Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, НАПРАВЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 15
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВ 44
2.1. Физико-механические свойства почв 44
2.2. Выбор и обоснование математических моделей общего и частных случаев связи между сжимающими напряжениями и стабилизированной осадкой почвы 56
2.3. Выбор и обоснование вязкоупругих математических моделей деформирования почв. Взаимосвязь различных математических моделей деформирования почв 70
Выводы и предложения 94
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛАСТИЧНЫХ КОЛЕС: 97
3.1. Закономерности деформирования эластичных колес. 97
3.1.1. Деформация сжатия шины и длина линии контакта при качении эластичного колеса по недеформирую-щемуся основанию 97
3.1.2. Характерные особенности вязкоупругих свойств эластичных колес 99
3.1.3. Деформации и контактные напряжения при качении практически упругих тракторных колес с пневматическими шинами 112
3.2. Выбор и обоснование математических моделей деформирования эластичных колес
3.2.1. Анализ возможностей использования различных моделей теории вязкоупругости для описания закономерностей деформирования эластичных колес 119
3.2.2. Моделирование вязкоупругих свойств эластичных колес интегральными уравнениями наследственной теории вязкоупругости
3.2.3. Моделирование вязкоупругих свойств эластичных колес дифференциальными уравнениями "2
3.2.4. Моделирование закономерности деформирования упругих эластичных колес 37
Выводы и предложения 38
ГЛАВА 4. ТЕОРИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ПОЧВОЙ 142
4.1. Контактные напряжения, деформации почвы и шины и длина линии контакта при качении эластичных колес по уплотняющейся почве 1 2
4.2. Закономерности изменения по глубине начальной плотности почвы 1 4
4.3. Напряженно-деформированное состояние уплотняющегося слоя почвы. Распространение при качении колеса волн сжатия и сдвига почвы и ее уплотнение..
4.4. Моделирование распространения вязкоупругих волн сжатия почвы. Постановка задачи о деформировании почвы колесом 163
4.5. Вертикальные смещения почвы в течение времени воздействия колеса при прт Н-
4.5.1. Смещения почвы с постоянной по глубине начальной плотностью 166
4.5.2. Смещения почвы при линейной зависимости ее начальной плотности от глубины 168
4.5.3. Смещения почвы при кусочно-линейной зависимости
ее начальной плотности от глубины 171
4.6. Определение глубины распространения волны сжатия почвы, приведенного радиуса и углов контакта эластичного колеса с почвой 172
4.6.1. Определение Ир , R,?p , Ч и при линейной зависимости начальной плотности
почвы от глубины 172
4.6.2. Определение Ир i\/?p Tg и la при кусочно-линейной зависимости начальной
плотности почвы от глубины 176
4.7. Смещения почвы в течение времени воздействия колеса при Лот / и фактическом распространении волны сжатия почвы до глубины Н 178
4.8. Остаточные вертикальные смещения почвы 180
4.9. Зависимость плотности почвы от глубины после прохода колеса по почве 187
4.10. Взаимосвязь расчетов по определению тягово-сцепных свойств эластичных колес и их уплотняющего воздействия на почву 190
4.11. Зоны сцепления, скольжения (буксования) и их границы 192
4.12. Сдвиг и срез почвы почвозацепами колеса 198
4.12.1. Условия среза почвы почвозацепами 198
4.12.2. Границы области среза почвы почвозацепами в зонах буксования и скольжения 199
4.12.3. Границы области среза почвы почвозацепами в зонах сцепления 201
4.12.4. Расположение вдоль условной линии контакта областей среза и без среза почвы почвозацепами.. 203
4.13. Тяговые свойства и сопротивление качению по почве колесных движителей 204
4.13.1. Равнодействующие горизонтальные реакции почвы на ведущем и на ведомом колесе 204
4.13.2. Ведущий и тормозной моменты 212
4.13.3. Показатели сопротивления качению колес 217
4.13.4. Коэффициент полезного действия ведущего колеса и другие показатели 220
Выводы и предложения 223
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОУПРУГИХ И УПРУГИХ СВОЙСТВ ЭЛАСТИЧНЫХ КОЛЕС 226
5.1. Общая характеристика предложенных методов определения характеристик вязкоупругих и упругих свойств эластичных колес 226
5.2. Методики определения параметров интегральных определяющих уравнений для вязкоупругих эластичных колес 228
5.2.1. Определение параметров интегральных определяющих уравнений для вязкоупругих эластичных колес с линейными свойствами 228
5.2.2. Определение параметров интегральных определяющих уравнений для вязкоупругих эластичных колес с нелинейными свойствами 234
5.3. Методики определения параметров дифференциальные; определяющих уравнений для вязкоупругих эластичных колес 239
5.3.1. Определение параметров дифференциального уравнения, описывающего эллиптические петли гистерезиса 239
5.3.2. Определение параметров дифференциального уравнения, описывающего эпюры нормальных напряжений в контакте катящегося колеса и жесткого основания 243
5.4. Методики определения коэффициентов упругости
практически упругих эластичных колес 246
5.4.1. Экспериментальный метод определения коэффициентов упругости 246
5.4.2. Корреляционные зависимости экспериментальных значений коэффициентов упругости тракторных эластичных колес от величин нормальных нагрузок на их оси и давлений воздуха в шинах 248
5.4.3. Расчетный метод определения коэффициентов упругости эластичных колес 252
Выводы и предложения 260
ГЛАВА 6. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ УПЛОТНЯЮЩИХСЯ ПОЧВ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВ, УПЛОТНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ И ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ 262
6.1. Общая характеристика предложенных методов определения характеристик вязкоупругих свойств уплотняющихся почв 262
6.2. Изменение вязкоупругих свойств и плотности почвы при воздействии колесного трактора 265
6.3. Методики определения по данным полевых испытаний параметров дифференциального определяющего уравнения для уплотняющихся почв 2
6.3.1. Определение характеристик вязкоупругих свойств почвы по данным о взаимодействии с ней катящегося эластичного колеса 283
6.3.2. Определение характеристик вязкоупругих свойств почвы по данным о взаимодействии с ней ведомого жесткого колеса 292
6.4. Корреляционные зависимости для определения характеристик О и Q дерново-подзолистой легко суглинистбй почвы 293
Выводы и предложения 297
ГЛАВА 7. МЕТОДЫ РАСЧЕТА УПЛОТНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ И ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ТРАКТОРОВ С УЧЕТОМ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ.. 300
7.1. Постановка задачи 301
7.2. Расчетные данные 302
7.3. Методика расчета уплотняющего воздействия на почву колесного движителя 304
7.3.1. Определение /\Пр , тр а Нр 306
7.3.2. Определение OOjf Q • О, • По 6mQX 309
7.3.3. Приращение плотности почвы после прохода колеса 310
7.3.4. Плотность почвы после прохода колеса 311
7.4. Методика определения тяговых свойств ведущего и сопротивления качению по почве ведомого и ведущего колес 314
7.4.1. Определение CUK , Q и О и
выявление возможности среза почвы почвозацепами при качении колеса 314
7.4.2. Расчет показателей в случае отсутствия среза почвы по всей контактной поверхности 316
7.4.2.1. Границы зон сцепления и скольжения ( буксования ) 316
7.4.2.2. Равнодействующая горизонтальная реакция Т почвы на колесо и приложенный к его оси момент М 317
7.4.3. Расчет показателей в случае возможности среза почвы почвозацепами колеса 318
7.4.3.1. Определение границ области среза почвы почвозацепами в зоне буксования ( скольжения ) 318
7.4.3.2. Определение границ области среза почвы почвозацепами в зоне сцепления 319
7.4.3.3. Равнодействующая горизонтальная реакция Т почвы на колесо и приложенный к его оси
момент М 320
7.4.4. Определение силы сопротивления качению и других показателей 322
7.5. Определение показателей взаимодействия с почвой колесного трактора 322
7.6. Экспериментальное подтверждение пригодности предложенных методов расчета 324
7.7. Влияние буксования колесных движителей на их тяговые свойства и сопротивление качению по почве. Выбор режима работы колес 328
7.8. Оценка и направления регулирования влияния вертикальной динамической нагрузки на ось колеса, давления воздуха в шинах на уплотняющее воздействие на почву и тяговые свойства тракторных колес 336
7.9. Выбор шин оптимальных типоразмеров 350
7.10. Сдваивание колес 361
7.11. Выбор оптимального распределения вертикальных нагрузок по осям трактора 362
7.12. Эффективность снижения уплотняющего воздействия на почву трактора МТЗ-80 в технологических операциях по возделыванию картофеля 371
7.13. Необходимость совершенствования государственных стандартов на нормы и методы определения воздействия движителей мобильной сельскохозяйственной техники на почву... 375
Выводы и предложения 381
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 388
ЛИТЕРАТУРА 399
ПРИЛОЖЕНИЯ 433
Введение к работе
Перед нашей страной стоит задача резкого увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Решение этой важнейшей задачд требует выполнения целого комплекса мероприятий, направленных на интенсификацию сельскохозяйственного производства и рост производительности труда, на сохранение, восстановление и повышение плодородия почв.
Требование повышения производительности труда привело к появлению на полях в нашей стране и за рубежом мошной энергонаеы -щенной техники (включая тракторы и почвообрабатывающие орудия), обладающей большой единичной массой. Масса отечественного среднестатистического трактора в парке за последние 20 лет практически удвоилась. В то же время большое количество мощной техники на полях вызывает изменение состояния почвы и отрицательно влияет на ее плодородие. Исследования показали, что глубина распространения деформации почвы значительно превосходит величину пахотного слоя и достигает 0,6 ... 1,2 м (в зависимости от свойств почвы, а также массы и тяговых усилий, развиваемых трактором). Создается подпахотный уплотненный слой ("плужная подошва"), нарушается водно-воздушный режим почвы, ухудшаются ее физические свойства, разрушается структура.
Уплотнение и связанное с ним ухудшение агрофизических свойств почвы приводит к значительному снижению урожая сельскохозяйственных культур. По оценкам ВИМ и Почвенного института им. В.В.Доку -чаева недобор урожая только по зерновым составляет 13 ... 15 млн. т, в год, сахарной свекле - более 2 млн,т., зерну кукурузы - около 0,5 млн,т. в год. Имеет место также значительный недобор урожая картофеля и других культур»
Переуплотнение почв приводит также к роету их сопротивления обработке, что вызывает перерасход топлива около І млн. т. в год. Больщую опасность представляет собой кумулятивный характер накопления уплотняющих воздействий в почве и прогрессирующее снижение ее потенциального плодородия.
Одна из причин снижения плодородия почв состоит в том, что машины для сельского хозяйства, как правило, создаются еще без достаточного учета и соблюдения требований экологии. Наибольший ущерб наносят колесные тракторы; при одинаковой массе колесного и гусеничного тракторов колесный уплотняет почву сильнее, в то же время количество колесных тракторов в парке энергонасыщенных тракторов увеличивается, а гусеничных - уменьшается.
Необходимость коренного улучшения состояния сельскохозяйственного производства выдвигает в число наиболее актуальных проблему улучшения показателей работы ходовых систем колесных сельскохозяйственных тракторов. Решение этой проблемы включает в себя решения двух составляющих ее проблем: повышения тягово-сдепных качеств тракторов и снижения их уплотняющего воздействия на почву до агротехнически допустимого значения.
Для ускорения решения проблемы необходимо, ломимо использования результатов экспериментальных исследований, создать и широко использовать научно-обоснованные уточненные расчетные методы определения показателей взаимодействия движителей машин с почвой. Эти методы должны основываться на результатах теоретических и экспериментальных исследований процессов деформирования почв ж эластичных колес. Однако в настоящее время еще не разработаны достаточно точные методы расчета показателей взаимодействия движи телей машин с почвами, обладающими различными физическими свойствами. Разработка, теоретическое обоснование и практическое использование таких методов приобретают важное народнохозяйственное значение,
Углубленное исследование процессов деформирования почвы и эластичных колес при движении машин позволит разработать научно-обоснованные рекомендации по улучшению локазателей взаимодейст -вия движителей с почвой, что должно привести к повышению производительности, топливной экономичности машин, предотвращению переуплотнения почв и снижению их плодородия,
Важное значение для развития тракторостроения и механизации сельскохозяйственного производства имеет исследование влияния скорости движения и количества повторных проходов колес по одной и той же колее на уплотняющее воздействие на почву и тяговые свойства тракторов. Необходимо располагать расчетными формулами или численными методами, позволяющими определять показатели взаимодействия движителей тракторов с почвой с учетом изменяющихся во времени контактных напряжений, скорости трактора, времени воздействия нагрузок, обратимых деформаций почвы и шины. Поэтому решение проблемы улучшения локазателей работы ходовых систем колесных сельскохозяйственных тракторов связано с развитием теории качения со следом и уплотнения почвы колесными движителями, учитывающей вязкоуп-ругие (реологические) свойства почв и эластичных колес, проявляющиеся в зависимостях их напряженно-деформированного состояния при взаимодействии от времени,
В настоящем исследовании поставлена цель разработать теорию уплотнения почвы колесными движителями и их качения по почве, учитывающую физическую природу деформирования во времени почв и элас тичных колес, процесс распространения в почве вязкоупрутих волн деформаций и напряжений, действие сил трения между шиной и почвой, На основе этой теории разработать методы расчета уплотняющего воздействия на почву и тяговых свойств колесных движителей и сельскохозяйственных тракторов, дать рекомендации по улучшению показателей взаимодействия с почвой и выбору некоторых параметров ходовых систем тракторов,
В работе предложено определять показатели уплотняющего воздействия на почву, тяговых свойств мобильных колесных машин и выбирать оптимальные параметры их ходовых систем на основе использования определяющих уравнений, моделирующих вязкоупругие свойства почв, эластичных колес и процесс распространения в почве вязкоупрутих волн деформаций и напряжений. Предложены такие определяющие интегральные и дифференциальные уравнения.
Дан новый подход к решению вопросов теории качения колес по почве и уплотнения почвы колесами машин. Сопротивление качению и тяговые свойства колес определены во взаимной связи с уплотнением почвы колесами машин на основе исследования процесса распростра -нения в почве вязкоупрутих волн деформаций сжатия и сдвига. Разработаны теоретические основы процесса уплотнения почвы колесами машин.
Уплотняющее воздействие на почву тракторов оценено показателем "приращение плотности почвы", определяемым после проходов колес трактора на различной глубине, а также рядом других показателей: остаточная глубина колеи, глубина распространения деформации почвы, максимальное контактное напряжение.
На основе использования полученных теоретических результатов разработаны методы расчета уплотняющего воздействия на почву и тяговых свойств колесных движителей и тракторов.
Предложенные методы расчета могут быть использованы для прогнозирования показателей взаимодействия с почвой колесных тракторов и других мобильных колесных машин, оценки влияния различных факторов на эти показатели и оптимизации параметров ходовых систем машин с учетом агротехнических требований к плотности почвы и других конкретных условий их эксплуатации,
В результате расчетов по разработанным методикам выполнены выбор шин оптимальных типоразмеров к тракторам МЇЗ-80, ШО-QZ, MT3-I42, работающих в составе МТ4 с заданной скоростью на легкосуглинистой почве, выбор оптимального распределения вертикальных нагрузок по осям этих тракторов, предложены другие меры дан улучшения показателей работы на уплотняющихся почвах тракторов в составе МХД
