CC BY
14
УДК 631
М. В. Канделя, В. Н. Рябченко
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ОПОРНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ГУСЕНИЧНОГО КОМБАЙНА «ЕНИСЕЙ-1200Р» ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ
В статье рассмотрен теоретический метод расчёта сил сопротивления движения в зависимости от смещения центра тяжести относительно середины опорной поверхности гусеничного движителя комбайна «Енисей-1200Р».
Ключевые слова: гусеничный движитель, опорная поверхность, центр тяжести, почвенные условия, коэффициент сопротивления движению, эпюра давления, опорные катки, аналитические зависимости.
В теории гусеничного движителя установлено, что положение центра тяжести при постоянстве всех прочих параметров движителя и почвенных условий изменяет характер распределения давления, а следовательно, и положение центра давления по длине опорной поверхности. Это, в свою очередь, изменяет величину и характер сил, оказывающих сопротивление движению машины.
Авторами [3, 5] получено, что наилучшие условия работы гусеничных машин обеспечиваются при динамическом положении центра тяжести, соответствующем равномерному распределению веса на опорные катки.
Действительный характер распределения давления под опорной поверхностью гусениц при различном смещении центра тяжести зависит от многих факторов и представляет собой сложную эпюру с максимальными пиками под наиболее нагруженными катками, что вызывает целый ряд затруднений для теоретического решения вопроса о влиянии положения центра давления на коэффициент сопротивления движению.
Этим объясняется то обстоятельство, что исследователями [2, 8] был накоплен значительный экспериментальный материал, позволяющий выявить характер изменения коэффициента сопротивлению движения f в зависимости от смещения центра тяжести вдоль опорной поверхности.
Канделя Михаил Васильевич — кандидат технических наук, профессор (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: kandelya79@mail.ru.
Рябченко Виктор Николаевич — кандидат технических наук, профессор (Дальневосточный государственный аграрный университет, Благовещенск); е-mail: kafedraOD-FMCX2012@mail.ru
© Канделя М. В., Рябченко В. Н., 2018
74
Исследованиями в НАТИ получены зависимости коэффициента сопротивления движению от относительной координаты центра тяжести (Хщ/V) на различных по физико-механическому составу почвах. Результаты исследований показывают, что при работе на холостом ходу на большинстве почв наименьшее сопротивление движению имеет место при положении центра тяжести над серединой опорной поверхности. На мокрой же илистой почве сопротивление движению уменьшается при смещении центра тяжести назад, что авторы объясняют погружением в ил только задней части трактора и уменьшением вследствие этого потерь на перемешивание мокрого ила в ходовой части. На снежной целине сопротивление движению возрастает даже при незначительном смешении центра тяжести вперёд от середины опорной поверхности, а его смещение назад до 0,03 не влияет на сопротивление движению.
Приведённые экспериментальные данные подтверждают, что в зависимости от физико-механических свойств почв и действующих нагрузок изменяется характер распределения давления и положение центра тяжести машины, что влияет на величину сил сопротивления движению. А следовательно, конкретным почвенно-климатическим условиям эксплуатации машин должно соответствовать оптимальное положение центра тяжести, при котором сопротивление движению будет минимальное. В работе [7] предложен теоретический метод расчёта сил сопротивления в зависимости от смещения центра тяжести относительно середины опорной поверхности. Теоретические расчёты подтверждены экспериментальными данными при испытаниях тракторов. Анализ расчётных величин: силы сопротивлению движению от деформации почвы
и касательной силы тяти показывает, что сопротивление движению минимально при смещении центра тяжести вперёд относительно середины опорной поверхности. Автором распределение давления принято трапецеидальным, что не всегда имеет место. Не дано объяснение, чем вызвано снижение силы сопротивления движению вследствие некоторого смещения центра тяжести вперёд. Можно предположить: минимум величины Р;- при смещении центра тяжести вперёд связан с увеличением длины опорной поверхности за счёт увеличения контакта направляющего участка гусеницы с почвой, что не учитывалось в приведённой работе.
Рассмотрим влияние положения центра тяжести на проходимость зональных уборочно-транспортных машин на гусеничном ходу.
При изменении положения центра тяжести гусеничного движителя изменяется характер распределения давления вдоль опорной поверхности. На рис. 1 и 2 приведены схемы распределения давления под опорной поверхностью при различных положениях центра тяжести.
По характеру распределения давления вдоль опорной поверхности можно выделить четыре участка:
75
- лобовой участок, соответствующий части наклонной направляющей ветви гусеницы, находящейся в контакте с почвой — Ьу
- участок под передней опорной кареткой —
- участок между передней и задней опорными каретками — ;
- участок под задней опорной кареткой — £4.
Рис. 1. Схема распределения давления при смещении центра тяжести в зону передней опорной каретки
В расчётных схемах распределения давления волнообразная эпюра под опорными каретками заменена эквивалентной по площади равномерной эпюрой.
Подобное упрощение вполне допустимо, т. к. большинство авторов отмечают, что равномерность распределения нормальных давлений обеспечивается на любом почво-грунте гусеницей любой формы и площади, если выдержано условие я/ < 1,7 (а — расстояние между катками; t — шаг гусеницы).
Уменьшение я/ меньше величины 1,7 существенного влияния на характер распределения давления не оказывает.
Гусеничный движитель уборочно-транспортных машин имеет отношение я/ = 1,58.
Как показали экспериментальные исследования [5], [7], [12], для данной конструкции гусеничного движителя распределение давления под опорными каретками на слабых грунтах можно принять с допущениями как близкое к равномерному.
Принятая схема распределения давления, не искажая общую картину распределения давления вдоль опорной поверхности, позволяет значительно упростить аналитические расчёты для анализа происходящих явлений в почво-грунте под воздействием гусеничного движителя.
Следует отметить, что положение центра тяжести не влияет на величину силы сопротивления движению, обусловленной механическими потерями в движителе, т. к. при изменении положения центра тяжести величина нагрузки, приходящейся на движитель, остаётся постоянной.
76
Рис. 2. Схема сил, действующих на гусеничный движитель при смещении центра тяжести в зону задней опорной каретки
В дальнейшем рассмотрим влияние положения центра тяжести на
ве личину р. .
* п
При смещении центра тяжести в зону передней опорной каретки (рис. 1) формирование колеи будет происходить под действием нагрузки передней опорной каретки — (?п. Общее сопротивление движению будет определяться уравнением:
Pf = CQ + 2 ■ Da ■ q ■ Ъ
ein
(1)
где С,,. О0 — коэффициенты, зависящие от веса машины, скорости движения и натяжения гусеницы; Ь — ширина гусеницы, м; д — давление движителя на почву, кПа; С — коэффициент жёсткости почвы, Н/л43; ■ — приведённый КПД буксования на ведущем участке.
При смешении центра тяжести в зону задней опорной каретки (рис. 2) формирование колеи вначале будет происходить под действием давления срп/ определяемого нагрузкой (¡„, затем под действием давления ■' = ■': - ■' -, соответствующего увеличению давления под задней опорной кареткой.
Деформация грунта в этом случае осуществляется, в основном, направляющим участком гусениц и участком, расположенным между передней и задней опорными каретками:
Ь*2
Р- =
/п Cllflo
(2)
где — приведённый КПД буксования, определяемый углом трения и буксованием движителя на участке £ 3 [12].
Общее сопротивление движению при смещении центра тяжести в зону задней опорной каретки с учётом механических потерь будет определяться величиной:
77
pt = cQ + 2 ■ d0 ■ ц ь ■ l +
bV Ьд1
CIJS С-Цдо'
(3)
Реакции почвы, действующие на каждом рассматриваемом участке опорной поверхности, представляют собой равнодействующие элементарных реакций вдоль каждого участка, точка приложения которых будет находиться в центре эпюры давления рассматриваемого участка. При этом
= Я, (4)
где — среднее давление соответствующего участка, _ величина опорной поверхности этого же участка.
Для рассматриваемых участков опорной поверхности гусеничного движителя будем иметь:
(5)
(6)
(7)
(8)
При установившемся режиме движения на горизонтальной поверхности касательная сила тяги гусениц Д будет уравновешивать действие сил сопротивления движению Р^, поэтому для упрощения расчётов действие горизонтальных сил учитывать не будем. В этом случае смещения центра давления (рис. 2) величина Хс определяется по формуле
(9)
Подставляя в уравнение (9) моменты реакций почвы из выражений (5), (6), (7), (8) и заменяя N величиной Р, получим после преобразований:
(10)
где А и В — параметры, характеризующие размеры гусеничного движителя, м3; £ — коэффициент неравномерности распределения давления, определяемый по формуле
i =
<tl -In
(11)
где д — среднее давление под опорными каретками гусеничного движителя.
При этом равномерному распределению давления под передней и задней опорными каретками будет соответствовать значение коэффициента неравномерности £ = 0.
Выразим величину давления в зоне передней и задней опорных кареток движителя в зависимости от смещения центра тяжести, для чего рассмотрим схему сил, действующих на гусеничный движитель.
78
Учитывая, что при установившемся режиме движения Хс = 1П — I, из уравнения (10) получим:
Чп =
PÜ П-Г'-Зчч?
(12) (13)
Выразим величину коэффициента £ через параметры движителя.
Рис. 3. Схема распределения нагрузок между опорными каретками
Из конструктивной схемы движителя (рис. 3) следует, что вес движителя на почву передаётся через опорные каретки и направляющее колесо.
Для упрощения принимаем, что вес движителя передаётся только через опорные каретки = 0). Максимальная погрешность в определении нагрузки (¿н, как показали расчёты, составляет менее 2 %, что вполне допустимо.
В этом случае величины нагрузки на переднюю и заднюю опорные каретки соответственно будут равны:
¿о '
Q п =
h
<12 = -Г'Р'
'о
где ¿с — расстояние между шарнирами опорных кареток.
Пренебрегая величиной нагрузки на направляющее колесо, условно переносим её в точку приложения нагрузки (?п- Отсюда и эпюра давления под направляющим колесом должна быть отнесена в зону действия передней опорной каретки с таким условием, чтобы эпюра давления на дополнительной длине ^ по величине соответствовала давлению под передней опорной кареткой (да).
79
Этому условию удовлетворяет не вся дополнительная длина Ь ¡_ вследствие погружения движителя, а её часть (рис. 3), на длине которой воспринимается давление такое же, как и под всеми опорными катками передней каретки. На участке Ь3 примем ступенчатое распределение давления с величиной и д3.
Исходя из принятых допущений длина гусеничной ленты, передающая нагрузку |?п, будет равна:
- . = - . ---:"-; -, (14)
а длина, передающая нагрузку
-; = -; - " , (15)
Разделив выражение значения Фп на выражение (14), а (?п на (15), получим:
Ч п =
2Ь- fLj/2 + Ls/2 + LJl0' P-l
(16)
Чг
соответственно давление под обеими каретками:
(17)
Подставляя значение давлений в выражение (11) и обозначая , после преобразования получим:
<
(18)
Длина опорной поверхности направляющего участка [12] в зависимости от глубины колеи при её изменении в пределах 0 < И < Лв мм равна:
^ = 4,5 ■ к. (19)
При изменении глубины колеи в пределах ^ о < Л ^
= т"! - , ■. - ..? - '.-..? (20)
Окончательное выражение для определения коэффициента £ равно:
i =■
■■ "--i
(21)
где /@0 — длина опорной поверхности направляющего участка в зависимости от к , определяемая по формулам (19) и (20).
80
Из выражения (21) следует, что коэффициент неравномерности распределения давления между опорными каретками изменяется в зависимости от положения центра тяжести I и глубины погружения И движителя.
В таблице приведены значения коэффициента К для различных значений глубины колеи при постоянном положении центра тяжести / = 620 мм. Анализ таблицы показывает, что при изменении глубины колеи до 300 мм коэффициент изменяется от 0 до 0,228 при постоянном положении центра тяжести движителя.
Таблица 1
h 0 0 0 100 124 150 200 250 300
l 0 5 12,5 225 276 318 358 385 401
4 0 0,029 0,0685 0,133 0,161 0,184 0,206 0,22 0,228
Уравнение (3) с учётом значений д,, по формуле (12) и с учётом изменения коэффициента неравномерности распределения давления $ формулы (21) позволяет сделать вывод, что функция Рт- =/(() имеет сложную зависимость и изменяется по закону, близкому к параболе.
Исследования влияния распределения давления по длине опорной поверхности при различных положениях центра тяжести на проходимость осуществлялось путём экспериментального определения коэффициентов сопротивления движению.
Почвенные условия характеризовались следующими данными: средняя влажность почвы № = 68,4 %, средний коэффициент объёмного смятия почвы С — 19 кН/м3. Фон — стерня пшеницы.
Исследования проводились при предварительном натяжении Т = 13,5 кН, скорости движения V = 0,32 м/ с. Вес, приходящийся на движитель, равнялся Р = 183,0 кН.
На рисунке 4 приведены расчётные данные и экспериментальные значения коэффициентов сопротивления движению.
t-__ 1 1 • JA i-" 1 _ J
Г""*' 1 1 1 1 t
э» «» ИО 6Я> JS0
Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления движению от положения центра тяжести относительно шарнира передней каретки
81
Сплошной линией показан характер изменения коэффициента /, полученный расчётным путем. Точками обозначены значения коэффициентов по результатам экспериментальных данных. Пунктирная линия отражает характер изменения экспериментальных значений, определённых по методу наименьших квадратов.
Экспериментальные величины коэффициентов сопротивления движению являются средними значениями ряда опытов.
Сравнение теоретических и экспериментальных значений исследуемых величин показывает удовлетворительную их сходимость. Отклонения при определении коэффициентов сопротивления движению в среднем составили 10,3 %.
Как показали дальнейшие исследования [10], расхождения теоретических и экспериментальных значений в основном объясняются тем, что в расчётных формулах учитывался эксплуатационный вес, приходящийся на опорную поверхность движителя. Действительная нормальная нагрузка определяется по формуле:
= Л- I ■'.'■■ ■-■.-. (23)
По результатам испытаний комбайнов [9] на серийной гусеничной ходовой системе среднеквадратические значения низкочастотных ускорений остова при движении по стерне кормовых трав составляли более 1,21 м/ Следовательно, в приведённых расчётах действительный вес необходимо учитывать по выражению:
-"' = Л1 ■=■■:;. (24)
В этом случае теоретические расчёты будут более обоснованными. Таким образом, разобранные аналитические зависимости для расчёта сил сопротивления движению могут быть использованы для инженерных расчётов, связанных с эксплуатацией, усовершенствованием исследуемого движителя и конструированием подобного типа движителей.
Список литературы
1. Беккер М. Г. Введение в теорию систем местность-машина. Ч. 1. Местность. Ч. 2. Машина / пер. с англ. д. т. н. В. В. Гуськова. М.: Машиностроение, 1973. 520 с.
2. Васильев А. В. [и др.] Влияние конструктивных параметров гусеничного трактора на его тягово-сцепные свойства. М.: Машиностроение, 1969. 192 с.
3. Воронин В. А. Исследование распределения удельного давления по длине опорной поверхности гусеничного движителя самоходных уборочно-транспортных машин: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1966. 195 с.
4. Гуськов В. В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. М.: Машиностроение, 1966. 196 с.
5. Емельянов А. М. Гусеничные зерно- и кормоуборочные комбайны. Основы теории и конструктивно-технологические устройства / А. М. Емельянов, И. В. Бумбар, М. В. Канделя, В. Н. Рябченко, Е. М. Шпилев. Благовещенск: ДальГАу, 2013. 318 с.
82
6. Львов Е. Д. Теория трактора. М.: Машгиз, 1960. 252 с.
7. Мацепуро М. Е., Порошков В. А. Влияние положения центра тяжести и центра давления болотного трактора на его проходимость и тяговые качества / / Вопросы земледельческой механики. Т. 3. Минск, 1960. С. 353 — 377.
8. Опейко Ф. A. Наивыгоднейшее распределение давления на грунт при различных положениях центра давления у гусеничного трактора / / Вопросы земледельческой механики. Т. 8. Минск: Гос. изд. БССР, 1962. С. 169 — 188.
9. Рябченко В. Н. Динамика нормальных нагрузок на почву гусеничных движителей комбайна «Енисей-1200Р»: сборник научных трудов. Благовещенск: ДальГАу, 2005. Вып. 11. С. 206—211.
10. Рябченко В. Н. Исследование влияния удельного давления на проходимость гусеничного движителя уборочно-транспортных машин: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1972. 150 с.
11. Создание унифицированной конструкции гусеничной ходовой системы и ведущего моста для новых рисозерноуборочных комбайнов х/д с ГСКБ г. Биробиджан: научный отчёт. М.: 1988. 88 с.
12. Чудаков Д. А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Колос, 1972. 384 с.
•Je -Je -Je
Kandelya Mikhail V., Ryabchenko Viktor N. INFLUENCE OF DYNAMIC LOADINGS ON A BASIC SURFACE OF THE CATERPILLAR COMBINE «YENISE-1200R» AT VARIOUS POSITIONS OF THE CENTER OF GRAVITY
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan; Far Eastern State Agrarian University, Blagoveshchensk)
In the article the theoretical method of calculation of forces of resistance of movement depending on displacement of the center of gravity concerning the middle of a basic surface of the caterpillar mover of the combine «Yenisei-1200R».
Keywords: crawler motor, support surface, center of gravity, soil conditions, the coefficient of resistance to movement, pressure plot, basic skating rink, analytical dependences.
References
1. Bekker M. G. Vvedenie v teoriyu sistem mestnost'-mashina. Ch. 1. Mestnost'. Ch. 2. Mashina (Introduction to the theory of systems terrain-machine. Part 1. Terrain. Part 2. Machine), Moscow, 1973. 520 p.
2. Vasilyev A. V. [et al.] Vliyanie konstruktivnyh parametrov gusenichnogo traktora na ego tyagovo-scepnye svojstva (Influence of the design parameters of a crawler tractor on its towing properties), Moscow, 1969. 192 p.
3. Voronin V. A. Issledovanie raspredeleniya udel'nogo davleniya po dline opornoj poverhnosti gusenichnogo dvizhitelya samohodnyh uborochno-transportnyh mashin (Study of the distribution of specific pressure along the length of the supporting surface of a tracked propulsor of self-propelled harvest-transport vehicles), dissertation, Moscow, 1966. 195 p.
4. Gus'kov V. V. Optimal'nye parametry sel'skohozyajstvennyh traktorov (Optimal parameters of agricultural tractors), Moscow, 1966. 196 p.
5. YEmelyanov A. M., Bumbar I. V., Kandelya M. V., Ryabchenko V. N., SHpilev E. M. Gusenichnye zerno- i kombouborochnye kombajny. Osnovy teorii i konstruktivno-
83
tekhnologicheskie ustrojstva (Caterpillar grain and combine harvesters. Fundamentals of the theory and constructive-technological devices), Blagoveshchensk, 2013. 318 p.
6. L'vov E. D. Teoriya traktora (Theory of the tractor), Moscow, 1960. 252 c.
7. Matsepuro M. Ye., Poroshkov V. A. Influence of the position of the center of gravity and the center of pressure of a marsh tractor on its throughput and traction qualities [Vliyanie polozheniya centra tyazhesti i centra davleniya bolotnogo traktora na ego prohodimost' i tyagovye kachestva], Voprosy zemledel'cheskoj mekhaniki (Questions of Agricultural Mechanics), vol. 3, Minsk, 1960, pp. 353 — 377.
8. Opejko F. A. Most advantageous pressure distribution on the ground at different positions of the center of pressure of a crawler tractor [Naivygodnejshee raspredelenie davleniya na grunt pri razlichnyh polozheniyah centra davleniya u gusenichnogo traktora], Voprosy zemledel'cheskoj mekhaniki (Issues of agricultural mechanics), vol. 8, Minsk, 1962, pp. 169-188.
9. Ryabchenko V. N. Dinamika normal'nyh nagruzok na pochvu gusenichnyh dvizhitelej kombajna «Enisej-1200R»: sbornik nauchnyh trudov (Dynamics of normal loads on the soil of tracked propulders of the Yenisei-1200R combine: collection of scientific works), Blagoveshchensk, DalGAU Publ., 2005, vol. 11, pp. 206 — 211.
10. Ryabchenko V. N. Issledovanie vliyaniya udel'nogo davleniya na prohodimost' gusenichnogo dvizhitelya uborochno-transportnyh mashin (Investigation of the effect of specific pressure on the permeability of a tracked propulsion of harvest-transport vehicles), dissertation, Moscow, 1972. 150 p.
11. Sozdanie unificirovannoj konstrukcii gusenichnoj hodovoj sistemy i vedushchego mosta dlya novyh risozernouborochnyh kombajnov h/d s GSKB, g. Birobidzhan (Creation of a unified design of a tracked undercarriage system and a driving axle for new x / d grain harvesting combines with GSKB, Birobidzhan), scientific report, Moscow, 1988. 88 p. (In Russ.).
12. CHudakov D. A. Osnovy teorii i rascheta traktora i avtomobilya (Principles of the theory and calculation of a tractor and automobile), 2nd ed., Moscow, 1972. 384 p.
* * *
84
