Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния системы «сельско хозяйственный движитель - опорное основание» 9
1.1. Воздействие ходовых систем на почву 11
1.2. Особенности различных типов движителей и их воздействие на почву 20
1.3. Анализ рекомендаций по совершенствованию движителей в научных работах 30
1.4. Обоснование направления совершенствования колесного движителя для мобильных сельскохозяйственных машин ,,..42
ГЛАВА 2. Разработка гибких колес, обеспечивающих снижение давления на деформируемое опорное основание до допустимого уровня 53
2.1. Описание конструктивной схемы «гибкого колеса» 54
2.2. Расчет геометрических параметров «гибкого колеса» 62
2.2.1. Геометрический расчет диафрагменпого «гибкого колеса» 63
2.2.2. Геометрический расчет «гибкого колеса» со свободными стойками 68
2.3. Определение деформационных характеристик 73
2.4. Оценка предельных нагрузок, ограничений 84
ГЛАВА 3. Анализ взаимодействия гибких колес с деформируемым почвогрунтовым опорным основанием 88
3.1. Анализ силового воздействия «гибких колес» на деформируемое опорное основание 88
3.2, Расчетная оценка тягово-сцепных показателей ..94
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования образцов «гибких колес» 103
4.1. Программа и методика. Объекты экспериментальных исследований. Испытательное оборудование 103
4.2. Результаты экспериментальных исследований. Анализ полученных результатов 112
ГЛАВА 5. Оценка экономической эффективности движителя «гибкое колесо» 132
Общие выводы 140
Список литературы 142
- Особенности различных типов движителей и их воздействие на почву
- Описание конструктивной схемы «гибкого колеса»
- Определение деформационных характеристик
- Программа и методика. Объекты экспериментальных исследований. Испытательное оборудование
Введение к работе
Анализ данных о состоянии окружающей среды и влиянии на нее хозяйственной деятельности заставил человечество задуматься об уязвимости экосферы. Воздействие на нее антропогенного фактора (в том числе и мобильных средств различного назначения) ведет к необратимым изменениям климата, ландшафта, состояния водных ресурсов и почвы. С другой стороны, рост населения планеты ставит проблему обеспечения продовольствием в ряд наиболее актуальных. Роль почвы в решении этой задачи трудно переоценить.
Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур предусматривают многократные проходы машин по полю. Вследствие этого поля подвергаются за сезон двух...четырехкратному воздействию ходовых систем, а отдельные участки поля восьми...девятикратному. Исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными, показали, что по следу колесных тракторов урожайность основных сельскохозяйственных культур снижается на 8...25 % [52,18], сопротивление последующей обработке увеличивается на 40 % [34], переуплотнение приводит к деградации почв, разрушение структуры -к развитию ветровой эрозии [48]. Перечень негативных последствий можно продолжать.
Современные колесные тракторы имеют двигатели, мощность которых более чем достаточна для целей движения, и лимитирует функциональные возможности трактора чаще всего движитель (ограничения по сцеплению, воздействие на почву, энергопотери на движение, скорость и плавность хода и, соответственно, производительность).
Низкая продуктивность полеводства, высокая энергоемкость механизированных работ в значительной мере являются результатом несоответствия ходовых систем условиям сельскохозяйственных опорных поверхностей. Эффективность движителей не может быть определена в отрыве от рассмотрения опорных поверхностей, на которых они должны работать. Оценивать можно только систему «движитель - опорное основание». Эффективность этой системы для дорожных машин повышается путем совершенствования обеих составляющих, включая строительство дорогостоящих дорог. Для трактора основным опорным основанием служит почва, и ее не только нельзя уплотнять в угоду движителю, но необходимо максимально беречь.
Негативные последствия носят кумулятивный характер, ведут к деградации почв, поэтому проблема допустимого воздействия движителей на почву приобретает все большую остроту.
Экономическая значимость проблемы настолько существенна, что даже ее частичное решение окажет заметное влияние на уровень эффективности сельскохозяйственного производства.
Усовершенствования пневмошин в течение длительного времени не дают радикального прогресса, поэтому представляется целесообразным рассматривать проблему более широко, с выходом за рамки конструктивной схемы пневмоколес.
В литературе приводятся отдельные рекомендации конструктивного плана по усовершенствованиям эластичных колес, но нет комплексных решений высокоэффективного движителя. Сложность процессов,
многофакторность оценок работы движителя затрудняют обоснование оптимальных параметров колесных движителей для сельскохозяйственных полевых машин. Указанные аргументы свидетельствуют об актуальности научных работ в данном направлении.
Настоящая работа - вариант решения научно-технических задач создания движителя, обеспечивающего допустимое воздействие на почву при высокой функциональной эффективности.
Особенности различных типов движителей и их воздействие на почву
Самым массовым типом сельскохозяйственных движителей в настоящее время являются пневмоколеса. Пневматическая шина является важнейшей частью практически всех безрельсовых колесных транспортных средств. Одновременно находится в эксплуатации более 4 млрд. шин, а мировой выпуск шин превысил 800 млн. в год [15]
Возникнув в XIX веке как средство защиты тихоходного экипажа от толчков и ударов со стороны дорожных неровностей, пневматическая шина в наше время стала самым распространенным движителем, обеспечивающим работу машин в самых различных условиях эксплуатации. Естественно, что при сохранении общей схемы своего устройства, конкретные конструкции пневматических шин чрезвычайно разнообразны.
Одинаковым для всех конструкций остается то, что пневматическая шина есть оболочка вращения, силовой основой которой является система обрезиненных кордных слоев, защищенных от внешних воздействий покровными резиновыми деталями - протектором и боковинами. Важным является тот факт, что шина приобретает работоспособность только при наличии избыточного внутреннего давления [15], т.е. должна рассматриваться как предварительно напряженная конструкция.
В нашей стране пневматические колеса стали основным движителем колесных сельскохозяйственных машин в пятидесятые годы.
Чтобы понять в развитии современное состояние колесных движителей, кратко остановимся на основных этапах их совершенствования.
Колесо известно более 7 тыс. лет. Изобретение повозки в прошлом позволило использовать лошадь как тягач для перевозки гораздо более тяжелых грузов, чем те, которые она могла возить на вьюке. Так был сделан первый шаг к разделению тяговой и опорной функции в транспортном средстве: лошадь выполняла первую, а колеса повозки - вторую. Однако повозки не имели проходимости копыта лошади или ноги человека. При езде на повозках приходилось выбирать участки с более твердым грунтом, а затем искусственно укреплять грунты - строить дороги. Возможно, это было первое наблюдение процесса взаимодействия колеса с дорогой - оно привело к созданию мощеных дорог. Подмеченное несовершенство процесса взаимодействия колеса с грунтом вызвало непрерывный, непрекращающийся и по настоящее время процесс совершенствования колес.
Пневмошина появилась в конце XIX века, т.е. имеет сравнительно короткую, но достаточно интенсивную историю развития. Прежде на сельскохозяйственных машинах устанавливались металлические колеса. Однако такие колеса в эксплуатации имеют ряд существенных недостатков и в настоящее время практически полностью заменены пневматическими шинами. Пневматические шины по сравнению с металлическими колесами уменьшают глубину оставляемых следов, снижают потери на качение и расход горючего, повышают тяговые качества самоходных машин и их проходимость на мягких грунтах. Пневматические шины обеспечивают хорошую амортизацию толчков и ударов при движении, что приводит к уменьшению динамических нагрузок деталей машин и к улучшению условий работы обслуживающего персонала. Как указывалось в работе [1] со ссылкой на результаты испытаний в НАТИ, производительность колесного трактора с пневматическими шинами по сравнению с трактором на стальных колесах в среднем на 16-20 % выше, при этом расход топлива на всех видах сельскохозяйственных работ снижается на 14-18 %.
Приведенные выше оценки показывают, что появление пневмошин на полях не дало такого большого роста производительности, какой обеспечили пневмошины на дорожных транспортных машинах.
Колесные сельскохозяйственные машины предназначены для передвижения не столько по дорогам, сколько в условиях бездорожья, по неподготовленной для движения путевой поверхности. Стремление адаптировать пневмошины к таким условиям привело к разработке колес с низким давлением в ездовой камере (до 0,02...0,03 МПа) и регулированию давления воздуха в камере в зависимости от условий движения (характера опорной поверхности).
Мобильная техника с пневматическими колесными движителями, обладая высокими эксплутационными качествами на усовершенствованных дорогах, не сохраняет их при движении по грунтовым дорогам или по полю. Недостаточная производительность обусловлена малым тяговым усилием, низкими сцепными качествами шин и в связи с этим неполным использованием сцепного веса.
Анализ изобретений (Приложение 1), касающихся пневматических колес низкого давления, показал, что они направлены на повышение безопасности, тяговых свойств, особенно на слабонесущих грунтах, улучшение технологичности путем применения литых покрышек и ободов из пластических материалов, например, стеклопластика. Серьезных изменений в колесах массового производства эти предложения не внесли и используются для машин, выпускаемых штучно или мелкими сериями.
К общим недостаткам шин с регулируемым давлением относятся: малая удельная грузоподъемность, низкие тяговые возможности на отдельных типах грунтов и малое использование потенциала опорной поверхности (большие потери в пятне контакта). Помимо этого, при качении шин с низким внутренним давлением по малодеформируемым почвам отмечается рост внутренних потерь.
В 1954 г. появился патент на арочную шину. Арочные шины отличаются специфической формой профиля, напоминающей арку. Отношение высоты профиля к ширине Н/В=0,3,..0,4. Стенки в зонах у борта шины - жесткие, а беговая часть шины деформируется как мембрана, давая прогибы в сторону, противоположную наружной поверхности, и образуя вогнутую поверхность. При этом происходит перераспределение давлений по контактной площадке. Высокое давление по краям, в середине покрышки минимально. Это создает условия для формирования путевой поверхности специальным образом. Объем, сформированный в виде защемленного в вогнутой части покрышки элемента мягкого грунта, дает существенное увеличение тягового усилия. По данным, полученным в лабораторных условиях, это приращение достигает 30...40%, а в полевых условиях тяговое усилие увеличивается в 3 раза. При движении по твердым дорогам мембранные деформации покрышки нежелательны. Они ведут к повышенному износу протектора. Большое проскальзывание элементов арки дуги, образующей шину, ведет к неравномерному износу сферической беговой дорожки и, следовательно, к большим потерям и нагреву шины.
Описание конструктивной схемы «гибкого колеса»
Состав и взаимосвязь основных элементов движителя ГК показывает принципиальная схема, представленная на рис. 2.1. Ступица 1 взаимодействует с ободом 2 посредством соединительных элементов 3, равномерно закрепленных вдоль периметра обода. При этом взаимодействии силы передаются только в верхней части движителя, а внизу происходит свободное взаимное перемещение элементов обода и ступицы. В качестве обода «гибкого колеса» используется ленточное кольцо со свойством односторонней ограниченной гибкости. Ступица является жестким конструктивным элементом, который, помимо основного назначения, служит также для крепления движителя на фланец полуоси трактора или другой мобильной машины. Соединительные элементы обеспечивают взаимосвязь обода и ступицы в верхней круговой части «гибкого колеса», и не ограничивают приближение участков обода к ступице в нижней части, где образуется зона контакта LK при прогибе обода до гс.
Обзор патентных источников и анализ существующих технических решений позволяет использовать для воплощения принципиальной схемы «гибкого колеса» большой набор конструктивных вариантов исполнения обода, ступицы и соединительных элементов. Два варианта, представляющихся наиболее перспективными, апробированы - созданы полномасштабные образцы, проведены их исследования. Рассмотрим конструктивные особенности вариантов «гибких колес».
Схема диафрагменного «гибкого колеса» (ДГК) По первому варианту, соединительные элементы выполняются в виде гибких связей из металлического троса. В совокупности все тросовые соединительные элементы - стропы образуют своеобразную диафрагму в форме боковой поверхности двух усеченных конусов, обращенных друг к другу большими основаниями. Вариант получил название Диафрагменное «гибкое колесо» (ДГК), Конструктивная схема ДГК представлена на рис.2.2.
Концы тросовых строп 2 закрепляются на ступице 3 и на стойках обода 1 таким образом, что четыре стропы, закрепленные на каждой стойке обода, при натяжении образуют пространственную четырехгранную пирамиду, в которой есть жесткое основание (ступица) и гибкие ребра граней (стропы). Такая конструкция диафрагмы не ограничивает перемещений стоек в направлении ступицы, но задает максимально возможное удаление от ступицы. Ступица ДГК выполняется в форме катушки с двумя дисками, разнесенными по ширине. При нагружении ДГК нормальной нагрузкой (вес, приходящийся на полуось) диафрагма, состоящая из тросовых строп, приобретает все составляющие жесткости, необходимые для работы движителя.
Связь между ободом 1 и ступицей 3 осуществляется тросовыми стропами 2, которые образуют диафрагму в форме боковой поверхности двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями. В общем случае, обод может быть представлен в виде цепи, см. рис. 2.3, каждое звено которой имеет плиту 1 со стойкой 2 в центре. Вдоль длинных сторон прямоугольной плиты выполнены шарнирные проушины 3 для связи с соседними звеньями. Для ограничений гибкости цепи, за рамками заданных углов поворота, на стойках предусмотрены места крепления байонетной цепи 4 с упорами 5 и 6. Упоры 6 ограничивают прямой изгиб обода, а растянутая цепь 4 с упорами 5 - обратный. На вершине стойки каждого звена закреплены четыре тросовых стропы, а свободные их концы крепятся в четырех, разнесенных между собой, точках на ступице. Ступица выполнена в виде катушки, в которой два круглых диска связаны центральной проставкой.
При качении звенья и соответствующие им стропы последовательно переходят с одного участка обода ДГК на другой. Вследствие относительно малого шага цепного обода (30-36 звеньев), а также благодаря наличию демпфирующих элементов, качение движителя происходит плавно.
Увеличенная длина пятна контакта в сочетании с высокой обратной изгибной жесткостью обода повышают плавность хода машины, сглаживающее действие движителя.
Под действием нормальной нагрузки на ступицу ДГК стропы, относящиеся к звеньям, расположенным в верхней части колеса, натягиваются. Треугольники, образующиеся из двух натянутых строп и жесткой ступицы, см. рис. 2.4, имеют определенную боковую жесткость, т.е. способны воспринимать некоторую боковую нагрузку без изменения начальной геометрии. Благодаря указанной жесткости отдельных треугольников, ДГК в целом также способен передавать боковые нагрузки, крутящий момент и другие силовые воздействия, характерные для эксплуатационных условий. В нижней части стропы свободно провисают и не создают сопротивления деформациям обода.
По второму варианту, соединительными элементами служат удлиненные стойки, которые равномерно закреплены вдоль периметра обода. Вершины стоек остаются свободными, т.е. они не крепятся на ступице. Вариант получил название «гибкое колесо» со свободными стойками (СГК). Конструктивная схема СГК представлена на рис. 2.5. Связь между ободом 1 и ступицей 2 осуществляется посредством удлиненных стоек 3 обода. Ступица СГК имеет форму плоского диска, по периметру которого сделана отбортовка в виде желобчатого кольца 4, а на концах удлиненных стоек звеньев предусмотрены консольные зацепы 5, повторяющие по форме профиль желоба 4. Зацепы имеют свободу перемещений параллельно диску ступицы без выхода за его периметр, т.к. этому препятствует отбортовка. Одновременно, отбортовка препятствует боковому смещению зацепов, а с ними, соответственно, и стоек. Дополнительный диск 6, закрепляемый параллельно основному на расстоянии ширины стоек, препятствует боковому смещению стоек со свободными зацепами.
Определение деформационных характеристик
Точный расчет силовых нагрузок, действующих в элементах конструкции бездиафрагменного варианта ГК, достаточно сложен, т.к. даже при допущениях, в частности, при замене упругих элементов жесткими упорами и пренебрежением силами трения, которые привносят коррективы в распределение сил, система остается много раз статически неопределимой. Для целей проектирования и общей оценки нагруженности элементов полезен приближенный расчет с приложением одной вертикальной нагрузки. Действие дополнительных нагрузок может быть учтено введением соответствующих коэффициентов. В силу симметрии конструкции и приложенной внешней нагрузки, при определении расчетной схемы можно ограничиться рассмотрением одной половины колеса, см. рис. 2.12. В рассматриваемой половине колеса выделяются три участка, для каждого из которых определяются величина и направление действия внешних сил, т.к. связь между участками осуществляется посредством шарнира.
Поскольку силами трения мы пренебрегаем, направление действующей между участками силы определяется прямой, проходящей через крайние шарниры переходного участка. Угол этой прямой относительно горизонта обозначим ао.
Так как вертикальная составляющая реакций в крайних шарнирах должка равняться половине вертикальной нагрузки на колесо, можно определить величину силы / о, действующей в этих шарнирах: Силовые нагрузки, действующие в конструктивных элементах сводчатого участка, могут быть определены только с учетом принимаемой схемы передачи момента. Получаемая расчетная схема статически неопределима и точное решение может быть получено с использованием достаточно громоздких вычислений. На рис, 2.13 представлены эпюры сжимающих и перерезывающих нагрузок в ободе ДГК, которые получены методом графоаналитического расчета для рассматриваемой геометрии движителя. Анализ эпюр показывает, что наиболее нагруженным является опорный участок обода, где величины действующих сил определяются достаточно просто и точно. Как показано в разделе 2.1., начальный прогиб гибкого обода (Д/?0) задается конструктивными размерами структурных элементов движителя ГК, образуется до приложения внешних нагрузок и не зависит от жесткостпых характеристик деталей. Реальные конструкционные материалы обладают определенной упругостью. Деформационные характеристики движителя зависят от выбора материала и конструктивного исполнения тех или иных деталей.
По результатам анализа определено, что обод ГК должен иметь высокую тангенциальную жесткость (чтобы минимизировать потери), а изгибная жесткость должна меняться в зависимости от кривизны. В диапазоне необходимых рабочих изгибов жесткость требуется минимальная, а на границах этого диапазона жесткость должна резко возрастать, что соответствует ограничениям прямой и обратной гибкости. Конструктивно указанные ограничения обеспечиваются упором вершин стоек или выбором размера звеньев байонетного пояса растяжения обода.
Программа и методика. Объекты экспериментальных исследований. Испытательное оборудование
Проведение экспериментальных исследований по определению показателей взаимодействия разных движителей в идентичных почвенных условиях обусловлено необходимостью проверки и уточнения теоретических предпосылок о направлениях изменения характеристик взаимодействия движителя при перемене его конструктивных параметров.
Как было показано в главе 1, ключевое значение в обеспечении выходных характеристик колесного движителя для деформируемых опорных поверхностей имеют его жесткостные характеристики, обеспечение достаточной площади контакта, тягово-сцепные возможности, потери на качение. Гипотеза о влиянии конструктивных изменений движителя на указанные показатели потребовала экспериментальной проверки, которая была проведена в ходе исследований.
Исходя из задач, была определена следующая программа исследований:
1. Проведение стендовых обжимных исследований сравниваемых движителей;
2. Проведение лабораторных и полевых тяговых исследований движителей;
3. Проведение лабораторных исследований по определению сопротивления качению и глубины следа с разделением потерь на внутренние и внешние на прессование почвы.
Объектами исследований являлись три типа колесного движителя равных габаритных размеров: жесткое цилиндрическое колесо, пневмоколесо с шиной 4.00-10, мод. Ф-106, «гибкое колесо», допускающее переналадки. Основные параметры испытуемых объектов приведены в табл. 4.1.
Для проведения испытаний в соответствии с перечнем задач было разработано и изготовлено специальное оборудование; стенд для обжимных испытаний; грунтовый канал для тяговых испытаний и определения сопротивления качению. Дополнительно, часть испытаний была выполнена на испытательной базе ПФ НАТИ и ГНУ ВИМ.
Сравнительная оценка вариантов колесных движителей производилась по комплексу функциональных показателей.
В случаях, когда разница показателей находит объяснение на уровне фундаментальных законов механики, необходимо указать на взаимосвязь конструктивных отличий и полученных показателей.
Результаты испытаний в соответствии с протоколами в численном виде представлены в виде таблиц. В необходимых случаях для большей наглядности построены графики полученных функциональных зависимостей.
Анализ полученных зависимостей, сопоставление с имеющимися расчетными данными и данными, полученными другими исследователями, проводившими аналогичные работы, являются базой для выработки рекомендаций и выводов. Испытания по определению нагрузочных характеристик движителей, длины пятна контакта и его площади проведены на стенде, рис. 4.1. Вертикальная нагрузка увеличивалась ступенчато последовательной навеской мерных грузов.
Для проведения обжимных испытаний сравниваемых вариантов колес и определения продольных эпюр давления колес на опорную поверхность в контакте использовался стенд, схема которого представлена на рис. 4.1. Силовой каркас стенда состоит из двух стоек 1 и 2, плиты 3 и балки 4. На стойке 1 шарнирно крепится рычаг 5, на свободный конец которого навешиваются мерные грузы 6, а на малом плече через ось 7 устанавливалось испытуемое колесо 8. Ступенчатое увеличение вертикальной нагрузки с соответствующим измерением прогиба кронциркулем 9 позволило экспериментально получить зависимости hz(G). Аналогичным образом получены зависимости F(G) и /K(G). Для определения продольных эпюр давления в контакте стенд дополнительно оснащен необходимыми элементами. Опорная поверхность набрана из стальных брусков 10, которые своими краями укладываются на две продольные опоры: ножевую 11 и плоскую 12. Набираемая таким образом опорная поверхность размещается на плите 3 стенда.
Вертикальная нагрузка на испытуемое колесо через зону контакта передавалась опорной поверхности, набранной из поперечно расположенных брусков 10. Замерив усилие, воспринимаемое каждым из брусков, мы получили гистограмму продольного распределения опорной реакции по длине контакта.
Измерение нагрузки на каждый из брусков производилось поочередно с помощью приспособления, включающего быстросъемный захват 13, пружинный силоизмеритель 14, трос 15 гибкой связи, блок 16, закрепленный на передвижном кронштейне 17, который может передвигаться по балке 4 стенда, и мини лебедки 18, которая неподвижно закреплена на балке.
