Повышение тягово-сцепных свойств сельскохозяйственных колесных машин за счет автоматической блокировки полуоси ведущего колеса

УДК 629.032 Ю.Г. Горшков, Ю.Б. Четыркин,

А.Г. Попова, Х.Б. Тошов

ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН ЗА СЧЕТ АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКИ ПОЛУОСИ ВЕДУЩЕГО КОЛЕСА

В статье представлено обоснование автоматической конструкции блокировки полуоси буксующего колеса, которая позволяет повысить тягово-сцепные свойства и проходимость колесных машин.

Ключевые слова: буксование, коэффициенты сцепления и сопротивления качению, почва, блокировка дифференциала.

Yu.G. Gorshkov, Yu.B. Chetyrkin, A.G. Popova, Kh.B. Toshov

TRACTIVE AND COUPLING PROPERTY INCREASE OF THE AGRICULTURAL WHEELED VEHICLES DUE TO AUTOMATIC BLOCKING OF THE DRIVING WHEEL HALF SHAFT

Substantiation of the automatic design of the slipping wheel half shaft blocking which allows to raise the tractive and coupling properties and passing ability of the wheeled vehicles is given in the article.

Key words: slipping, coefficients of traction and rolling resistance, soil, differential blocking.

Введение. Буксование колесного движителя обусловлено величинами коэффициентов сцепления и сопротивления качению, которые оказывают влияние на тягово-сцепные свойства и проходимость колесных машин в условиях скользких дорог и опорных поверхностей с малой несущей способностью. Буксование непосредственно связано с производительностью машин и расходом топлива, которые являются основными оценочными показателями эффективности их использования.

В сельскохозяйственном производстве в результате взаимодействия колесных движителей с почвой происходит ее уплотнение, что приводит к снижению плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур. В процессе подготовки почвы, посева, ухода за растениями, уборки урожая различные машины (тракторы, автомобили, комбайны) проходят по полю 5-15 раз. При этом 10-12% площади поля подвергается воздействию от 6 до 29 раз, 65-80% - от одного до шести раз и только 10-15% не подвергаются воздействию машин [2].

В результате глубина уплотнения почвы достигает 0,6 м. Вместе с уплотнением происходит интенсивное разрушение ее структуры. Неравномерность плотности почвы обуславливает различное тяговое сопротивление машины по длине гона, что приводит к увеличению затрат энергии на выполнение операций по подготовке почвы. Сопротивление ее обработке возрастает по следу гусеничных тракторов на 25%, колесных - 40% и по следу тяжелых автомобилей - на 65% по сравнению с сопротивлением обработке неуплотненных участков [2]. Направление обработки почвы не совпадает с направлением следа от прохода машины и носит случайный характер, а это при наличии корректора вертикальных нагрузок приводит к изменению глубины обработки и ее неравномерности. Глубокие колеи, разрушение почвы, срыв верхних слоев почвы при буксовании является также причинами экологического дисбаланса, влияющего на структуру почвы, ее урожайность и плодородие [1].

Буксование приводит, как правило, к снижению коэффициента сцепления, так как оно сопровождается нарушением сил сцепления между частицами грунта и срывом верхних несущих слоев, например, дернового покрова. Одновременно с этим возрастает сопротивление качению колеса, так как оно зарывается в грунт. Лишь в некоторых условиях, когда под незначительно увлажненной поверхностью находится достаточно плотный слой грунта, буксование может привести к увеличению сцепления. Такое же явление наблюдается при буксовании колесных машин на укатанных снежных и обледенелых дорогах.

Буксование колесных машин, применяемых в сельскохозяйственном производстве, как правило, приводит к прямым и косвенным последствиям в зависимости от назначения машины - к нарушению технологического процесса.

Основными прямыми последствиями при буксовании почти всех колесных машин являются: снижение производительности; повышение расхода топлива; повышение износа шин, деталей, узлов; усложнение деятельности оператора в управлении машиной и агрегатом; снижение уровня безопасности труда и др. [3].

Косвенные последствия буксования в основном сводятся к следующему: нарушается поверхность поля и дороги (образование колеи, выбоин, вдавливание грунта со срывом верхнего несущего слоя и др.); повышается эрозионная опасность почвы; изменяется плодородие почвы; снижается урожайность сельскохозяйственных культур; возникает вероятность ДТП и др. [3].

Последствия нарушения технологического процесса при буксовании зависят от назначения колесной машины и тех операций, которые она выполняет. В частности, для тракторов и тракторных агрегатов нарушение технологического процесса сводится к увеличению сроков возделывания почвы и уборки с.-х. культур, к нарушению агротехнических требований к возделыванию почвы и уборке культур.

При буксовании зерноуборочных комбайнов возникают следующие основные нарушения технологического процесса: неравномерный срез растений; разрыв и сгруживание валка хлебной массы; неравномерная подача растительной массы; периодическое резкое повышение недомолота и дробление зерна; увеличение сроков уборки.

Буксование мелиоративных и дорожно-строительных машин вызывает такие явления, как неравномерный выем грунта и нарушение геометрии при копке траншей, планировке площадок, оснований мелиоративных и дорожных сооружений; нарушение геометрии укладки грунта и других строительных материалов [3].

При буксовании грузовых и специальных автомобилей возможны: нарушение цикла посева и уборки сельскохозяйственных культур, строительно-монтажных работ, ремонта и ТО машинно-тракторного парка, несвоевременная доставка грузов и т.д.

Таким образом, существуют огромные резервы экономии денежных и материальных ресурсов при решении проблем взаимодействия колеса и несущей поверхности.

Одним из способов улучшения технико-экономических свойств колесных машин является повышение КПД их трансмиссии и движителя.

Повышение КПД трансмиссии и движителя машин с колесной формулой 4х2 осуществляется в основном разработкой конструкций самоблокирующихся дифференциалов. Среди самоблокирующихся дифференциалов широкое распространение получили дифференциалы с повышенным внутренним трением и двухсторонние муфты свободного хода [1, 4]. Их способность значительно перераспределять тяговые усилия по ведущим колесам, с одной стороны, повышает проходимость машины, с другой - приводит в ряде случаев к нарушению раздельного качения ведущих колес [4].

Отсутствие раздельного качения ведущих колес при движении машины по неровной дороге и на поворотах способствует повышению сопротивления передвижению, увеличению износа шин, ухудшению управляемости, увеличению расхода топлива и снижению устойчивости машины к боковому заносу [4].

Предельное условие движения колесной машины по горизонтальной поверхности можно представить в виде неравенства

Gсц - вес, приходящийся на ведущие колеса;

Ga - вес автомобиля;

^ - коэффициент сопротивления качению;

Ф - коэффициент сцепления.

Для легковых автомобилей коэффициент Y = 0,5, для грузовых автомобилей, тракторов и комбайнов Y = 0,6...0,7, а для полноприводных колесных машин Y = 1,0. Левая часть неравенства характеризует машину, а правая часть - внешние условия работы колесной машины, т.е. состояние дороги (влажность, скользкость, колея и др.). В таблице приведены минимальные и максимальные значения коэффициентов fv\(p,a также их соотношения для некоторых типов несущих поверхностей [1].

Средние значения коэффициентов I <р и соотношения Пер

Тип несущей поверхности и ее состояние 9 II і . Ш1П Фтт

Дорога с асфальтобетонным покрытием 0,015.. .0,02 0,7...0,8 0,6 0,02

Г рунтовая дорога (в распутицу) 0,1...0,3 0,15.0,3 0,6 0,6

Целина глинистая, размокшая 5 ,3 О, ,2 0, 0,15.0,25 0,6 1,3

Целина снежная ,3 0, 0, 0, ,2 0, 0,6 0,5

Луговина болотистая, покрытая дерном 0,15.0,3 0, 0, 0,6 1,5

Свежевспаханное поле 0,35.0,36 5 о~ 0, 0,6 0,8

Стерня злаковых (после дождя) 2 ,3 0, О) ,2 0, 5 о~ 0, 0,6 0,7

Сравнивая отношения Уф и у (для определенного типажа машин), можно судить о возможности движения машин по данному типу несущей поверхности. Глинистые грунты при содержании влаги до 33 % становятся пластичными, что приводит к образованию колеи, следовательно, к повышению коэффициента сопротивления качению.

Одновременно резко снижается коэффициент сцепления. Коэффициент сопротивления качению колесной машины на увлажненной глинистой дороге можно считать от 0,2 до 0,35, а коэффициент сцепления ф снизится до 0,15. ..0,25. Таким образом, отношение этих коэффициентов для глинистой дороги составит 0,2. ..1,3.

Для снежной целины отношение указанных коэффициентов может достигать 0,25...0,50, т.е. снежная целина практически непроходима для легковых автомобилей, труднопроходима для обычных грузовых автомобилей и может быть непроходима для полноприводных колесных машин.

а

/

Сравнение величин Уф и у = показывает, что там, где не соблюдается условие X > - (т.е.

а <Р

машина не может двигаться вследствие полного буксования), необходимо применять блокировку дифференциала (частичную, полную) или специальные устройства, позволяющие подтормаживать полуоси буксующего колеса. Однако в конструкциях последних следует предусмотреть возможность сохранения основного свойства дифференциала. Основное свойство дифференциала заключается в том, что он не должен выключаться из работы при поворотах, разгоне максимальной интенсивности, наездах на препятствие. Этот принцип заложен и в предлагаемой нами конструкции.

В настоящее время разработан ряд технических решений для предотвращения или ограничения буксования ведущих колес. Однако многие из них имеют ряд существенных недостатков: сложность в изготовлении, небольшая надежность при эксплуатации, нарушение раздельного качения ведущих колес при поворотах и др.

Цель - повышение сцепных качеств колесных пневматических шин.

Задача - создание устройства для автоматической блокировки полуоси ведущего колеса.

Для повышения сцепных качеств колесных пневматических движителей предлагается автоматическое устройство блокировки полуоси буксующего колеса (рис. 1 и 2), состоящее из блокирующей муфты, корпуса дифференциала 4, промежуточной муфты 5, ведущей муфты 6. Блокирующая муфта 4 жестко соединена с корпусом дифференциала с помощью болтов. Промежуточная муфта 5 посажена на шлицах полуоси и может совершать поступательное движение вдоль оси вала. Между блокирующей и промежуточной муфтами установлена пружина 7, которая удерживает в зацеплении промежуточную и ведущую муфты. Ведущая муфта 6 жестко закреплена на шлицах полуоси.

При движении машины без буксования ведущая 6 и промежуточная 5 муфты жестко соединены и вращаются совместно, обеспечивая нормальное функционирование дифференциала при интенсивном повороте и равномерном движении. При этом зубья блокирующей 4 и промежуточной 5 муфт не касаются друг друга за счет силы давления пружины.

При попадании колеса на скользкий участок дороги полуось колеса, под которым наихудшее сцепление, получает приращение угловой скорости, что приводит к возникновению буксования. Под действием инерционных сил промежуточная муфта пытается выйти из зацепления с ведущей муфтой. Преодолевая сопротивление пружины 7, промежуточная муфта перемещается в сторону блокирующей муфты корпуса дифференциала и приходит в зацепление с последней. Это позволяет блокировать частоту вращения полуоси и устранить буксование колеса. Чтобы предотвратить проскальзывание муфт относительно друг друга,

высота зубьев промежуточной муфты должна превышать глубину впадин блокирующей муфты. Это позволяет компенсировать величину сжатия пружины. При срабатывании блокирующего устройства дифференциал осуществляет равномерное распределение крутящего момента по полуосям машины. При устранении буксования сила давления пружины заставляет вернуть промежуточную муфту в исходное положение (зацепление) с ведущей муфтой. После этого обеспечивается нормальная работа дифференциала в различных дорожных условиях.

О

Рис. 1. Принципиальная схема устройства блокировки полуоси буксующего колеса:

1 - полуось; 2 - шестерня полуоси; 3 - сателлит; 4 - блокирующая муфта; 5 - промежуточная муфта; 6 - ведущая муфта; 7 - пружина; 8 - чулок полуоси; 9 - корпус дифференциала

і_ 6

и А] _4

Рис. 2. Блокирующее устройство на полуоси ведущего колеса:

1 - полуось; 4 -блокирующая муфта; 5 - промежуточная муфта; 6 - ведущая муфта; 7 - пружина

Предлагаемое автоматическое устройство снижает буксование колесных движителей, что позволяет сохранить плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур, повышает производительность технологических и транспортных машин.

Методы исследования и результаты определялись расчетным путем.

Выводы и предложения

Принципиальная конструкция предлагаемого автоматического устройства, блокирующего шестеренчатый дифференциал, может быть использована при создании новых конструкций дифференциалов, а также для колесных машин, эксплуатируемых в условиях сельскохозяйственного производства.

Применение автоматического блокиратора позволит повысить эффективность колесных машин в среднем на 15...17% по производительности и 10...12% по экономии топлива [1].

Литература

1. Горшков Ю.Г. Повышение эффективности функционирования системы «дифференциал - пневматический колесный движитель - несущая поверхность» мобильных машин сельскохозяйственного назначения: дис. ... д-ра техн. наук. - Челябинск, 1999.

2. Ксеневич И.П. Об оптимальной массе трактора // Тракторы и с.-х. машины. - 1988. - №12.

3. Рахимов Р.С. Повышение эффективности технологического процесса работы противоэрозионных почвообрабатывающих машин: дис. ... д-ра техн. наук. - Челябинск, 1990.

4. Повышение проходимости мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения в условиях скользких дорог / Ю.Г. Горшков, В.В. Старших, И.Н. Старунова [и др.] // Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Челябинск: Изд-во ЧГАУ, 2004.

'--------♦-----------