Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследований 8
1.1. Влияние движителей сельскохозяйственных тракторов и машин на физико-механические свойства почв и урожайность сельскохозяйственной культур 9
1.2. Существующие способы уменьшения уплотняющего воздействия движителей на почв 20
1.3. Методы расчета процессов колееобразования и уплотняяющего воздействия 23
1.4. Цель и задачи исследования 35
Глава 2. Физико-механические и прочностные свойства почв как опорных оснований движителей 38
2.1. Физико-механические свойства почвы 39
2.2. Деформируемые и прочностные свойства почв 56
2.2.1. Закономерности сжатия почв 59
2.2.2. Сопротивление почвогрунтов сдвигу 63
2.2.3. Реологические свойства почвогрунтов 64
2.3. Характеристика почвогрунтов как несущих оснований для движущихся тракторов и машин 65
Выводы по главе 2 75
Глава 3. Теоретические основы и моделирование колееобразования движителями тракторов и машин 77
3.1. Обоснование концепции экологической совместимости системы «трактор — технология — почва» 77
3.2. Процесс колееобразования ходовыми системами тракторов и машин 81
3.3. Факторы, определяющие глубину колеи 84
3.4. Физическая модель образования колеи 87
3.5. Анализ напряженного состояния грунта в колее 91
3.6. Математическая модель деформации грунта 96
3.7. Коэффициент линейной деформации грунта 104
3.8. Несущая способность грунта и предел несущей способности 108
3.9. Предельная деформация уплотнения грунта 109
3.10. Процесс колееобразования при многократных проходах сельскохозяйственных машин 111
3.11. Среднее и максимальное давление движителя на опорную поверхность 118
3.12. Особенности деформации грунта гусеничным движителем 120
3.13. Уплотнение почвы в процессе образования колеи 126
Выводы по главе 3 130
Глава 4. Исследование изменения физических свойств почв при взаимодействии с гусеничными движителями сельскохозяйственных тракторов 133
4.1. Физические свойства дерново-подзолистой среднесуглинистои почвы и их изменения после воздействия движителей 133
4.2. Исследование тягово-сцепных свойств и нормального давления гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов на почву 137
4.3. Экспериментальные исследования влияния гусеничных движителей трактора ДТ-175С на уплотнение почв 146
Выводы по главе 4 155
Глава 5. Теория и расчет контактного взаимодействия шин с грунтовыми основаниями 158
5.1. Выбор модели системы «опорная деформируемая поверхность - колесный движитель - машина» 158
5.2. Математическое обеспечение эластокомпозитной оболочки вращения 171
5.3. Исследование деформируемого основания под действием колесного движителя 186
5.4. Определение внешних выходных характеристик шин при взаимодействии с почвогрунтом 199
5.5. Математическое моделирование объектов управления и процессов уплотнения почв колесными машинами 220
5,6 Сравнительная оценка расчетных и экспериентальных данных 233
Выводы по главе 5 250
Глава 6. Эколого-экономическое обоснование применения сельскохозяйственных тракторов с модернизированными гусеничными движителями 252
Выводы по главе 6 258
Заключение и общие выводы 270
Литература 275
Приложения 296
- Существующие способы уменьшения уплотняющего воздействия движителей на почв
- Характеристика почвогрунтов как несущих оснований для движущихся тракторов и машин
- Процесс колееобразования ходовыми системами тракторов и машин
- Исследование тягово-сцепных свойств и нормального давления гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов на почву
Введение к работе
Актуальность проблемы. В сельскохозяйственном производстве все шире применяются интенсивные технологии, основанные на многократных проходах по полю все более мощных и тяжелых машинно-тракторных агрегатов (МТА), уборочных комбайнов, большегрузных технологических и транспортных машин. За последние 15-20 лет единичная мощность тракторов увеличилась в 1,5-3 раза, а их масса - в 2-3 раза, при увеличении массы сельскохозяйственных машин в 1,5 раза, в частности большегрузных машин для внесения удобрений и химикатов. В результате многократных проходов тракторов и машин суммарная площадь их следов на поле превышает площадь самого обрабатываемого участка до 1,5-2 раз. Особенно резко возросли нагрузки с применением таких энергонасыщенных тракторов как Т-150, Т-150К, К-700, К-701, Т-4, ДТ-175С, что привело к уплотнению пахотного и подпахотного горизонтов почвы на глубину 0,7-1,0 м.
Разрушение структуры верхних и уплотнение нижних слоев почвы отрицательно сказывается на плодородии почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Возникла реальная опасность нарушения природного экологического баланса не только пахотного горизонта почвы, но и всей окружающей среды из-за загрязнения водоемов смытой почвой токсичными веществами, остатками минеральных удобрений и пестицидов, что потребовало разработки экологически чистых систем и новейшего автоматизированного оборудования. Поэтому поиски научно-обоснованных путей решения проблемы уплотнения почвы являются актуальными и имеют важное народно-хозяйственное значение.
Цель работы обоснование и разработка методов расчета уплотняющего воздействия ходовых систем тракторов параметров их движителей, а также построение иерархии математических моделей пневматических шин и грунтовых оснований при их контакте, обеспечивающих эффективное оценивание напряженно-деформируемое состояние (НДС) шин и экологического эффекта движителя колесных машин.
Объект исследования – колесные и гусеничные движители сельскохозяйственных тракторов и машин и их взаимосвязи в системе «трактор-машина-технология-почва».
Предмет исследования - процессы образования колеи и уплотнения почвы движителями тракторов и машин, жескостные характеристики пневматических сельскохозяйственных шин на твердом и деформируемом основаниях, изменение физико-механических свойств и экологического состояния почвы под воздействием ходовых систем.
Методы исследования. Исследование эколого-технологических процессов взаимодействия движителей с почвой основывались на положениях механики почв и грунтов с использованием физического и математического моделирования. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в:
- разработке новой методологии анализа и управления эколого-технологическими процессами с обоснованием комплексной структурной схемы взаимосвязи объектов системы «трактор – технология – почва»;
- обосновании и обобщении основных физико-механических и экологических свойств почво-грунтов как опорных оснований движителей и допустимых пределов уплотнения и минерализации почвы;
- разработке математической модели образования колеи, учитывающей линейные и нелинейные составляющие деформации уплотнения и сдвигов;
- разработке и реализации на ЭВМ математической модели грунтового основания, как стохастический неоднородного вязкоупругопластического пористого частично водонасыщенного тела;
- построении номенклатуры выходных механических характеристик шин в контакте с деформируемым основанием и создании методики их расчетного оценивания;
- разработке концепции взаимодействия движителей на почву, обеспечивая экологическую совместимость параметров трактора, машины, технологии и почвы;
Практическая ценность и научная значимость работы. Практическую ценность составляют алгоритм и программы расчета на ЭВМ экологических показателей взаимодействия ходовых систем сельскохозяйственных тракторов и машин с почво-грунтами; методы экспериментальных исследований влияния гусеничных движителей тракторов на физико-механические свойства и экологическое состояние почвы, агробиологическая интерпретация степени уплотнения почвы и влияние её на рост сельскохозяйственных растений; уточненная номенклатура выходных характеристик сельскохозяйственных шин, методы их определения и инструментальное обеспечение этих методов.
Научную значимость имеют предложенные критерии оценки уплотняющего воздействия мобильной техники на почву: суммарная глубина колеи в результате многократных проходов техники, коэффициент накопления деформации, критерий интенсивности колееобразования, степень минерализации нарушения почвенного покрова, пороговое значение плотности в колее, рекомендации по изменению конструктивных и эксплуатационных параметров гусеничных движителей, и методы определения жесткостных характеристик шин.
Разработанные методики и математические модели могут использоваться как в система автоматизированного проектирования шин для оценки потребительских свойств последних, так и в системах автоматизированного проектирования колесных машин. Разработанные экспериментальные методики могут использоваться для доводки шин и колесных машин, а также для заводского контроля качества изготовления шин.
Достоверность основных положений и рекомендаций диссертации подтверждается сходимостью расчетных и экспериментальных данных (расхождение не превышает 5%), результатами лабораторных, стендовых и полевых испытаний моделей и натурных образцов техники.
Реализация результатов исследований. На основании проведенных экспериментально-теоретических исследований реализованы следующие рекомендации:
1. Методы определения и оценка уплотняющего воздействия гусеничных движителей переданы на МИС для использования при испытании тракторов.
2. Результаты стендовых и натурных экспериментов пневматических шин с твердым и деформируемым основаниями были реализованы при разработке проекта ГОСТа «Выходные характеристики шин сельхозмашин и методы их определения».
3. Расчетные методики определения выходных характеристик сельскохозяйственных шин были использованы ООО «Амтелшинпром» при проектировании шины 175/70Р13 «NEK».
4. Стендовое оборудование и методы испытания пневматических шин используются в работах МГУП.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены и одобрены в период с 1998 по 2008 годы на научных конференциях и заседаниях кафедр, в том числе в МСХА им. К.А. Тимирязева (Москва, 2000 и 2008 гг.); в МГАУ (Москва, 1998, 2000, 2005, 2008 гг.); в МГУП (Москва, 1998-2008 гг.); на НТС Минсельхозпрода России (Москва, декабрь 1998 г.), на НТС ОАО «ВИСХОМ» (Москва, 1998-2000 г.), на научно-технических конференциях в НАТИ (Москва, 1998-1999 гг.), на научно-технической конференции (Саратов, СИМСХ, 2002, 2003 гг.), на конференции МГОУ (Москва, 1999 г.), а также на научно-практических конференциях МАЭБП (2004-2008 гг.).
Публикации по теме диссертации. Опубликовано 44 печатные работы, в том числе 3 монографии, 2 учебных пособия, 2 авторских свидетельства. Общий объем опубликованных работ составляет 35 печ. л., из них 25,3 печ. л. приходится на долю автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ми глав, заключения, списка литературы, содержащего 240 наименований. Основное содержание диссертационной работы изложено на 290 страницах, включая 65 рисунка, 28 таблиц и приложения.
Существующие способы уменьшения уплотняющего воздействия движителей на почв
Для борьбы с чрезмерным уплотняющим воздействием на почву движителей сельскохозяйственных тракторов и машин было предложено и исследовано большое число конструктивных решений и технологических приемов. Давно замечено, что максимальное напряжение на поверхности контакта шины с почвой зависит от давления воздуха в шине. Поэтому при снижении давления в шинах трактора К-700А с 0,17 до 0,09 МПа максимальное напряжение в почве уменьшается на 45-..50%, а также снижается его неравномерность по всей контактной площади [59] как по продольной, так и по поперечной осевой линии следа (рис. 1.5). Использование пневматических гусениц на тракторах ДТ-75ПГД и Т-150ПГД дает меньшую (на 23,9..-28,3%) осадку уплотнения почвы по сравнению с базовыми машинами и соответственно меньший прирост плотности в верхнем слое (0...10 см). Сопротивление плуга по следу трактора Т-150ПГД на 5,5%, а по следу трактора Т-150 на 24,7% выше, чем вне следа. Коэффициент использования сцепного веса этих машин на вспаханном поле выше, чем у базовых машин, очевидно, в связи с равномерным распределением нагрузки в зоне контакта с почвой (таб. 1.5 [173]). Для снижения уплотняющего воздействия ходовых систем на почву и повышения тягово-сцепных качеств и проходимости устанавливают сдвоенные шины на тракторы Т-150К, МТЗ-80 и другие сельскохозяйственные машины. При этом глубина следа на 25...30% меньше, чем у аналогичных машин, но все же несколько больше, чем гусеничных. После прохода трактора на сдвоенных колесах плотность почвы меньше на 0,02...0,06 г/см , чем после прохода с одинарными колесами.
Однако по сравнению с гусеничным трактором Т-74 она больше на 0,26 г/см . Широко применяют также полугусеничный ход, цепи противоскольжения, уширители, накладные почвозацепы, которые наряду с положительными качествами имеют и ряд существенных недостатков: увеличивается тряска, снижается маневренность, не обеспечивается проходимость в междурядьях пропашных культур. Кроме этого, они имеют низкую надежность, недостаточную самоочищаемость и требуют значительных затрат времени для их монтажа и демонтажа. Обобщив рекомендации, разработанные почвенным инструментом им. В.В. Докучаева, ВИМом, ТСХА со ссылкой на [145] А.С. Кушнарев и В.М. Мацепуро [152] предлагают следующие меры по уменьшению вредного воздействия сельскохозяйственной техники на почву: 1. На всех типах среднесуглинистых, тяжелосуглинистых и глинистых почвах на предпосевной обработке и посеве сельскохозяйственных культур, а также на других операциях при влажности почвы выше 0,65-0,70 НВ применять гусеничные тракторы и ограничить применение колесных тракторов К-701, Т-150К. 2. На операциях по подготовке к посеву, на посеве и по уходу за посевами применять комбинированные и широкозахватные агрегаты, полностью реализующие тягово-сцепные возможности используемых тракторов, что позволит максимально уменьшить число проходов МТА и площадь под следами движителей. 3. Контролировать внутреннее давление воздуха в шинах. Так, если при работе трактора Т-150К на твердых грунтах давление в шинах допускается 120-140 кПа, то на мягких и переувлажненных почвах рекомендуется снизить давление в шинах до 80-100 кПа, при этом условная площадь контакта увеличивается на 20-25% и соответственно уменьшается давление на почву. 4. Важное значение имеет правильная организация полевых работ: большегрузными машинами по возможности не заезжать на поля и применять перевалочные и перегрузочные способы уборки урожая. 5.
Обеспечить движение транспортно-технологических машин по постоянным маршрутам. Маршрутизация движения МТА позволяет резко сократить уплотняющую площадь. Все изложенное свидетельствует о большой работе, проведенной создателями и испытателями новой сельскохозяйственной техники и почвоведами в области оценки экологических последствий воздействия движителей машин на почву, а также поиска путей преодоления вредных последствий этого воздействия. Опыт, накопленный в земледельческой механике, несомненно, должен быть использован в выработке общих критериев оценки экологичности движителей транспортно-технологических машин. Вопросам исследования процесса взаимодействия движителей с почвой и грунтами посвящены научные исследования М.С.Антонова [4], И.Б.Барского [7], В.Ф.Бобкова [6], Н.В.Болтинского [22], М.Г.Беккера [11], В.В.Гуськова [47], Н.Г.Домбровского [54], Н.А.Забавникова [61], В.В.Кацыгина [115], С.С.Корчунова [126], Е.Д.Львова [150], Ф.А.Опейко [166, 167, 168], В.А.Скотникова [200, 201], Р.Л.Турецкого [213], НЛ.Библюка [15], Д.А.Чудакова [221], Б.Н.Янушкевича [228], А.К. Тургиева [212] и др. Исследованиями установлено, что способность трактора передвигаться по плотным переувлажненным минеральным почвам и грунтам с допустимым значением глубины следа колес или гусениц при заданной скорости характеризует их опорно-сцепные свойства [200]. Значение фактической глубины h следа, образуемого ходовой частью, зависит от среднего Рср и максимального Ртах давлений в месте контакта колес или гусениц с грунтом и от периода их взаимодействия T=L0JV, где LQn - длина опорной поверхности колеса или гусеницы, V- скорость движения. Для определения глубины колеи часто используют формулу В.В.Кацыгина, полученную на основе положений Г.И.Покровского [175] где Р0 - несущая способность площади пятна контакта колеса или звена гусеницы на данном грунте; К - показатель свойств почвы или грунта; Ртах - наибольшее давление в пятне контакта. Для определения глубины следа на болотных торфяных грунтах В.А.Скотников [201] на основе теории Терцаги-Герсеванова предложил формулу a (z/t) - напряжение скелета грунтовой массы на глубине Z через время t после приложения нагрузки; Т - период взаимодействия ходового аппарата с грунтом; Н - толщина грунтовой массы; Z - глубина рассматриваемой точки в грунте (от подстилающего слоя), т.е. h Z H.
Характеристика почвогрунтов как несущих оснований для движущихся тракторов и машин
Механические свойства почво-грунтов, как было установлено выше, определяются их гранулометрическим составом (т. е. величиной твердых частиц), влажностью, плотностью и дерновым покровом (задернелостью). Гранулометрический состав — наиболее стабильная характеристика почвы. Обычно он является основой классификации почв. Влажность, плотность и дерновый покров в течение года меняются в больших пределах под действием метеорологический условий и деятельности человека. Почво-грунты с большим содержанием глинистых частиц называют связными.
Наиболее труднопроходимыми для мобильных машин считаются минерально-органические переувлажненные, минеральные почвогрунты и снежный покров.
Минерально-органические почвы при сильном увлажнении и разрыхлении представляют собой слабые, неоднородные, анизотропные среды, поведение которых под нагрузками движителей зависит от гранулометрического состава, влажности, структуры и связей, обусловленных элементами растительности. К таким почвам, прежде всего, относятся естественные залежи высокопористых болотных почв, образованных на относительно ровной местности.
Водонасыщенные илы обладают значительными структурными связями. При наличии компонентов растительности илы превращаются в неоднородную связную массу. Однородными можно считать лишь некоторые виды илистых отложений и мощные торфяники. Кроме связных слабых почв труднопроходимы и несвязные пески в сухом и обводненном состоянии, в особенности, если ониеимеют гидравлический «подпор»..
Согласно принятой в строительной практике: классификации илистые отложения водоемов, как и обычные грунты-почвы, разделяются на супесчаные, суглинистые и глинистые. Болотные почвогрунты разделяются на три группы; сплошной торф; плотная торфяная, кора подстилаемая жидким сапропелем или жидким торфом; сплавина.
Плотность, гранулометрический состав и; влажность почвогрунтов определяют одно из их важнейших свойств— связность. Следует отметить, что содержание влаги в грунте W (%) исчерпывающе не определяет его состояние. Например, некоторые болотные почвогрунты обладают достаточно высокой прочностью и несущей способностью при влажности равной 100%, а песчаные грунты становятся влажности равной текучими при влажности равной 10- -20%.
Глинистые почвы, к которым можно отнести некоторые слабые грунты, в строительной практике характеризуются такие, как и почвы показателями пластичности и консистенции. Количественная характеристика грунтов является весьма сложной проблемой, нерешенной до настоящего времени. Поэтому воспользуемся одной из упрощенных типизации грунтов, приведенной в работе [130]. Согласно этой типизации грунты упрощенно разделены на три класса: жесткий грунтовым массив; деформируемый грунтовый массив; слабые грунтовые образования.
С целью конкретизации методов расчета показателей опорно-сцепных и тяговых качеств движителей может быть принята следующая типизация грунтов. 1. Мягкие грунты: а) пластичные грунты, которые после снятия нагрузки практически не восстанавливают свою первоначальную форму (влажные суглинистые и глинистые почвы, мокрый снег и т. п.); б) сыпучепластические — грунты, которые после снятия нагрузки претерпевают некоторую деформацию, обусловленную отсутствием связности (песчаные почвы, пыли, сухой снег и т. п.); в) упругопластические— грунты, которые после снятия нагрузки частично восстанавливают свою первоначальную форму (сильно гумуссированные почвы, торфяники и т. п.). 2. Мягкотекучие грунты — грунты, которые после снятия нагрузки претерпевают деформацию, обусловленную некоторой текучестью массы (илы). 3. Текучие грунты —грунты, которые реагируют на снятие нагрузки подобно малоподвижной жидкости (водонасыщенные илы, обводненные пески, водонасыщенные торфяные массы и т. п.),
4. Жидкие грунты — грунты, которые ведут себя аналогично жидкостям (разжиженные илы и торфы, сапропель).
На пахотных поверхностях толщина разрыхленного слоя составляет 20— 30 см. В сухом состоянии связные грунты обладают достаточно высокими механическими свойствами. Липкость грунтов увеличивает сопротивление движению. В литературе данных по липкости грунтов очень мало. Липкость принято оценивать по удельной силе, которую необходимо приложить для отрыва пластины от грунта. Величина липкости изменяется в зависимости от гранулометрического состава, в частности, от содержания глины и гумуса и от влажности.
Процесс колееобразования ходовыми системами тракторов и машин
С целью установления факторов, влияющих на степень уплотнения почвы, рассмотрим процесс образования колеи (рис. 3.2). Процесс образования колеи состоит из трех фаз. В первой фазе происходит только уплотнение грунта и зависимость, между глубиной, колеи и нагрузкой практически линейна. Во второй фазе (участок 2) формируется,уплотненное ядро,.в котором относительное перемещение частичек грунта относительно друг друга отсутствует. По форме уплотненное ядро напоминает клин. Ядро,- внедряясь в опорный массив грунта, не только уплотняет нижележащие слои, но и раздвигает их в стороны. Глубина колеи возрастает благодаря всеувеличивающимся сдвигам грунта. Линейная- зависимость между глубиной колеи и нагрузкой нарушается. Поэтому общая деформация представляет сумму деформаций уплотнения и сдвигов. Как было отмечено выше, превышение пороговой плотности почвы в колее замедляет восстановительный процесс роста растений. В связи с этим, число проходов сельскохозяйственной машины, после которого плотность почвы достигает указанной величины, можно рассматривать как некоторый экологический показатель воздействия движителей на почву. Если в почве превалируют деформации сдвигов, то рост глубины колеи может привести к вывешиванию машины на валах или поверхности опорного массива, и полной потери подвижности.
В этом случае трактористам приходится прокладывать параллельные колеи. При этом, несмотря на меньшую плотность в колее машина воздействует на большую площадь, что нежелательно с точки зрения сохранения почв. Многочисленные исследования взаимодействия движителей машин с почвой показывают, что ее деформационные свойства характеризуются следующими показателями: - общим модулем деформации Е0; - коэффициентом поперечного расширения или коэффициентом Пуассона; - пределом несущей способности qs; - коэффициентом уплотняемости. Перечисленные показатели зависят от типа и влажности почвы. Степень уплотнения почвы движителями определяется: 1 - силой тяжести Є(машиньі, трактора); 2 - конструктивными параметрами ходовых систем, в том числе: размерами опорной поверхности, Ь; шагом катков tK; шагом звеньев гусеничной цепи t3B; числом опорных катков или колес «к и др. Третьим обстоятельством, определяющим степень уплотнения почв, является технологический процесс сельскохозяйственных работ, который, в свою очередь, зависит от числа проходов машин по одному следу. В случае обеспечения проходимости по клиренсу, кратность проходов регламентируется степенью уплотнения почв - плотностью почвы после проходов. Схема системы «трактор-технология-почва" приведена на рис. 3.1, где показаны связи между составляющими системы. Математическое описание прямых и обратных связей представляет математическую модель системы. В каждом конкретном случае, при условии обеспечения расчетной производительности, на систему накладываются ограничения по степени уплотнения и минерализации почв, а также другие требования, перечисленные выше в соответствии с требованиями каждого региона.
Для составления алгоритма реализации рассматриваемой модели проанализируем процесс взаимодействия трех основных составляющих системы и опишем их математически. Начнем с процесса колееобразования. В общем случае движения колесной или гусеничной машины на нее, кроме силы тяжести, действуют силы сопротивления подъему, качению, инерции, воздушной среды, рабочих органов, буксировке прицепов или другие силы, приложенные к тягово-сцепному прибору. Под действием этих сил колеса или гусеницы деформируют опорный массив грунта, оставляя позади себя колею. Наблюдая за тем, как образуется колея при движении сельскохозяйственной машины по мягкому, водонасыщенному грунту, можно заметить, что в результате действия нормальной составляющей силы тяжести и соответствующих инерционных сил происходит не только уплотнение грунта, а также возникновение спереди колес или гусениц валиков грунта, которые в виде волны перемещаются вперед со скоростью движения машины. Вследствие различия прочностных характеристик грунта и неоднородности его строения, колея имеет не одинаковую глубину. Большое влияние на глубину колеи оказывают корневая система растений, армирующая грунт. Поэтому колея обычно имеет волнообразный профиль. 3-я фаза образования колеи - развитие деформаций сдвига: При повторных проходах машин по грунту наблюдается четыре характерных случая изменения глубины колеи (рис. 3.3). 1. Во время нескольких проходов глубина колеи растет, а затем остается практически неизменной (кривая 1). 2. Темп роста глубины колеи монотонно уменьшается по мере увеличения числа проходов (кривая 2). 3. Глубина колеи увеличивается пропорционально числу проходов (кривая 3). 4. Темп роста глубины колеи прогрессивно растет (кривая 4). В отдельных, сравнительно редких случаях, прогрессивное увеличение глубины колеи наблюдается на хорошо накатанных почвах без каких-либо видимых причин снижения несущей способности грунта: выпадение осадков, прохода по колее более тяжелой техники, и т. п. Рабочие органы машин частично срезают валики грунта, образующиеся по бокам колеи и часть грунта под днищем машины. Этот грунт и грунт, осыпающийся со стенок колеи, попадает на ее дно, что приводит к некоторому уменьшению глубины. Существенную роль в процессе образования колеи играют пожнивные или порубочные остатки растительности, которые вдавливаются гусеницами или колесами в грунт и повышают несущую способность опорного массива [79]. Направленные против движения силы сопротивления вызывают соответствующие деформации сдвига грунта, являющиеся причиной уменьшения скорости движения машины - буксования. С увеличением внешних сил сопротивления движению, например нагрузки на крюке, деформации сдвига растут, и наступает момент, когда грунтовые кирпичики, находящиеся между шпорами гусениц или зацепами шин смещаются относительно грунта. Разрушение структуры грунта зацепами движителей оказывает существенное влияние на глубину колеи.
Исследование тягово-сцепных свойств и нормального давления гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов на почву
Для изучения тягово-сцепных свойств и оценки степени влияния типов навески рабочих органов на уплотнение почв в- 1995-1997 году были проведены-, экспериментальные исследования. При многократных проходах трактора замерялись величина уплотнения почв на различной-глубине при-боковой; задней, ишередней навесках рабочих органов. Изучались также тягово-сцепные свойства трактора ДТ—175С с рабочими органами сельскохозяйственного назначения. Основными показателями, характеризующими тягово-сцепные свойства трактора, являются: коэффициент сопротивления качению трактора fk То есть, показатели тягово-сцепных свойств трактора при постоянных почвенных условиях, определяются силой сопротивления качению гусениц Pf, тяговым усилием Ркр и результирующей вертикальных усилий Pz Сила сопротивления качению Pf состоит из силы Р - , возникающей от ударов, трения в движителях и силы Pfn , возникающей от деформации почвы. Теоретическое определение силы сопротивления движению вследствие трения и ударов в механизме ходовой части довольно объемное и составляет предмет отдельных исследований. Известно много работ, посвященных этому вопросу. Все они требуют определения большого числа коэффициентов и величин, характеризующих состояние ходовой части, условия ее работы и т.д. Поэтому представляется целесообразным в данной работе определить значение коэффициента сопротивления качению трактора вследствие трения и.ударов в ходовой части Рт экспериментально. Тем более, что в нашем случае изменение скорости характерное для сельскохозяйственных тракторов, не оказывает существенного влияния на значение данного коэффициента. Экспериментальное определение fT рассмотрено ниже. Рассмотрим более подробно вторую составляющую силы сопротивления движения, возникающую за счет деформации почвы. Исследователи предлагают различные зависимости, полученные на основании экспериментальных и теоретических исследований для определения силы сопротивления движению за счет колееобразования.
Наиболее полно отображающим данные показатели является выражение, согласно которому к - коэффициент деформации почвы X - коэффициент накопления деформации; П - число опорных катков WI - показатель степени; Анализ выражения (4.1) показывает, что при постоянных почвенных условиях сила сопротивления качению гусеничного движителя от деформации почвы определяется эпюрой нормальных давлений гусеницы на почву. При определении влияния задней навески рабочего органа тягово-сцепные свойства и управляемость гусеничных тракторов принимается допущение о линейности эпюры нормальных давлений гусеницы на почву и о постоянной длине опорной поверхности. Это подтверждается рядом экспериментальных работ. Согласно результатам выполненных экспериментальных исследований при движении гусеничного трактора с балансирной схемой подвески давление на почву передается отдельными, сгруппированными вокруг каждого опорного катка активно-опорными участками. Эпюра нормальных давлений гусеницы трактора при движении по мягкой почве (характерный фон для сельскохозяйственных тракторов) имеет вид, показанный на рис. 4.1.
Представляется целесообразным аппроксимировать эпюру кусочно-линейной функцией следующего вида: где qi.текущее значение нормального давления гусеницы на почву. Положительным принято направление вектора q вниз. Для определения текущего значения нормального давления в зависимости от ординаты X необходимо определить коэффициенты Ai И В; Очевидно, что А; и Bj при однозначно определенных почвенных условиях, будут зависеть от величины удельных давлений qi; q2; q3;---qi2. Рассмотрим участок эпюры Хі....Хз рис. 5.3.1. Координаты точки А известны: (qi; xi). Для проведения прямой линии необходимо знать координаты точки В, которые можно определить с помощью следующей системы уравнений
