Повышение курсовой устойчивости колесного трактора при движении по негоризонтальной опорной поверхности

DOI: 10.12737/18742 УДК 631.37

ПОВЫШЕНИЕ КУРСОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО НЕГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

кандидат технических наук, доцент В. С. Стеновский1 кандидат технических наук, доцент А. А. Петров1 Н. В. Белоусова1

1 - ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», г. Оренбург, Российская Федерация

Целью исследования является предотвращение увода машины от технологической траектории в условиях склонового земледелия. Объект исследования - процесс увода колесного трактора от заданного курса в режиме эксплуатации на наклонных участках опорной поверхности. Представлены результаты теоретических исследований силового баланса в процессе взаимодействия элементов протектора с наклонной опорной поверхностью. Функциональная взаимосвязь мощности реализуемой на курсовую устойчивость трактора и конфигуративно-геометрических параметров рабочих элементов протектора колесного движителя. Производственные испытания показали, что оптимизация углов установки грунтозацепов в пределах от 0,44 до 0,78 рад для различных ландшафтных условий с углом наклона опорной поверхности от 0,1 до 0,24 рад, делает возможным реализовать мощность, утрачиваемую на буксование, для создания реакций препятствующих уводу трактора от технологической траектории на величину более чем 0,13 м, при сохранении часового расхода топлива для трактора с серийным исполнением протектора. Особенностью установленной зависимости учитывающей специфику эксплуатации трактора в различных скоростных режимах на опорной поверхности с углами наклона а = 0,1-0,26 рад и коэффициентом сцепления ф=0,4-0,6 является возможность оперирования конфигуративно-геометрическими параметрами грунтозацепов в рамках исследуемого процесса и создания как оптимальных форм рабочих поверхностей протектора, для взаимодействия в пятне контакта, так и их геометрической ориентации относительно продольной оси колеса с учетом шага грунтозацепов I, м, высоты грунто-зацепов Иг, м, длины пятна контакта и, м веса трактора Gк, кг).

Ключевые слова: трактор, склон, траектория, устойчивость, буксование, протектор.

THE INCREASE IN DIRECTIONAL STABILITY OF THE WHEEL TRACTOR WHEN DRIVING ON NON-HORIZONTAL SUPPORT SURFACE

PhD in Engineering, Associate Professor V. S. Stenovsky1 PhD in Engineering, Associate Professor A. A. Petrov1 N. V. Belousova1

1 - Federal State Budget Educational Institution of High Education «Orenburg SAU», Orenburg,

Russian Federation

Abstract

The aim of the study is to prevent the machine's withdrawal from the technological trajectory in conditions of the slope agriculture. The object of study is the process of wheel tractor's withdrawal of a given course in the mode of operation on sloping areas of the support surface. The results of theoretical studies of the power balance in the process of interaction between the tread elements with an inclined supporting surface are given. The functional relationship of power given on the tractorexchange rate stability and configurational, geometric parameters of the tread's working elements of the wheel mover. Field tests have shown that the optimization of the alignment lugs between 0.44 to 0.78 rad for various landscape conditions with supporting surface's tilt angles from 0.1 to 0.24 rad, makes it possible to realize the power lost to slippage, to create reactions preventing cornering power of the tractor from the technological trajectory on the value more than 0,13m, while maintaining tractor 's hour fuel with a serial tread's execution. Depending's set feature taking into account the tractor's operating specifics at different speed modes on the support surface with angles a = 0,1-0,26 rad and coupling coefficient ф = 0,4-0,6 is the ability to operate lug's configurational and geometrical parameters within the studied process and creating the working surfaces' optimal shapes of the tread, to interact in the contact area and their geometrical orientation relative to the wheel longitudinal axis, taking into account pitch lug t, m, lug height, h m, length of the contact patch, U, m tractor weight GK, kg).

Keywords: tractor, slope, trajectory, stability, slip, tread.

В соответствии с разработанной Прави- ственной продукции. Поэтому одной из пер-

тельством РФ подпрограммой «Техническая воочередных стратегических задач, направ-

и технологическая модернизация, инноваци- ленных на развитие АПК (агропромышлен-

онное развитие» на 2013-2020 годы в сфере ного комплекса) страны, является модерни-

сельского хозяйства и переработки сельско- зация ее инженерно-технической базы [1].

хозяйственной продукции планируется соз- В связи с тем, что трактор является тя-

дание нового машинно-технологического гово-энергетическим модулем МТА, его тех-

комплекса как инновационной базы аграрно- нической оснащенностью и заложенной в

го производства, являющегося важнейшей него возможностью адаптироваться к экс-

производственной системой, определяющей плуатационным условиям приоритетно опре-

объемы, качество и показатели экономиче- деляются качественные показатели работы

ской эффективности конечной сельскохозяй- всего агрегата в целом [5].

В процессе движения трактора поперек склона составляющая его веса, параллельная уклону, деформирует колесо в поперечном направлении, что обусловливает отклонение продольной плоскости колеса от центра тяжести пятна контакта на некоторую величину е (рис. 1). В результате каждый почвозацеп протектора захватывает порцию грунта со смещением относительно захваченной порции предыдущего почвозацепа. При этом вектор абсолютной скорости точки обода колеса расположен под углом у к заданному курсу, т.е. к приводит к боковому уводу [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].

Если в поперечном направлении приложить мощность посредством движитель-ной установки, то возможно компенсировать увод. Это возможно только за счет мощности, расходуемой на буксование, которую посредством манипулирования параметрами протектора необходимо в соответствующей сползанию пропорции направить вверх по склону.

Мощности буксования для переднего и заднего мостов определятся по выражениям 1-4:

Для переднего (1) и заднего (2) колес соответственно нижнего борта по склону:

ЫА' - 8. '• V. '• Р

А'

к

ыв' - 8 • v' • р.

В'

Ч - 8В ' УВ ' Р К .

Для переднего (3) и заднего (4) колес соответственно верхнего борта по склону:

ЫА' - 8

А"

ЫВ' - 8.

V • Р

А 1 К

V '' • РВ ''

В К

где

Рис. 1. Схема взаимодействия колеса с наклонным опорным основанием в пятне контакта: Gк - текущее значение нормальной

нагрузки, Н; Рг - составляющая веса трактора параллельная склону, Н; / - смещение продольной оси шины от продольной оси колеса, м; а - угол наклона опорной поверхности, град; у - угол увода, град; е -смещение центра пятна контакта от продольной оси шины, м; V - вектор абсолютной скорости, м/с; V' - продольная составляющая вектора абсолютной скорости, м/с; V" - поперечная составляющая вектора абсолютной скорости, м/с

на буксование приходящаяся на переднее и заднее нижние по склону колеса соответственно, Вт;

АВ

N 8 , N 8 - мощность затрачиваемая

N А', N В'

- мощность затрачиваемая

на буксование приходящаяся на переднее и заднее верхние по склону колеса соответственно, Вт;

, - буксование переднего и заднего нижних по склону колес соответственно;

я " я "

, - буксование переднего и заднего верхних по склону колес соответственно;

рА '

Рк , Рк - касательная сила тяги, развиваемая передним и задним нижними по склону колесами соответственно, Н;

г>А" г>В"

Рк , Рк - касательная сила тяги, развиваемая передним и задним верхними по склону колесами соответственно, Н;

VA , VB - продольная составляющая вектора абсолютной скорости на переднем и заднем нижних по склону колесах соответственно, м/с;

VA , VI - продольная составляющая вектора абсолютной скорости на переднем и заднем верхних по склону колесах соответственно, м/с;

В связи с тем, что интенсивность взаимодействия колеса с опорной поверхностью имеет прямую зависимость с нагрузкой на него, то можно сделать вывод о том, что стабилизация будет осуществлена за счет более нагруженных колес нижнего борта [2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 12]. Реализация стабилизирующей мощности возможна за счет разложения протектором касательной силы тяги на реактивные составляющие, среди которых, с точки зрения компенсации увода, нас интересует

боковая Ркб (рис. 2).

Рк% - тангенциальная составляющая касательной силы тяги, Н

Рис. 2. Модель взаимодействия рисунка протектора с опорной поверхностью

р - суммарный угол увода, град а - угол наклона опорной поверхности, град

F

тр - сила трения между почвой и материалом грунтозацепа резину, Н

СОК - угловая скорость колеса, с-1 Тогда мощности стабилизации для пе-

АТА ' лТВ '

реднего щст и заднего щст колес соответственно нижнего борта определятся выражениями (5) и (6):

ЫА '= РА УА'

ст к б ст '

Nв ' = рв '. ув'

1У ст 1 к б У ст

где РкАб, РкВб - боковая составляющая касательной силы тяги для переднего и заднего колес соответственно нижнего борта, Н;

У^тт', -У^т - скорость бокового перемещения переднего и заднего колес соответст-

венно нижнего борта, м/с.

Мощность стабилизации для переднего

лтА '' лТВ ''

N ст и заднего N ст колес соответственно верхнего борта определится выражением:

Na " _ рА» .уА»

1У ст ~ 1 K б y ст

NB » _ PB » .VB»

1У ст ~ 1 K б y ст

А »» B где Pk б , p

боковая составляющая ка-

К б ^К б

сательной силы тяги для переднего и заднего колес соответственно верхнего борта, Н;

Vт - скорость бокового пере-

мещения переднего и заднего колес соответственно верхнего борта, м/с.

По результатам расчетов построены кривые мощность стабилизации для каждого колеса (рис. 3).

Боковую составляющую касательной силы тяги РКб определим по выражениям (9), (10), (11), (12) в соответствии с (рис. 2) Для переднего и заднего колес соответственно нижнего борта по склону:

РкАб'_ PKA» cos р- sin р

РКВб' _ PB» cos р. sin р (10) Для переднего и заднего колес соответственно верхнего борта по склону:

•¡А " г>А"

РкАб _ РА". cos р. sin р

Р*б" _ PB"  cos р. sin р (12) Исходя из методики определения касательной силы тяги представленной в [2] её выражения для каждого колеса будут выглядеть (13) - (16):

Рис. 3. Мощность стабилизации Мст на каждом колесе в зависимости от угла наклона

опорной поверхности а

Р

А ' /ск - К - ОК

А'

к

5А ' - иА'

5 А' - и А'

1п сК--/п

к

пр

Г5А' - иА Л

-1

сК V V

к

+ 2 г -иА

сР А'

С

/ - коэффициент трения скольже-

гДе

ния;

У у. гср - модуль среза; и - длина площади контакта, м;

/пр - приведенный коэффициент

К

высота грунтозацепа, м;

трения;

кт - коэффициент деформации, м;

^ - шаг грунтозацепа, м.

РВ' _

гк

/к - кт - О

5

В' иВ'

1п сК

5В' - иВ ' к.

- /г,

пр

V ' - иВ Л

-1

сК

Р

А"

/ - к - О

^ ск г J

А ТК

5А' - и

А

к

5А'' и^'

1п сК--/

к

пр

О К ' - иВ '

+ 2г —-

ср е

Г 5А '' -иА"Л

-1

сК

Рв'' _ /ск • К  О

гк

В''

К

5В'' - и

В

к

5В'' иВ''

1п сК--/

к

пр

КА'' - иА''

+ 2г -

ср А

Г

5В -иВ

сК

V V

к

у

Скорость бокового перемещения Уст

определим по выражениям

Для переднего и заднего колес соответственно нижнего борта по склону:

гА ' ?А'

Л

гВ

'' - иВ''

+ 2г -

ср В'

где У^.пр.' , У!,Р.' - боковая скорость точки

протектора переднего и заднего колес соответственно нижнего по склону борта, м/с,

8бА', 8бВ' - боковое буксование переднего и заднего колес соответственно нижнего по склону борта;

Для переднего и заднего колес соответственно верхнего борта по склону:

В'

УА' _ УА '

ст т.пр. б '

¥В' _ Ув '-5,

ст т.пр. б

В

1

1

1

1

VA " = VA "-8,

ст т.пр. б

A

А"

VB" = VB " ст

• 88

т . пр . б

B

где Ут.пр " ,Ут.пр" - боковая скорость точки

протектора переднего и заднего колес соответственно верхнего по склону борта, м/с,

об ,об - боковое буксование переднего и заднего колес соответственно верхнего по склону борта.

Графическая интерпретация Уст для

всех колес будет выглядеть следующим образом (рис. 4).

Результаты теоретических исследований показывают, что с увеличением угла склона скорость стабилизации растет, это связано с увеличением крена трактора. Скорость стабилизации при этом адекватна скорости бокового увода, т.е. движение трактора будет устойчивым [3-5].

Проведенными исследованиями установлено, что за счет модернизации кон-фигуративно-параметрических характеристик протектора возможно стабилизиро-

вать курсовую устойчивость исследуемой машины на склонах от 6 до 15 градусов, т.е. до того предельного значения угла, на котором потенциально, согласно документации, может работать трактор, однако некоторое смещение на углах 12-16 градусов наблюдается из-за поперечного скольжения вследствие вертикальных колебаний машины и вызванных этим фактом отрывов от опорной поверхности.

Рис. 4. Скорость стабилизации Уст на

каждом колесе в зависимости от угла наклона опорной поверхности о

Библиографический список

1. Стратегии инновационного развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года. [Текст]. - Москва, 2011. - 134 с.

2. Гуськов, В.В. Тракторы: Теория [Текст] / В.В. Гуськов [и др.]. - М. : Машиностроение, 1988. - 376 с.

3. Стеновский, В.С. Стабилизация транспортного средства на наклонной поверхности [Текст] / В.С. Стеновский, В.В. Реймер, С.В. Юмакаева // Сельский механизатор. - 2011. - №«5. - С. 12.

4. Стеновский, В.С. Стабилизация траектории движения МТА за счет конфигуративно-параметрических характеристик протектора колеса [Текст] / В.С. Стеновский // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: материалы международной научно-практической конференции; под ред. Ю.А. Ушакова. - Оренбург, 2013. - 160-163 с.

5. Стеновский, В.С. Специфика концептуального развития технического обеспечения

курсовой устойчивости колёсных [Текст] / В.С. Стеновский, Е. М. Асманкин, В.В. Реймер, С.В. Юмакаева // Известия ОГАУ. - 2010. - №4. - С. 73-76.

6. Амельченко, П.А. Обеспечение устойчивого движения крутосклонных машинно-тракторных агрегатов [Текст] / П.А. Амельченко [и др.]. - Минск, 1978. - 14 с.

7. Кереселидзе, Ш.Я. О качении колеса на склоне [Текст] / Ш.Я. Кереселидзе, И.А. Трошинский // Тракторы и сельхозмашины. - 1974. - №6. - С. 5-8.

8. Li, Z. Development of stability indicators for dynamic Phase I overturn of conventional farm tractors with front axle pivot [Тех^ / Z. Li, M. Mitsuoka, E. Inoue, T. Okayasu, Y. Hirai // Biosystems Engineering. - 2015. - Vol. 134. - pp. 55-67.

9. Previati, G. Mathematical models for farm tractor rollover prediction ^xt] / G. Previati, M. Gob-bi, G. Mastinu // International Journal of Vehicle Design. - 2014. - Vol. 64. - Issue 2-4. - pp. 280-303.

10. Surendrana, U. Improved sugarcane productivity with tillage and trash management practices in semi arid tropical agro ecosystem in India ^xt] / U. Surendrana, V. Rameshb, M. Jayaku-marc, S. Marimuthuc, G. Sridevi // Soil and Tillage Research. - 2016. - Vol. 158. - pp. 10-21.

11. Uberti, S. Design of a double wishbone front suspension for an orchard-vineyard tractor: Kinematic analysis ^xt] / S. Uberti, M. Gadola, D. Chindamo, M. Romano, F. Galli // Journal of Terramechanics. - 2015. - Vol. 57. - pp. 23-39.

12.Bietresato, M. A parametric approach for evaluating the stability of agricultural tractors using implements during side-slope activities ^xt] / M. Bietresato, G. Carabin, R. Vidoni, F. Mazzetto, A. Gaspa-retto // Contemporary Engineering Sciences. - 2015. - Vol. 8. - Issue 25-28. - pp. 1289-1309.

References

1. Strategii innovacionnogo razvitija agropromyshlennogo kompleksa Rossijskoj Federacii na period do 2020 goda. [The strategy of innovative development of agroindustrial complex of the Russian Federation for the period until 2020]. Moscow,2011. (In Russian).

2. Guskov V.V., Velev N.N., Atamanov Y.E., eds. Traktory: Teorija [Tractors: Theory]. Moscow, 1988, 376 p. (In Russian).

3. Stenovski V.S., Reimer V.V., Umakaeva S.V. Stabilizaciya transportnogo sredstva na-naklonnoj poverhnosti [Stabilisation of the vehicle on an inclined surface]. Sel'skij mehanizator [Rural machine operator]. 2011, no. 5, pp. 12. (In Russian).

4. Stenovski V.S. Stabilizaciya traektorii dvizheniya mta za schet konfigurativno-parametricheskih harakteristik protektora kolesa [Stabilization of the trajectory of the MTA at the expense of configurative-parametric specifications tread wheels]. Orenburg, 2013, pp 160-163. (In Russian).

5. Stenovski V.S., Asminkin E.M., Reimer V.V., Umakaeva S.V. Specifika konceptualnogo raz-vitiya tekhnicheskogo obespecheniya kursovo stojchivosti kolyosnyh [The specificity of the conceptual development of the technical stability of the wheel]. Izvestiya OSAU, 2010, no. 4, pp. 73-76. (In Russian).

6. Amelchenko P.A., Green P.V., Yatskevich V.V., etc. Obespechenie ustojchivogo dvizhe-nija krutosklonnyh mashinno-traktornyh agregatov [Sustainable precipitous movement of machine-tractor aggregates]. Minsk, 1978, 14 p. (In Russian).

7. Kereselidze S.Y., Troshinsky I.A. O kachenii kolesa na sklone [On wheels rolling on the slope]. Traktory i sel'hozmashiny [Tractors and farm machinery]. 1974, no. 6, pp 5-8. (In Russian).

8. Li Z., Mitsuoka M., Inoue E., Okayasu T., Hirai Y. Development of stability indicators for dynamic Phase I overturn of conventional farm tractors with front axle pivot. Biosystems Engineering, 2015, Vol. 134, pp. 55-67.

9. Previati G., Gobbi M., Mastinu G. Mathematical models for farm tractor rollover prediction. International Journal of Vehicle Design, 2014, Vol. 64, Issue 2-4, pp. 280-303.

10. Surendrana U., Rameshb V., Jayakumarc M., Marimuthuc S., Sridevi G. Improved sugarcane productivity with tillage and trash management practices in semi arid tropical agro ecosystem in India. Soil and Tillage Research, 2016, Vol. 158, pp. 10-21.

11. Uberti S., Gadola M., Chindamo D., Romano M., Galli F. Design of a double wishbone front suspension for an orchard-vineyard tractor: Kinematic analysis. Journal of Terramechanics, 2015, Vol. 57, pp. 23-39.

12. Bietresato M., Carabin G.,Vidoni R.,Mazzetto F., Gasparetto A. A parametric approach for evaluating the stability of agricultural tractors using implements during side-slope activities. Contemporary Engineering Sciences, 2015, Vol. 8, Issue 25-28, pp. 1289-1309.

Сведения об авторах

Стеновский Вячеслав Сергеевич - доцент кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства», ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», кандидат технических наук, доцент, г. Оренбург, Российская Федерация; e-mail: patent999@mail.ru

Петров Алексей Анатольевич - заведующий кафедрой «Проектирование и управление в технических системах», ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», кандидат технических наук, доцент, г. Оренбург, Российская Федерация; e-mail: leha.peter1980@yandex.ru

Белоусова Наталия Васильевна - старший преподаватель кафедры «Технический сервис», ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», г. Оренбург, Российская Федерация; e-mail: belousova_natalia79@mail.ru

Information about authors

Stenovsky Viatcheslav Sergeevich - Associate Professor of «Power supply of agriculture», Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Orenburg State Agrarian University», PhD in Engineering, Associate Professor, Orenburg, Russian Federation; e-mail: patent999@mail.ru

Petrov Alexey Anatolevich - Head of the department «Design and management of engineering systems», Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Orenburg State Agrarian University», PhD in Engineering, Associate Professor, Orenburg, Russian Federation; e-mail: leha.peter 1980@yandex.ru

Belousova Nataliya Vasilevna - Senior Lecturer of the Department «Technical service», Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Orenburg State Agrarian University», Orenburg, Russian Federation; e-mail: belousova_natalia79@mail.ru