CC BY
14
УДК 631.37 Б01: 10.30977/АТ.2219-8342.2019.44.0.112
ВИЗНАЧЕННЯ МАКСИМАЛЬНОГО ТИСКУ НА ГРУНТ СШЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ШИН ПРИ Р1ЗНИХ СПОСОБАХ БАЛАСТУВАННЯ ТРАКТОРА
Ребров О. Ю.1,
1Нац1ональний техн1чний ун1верситет «Харкчвський пол1техн1чний шститут»
Анотаця. Наведено теоретичний анал1з р1вня максимального тиску на грунт тракторних сыъсъкогосподарсъких шин при р1зних способах баластування трактора. Анал1з враховуе зм1ну жорсткост1 шини, рад1алъного прогину, вантажотдйомност1 7 площ1 плями контакту з грунтом при тдвищент зчтног ваги трактора за рахунок установки баластних вантаж1в 7 напов-нення шин баластною р!диною.
Ключов1 слова: максималъний тиск на грунт, баластування трактора, жорстюстъ шини, ра-д1алъна навантага на шину, тиск пов1тря в шим.
Вступ
Основними показниками, що мають без-посереднш вплив на ефективнють колюних сшьськогосподарських тракторiв на тягових технолопях, е потужшсть двигуна та зчшна вага. Вщношення цих показниюв визначае енергонасиченiсть трактора. За показником енергонасиченосп або питомо! ваги рекоме-ндують обирати стушнь баластування трактора [1]. Для тракторiв класично! компоновки з автоматичним шдключенням переднього мосту (MFWD - mechanical front wheel drive) рекомендуеться питома вага в штерват 120145 lb/hp (120-145 фуш!в на британську кш-ську силу), що вщповщае енергонасиченостi 11,6-14,0 кВт/т, а для тракторiв з колесами однакового дiаметра (4WD - four wheel drive) 85-125 lb/hp (85-125 фуш!в на британську кшську силу), що вщповщае енергонасиче-ностi 13,4-19,7 кВт/т.
Зпдно свiтових тенденцiй [2] сучасш ко-лiснi трактори мають енергонасиченють 12,3-33,8 кВт/т. При енергонасиченосп по-над 20 кВт/т вся потужшсть двигуна не може бути реатзована в тяговому технолопчному процес при допустимому буксуваннi трактора. Тому таю трактори мають суттевий запас потужносп, яка може бути використана на привод сшьськогосподарських знарядь або в тяговому режимi при баластуванш. Частка тракторiв, якi мають енергонасиченють по-над 20 кВт/т, складае для синхрошзованих трансмiсiй - 60 %, PowerShift - 25 %, безсту-пiнчастих трансмiсiй - 40 %.
Для енергоемних тягових технологш не-обхiдне суттеве баластування таких енерго-насичених тракторiв, що неодмшно вплива-тиме на попршення екологiчностi й
супроводжуватиметься пiдвищенням максимального тиску на грунт. Оскшьки норми ди ходових систем мобшьно' сшьськогосподар-сько' технiки на грунт обмежують максима-льний тиск колюних тракторiв на грунт, ви-никае протирiччя мiж високою тяговою ефективнютю i шкiдливим впливом на на-вколишне середовище. Високий тиск тракторних шин на грунт сприяе його переущшь-ненню, ерозii, деградаци, а також зростанню енергоемностi оброб^ку та зниженню вро-жайностi культур.
З огляду на все вищезазначене, виршення протирiччя мiж високою тяговою ефективш-стю i переущiльненням грунту е актуальною задачею. Дана робота присвячена саме анат-зу максимального тиску на грунт тракторних шин при двох способах шдвищення зчiпноi ваги: установкою баластних вантажiв i напо-вненням шин баластною рiдиною.
Анал1з публжацш
У фундаментальних наукових роботах [38] розглядаються задачi тягово' ефективностi та дii тракторних шин на грунт. Експлуатащя тракторiв на сшьськогосподарських упддях у багатьох випадках супроводжуеться переу-щiльненням грунту [4], що може призвести до його деградаци та зниження врожайносп сiльськогосподарських культур. Руйнiвний вплив ходових систем колюних тракторiв на грунт можна знизити у разi обгрунтованого вибору маси трактора, параметрiв ходово' системи i рiвня баластування [5]. Оскшьки колюний рушiй здiйснюе взаемозв'язок трактора iз зовнiшнiм середовищем [6] та реаль зуе потужшсть двигуна в тяговому режим^ постае ключове питання щодо протирiччя
мiж тяговою ефективнiстю та рiвнем шюдли-вого впливу на грунт [7].
Це протирiччя може бути повною мiрою вивчене тiльки за рахунок розгляду процешв взаемоди тракторно! шини з грунтом, що ви-являеться в аналiзi колieутворення, форму-вання опору руху, буксування, реатзацп тягового зусилля, пресування та зрушення грунту. Вищезазначенi процеси добре вiдомi й описанi в теори трактора [8].
Показники взаемоди колюного трактора з грунтом визначаються масою трактора, рiв-нем його баластування, тиском пов^ря в шинах, величиною буксування та мають безпо-середнш вплив на паливну економiчнiсть агрегата в технолопчному процесi обробiтку грунту [9]. Дослщження в роботi [10] показали, що шюдливий вплив на грунт мае шдви-щене буксування тракторних шин, яке можна суттево знизити застосуванням баластування.
Однак найбшьш руйнiвний вплив мае надто високий рiвень максимального тиску на грунт. Так, в робот [11] автор доводить суттеву нерiвномiрнiсть розподiлу тиску у плямi контакту шини з грунтом та И залеж-шсть вiд показникiв шини. Щд час виконан-ня тягових операцш тракторна шина працюе з великим, постшно дiючим крутним моментом, що також впливае на показники розпо-дшу тиску в плямi контакту [12]. В робот [13] показано вплив швидкост руху, внутр> шнього тиску i радiально! навантаги на отр руху тракторно! шини.
Також слщ видiлити роботи [14-15], якi доводять, що ощнку впливу на грунт ходових систем колiсних тракторiв необидно прово-дити згiдно iз встановленим розподшом за територiею Укра!ни допустимого тиску на грунт колюних тракторiв вiдповiдно до вимог стандарту. Такий анашз враховуе особливостi грунто-клiматичних умов та фактичних сере-дньо-багаторiчних параметрiв вмiсту вологи в рiллi в середньо-багаторiчнi термiни прове-дення робгг пiд час пiдготовки грунту шд ран-нi яровi культури навесш та пiд озиму пшени-цю в лiтньо-осiннiй перiод. В якосп критерiю екологiчностi шини в робой [16] запропоно-вана ймовiрнiсна ощнка вiдповiдностi тракторно! шини агроеколопчним вимогам з ураху-ванням грунто-кшматичних умов Укра!ни.
Загалом у техшчнш лiтературi не придше-но достатньо! уваги питанню баластування шин рщиною, а вся iнформацiя з цього приводу обмежуеться описом процесу наповнення шини водою. Вiдсутня також шформащя що-до порiвняння способiв пiдвищення зчiпно!
ваги трактора установкою баластних вантаж1в i наповненням шин баластною рiдиною за по-казником максимального тиску на грунт.
Таким чином, теоретичний аналiз рiвня максимального тиску на грунт колюних сшь-ськогосподарських тракторiв при рiзних способах баластування е актуальною задачею, виршення яко! дасть змогу полшшити еко-логiчнiсть колiсних рушi!в та сприятиме пiд-вищенню врожайностi сшьськогосподарсь-ких культур. Тому проведений критичний аналiз лiтературних джерел iнформацi! [316] дозволив сформулювати мету i основнi завдання дослiдження в рамках дано! роботи.
Мета i постановка задачi
Метою дослiдження е порiвняльний аналiз максимального тиску шини на грунт при двох способах пiдвищення зчшно! ваги трактора: установкою баластних вантажв i наповненням шин баластною рщиною.
Для досягнення мети були поставлеш такi завдання:
- виявити чинники i фактори, що вплива-ють на рiвень максимального тиску на грунт тракторно! шини;
- ощнити вплив заповнення шини баластною рщиною на !! жорстюсть, вантажопiд-йомнiсть i площу плями контакту з опорною поверхнею;
- встановити переваги i недолши установки баластних вашашв i наповнення шин баластною рщиною, у тому чи^ й за показни-ками максимального тиску на грунт;
- обгрунтувати ращональш режими нава-нтаження тракторних шин при рiзних способах баластування трактора.
Максимальний тиск на грунт
Для з'ясування факторiв, що впливають на рiвень максимального тиску на грунт тра-кторно! шини, розглянемо розрахункову схему порожньо! та заповнено! баластною рщиною шини (рис. 1).
Введемо ряд допущень i спрощень, якi у значнiй мiрi не впливатимуть на загальний результат:
- пружш властивостi шини представимо у вигщщ паралельно-послiдовного з'еднання пружних елементiв-складових: Ск - жорст-костi шини, яка зумовлена деформащею каркасу; Св - жорсткостi шини, яка зумовлена стисканням повiтря; Сшп - жорсткосп шини, яка зуумовлена деформацiею протектора;
- маса баластно! рiдини тв не навантажуе каркас шини (не деформуе плечову область i
боковини) радiальною навантагою, а тшьки стискае зовнiшнi шари шини i3 протектором; - наявнiсть баластно! рщини не впливае на форму i розмiри плями контакту шини з опо-рною поверхнею.
Розгляд властивостей шини доцшьно розпочати з роботи по ïï статичному деформуванню [16]:
де p0 - постiйний для шини коефiцiент, що характеризуе жорстюсть каркасу, кПа; с2 -постшний коефiцiент, 1/м; / - частина рад> ального прогину, зумовлена деформащею каркасу i стисненням повiтря при змш внут-рiшнього об'ему шини, м; AV - змiна об'ему внутрiшньоï порожнини шини при деформу-ваннi, м3.
Аш = А + Ав + А:
(1)
де Ак, Ав, Ап - робота деформаци каркасу, стиснення пов^ря, деформацiï протектора, вiдповiдно.
Робота деформаци каркасу, кДж:
Ак =
Ро • /к2 2 • с2
= Ро •AV, (2)
/к = С2
Gkk
Рш + Ро
(3)
де Gk - радiальна навантага на шину, кН; рш -внутршнш тиск повiтря в шинi, кПа.
AV =
/к2 к
2 • c2
(4)
а б
Рис. 1. Розрахункова схема тракторноï шини: а - порожня шина; б - заповнена рщиною шина
Робота стиснення повггря, кДж:
Ав = Р^Л = Рш •AV . 2- c
Робота деформаци протектора, кДж:
/п2 •(/ + /п )
(5)
/ = Gl
/и = С1 • ~f~ ,
J ш
де /ш - радiальний прогин шини, м:
Л = Л + /к = Сг ~т+С2
Gk f
ш
Gkk
Рш + Ро
(7)
. (8)
Ап =■
6 •c.
(6)
Рiшенням рiвняння (8) е унiверсальна характеристика шини [8, 17]:
де Ci - постшний коефщент, м /кН; / -частина радiального прогину, яка зумовлена деформащею протектора, м:
Gk = ■
/2
J ш
С1 + С2
f
J ш
(9)
Рш + Ро
В результат перетворень (9) отримаемо:
/2 - ^^ • / - С • С = 0. (10)
Рш + Ро
Пiсля вiдкидання зайвого кореня ршення рiвняння унiверсальноi характеристики (10) вщносно радiальноi деформацii /ш отримаемо у виглядi залежностi вiд навантаги:
Г = . с2 • Гк
^ ш
2 \Рш + Ро )
+ ...
... + ,
( Г V С2 - Гк
2 (Рш + Ро )
(11)
+ С1 Гк
Якщо взяти похiдну виразу (1) з ураху-ванням (2)-(6) за вщповщною деформацiею, отримаемо величину радiальноi навантаги на шину:
Г = (+£1/. + й±А / (12)
Якщо взяти похщну виразу (12) за вщпо-вщною деформацiею, отримаемо величину радiальноi жорсткосп каркасу i протектора:
с„ = (±Рш1 = &+^ = Сш + Св, (13)
С2 С2 С2
де Ск - жорсткiсть шини, яка зумовлена де-формацiею каркасу; Св - жорстюсть шини, яка зумовлена стисканням пов^ря.
Сшп =
2. + /
(14)
Таким чином, загальна жорсткiсть шини визначаеться як для послщовного з'еднання пружних елеменпв: протектора i каркасу з повпрям (рис. 1):
Сш =
С •С С + С
шк шп
(15)
Проаналiзуемо вплив змши внутрiшнього об'ему шини на и жорсткiсть. Для цього при розрахунку робочих характеристик пневма-тичного пружного елемента скористаемось рiвнянням пол^ропи для опису змiни стану
робочого тша:
Р-У" = Свт1.
(16)
де " - показник полггропи.
За динамiчного навантаження пневматич-них шин, що вiдповiдае режимам коливань шдвюки, швидкiсть змiни об'ему газу е великою. Внаслщок низько' теплопровiдностi гу-мово-кордно' оболонки, теплообмш з ото-чуючим середовищем ускладнений, тепломiсткiсть газу можна вважати постш-ною, тобто для газу мае мюце адiабатичний процес. Тому показник полiтропи " може бути взято рiвним 1,4. Отже, змiну тиску в шиш опишемо коефщентом пiдвищення тиску:
(
К =■
Уш
V
Vуш -Ау.
(17)
де рш0 - внутрiшнiй тиск в недеформованш шинi, кПа; ршд - внутршнш тиск в деформо-ванiй шиш, кПа; Уш - об'ем внутршньо' по-рожнини недеформованоi шини, м3.
Якщо шина наповнена водою або незаме-рзаючим розчином, то коефщент шдвищен-ня тиску дорiвнюе:
кшв =
с У - У ^
ш в
V Уш - Ув -АУ
(18)
де Ув - об' ем води або незамерзаючого роз-чину для баластування, наведений в техшч-них даних на шину, м3.
Максимальне значення об'ему Ув баласт-но' рщини для одинарноi шини становить 75 % вщ об'ему внутрiшньоi порожнини. Для здвоеноi шини ця величина дорiвнюе 40 %. В окремих випадках, якщо шшими способами не вдаеться отримати необхщний розподiл маси трактора мiж ведучими мостами, допу-скаеться збiльшити Ув для здвоеноi шини до 50 %. При використанш розчину хлориду кальцiю (СаС12) для експлуатацii за темпера-тури до -30 0С рекомендуеться концентрацiя 400 г/л. При цьому об'ем води становитиме 0,85 Ув, решта - хлорид кальщю. Для такоi концентрацii маса розчину для баластування:
тр =
0,85-Ув -(Рв +РсаС12) , (19)
де рв - щiльнiсть води, кг/л; рСаС12 - концент-рацiя хлориду кальщю (0,4 кг/л).
С
Наповнення шини водою спричинить тд-вищення складово1' жорсткостi шини, яка в> дповiдае стисканню повiтря, за рахунок ме-ншого об'ему повГтря, що стискаеться, внаслiдок чого спостерГгаеться пiдвищення внутрiшнього тиску:
k = G •1оо%,
п 0д '
(21)
С = к
(2о)
Пiдвищення жорсткостi бiльш iнтенсивно проявляеться за низького внутрiшнього тиску повггря в шиш [1].
Для анатзу максимального тиску на грунт, розглянемо шину без води (порожню) i шину максимально заповнену на 75 % вщ об'ему внутршньо! порожнини. Введемо ко-ефiцiент, який у вщсотках характеризуе на-вантагу на шину вщносно допустимого зна-чення:
де Qд - допустима навантага на шину при даному тиску.
Аналiз будемо проводити на прикладi шини 8оо/7о R38 (173 А8) Michelin, яка за сво1'ми технiко-експлуатацiйними показни-ками е одшею з найкращих.
Жорсткiсть шини i ïï складовi змiнюються залежно вiд радiальноï навантаги, внутрш-нього тиску повггря, наявносп i об'ему бала-стно1' рщини. В дiапазонi експлуатацiйних навантаг Е, де коефщГент навантаги кп = 85-1оо%, жорстюсть шини та ïï складов^ голов-ним чином, залежать вщ внутршнього тиску повгтря в шиш (рис. 2).
2
(ум 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,04 0,06 0,08 0.1 0,12 0,14 МПа
а б
Рис. 2. Радiальна жорстюсть та ïï складовi для тракторноï шини 8оо/7о R38 (173 А8) залежно вщ тиску повгтря рш i радiальноï навантаги Gk: а - порожня шина; б - шина, заповнена рщиною на 75 %
Жорстюсть шини у разi заповнення на 75 % об'ему в дiапазонi експлуатацшних навантаг Е дещо пiдвищуеться вщносно жорст-костГ порожньоï шини (рис. 3, а), а для шини, заповненоï на 4о %, що рекомендуеться для здвоених шин, в дiапазонi експлуатацiйних навантаг Е жорстюсть практично не змшю-еться (рис. 3, б). Тому при розрахунку максимального тиску на грунт можна вважати, що площа плями контакту з опорною повер-хнею у шини наповненоï на 4о % внутрш-нього об'ему практично не змшюеться, у по-рГвняннГ з порожньою шиною внаслiдок незначноï змГни радiальноï жорсткостГ. Мак-симальний тиск на грунт визначався згщно стандарту [18], з урахуванням того, що маса баластноï рщини не створюе радГальну нава-нтагу на шину, хоча, безумовно, дещо дефо-
рмуе каркас. Маса баластноï води становить 15-3о % вщ допустимоï радiальноï навантаги (при кп = 1оо %), а маса розчину хлориду ка-льцГю - 18-35 %, при заповненш шини рщ-ким баластом на 75 %. При баластуванш шини на 4о % вГд об'ему маса баластноï води становить 9-21 % вщ допустимоï радiальноï навантаги (при кп = 88 % для здвоених шин), а маса розчину хлориду кальщю - 11-25 %. Осюльки маса баластних вантажГв може сут-тево пГдвищувати зчшну вагу трактора i об-межуеться тГльки вантажопГдйомнГстю шин, то будемо порГвнювати баластування рГди-ною i баластними вантажами на величину, що дорГвнюе вазГ баластноï рГдини. Величина максимального тиску на грунт порожшх та заповнених баластною рщиною на 75% i 4о % шин наведена на рис. 4, 5 вщповщно.
G, жН
60 Я 40 30 20 10
К
XT"
л
Ъ £
\>Д
-гад.
•250.
-300.
-350
С^жШм
0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 Р„МПа 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 ^ШЬ
а б
Рис. 3. Порiвняння радiально! жорсткостi тракторно! шини 800/70 Я38 (173 А8) при и заповненнi на 75 % i 40 % рiдиною залежно вщ тиску повiтря рш i радiально! навантаги Ок: а - порожня i заповнена на 75 % рщиною шина; б - порожня i заповнена на 40 % рщиною шина
<ЦИ 0,06 0,0S 0,1 0,12 0,14 /»„MTU 0,04 0,06 ОД 0,12 0J4 Р„МПа
а б
Рис. 4. nopiBHHHHH максимального тиску на грунт одинарно! шини 800/70 R38 (173 А8) залежно вщ тиску повпря рш i радiально! навантаги Gk: а - максимальний тиск на грунт qmax порожньо! i qBmax наповнено! на 75 % водою шини; б - максимальний тиск на грунт qmax порожньо! i ^втах наповнено! на 75 % розчином CaCl2 шини
0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 р., МПа (у>4 (ДО 0JX 0,1 0,12 0,14 р., МПа
а б
Рис. 5. Порiвняння максимального тиску на грунт здвоено! шини 800/70 R38 (173 А8) залежно вщ тиску повiтря рш i радiально! навантаги Gk: а - максимальний тиск на грунт qmax порожньо! i qw^ наповнено! на 40 % водою шини; б - максимальний тиск на грунт qmax порожньо! i д^ж наповнено! на 40 % розчином CaCl2 шини
Одинарш шини (рис. 4) за техшчними да-ними бшьшосп виробниюв мають мшмаль-но допустимий внутршнш тиск повГтря о,6-о,8 бар (о,об-о,о8 МПа), а здвоеш шини (рис. 5) можна експлуатувати за меншого тиску о,4-о,6 бар (о,о4-о,об МПа). Максимально допустимГ навантаги для одинарноИ шини досягаються при кп = 1оо %, а для здвоеноИ при кп = 88 %. Тому дГапазон експлуатацш-них навантаг Е одинарноИ та здвоеноИ шини рГзняться, як за мшмально допустимим вну-тршшм тиском, так i за максимально допустимою радГальною навантагою.
Обговорення результа^в
За умов баластування шини рщиною зме-ншуеться об'ем повГтря, що стискаеться при радГальнш деформаци, тому пщвищуеться ïï жорстюсть, що супроводжуеться зменшен-ням плями контакту, осюльки за однаковоï радiальноï навантаги у баластованоï шини деформащя буде меншою.
АналГз складових жорсткосп шини пока-зуе, що жорстюсть протектора Сшп суттево перевищуе жорстюсть каркасу разом зГ стис-неним повГтрям Сшк та в дГапазош експлуатацшних навантаг Е (рис. 2, а) мае величину в Ю-2о разГв бгльшу. Жорстюсть протектора
С
ш
головним чином, залежить вгд радгаль-
но1 навантаги та зростае пропорцшно до не1. Внутршнш тиск також мае значний вплив на
Сш
ш
причому з пгдвищенням тиску жорст-
юсть знижуеться. Це пояснюеться тим, що з пщвищенням тиску жорстюсть каркасу зГ стисненим повпрям Сшк суттево зростае, пропорцшно росту тиску i незалежно вщ ра-дiальноï навантаги (рис. 2, а). Внаслщок зро-стання жорсткосп каркасно! оболонки шини доля деформаци або радГального прогину протектора / у загальному прогинГ зростае з 4 % при о,6 бар до 8 % при 1,6 бар у зош експлуатацшних навантаг Е.
Загальна радГальна жорсткГсть шини Сш, головним чином, залежить вГд жорсткосп каркасу Сшк, тому тиск у шиш е визначальним фактором. Разом з цим слГд вщзначити, що при малих навантагах вплив жорсткостГ протектора Сшп суттевий, але при навантагах понад 5 о % (кп > 5о %) вГд допустимих деформацГя протектора /п мало впливае на жорстюсть шини, яка тепер залежить практично тшьки вщ внутршнього тиску. Таким чином, можна вважати, що в зонГ експлуатацГйних навантаг Е жорстюсть шини залежить практично тшьки вщ внутршнього тиску повГтря i не залежить вщ
радiальноl навантаги.
У разГ баластування рГдиною на 75 % вщ об'ему внутрiшньоï порожнини жорстюсть протектора Сшп (рис. 2, б) не змшюеться, а жорстюсть каркасу зГ стиснутим повГтрям Сшк змГнюеться вГдносно небаластованоï рГ-диною шини. Якщо у шини без рщкого бала-сту жорсткГсть каркасу Сшк залежала тГльки вГд внутршнього тиску (рис. 2, а), то при за-повненнГ на 75 % рщиною на Сшк уже впливае i радГальна навантага (рис. 2, б).
Пояснюеться це наступним чином. У не-баластованоИ рщиною шини при зростанш радГального прогину /ш з пгдвищенням кп вгд о до 1оо% значення коефщГенту пГдвищення тиску кш (17) становить 1,о1-1,о25. Тобто, тиск в шиш пщвищуеться на 1-2,5%, а жорстюсть шини за рахунок пщвищення тиску зростае на величину до 1 %. При баластуван-ш рГдиною частка змши об'ему внутрiшньоï порожнини шини AV при деформуванш (4) суттево збГльшуеться з 1,5-2 % до 6-7 %. Це спричиняе зростання тиску на 9-11 % проти 1-2,5 % у порожньоï шини. Як наслщок, жо-рсткГсть зростае на 3,5-5,5 %, що дозволяе пщвищити допустиму навантагу на 6-8 %.
Жорстюсть шини при заповненш рщиною на 4о% займае промГжне положення помГж порожньою i заповненою на 75 %. При рад> альному деформуванш тиск повГтря в шиш зростае на 4-5 %, i, як наслщок, жорстюсть збшьшуеться на величину близько 1 %.
Таким чином, можна констатувати, що при баластуванш рщиною на 75 % об'ему жорстюсть шини зростае на 3,5-5,5 %, а при баластуванш на 4о % об'ему - на 1 %. Тому, характеристика жорсткостГ шини у першому випадку рГзниться з порожньою шиною (рис. 3, а), а у другому - практично сшвпадае (рис. 3, б).
При баластуванш шини на 75 % об'ему вага води складае 1о,5 кН, а розчину хлориду кальщю (CaCl2, о,4 кг/л) - 12,5 кН. При баластуванш на 4о% об'ему вага води складае 5,6 кН, а розчину хлориду кальщю - 6,7 кН.
Найменший максимальний тиск на грунт шина мае замшмально допустимого внутрь шнього тиску, тому вважатимемо, що балас-тувати шину будемо саме з такого режиму експлуатаци.
Так, небаластована шина експлуатуеться на режимах по лшп А1А2 (рис. 4, 5). При заповненш на 75 % об'ему водою або додаван-ш баластних вантаж1в вагою 1о,5 кН (рис. 4, а) максимальний тиск становитиме: для баластування водою 144-146 кПа (тшя АА2),
для баластних вантагав 135-138 кПа (лiнiя BiB2). В першому випадку внутрiшнiй тиск повiтря зберiгаeться рiвним 0,06 МПа, а у другому його необхщно пiдвищити до 0,09 МПа.
При заповненн на 75 % об'ему розчином хлориду кальщю або додаванн баластних вантажiв вагою 12,5 кН (рис. 4, б) максимальний тиск становитиме: для баластування розчином CaCl2 151-153 кПа (лшя АА2), для баластних вантагав 143-145 кПа (лiнiя BiB2). В першому випадку внутршнш тиск повпря також зберiгаеться рiвним 0,06 МПа, а у другому його необхщно тдвищити до 0,10 МПа.
При заповненш на 40 % об'ему водою або додаванш баластних ванташв вагою 5,6 кН (рис. 5, а) максимальний тиск становитиме: для баластування водою 108-110 кПа (лшя АА2), для баластних вантажв 103-104 кПа (лшя BjB2). В першому випадку внутршнш тиск повпря зберiгаеться рiвним 0,04 МПа, а в другому його необхщно тдвищити практично до 0,06 МПа.
При заповненш на 40 % об'ему розчином хлориду кальщю або додаванш баластних вантажв вагою 6,7 кН (рис. 5, б) максимальний тиск становитиме: для баластування розчином CaCl2 112-114 кПа (лшя АА2), для баластних вантажв 107-109 кПа (лшя ВВ2). В першому випадку внутршнш тиск повiтря також збертаеться рiвним 0,04 МПа, а в другому його необхщно тдвищити до 0,065 МПа.
Таким чином, максимальний тиск на грунт при баластуванш рщиною на 4,5-6,5 % е вищим у порiвняннi з додаванням баластних вантаж1в. Це пояснюеться таким саме тдвищенням жорсткосп шини i, як наслщок, зменшенням радiального прогину i площi плями контакту з грунтом.
Особливiстю баластування шин рiдиною е вщмшний характер розподiлу максимального тиску на грунт у полi режимiв роботи шини у порiвняннi з порожньою шиною. При цьому особливу увагу слщ придiляти коректному регулюванню внутрiшнього тиску повiтря в шиш. Так, наприклад, якщо шина експлуату-еться в режимi, що вщповщае точцi А2 (рис. 4, б), а внутршнш тиск перевищено на 0,04 МПа (0,4 бар), то порожня шина матиме максимальний тиск на грунт 140 кПа, а бала-стована розчином хлориду кальщю -195 кПа. Такий високий тиск на грунт (195 кПа) дозволить експлуатувати шину лише на 3,7 % територи Украши без пору-шення агроеколопчних норм [14]. Взагал^
при зростанш максимального тиску на грунт внаслщок шдвищення внутрiшнього тиску, шина стрiмко стае екологiчно небезпечною, тому ïï застосування повинно обмежуватись.
При недовантаженш радiальною наванта-гою шини, баластованоï рiдиною, максимальний тиск на грунт зростае, а у порожньоï шини - зменшуеться. Рiзний характер лшш рiвного максимального тиску на грунт балас-тованоï рiдиною i порожньоï шини пояснюеться наступним чином. У порожньо1' шини при зменшенш радiальноï навантаги за пос-тiйного внутрiшнього тиску повiтря максимальний тиск на грунт знижуеться, оскшьки зменшення навантаги випереджае зменшення площi плями контакту. У баластовано1' водою шини цей ефект посилюеться завдяки бшь-шiй жорсткосп, але, на противагу йому, при зниженш радiальноï навантаги частка маси баластно1' рiдини у формуваннi зчшно1' ваги, збiльшуеться, оскiльки ïï маса незмшна, а площа контакту постшно знижуеться. Тому, як це не парадоксально, максимальний тиск на грунт баластованоï рiдиною шини оста-еться практично постшним при навантагах 75-100 % при заповненш на 75 % i 50-100 % - при заповненш на 40 %. При менших на-вантагах максимальний тиск на грунт не знижуеться, а навпаки, с^мко зростае (рис. 4, 5).
З огляду на все вищезазначене, ращона-льними з точку зору зниження максимального тиску на грунт завжди е режими експлуа-таци шини за мшмально допустимого внутрiшнього тиску повiтря. В подальших дослiдженнях доцiльно визначити показники тяговоï ефективностi при застосуваннi рiзних способiв баластування трактора.
Висновки
На основi матерiалiв даноï роботи проведено теоретичний анатз максимального тиску тракторних сшьськогосподарських шин на грунт при рiзних способах баластування трактора, що вщображено в наступних наукових результатах.
1. Основним параметром, що мае вирша-льний вплив на рiвень максимального тиску на грунт, е внутршнш тиск повпря в шинi. В зонi експлуатащйних навантаг радiальна на-вантага на порожню шину мало впливае на максимальний тиск на грунт, а у шин, запов-нених на 40-75 % рщиною, такий вплив вза-гат вiдсутнiй.
2. При баластуванш рщиною жорстюсть шини зростае на 3,5-5,5 % при заповненш на
75 % i практично не змшюеться при запов-ненш на 4о %. Площа плями контакту змен-шуеться на такий саме вщсоток внаслщок меншого прогину за однаковоИ радГальноИ навантаги. Теоретично вантажошдйомшсть шини при наповненш рщиною на 75 % зростае на 6-8 % при досягненш радГального прогину, що вщповщае статичному. На прак-тищ такий запас вантажопщйомностГ не ви-користовуеться, оскшьки в техшчних умовах на шину лГмГтуеться саме радГальна наванта-га, а не прогин шини.
3. Баластування тракторних шин водою або незамерзаючим розчином хлориду кальщю е ефективним засобом тдвищення зчш-ноИ ваги трактора, оскшьки маса баластноИ рщини може становити до 3о-35 % вщ допу-стимоï радГальноИ навантаги при наповненш на 75 % внутршнього об'ему i до 21-25 % -при наповненш на 4о %.
Перевага баластування шин рщиною по-лягае у тому, що не пщвищуеться радГальна навантага на шину, тому такий спосГб збшь-шення зчiпноï ваги трактора може рекомен-дуватися у випадках, коли шина практично не мае запасу вантажопщйомносп, тобто ш-шими засобами пщвищити зчшну вагу не-можливо. До недолшв слщ вщнести: пщви-щення жорсткосп шини i збшьшення непiдресореноï маси трактора, що негативно впливатиме на його плавшсть руху. Також процедура наповнення i опорожнення шин потребуе додаткового обладнання.
Установка баластних вантажв е ушверса-льним способом пщвищення зчiпноï ваги трактора; при цьому максимальний тиск на грунт на 4,5-6,5 % нижчий у порГвнянш з наповненням шин рщиною.
4. Ращональними, з точки зору зниження максимального тиску на грунт, у всГх випад-ках завжди е режими експлуатаци шини за мшмально допустимого внутршнього тиску повпря.
На вщмшу вщ порожшх, у заповнених баластною рщиною шин максимальний тиск на грунт залишаеться практично постшним при навантагах 75-1оо % вщ допустимих при за-повненнГ на 75 % i 5о-1оо % - при заповнен-нГ на 4о %. При менших навантагах максимальний тиск на грунт у баластованих рщиною шин (на вщмГну вщ порожшх) не знижуеть-ся, а навпаки, стрГмко зростае.
У разГ перевищення необхщноИ величини внутрГшнього тиску в шиш пропорцшно зро-стае максимальний тиск на грунт, тому в експлуатаци внутршнш тиск завжди повинен вщповщати радГальнГй навантазГ.
Лiтература
1. Goodyear tires. Ag Databook. URL: https://www.titan-intl.com (дата звернення: 07.10.2019).
2. Ребров О.Ю., Шевцов В.М., Чепкий К.С. Ста-THCTEHHi данi щодо сучасних тракторiв провi-дних свггових виробник1в. 1нформацшт технологи: наука, технжа, технологiя, oceima, здоров'я: Шжнародна наукова конференщя MicroCAD. (Харкiв, 16 травня, 2019). НТУ "ХПИ", 2019. Ч. 1. С. 222.
3. Гуськов А.В. Оптимизация тягово-сцепных качеств тракторных шин. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2007. № 7. С. 19 -21.
4. Русанов В.А. Проблема переуплотнения почв движителями и эффективные пути ее решения. Москва: ВИМ, 1998. 368 с.
5. Водяник И.И. Воздействие ходовых систем на почву (научные основы). Москва: Агропром-издат, 1990. 172 с.
6. Wong, J.Y. (Jo Yung) Theory of ground vehi-cles.-3rd ed. 2001. 528 p.
7. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система - почва - урожай. Москва: Агропромиздат, 1985. 304 с.
8. Гуськов В.В. Тракторы: теория / под общ. ред. В.В. Гуськова. - Москва: Машиностроение, 1988. 377 с.
9. Damanauskas V., Janulevicius A., Pupinis G. Influence of Extra Weight and Tire Pressure on Fuel Consumption at Normal Tractor Slippage. Journal of Agricultural Science, 2015. Vol. 7. No. 2. P. 55 - 67. doi: 10.5539/ jas.v7n2p55.
10. Battiato A., Diserens E., Laloui L., Sartori L. A Mechanistic Approach to Topsoil Damage due to Slip of Tractor Tyres. Journal of Agricultural Science and Applications, 2013. № 2(3). P. 160 -168. doi: 10.14511/jasa.2013.020305.
11. Keller T. A model for the prediction of the contact area and the distribution of vertical stress below agricultural tyres from readily available tyre parameters. Biosystems Engineering, 2005. № 92(1). P. 85 - 96. doi: 10.1016/ j.biosystemseng.2005.05.012.
12. Srinivasa Rao S., Ramji K., Naidu M.K. Analytical approach for the prediction of steady state tyre forces and moments under different normal pressure distributions. Journal of Terramechanics, 2012. № 49. P. 281 - 289. doi: 10.1016/jjterra.2012.10.002.
13. Taghavifar H., Mardani A. Investigating the effect of velocity, inflation pressure, and vertical load on rolling resistance of a radial ply tire Journal of Terramechanics, 2013. № 50, P. 99 - 106. doi: 10.1016/jjterra.2013.01.005.
14. Ребров О. Ю. Розподш допустимого тиску на грунт ходових систем колюних тракторiв за територieю Украши / О. Ю. Ребров // Вюник Нацюнального mехнiчнoгo ymiверситету «ХП1». - Харшв: НТУ «ХП1», 2018. - № 27 (1303). - С. 110-116.
15. Ребров О.Ю. Анал1з вщповщносп максимального тиску на грунт тракторно! шини агроеко-лопчним вимогам ймов1рностним методом з урахуванням грунто-ктматичних умов Укра!-ни. BicHUK Нацюнального технЫного yuieep-ситету «ХП1», 2017. № 14 (1236). С. 58-64.
16. Ребров О.Ю. 1нтегральна ймов1рнюна оцшка ввдповщносп тракторно! шини агроеколопч-ним вимогам в грунтоктматичних умовах Укра!ни. BicHUK Нацюнального техтчного ут-верситету «ХП1», 2017. № 6 (1228). С. 127136.
17. Бидерман, В.Л., Гуслицер Р.Л. Захаров С.П., Ненахов Б.В., Селезнев И.И., Цукерберг С.М. Автомобильные шины (конструкция, расчет, испытания, эксплуатация). Москва: Госхимиз-дат, 1963. 384 с.
18. ДСТУ 4428:2005 Техтка сшьсько-господарська моб1льна. Методи визначення ди ходових систем на грунт. Ки!в, 2006. 8 с.
Reference
1. Goodyear tires. Ag Databook. Retrived from: https://www.titan-intl.com (accessed: 07.10.2019).
2. Rebrov O.Yu., Shevtsov V.M., Chepkyi K.S. (2019) Statystychni dani shchodo suchasnykh traktoriv providnykh svitovykh vyrobnykiv [Statistics on modern tractors from the world's leading manufacturers]. Informatsiini tekhnolohii: nauka, tekhnika, tekhnolohiia, osvita, zdorov'ia: Mizhnarodna naukova konferentsiia MicroCAD. (Kharkiv, 16 travnia, 2019) [in Ukrainian].
3. Guskov A.V. (2007) Optimizatsiya tyagovo-stsepnyih kachestv traktornyih shin [Optimization of traction and coupling qualities of tractor tires]. Tractors and agricultural machinery. 7, 19-21. [in Russian].
4. Rusanov V.A. (1998) Problema pereuplotneniya pochv dvizhitelyami i effektivnyie puti ee resh-eniya [The problem of soil compaction by movers and effective ways to solve it]. Moskva: VIM. 368. [in Russian].
5. Vodyanik I.I. (1990) Vozdeystvie hodovyih sis-tem na pochvu (nauchnyie osnovyi) [The impact of suspension systems on the soil (scientific basis)]. Moskva: Agropromizdat. 172. [in Russian].
6. Wong J.Y. (2001) (Jo Yung) Theory of ground vehicles.-3rd ed. 528. [in English]
7. Ksenevich I.P., Skotnikov V.A., Lyasko M.I. (1985) Hodovaya sistema - pochva - urozhay [Running system - soil - crop]. Moskva: Ag-ropromizdat, 304. [in Russian].
8. Guskov V.V. (1988) Traktoryi: teoriya [Tractors: theory] / pod obsch. red. V. V. Guskova. Moskva: Mashinostroenie. 377. [in Russian].
9. Damanauskas V., Janulevicius A., Pupinis, G. (2015) Influence of Extra Weight and Tire Pressure on Fuel Consumption at Normal Tractor Slippage. Journal of Agricultural Science, Vol. 7, No. 2, 55 - 67. doi: 10.5539/ jas.v7n2p55.
10. Battiato A., Diserens E., Laloui L., Sartori L. (2013) A Mechanistic Approach to Topsoil Damage due to Slip of Tractor Tyres. Journal of Agricultural Science and Applications, 2(3), 160 -168. doi: 10.14511/jasa.2013.020305.
11. Keller T. (2005) A model for the prediction of the contact area and the distribution of vertical stress below agricultural tyres from readily available tyre parameters. Biosystems Engineering, 92(1), 85 - 96. doi: 10.1016/ j.biosystemseng.2005.05.012.
12. Srinivasa Rao S., Ramji K., Naidu M. K. (2012) Analytical approach for the prediction of steady state tyre forces and moments under different normal pressure distributions. Journal of Ter-ramechanics, 49, 281 - 289. doi: 10.1016/jjterra.2012.10.002.
13. Taghavifar H., Mardani A. (2013) Investigating the effect of velocity, inflation pressure, and vertical load on rolling resistance of a radial ply tire. Journal of Terramechanics, 50, 99 - 106. doi: 10.1016/jjterra. 2013.01.005.
14. Rebrov O.Yu. (2018) Rozpodil dopustymoho tysku na grunt khodovykh system kolisnykh traktoriv za terytoriieiu Ukrainy [Distribution of permissible pressure to the soil of wheeled tractor systems in Ukraine]. Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu «KhPI», 27 (1303), 110-116. [in Ukrainian].
15. Rebrov O.Yu. (2017) Analiz vidpovidnosti maksymalnoho tysku na grunt traktornoi shyny ahroekolohichnym vymoham ymovirnostnym metodom z urakhuvanniam grunto-klimatychnykh umov Ukrainy. [The analysis of the tractor tires maximum pressure on the soil and it compliance to agro-ecological requirements by using the probabilistic method and taking into account soil and climatic conditions of Ukraine] Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu «KhPI», 14 (1236), 58 - 64. [in Ukrainian].
16. Rebrov O.Yu. (2017) Intehralna ymovirnisna otsinka vidpovidnosti traktornoi shyny ahroekolohichnym vymoham v gruntoklimatych-nykh umovakh Ukrainy. [Integral probability estimate of the conformity of a tractor tire to the agro-ecological requirements in the soil and climatic conditions of Ukraine] Visnyk Natsional-noho tekhnichnoho universytetu «KhPI», 6 (1228), 127 - 136. [in Ukrainian].
17. Biderman V.L., Guslitser R.L., Zaharov S.P., Nenahov B.V., Seleznev I.I., Tsukerberg S.M. (1963) Avtomobilnyie shinyi (konstruktsiya, raschet, ispyitaniya, ekspluatatsiya) [Car tires (design, calculation, testing, operation)]. Moskva: Goshimizdat. 384. [in Russian].
18. DSTU 4428:2005 (2006) Tekhnika silskohospo-darska mobilna. Metody vyznachennia dii khodovykh system na grunt. [Techniques agricultural mobil. The determination methods of the running systems impact on the soil]. Kyiv, 8 p. [in Ukrainian].
Ребров Олексш Юршович, к.т.н., доц., кафедра автомобше- та тракторобудування, тел.: (057) 707 - 64 - 64, e-mail: alexrebrov0108@gmail.com. Нацюнальний техтчний ушверситет «Харшвсь-кий полiтехнiчний шститут», Украна, м. Харкiв, 61002, вул. Кирпичова, 2.
Определение максимального давления на почву сельскохозяйственных шин при разных способах балластировки трактора Аннотация. Приведен теоретический анализ уровня максимального давления на грунт тракторных сельскохозяйственных шин при различных способах балластировки трактора. Анализ учитывает изменение жесткости шины, радиального прогиба, грузоподъемности и площади пятна контакта с почвой при повышении сцепного веса трактора за счет установки балластных грузов и наполнения шин балластной жидкостью. Установлено, что при балластировке жидкостью жесткость шины возрастает на 3,5-5,5 % при заполнении на 75 % и практически не изменяется при заполнении на 40 %. Установка балластных грузов является универсальным способом повышения сцепного веса трактора, при этом максимальное давление на почву на 4,5-6,5 % ниже по сравнению с наполнением шин жидкостью.
Ключевые слова: максимальное давление на почву, балластировка трактора, жесткость шины, радиальная нагрузка на шину, давление воздуха в шине.
Ребров Алексей Юрьевич, к.т.н., доц., кафедра автомобиле- и тракторостроения, тел.: (057) 707 - 64 - 64, e-mail: alexrebrov0108@gmail.com. Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина, Харьков, 61002, ул. Кирпичёва, 2
Determination of the maximum pressure on the soil of agricultural tires with different ballasting methods of tractor
Abstract. The theoretical analysis of the maximum pressure on the soil of tractor tires with different methods of tractor ballasting is presented. The mathematical model of an empty and liquid ballasted agricultural tire is presented. Problem. As the standards of the running systems of mobile agricultural machinery on the soil limit the maximum pressure of wheeled tractors on the soil, there is a contradiction between high traction efficiency and harmful effects on the environment. The goal of the research is to perform a comparative analysis of the maximum tire pressure on the soil with two methods of increasing the tractor's weight: by installing cast iron ballast and filling the tires with ballast liquid. In solving the final goal, a methodology that provided the analytical methods for evaluating the effect of the tire filling with ballast fluid on its stiffness, load capacity and the area of contact area with the soil, is used. As a result it has been found that the tire stiffness increases by 3.5-5.5% when filled with 75% and practically does not change when filled with 40% by liquid ballasting. Cast iron ballasting is a versatile way to increase tractor weight, with maximum soil pressure 4.5-6.5% lower than tire liquid filling. Options for 75% and 40% liquid ballast for the use of water and calcium chloride solution as ballast liquid are considered. The originality of the work is to determine the maximum pressure on the soil of the agricultural tire ballasted with liquid and to compare it with traditional cast iron ballasting by the level of maximum pressure on the topsoil. The practical value of the work is, at the stage of designing or upgrading the wheeled tractor, to provide recommendations on possible method of the tractor ballasting, taking into account the agro-environmental requirements for maximum soil pressure.
Key words: maximum soil pressure, tractor ballasting, tire stiffness, radial tire load, tire air pressure.
Rebrov Oleksii, Candidate of Technical Sciences (Ph. D.), Associated Professor at the Department of Car and Tractor Industry, tel.: (057) 707 - 64 - 64, e-mail: alexrebrov0108@gmail.com. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", 2, Kyrpychova str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
