tank for the case of negative ambient temperatures and the absence of water consumption by consumers. To describe the process of cooling water in a tank, a mathematical model has been developed, which is based on the rule of multiplying temperature criteria. Within the framework of the model, the temperature distribution is described by solving the differential equation of heat conduction, provided that heat exchange between the
