CC BY
7
Научная статья УДК 631.372:629.114.2
Повышение тягово-сцепных свойств колёсного энергетического средства на почвах с высоким коэффициентом липкости
Евгений Владимирович Маршанин1, Дмитрий Владимирович Беляков2,
Елена Сергеевна Поликутина2, Евгений Евгеньевич Кузнецов2,
Сергей Васильевич Щитов2, Вячеслав Генаэльевич Евдокимов1
1 Дальневосточное высшее общевойсковое командное училище, Благовещенск, Россия
2 Дальневосточный государственный аграрный университет, Благовещенск, Россия
Аннотация. При движении колёсных энергетических средств на агрофонах, представленных глинистыми и тяжёлыми суглинистыми почвами с максимальным коэффициентом липкости, основными силами сопротивления движению являются прилипание и трение. При выполнении сельскохозяйственных работ, особенно в ранневесенний период, при относительно высокой влажности происходит полное залипание протектора движителя, что резко снижает тягово-сцепные свойства энергетического средства за счёт увеличения величины буксования. Приведены результаты исследований по повышению тягово-сцепных свойств колёсных энергетических средств за счёт пурификации (очищения) протектора шины колёсного движителя дополнительным вычищающим устройством новой конструкции. Показано, что такое устройство устанавливается в ходовой части трактора и способствует стабилизации тяговых характеристик движителя благодаря своевременной очистке протектора колеса от налипших грязевых масс. Конструктивно-технологические параметры устройства новой конструкции не снижают мощностные показатели колёсного энергетического средства.
Ключевые слова: энергетическое средство, трактор, колесо, тягово-сцепные свойства, почва, липкость, пурификация, вычищающее устройство.
Для цитирования: Повышение тягово-сцепных свойств колёсного энергетического средства на почвах с высоким коэффициентом липкости / Е.В. Маршанин, Д.В. Беляков, Е.С. Поликутина и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 83 - 87.
Original article
Improving the traction properties of a wheeled energy vehicle on soils with a high coefficient of stickiness
Evgeny V. Marshanin1, Dmitry V. Belyakov2, Elena S. Polikutina2,
Evgeny E. Kuznetsov2, Sergey V. Shchitov2, Vyacheslav G. Evdokimov1
1 Far East Higher Combined Command Military School, Blagoveshchensk, Russia
2 Far Eastern State Agrarian University, Blagoveshchensk, Russia
Abstract. When wheeled power vehicles move on agricultural backgrounds, represented by clay and heavy loamy soils with a maximum stickiness coefficient, the main forces of resistance to movement are sticking and friction. When performing agricultural work, especially in the early spring, with relatively high humidity, the propulsion tread is completely stuck, which sharply reduces the traction properties of the power tool due to an increase in the amount of slipping. The results of studies on improving the traction and coupling properties of wheeled power vehicles due to the purification (cleaning) of the tire tread of the wheeled mover with an additional cleaning device of a new design are presented. It is shown that such a device is installed in the chassis of the tractor and contributes to the stabilization of the traction characteristics of the mover due to the timely cleaning of the wheel tread from adhering mud masses. The design and technological parameters of the device of the new design do not reduce the power performance of the wheeled power vehicle.
Keywords: power tool, tractor, wheel, traction properties, soil, stickiness, purification, cleaning device.
For citation: Improving the traction properties of a wheeled energy vehicle on soils with a high coefficient of stickiness / E.V. Marshanin, D.V. Belyakov, E.S. Polikutina et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 99(1): 83-87. (In Russ.).
Проведённым анализом литературных источников установлено, что по гранулометрическому составу большинство агрофонов Амурской области представлено глинистыми и тяжёлыми суглинистыми почвами [1, 2]. Необходимо отметить, что в период проведения основных работ, связанных с подготовкой почвы и посевом, поверхность поля имеет низкую несущую способность [3] вследствие специфических почвенно-климатических условий региона, обусловленных наличием твёрдого подстилающего слоя в виде мерзлоты. По мере оттаивания
подстилающий слой вместе с выпадающими в этот период осадками существенно повышает влажность обрабатываемого слоя почвы. С повышением влажности увеличивается и липкость почвы [4 - 6], что приводит к полному залипанию протектора шины, снижая её тягово-сцепные свойства. В данном случае колесо представляет собой каток, так как пространство между грун-тозацепами заполнено раскисшей и налипшей почвой.
Цель исследования — повышение эффективности использования колёсных энергетических
средств (на базе колёсного трактора) за счёт улучшения тягово-сцепных свойств движителя.
Основная задача исследования заключалась в проверке влияния дополнительного устройства новой конструкции для пурификации (очищения) поверхности движителя на тягово-сцепные свойства сельскохозяйственного агрегата в различных режимах использования.
Вопрос повышения тягово-сцепных свойств колёсного движителя методом своевременного удаления налипшей между грунтозацепами почвы при движении трактора является актуальным. Анализ исследований авторов, ранее изучавших этот важный для сельского хозяйства вопрос [7], показал, что проблема пурификации (очищения) протектора колёсного движителя при работе энергетических средств на агрофонах с низкой несущей способностью за счёт использования дополнительных способов и устройств изучена недостаточно полно. Более глубоко необходимо изучить такие вопросы, как взаимодействие гибкого колеса и элементов вычищения различной геометрической формы и материалов изготовления; зависимости профилей вычищаемой поверхности от скоростных характеристик машинно-тракторного агрегата; влияние работы вычищающей конструкции на силовые параметры трактора и вибрационные нагрузки на его основные агрегаты.
Таким образом, проблема использования дополнительных устройств, методов и способов пурификации (очищения) протектора колёсного движителя требует дальнейшего проведения исследований, теоретического аргументирования и поиска перспективных инженерно-технических решений обозначенной выше задачи.
Материал и методы. Объектом исследования было выбрано экспериментальное энергетическое средство на базе колёсного трактора МТЗ-80 с установленным устройством для очистки движителя (рис. 1).
При изучении использования колёсных энергетических средств в технологии возделывания сельскохозяйственных культур в условиях Амурской области установлено, что нередко происходит полное залипание почвы между грунтозацепами колеса трактора (рис. 1).
Одним из наиболее распространённых способов, известных и применяемых в современном машиностроении, является установка в конструкцию энергетического средства дополнительных устройств (рис. 2) [8, 9].
При решении поставленной задачи по повышению тягово-сцепных свойств колёсного движителя за счет очистки от налипшей почвы путём установки дополнительного устройства необходимо рассмотреть вопрос обоснования конструктивно-технологических параметров с учётом самоочищения колеса.
Рис. 1 - Фрагмент проведения хозяйственных испытаний: залипание почвы между грунтозацепами колеса трактора
Рис. 2 - Классификация очищающих устройств по способу установки в конструкцию энергетического средства
В общем случае липкость почвы можно охарактеризовать следующим образом - возможность её частиц прилипать к поверхности и склеиваться, при этом можно отметить два основных признака её проявления:
1) сопротивление отрыву от поверхности движителя;
2) сопротивление скольжению по поверхности движителя при его качении.
При качении колеса на почву, заключённую между грунтозацепами, выделяются следующие силы: сила инерции почвы, заключённой между грунтозацепами, стремящаяся оторвать грунт от колеса; сила трения, возникающая от скольжения почвы по поверхности грунтозацепа; результирующая сила, возникающая от сопротивления отрыву и скольжению по поверхности движителя при его качении.
Рассмотрим наиболее подробно возникающие величины с точки зрения определения необходимости использования дополнительного устройства на основании сил, действующих на почвенные массы, заключённые между соседними грунтозацепами (рис. 3), с учётом самоочищения.
Сила инерции почвы, заключённой между грунтозацепами, стремящаяся оторвать слой почвы от поверхности колеса, определяется общеизвестным уравнением:
= тю2Я, (1)
где т - масса почвы, заключённой между грун-тозацепами, кг;
ю - угловая скорость почвы, заключённой между грунтозацепами, рад/с; Я - расстояние слоя почвы, заключённой между грунтозацепами от центра вращения колеса.
Сила трения в нашем случае - это сила, возникающая от действия силы инерции слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, и направленная в противоположную сторону:
^тр = N (2)
где / - коэффициент трения слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, о выступы грунтозацепа;
N - сила нормального давления слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, на поверхность грунтозацепа, Н. Результирующая сила, возникающая от сопротивления слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, отрыву и скольжению по поверхности движителя при его качении, можно определить по формуле:
^л = КЗ + К1Ж + ^отр, (3)
где К - коэффициент удельного прилипания почвы, заключённой между грунтозацепами, при отсутствии нормального давления; S - площадь контакта почвы, заключённой между грунтозацепами с поверхностью движителя, м2;
К1 - коэффициент удельного прилипания слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, от воздействия нормального давления; ^отр - сила, необходимая для отрыва почвы, заключённой между грунтозацепами, от поверхности движителя, Н. Анализируя уравнения (1) - (3), можно сделать следующие выводы:
- залипание движителей почвой будет происходить в том случае, когда будет выполняться следующее условие:
Рй < Fтр + Fл; (4)
Рис. 3 - Формирование сил, действующих на почву, заключённую между грунтозацепами:
Fи - сила инерции слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, стремящаяся оторвать грунт от колеса, Н; Fтр - сила трения, возникающая от скольжения почвы по поверхности грунтозацепа, Н; Fл - результирующая сила, возникающая от сопротивления слоя почвы отрыву и скольжению по поверхности движителя при его качении, Н; ю - угловая скорость слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, рад/с, Я - расстояние слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, от центра вращения колеса, м
- самоочищение движителей от почвы будет наблюдаться тогда, когда будет выполняться следующее условие:
Рй > ^тр + ^л. (5)
Таким образом, при обосновании конструктивно-технологических параметров устройства, способствующего очищению слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, необходимо, чтобы выполнялось следующее необходимое условие:
Рй + Рд > ^тр + ^л, (6)
где Рд - дополнительная сила, возникающая от воздействия устройства на слой почвы, заключённой между грунтозацепами движителя трактора.
Результаты и обсуждение. В результате проведённых теоретических исследований установлено, что в случае, когда сила инерции слоя почвы, заключённой между грунтозацепами, меньше обобщённых сил сопротивления самоочищению, необходимо прилагать дополнительное воздействие для её принудительного отрыва от поверхности движителя:
Рд = ^тр + Fл - Ри. (7)
В зависимости от состояния почвенного слоя (влажность, липкость) это дополнительное усилие должно регулироваться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, что позволит за счёт изменения конструктивно-технологических параметров устройства с учётом состояния почвы существенно оптимизировать его влияние на мощностные показатели энергетического средства.
Как показали проведённые экспериментальные исследования машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ-82 и плуга ПЛН-3-35 (рис. 4), применение предлагаемого пурифика-ционного устройства (рис. 5) позволяет снизить величину буксования по сравнению с серийным трактором на пахоте при одинаковом тяговом усилии на 10,9 %.
Рис. 4 - Фрагмент проведения эксперимента на вспашке
Рис. 5 - Конструкция вычищающего устройства
Предложенное устройство показало себя как достаточно эффективная конструкция в сравнении с ранее известными техническими решениями [10 - 12]. Оно отличается простотой и надёжностью, а следовательно, и более значимой перспективой при промышленном внедрении в технологию агропромышленного производства.
Вывод. Использование машинно-тракторного агрегата с устройством для очистки поверхности колёсного движителя от налипшего слоя почвы, заключённой между грунтозацепами колеса, на отвальной вспашке при длине гона 630 м позволяет стабилизировать тягово-сцепные свойства колёсного движителя при движении в условиях повышенной влажности и липкости почвы, увеличить скорость движения и производительность в час чистого рабочего времени соответственно на 10,2 и 16,1 %, снизить расход топлива на 1 га обрабатываемой площади при глубине вспашки 0,20 - 0,22 м с 2,74 л/га до 2, 41 л/ га по сравнению с серийным транспортным агрегатом.
Список источников
1. Кузнецов Е.Е., Щитов C.B. Повышение эффективности использования мобильных энергетических средств в технологии возделывания сельскохозяйственных культур: монография. Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет, 2017. 200 с.
2. Использование многоосных энергетических средств класса 1,4: монография / C.B. Щитов, Е.Е. Кузнецов, BÄ Худовец, A.C. Щитов. Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет, 2013. 153 с.
3. Belyaev V.I., Fruhauf M., Mainel T. Ecological Consequences of Conversion of Steppe to arable Land in Western Siberia. Europa Regional. 2004; 4(1): 13-21.
4. Алдошин H.B., Пехутов A.C. Повышение производительности при перевозке сельскохозяйственных грузов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 4. C. 26 - 27.
5. Методика изучения физико-механических свойств сельскохозяйственных растений. М.: BИCХOM, 1960. 269 с.
ев
6. Increasing The Shallowness Of The Wheeled Tractors / P.V. Tikhonchuk, I.V. Bumbar, Z.F. Krivuca et al. Journal of Mechanical Engineering. 2018; 41(2): 31-34.
7. Исследование тягово-сцепных свойств энергетических средств в зависимости от залипания колёсного движителя / С.В. Щитов, В.Г. Евдокимов, Е.Е. Кузнецов, С.А. Рыбаков // Техника и оборудование для села. 2015. № 12. С. 18 - 21.
8. Практикум по сельскохозяйственным машинам / В.А. Скотников, В.Н. Кондратьев, Р.С. Сташинский и др.; под ред. В.А. Скотникова. Минск: Ураджай, 1984. 375 с.
9. Повышение проходимости колёсных энергетических средств при недостаточных тягово-сцепных свойствах / С.Н. Марков, С.С. Ус, Н.В. Пономарёв и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 160 - 164.
10. Гуськов Ю.А. Совершенствование сборочно-транспортного процесса и технических средств на заготовке грубых кормов: автореферат дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01. Новосибирск, 2007. 211 с.
11. Шишлов С.А., Редкокашин А.А., Шапарь М.С. Качественная предпосевная обработка почвы и посев -залог высокого урожая сои // Научное обозрение. 2015. № 15. С. 23 - 27.
12. Способ корректирования тягово-сцепных свойств колёсного энергетического средства в повороте / А.С. Вторников, С.Н. Марков, А.А. Шуравин и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 2 (88). С. 129 - 132.
References
1. Kuznetsov E.E., Shchitov S.V. Improving the efficiency of using mobile energy in the technology of cultivating agricultural crops: monograph. Blagoveshchensk: Far Eastern State Agrarian University, 2017. 200 p.
2. The use of multi-axis energy means of class 1.4: monograph / S.V. Shchitov, E.E. Kuznetsov, V.I. Khudovets, A.S. Shchitov. Blagoveshchensk: Far Eastern State Agrarian University, 2013. 153 p.
3. Belyaev, V.I., Fruhauf M., Mainel T. Ecological Consequences of Conversion of Steppe to arable Land in Western Siberia. Europa Regional. 2004; 4(1): 13-21.
4. Aldoshin N.V., Pekhutov A.S. Improving productivity in the transportation of agricultural goods. Mechanization and Electrification of Agriculture. 2012; 4: 26-27.
5. Methods for studying the physical and mechanical properties of agricultural plants. M.: VISHOM, 1960. 269 p.
6. Increasing The Shallowness Of The Wheeled Tractors / P.V. Tikhonchuk, I.V. Bumbar, Z.F. Krivuca et al. Journal of Mechanical Engineering. 2018; 41(2): 31-34.
7. Study of the traction-coupling properties of power tools depending on the sticking of the wheel mover / S.V Shchitov, V.G. Evdokimov, E.E. Kuznetsov, S.A. Rybakov. Technique and equipment for the village. 2015; 12: 18-21.
8. Workshop on agricultural machines / V.A. Skotnikov, V.N. Kondratiev, R.S. Stashinsky et al.; ed. V.A. Skotnikov. Minsk: Urajay, 1984. 375 p.
9. Increasing the cross-country ability of wheeled power vehicles with insufficient traction properties / S.N. Markov, S.S. Us, N.V. Ponomarev et al. / Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 160-164.
10. Guskov Yu.A. Improving the assembly and transport process and technical means for harvesting roughage: Abstract of the dis. ... Dr. Tech. Sciences: 05.20.01. Novosibirsk, 2007. 211 p.
11. Shishlov S.A., Redkokashin A.A., Shapar M.S. High-quality pre-sowing tillage and sowing is the key to a high soybean yield/ Scientific Review. 2015; 15: 23-27.
12. A method for correcting the traction-coupling properties of a wheeled power tool in a turn / A.S. Vtornikov, S.N. Markov, A.A. Shuravin et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 88(2): 129-132.
Евгений Владимирович Маршанин, аспирант, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1011-0030
Дмитрий Владимирович Беляков, аспирант, https://orcid.org/0000-0001-5093-2963
Елена Сергеевна Поликутина, кандидат технических наук, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9726-5176
Евгений Евгеньевич Кузнецов, доктор технических наук, доцент, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0725-4444
Сергей Васильевич Щитов, доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2409-450X
Вячеслав Генаэльевич Евдокимов, доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9268-4734
Evgeny V. Marshanin, postgraduate, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1011-0030
Dmitry V. Belyakov, postgraduate, https://orcid.org/0000-0001-5093-2963
Elena S. Polikutina, Candidate of Technical Sciences, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9726-5176
Evgeny E. Kuznetsov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0725-4444
Sergey V. Shchitov, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2409-450X
Vyacheslav G. Evdokimov, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9268-4734
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 01.12.2022; одобрена после рецензирования 20.12.2022; принята к публикации 10.01.2023.
The article was submitted 01.12.2022; approved after reviewing 20.12.2022; accepted for publication 10.01.2023.
-Ф-
