Расчетная оценка воздействия на почву колесных и гусеничных тракторов
Волгоградский государственный технический университет, Россия
Аннотация. Проходимость и агроэкологические свойства тракторов определяются в основном их давлениями на почву. Приведены методика и результаты расчета средних и максимальных давлений на почву некоторых распространенных в сельскохозяйственном производстве России колесных и гусеничных тракторов, иллюстрирующие преимущества первых.
Ключевые слова: сельскохозяйственный трактор, гусеница, ширина и шаг гусеницы, колесо, шина, давление воздуха в шине, средние и максимальные давления на почву.
Средние qср и максимальные qmax давления движителей сельскохозяйственных тракторов на почву являются основными показателями, определяющими их опорно-временную проходимость и агроэкологические свойства. С ростом давлений, в первую очередь qmax, с одной стороны — возрастают глубина образовываемой трактором колеи, сопротивление качению и, как следствие, снижается его тяговый КПД, с другой стороны — увеличивается уплотнение трактором почвы и ухудшаются условия произрастания, снижается урожайность возделываемых сельхозкультур.
ГОСТ 26955-86 [1] регламентирует нормы воздействия тракторов на почву, в том числе основного из них — qmax. Однако предусмотренная ГОСТ 26953-86 [2] проверка воздействия требует проведения испытаний натурного образца трактора с использованием достаточно сложного оборудования. Поэтому представляется целесообразным на стадии проектирования трактора или перед выполнением машинно-тракторными агрегатами в его составе полевых работ выполнение анализа qср и qmax расчетным путем.
С использованием зависимостей, предложенных профессором В.В. Гуськовым [3], был выполнен сравнительный расчет давлений на почву распространенных в сельскохозяйственном производстве России тракторов: колесных МТЗ-82, Т-150К, К-744Р1 и гусеничных ДТ-75Д, ВТ-100Д , ВТ-150Д в предусмотренной изготовителем основной комплектации.
Давления на почву единичного движителя колесных тракторов определялись из выражений:
— средние: qср= Giк / Sш ,
где: Giк — вертикальная нагрузка на единичный движитель (колесо);
Sш = ?aкbк/4 — площадь контакта шины с почвой;
aк = C3 и bк = 2 — соответственно длина и ширина отпечатка шины на почве (большая и малая оси эллипса);
C3 = 20,5/[11,9 + D/b – (nш-9)/2 -3] — поправочный коэффициент для тракторных шин;
D — наружный диаметр шины в свободном состоянии;
hш = Giк / Cш — деформация (статический прогиб) шины под нагрузкой;
rc‘ = (b + H)/2,5 — приведенный радиус поперечного сечения (профиля) шины;
b — ширина профиля шины;
nш — норма слойности шины; в выполненных расчетах принималась nш = 8;
H — высота профиля шины;
Cш = ?pw — жесткость шины (формула Хейдекеля);
pw — давление воздуха в шине;
— максимальные: qmax = qср K2/K1, (2)
где: K1 – коэффициент, зависящий от наружного диаметра D шины; принимался: K1 = 1,30 при 1,0 > D > 0,8 м; K1 = 1,20 при 1,2 > D > 1,0 м; K1 = 1,15 при
1,5 > D > 1,2 м и K1 = 1,10 при D > 1,5м;
K2 – коэффициент продольной неравномерности распределения давления по площади контакта (в расчетах принимался K2 = 1,5).
Давления гусеничных тракторов определялись из выражений:
— средние: qср = Gэ / 2bгLус = Gэ / 2bг(L + tг), (3)
где: Gэ = mэg – эксплуатационный вес трактора;
bг — ширина гусениц;
Lус — условная длина участка гусеницы, находящегося в контакте с почвой; для анализируемых тракторов с эластичной подвеской и приподнятыми над поверхностью почвы ведущими (угол подъема ведущей ветви гусеницы более 2°) и направляющими колесами (угол подъема сбегающей ветви гусеницы более 5°) принимается Lус = L + tг [2];
mэ — эксплуатационная масса трактора;
g — ускорение свободного падения;
L – база трактора;
tг — шаг гусеницы;
— максимальные: qmax = Giг / n bг , (4)
где: Giг — вертикальная нагрузка на единичный движитель (опорный каток);
n — число звеньев на активно-опорном участке гусеницы (под опорным катком), зависящее от соотношения шага опорных катков и шага гусеницы tк/ tг; для анализируемых тракторов с tк/ tг > 3 принималось n = 1.
Воздействие на почву определено для наиболее распространенного случая работы с.-х. тракторов — с наиболее вероятной тяговой нагрузкой Pкрнв= 0,8Pкрном (Pкрном — номинальное тяговое усилие трактора, соответствующее заявляемому изготовителем тяговому классу).
Смещение центра давления xд назад при работе с Pкрнв определялось по формуле [4]: xд = Pкрнв hкр / Gэ , исходя из допущений, что сила тяги на крюке Pкрнв направлена параллельно основанию, высота ее приложения (точки прицепа) hкр = 0,4м и влиянием силы сопротивления качению можно пренебречь;
Расчеты проведены, исходя также из следующих условий и допущений:
а) вес трактора распределяется по бортам одинаково;
б) вертикальная нагрузка на мосты колесного или каретки подвески гусеничного тракторов распределяется обратно пропорционально абсциссам расстояний от центра давления до осей мостов или цапф кареток подвески; вертикальная нагрузка на опорные катки в каретке подвески гусеничного трактора распределяется также обратно пропорционально абсциссам расстояний между осью цапфы и осями опорных катков;
в) для колесных тракторов расчеты выполнялись для шин основной комплектации; принималось рекомендованное при выполнении полевых работ давление воздуха в шинах pw [5,6];
г) для трактора ДТ-75Д расчет выполнен для 2 предусмотренных документацией вариантов комплектации гусеницами: основной — шириной 470 мм и по заказу потребителя — шириной 390 мм;
д) подвеска трактора ВТ-150Д настроена на работу в балансирном режиме (имеются также режимы независимого и смешанного подрессоривания опорных катков).
Краткие характеристики исследуемых тракторов и результаты расчетов приведены в табл. 1, 2.
Полученные значения qmax сравнивались с установленными нормами [1] для одного из самых распространенных случаев выполнения тракторами весенних полевых работ на супесчаной почве влажностью 0,7 НВ (наибольшей влажности), согласно которым максимальные давления с учетом типа почвы, нагрузки на единичный движитель, числа проходов движителей по одному следу и высоты рисунка протектора не должны превышать: — для колесных тракторов — 144 -174 кПа; — для гусеничных тракторов — 144 кПа (см. также табл. 1, 2).
Таблица 1. Технические характеристики анализируемых колесных тракторов и результаты расчетов их давлений на почву
Источник
Как бороться с избыточным давлением техники на почву?
При покупке сельхозтехники аграрии часто сталкиваются с выбором, какую технику брать: на колесном или на гусеничном ходу. Как правило, выбор делается в пользу колесной техники. Но при всех своих преимуществах, у нее есть и недостаток: большое удельное давление на почву. Ранее, в эпоху крупных колхозов и совхозов, было целесообразным содержать гусеничные тракторы, обеспечивающих удельное давление 0,45кг/см2. Их главным образом применяли на пахоте ранней весной, при повышенной влажности почвы. А, как известно, без существенного нарушения структуры почва может выдерживать удельное давление 0,6-1 кг/см2, когда влажная, и 2-3 кг/см2, когда сухая.
Колесный трактор в течение сезона неоднократно проходит по полю. Удельное давление на грунт, которое он создает, составляет 2-4 кгс/см2. Как следствие, образуется плотная колея, оказывающее негативное воздействие и почву, и на технику. Почва становится уплотненной не только в колее, но и в прилегающих областях. При нормальной влажности уплотнение достигает глубины 30 см и более, на переувлажненных почвах уплотнение может достигать 60 см. К завершению сезонных работ до 80% площади поля может оказаться уплотненной.
Вследствие изменения структуры почвы увеличивается ее водная и ветровая эрозия, нерационально расходуется мощность двигателя. И получается, что расход топлива растет, а урожайность падает.
Как же быть? Может помочь, особенно при работах в узких междурядьях, сдваивание и страивание колес. Но более эффективное решение проблемы это использование специальных широкопрофильных шин. Это шины, у которых величина параметра Высота/Ширина=0.4 и менее, обладают низким и сверхнизким внутренним давлением.
Украинский производитель шин «Днепрошина» протестировал, какое воздействие на почву оказывает один и тот же трактор при установке на него разных шин.
Технические показатели трактора Т-150К с одинарными и сдвоенными колесами на подготовленной под посев почве
Как видно из таблицы, установка широкопрофильных шин является оптимальным решением. И хотя уплотняющее воздействие на почву у таких шин больше, чем у гусениц, однако с ними технику можно применять на множестве работ. Начиная от ранневесеннего периода (посев зерновых, внесение удобрений, подкормка) и заканчивая позднеосенним (уборка зерновых, картофеля, свеклы и т.д.).
Кроме того, аграрная техника на одинарных широкопрофильных шинах может успешно работать в то время, когда даже ее перемещение на сдвоенных шинах становится практически невозможным.
Источник
Давление на почву трактором
Трактор это такая техника, которая большую часть времени работает на земле, например трактором обрабатывают землю или вспахивают ее. Но большой вес данной техники и наличие колесного хода обеспечивают иногда большое давление на почву, а для дальнейшего выращивания культур или обработки поля это будет негативным последствием. Многие решают проблему достаточно банальным способом — устанавливают вместо колес гусеницы. Это конечно же верный способ, но по определенным причинам в нем есть свои минусы, ведь если бы все было так просто, на полях были бы одни гусеничные модели. 
Интересным будет и тот факт, что в некоторых случаях гусеницы создают большее влияние на почву, нежели колеса. В частности это относится к положению трактора, когда он движется или стоит. В результате повышенного давление на грунт трактора происходит переуплотнение почвы, которое может возникнуть и по другим причинам. И даже не важно, какую технику вы используете — мотоблок, трактор или культиватор, риск получить уплотнение подплужных слоев достаточно частое явление. Необходимость уменьшить давление трактора возникает и по другим причинам:
- Чтобы равномерно передвигаться по влажным поверхностям, где уровень влаги 20 % и более.
- Для более щадящей обработки почвы.
- При работе на торфяниках и грунтах, которые нуждаются в глубокой вспашке. В таком случае будет увеличена тяга трактора при меньшей скорости передвижения.
Использование в полевых условиях
Для обработки полей зачастую используют навесное оборудование либо прицепные устройства, и при таком варианте основной вес приходиться на заднюю ось трактора. Аналогичная ситуация как на гусеничных, так и на колесных моделях, поэтому особой разницы вы не почувствуете. Колесной вариант при использовании навесного более предпочтителен, ведь передняя часть будет создавать меньшее давление, а на задние колеса давление будет минимизировано благодаря свойству шин. Они способны более равномерно распределять повышенный вес, чего не скажешь про гусеничные траки. Основная нагрузка в гусеницах будет перенесена назад. 
Многие производители уменьшают давление на почву своих колесных моделей использованием сдвоенных колес, это лучше распределяет вес трактора и оборудования.
Сдвоенные колеса на трактор
Давно доказано, что сдвоенные колеса положительно отразятся на характеристиках и производительности техники. В первую очередь характеристики будут увеличены из-за повышенного тягового стержня, нагрузка на поверхность будет распределена более равномерно. Тесты показывают, что сдвоенные колеса на тракторе набирают большую скорость, нежели стандартный вариант. Наличие сдвоенных колес спереди помогает равномернее распределить нагрузку на переднюю часть. 
В обычных вариантах замечена потеря мощности при поворотах, чего не скажешь про рассматриваемый вариант. Практика показывает, что вышеуказанные преимущества позволяют нагружать на трактор больше навесного оборудования и развивать большую скорость при работе на полях. Это в свою очередь не только снижает давление на почву, но и увеличивает эффективность обработки поля.
Преимущества гусеничного хода
Но не стоит сразу считать колесные разновидности трактора наиболее удачными, у гусеничного хода есть ряд своих неоспоримых преимуществ. Такой вариант будет наиболее эффективным при работе в плохую погоду или на слишком влажном грунте. В процессе движения увеличивается сила трения, поэтому трактор более плавно и уверенно управляется. Гусеницы также практически не подвержены неровностям поля, поэтому проходимость такого вариант на уровень выше. 
От колесного трактора после прохождения остается 4 следа от колес, а у гусеничного всего 2 следа. Колеса гораздо чаще требуют ремонта и замены, срок гусениц в разы больше.
Несколько способов уменьшить давление на грунт трактора
Помимо использование гусеничного хода или сдвоенных колес есть несколько простых вариантов немного, но снизить давление. Это поможет эффективнее работать на небольших полях или огородах.
- Снизить давление в шинах колес. Проверяем показатели давления до и после работы на почве. Если вы двигаетесь с меньшей скоростью, то шины нужно спускать, если скорость движения увеличена, шины нужно накачивать больше. Также необходимость в давлении обусловлена состоянием грунта — если почва твердая, шины должны быть накачены, если поверхность мягкая или рыхлая, шины спускаем.
- На колесном тракторе можно установить более широкую резину.
Замена колесного хода на гусеничный должно быть крайней мерой, ведь это не только дорогостоящая процедура, но и повышенный расход топлива, снижение максимальной скорости. Но гусеницы идеально подходят для более сложных дорогах и неровностях.
Источник
Давление трактора по почву
С развитием технического прогресса, внедрением мощной тракторной энергетики интенсивное воздействие движителей современной техники на почву вызвало ухудшение ее свойств, что отрицательно повлияло на плодородие почвы и урожай сельскохозяйственных культур [1–6]. Особую опасность представляет кумулятивный эффект переуплотнения почвы от повторяющихся воздействий движителей. Степень уплотнения зависит от массы трактора, типа движителя, типа почвы и технологии производства полевых работ [3–5].
Традиционные технологии возделывания сельскохозяйственных культур сопровождаются многократными проходами техники по полю. В результате почва уплотняется, что приводит к ухудшению основных физических и физико-механических свойств пахотного и подпахотного слоев, снижению урожайности культур и увеличению затрат энергии на выполнение работ. Это проблема становится все острее с массовым применением тяжелых колесных тракторов и комбайнов. Повышенная скорость их движения вызывает большие динамические нагрузки на почву и ее чрезмерное уплотнение. В настоящее время все большее внимание уделяется ресурсосберегающим технологиям, использованию широкозахватных скоростных комбинированных агрегатов [4]. Установлено, что увеличение объемной массы почвы от оптимальной на 0,1…0,3 г/см3 приводит к снижению урожая на 20…40 % [7].
После прохода тракторов по полю в почве образуются уплотненные зоны, концентрирующиеся вокруг следов трактора. Они оказывают влияние на водный, воздушный и питательный режим в почве, потому что уплотненная почва сильнее испаряет влагу и является концентратором, к которому идет естественный приток влаги, что способствует иссушению почвы. При этом возрастает глыбистость пашни, снижается равномерность заделки семян и их полевая всхожесть.
В результате воздействия ходовых систем аппаратов тракторов на почву ухудшаются основные физические и технологические свойства пахотного и подпахотного слоев, на 5…25 % снижается урожайность возделываемых культур не только в год уплотнения, но и в последующие годы. Процесс разуплотнения пахотного слоя происходит в течение нескольких лет. Чрезмерное уплотнение пахотного слоя вызывает усиление процессов водной и ветровой эрозии, резко снижает эффективность средств химизации.
На основе анализа научных работ возможно наметить следующие общие направления снижения уплотняющего воздействия МТА на почву (рис. 1) [1–7].
Сохранение плодородия почвы в значительной степени зависит от воздействия на нее машинно-тракторных агрегатов при выполнении механизированных полевых работ. При этом наибольшее влияние оказывают движители тракторов.
Целью исследований является оценка влияния конструктивных параметров движителей и нагрузочных режимов колесных и гусеничных тракторов на почву.
Материалы и методы исследования
Опыты проводились на поле, подготовленном на посев. Для замера и регистрации параметров использовалась тензометрическая лаборатория ТЛ-2 конструкции НАТИ на шасси автомобиля ГАЗ-66.
Уплотняющее воздействие движителей тракторов на почву замерялось с помощью силоизмерительных датчиков С-20 ГОСТ 15077-71 со специальными изготовленными насадками. В качестве первичных преобразователей использованы проволочные тензорезисторы марки 2ПКВ базы 20 мм с номинальным сопротивлением 200 Ом. Тензорезисторы, собранные по мостовой схеме, подключаются к усилителю экранированным проводом для уменьшения посторонних электрических помех, а после усилителя сигналы поступают на регистрирующую аппаратуру. Перед началом и после окончания измерений датчики давления были тарированы. Тарировочные характеристики аппроксимировали прямой с использованием метода наименьших квадратов.
На выбранном участке отрывали траншею. На дно траншеи по ее продольной оси один из датчиков устанавливался на глубину 0,2 м, второй – на глубину 0,5 м и третий – на глубину 0,8 при расстоянии между датчиками 1 м (рис. 2).
После установки датчиков восстановлена однородность почвенного слоя. Линию установки датчиков трассировали контрастным гибким шнуром.
Начало замеров производилось на расстоянии 5 м от оси первого опорного катка или переднего колеса тракторов до первого датчика. Окончание замеров – после того как последний опорный каток или заднее колесо тракторов удалится от третьего датчика на расстояние 5 м. Скорость движения тракторов над датчиками в течение опытов составила 1 м/с.
Гусеничные тракторы Т-170М1.03-55, Т-150 нагружались тяговым усилием 80, 30 кН, колесные тракторы К-701 – 50 кН, Т-150К – 30 кН. На каждом режиме воздействий проводилось не менее трех зачетных опытов. Влажность почвы была в пределах 12. 24 %.
Твердость почвы определялся по следу и вне следа движителя в 6-кратной повторности. Замеры твердости проводились твердомером Ревякина на глубину 0–30 см по каждому варианту опытов. Величина твердости почвы определялась по формуле
где q – масштаб пружины, кг/см; S – площадь поперечного сечения плунжера, см2; F – площадь диаграммы, мм2; l – длина диаграммы, мм.
Влажность почвы определялась весовым методом. Ширина и глубина колеи замерялось по 25–30 раз трактором по каждому варианту движителя.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты оценки твердости почвы по следу тракторов сведены в табл. 1, результаты воздействия на почву движителей колесных тракторов К-701, Т-150К и движителей гусеничных тракторов Т-170М1.03-55, Т-150 представлены в табл. 2–5.
В результате исследований установлено, что с увеличением тягового класса тракторов, соответственно массы тракторов, возрастает негативное воздействие на почву: увеличивается твердость почвы и значения максимальных давлений тракторов на почву. Из данных табл. 1 следует, что показатели твердости почвы после прохождения колесного трактора К-701 увеличиваются по всем слоям по сравнению с гусеничным трактором Т-150. Высокая твердость почвы по следу установлена на верхних слоях, у всех типов движителей, особенно у колесных тракторов. Твердость верхнего слоя почвы по следу движителей у колесных тракторов К-701, Т-150К выше, чем у гусеничных тракторов. Увеличение твердости на верхних слоях почвы влияет на заделку семян при посеве сельскохозяйственных культур и соответственно на их урожайность. Твердость почвы на глубине 20–30 см по следу движителя гусеничного трактора Т-150 практически не изменяется. Характер распространения давления по глубине четырех типов тракторов различны. Установлено, что давление на почву соответственно у тракторов Т-150К, Т-170М1.03-55, К-701 в 1,8; 2,6 и 3,5 раза выше, чем у гусеничного трактора Т-150.
Рис. 1. Методы и способы снижения уплотнения почвы движителями МТА
Показатели твердости почвы по следу тракторов
Источник