Заходи щодо зниження питомого опору машин.

 

Ці заходи можна розбити на такі групи:

а) конструктивні — застосування навісних (без ходової частини) машин і машин, обладнаних пневматичними шинами низького тис­ку з еластичною підвіскою; поліпшення якості робочих органів за рахунок спеціальних покриттів поверхонь, що відповідають певній обробці, зміні їх форми і т.д.; заміна тертя ковзання тертям кочення; зменшення ваги машини й ін.;

б) технологічні — удосконалювання робочих органів відповідно до вимог раціоналізації технологічного процесу; застосування ком­байнових агрегатів; суміщення процесів і ін.;

в) експлуатаційні — ретельне і своєчасне технічне обслугову­вання машин; правильне складання і регулювання механізмів; пра­вильна навіска або навішення машин; вибір найбільш раціонального напрямку руху; добір машин відповідно до умов роботи; робота (по можливості) при оптимальному стані ґрунту й інших середовищ, що обробляються і ін.;

г) поліпшення природнокліматичних умов — вирівнювання по­ля; ліквідація кущуватості, кам’янистості, засміченості; острукту­рення ґрунту й ін.

 

 

Розділ 3

Загальна динаміка машинно-тракторного агрегату. Рушійна і тягова сили

Рівняння руху агрегату

У динамічному відношенні машинно-тракторний агрегат являє собою систему твердих тіл, пов'язаних між собою жорсткими й пружними зв'язками. Рух і робота агрегату відбуваються в резуль­таті взаємодії сил, що діють на агрегат.

Джерелом енергії, що затрачається на роботу машин агрегату з тракто­ром, що має тепловий двигун, є паливо. Тракторний двигун, перетворюю­чи енергію палива в механічну, реалізує її у виді крут­ного моменту М_е. Через трансмісію весь цей момент (для причіпно­го агрегату), або частина його (для приводного агрегату) передаєть­ся ходовому апарату трактора, де він реалізується створенням ру­шійної сили P_Р (зовнішньої стосовно агрегату). Сила P_Р надає трактору і машинам прискорення при рушанні з місця і при зміні швидкості руху, а також долає опір машин-знарядь і трактора при сталому русі (постійній швидкості руху).

На рисунку 3.1 подана загальна схема зовнішніх сил, що діють на агрегат (трактор) при його русі на підйом з кутом α.

У напрямку руху всі сили можна звести до таких зовнішніх сто­совно трактора сил:

1) сила, що рухає агрегат (складова реакції ґрунту) Р_Р, що утво­рюється в результаті взаємодії з ґрунтом ходових органів (рушіїв) трактора, які одержують обертання через передавальні механізми (трансмісію) від двигуна;

2) сили опору — тяговий опір робочої частини агрегату R_а, що виникає у зв'язку з переміщенням і виконанням робочою машиною технологічного процесу; опір руху трактора Р_f що виникає у зв'язку з деформацією ґрунту ходовим апаратом, механічними втратами і т. ін.; опір повітряного середовища Р_пов і опір підйому (спуску) (G - вага машини).

Загальний опір:

Серед зовнішніх сил опору, що діють на агрегат, вирішальне значення має опір робочої частини агрегату (робочої машини) R_a.

У напрямку, перпендикулярному до площини руху, діють такі зовнішні сили:

1) складова ваги трактора ;

2) складові реакції ґрунту, що діють на ведучий і направляючий ходовий апарат R_В і R_Н (для колісного трактора) або R_осн (для гусеничного трактора);

3) складова від впливу робочої машини R_в.м.

 

 

Рис. 3.1. Схема зовнішніх сил, що діють на трактор при його русі на підйом.

Робота і рух агрегату можливі тільки при певному співвідношен­ні швидкості руху приведеної маси агрегату т і сил, що діють на агрегат (трактор) у напрямку руху. Це співвідношення визначається рівнянням руху

Внаслідок безперервної зміни умов роботи — властивостей оброблюваного матеріалу, глибини обробки, мікрорельєфу й ін., що мають випадковий (у ймовірносно-статистичному змісті) характер, усі величини, які входять у рівняння руху, в процесі роботи агрега­ту також мають випадковий характер і безперервно змінюються. В зв'язку з цим змінюється (як правило, за законом нормального роз­поділу) і зна­чення прискорення. Це позначається на якості техноло­гічного про­цесу і погіршує роботу агрегату. Для кожного техноло­гічного про­цесу існують допустимі межі варіації прискорення.

Якщо рушійна сила P_Р і сили опору P_з змінюються порівняно мало, значення прискорення, залежить від приведеної маси агрегату — чим більша маса, тим менше прискорення. Тому за інших рівних умов агрегати (трактори), що мають велику масу, більш стійкі у своєму русі.

Тяговий баланс трактора

Якщо мати на увазі, що являє собою приведену силу інерції Р_j направлену в сторону, протилежну напрямку прискорен­ня, то сили, що діють у напрямку руху агрегату, можна представити рівнянням, яке називається рівнянням тягового балансу трактора:

Так як швидкості руху машинно-тракторних агрегатів порівняно невеликі, опір повітряного середовища невеликий і їм в більшості випадків нехтують (приймають Р_пов = 0).

В більшості практичних розрахунків по ЕМТП (крім процесу розгону і гальмування агрегату), маючи на увазі закон нормального розподілу, прискорення () рахують по середньому значенню, яке рівне нулю, тобто приймають так званий «сталий» рух.

В цьому випадку тяговий баланс визначається тим, що рушійна сила дорівнює сумі сил опору, які вона долає:

У випадку, коли потрібно враховувати миттєві значення даних сил (при розгляді якості технологічного процесу, міцності і вібрації частин трактора, дії автоматичних пристроїв, при розрахунку ряду економічних показників і т.д.), варто виходити з несталого характе­ру руху і взяти до уваги силу інерції .

Як очевидно з рівнянь і з рисунка 3.1, тяговий баланс визначає співвідношення фактичних зусиль, причому у випадку сталого руху сила тяги на гаку , а рушійна сила . Граничні ж (або оптимальні) значення цих параметрів (тягового зусилля, рушійної сили), що характеризують експлуатаційні властивості трактора, за­лежать зовсім не від значення опорів, що долаються, а від можли­востей (властивостей) самого трактора і його двигуна.

 

Рушійна сила агрегату

Механізм утворення рушійної сили. Як уже вказувалося, ру­шійна сила — це зовнішня стосовно трактора сила (складова реакції ґрунту), що утворюється в напрямку руху в результаті взаємодії з ґрунтом ведучих органів трактора, які одержують момент сили (обертовий момент) від двигуна через передавальні механізми (трансмісію). Механізм утворення рушійної сили найкраще розгля­нути на системі сил, що діють на ведучі колеса (рис. 3.2)

 

Рис. 3.2 Система сил, що діють на ведучі колеса

 

Зовнішніми силами, що діють на ведучі колеса, є: прикладені на грунтозачепах і ободах коліс реакції ґрунту, що зручно представити трьома складовими силами — рушійною Р_р, вертикальною складо­вою реакції поверхні руху R_в і силою опору кочення ведучих коліс Р_f, а також сила ваги (вплив гравіта­ційного поля землі) коліс G_к.

Вплив на колеса умовно відсіченої частини трактора заміняємо силою 1, прикладеної до осі, і моментом М_о, що являє собою дію крутного моменту двигуна на ведучі колеса через трансмісію:

де: η_тр — к.к.д. трансмісії;

i_тр - загальне передатне число трансмісії (від двигуна до ведучих ко­ліс).

Приймаємо (із достатньою для практики точністю), що сила опо­ру кочення ведучих коліс Р_f, діє по одній лінії (у протилежну сторо­ну) із рушійною силою Р_Р на відстані r_к від осі колеса. Ця відстань називається радіусом кочення.

За умови рівномірного і прямоліній­ного руху

де: М_о — момент на ободі рушія;

звідки

;

або

З виразу видно, що активний момент, який одержують ведучі колеса від двигуна через трансмісію і вісь, долає суму двох момен­тів, перший із яких М_о.о (значення показане в дужках) йде на подо­лання опорів обертанню ведучих коліс, а другий — на утворення рушійної сили. Вираз показує, що опір коченню ведучих органів являє собою в основному момент, що долається до утворення ру­шійної сили (на відміну від опору ведених коліс, що являє собою силу, яка долається рушійною силою).

У гусеничних тракторів радіусом кочення є не фактична відс­тань від центру ведучої зірочки до площини дії сили Р_Р, а середній активний радіус ведучої зірочки.

Номінальні і граничні значення рушійної сили. Рушійна сила утворюється як складова реакція ґрунту, спрямована в бік руху, в результаті впливу грунтозачепів і ободів коліс на грунт, а також наявності сил тертя між колесами і ґрунтом. Це може бути предс­тавлено наступною залежністю:

де: dh і db - перпендикулярні до напрямку руху елементарні пло­щадки дотикання грунтозачепа з ґрунтом;

τ_П — паралельна шляху проекція напруги ґрунту;

F_тр — відповідні сили тертя.

Звідси може бути визначене і граничне значення рушійної сили, яку даний грунт може створити. Проте через складність встановлен­ня точок впливу ведучого апарату на грунт і граничні значення на­пруг ґрунту користуватися таким виразом практично неможливо. Тому було запропоновано визначати значення рушійної сили за умовним сумарним коефіцієнтом зчеплення φ що аналогічно коефі­цієнту перекочування відбиває пропорційність рушійної сили Р_Р зчіпній вазі трактора G_зч

Приймаючи за експериментальними (довідковими) даним серед­ні значення φ для даних умов, визначають рушійну силу з умови зчеплення (за ведучим апаратом):

В якості номінального (розрахункового) приймають таке значен­ня φ_н, яке забезпечує утворення рушійної сили при допустимих ґрунтових зсувах (буксуванні). Для колісних тракторів буксування допускається до 15%, а для гусеничних — до 6-8%. У цьому випад­ку:

Максимальне значення рушійної сили за зчепленням відповідає значенню φ_max, при якому буксування близьке до 100%. У цьому випадку:

Для гусеничних тракторів, а також для тракторів з усіма ведучи­ми колесами в якості зчіпної ваги приймається вся вага трактора (G_зч = G), а для колісних тракторів з одною ведучою віссю:

де: L — подовжня база трактора;

а — відстань від центру ваги трактора до вертикальної площини, що проходить через геометричну вісь ведучих коліс;

М_о — крутний момент, прикладений до осі ведучих коліс.

 

Рис. 3.3. Графік рушійних і тягової сил:

- - - - - граничні значення;

──── номінальні значення.

 

Цілком очевидно, що для одного і того самого трактора як номі­нальні, так і максимальні рушійні сили за зчепленням будуть різни­ми на різних ґрунтах. На слабких (пухких) ґрунтах вони менші, на щільних — більші. Тому графік рушійної сили (рис. 3.3) зручно представити в залежності від щільності ґрунту, що характеризуєть­ся сумарним питомим опором k. При цьому варто мати на увазі, що в гусеничних тракторів значення рушійної сили, як правило, більше, ніж у колісних, а в колісних тракторів на пневматичних шинах знач­но більше, ніж у тракторів на сталевих колесах.

Оскільки рушійна сила створюється моментом двигуна, переда­ним через трансмісію ведучим органам, існують інші межі і номі­нальні значення рушійної сили, що залежать від максимально мож­ливого і номінального моментів двигуна (з врахуванням імовірніс­ного характеру навантаження). Їх називають граничною рушійною силою за двигуном Р_{Р. max} і номінальною рушійною силою за двигу­ном Р_{Р. н}

;

,

де M_o.o.max і M_o.o.н –моменти опору кочення ведучих коліс (ведучого апарату) відповідно при максимальному і номінальному наван­та­женні.

Від’ємники останніх двох виразів являють собою опір коченню ведучих органів і може бути позначені відповідно Р_f.max і Р_f.н.

Оскільки є дві границі (і два номінальних значення) рушійної си­ли (за зчепленням і за двигуном), лімітуючим (визначаючим) буде те значення, яке менше.

На рисунку 3.3 поданий графік граничного і номінального зна­чень рушійної сили. Жирною лінією показане сумарне (що лімітує) значення (за зчепленням і двигуном) рушійної сили. Заштрихована ділянка показує не використані можливості двигуна.

 

Тягове зусилля трактора

Оскільки для утворення тягового зусилля на гаку рушійна сила агрегату повинна долати лобові опори (зусилля) пересуванню P_f і підйому P_α трактора, максимальне і номінальне значення тягового зусилля на гаку будуть:

на підйомі або спуску (кут підйому α)

;

;

на горизонтальній ділянці:

;

.

Значення цих величин також показані на графіку (рис. 3.3). З графіка можна зробити такі висновки.

1. Існують дві границі (номінальні значення) рушійної і тягової сил трактора. На щільних ґрунтах лімітують (і повинні прийматися в розрахунок) значення, обумовлені двигуном, а на слабких (пух­ких) ґрунтах — обумовлені зчепленням ведучих органів із ґрунтом. В останньому випадку недовикористовуються можливості двигуна. Маючи на увазі, що робота трактора здійснюється за рахунок енер­гії палива, перетвореної двигуном у механічну роботу, важливим є повне (раціональне) використання можливостей двигуна. Тому при роботі на слабких ґрунтах треба вживати заходів по збільшенню зчіпних властивостей трактора (шляхом посилення грунтозачепів, збільшення зчіпної ваги, вмикання другого ведучого моста й ін.) до рівня, що відповідає рушійній силі за двигуном, або переходити на підвищену передачу, при якій буде мати місце відповідність обох границь (номінальних значень). При роботі на ґрунтах, де зчеплення достатнє, додаткові пристрої, що посилюють зчеплення, повинні бути зняті, щоб не збільшувати витрати на пересування трактора.

2. Опір пересуванню трактора складається з двох складових час­тин — опору кочення ведучих органів у виді моменту, що долається до утворення рушійної сили, і опори пересуванню у виді зусилля, що долається рушійною силою до утворення тягового зусилля.

Оскільки не тільки тягове зусилля, а вся рушійна сила впливає на ступінь буксування ведучих органів, розходження зазначених опорів має принципове значення. Проте в зв'язку з тим, що складові опору пересуванню при експериментальному визначенні важко роз­ділити, у практичних розрахунках по експлуатації МТА їх врахо­вують разом і для спрощення розрахунок ведуть за умовним сумар­ним коефіці­єнтом кочення, приймаючи аналогічно пропорційність опору пересуванню від ваги трактора

У типових розрахунках виходять із номінальної сили тяги на горизон­тальній ділянці .

Значення , що визначає номінальні значення рушійної і тягової сил без врахування будь яких втрат, називають теоретичною силою тяги , а значення що враховує передатне число і втрати в трансмісії до ведучих коліс, — дотичною силою Р_к.

Варто мати на увазі, що всі розглянуті величини (рушійна сила, тягове зусилля, втрати й ін.), як і вихідні експлуатаційні показники тракторних двигунів, мають стохастичний характер і тому приведені розрахункові формули можуть служити лише для визначення середніх значень цих вели­чин.

 

 

Розділ 4