НОРМАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ ПОЧВЫ НА ПЕРЕДНИЕ И ЗАДНИЕ КОЛЕСА ТРАКТОРА

Значения нормальных реакций почвы У„ и У_к (рис. 3.6 и 5.1) на передние и задние колеса (причем передние колеса могут быть как ведомыми, так и ведущими) существенно влияют на тягово-сцепные и тормозные свойства МЭС, на их устойчивость и управляемость, а также на прочность ходовой части.

На распределение этих реакций влияют координаты центра тяжести, тяговое сопротивление рабочих машин и другие факторы, причем у прицепных и навесных тракторных агрегатов влияние тягового сопротивления машин неодинаково. Рассмотрим факторы, влияющие на У„ и У_к для обоих типов сельхоз- агрегатов, включая транспортные агрегаты. На горизонтальной поверхности полей и дорог нормальные реакции равны вертикальным нагрузкам на передние и задние колеса, т. е. соответственно У„ = G„, У_к = G_K.

Прицепные машины связаны с трактором в одной точке (точка прицепа), навесные, как правило, — в трех точках (две нижние и одна центральная тяга). В прицепных агрегатах имеет место простое сочленение трактора с рабочей машиной. Ее вес в транспортном положении полностью (или почти полностью) воспринимается опорными колесами самой машины, а тяговое сопротивление прицепной машины Р_кр, действуя на определенной высоте Л_кр относительно поверхности поля, вызывает при работе перераспределение вертикальных нагрузок между колесами трактора (догружаются задние и разгружаются передние колеса). У навесных почвообрабатывающих, посевных и корнеуборочных машин результирующая сопротивлений почвы и их веса R действует в почве (рис. 5.2).

Навесной агрегат за счет трехточечной связи трактора с машиной представляет собой единую, органически связанную динамическую систему. От этого

Рис. 5.2

Схемы соединения прицепной (а) и навесной (б) машины с трактором:

1 — сцепное устройство; 2,3 — верхняя (центральная) и нижние тяги навесного механизма трактора; 4,5 — рама и навеска машины; 6 — рабочие органы; 7 — опорные колеса; R — результирующая сопротивлений почвы и веса навесной машины.

при транспортном положении навесной машины ее вес полностью воспринимается ходовой частью трактора, а при рабочем положении тяговое сопротивление машины (горизонтальная составляющая силы R, показанная на рисунке 5.3), действуя в почве, оказывает существенное влияние на распределение вертикальных нагрузок по опорным поверхностям трактора. И только вертикальная составляющая этой силы может быть использована для рационального распределения этих нагрузок.

Сумма проекций сил и реакций на ось ординат имеет вид (рис. 5.1):

Силу тягового сопротивления Р_кр перенесем от точки прицепа по линии ее действия в точку О_к (рис. 5.1), а расстоянием а_кр пренебрегаем.

Из уравнения моментов сил относительно точки 0₂ получим

где cosy = 1; M_f — момент сопротивления качению, М,- = У_к • а_к + У_п ? а„.

Чем больше У_п, тем выше продольная устойчивость трактора, тем лучше сцепление управляемых колес с почвой и надежнее управляемость. Из выражения (5.14) видно, что нормальная реакция, действующая на передние колеса, зависит от угла подъема пути, расположения центра тяжести трактора, сопротивления качению.

Из уравнений (5.13) и (5.14) получим

Если принять, что трактор движется равномерно по горизонтальному участку пути, то Pi = 0, а = 0. Для этого случая выражения (5.15) и (5.16) примут следующий вид:

Реакция почвы на колеса неподвижного трактора, свободного от нагрузки на навесном устройстве, характеризуется статическими значениями реакций опорной поверхности на колеса трактора:

Реакция У_к существенно влияет на тягово-сцепные показатели трактора колесной формулы 4К2. Из выражения (5.16) видно, что второй, третий и четвертый члены одинаковы с такими же членами выражения (5.15), но имеют противоположный знак. Следовательно, их суммарное изменение по-разному влияет на реакции У„ и У_к: если передние колеса разгружаются, то задние — нагружаются, т. е. происходит перераспределение веса трактора по осям. Кроме того, в выражение (5.16) входит член P_Kpsiny, учитывающий влияние вертикальной составляющей тягового сопротивления орудия на реакцию дороги под задними колесами трактора.

На перераспределение вертикальных нагрузок на колеса, кроме вышеуказанных факторов, влияет продольная база L и другие геометрические параметры (a, h, h_Kp). Так, чем выше расположено сцепное устройство (параметр Л_кр), тем при прочих равных условиях больше догружаются задние колеса за счет разгрузки передних колес. По ГОСТ 30745-2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Определение тяговых показателей» допускается для сохранения управляемости тракторов вертикальная нагрузка на передние колеса не менее 0,8У_{П ст}.

Нагруженность колес оценивают по коэффициентам нагрузки передних А._п и задних А._к колес, которые вычисляют по формулам:

Отношение — характеризует распределение веса трактора по осям в ста-

А._к

тике и способность трактора к агрегатированию с навесными машинами и орудиями.

Для колесных тракторов характерно распределение нагрузки по осям.

Значения тягового сопротивления тракторов общего назначения со всеми одинаковыми колесами в процессе эксплуатации высокие, поэтому их центр тяжести смещен вперед относительно середины расстояния между передней и задней осью. В процессе работы под действием Р_кр нагрузка по осям выравнивается, что соответствует наилучшему использованию сцепного веса трактора.

Развесовку по осям (35/65%) тракторов колесной формулы 4К2 и 4К4а выбирают, исходя из необходимости обеспечения высокого тягового усилия, развиваемого задними колесами, при условии сохранения управляемости, определяемой нагрузкой на передние колеса, т. е. реакцией У„. Кроме того, универсально-пропашной трактор должен иметь резерв грузоподъемности для работы в составе комбинированных агрегатов, в которых предусматривается навешивание орудия не только сзади, но и впереди трактора. Такие агрегаты составляют главным образом на основе тракторов колесной формулы 4К4а, потому что для них необходимы более высокие тяговые условия, чем для одномашинных агрегатов.

В связи с применением комбинированных агрегатов широко распространена развесовка трактора по осям 40/60% с увеличенными размерами передних колес, обладающих более высокой грузоподъемностью.

Таким образом, колесную формулу, размеры передних и задних колес и техническое назначение трактора учитывают при выборе координат его центра тяжести для обеспечения высоких эксплуатационных свойств.

В легковых автомобилях, а также в грузовых при отсутствии груза на платформе центр тяжести располагается приблизительно посередине продольной базы. При наличии груза на задние колеса в статическом положении приходится примерно (0,7-0,75)G.

Конструктивные параметры машины также влияют на перераспределение нормальных нагрузок между передними и задними колесами. Чем короче продольная база и чем выше центр тяжести и точка прицепа, тем интенсивней происходит перераспределение нагрузок.

Для заднего наиболее распространенного положения навесной машины определим взаимосвязь между нормальными реакциями почвы на колеса трактора (У„ и У_к) и на опорные колеса навесной машины У₀. Для этого составим уравнение проекций всех сил и реакций на вертикальную ось (рис. 5.3):

Обычно вертикальную реакцию R_y выражают через тяговое сопротивление навесной машины R_x:

Рис. 5.3

Схема корректирования вертикальных нагрузок на колеса навесного агрегата:

1 — гидроцилиндр навески; 2 — подъемные рычаги навески; 3 — нижние продольные тяги навески; 4 — навесная машина; G — вес трактора; Р_п — давление масла в цилиндре; У_л, У_к, У₀ — нормальные реакции почвы на передние и задние колеса трактора и на опорные колеса навесной машины соответственно; R — результирующая реакция почвы на рабочие органы машины с учетом ее веса; R_x, R_y — горизонтальная (тяговое сопротивление машины) и вертикальная составляющие реакций R; Х_к — толкающая реакция почвы; Р, — сила сопротивления качению трактора; <х_ц — угол наклона центральной тяги.

С учетом этого уравнение (5.20) можно представить как

Для разных типов навесных машин, их рабочих органов и почв tgO варьируется в широких пределах (tgO = 0,1-0,9).

Из уравнения (5.21) видно, что за счет силового воздействия навесной машины суммарная реакция на колеса трактора увеличилась на величину

Следовательно, варьируя значение нагрузки У₀ на опорные колеса навесной машины, можно изменять нормальные реакции почвы на колеса трактора. С уменьшением величины Y₀ сумма реакций почвы на колеса трактора будет увеличиваться, а с ее увеличением — уменьшаться.

Такой способ изменения У„ + У_к и У₀ называют корректированием вертикальных нагрузок на колеса (КВН).

Изменяя вертикальную нагрузку на колеса, корректируют тяговый баланс машинно-тракторного агрегата, так как при этом возрастает или снижается сцепной вес трактора, а следовательно, и сила тяги. При этом сопротивление качению опорного колеса навесной машины можно снизить до нуля (при У₀ = 0).

Так как большинство навесных машин являются почвообрабатывающими и обладают высоким тяговым сопротивлением, а следовательно, и значительной силой R, то отмеченный эффект целесообразно использовать в первую очередь именно в почвообрабатывающих машинно-тракторных агрегатах. Во-первых, наиболее ощутимой будет догрузка ведущих колес, во-вторых, именно при работе с этими машинами и орудиями необходимы высокие тягово-сцепные свойства трактора при минимальных потерях на качение.

Применяют два способа КВН: механический и гидравлический (рис. 5.3). В первом случае изменяют угол а_ц наклона центральной тяги относительно нижних тяг за счет перестановки этой тяги в специальном кронштейне с отверстиями А. Перестановка тяги вниз приближает мгновенный центр вращения к задним ведущим колесам (точки О_в и 0'_в), за счет этого уменьшается У₀ и У„, а У_к увеличивается.

Сущность гидравлического корректирования заключается в том, что за счет создания давления масла Р_и в гидроцилиндре навески уменьшается нормальная реакция почвы У₀, что приводит к догрузке задних колес трактора. Параллельно с этим происходит догрузка задних колес трактора из-за частичной разгрузки его передних колес.

Кроме увеличения сцепного веса, увеличивается общий эксплуатационный вес трактора и снижается тяговое сопротивление машины R_x из-за разгрузки ее опорных элементов и уменьшения их сопротивления движению. Чем больше разгружены опорные колеса навесной машины, тем больше сцепной вес трактора, ниже тяговое сопротивление R_x и буксование ведущих колес, что в общем обеспечивает увеличение производительности навесного агрегата и снижение погектарного расхода топлива по сравнению с работой без гидродогрузки задних колес.

Наибольший эффект от гидродогрузки достигается, когда У₀ = О, что возможно только при автоматическом (без участия опорных колес) регулировании глубины хода рабочих органов.

Гидравлическое корректирование вертикальных нагрузок на колеса агрегата достигается за счет установки на трактор двух автоматических устройств навески: гидроувеличителя сцепного веса (ГСВ) и позиционно-силового регулятора (ПСР). Ими, в частности, оборудованы тракторы «Беларус», ряд других новых отечественных тракторов, а также многие зарубежные колесные тракторы.

ГСВ обеспечивает автоматическое поддержание заданного давления масла в гидроцилиндре, при этом опорные колеса навесной машины не могут быть чрезмерно загружены, так как в этом случае происходит нарушение копирования колесами поверхности поля и ухудшение равномерности глубины хода рабочих органов. Глубина хода рабочих органов меняется за счет перестановки опорных колес по высоте.

ПСР обеспечивает автоматическое регулирование заданной из кабины трактора глубины хода рабочих органов без участия опорных колес по косвенным показателям: при силовом регулировании — по изменению тягового сопротивления R_x, для чего регулятор имеет силовой датчик в центральной или нижних тягах навески; при позиционном регулировании — по изменению положения рамы навесной машины относительно трактора (датчик позиционного регулятора установлен на поворотном валу навески). ПСР может выполнять функции и ГСВ, обеспечивая путем соответствующей настройки из кабины частичную разгрузку опорных колес машины. Недостатки ПСР по отношению к равномерности глубины хода рабочих органов навесной машины и рекомендации по его рациональному использованию указаны в литературе.

Максимально допустимое давление масла в гидроцилиндре ограничивается следующими факторами: чрезмерным колебанием глубины хода рабочих органов из-за плохого копирования опорными колесами навесной машины поверхности поля (при механическом корректировании и использовании ГСВ), ухудшением управляемости трактора из-за чрезмерной разгрузки его передних колес и перегрузки шин задних колес.

При работе с навесным плугом целесообразно применять ПСР, поскольку максимальная касательная сила тяги трактора достигается при использовании плуга без опорного колеса, когда вся сила i?_vtgO догружает ведущие колеса трактора (рис. 5.3). Это наиболее эффективно именно для работы с плугом, потому что из всех орудий он обладает наибольшим тяговым сопротивлением. Однако в этом случае необходимо применять автоматическое устройство, управляющее гидроцилиндром навесной системы и обеспечивающее заданную глубину вспашки.

Для орудий, обрабатывающих почву на небольшой глубине (например, для культивации), погрешность регулирования глубины обработки позиционносиловым регулятором может оказаться соизмеримой с заданной глубиной обработки. Тогда заданное агротехническое качество операции не обеспечивается. Поэтому при мелкой обработке почвы необходимо использовать смешанные способы регулирования глубины хода рабочих органов (например, высотное + силовое).