Тема :Загальна динаміка гусеничного трактора
1. Особливості кінематики і динаміки гусеничного рушія.
2. Зовнішні сили, що діють на гусеничний трактор.
3. Розподіл тиску вздовж опорної поверхні гусеничного рушія.
1. Особливості кінематики і динаміки гусеничного рушія. Гусеничний рушій (рис.48) складається з двох замкнутих гусениць 1, направляючих 2 і ведучих коліс 4, опорних катків 3 і підтримуючих роликів 5, амортизуючих та натяжних пристроїв. Гусенична стрічка 1, замкнута по контуру, утворює гусеничний обвід.
Рис. 48. Принципова схема гусеничного рушія і схема сил і моментів, що діють на окремі ділянки гусеничного обводу за заднього розміщення ведучого колеса.
Вітка обводу довжиною , що розташована між ведучим колесом та ґрунтом і навантажена дотичною силою тяги
, називається робочою або ведучою. Частина обводу між ведучим колесом та ґрунтом, не навантажена дотичною силою тяги, називається вільною віткою; ділянка довжини
між крайніми опорними катками - опорною віткою.
Основним типом зачеплення гусениць з ведучими колесами є нормальне цівкове зачеплення, за якого крок ланок гусениці дорівнює кроку
зубів ведучого колеса. Рухаючись без буксування і ковзання, гусеничний рушій за один оберт ведучих коліс, теоретичні радіуси яких
, проходить шлях
де - число активно діючих зубів ведучого колеса (якщо кожен зуб послідовно входить в зачеплення з черговою ланкою гусеничного обводу, то число активно діючих зубів дорівнює загальному числу зубів ведучого колеса).
На основі виразу (49)
З достатньою точністю радіус можна експериментально
де - довжина гону з високими зчіпними якостями (суха ґрунтова дорога);
- середнє число обертів ведучих коліс трактора під час проходження мірного гону без тягового навантаження (холосте проходження).
Якщо відома частота обертання ведучих коліс гусеничного рушія, середня теоретична швидкість руху трактора дорівнює:
У гусеничного трактора навіть у процесі рівномірного обертання ведучих коліс дійсна швидкість поступального руху періодично змінюється під час кожного переходу заднього опорного катка на наступну ланку гусениці. Інтенсивність періодичних коливань швидкості зростає з переходом на вищу передачу і за умови збільшення кроку ланок гусеничного обводу. Надалі під поступальною швидкістю руху гусеничного трактора будемо розуміти середню швидкість без урахування нерівномірності ходу.
У статичному стані (трактор зупинений і до ведучої зірочки не підводиться крутний момент від двигуна) в обводі діє тільки сила попереднього (статичного) натягу , гусениць, створювана для стійкої роботи гусеничного обводу без значних коливань його віток і забезпечення належного зачеплення ланок з ведучим колесом.
Під дією власної сили тяжіння верхня вітка гусениці провисає, як ланцюг, і сила статичного натягу визначається виразом
де - сила тяжіння одиниці довжини гусениці;
- проліт віток гусениці, стріла провисання яких
.
Значення стріли провисання визначається експериментальне і її вказують у заводській інструкції з експлуатації трактора.
Під час руху сила натягу провисаючих віток гусениці дорівнює
де - швидкість перемотування гусениці по обводу.
Перша складова виразу (53) враховує статичний натяг гусениці, а друга - інерційні сили.
Натяг лобової вітай гусениці, що розташована між направляючим колесом і першим опорним катком, повинен бути таким, щоб колесо могло обертатися навколо осі
. За умови рівномірного руху сила натягу визначається з рівнями суми моментів сил відносно осі
.
де - радіус направляючого колеса, момент опору обертання якого
.
З рівняння суми моментів сил відносно осі ведучого колеса визначається натяг
робочої вітки гусениці.
де - ведучий момент;
- механічний к.к.д., що враховує втрати на дуговій вітці гусениці, яка контактує з ведучим колесом.
Під час усталеного руху колова сила на ведучому колесі визначається за формулою
а дотична сила тяги становить
де - зведений до осі ведучих коліс момент внутрішніх опорів гусеничного рушія.
Для неусталеного режиму роботи гусеничного трактора
де - зведений до осі ведучих коліс момент дотичних сил інерції деталей обводу, що обертаються.
Крім вказаних сил, на гусеничний рушій (рис. 48) діють:
- результуюча нормальної
і повздовжньої
реакції ґрунту, що передаються лобовій вітці гусениці;
- рівнодійна нормальних реакцій ґрунту на опорну вітку
;
- сила інерції прямолінійно-поступально руху вздовж осі
зі швидкістю
.
Втрати потужності на подолання внутрішніх опорів у гусеничному рушії дорівнюють
де ,
- втрати потужності в шарнірах і зачеплені гусениці;
- сумарні втрати на тертя в опорних катках і підтримуючих роликах, а також в підшипниках ведучих і направляючих коліс;
— сумарні втрати потужності, що виникають в результаті ударів між ланками гусениць і деталями контуру обводу.
Сила опору коченню гусеничного трактора становить
Коефіцієнт опору коченню під час руху по горизонтальній ділянці
де ,
-
коефіцієнти, що враховують внутрішні втрати в гусеничному рушії та зовнішні втрати на деформацію ґрунту;
- сила тяжіння трактора.
Як зазначалось, до внутрішніх відносяться страти на: тертя в підшипниках опорних катків і підтримуючих роликів та направляючих коліс; перекочування опорних. катків по бігових доріжках гусениць; тертя в шарнірах ланок гусениць і їх биття (коливання). Зовнішні втрати зумовлюються деформацію ґрунту під час кутових поворотів ланок опорної вітки і пресування ґрунту.
Коефіцієнт опору коченню значно зростає на розпушених ґрунтах за рахунок збільшення коефіцієнтів
і
. Зростання зумовлене попаданням надмірної кількості абразивних частинок в шарніри гусениць, на їх бігові доріжки, та додатковою деформацію ґрунту.
К. к. д. гусеничного рушія становить
де ,
- к.к.д., що враховують відповідно втрати на перекочування трактора і буксування гусениць;
,
- к.к.д., які характеризують, відповідно, втрати подолання внутрішніх опорів у гусеничному рушії і на пресування ґрунту.
На мінеральних ґрунтах нормальної вологості до 60 - 70% всіх втрат у гусеничному рушії становлять внутрішні втрати, тому в умовах експлуатації особливо важливо підтримувати необхідний натяг гусениць і дотримуватись правил технічного обслуговування; втрати на деформацію (пресування) ґрунту досягають 20 - 30%, а на буксування гусениць - 2 - 4%.
Буксування гусеничного рушія визначають, як відношення швидкості буксування
до теоретичної швидкості руху
де – дійсна швидкість руху.
2. Зовнішні сили, що діють на гусеничний трактор.
Розглянемо загальний випадок прямолінійного неусталеного руху гусеничного трактора з причепом на підйом з кутом нахилу до горизонталі. В даному разі в поздовжньо-вертикальній площині на трактор діють такі зовнішні сили та реакції (рис. 49):
сили тяжіння трактора складові
і
відповідно паралельні та перпендикулярні поверхні шляху;
результуюча сила інерції ;
тяговий опір на гаку , зведений до умовної точки причепу
складові
і
тягового опору відповідно паралельні і перпендикулярні поверхні шляху;
реакції ґрунту, паралельні поверхні шляху: дотична сила тяги та складова
опору коченню;
реакція , спрямована по нормалі до опорної поверхні, - це результуюча всіх нормальних реакцій ґрунту, які діють на окремі ланки гусениць.
Рівняння тягового балансу у загальному випадку руху гусеничного трактора записується як рівняння проекцій на опорну поверхню зовнішніх сил, які діють в поздовжній площині
Складова
входить у вираз (67) зі знаком плюс, якщо вектор
відхиляється вниз від площини, а у протилежному випадку зі знаком мінус. Під час прискореного руху на підйом перед складовими
та
ставиться плюс, а у випадку сповільнення на схилі – мінус.
Рис. 49. Схема зовнішніх сил та реакцій, що діють в поздовжній площині на гусеничний трактор у загальному випадку руху.
Силою опору повітря під час аналізу тягового балансу гусеничного трактора нехтують у зв'язку з невисокими швидкостями поступального руху.
Рівняння суми моментів зовнішніх сил і реакцій, що діють на трактор, відносно центру тиску
,
де ,
- поздовжні переміщення відносно середини опорної поверхні гусениць центру тиску і центру тяжіння трактора;
- плече дії складової
сили опору відносно опорної поверхні гусениць;
- поздовжня координата центру тяжіння.
Введемо позначення
де - момент опору коченню, зумовлений деформацією ґрунту.
З рівняння (68)
Перетворивши отримане рівняння для умов роботи на горизонтальній ділянці з рівномірною швидкістю, отримуємо
У сільськогосподарських тракторах, для яких найбільш характерні роботи з тяговим навантаженням на гаку та з машинами задньої начіпки, центр тяжіння зміщений вперед відносно середини опорної поверхні гусениць на віддаль . У гусеничних тракторах промислового типу, що широко використовується для землерийних робіт, основні види обладнання (бульдозери, скрепери) навішуються спереду трактора. Тому центр тяжіння промислових тракторів зміщений назад від середини опорної поверхні гусениць в межах
.
3. Розподіл тиску вздовж опорної поверхні гусеничного рушія.
Тиск на основу вздовж опорної поверхні гусениць залежить від ґрунтових умов, конструкції рушія, зокрема кількості і розташування опорних катків, а також положення центру тиску. Якщо відношення відстані між осями сусідніх опорних катків до кроку ланок гусениць
не перевищує 1,5-1,7 (жорстка і напівжорстка підвіски), допускається, що закономірність зміни нормального тиску на ґрунт описується прямою лінією (рис.50).
За вказаного допущення, епюри, залежно від положення центру тиску трактора, можуть набувати таких форм: прямокутну – нормальний тиск на ґрунт розподілений рівномірно вздовж опорної поверхні гусениць (рис.50, а); трапецієподібну - нормальний тиск на ґрунт розподілений нерівномірно вздовж
(рис.50, б); трикутну – з вершиною на передньому краю опорної поверхні гусениць - це гранична форма нерівномірної епюри, за якої тиск на ґрунт передається ще всією поверхнею
(рис. 50, в); трикутну – з вершиною між краями опорної поверхні гусениць – тиск на ґрунт передається лише частотою
.
Для прямокутної епюри а для трапецієподільної
де ,
- мінімальний і максимальний тиск на краях опорної поверхні гусениць.
Рис. 50.Розподіл тиску вздовж опорної частини гусеничного рушія залежно від положення центру тиску для
Трапецієподібна епюра перетворюється у трикутну (рис. 50, в) за умови
Вершина епюри розташована між краями поверхні (рис. 50, г) якщо
де - довжина опорної поверхні гусениць, яка взаємодіє з ґрунтом.
Відношення називається коефіцієнтом зміщення центру тиску гусеничного трактора на основу. Значення
можна вважати гранично допустимим, оскільки внаслідок його перевищення частина опорної поверхні гусениць перестає брати участь у передачі тиску на ґрунту.
Якщо відношення кроку опорних катків до довжини ланок гусениць більше 1,5-1,7, закономірність розподілу нормального тиску на ґрунт не є лінійною. Для гусеничних рушіїв з пружною балансирною підвіскою орієнтовною характеристикою розподілу тиску можуть бути значення тиску під опорними катками.
Розглянемо усталену роботу на горизонтальній ділянці гусеничного трактора з двоопорною балансирною підвіскою рушія (рис.51)
Рис. 51. Схемазовнішніх сил і моментів, що діють на гусеничний трактор з двоопорною балансирною підвіскою
Рівнодійна реакцій
та
прикладається в центрі
тиску трактора на опорну поверхню.
Нехтуємо складовою тягового зусилля, моментом опору коченню
і записуємо умову рівноваги трактора
де - поздовжня база балансирних кареток.
Звідки
Формули (76) і (77) свідчать, що зі збільшенням зміщення центру тиску не рівномірніше розподіляються навантаження між опорними каретками. Якщо
передні або задні каретки (залежно від напряму зміщення центру тиску) розвантажуються повністю.
Склавши умову рівноваги кареток, визначаємо навантаження на даний опорний каток і максимальний тиск
і гусениць на грунт у зоні його розташування
де - число ланок гусениці шириною
на активно-опорній ділянці (якщо
то
якщо
то
) ;
- коефіцієнт нерівномірності розподілу тиску.
Для порівняння оцінки гусеничних рушіїв тракторів використовується такий показник, як середній тиск на грунт
У більшості гусеничних сільськогосподарських тракторів середній тиск на грунт 0,04 – 0,05 МПа; для болото прохідних модифікацій, що випускаються на базі звичайних сільськогосподарських тракторів З метою порівняння зазначимо, що у людини, яка під час ходьби опирається на ґрунт однією ногою, середній тиск становить