Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование темы и задачи исследования 7
1.1. Цель и задачи исследования 15
2. Свойства опорной поверхности и ее влияние на проходимость мобильных машин 16
2.1. Геометрия кривых нагрузка-осадка 16
2.2. Геометрия кривых процесса сдвига 24
2.3. Методика испытаний при сдвиге почв 28
2.4. Горизонтальная нагрузка 31
2.5. Геометрия поверхности и ее влияние на проходимость машин 35
3. Обзор и анализ способов повышения эффективности загрузки двигателей и тягово-сцепных свойств энергонасыщенных колесных тракторов 37
3.1. Классификация способов повышения тягово-сцепных свойств 37
3.2. Загрузка мощности ДВС современных колесных тракторов на различных видах работ 39
3.3. Шагающие механизмы 54
3.4. Догружатели ведущих колес (ДВК) 65
3.5. Результаты патентного исследования колесных движителей 67
4. Теоретическое обоснование конструктивных параметров и режимов работы неполнокруглых колесных движителей 71
4.1. Кинематика неполнокруглых колесных движителей 71
4.2. Силовой анализ неполнокруглых колесных движителей 76
4.3. Динамика работы неполнокруглых колесных движителей 83
4.4 Профильная проходимость круглых и неполнокруглых колесных движителей 90
5. Экспериментальная проверка тягово-сцепных свойств неполнокруглых колесных движителей 98
5.1. Фон опорной поверхности и физико-механические свойства почвы 100
5.2. Контрольно - измерительное оборудование 102
5.3. Сравнительная оценка тягово-сцепных свойств колесного трактора МТЗ-82 с круглыми и неполнокруглыми спаренными колесными движителями 105
6. Сравнительная экономическая эффективность использования неполнокруглых и круглых спаренных ведущих колес на тракторе класса 1,4 119
Общие выводы 125
Список литературы 127
Приложения 140
- Геометрия кривых нагрузка-осадка
- Загрузка мощности ДВС современных колесных тракторов на различных видах работ
- Динамика работы неполнокруглых колесных движителей
- Сравнительная оценка тягово-сцепных свойств колесного трактора МТЗ-82 с круглыми и неполнокруглыми спаренными колесными движителями
Введение к работе
Колесо является одним из древнейших изобретений и в развитии производительных сил общества оно сыграло решающую роль. Принцип вращательного движения колес и рабочего инструмента в промышленном производстве предопределил направление развития человеческой цивилизации, хотя в природе живые существа при перемещении в пространстве практически принцип качения и вращения не используют. Поэтому не случайно современные специалисты в области колебаний, вибраций и виброреологии считают, что человеческая цивилизация возможно ошиблась в своем развитии, выбрав принцип вращения, а не периодичности \ колебаний\.
Колесные движители и в современных условиях являются объектом дальнейшего углубленного исследования и совершенствования. По сравнению с гусеничными движителями колесные имеют существенные преимущества и поэтому получили наибольшее применение в мобильной наземной технике. Но по критерию проходимости по поверхностям с малой несущей способностью они уступают гусеничным движителям. В связи с этим на протяжении многих лет ведутся поиски альтернативных движителей мобильных машин для работы в условиях бездорожья. Острота проблемы особенно возросла в связи с изучением других планет /Луна, Марс, Венера/ и необходимости разработки мобильных планетоходов. Из всех известных движителей предпочтение для планетоходов отдано модифицированным колесным движителям по критериям: проходимости, материалоемкости, энергозатратам, надежности и управляемости.
Движение мобильных машин по земной поверхности вне дорог регламентируется теми же критериями оценки, что и для планетоходов. Кроме того они еще ограничиваются экологическими и агротехническими критериями поскольку большая часть суши вне дорог занята под нужды сельскохозяйственного производства. В течение многих лет для повышения проходимости мобильных машин в условиях бездорожья делались попытки
5
создания шагающих движителей по образу и подобию животных и человека. На
сегодняшний день количество технических предложений по созданию
шагающих механизмов, оформленных заявками на изобретения, исчисляются сотнями. Однако пока не найдено решения, удовлетворяющее в полной мере современным эксплуатационным требованиям к мобильной технике для работы в условиях бездорожья. На первой Всесоюзной конференции посвященной проблеме шагающих движителей для мобильной наземной техники, которая состоялась в Москве в 1988 году было заслушано более 100 докладов. По итогам обсуждений докладов пришли к выводу о том, что возвратно-поступательные или угловые колебания приводят к повышенным инерционным нагрузкам и непроизводительным затратам энергии на разгон-торможение «ног» во время холостого хода. Рабочая скорость движения машин, оборудованных шагающими движителями не превышала 5-7 км/ч вследствие высокой виброактивности механизмов. Большинство из них имеют сложный привод и проблемную систему управляемости. Поэтому предпочтение было отдано шагающим механизмам с вращательным переносом башмаков. Такие механизмы могут быть установлены на выпускаемые мобильные машины без изменения трансмиссии привода движителей. [48]
По сравнению с традиционными колесными и гусеничными движителями шагающие механизмы с вращательным движением башмаков обладают следующими положительными качествами: дискретностью следа; большей в 1,5- 1,8 раза силой тяги при одинаковых нормальных нагрузках на них; повышенной проходимостью на переувлажненных участках; способностью преодолевать препятствия высотою до 0,5 диаметра эквивалентного круглого колеса. Постоянный контакт башмаков с опорной поверхностью и дискретное образование колеи уменьшает вероятность возникновения водной эрозии и способствует лучшему разуплотнению почвогрунта. С учетом изложенного нами, предложено у колесных движителей часть беговой дорожки вместе с боковинами вывести из контакта с опорной поверхностью, а оставшиеся круглые части использовать как опорные
башмаки. Такие колеса попарно устанавливаются на полуосях в противофазе таким образом, чтобы обеспечить непрерывный контакт с опорной поверхностью спаренных колес и дискретность колеи каждого отдельного колеса в паре. В этом случае на поверхности почвогрунта образуется отпечаток циклограммы шагающих «башмаков» каждого неполнокруглого колеса.
Изготовленные модельные образцы неполнокруглых колес на базе тракторных колес модели 9R42 были установлены попарно на задние полуоси трактора МТЗ-82.
В июле 2004 г. на Кировской государственной машиноиспытательной станции были проведены сравнительные тяговые испытания трактора МТЗ-82 с неполнокруглыми и круглыми спаренными задними колесами на 4-х основных передачах. Результаты испытаний показали, что на вспаханной супесчаной почве трактор с неполнокруглыми колесами развивал на всех испытуемых передачах на 25-40%» большую крюковую мощность при меньшем на 20-40% буксовании по сравнению с круглыми колесами.
Геометрия кривых нагрузка-осадка
При подборе инструмента для обработки металлических заготовок нужно знать физико-механические свойства металла. В равной степени такие же требования предъявляются к опорным поверхностям по которым должны перемещаться ходовые устройства мобильных машин. Поэтому в этой главе рассмотрим как влияют свойства опорной поверхности на проходимость мобильных колесных машинных агрегатов.
Внимание к кривым нагрузка-осадка было привлечено с 1944 г., когда Терцаги установил основные закономерности механики грунтов [20]. Однако эти закономерности анализировались с точки зрения оценки относительно малых величин осадки больших площадей, типа фундаментов, под действием значительных нагрузок. В данной же проблеме закономерности нагрузка-осадка рассматриваются при относительно быстром течении этого процесса, больших осадках сравнительно малых площадей под действием довольно низких квазистатических нагрузок, имеющих место при взаимодействии движителя машины с почвогрунтом.
Эпюра напряжений, образующаяся под действием колеса или гусеницы, распространяется на глубину, приблизительно не более 60 см, причем различие в механических свойствах почвогрунта на этой глубине выражены незначительно. Данное обстоятельство увеличивает вероятность гипотезы об однородности почвогрунта, взаимодействующего с движителем, и правомочности определения свойств почв при помощи конусного плотномера или беваметра [20]. Как отмечает академик А. Н. Соколовский, почвогрунт представляет собой неоднородную, полидисперсную систему, содержащую твердую, жидкую и газообразную фазы. Он характеризуется рядом свойств. Наиболее важные, от которых зависит характер взаимодействия движителя трактора с почвой -структура и механический состав, влажность и пористость [33, 34].
Различие между концепциями механики грунтов [15, 108, 109] под зданиями и сооружениями, и механики движения машин по поверхностям [24, 118] состоит в том, что грунт под фундаментами оседает годами, при этом происходит комплекс явлений, известных под общим термином «консолидация грунта»; под движущейся машиной процесс осадки почвогрунта и сдвиг почвогрунта движителем происходит быстро, почти без релаксационных явлений. При снятии экспериментальных кривых сжатия, скорость приложения нагрузки на штамп обычно приводят в соответствие со скоростью приложения нагрузки при реальном процессе взаимодействия движителя с почвогрунтом, при этом «протыкают» почвогрунт на глубину 60-90 см.
В работе Дубасова В. С. [35] отмечается, что при движении машин вне дорог могут встречаться местности самых различных типов с разнообразными характеристиками, начиная от песков пустынь до грязи и снега большой глубины. Механические свойства местности очень часто накладывают жесткие ограничения на подвижность и другие характеристики машин. Поэтому имеющиеся знания механических свойств местности и понимание механики взаимодействия системы машина-местность являются весьма ценными исходными данными для правильной компоновки, подбора и эксплуатации внедорожных транспортных средств.
Определением механических характеристик почв занимались еще в 1940 г. на испытательной станции водных путей (WES) [20]. Сущность определения механических характеристик состоял в том, что все механические свойства почвогрунта характеризовались одним условным показателем, так называемым «конусным индексом», при этом влияние площади не учитывалось. Величина этого показателя определялась как среднее усилие, необходимое для внедрения конуса в почвогрунт на глубину, которая соответствует вероятной зоне взаимодействия движителя машины с почвогрунтом. Испытания, при которых конусный индекс отождествлялся с чисто условными понятиями для машины «движение возможно» и «движение невозможно», привели к своеобразной шкале «проходимости» машин. Конусный индекс не отражает влияние скорости движения машины. Понятие «движение возможно» и «движение невозможно» в основном предназначены для руководителей операций, которые должны знать, пройдут или не пройдут машины по данной местности. Эти понятия получили свое развитие во время второй мировой войны.
Использование зависимостей процесса сжатия, полученных опытным путем при помощи погружения штампов, становится реальной для расчета взаимодействия движителя с почвогрунтом. Напряжение р, возникающее при проникновении штампа в почвогрунт, можно описать эмпирической формулой p = k-z s, где к - коэффициент объемного сжатия почвы, а 0,5 - показатель степени процесса нагрузка-осадка. Эта формула была первоначально предложена Бернштейном, который исследовал физико-механические свойства почв, затем она была усовершенствована В.П. Горячкиным, общая зависимость процесса нагрузка-осадка может быть выражена формулой p = k zn, (2.1) где z - глубина погружения штампа; п - показатель степени при z, может изменяться (п \;п = \;п 1). Идеальный процесс сжатия [19] в однородных почвогрунтах при малых глубинах погружения штампа может быть грубо представлен линиями ОА и АВ (рисунок 2.1). Линия ОА представляет начальную стадию процесса, где преобладают упругие деформации и релаксация; точка А характеризует приблизительный предел несущей способности почвогрунта. Линия АВ описывает процесс осадки при полном разрушении почвогрунта при незначительном возрастании нагрузки.
Форма реальной кривой, показанная на рисунке 2.1, может несколько меняться для различных почвогрунтов. На рисунке 2.2 показано семейство типичных кривых процесса нагрузка-осадка, которые могут быть получены экспериментально при одних и тех же размерах штампа для различных однородных почвогрунтов. Кривые могут быть разделены на две группы, зависящие от величины п.
В соответствии с уравнением (2.1) разделяющей линией является прямая, у которой n = 1. Ниже этой линии лежат «слабые» почвогрунты, которые быстро теряют свою прочность и разрушаются при повторных нагрузках {п 1); выше этой линии находятся «прочные» почвогрунты, которые упрочняются и сжимаются при многократных нагрузках (гг 1). Значительное количество опытов по погружению штампов различных размеров в одну и туже однородную среду показало, что кривые p-z (рисунок 2.3) для штампов больших размеров (Ь2) располагаются обычно ниже, чем те же кривые для штампов меньших размеров (bj) [20, 120, 121]. Иногда кривые меняются своими местами вследствие неоднородности почвогрунтов. Даже в однородных почвогрунтах может быть отличие от кривых показанных на рисунке 2.3, благодаря местным локализованным неоднородностям или другим причинам.
Общие закономерности протекания функции нагрузка-осадка неоднородных почвогрунтов при анализе процесса их взаимодействия с движителем машины могут быть обобщены применительно к двум группам почвогрунтов:
1) слой слабого почвогрунта, лежащего на твердом основании;
2) слой прочного почвогрунта (или растительности), лежащего на слабом основании.
Граница между двумя указанными слоями может быть и четкой, и расплывчатой.
Формы кривых нагрузка-осадка для двух штампов при погружении их в неоднородную среду, состоящую из слабого почвогрунта, который лежит на прочном основании (рисунок 2.4), показывают, что выше точки А, где оба штампа действуют как бы в «однородной» среде, т. е. в среде, где эффект дна еще не чувствуется и где степень упрочнения с глубиной еще недостаточна, кривая Ъ2 лежит ниже кривой bj, согласуясь с результатами справедливыми для случая Ъ2 hi (рисунок 2.3). Однако ниже точки А кривая для большего штампа лежит выше кривой bj. Большая площадь как бы «чувствует» твердый подстилающий слой раньше, чем меньшая, и поэтому наклон dz/dp кривой для Ъ2 меньше, чем для bj. В результате кривые bj и Ь2 в более глубокой зоне меняются местами.
Загрузка мощности ДВС современных колесных тракторов на различных видах работ
Основное назначение трактора - работа на полях и других внедорожных поверхностях, где физико-механические показатели опорного основания изменяются в широких пределах и часто в несколько раз хуже дорожных. Известно, что в разных условиях трактор работает с различной эффективностью как по тяговым, экономическим, так и по экологическим показателям. Трактор работает ранней весной, когда почва еще не просохла, летом в сухую погоду и осенью, когда уже начались дожди. В зависимости от времени года, типа и влажности почвы, характера ее предварительной обработки (залежь, поле, подготовленное под посев, и т. д.) опорная поверхность для движителей трактора может быть твердой или пластичной, скользкой или с высокими сцепными свойствами.
Для тракторов и автомобилей в условиях бездорожья, временного ухудшения почвенно-грунтовых условий, болот (мелиоративные работы) и на снегу появляется необходимость повышения тягово-сцепных свойств. Поэтому возникает необходимость в создании устройств, повышающих - их проходимость и КПД.
Под проходимостью тракторов понимается их способность передвигаться по плохим дорогам или бездорожью, преодолевая препятствия пути без посторонней помощи и совершать при этом полезную работу. В зависимости от условий работы, тракторы изначально создаются с высокими тягово-сцепными свойствами и лучшей профильной проходимостью. Проходимость колесных тракторов по снегу зависит от его сцепных свойств, величины осадки и сопротивления передвижению. К тракторам предъявляют также дополнительные требования технологической или агротехнической проходимости. Эти требования обусловлены необходимостью сохранения плодородия почвы и не повреждения обрабатываемых культурных растений МТА, особенно при движении в междурядьях.
Максимальная сила тяги трактора Ркр.тах зависит от его силы тяжести Gclf и коэффициента сцепления рх в соответствии с формулой: P4,.WMK= PX-GC4 (3.2) Поэтому все способы повышения тяговых качеств ходовых систем делятся на две группы, из которых с помощью первых увеличивают сцепную массу трактора, а с помощью вторых - сцепление движителя с почвой или дорогой. Следует учитывать также, что коэффициент сцепления срх зависит от типа пути и вида движителя. Свойства поверхности качения колеса изменяются в широком диапазоне [42, 43], и им должны соответствовать функциональные качества движителя. Чем быстрее происходит приспосабливаемость движителя к физико-механическим свойствам почвы, тем выше не только сцепные качества, но и эксплуатационные характеристики агрегата в целом.
Для осуществления тягового мобильного технологического процесса необходимо наличие вполне определенных соотношений между мощностью двигателя, массой трактора, приходящейся на движители, и скоростью взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым материалом. Поэтому, для сельскохозяйственных машин и орудий должны существовать некоторые предельные размеры по массе и скоростям; излишек массы бесполезен или даже вреден, а с другой стороны, недостаток ее также недопустим; в то же время для различных процессов массы и скорости рабочих органов не могут быть одинаковы: для одних нужны большие массы и малые скорости, для других обратно - малые массы и большие скорости.
Характерной особенностью современных энергонасыщенных тракторов (особенно колесных) является нарушение условий движения по сцеплению движителей с почвой на низших передачах. На основании динамометрирования тракторов МТЗ на почвах с различным покровом и влажностью получены нагрузочные характеристики, общий вид которых показан на рисунке 3.2. Из характеристики следует, что по мере увеличения внешней нагрузки, несмотря на рост касательного усилия на ведущих колесах крюковая сила достигает максимального значения, а после наступления предела текучести почвы стремится к нулю. В точке «С» ведущие колеса имеют стопроцентное буксование, хотя здесь возможности двигателя остаются далеко неисчерпанными. На рис 3.2 Рдеф - затраты касательного усилия на деформацию почвы при буксовании движителей.
Для того, чтобы трактор не буксовал при больших нагрузках, следовало бы увеличить его сцепную массу. При этом производительность его несколько увеличится. Но это может привести его к выходу за рамки своего тягового класса и уменьшению энергонасыщенности.
Типичная нагрузочная характеристика дает наглядное представление о том, что при работе энергонасыщенных колесных тракторов на почвах с малой несущей способностью и работе на низших передачах условия (3.3) и (3.5) нарушаются и это приводит к недогрузке двигателя, потерям энергии и скорости вследствие буксования движителей [22, 50, 51, 77, 107]. Современные колесные тракторы имеют двигатели, мощность которых более чем достаточна для целей движения, а лимитирует функциональные возможности трактора чаще всего движитель (ограничения по сцеплению, воздействие на почву, энергопотери на движение, скорость и плавность хода и, соответственно, производительность) [27, 53]. В справочнике [41] указано: «В колесном движителе потери на буксование, уплотнение и измельчение почвы, деформацию и разогрев колеса и т. д. доходят до 40-60 %. В итоге лишь менее половины мощности двигателя, подводимой к колесу, идет на выполнение полезной работы».
Создание альтернативных движителей - актуальная задача повышения эффективности работы колесных мобильных машин. Опыт установки полугусеничного хода (ПГХ) [27], использование шин сверхнизкого давления и ряд других приемов нельзя признать исчерпывающими и снимающими все проблемы колесных ходовых систем, тем более, что по ряду причин широкого применения указанные движители не находят. В частности шины сверхнизкого давления увеличивают габариты и не позволяют работать в междурядьях, хотя существенно расширяют функциональные возможности. ПГХ достаточно сложно устанавливать, к тому же возрастают потери на качение. Поэтому предлагаемые решения нельзя считать удовлетворительными.
Сравнительно низкие тягово-сцепные качества колесного трактора ограничивают применение их зимой, а также ранней весной и осенью, что приводит к сезонности использования и снижает его годовую выработку. Инженерная оценка машин высокой проходимости, да и вообще мобильных систем, основывается на ряде показателей, характеризующих как машину, так и среду, с которой машина взаимодействует.
Динамика работы неполнокруглых колесных движителей
Спаренные неполнокруглые колеса устанавливаются в противофазе на ведущие полуоси и в процессе их перекатывания в пределах одного оборота происходит периодическое контактирование беговых дорожек сразу двух колес пары и попеременное контактирование каждого отдельного колеса пары.
Циклограмму изменения удельной нагрузки на опорную поверхность за один оборот спаренных неполнокруглых колесных движителей целесообразно совместить с кинематической циклограммой (рисунок 4.11), где через Л обозначено левое колесо пары, а через П - правое колесо пары; П + Л G совместная удельная нагрузка на колесную пару; q = удельная нагрузка; G А нормальная нагрузка, приходящаяся на колесную пару; А - площадь пятна контакта.
Из динамической циклограммы видно, что в фазе перекрытия удельное давление на опорную поверхность в два раза уменьшается. При этом в начальный момент вхождения в контакт с опорной поверхностью второго колеса возникает динамический удар и пиковая удельная нагрузка вследствие того, что шина работающего колеса под действием нормальной нагрузки имеет меньший радиус перекатывания по сравнению с ненагруженным вторым колесом. Поскольку в процессе работы спаренных неполнокруглых колес на поверхностях с малой несущей способностью образуется прерывистая колея, то кинематическое несоответствие спаренных колес возрастает еще больше. Испытания автомобильных неполнокруглых колес по снежному насту и неполнокруглых тракторных колес по полю подготовленному под посев (супесчаный почвогрунт) подтвердили изображенную на рисунке 4.11 качественную картину изменения удельного давления в пределах одного цикла [69, 76, 78].
Количество впадин по периметру колеса определяется количеством смен нормальных нагрузок на единицу опорной площади спаренных неполнокруглых колес за период одного оборота. Каждая смена нормальной нагрузки приводит к скачкообразным изменениям глубины колеи и ударному воздействию неполнокруглой части колеса при входе ее в контакт с опорной поверхностью. При выходе из контакта одного из спаренных неполнокруглых колес нормальная нагрузка на опорную поверхность оставшейся в контакте круглой части другого колеса возрастает в два раза. Но возрастание глубины колеи от минимального значения до максимального осуществляется с некоторой растяжкой по времени в зависимости от плотности и твердости почвы, а также внутреннего давления в шинах колес.
Динамические нагрузки на опорную поверхность особенно резко проявляется при входе неполнокруглой части колеса в контакт с опорной поверхностью. При этом за короткий промежуток времени возрастают затраты механической работы на деформацию почвы, шины колеса и на подъем масс, приходящихся на блок спаренных неполнокруглых колес на высоту до уровня минимальной глубины колеи. На рисунке 4.12 показана качественная картина изменения глубины колеи спаренных неполнокруглых колес в пределах одного цикла смены работы колес пары. Общее время цикла: U = і+ 2+ з+ 4, (4.14) где tj - время совместной работы круглых частей спаренных колес; t2 - время изменения глубины колеи от hmin до hmax при выходе из контакта с опорной поверхностью одного из колес пары; t$ - время работы круглой части одного колеса пары; t4 - время входа в контакт второго колеса. На рисунке 4.12 условно показаны траектория 12 деформации почвы входящего в контакт колеса пары и траектория /у подъема находящегося в контакте колеса с уровня hmax до уровня hmin. Приведенная циклограмма показывает, что чем больше впадин на неполнокруглом колесе, тем чаще будут возникать динамические нагрузки при входе неполнокруглой части колеса в контакт с опорной поверхностью. Отсюда появляется необходимость нахождения оптимального количества впадин на колесах в паре и выбора геометрической поверхности впадин, снижающих пиковую нагрузку при входе их в контакт с опорной поверхностью.
В результате периодического изменения нормальной и удельной нагрузок на блок спаренных неполнокруглых колес в пределах одного оборота соответствующим образом меняется глубина колеи, а также имеет место несовпадения динамического и кинематического радиуса перекатывания колес в паре. Кинематическое несоответствие между колесами в паре особенно остро проявляется на переходных режимах работы в периоды выхода и входа некруглых частей колес при взаимодействии их с опорной поверхностью.
Учитывая ударный характер вхождения круглой части колеса в контакт с опорной поверхностью, рассмотрим этот процесс как переходный и представим его в виде дифференциального уравнения
Сравнительная оценка тягово-сцепных свойств колесного трактора МТЗ-82 с круглыми и неполнокруглыми спаренными колесными движителями
Рассмотрим как меняются возможности преодоления порогового препятствия круглым колесным движителем в случаях, когда в момент отрыва круглой части колеса от базовой опорной поверхности ребро порога будет контактировать в точке С (рисунок 4.14). Составим уравнение моментов относительно геометрического центра вращения колеса:
Анализ уравнения (4.28) показывает, что чем больше радиус колеса гс и меньшее плечо сопротивления перекатыванию а при известной весовой нагрузке GK и подводимого ведущего момента, тем выше пороговое препятствие, которое может преодолеть колесо. Рассмотрим, как меняются возможности преодоления порогового препятствия неполнокруглым колесным движителем в случаях, когда в момент отрыва круглой части колеса от базовой опорной поверхности ребро порога будет контактировать с его некруглой частью.
В начале проанализируем вариант, когда некруглая часть имеет плоскую недеформируемую поверхность и радиус колеса гс величина постоянная (рисунок 4.15). Проанализировав выражение (4.28) выясняется, что поиск наименьших энергозатрат на преодоление единичного препятствия нужно изыскивать за счет плеча сопротивления перекатыванию а.
В связи с изложенным, рассмотрим, как будет меняться а по мере изменения места контакта неполнокруглой части колеса с ребром порога при известной его высоте Н. Аналитическое решение а = /(/ ) представляет определенные трудности потому, что с изменением / меняется геометрическое место центра вращения колеса и угол а. Поэтому решим ее графическим способом, задаваясь численными значениями порогового препятствия и конструктивными параметрами колеса трактора: гс = 70 см; I = 82 см; Н = 20 см; где / - длина перемычки неполно-круглой части колеса (рисунок 4.16). Задавшись текущими значениями опорной части длины перемычки / меньшими / найдем, как будет меняться значения а и место расположения центра вращения колеса при Н = const.
Графическое решение а = /(/ ) произведено в соответствии с принятыми конструктивными параметрами в масштабе 1:10. Из рисунка 4.16 видно, что по мере уменьшения / меняется место положения центра вращения колеса и плечо сопротивления перекатыванию а. Замерив численные текущие значения Г и соответствующие им а, составляем таблицу а = /(/ ) и на основании ее строим график функции для прямой перемычки (рисунок 4.17).
Из графика на рисунке 4.17 видно, что для прямой перемычки имеет место оптимальная зона контакта неполнокруглой части колеса с ребром порогового препятствия, где плечо сопротивления перекатыванию имеет малые значения, а значит, препятствие будет преодолеваться с наименьшими энергозатратами [72]. Анализ работы неполнокруглого колеса с плоской перемычкой в процессе преодоления порогового препятствия показал, что по сравнению с полнокруглым колесом проходимость его увеличивается на 35-40%. Следует ожидать, что если перемычка будет иметь не плоскую, а криволинейную форму, то зону оптимальных значений плеча сопротивления перекатывания а, при контактировании ребра порога в разных точках перемычки, можно существенно сдвинуть в сторону меньших значений, и тем самым, еще больше увеличить проходимость такого колеса.
Примем численные значения конструктивных параметрах тракторного ведущего колеса 9R42, оборудованного криволинейной перемычкой (рисунок 4.18): гс=70 см; /=82 см; гп=70 см; где гп— радиус криволинейной перемычки; //=20 см — высота порогового препятствия. Используя графический прием, определяем плечо сопротивления перекатыванию в процессе преодоления порогового препятствия неполнокруглым колесом при контактировании разными точками криволинейной перемычки ребра порога при постоянной его высоте. На рисунке 4.19 показано процедура преодоления порогового препятствия при касании криволинейной перемычки ребра порога в разных ее точках. Как и в случае работы с прямолинейной перемычкой, по мере уменьшения плеча сопротивления перекатыванию момент сопротивления в начале уменьшается, а затем, после достижения минимальной величины, возрастает.
При этом выявляется, что темпы увеличения плеча сопротивления перекатывания колес с криволинейной перемычкой по мере перемещении ее по ребру порога возрастает заметно быстрее по сравнению с прямолинейной перемычкой (рисунок 4.17). Рассмотренная качественная картина взаимодействия прямолинейной и криволинейной перемычек с жестким ребром порога выполнена в предположении, что второе колесо пары отсутствуют. В действительности неполнокруглая и круглая части спаренных колес работают одновременно и эффективность неполнокруглой части будет возрастать при проскальзывании (буксовании) круглой части колеса относительно ребра порога.
Если спаренные неполнокруглые колеса будут преодолевать деформируемые пороговые препятствия или гребни, то следует ожидать, что круглая часть колеса начнет испытывать повышенные бульдозерные сопротивление и буксование, а некруглая часть будет осуществлять деформации сжатия и сдвига частиц гребня, формируя при этом большую движущую силу, а значит, и проходимость по сравнению с круглой частью. Кинематическое несоответствие работы спаренных неполнокруглых колес при работе по поверхностям с малой несущей способностью существенно нивелируются по сравнению с работой по жестким поверхностям и одновременно обеспечивает большую проходимость по сравнению с круглыми колесами. Для круглого колеса радиусом г=70 см прогиб по нормали от центра вращения колеса к ребру порога Аг=10...12 см, а плечо сопротивления перекатыванию а=46 см. Минимальное плечо сопротивления перекатыванию неполнокруглого колеса с прямолинейной перемычкой составляет 28 см, а с криволинейной 21 см. Произведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что перемычку следует изготовлять криволинейной вогнутой формы, поскольку оптимальное значение плеча сопротивления и общий диапазон изменения а = /(Г) для нее располагается ниже кривой а = /(/ ) с прямолинейной перемычкой [73].
