Физический аспект обоснования зависимости касательной силы тяги от лабильности параметров грунтозацепов и почвы

Физический аспект обоснования зависимости касательной силы тяги от лабильности параметров грунтозацепов и почвы

П.А. Иванов, к.с.-х.н., Н.К. Комарова, д.с.-х.н, профессор, И.Д. Алямов, к.с.-х.н., Оренбургский ГАУ

На сегодняшний день проблема влияния внешней силы на улучшение тяговой динамики колёсных тракторов наиболее актуальна при моделировании конструктивно-режимных параметров мобильных энергетических средств (МЭС). Основной целью изучения взаимодействия системы «машина — местность» является обеспечение надёжных методов определения тягово-сцепных характеристик движителей различной формы, поскольку трактор, прежде всего, машина тяговая. При этом наиболее значимым фактором повышения эффективности использования колёсных тракторов выступает снижение уровня и интенсивности колебаний, вызванных работой агрегата. Как показали исследования, колебания нагрузки на крюке трактора, а также неровности контактной поверхности вызывают колебания почвозацепов, чем повышают буксование ведущих колёс, но установленная взаимосвязь до конца не изучена. Поэтому влияние колебаний крюковой нагрузки на буксование движителей и объяснение этого явления вибрацией почвозацепов до настоящего времени рассматривались как гипотеза [1].

Чтобы оценить влияние колебаний почвозацепов на тягово-динамические качества колёсных тракторов, необходимо изучить физическую сущность изменения геометрических параметров грунтозацепов колёсного движителя в процессе их взаимодействия с почвой. При этом важно учитывать влияние на трактор внешних воздействий, независимо от природы их происхождения и интенсивности.

При движении ведущего колеса от воздействия, передаваемого крутящим моментом, возникает касательная сила тяги как следствие упора почвозацепов, вызывающих сдвиг и срез почвенных элементов. Её максимальное значение обусловливается физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей (силами трения и сопротивления). Аддитивность сил трения и сопротивления, возникающих на каждом грунтозацепе в отдельности, как на горизонтальной поверхности снизу, так и на всех его боковых гранях, даёт возможность, в конечном итоге, определить максимальное значение касательной силы тяги — суммарной силы трения:

Иг Иг Иг Иг

F=У F + У F +У F — У F

о внеш. бок. внутр. j \^/

0 0 0 0

где Nr — число грунтозацепов, находящихся в зацеплении с почвой;

F — суммарная сила трения;

F0 — сила сопротивления почвы сжатию; Femui. — сила внешнего трения;

F6oK. — сила трения боковых граней грунто-зацепа;

FeHymp. — сила внутреннего трения.

Данный вид формализации в экспериментальных и теоретических исследованиях предполагает константность геометрических параметров грунтозацепов колеса на протяжении всего рабочего процесса трактора. Однако необходимо отметить, что все перечисленные силы являются функциями высоты грунтозацепа. Такая лабильность параметров грунтозацепов колеса, формализованная уравнением (1), окажет значимое влияние на изменение суммарной силы трения.

Фактически, формула (1) является математической моделью анализа качественных показателей процесса изменения максимального значения касательной силы тяги. Это становится возможным, если получить функциональную взаимосвязь между изменениями геометрических параметров грунтозацепов и перечисленными выше видами силовых возмущений, сопровождающих работу трактора.

Существующая линейная зависимость между средними горизонтальными напряжениями о и деформацией почвы е [2] позволяет определить равнодействующую упорных реакций всех по-чвозацепов. Она будет находиться в параметрической зависимости от коэффициента объёмного смятия почвы k, проекции площади почвозацепа на вертикальную плоскость Sn, угла наклона почвозацепа а:

F0=oS sin а--------= k е- b  a sin a---------,

0 n 2 2 где а — высота почвозацепа, м; b — ширина почвозацепа, м;

i — количество пар почвозацепов, находящихся одновременно в зацеплении с почвой; е — деформация почвы, м; k — коэффициент объёмного смятия почвы, Н/м3.

Между слоем почвы, заключённой между почвозацепами и основной почвой, возникают касательные напряжения т, которые вызывают силу внутреннего трения FeHymp. [3, 4]:

Кщ„„Р=ъ-з, = ^-ъ,-ь-и.

Причём г)0=—8г)Г, где ц — объёмный коэффициент вязкости, Н-с/м3;

ьт — теоретическая скорость трактора, м/с; И — шаг почвозацепов, м;

8 —коэффициент буксования.

Внешнее трение представлено двумя составляющими. Первая составляющая — сила сухого трения:

=к

где к = /£ф — коэффициент трения;

ф — угол внутреннего трения частиц, рад;

Р — среднее давление трактора на грунт, Па; £ — площадь контакта движителя с опорной поверхностью, м2.

Вторая составляющая — сила сопротивления почвы срезу:

^.=Я,-С0-5 .

Сила сопротивления почвы срезу характеризуется напряжением X • С0, где Сд — коэффициент связности, Н/м2;

X — коэффициент угловой деформации грунта;

£ — площадь контакта движителя с опорной поверхностью, м2.

Таким образом, силу внешнего трения можем записать в окончательном виде:

^ =к-Р-8 + Х-С •5.

енеш. о х /

Сила бокового трения Рб0К_ зависит от физикомеханических свойств почвы, конструкции грунтозацепов и технологических режимов работы колеса:

лр  g-а2 - с-tg2

^ а У4

бок. 2

где / — коэффициент трения грунтозацепа по почве;

р — плотность почвы, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; а — высота почвозацепа, м; ^

с — ширина грунтозацепа, м.

В результате формула (1) для нахождения суммарной силы трения примет вид:

^ = > £ • е • о • а вша--------1-

Р О

О

+Х(А--Р-5' + Я,-С0-5,) +

О

г 2 2 Ф\

2

ыг

-ХМ--5-,и7. -Ъ-Ь.

О

Таким образом, проведённые исследования дают основание полагать, что при работе ведущих колёс максимальное значение касательной силы тяги зависит как от параметров грунтозацепов (а, Ь, с), площади контактной поверхности £ и шага грунтозацепов И, так и от параметров почвы (ц, Сд, (р).

Литература

1. Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. М.: Колос, 2004. 504 с.

2. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. М.: Машиностроение, 1982. 281 с.

3. Агафонов К.П. Удельная сила тяги трактора с учётом вязких свойств грунта // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1979. № 9. С. 7-9.

4. Агафонов К.П. О роли вязкости при деформировании грунта // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1981. № 5. С, 11-13.

"г

+1