РАСЧЁТ СИЛОВЫХ РЕАКЦИЙ ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА С ДОГРУЖАЮЩЕ-КОРРЕКТИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ ТРАКТОРА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Nikolay M. Semashkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin. 1, Novy Venets boulevard, Ulyanovsk, 432017, Russia, emotion.snm@mail.ru

Aleksandr L. Mishanin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Samara State Agricultural University. 2, Training St., Ust-Kinelsky, Samara region, 446442, Russia, mishanin_al@mail.ru

Kirill O. Ravodin, Candidate of Physics and Mathematics Sciences, Associate Professor. Ulyanovsk State

University. 42, Lev Tolstoy St., Ulyanovsk, 432017, Russia, nauka73@mail.ru

-♦-

Научная статья УДК 631.372:629.114.2

Расчёт силовых реакций транспортного агрегата с догружающе-корректирующим устройством положения центра тяжести трактора

Александр Александрович Шуравин, Елена Сергеевна Поликутина,

Сергей Васильевич Щитов, Евгений Евгеньевич Кузнецов,

Валентина Ивановна Худовец, Елена Владимировна Панова

Дальневосточный государственный аграрный университет

Аннотация. Эффективность работы тракторно-транспортных агрегатов во многом зависит от конструктивно-технологических параметров, заложенных в них заводом-изготовителем и условий эксплуатации, включающих климатические, ландшафтные, дорожные, почвенные и производственные факторы. Особенности региона использования колёсного тракторно-транспортного агрегата, в котором присутствуют гористо-холмистые местности со значительными продольными и поперечными уклонами, а почвенный фон представлен суглинистыми или буроподзолистыми почвами высокой степени влажности, оказывают негативное влияние на эксплуатацию тракторно-транспортных агрегатов, снижая в целом эффективность их применения. В целях повышения эффективности использования колёсных тракторно-транспортных агрегатов в обозначенных условиях и снижения влияния опрокидывающих факторов на движение агрегата за счёт стабилизации ходовой системы в движении было разработано устройство, позволяющее одновременно повышать продольную, поперечную устойчивость тракторно-транспортного агрегата и его тягово-сцепные свойства корректированием центра тяжести трактора. Приведены результаты теоретических исследований влияния предлагаемого устройства на эффективность использования колёсных энергетических средств в составе тракторно-транспортных агрегатов.

Ключевые слова: тракторно-транспортный агрегат, колёсное энергетическое средство, трактор, центр тяжести, устойчивость, эффективность.

Для цитирования: Расчёт силовых реакций транспортного агрегата с догружающе-корректирующим устройством положения центра тяжести трактора / А.А. Шуравин, Е.С. Поликутина, С.В. Щитов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 135 - 139.

Original article

Calculation of power reactions of a transport unit with a preloading-correction device for the position of the tractor's center of gravity

Alexander A. Shuravin, Elena S. Polikutina, Sergey V. Shchitov,

Evgeny E. Kuznetsov, Valentina I. Khudovets , Elena V. Panova

Far Eastern State Agrarian University

Abstract. The efficiency of the tractor-transport units largely depends on the design and technological parameters laid down in them by the manufacturer and the operating conditions, including climatic, landscape, road, soil and production factors. Features of the region of use of a wheeled tractor-transport unit, in which there are mountainous-hilly areas with significant longitudinal and transverse slopes, and the soil background is represented by loamy or brown-podzolic soils of a high degree of moisture, have a negative effect on the operation of tractor-transport units, reducing their overall efficiency application. In order to increase the efficiency of the use of wheeled tractor-transport units in the indicated conditions and to reduce the influence of overturning factors on the movement of the unit due to the stabilization of the running system in motion, a device was developed that allows to simultaneously increase the longitudinal and lateral stability of the tractor-transport unit and its traction and coupling properties. by adjusting the center of gravity of the tractor. The results of theoretical studies of the influence of the proposed device on the efficiency of the use of wheeled energy means in the composition of tractor-transport units are presented.

Keywords: tractor-transport unit, wheeled energy vehicle, tractor, center of gravity, stability, efficiency.

For citation: Calculation of power reactions of a transport unit with a preloading-correction device for the position of the tractor's center of gravity / A.A. Shuravin, E.S. Polikutina, S.V. Shchitov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 135 - 139. (In Russ.).

Вопрос увеличения тягово-сцепных свойств и повышения продольно-поперечной устойчивости мобильных колёсных энергетических средств является насущным для агропромышленного комплекса Амурской области. Это объясняется климатическими особенностями региона, при которых в весенний и осенний периоды из-за выпадения большого количества осадков почвенный слой имеет слабую несущую способность, что не позволяет полностью реализовать тягово-сцепные свойства, заложенные производителем в конструкцию энергетического средства [1]. Кроме того, большая часть дорог сельскохозяйственного назначения в области имеет высоту дорожной насыпи не менее 2 м, малый радиус поворота и значительные углы виража, что в ходе эксплуатации при движении по дорогам с изменяющимся коэффициентом сцепления снижает курсовую управляемость, увеличивая эффект галопирования и возможность переворачивания тракторно-транспортного агрегата (ТТА) [2]. Таким образом, для региона вопрос максимальной реализации эксплуатационных и мощностных возможностей колёсных энергетических средств сельскохозяйственных предприятий является важной и актуальной технической задачей, требующей новых решений и методологических подходов [3].

Материал, методы и результаты исследования. Обзор ранее проведённых исследований [4 - 7] позволил предложить рабочую гипотезу, заключающуюся в том, что выравнивания характера движения, максимальной реализации тягово-сцепных свойств и улучшения стабилизации ходовой системы ТТА возможно достичь изменением точки расположения тягово-сцепного устройства (ТСУ) в непосредственной близости к центру масс трактора.

Для решения поставленной задачи было разработано устройство [8], конструкция которого [9, 10] позволяет перераспределять сцепной вес в ходовой системе ТТА и тем самым координировать центр тяжести трактора.

Цель исследования - выявление влияния предлагаемого устройства на технологические параметры ТТА при проведении полевых и транспортных операций.

Определены следующие задачи:

- теоретически обосновать и экспериментально проверить влияние факторов перераспределения веса и точек закрепления ТСУ на эффективность использования МТА (ТТА);

- провести сравнительные хозяйственные испытания экспериментальных и серийных МТА (ТТА) в производственных условиях Амурской области.

Для выполнения поставленных задач определим технологические параметры предлагаемого устройства, для чего проведём расчёт силовых

реакций транспортного агрегата с догружающе-корректирующим устройством положения центра тяжести трактора.

Для определения условий распределения весовой нагрузки на опоры буксирующего колёсного трактора и составления уравнений равновесия, описывающих процессы перераспределения, рассмотрим тракторно-транспортный агрегат (ТТА) как составную конструкцию в следующих вариантах:

- вариант А: трактор без устройства + прицеп;

- вариант Б: трактор с устройством + торсионная ось крепления устройства + плоская рессорная пружина с установленным тягово-сцепным устройством (ТСУ) + прицеп.

Для этого покажем все силы, действующие на составные части конструкции по варианту А (рис. 1) и рассмотрим равновесие вертикальных реакций опор каждой части в отдельности.

Составим уравнения равновесия для прицепа:

= 0 И2-В-в-Ь+ Рт-к = 0 ЕМ2(^) = 0 -Д1-В + С-(В-Ь) + Яг-Л = 0 - (1)

= 0 - б + + д2 = о

Тогда

С -Ь-Рт -к

я,=

в

я, =

С(В-Ь)+РТ-И В .

(2)

(3)

Составим уравнение равновесия для реакций поверхности движения под опорами (колёсными движителями) трактора:

I Мпер(Рк) = 0 Дзад • Ят - СГ(ВТ - От) = о ]

£Мзад(Рк) = 0 -Япер-Вт + Ст-ат = 0 ] ()

Тогда

ст • (вт _ ат) (5)

^зад '

^пер —

Б-р Вт

(6)

Горизонтальные составляющие реакции поверхности движения под опорами прицепа и трактора определять не будем, так как устройство оказывает влияние только на вертикальные составляющие реакции поверхности.

Рассмотрим составную конструкцию с буксирно-распределяющим устройством по варианту Б.

Разбиваем конструкцию ТТА на составные части: трактор + поперечная торсионная ось крепления устройства + плоская рессорная пружина устройства с установленным ТСУ + прицеп.

Покажем все силы, действующие на рассматриваемые части составной конструкции (рис. 2).

Схемы (рис. 1 и 2) позволяют предположить, что действие сил на прицеп не изменилось,

следовательно, выражения (2) и (3) справедливы Схема к определению реакций опор плоской при рассмотрении ТТА с установленным пред- рессорной пружины устройства с ТСУ представ-лагаемым устройством. лена на рисунке 3.

Рис. 1 - Схема действия сил к определению вертикальных составляющих реакций поверхности по варианту А:

Вт - колёсная база трактора, м; ат - расстояние от центра тяжести трактора до опоры заднего колеса трактора, м; 6Т - расстояние от сцепной петли буксирного устройства до опоры заднего колеса трактора, м; h - расстояние от дышла до поверхности движения, м; О - вес прицепа, Н; От - вес трактора, Н; R1 и Л2 -вертикальные составляющие реакции поверхности под опорами (колёсными движителями) прицепа, Н; х\ и Х2 - горизонтальные составляющие силовой реакции опор прицепа, Н; Рт - тяговое усилие трактора, Н; Лпер и Лзад - вертикальные составляющие силовой реакции поверхности движения под опорами (колёсными движителями) трактора, Н; Хпер и Хзад - горизонтальные составляющие силовой реакции поверхности под опорами (колёсными движителями) трактора, Н; В - колёсная база прицепа, м; Ь - расстояние от центра тяжести прицепа до опоры направляющего колеса прицепа, м; Ьк - расстояние от сцепной петли до опоры направляющего колеса прицепа, м

Рис. 2 - Схема действующих сил к определению вертикальных составляющих реакций поверхности движения ТТА с устройством по варианту Б

Рис. 3 - Схема к определению реакции опор плоской рессорной пружины устройства:

а - расстояние от тягово-сцепного устройства, м; I - длина рессорной пружины, м; Д - реакция демпфера, Н; Рт - тяговое усилие, Н; ус и хс - реакции в точке с, Н; Оп - вес плоской рессорной пружины, Н

Составим уравнения равновесия для каждой части конструкции, используя схему на рисунке 3.

£^ = 0 ~хс + Рт = 0

2Х(^) = 0 -Сп-^ + Мя-(1-а) = 0 (7)

£МД(^) = 0 -ус-(1-а) + Сп-(^-а) = 0

Тогда

*с = Рт

I

Си • 7

^/д = --К

14 I — а

Ус =

Оп(.2 ~ д)

I - а

(8) (9)

(10)

Гс г /7

¿757' 0$

/

[СпШ-а) \

(16)

Составляем уравнения равновесия согласно схеме на рисунке 5:

-ул-ак-хл-кк- СТ(ВТ - ат) -] -ЛГд (Вт + Ьд) + Дзад ■ Вт = О

Мпер = О

^А*зад№) = 0

- й;ер • Вт + ул(Вт - ак) --хл • /1к + Ст • ат - Л/д • Ьд = О]

(17)

Рис. 5 - Схема к определению вертикальных составляющих силовых реакций поверхности движения на трактор:

Ьд - расстояние от опоры заднего колеса до вертикальной проекции действия силы МД, м; ак - расстояние от опоры переднего колеса до линии действия силы ул, м; hк - расстояние от поверхности земли до точки соединения кронштейна и торсионной оси устройства, м

р'

зад —

вт(Вт - ат) + Мд(вт + Ьд) + Ул • ак + хл • Лк

Рис. 4 - Схема к определению реакций связи поперечной торсионной оси БРУ:

Go - вес торсионной оси, Н; хл и ул; хп и уп -реакции левой и правой опоры, Н; /- длина торсионной оси, м

Так как точка С находится в срединной части торсионной оси, можно считать, что хл = Хп и Ул = Уп, тогда уравнения равновесия рассматриваем в двух плоскостях согласно схеме на рисунке 4:

- в горизонтальной плоскости:

I МЛ(РК) = 0 - хс • 0,5/ + хп/ = 0. (11) Тогда

хп хл 0,5%С; (12)

- в вертикальной плоскости:

!МЛ(^) = 0 -ус-0,5/-С0-0,5/ + уп-/ = 0. (13) Тогда

Уп=Ул = 0,5(ус-С0). (14)

С учётом выражений (7) и (9) получаем:

хп=%л = 0,5 -Рт, (15)

Вт

= СТ(ВТ - ат) #Д(ВТ + Ьд) + ул-ак + хл-кк Вт в^

п' _

ппер —

Ст • ат + УЛ(ВТ ~ ак) ~хл-}1к-Ыа-Ьл

Ст • ат Ул(Дт ~ ак) ~ х„ ■ К - ЛГД • Ьд

(18)

(19)

Ву Ву

Анализ выражений (18), (19) и (5), (6) показывает, что происходят изменения вертикальных составляющих силовых реакций поверхности под опорами трактора, которые составят:

- для задней опоры (колёсного движителя) серийного трактора:

ЛГД(ДТ + Ьд) + ул • ак + хл • /1к

Д3ад '

Вт

(20)

- для передней опоры (колёсного движителя) серийного трактора:

УЛВт - ак) -хл-кк

^пер '

5т

(21)

С учётом выражений (7), (13), (16) получаем изменения вертикальных реакций для опор трактора с устройством:

Дзад- 2

Дпер- 2

у _ ('(Вт + Ьд + 0,5ак) - а • ак) ■

С0 • ак Рт ' ^к

; (22)

/

РтК

(23)

/

Анализ выражений (22) и (23) показал, что задняя ось трактора с устройством в работе загружается, а передняя управляемая - разгружается.

Выводы. Проведённые исследования подтверждают, что изменение веса, приходящегося на колёса трактора, корректирует положение центра тяжести, что позволит увеличить тягово-сцепные свойства трактора.

Для подтверждения полученных теоретических данных были проведены эксперименты, результаты которых подтвердили эффективность предлагаемого конструкторского решения и показали, что использование устройства позволяет повышать сцепной вес в ходовой системе ТТА, приходящийся на задние ведущие колёса трактора, на 18 - 20 % в сравнении с серийным вариантом агрегата.

Литература

1. Алдошин Н.В., Пехутов А.С. Повышение производительности при перевозке сельскохозяйственных грузов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 4. С. 26 -27.

2. Кушнарев А.Н. Результаты экспериментальных исследований поворота многозвенных тракторно-технологических поездов при перевозке сельскохозяйственных грузов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 166 - 169.

3. Гуськов Ю.А. Совершенствование сборочно-транспортного процесса и технических средств на за-

готовке грубых кормов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01. Швосибирск, 2007. 211 с.

4. Методы оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров тракторных транспортно-технологических агрегатов: монография I ПФ. Скурятин, Е.В. Соловьев, С.В. Соловьёв [и др.]. М.; Белгород: ООО «Издательско-книготорговый центр Колосс», 2020. 129 с.

5. Повышение продольно-поперечной устойчивости и снижение техногенного воздействия на почву колёсных мобильных энергетических средств: монография I С.В. Щитов, Е.Е. Кузнецов, Е.С. Поликутина [и др.]. Благовещенск: Изд-во Дальневост. гос. агр. ун-та, 2020. 148 с.

6. Belyaev V.I., Fruhauf M., Mainel T. Ecological Consequences of Conversion of Steppe to arable Land in Western Siberia II Europa Regional. 2004. Vol. 1, №4. P. 13 - 21.

7. Increasing The Shallowness Of The Wheeled Tractors I Shchitov S.V., Tikhonchuk P. V., Bumbar I.V., Krivuca Z.F., Samuilo V.V., Yakimenko A.V., Mitrokhina O.P. II Journal of Mechanical Engineering. 1752. 41 (2) (2018). p. 31 - 34.

8. Пат. на изобретение № 2739635 Российская Федерация. Буксирно-распределяющее устройство I Кушнарев A.H., Щитов С.В, Кузнецов Е.Е. I заявит. и патентообл. Дальневосточный гос. агр. университет. Заявка № 2020110487; заявл. 11.03.2020; зарег. 28.12.2020; опубл. 28.12.2020; Бюл. № 1. 10 с.

9. Кушнарев A.H., Кривуца З.Ф. Совершенствование использования многозвенных тракторно-транспортных поездов II Техника и оборудование для села. 2020. № 6 (276). С. 14 - 17.

10. Шуравин A.A. Способ корректирования тягово-сцепных свойств колёсного энергетического средства в повороте II Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 2 (88). С. 164 - 167.

Александр Александрович Шуравин, аспирант. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, Sh.aleksandr.2019@mail.ru

Елена Сергеевна Поликутина, кандидат технических наук. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, e.polikytina@mail.ru

Сергей Васильевич Щитов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, shitov.sv1955@mail.ru

Евгений Евгеньевич Кузнецов, доктор технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, ji.tor@mail.ru

Валентина Ивановна Худовец, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, volna0911@mail.ru

Елена Владимировна Панова, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, panova1968@mail.ru

Alexander A. Shuravin, postgraduate. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, Sh.aleksandr.2019@mail.ru

Elena S. Polikutina, Candidate of Technical Sciences. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, e.polikytina@mail.ru

Sergey V. Shchitov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, shitov.sv1955@mail.ru

Evgeny E. Kuznetsov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, ji.tor@mail.ru

Valentina I. Khudovets, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, volna0911@mail.ru

Elena V. Panova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University.

86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, panova1968@mail.ru

-♦-