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 М_к 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 Х_к, 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 Р_к„.

На рисунке 95 обе эти силы входят в реакцию остова F_k. Силу тяги на крюке Р_кр можно с определенной степенью точности назвать силой сопротивления рабочего органа сельскохозяйственной машины, напри­мер, плуга. Очевидно, чем больше сила Р_кр, т.е. чем больше сопротивле­ние плуга, тем больше должна быть толкающая сила Х_к, 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: G_k - вес трактора, приходящийся на ведущее колесо;

М_к - крутящий момент, подведенный к ведущему колесу; F_k - реакция со сторо­ны остова трактора на ведущее колесо; r_k - динамический радиус ведущего ко­леса; Y_k - 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 Х_к можно представить как сумму двух сил: сила сцепления Р_хщ почвозацепа с почвой и сила трения F_mp 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 Р_юц напрямую связана с буксованием, а величина силы трения F_mp зависит от материала гусеницы. Толкающая сила Х_к пропорциональна силе тяги на крюке Р_кр и при мгновенном рас­смотрении системы: движитель-почва Р_кр, величина постоянна. Следо­вательно, если при этом удается за счет каких-то приемов увеличить силу F_mp, то сила Р_тц автоматически снижается и уменьшается буксова­ние. Одним из способов увеличения силы F_mp 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 Р_шц, 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:

Эта 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).

P_крфmax - 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)

G_сц — сцепной вес трактора, т.е. вес, участвующий в сцеплении

движителя с почвой, т.е. вес, приходящийся на ведущие колеса трактора.

где т_э - 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.

ТЯГОВЫЙ БАЛАНС ТРАКТОРА

Итак, в предыдущих параграфах было рассмотрено, какие силы возникают при взаимодействии движителя с почвой, главными из них являются: толкающая сила тяги, ее чаще называют касательной силой тяги на колесе и обозначают Р_к сила сопротивления качению (самопе­редвижению) Р_f, сила тяги на крюке Р_кр. Кроме того, на трактор может действовать сила сопротивления подъему Р_а (при движении на подъем), сила сопротивления воздуха Р_п, и сила инерции P_j, (при движении трак­тора в неустановившемся режиме при разгоне и торможении). Между этими силами всегда должен существовать баланс, который записывает­ся в виде следующего уравнения тягового баланса:

Из всех сил, находящихся в правой части уравнения полезной явля­ется сила тяги на крюке Р_kp, остальные силы следует уменьшать различ­ными способами. Обычно тяговую динамику трактора рассматривают для случая движения по горизонтальной дороге в установившемся ре­жиме, а силой сопротивления воздуха пренебрегают. Тогда уравнение тягового баланса принимает простой вид:

Выше было сказано, как следует уменьшить силу P_f с целью увели­чения силы Р_кр и повышения производительности трактора.

 

МОЩНОСТНОЙ БАЛАНС ТРАКТОРА

 

Как известно, мощность — это есть произведение силы на скорость движения. Поэтому, аналогично тому, как существует баланс сил оче­видно должен существовать и баланс мощностей, описываемый уравне­нием мощностного баланса.

Уравнение мощностного баланса показывает, на какие составляю­щие расходуется эффективная мощность двигателя Л^, и в общем виде записывается:

где N_mp - потери мощности в трансмиссии, кВт;

N_f - потери мощности на качение (самопередвижение) трактора;

— потери мощности на буксование;

N_a - потери мощности на преодоление подъема;

Nj - потери мощности на преодоление сил инерции;

N_ВОМ - мощность, отводимая через вал отбора мощности трактора;

N_w - потери мощности на преодоление сопротивления воздуха;

N_kp - полезная мощность на крюке.

Обычно для оценки тяговых и мощностных качеств трактора мощ-ностной баланс рассматривают для случая движения по горизонтальной дороге в установившемся режиме без отбора мощности через ВОМ. При этом потерей мощности на преодоление сопротивления воздуха пре­небрегают.

Тогда уравнение мощностного баланса примет вид:

Для наглядности и возможности проведения анализа мощностных качеств трактора по этому уравнению строят график мощностного ба­ланса (рис. 100).

Рис. 100. График мощностного баланса

Из графика видно, что с увеличением силы тяги на крюке потери мощности в трансмиссии N_тр остаются неизменными, потери мощности на качение N_fуменьшаются в связи с уменьшением скорости v_d, потери мощ­ности на буксование возрастают в связи с увеличением коэффициента буксования . Полезная мощность на крюке N_Kp представляющая собой вначале растет, затем при каких-то значениях Р_kp достигает максимального значения, а затем уменьшается. Это объясняется тем, что при средних значениях Р_kp сумма всех потерь оказывается наи­меньшей, а при малых и больших значениях Р_kp она максимальна, а следо­вательно, N_kp - минимальна. При , т.к. вся мощность на колесе N_K = N_emax - N_mp затрачивается на потерю N_f. При , т.к. вся мощность на колесе N_K затрачивается на потери .

Пользуясь графиком, можно при любых значениях Р_кр определить составляющие мощностного баланса. Для этого из заданного на оси абсцисс значения Р_кр восстанавливается перпендикуляр до пересечения со всеми линиями графика (рис. 100). Соответствующие ординаты и будут являться графическим изображением составляющих мощностного баланса.

Пользуясь графиком можно, установить рабочую зону, в которой следует располагать рабочие передачи ступенчатой трансмиссии. Оче­видно их следует располагать в зоне максимального крюкового КПД (на рис. 100 - это примерно в средней зоне, в зоне Р_кр от 15000 Н до 40000 Н).

Зависимость N_kp от Р_кр называют потенциальной и получить ее можно, если на трактор установить бесступенчатую автоматическую трансмиссию. Следовательно, график на рисунке 100 можно одновре­менно назвать тяговой характеристикой трактора с бесступенчатой ав­томатической трансмиссией. Надо сказать, что это наилучшая тяговая характеристика, которую можно обеспечить для данного трактора и для данного почвенного фона. Однако и эту характеристику можно и нужно улучшать, если снижать потери мощности N_mp, N_f и . Потери мощно­сти в трансмиссии в эксплуатационных условиях можно снижать за счет лучшей очистки смазки, поддержания регламентируемого уровня смаз­ки в картере.

Методы снижения потерь мощности N_f - и рассмотрены были в предыдущих параграфах. Необходимо применять любые методы, сни­жающие силу сопротивления качению P_f и коэффициент буксования 8. По мере уменьшения потерь мощности N_mp, Nf и Ng, потенциальная кри­вая будет проходить выше, выше будет мощность N_Kp и КПД . Это обу­словливает увеличение производительности трактора.