2.9. Взаимодействие ведущего колеса с почвой.
ПРИРОДА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТОЛКАЮЩЕЙ СИЛЫ ТРАКТОРА
В отличии от ведомого колеса (пассивного) к ведущему (активному) подводится крутящий момент от двигателя через трансмиссию. Характер взаимодействия ведущего колеса существенно отличается от рассмотренного выше. На рисунке 95 показано взаимодействие ведущего колеса с почвой.
При подводе крутящего момента Мк к ведущему колесу движение трактора наступает не сразу. Первоначально почвозацеп, внедренный в почву двигается назад и прессует почву в горизонтальном направлении в сторону, противоположную направлению движения. При этом происходят два взаимосвязанных явления.
Первое. В результате такого прессования почвы теряется путь на величину AS и теряется скорость движения трактора. Этот процесс получил название буксование ведущего колеса и играет отрицательную роль.
Второе. В результате горизонтального прессования почвы в сторону, противоположную направлению движения, в почве возникает горизонтальная реакция Хк , направленная по направлению движения трактора. Эта реакция получила название толкающей силы, которая приводит в движение трактор, преодолевая все силы, препятствующие его движению, в том числе силу сопротивления качению Р/ и силу тяги на крюке Рк„.
На рисунке 95 обе эти силы входят в реакцию остова Fk. Силу тяги на крюке Ркр можно с определенной степенью точности назвать силой сопротивления рабочего органа сельскохозяйственной машины, например, плуга. Очевидно, чем больше сила Ркр, т.е. чем больше сопротивление плуга, тем больше должна быть толкающая сила Хк, а следовательно больше должно быть горизонтальное прессование почвы, т.е. больше будет буксование.
В этом заключается глубокое противоречие в динамике трактора: повышение силы тяги (этот фактор положительный) сопровождается увеличением буксования (этот фактор отрицательный).
Рис. 95. Взаимодействие ведущего колеса с почвой: Gk — вес трактора, приходящийся на ведущее колесо;
Мк — крутящий момент, подведенный к ведущему колесу; Fk — реакция со стороны остова трактора на ведущее колесо; rk — динамический радиус ведущего колеса; Yk — нормальная реакция почвы на ведущее колесо
На буксование трактора теряется часть мощности, поступающей на ведущее колесо трактора. При этом уменьшается полезная мощность на крюке. Это обстоятельство является второй сложнейшей проблемой в динамике трактора. Для решения этой проблемы необходимо, чтобы как можно больше почвозацепов одновременно взаимодействовало с почвой. Поэтому гусеничный трактор имеет меньшее буксование и, следовательно, лучшие тяговые и сцепные качества. Дальнейшее уменьшение буксования в гусеничном тракторе возможно с применением резиновой гусеницы вместо металлической. Это обстоятельство объясняется следующим образом (рис. 96).
Рис. 96. Взаимодействие почвозацепа гусеничного движителя с почвой
Строго говоря, толкающую силу Хк можно представить как сумму двух сил: сила сцепления Рхщ почвозацепа с почвой и сила трения Fmp гусеницы с почвой. Кстати, такое представление толкающей силы раскрывает физический смысл процесса сцепления движителя с почвой, являющегося решающим фактором эффективного использования трактора. Именно сила зацепления Рюц напрямую связана с буксованием, а величина силы трения Fmp зависит от материала гусеницы. Толкающая сила Хк пропорциональна силе тяги на крюке Ркр и при мгновенном рассмотрении системы: движитель-почва Ркр, величина постоянна. Следовательно, если при этом удается за счет каких-то приемов увеличить силу Fmp, то сила Ртц автоматически снижается и уменьшается буксование. Одним из способов увеличения силы Fmp является замена стальной гусеницы, у которой коэффициент трения с почвой значительно больше.
Реально коэффициент трения может быть увеличен в два раза. Следовательно, можно в два раза уменьшить силу Ршц, что автоматически во столько же раз снижает буксование и потери мощности на буксование, вследствие чего возрастает полезная мощность на крюке и производительность трактора. Резиновая гусеница применяется на тракторе «Челленджер» фирмы «Катерпиллар» (США).
Буксование зависит от типа движителя и типа почвы. У колесного трактора на той же самой почве буксование больше, чем у гусеничного, т.к. у него меньшее количество почвозацепов одновременно находится в зацеплении с почвой. Следовательно, у колесного трактора тягово-сцепные качества ниже, чем у гусеничного.
При работе на более рыхлых почвах (вспаханное поле; поле, подготовленное под посев и др.) буксование больше, чем на более твердых почвах (целина, залежь и др.). При движении трактора по асфальту, бетону, укатанной дороге и другим твердым дорожным покрытиям сцепление движителя с почвой обусловлено только наличием трения между опорной поверхностью движителя и почвой.
Количественно процесс буксования оценивается коэффициентом буксования S, который равен отношению разницы теоретической v, и действительной v(, скоростей к теоретической скорости:
Э
та формула раскрывает физический смысл процесса буксования: в числителе указана величина потери скорости. При этом под теоретической скоростью понимают скорость движения трактора без нагрузки на крюке, когда условно считают, что буксование отсутствует. Хотя из сказанного выше очевидно, что если есть движение трактора, то имеет место и буксование.
Как сказано выше, с увеличением силы тяги на крюке буксование возрастает, эта зависимость представлена кривой буксования (рис. 97).
Рис. 97. Кривая буксования
Кривой буксования называют зависимость коэффициента буксования от силы тяги на крюке.
Для различных типов движителей и колесных формул кривые буксования разные (рис. 98).
Pкрфmax — это предельная сила тяги на крюке, реализуемая по сцеплению движителя с почвой, при которой наступает 100%-ное буксование и трактор останавливается.
где 
— коэффициент сцепления движителя с почвой, зависящий от типа движителя и типа почвы;
Рис. 98. Кривые буксования для различных типов движителей: а — гусеничный трактор (например, Т—150); б — колесный трактор с колесной формулой 4К4 (например, Т-150К со всеми ведущими колесами); в — колесный трактор с колесной формулой 4К2 (например, Т-150К с двумя ведущими колесами)
Gсц — сцепной вес трактора, т.е. вес, участвующий в сцеплении
движителя с почвой, т.е. вес, приходящийся на ведущие колеса трактора.
где тэ — эксплуатационная масса трактора;
— коэффициент использования веса трактора;
= 1 для гусеничного трактора и колесного с колесной формулой 4К4;
= 0,70. 0,75 для колесного трактора с колесной формулой 4К2;
g — ускорение свободного падения.
Чем больше сцепной вес трактора, тем больше и выше тягово-сцепные качества трактора. Таким образом, самые высокие тягово-сцепные качества имеет гусеничный трактор, несколько ниже они у колесного трактора со всеми ведущими колесами (4К4) и самые низкие — у колесного трактора с двумя ведущими колесами (4К2).
Кроме того, кривые буксования оказываются разными для различных почвенных фонов (рис. 99).
Рис. 99. Кривые буксования для различных почвенных фонов:
1 — стерня, 2 — вспаханное поле, 3 — поле, подготовленное под посев
Для повышения тягово-сцепных качеств применяют целый ряд способов: догрузка ведущих колес, полугусеничный ход, арочные шины, все ведущие колеса, модульное энергетическое средство (МЭС) и др.
Источник
Система машин в лесном хозяйстве: Учебное пособие. Главы 8-15 , страница 52
где w— угловая скорость ВОМ, рад/с.
При работе с выключенным ВОМ вся полезная мощность двигателя реализуется на тяговые процессы — NKp.
Коэффициент полезного действия (КПД) трактора показывает степень использования эффективной мощности двигателя на полезную работу. Общий (полный) КПД трактора лоб определяется по формуле
Тяговый (крюковой) КПД трактора цкр определяется по формуле
При работе в наиболее выгодном, оптимальном режиме тяговый КПД гусеничных тракторов (на рыхлой и плотной почве) составляет 0,68. 0,75, колесных со всеми ведущими колесами — 0,60. 0,70, а с двумя ведущими колесами — 0,50. 0,60, так как буксование колесных тракторов больше, чем гусеничных.
Тяговое усилие — это горизонтально приложенная при движении самоходной машины (трактора) составляющая сила, способная преодолеть сопротивления рабочих машин, которые возникают в процессе их работы. Тяговое усилие, которое соответствует номинальной тяговой мощности, называют номинальным расчетным тяговым усилием Ркрноы.
Тяговое усилие, при котором глохнет двигатель, называют максимальным тяговым усилием на данной передаче Ркр тах.
Отношение Ркр тгх/Ркр.н0М = К3 называют коэффициентом запаса тягового усилия, значение которого у современных тракторов составляет 1,05. 1,15.
Расчетное тяговое усилие на крюке трактора Ркр, Н, можно определить по формуле
где v — действительная скорость движения трактора, км/ч.
Тяговые свойства трактора зависят от многих факторов, в том числе от типа ходовой части движителей, свойств почвы и ее механического состава, влажности, плотности и других, влияющих на величину потерь мощности при перемещении и буксовании, а также на силу сцепления трактора с почвой. Например, повышение влажности почвы на 1 % по сравнению с оптимальной влажностью приводит к понижению тяговой мощности колесных тракторов на 1,5. 2,0%, гусеничных — на 0,7. 1,0%.
Тяговое усилие трактора, реализуется в виде касательной силы тяги, которая образуется в результате действия крутящего момента, передаваемого от двигателя на привод ведущих колес трактора.
Касательная сила тяги обеспечивает поступательное движение трактора в результате взаимодействия колеса (гусеницы) с почвой, и в зоне их сцепления (контакта) образуется толкающая, или реальная, движущая сила. Возможное максимальное значение движущей силы Ра зависит не только от мощности двигателя, но и от силы сцепления трактора с почвой. Максимальное значение движущей силы, которую можно использовать в тяговых агрегатах для выполнения полезной работы, достигается если Рп 2 , а при технических расчетах принимается 10 м/с 2 ) по формуле
Значения коэффициента сцепления движителей тракторов с почвой
Характеристика поверхности почвы
Коэффициент сцепления движителей тракторов
Сухой плотный грунт, залежь, сильно уплотненная стерня (суглинистые почвы)
Стерня на суглинках нормальной влажности (суглинки)
Суглинистое поле, подготовленное под посев или свежевспаханное, а также пар и стерня супесей
Источник
Сравнение колесных и гусеничных тракторов
Ходовая часть является промежуточным звеном между двигателем и почвой. Между тем тенденция увеличения производительности тракторов продолжается. Освободят ли колеса на полях место гусеницам?
В точке соприкосновения резины с почвой мощность двигателя трактора превращается в полезное тяговое усилие. В последние годы одновременно с рабочей шириной агрегатов значительно возросла мощность тракторов. На сегодняшний день стандартный трактор „подбирается“ к отметке в 400 л.с. Но, главное то, что еще больше мощности с таким техническим концептом передать на землю почти невозможно.
Что тянет трактор?
Будет ли в перспективе происходить передача тягового усилия на почву только с помощью гусениц или же новый колесный концепт позволит равную по эффективности передачу мощности? Чтобы ответить на этот вопрос мы провели эксперимент, создав команду „Колеса или гусеницы“. Эта команда при тяжелой обработке почвы провела практическое сравнение различных концептов ходовой части фирмы Fendt и Challenger и обсудила с инженерами различные решения.
Только 25 % своей дизельной энергии трактор может превращать в действительное тяговое усилие. Большая часть теряется в ходовой части на образование колеи и пробуксовку. Простое наращивание мощности двигателя зачастую не приводит напрямую к увеличению тяговой мощности, так как сила должна быть передана на почву. Границу здесь обозначает физика! Многие факторы влияют на поведение трактора при тяговых работах, как например, вес (в частности балласт) шасси и площадь его опоры, пробуксовка и сцепление с почвой.
Для тяговых работ каждый трактор нуждается в определенной массе. Все равно – колесный или гусеничный – он не может тянуть больше собственного веса. Стандартные тракторы достигают тяговых показателей в пределах от 0,4 до 0,7 части своего собственного веса. Это – коэффициент тягового усилия. Он зависит от шасси и состояния почвы (асфальт или грязь бездорожья). Коэффициент 0,5 означает, что трактор ровно половину своего собственного веса может превратить в тяговую силу.
Тяговое усилие
Если суммировать движущие силы всех мостов и отнять от них сопротивление качению, получится общее тяговое усилие трактора. График показывает влияние вида ходовой части на тяговое усилие.
Так, 10-тонный трактор с коэффициентом 0,5 имеет на поле тяговое усилие примерно 5 000 даН. Это соответствует примерно 5 тоннам. Если трактор при одинаковом состоянии почвы должен тянуть больше, то одного увеличения мощности двигателя для этого недостаточно. Наряду с мощностью, он должен увеличить также свой вес, что для стандартных тракторов означает потерю полезной нагрузки. В этом и есть отличительная особенность шарнирно-сочлененных и гусеничных тракторов – они должны, в первую очередь, тянуть, а не везти. Поэтому уже при выпуске с завода они имеют большую собственную массу, чтобы быть в состоянии передать почве мощность двигателя около 600 л.с.
Один только собственный вес в 20 тонн намного превышает допустимую общую массу стандартных тракторов большого класса. Полностью загруженные они потянули на весах 27 тонн – это вдвое больше собственного веса Fendt 936! Пересчитываем теперь с минимальным коэффициентом использования тягового усилия 0,5, что приводит уже к величине более 13 т.
Балластировка
Балластировка имеет существенное влияние на тяговое усилие. Например, при увеличении сцепного веса трактора массой 10 т балластом в 2 т увеличивается расчетное тяговое усилие на 1 000 даН (на 1 т). Такой же эффект достигается тракторами при работе с навесными агрегатами, которые дополнительно загружают заднюю ось трактора. Это распределение веса без дополни тельных затрат увеличивает тягово-сцепные свойства трактора.
Так, например, функционирует регулировка тягового усилия. При перегрузке трактора с плугом, например, когда плуг натыкается на более твердый слой почвы, система реагирует так, что плуг автоматически поднимается на несколько сантиметров. Вес плуга дополнительно нагружает заднюю ось, и тяговое усилие увеличивается. Некоторые производители используют это смещение усилий с помощью гидравлических верхних рычагов, передавая силу тяжести от агрегата на заднюю ось трактора.
По этой причине стандартные тракторы конструктивно ориентированы на трехточечное соединение. В конечном итоге они должны не только тянуть агрегаты, но и нести их. В соответствии с этим на тракторе устанавливаются оси и шины: сзади – большие, а спереди – поменьше. Сопровождающий эффект: трактор очень маневренный.
Трактор почти не имеет возможности перевозить широкие навесные агрегаты. Они слишком тяжелые и нуждаются в собственном шасси. Благодаря этому отсутствует нагрузка на заднюю ось, за исключением опорной нагрузки. Поэтому здесь нужна другая балластировка. Тяжелые грузы во фронтальной и задней части, хотя и компенсируют недостающую силу тяжести, но все же должны перемещаться по полю.
У шарнирно-сочлененных тягачей, интегральников, а также у многоосевых тракторов ситуация иная, чем у стандартных тракторов: в первую очередь они должны тянуть, а не транспортировать на себе. Поэтому они передвигаются на огромных, одинаковых по размеру колесах, и их вес равномерно распределяется на оси. Распределение веса у шарнирно-сочлененных тракторов еще более экстремальное. Здесь на переднем мосту „покоятся“ даже до 60 % веса, из-за чего фронтальная часть у шарнирно-сочлененных тракторов сильно выступает перед осью. 20 тонн собственного веса таких тракторов можно превратить при помощи дополнительной балластировки в 27 тонн и сделать трактор настоящим великаном.
При тяжелых тяговых работах стандартный трактор работает на пределе своих возможностей.
Также и для гусеничного трактора очень важна хорошая балластировка. Гусеничные тракторы существенно короче шарнирно-сочлененных. Благодаря колоссальному крутящему моменту, который передается посредством расположенной сзади ведущей шестерни, трактор может „встать на дыбы“, разгружая тем самым переднюю часть шасси. В таком случае у шасси почти нет возможности передавать усилие. Гусеничная лента должна полностью прилегать к земле – только тогда гусеничный трактор полностью передает тяговое усилие на землю. Поэтому точно в местах опорной нагрузки при помощи балласта во фронтальной или ходовой части необходимо уравновесить требующуюся тяговую силу агрегата.
Площадь опоры
Площадь опоры – это поверхность соприкосновения с почвой. Чтобы высокую мощность действительно превратить в приличное тяговое усилие надо, чтобы при удваивании мощности двигателя и веса, площадь опоры увеличилась в четыре раза. Простой способ увеличения тягового усилия у колесных тракторов – снижение давления в шинах, что увеличивает площадь опоры шин. Практические эксперименты показали, что снижение давления приводит даже к большему увеличению тягового усилия, чем дополнительная балластировка. И, напротив, слишком высокое давление в шинах вызывает точно так же, как и избыток балласта, глубокие колеи. Это увеличивает сопротивление качению и затраты топлива. При движении по полю трактор, в силу своего проваливания в почву, постоянно преодолевает образующиеся перед колесами земляные клинья. Если в экстремальных случаях сопротивление качению приравнивается к тяговуму усилию, то трактор не может двигаться. Поэтому тяговое усилие возрастает на мягких почвах не только благодаря увеличению площади опоры, но и за счет невысокого значения сопротивления качению. И, чем мягче грунт, тем большее влияние оказывает снижение давления воздуха в шинах на повышение тягового усилия.
Применение широкопрофильных шин и сдвоенных колес не увеличивает автоматически тяговое усилие. По сравнению с одинарными, сдвоенные колеса при одинаковом давлении воздуха имеют только на 35 % большую площадь опоры. Так как нагрузка на каждую из сдвоенных шин меньше, чем у одинарной, то при одинаковом давлении не происходит удвоение площади опоры, как это кажется в первый момент. Следовательно, и у сдвоенных шин также необходимо понижать давление!
Шарнирно-сочлененные тракторы с двойным пакетом одинаковых по размеру шин (например, 8х710/70 R42) имеют гораздо большую площадь опоры, чем стандартные тракторы и почти такую же, что и гусеничные.
Но, при этом ширина трактора доходит до 5 м, что не позволяет ему двигаться по проезжим дорогам. По другому обстоят дела у тягачей с тремя или большим количеством осей – Fendt Trisix с шестью шинами размером 800/60 R34, например, занимает площадь почти в 3,5 м2 и все равно находится в трехметровой „границе“. Это „узаконивает“ его движение по европейским дорогам.
Гусеничная лента до настоящего времени дает самую большую площадь опоры, сравнимую с площадью полностью спущенной и растянутой в длину шины. Большой гусеничный трактор фирмы Сhallenger занимает площадь 4,2 м2.
Дополнительные опорные валики, расположенные между ведущим и направляющим колесом, обеспечивают лучшую опору. Правда, давление под лентой распределяется не совсем равномерно, так что фактическая площадь опоры меньше приблизительно на 30 %. Особенно важно натяжение гусениц. Плохо натянутая гусеничная лента выглядит как мятый коврик. Конечно же, из-за этого теряется еще и тяговое усилие, так как напряжение на ведущих и направляющих роликах создает дополнительное сопротивление, которое трактор должен преодолеть.
Буксование и сцепление с почвой
При тяговых работах ходовая часть трактора должна передавать усилие на землю. Чем интенсивнее сцепление с почвой – тем лучше. Естественная граница передачи сил достигнута, если почва начинает срезаться гусеницей, и имеющегося трения между шасси и землей больше не достаточно для передачи тягового усилия. В этом случае речь идет о буксовании гусениц.
Шины и почва изменяют свою форму при взаимодействии. При увеличении буксования почва срезается.
Буксование понижает объем мощности, затраченной на единицу площади, соответственно, повышая расход топлива на гектар. Это нежелательное явление принято называть „потерей мощности на пробуксовку“.
Совсем без буксования не обходится. Колесам необходимо буксование при тяжелых тяговых работах, поскольку они имеют лишь несколько шипов в сцеплении. При буксовании 10-15 % шины и грунт изменяют форму, улучшая этим сцепление. В этот момент шины имеют сцепление своей полной площадью.
Чем ниже давление в шинах, тем больше шипов входит в сцепление с землей. Таким образом, при тяговых работах лучше понизить давление в шинах. В момент непосредственно перед буксованием происходит максимальная передача усилия на почву. При большом буксовании (особенно на влажной почве) происходит потеря мощности, уплотнение и повреждение почвы.
Гусеничный привод в силу большой площади опоры имеет гораздо больше шипов для сцепления. При сухой почве он достигает буксования в 2-5 %, что является значительным преимуществом при тяговых работах. Хуже выглядит картина гусеничного привода во влажных условиях. Из-за большой площади гусеницы не про исходит глубокого проникновения шипов в почву, и гусеница пробуксовывает.
Эти различия приводов влияют на продуктивность работы тракторов. Стандартные тракторы при тяговых работах имеют буксование 15 %. Например, на 1 000 часов пахотных работ с постоянным буксованием приходится 150 часов потерь. В это время трактор и водитель „работают“, не обрабатывая ни одного метра почвы.
Конечно же, при гусеничном приводе тоже имеются потери времени, но при среднем буксовании 5 % потери составляют на 100 часов меньше, чем у колесного трактора.
Многоосные тракторы-тягачи имеют другой концепт: поскольку все колеса одинаковые и движутся друг за другом по одной колее, уменьшаются потери на преодоления сопротивления качению и уплотнение почвы.
Отсюда преимущество – грунтозацепы шин задних колес входят в уже проложенную передними колесами колею. Движение по принципу „след в след“ уменьшает коэффициент сопротивления, т.е. буксование.
Кто король тяговой силы?
Если речь идет об универсальном применении, стандартные тракторы – выбор номер один. Они маневренны на полях и достаточно быстры в транспортном режиме. Но их тяговосцепные свойства имеют свои границы. Чтобы передать на почву мощность двигателя в 400 л.с. необходимы сдвоенные колеса и балласт. Но, и это не приблизит стандартные тракторы к большим гусеничным и шарнирно-сочле ненны м тракторам. Колеса еще больших размеров и еще большая масса трактора при таком техническом решении почти невозможны. Мощность двигателей шар нирно-сочленен ных тракторов достигает мощности двигателей гусеничных. Вследствие простоты конструкции и жесткого шасси они более приемлемы по цене.
Одинаковая величина колес и огромная масса дают им определенные преимущества, но, чтобы передать тяговое усилие на почву, им необходимы двойные или даже тройные колеса. Это делает их слишком широкими для движения по дорогам и автомагистралям, поэтому они применимы в основном на больших полях стран Восточной Европы и России.
В качестве альтернативы в будущем возможно появление трех- или четырехосных тракторов с 6-ю или 8-ю одинаковыми колесами. Не намного шире, чем стандартные тракторы, но, с почти удвоенной площадью опоры они могут передвига ться по дорогам без специального разрешения. При этом на тяговых работах за счет движения колес „след в след“, у них меньше буксование.
Король тяговой силы в сухих условиях – конечно же, гусеничный трактор. С длинными гусеницами он имеет максимальную площадь опоры и лучший контакт с почвой. С существенно меньшим буксованием по сравнению с колесным, гусеничный трактор тянет по полю более тяжелые рабочие орудия.
Источник