CC BY
238
УДК 629.114.2
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА ДАВЛЕНИЯ НА ТЯГОВО-СЦЕПНЫЕ КАЧЕСТВА ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Е.И. БЕРДОВ, кандидат технических наук, доцент
В.А. АЛЯБЬЕВ, аспирант
Е.Г. ЩЕПЕТОВ, аспирант
Челябинская ГАА
E-mail: BerdovEugene@yandex.ru
Резюме. В статье рассмотрены и проанализированы взаимосвязи между положением центра давления гусеничной машины и её выходными показателями в агрегате с различными орудиями.
Ключевые слова: трактор двойного назначения, центр давления, продольная координата центра давления, внешние силы и моменты
Применение гусеничных тракторов двойного назначения (ТДН) в средних и крупных сельскохозяйственных предприятиях обеспечивает их эффективную загрузку в течение всего календарного года благодаря возможности работы не только с комплексом сельскохозяйственных орудий, но и с землеройным оборудованием, в частности, с бульдозерным [1].
ТДН создают на базе как промышленных, так и сельскохозяйственных тракторов общего назначения. В качестве примера первого варианта можно назвать тракторы класса 8/10 (в числителе тяговый класс по сельскохозяйственной классификации, в знаменателе - по промышленной) марок Т-170М1.03-53/54/55 (ОАО «ЧТЗ-УралТРАК»), второго - ТДН класса 4 марок Т-4А/Т4АП (ОАО «Алттрак») и ТДН класса 3 марок ДТ-75М/ДТ-75МП (ОАО «ПТЗ»).
При этом следует учитывать важную особенность, заключающуюся в том, что конструкция любого базового сельскохозяйственного трактора общего назначения в наибольшей степени приспособлена для работы с крюковой нагрузкой, в то время как бульдозер - фронтально расположенное орудие, и для его работы базовый трактор должен обеспечивать необходимые толкающее и заглубляющее усилия.
Что касается сельскохозяйственных модификаций промышленных тракторов, то, кроме упомянутых, серьёзная проблема - их низкая энергонасыщенность (обусловленная спецификой работы бульдозерного агрегата), которая не позволяет развивать требуемые рабочие скорости при выполнении энергоёмких агротехнических операций.
Таким образом, проблема заключается в том, что простое механическое агрегатирование сельскохозяйственного трактора общего назначения с бульдозерным оборудованием или промышленного трактора с энергоёмкими сельхозорудиями не может обеспечить высокую эффективность их работы. В то же время и введение значительных конструктивных изменений в базовый трактор также не приемлемо.
В связи с изложенным актуален поиск резервов повышения эффективности использования тракторов двойного назначения, не связанных со значительными конструктивными изменениями базовой машины. К их числу относится оптимизация положения центра давления (ЦД) гусеничного трактора при различных вариантах нагружения.
Цель наших исследований - установить степень влияния (весомость) фактора изменения положения ЦД на выходные показатели гусеничного ТДН в агрегате с энергоёмким землеройным орудием на примере бульдозера.
Как известно из теории гусеничного трактора [2,
3 и др.], положение ЦД, то есть точки приложения равнодействующей Ид всех нормальных реакций грунта на гусеничный движитель, в весьма значительной степени влияет как на тяговые свойства машины, так и на величину потерь мощности двигателя в ходовой системе. При этом с точки зрения обеспечения наилучших тяговых свойств трактора продольная координата ЦД должна, по возможности, совпадать с серединой опорной поверхности гусениц.
Установлено, что гусеницы передают давление на почву отдельными активно-опорными участками, группирующимися вокруг каждого опорного катка [4]. В тех случаях, когда катки расставлены настолько часто, что почти каждое звено гусеницы, лежащее на почве, находится под их непосредственным воздействием, активной опорной поверхностью служит вся опорная поверхность гусеницы. Это достигается [5, 6] в том случае, когда отношение шага опорных катков, то есть расстояния tкат между осями смежных катков (рис. 1) к шагу звена гусеницы /зв находится в пределах 1,5...1,7.
Рис. 1. Схема ходового аппарата гусеничного трактора: у1, у2 - соответственно угол наклона передней и задней наклонных ветвей гусениц к горизонтали; tкат - расстояние между осями опорных катков; /зв - шаг звена гусеницы; /.! - расстояние между осями крайних опорных катков; /2, /3 - соответственно длина передней и задней наклонных ветвей гусеницы.
Такие соотношения обычно выдерживаются у тракторов сельскохозяйственного и универсального назначения. У тракторов типа Т-4А £кат / /зв = 1,795; при этом следует иметь в виду, что семейство тракторов ОАО «Алттрак» (Т-4А, Т-4АП2, Т-402...406 и др.) изначально создавали как гусеничную машину класса 4 универсального назначения, то есть с возможностью агрегатирования и работы и с сельскохозяйственным, и с дорожно-строительным оборудованием.
При рекомендованных значениях отношения tкaт/lзв допускается, что у гусеничных машин с полужесткой (или жесткой) подвеской эпюра нормальных давлений на почву имеет линейный или близкий к линейному характер. Вместе с тем, такое допущение приближенное, поскольку реальные эпюры давлений гусеничных
в передаче давлении на почву (и создании тягового усилия) участвует еще вся длина опорной поверхности гусениц;
треугольную (см. рис. 2, г) с вершиной, расположенной внутри Lгус, то есть полной длины опорной поверхности - при такой эпюре в передаче давлений на почву (и создании тяги) участвует только часть опорной поверхности гусениц, даже если опорным становится направляющее (или ведущее) колесо.
Результирующая нормальная реакция почвы проходит через центр тяжести фигуры, изображающей эпюру. Поэтому, если известна эпюра, можно определить положение ЦД трактора и, наоборот, по положению ЦД можно судить о виде эпюры давления.
При прямоугольной эпюре ЦД трактора располагается посредине опорной поверхности гусениц, то есть величина смещения ДХд в этом случае равна нулю.
Трапециевидной эпюре соответствует смещенное положение центра давления, причем величина его смещения, в зависимости от степени наклона эпюры, может иметь различные значения, вплоть до максимального ДХд = L|уJ6. Когда смещение ЦД достигает такой величины, эпюра превращается из трапеции в треугольник.
Центр тяжести прямоугольного треугольника, как известно из геометрии, расположен на расстоянии 1/3 высоты от основания, тогда величина смещения будет равна:
дХ =1, =1,
ЦД 2 Ф 2 гус £ гусш
(1)
Рис. 2. Эпюры вертикальных усилий, действующих на ходовой аппарат гусеничного трактора (пояснения в тексте).
тракторов (особенно с эластичной подвеской), не говоря уже о колёсных, имеют сложную нелинейную конфигурацию [4].
При упомянутом допущении эпюры давления могут принимать, в зависимости от положения ЦД трактора, следующие основные формы (рис. 2):
прямоугольную (см. рис. 2, а), которая характеризует равномерное распределение нормальных реакций по всей длине опорной поверхности гусениц (обычно при отсутствии тяговой нагрузки);
трапециевидную (см. рис. 2, б), когда нормальные реакции почвы распределяются по длине опорной поверхности гусениц неравномерно - по мере увеличения тяговой нагрузки задние опорные катки ходового аппарата трактора догружаются, а передние - наоборот; центр давления смещается назад на величину ДХд относительно середины опорной поверхности гусениц;
треугольную (см. рис. 2, в) с вершиной у края опорной поверхности гусениц (по длине) спереди или сзади в зависимости от реакций внешних сил - это крайняя форма неравномерной эпюры, при которой
Назовём отношение ДХЪ коэффициентом смещения ЦД гусеничного трактора и обозначим его X . Значение Хд = 1/6 можно считать предельно допустимой величиной, так как при ее превышении часть опорной поверхности гусениц прекращает принимать участие в передаче давлений на почву и, следовательно, в передаче тягового усилия.
В общем случае на гусеничный трактор с задним расположением орудия действуют внешние силы и моменты, показанные на рис. 3.
Обозначим длину используемой опорной поверхности гусениц при Хцд > 1/6 через і^с . Как видно из нижней эпюры (см. рис. 2), в этом случае:
2^гус 2 ^гус’
откуда
(2)
Рис. 3. Схема внешних сил и моментов, действующих на гусеничный трактор (пояснения в тексте).
^=з|-^дхад
(3)
Наклон эпюр при неравномерном распределении нормальных реакций почвы по длине опорной поверхности гусениц трактора зависит от направления смещения ЦД. Для дальнейшего анализа за положительное направление (+ДХщ) примем смещение вперёд (по ходу трактора), за отрицательное (-ДХ) - назад.
Длиной опорной поверхности гусениц в соответствии с ГОСТ 7057-81 считается расстояние 11 (см. рис. 1) между осями крайних опорных катков трактора плюс шаг гусеницы !зв. Если угол наклона к горизонтали переднего нижнего участка гусеницы у1 меньше 5° или заднего у2 меньше 2°, длину опорной поверхности определяют по формулам:
= l1 + 12 при У2 * 2°; = 11 + 13 при Уз * 5°.
Если углы у2 * 2° и у3 * 5°, то Lгус = 11 + 12 + 13, то есть расстояние между осями направляющего и ведущего колёс.
В реальных условиях эксплуатации длина опорной поверхности гусениц зависит и от типа почвы, по которой движется трактор. При небольших углах наклона к опорной поверхности передних и задних ветвей гусениц (2°...4° у тракторов с полужесткой подвеской) ведущие и направляющие колёса гусеничного движителя на мягких сминаемых почвах также принимают участие в передаче нормальных давлений. В этих условиях длиной опорной поверхности гусениц можно считать расстояние между осями направляющих и ведущих колёс. На твёрдых почвах и при движении по укатанному грунту более правильным будет принимать за длину опорной поверхности гусениц только ту её часть, которая образуется суммой звеньев находящихся непосредственно под опорным катками, то есть как требует ГОСТ 7057-81.
Продольную координату Хцд можно определить аналитически из уравнения моментов всех внешних сил относительно какой-либо точки, например, точки О (см. рис. з):
_ва •со8а-(0-я>па + Рт}Ь-Ркрґікр-Ргу,-МИІ
4 • соза+ Р„
(4)
где Fин - равнодействующая поступательных сил инерции, приложенная в центре масс трактора - Fин = ±(dV/&)-т (знак «минус» соответствует ускоренному движению трактора); Мин - касательные силы инерции в продольной плоскости, приведённые к оси ведущих колёс - М = ^ (dю /dt).
ин ^ прив вк '
Более точное определение ЦД (особенно при воздействии эксплуатационных нагрузок) связано с трудоёмкой и дорогостоящей тензометрией узлов трактора, требующих предварительной подготовки с разборкой и доработкой объекта испытаний, что
не всегда возможно технически и приемлемо экономически.
Для тракторов с бульдозерным оборудованием определение положения ЦД по ГОСТ 10792-81 осуществляется для различных вариантов положения отвала (рис. 4):
бульдозер стоит на горизонтальной поверхности, отвал поднят на максимальную высоту (см. рис. 4, а);
бульдозер движется по горизонтальной поверхности с максимально возможным объёмом призмы волочения при одновременном срезании грунта, результирующая Я сил сопротивления на отвале направлена под углом к горизонтальной плоскости (см. рис. 4, б);
бульдозер движется в траншее по горизонтальной поверхности без срезания грунта, но с максимально возможным объёмом призмы волочения, результирующая Я сил сопротивления на отвале горизонтальна (см. рис. 4, в).
Рис. 5. Схема определения продольной координаты ЦД для бульдозера (пояснения в тексте).
Положение ЦД в большинстве случаев определяют относительно оси (вала) ведущего колеса (рис. 5, 6) по формуле:
_д,-с/+яу-с/> - я,-/\
N
(5)
где Ях и Яу- соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие результирующей Я сил сопротивления на отвале; N - равнодействующая всех нормальных реакций грунта на гусеницы (N = Gб + Я); б - расстояние от ЦД бульдозера до оси ведущего колеса; Л', Л" - высота точки приложения результирующей Я сил сопротивления на отвале; - расстояние от точки приложения результирующей Я сил сопротивления на отвале до оси ведущего колеса.
Горизонтальная составляющая результирующей сил сопротивления на отвале Ях должна определяться по формуле:
: п • Р , (6)
пяг ном’ ' '
Я
где Р - номинальное
ном
тяговое усилие бульдозера; птяг - тяговый КПД трактора.
При параметрах профиля отвала, обеспечивающих при разработке плотного грунта непрерывное образование и движение стружки по отвальной поверхности,
Рис. 4. Варианты положения бульдозера и действия нагрузок : Єб - вектор силы тяжести, принимается Л тяг = 0,6; в приложенный в центре масс агрегата; Я - результирующая сил сопротивления на отвале остальных случаях птяг = °Д бульдозера. Дополнительно должна проДостижения науки и техники АПК, №9-2012 __________________________________________________ 73
Рис. 6. Схема определения вертикальной координаты точки приложения результирующей Я сил сопротивления на отвале бульдозера (пояснения в тексте).
водиться проверка для птяг = 1,0 [6].
Результирующая сил сопротивления на отвале R и вертикальная составляющая Ry определяются по формулам:
R = Rx/cos y; Ry = Rx ■ tgy, (7)
где y - угол наклона результирующей R к горизонтальной плоскости.
При резании и перемещении плотного грунта принимают y = 17°, при резании и перемещении разрыхлённого грунта, а также при перемещении разрыхлённого грунта в траншее - y = 0°.
Высота точек приложения Rx и Ry (см. рис. 6) определяется по уточненным формулам, полученным в результате экспериментальных исследований [6]:
при резании и перемещении плотного грунта (см. рис. 6, а)
h’K=0,135H0l (8)
при перемещении разрыхлённого грунта в траншее без резания(см.рис.6,б)
h" = 0,244Н0, (9)
где Н0 - высота бульдозерного отвала (без козырька).
Величины y и h даны ориентировочно для грунтов 1...3 категорий, при которых параметры профиля отвала не оказывают существенного влияния на эти показатели.
По вычисленной координате Хд определяется смещение центра давления АХцд относительно середины опорной поверхности гусениц трактора, и даётся заключение о его допустимости по тем или иным критериям.
Аналогичные методы и аналитические выражения для определения продольной координаты Хцд предложены в [7], однако они основаны на довольно грубых допущениях и дают большую погрешность.
В результате исследований гусеничного трактора с полужесткой подвеской (Т-170М1.03) в агрегате с бульдозерным оборудованием 0Б-10В [8], достоверно установлено, что положение ЦД оказывает решающее влияние на изменение тяговых свойств трактора с бульдозерным оборудованием, по сравнению с догружающими силами, возникающими при выглублении бульдозерного отвала с набранной призмой волочения грунта во время рабочего элемента цикла. Так, при увеличении силы тяжести трактора на 30 кН без смещения ЦД с оптимальной зоны, тяговое усилие при максимальной мощности уменьшается лишь на 2,6 кН (3 % от Р ) с соответствующим незначитель-
' кр.тах' 1 ^
ным ростом усилия на самопередвижение Р( и падением тяговой мощности N. Совершенно другая картина имела место при изменении положения ЦД трактора: смещение ДХд относительно середины опорной поверхности гусениц от минус 350 до плюс 350 мм (соответствующее воздействию на трактор наиболее вероятных бульдозерных нагрузок) вызывает снижение тягового усилия при номинальной мощности двигателя на 1-й передаче с 85,5 до 46,0 кН (то есть на 46 %) вследствие ухудшения сцепных качеств и резкого увеличения сопротивления самопередвижению Р( (с 13,4 до 53,2 кН, то есть в четыре раза).
Вывод. Таким образом, можно констатировать, что положение ЦД существенно влияет на тягово-сцепные, тягово-динамические и техникоэкономические свойства гусеничного трактора. Оптимизация положения ЦД гусеничного тракторного агрегата при воздействии рабочих нагрузок - актуальная научно-техническая задача с точки зрения поиска резервов увеличения производительности и экономичности МТА в составе ТДН.
Литература.
1. Бердов Е.И. и др. Трактор двойного назначения для АПК. Тракторы и сельскохозяйственные машины. № 9, 2001, с. 14-17.
2. Гуськов В.В. и др. Тракторы. Теория. - М.: Машиностроение, 1988. - 376 с., ил.
3. Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин. - М.: Машиностроение, 1975. - 448 с., ил.
4. Скотников В.А., Пономарёв А.В., Климанов А.В. Проходимость машин. - Минск: Наука и техника, 1982. - 328 с.,
ил.
5. Пинигин Б.Н. Теория трактора. Исследование свойств гусеничных движителей. Учебное пособие. - Челябинск: ЧПИ, 1985. - 96 с., ил.
6. Бердов Е.И., Щепетов Е.Г. Повышение эффективности использования тракторов двойного назначения. Монография.-Челябинск: ООО «Издательство РЕКПОЛ», 2008. - 170 с.
7. Справочник конструктора дорожных машин. Под ред. И.П. Бородачева. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1973. -504 с., ил.
8. Теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию оптимальных параметров с.-х. модификации трактора Т-170 и агрегатов на его базе: Отчет ГосНИИ ПТ № 113. Отв. исп. Бердов Е.И. - Челябинск, 1997. - 148 с.
INFLUENCE OF CHANGING A PRESSURE CENTRE POSITION ON TRACTIVE AND COUPLING QUALITY OF CATERPILLAR TRACTOR DOUBLE-PURPOSE E.J. Berdov, V.A. Alyabjev, E.G. Shchepetov
Summary. In article are considered and analysed intercoupling between position of pressure center of caterpillar machine and output factors in unit with different instruments.
Key words: tractor double-purpose, pressure center, longitudal coordinate of pressure center, external power and moments.
