Определение коэффициента сцепления гусеничного обвода движителя лесной трелевочной машины с деформируемой поверхностью при различных способах их взаимодействия Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ГУСЕНИЧНОГО ОБВОДА ДВИЖИТЕЛЯ ЛЕСНОЙ ТРЕЛЕВОЧНОЙ МАШИНЫ С ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Дроздовский Г.П. (УГТУ, г.Ухта, РФ)

The considered methodses of the traction factor determination of the caterpillar with constant and thumb grap of soil in condition of the bad roads.

Коэффициент сцепления "<" является важнейшим параметром взаимодействия тягового трактора с поверхностью, определяющим его тяговые свойства, проходимость, буксование и уровень экологического воздействия. Реализуемый в тяговом режиме коэффициент сцепления является величиной переменной, зависимой, в основном, от параметров опорной поверхности, параметров внешних технологических сил сопротивления движению и конструктивных параметров трактора и гусеничного обвода движителя. В настоящее время исчерпаны основные направления конструктивного и технологического совершенствования тяговых тракторов - оптимизация параметров гусеничного обвода, применение блокированных и прогрессивных по свойствам тяги трансмиссий, модульная тяговая система и другие. Все они приводят к росту конструктивного веса, к превышению норм экологических требований, не обеспечивая необходимого уровня тяговых свойств в эксплутационных условиях лесосек с поверхностью III и IV категорий, по глубокому рыхлому снежному покрову. В процессе взаимодействия с деформируемой поверхностью коэффициент сцепления характеризуется суммарным сопротивлением тангенциальному сдвигу вдоль опорной поверхности (продольный отпор) подпрессованных в вертикальной плоскости объемов поверхности при воздействии на них грунтозацепов гусеницы.

Однако, сжатые от веса трактора объемы грунта, участвующие в отпоре, имеют "степень свободы" на дополнительное сжатие (смещение) в начале буксования при увеличении потребной силы тяги. Следовательно, если уменьшить эту "степень свободы" объемов грунта, участвующих в отпоре при воздействии на них грунтозацепов гусеницы за счет предварительного тангенциального искусственного сжатия удельным давлением тпг, можно изменить параметры грунта в опорной зоне и увеличить силу отпора. В конечном итоге уменьшается показатель консистенции "Вк" в подпрессованных объемах грунта при действии двух внешних сил - " g " и "гпг" (уменьшается влажность W %, увеличивается плотность и параметры грунта C0 - сила сцепления частиц и <р° - коэффициент внутреннего трения), то есть создаются условия двухосного объемного сжатия этих объемов.

На этом принципе реализуется новый характер взаимодействия гусеничного обвода с деформируемой поверхностью за счет применения поворотных от опорных катков дополнительных грунтозацепов (ПГ), шарнирно сочлененных с

пальцами траков (требуется доработка элементов обвода) при регулировании по потребности их поворота (на твердой поверхности их поворот не нужен). Поворотный грунтозацеп перемещает объем V грунта с внедрением его в под-прессованный объем V между ПГ, создавая внешнее продольное давление тпг его дополнительного сжатия с возникновением (по теории Буссинеска) еще одного вертикального давления " ^ " снизу вверх навстречу давлению " g ", зависимого от угла внутреннего трения < грунта. Создается ядро уплотнения в зоне взаимодействия двух взаимно-перпендикулярных эпюр распространения напряжений в грунте (от " g " и "т„г"), что улучшает все параметры по несущей способности и сопротивлению тангенциального сдвига, так как ведет к росту коэффициента сцепления. Создается как бы дискретный искусственный опорный слой в зоне взаимодействия. При этом уменьшается склонность обвода к буксованию, ограничивается глубина колеи.

Эффективность процесса в основном определяется составом, уровнем консистенции Вк связной поверхности и параметрами уплотняющей грани ПГ и их количеством.

При этом реакция от тпг в процессе поворота ПГ, приложенная к обводу, направлена по ходу движения трактора, снижения его стремление к буксованию. На поворот ПГ затрачивается часть полной касательной силы тяги по двигателю (толкающей силы рамы), но это относится к запасу мощности ДВС.

Далее рассматриваются алгоритмы формирования уровней коэффициентов сцепления < для двух способов взаимодействия:

- при одноосном сжатии грунта в опорной зоне гусеницы от вертикальной нагрузки (заводские грунтозацепы);

- при двухосном сжатии грунта - от и "т„г" при применении дополнительных ПГ.

Рассмотрен глинистый связный грунт, имеющий наибольшую зависимость всех параметров от влажности Ж %, для характерных естественных состояний (g =0):

- пластичное (Вк =0,375; Ж %=25%; Мо =0,225; С0 =40 кПа; < =180);

- мягкопластичное (Вк =0,625; Ж %=30%; и0 =0,275; С0 =20 кПа; < =140);

- текучепластичное (Вк =0,875; Ж %=40%; =0,35; С0 =10 кПа; < =80).

Учитывая затухающее распространение конусной эпюры напряжений по глубине опорного деформируемого слоя Нг от действия " g " в неограниченном

объеме, изменение параметров С01 и <0 в процессе осадки трактора на глубину "И" определялось с учетом взаимодействующих объемов У0 и Уг (объем осадки и объем грунта под гусеницей) и коэффициента бокового расширения /.

Для первого (традиционного) способа взаимодействия касательная сила тяги трактора по сцеплению равна:

Рсц = О ■< = Р ■ / + Рт = О ■ / + Е Ргг-Т = О ■ / + 2 Ггг (я • + С^), откуда коэффициент сцепления равен:

<Р = / + • (я • Ы + с01), (1)

о

где G - сцепной вес трактора (с нагрузкой); f - коэффициент трения гусеницы о грунт в опорной зоне; т - удельная сила отпора (сдвига) грунта в опорной зоне; g - удельное давление трактора; ГГТ - суммарная площадь грунтозацепов гусеницы; параметры С01 и ср° - с учетом осадки "h " трактора.

и

Со = Со • В; $ = $ • В, где В = (1 + — • р) =

Н т

1 + • (1 -

Н т 1 -мо

где h - глубина осадки (м), определяется по методике [1].

Для второго способа взаимодействия при применении ПГ касательная сила тяги трактора по сцеплению равна:

Рсц = О $ = Р • / + РТШ = ^ • / + (£ Ртт + Е ^пт) ТПТ ,

где вводя коэффициент К = Е ПТ - соотношение площадей грунтозацепов ПГ

Е РТТ

и заводских, получим:

е Ргг о

(Рпт = / + •(1 + к) •Тпт, где Тпт = (ёе • + с02), а яе = я + . (2)

О

где ^ - дополнительное вертикальное удельное давление от приложения внешнего тангенциального давления уплотняющей грани ПГ в конце его поворота на 900 при внедрении срезаемого объема V в объем V, подпрессованного давлением " q " Для оценки процесса объемного двухосного сжатия объемов грунта в ограниченном объеме V (между поворотными грунтозацепами) введем новый коэффициент объемного сжатия среды Ск (при одноосном сжатии по Кулону, аналог - Сг - коэффициент упругого основания). Коэффициент Ск характеризует сопротивление деформации грунта при действии двух внешних нагрузок (q и тпг), определяется экспериментально по величине МСП - момента сопро-

V

тивления повороту ПГ с варьированием q, Ку = —, вида грунта, его состояния, параметров гусеницы РТ = ИТ • ЬТ, уплотняющей грани ПГ, то есть

77

* = иут • Ь-Т и РУТ = кут • ЬУТ , где V = 0.785 • НгуГ • Ьут, У2 = • (Н т - И) -р.

ППТ

где V - ограниченный объем опорной поверхности учетом осадки " И " между ПГ, уплотняемый в процессе внедрения объема V, при повороте ПГ с учетом р, а - площадь гусеницы в опорной зоне, И г и Ь г - высота и ширина уплотняющей грани ПГ, ппг - число ПГ на гусенице.

Применительно к одной гусенице, коэффициент С¥ определяется из сис-

темы уравнений:

г

0 ^ V-1

Мсп = 0.503 • * • РуГ • Су • Ку

<

Оч-1

= Су • у • (куг • ¿^О)

м„

т

ПГ

Куг ' /3 Иуг

g • 1§Фо +

Су • у

К

+ Си

уГ

(g • + Со7 ) • Ку О

где сО и <Ро - прочностные параметры грунта

откуда Су

О.78 • Иуг • (1 - Ку)

в объемном сжатии с учетом действия двух удельных сил давления (q и тпг). Коэффициент сцепления (рПГ после подстановки gв и Су равен:

<ПГ = / +

Т К

ГГ

в

g +

(g • tg<l + Со ) • Ку • у

+ со

(1 + К) (3)

О.78 • Иуг(1 - Ку) • tg<оО • Куг Параметры С0з и < определяем из следующих соображений: изменение параметра консистенции Вг объема у2 осуществляется за счет понижения его влажности Ж % при внедрении объема у от ПГ (поровая вода замещается грунтом объемом у1 - частично вода выжимается в пространство за ПГ через отверстия в нем).

Влажность объема уо определяем по формуле: ЖПГ % = Ж % • (1 - Ку ), где Ж % - начальная влажность грунта при q =0.

Зная начальную консистенцию Вг грунта Вг =/(Ж %) - исследования [2], находим ВК =АЖПГ %) по графику рисунка 1.

По уравнениям корреляционной связи С'0 и <р° = /(ВК ) при у = О,95 оп-

ределяем прочностные параметры СО и < [2]: - глина пластичная и мягкопластичная: С'п= 86 • В °

0 КПГ

о

К ПГ

171,83 • В^ + 91,7;

К

ПГ

- глина текучепластичная: С'0 = 60 • ВКпг -151,53 • Вк + 98,0.

0

;

Вк 1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

W%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

■ супесь - ■ - суглинок й глина

Рисунок 1 - Зависимость параметра консистенции ВК от влажности Ж % при

q =0

Значение угла внутреннего трения < для всех состояний:

< =-0,43 • В0

К

10,13 • Вг + 00;

' КПГ '

с учетом осадки объема у2 от действия " q " находим С0 = С'0 • В и < = < • В.

Значения всех вариантов параметров С0 и < для сравниваемых алгоритмов приведены в таблице 1.

Для трактора ТДТ-55А при конструктивных параметрах: в=128 кН (98 кН - конструктивный вес плюс 30 кН - нагрузка); п = 16 - число траков гусеницы в опорной зоне (п^ =32); ппг = 4 - число поворотных грунто-

зацепов (ПГ) в опорной зоне гусеницы (Т пПГ = 8); Кг=1,025 м2 - площадь гусеницы в опорной зоне (Т Кг = 2,05 м2); Ъг = 0,42 м - ширина гусеницы; q = 62 кПа - удельное давление гусениц в опорной зоне.

Т Кгг = 0,6656 м2 (Иг = 0,065 м, Ъгг = 0,32 м); Нг = 0,5 м; И = 0,095 0,12 м;

у

^ = 0,212 м; к.г = 0,15 м, Ьг = 0,3 м; Кг = 0,045 м2; Кт/ = 0,0734; Кт/ =

у

Уг

0,081; Ку = 0,1025; К

' ' у40% ' '

уг

Т К

уГ

5 ^у,.

уГ

ТК

гг

0,045 • 8 0,6656

у

0,541; у = 53 • 10-3 м3; / = 0,1.

Таблица 1 - Расчетные значения прочностных параметров глины

Ж % Базовые при q =0 В ТДТ-55А ТДТ-55А с ПГ

С0 (кПа) р° Ои (кПа) Р°1 С02 (кПа) (02

25% 40 180 1,185 47,4 21,33 0 68,0 22,70

30% 20 140 1,17 23,36 16,350 36,1 18,70

40% 10 80 1,13 11,32 9,060 19,0 12,160

В таблице 2 и на рисунке 2 приведены данные изменения коэффициента сцепления р от влажности глины по сравниваемым алгоритмам взаимодействия.

Таблица 2 - Расчетные значения коэффициента сцепления р

Ж % ТДТ-55А* ТДТ-55А с ПГ

25% 0,477 0,912

30% 0,32 0,572

40% 0,212 0,385

* Рекомендуемые значения коэффициента сцепления гусеничных тракторов по влажному глинистому грунту р = 0,25^0,40.

^^^ — ТДТ-55А ■ ТДТ-55А с ПГ

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента сцепления р от влажности W % глинистой поверхности

Применение поворотных грунтозацепов (ппг=8 штук на трактор ТДТ-55А, куГ =0,15 м, ЬуГ =0,3 м) на связном глинистом грунте с Ж %=25%; 30%; 40% позволит соответственно увеличить коэффициент сцепления р в 1,9; 1,79; 1,82 раз по сравнению с базовым трактором.

Литература

1. Дроздовский, Г.П. Экологическая оценка процессов взаимодействия в системе "местность - машина" [Текст] / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль // Актуальные проблемы лесного комплекса / Сб. науч. тр. по итогам междунар. научно-технической конференции. Вып. 11. -Брянск: БГИТА, 2005. - С. 69-71.

2. Дроздовский, Г.П. Исследование влияния показателя консистенции связного грунта на параметры его сопротивления тангенциальному сдвигу [Текст] / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль // Сб. науч. тр. по итогам международной научно-технической конференции 20-23.04. Ч. II. - Ухта: УГТУ, 2005. - С. 30-34.