Лекция 14. ОБЩАЯ ДИНАМИКА ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА 1. ОСОБЕННОСТИ КИНЕМАТИКИ ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ 2. ДИНАМИКА ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ 3. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕРЕКАТЫВАНИЮ И БУКСОВАНИЕ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА 4. ВНЕШНИЕ СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ГУСЕНИЧНЫЙ ТРАКТОР

1. ОСОБЕННОСТИ КИНЕМАТИКИ ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ Гусеничный движитель представляет собой механизм для передвижения посредством двух замкнутых, параллельно вращающихся шарнирных или бесшарнирных лент, называемых гусеницами. Гусеничная лента 1 (рис. 1), замкнутая по контуру, образованному ведущим колесом 4, поддерживающими 5 и опорными 3 катками и направляющим колесом 2, составляет гусеничный обвод. Ветвь обвода длиной l Р, расположенную на участке от ведущего колеса до грунта (против направления движения) и нагруженную касательной силы тяги, называют рабочей, или ведущей, ветвью. Участок обвода длиной l CB между ведущим колесом и грунтом (по направлению движения), не нагруженный касательной силой тяги, называют свободной ветвью, а участок длиной L гyc между крайними опорными катками опорной ветвью. Длина гусеничного обвода

В зависимости от расположения (переднее или заднее) ведущей звездочки длины l р и l СВ ветвей обвода изменяются в широких пределах, а отношение 1 св /1 р составляет 0,08...0,4 при переднем и при заднем расположении ведущей звездочки. Ветвь обвода между направляющим колесом 2 и опорным катком 3 (при заднем расположении ведущей звездочки) или между ведущей звездочкой 4 и опорным катком 3 (при переднем расположении ведущей звездочки) иногда называют лобовой. Рис. 1. Принципиальная схема гусеничного движителя и сил, действующих на отдельные участки гусеничного обвода: а при заднем расположении ведущего колеса; б при переднем расположении ведущего колеса.

Крутящий момент, подводимый к ведущему колесу гусеничной машины, преобразуется в касательную силу тяги, нагружающую рабочую ветвь гусеничного обвода, а затем в толкающую движущую силу. Касательная сила тяги создается на опорном участке гусеничного обвода при взаимодействии с поверхностью грунта. Кинематика зацепления определяется типом гусеницы, ее податливостью в продольном направлении, формой взаимодействующих элементов и соотношением шагов гусеницы и зубьев ведущего колеса. Наиболее типичны два случая зацепления, когда шаг гусеничной цепи равен или больше шага ведущего колеса. Двигаясь без буксования и скольжения, трактор проходит за один оборот ведущих колес путь, равный периметру описанного многоугольника, образуемого звеньями гусениц, укладывающимися по окружности колеса, т. е. (1) где r к теоретический радиус ведущих колес гусеничного движителя, м;. t зв шаг звена гусеничного обвода, м; z к..а. число активно действующих зубьев ведущих колес.

Если каждый зуб последовательно входит в зацепление с очередным звеном обвода, то z к..а = z K (общему числу зубьев ведущих колес). Если же зацепление происходит через зуб, то z к..а = 0,5z K. Из выражения (1) имеем С достаточной точностью радиус r к можно определить экспериментально по уравнению где n к.х среднее число оборотов ведущих колес на длине мерного гона S Х по почве с высокими сцепными качествами (грунтовая дорога) при холостом ходе. Если известна частота вращения п к ведущих колес гусеничного движителя в секунду, то средняя теоретическая поступательная скорость трактора, м/с, (2) Если каждый зуб последовательно входит в зацепление с очередным звеном гусеничного обвода, то z к..а = z K (общему числу зубьев ведущих колес). Если же зацепление происходит через зуб, то z к..а = 0,5z K. Из выражения (1) имеем С достаточной точностью радиус r к можно определить экспериментально по уравнению где n к.х среднее число оборотов ведущих колес на длине мерного гона S Х по почве с высокими сцепными качествами (грунтовая дорога) при холостом ходе. Если известна частота вращения п к ведущих колес гусеничного движителя в секунду, то средняя теоретическая поступательная скорость трактора, м/с, (2)

Если гусеничный обвод представляет собой цепь, состоящую» из отдельных жестких звеньев, то действительная поступательная скорость трактора переменна. Даже при равномерном вращении ведущих колес она изменяется в некоторых пределах с определенной периодической повторяемостью при каждом переходе заднего опорного катка на следующее звено гусеницы. Период, в течение которого происходит полный цикл изменения скорости, соответствует повороту ведущего колеса гусеницы на угол Интенсивность периодических колебаний скорости трактора возрастает с переходом на более высокую передачу, при увеличении шага звеньев, а также от других параметров движителя. Силы инерции и удары, возникающие вследствие колебаний скорости, дополнительно нагружают детали гусеничного движителя и остов. В дальнейшем под поступательной скоростью движения гусеничного трактора будем понимать осредненную скорость без учета неравномерности хода. Определять ее будем по формуле (2).

2. ДИНАМИКА ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ В статическом состоянии, т. е. когда трактор стоит и к ведущей звездочке не подводится крутящий момент от двигателя, в обводе действует только сила предварительного (статического) натяжения Т с гусениц, создаваемая для компенсации минимальных потерь на трение, устойчивой работы гусеничного обвода без значительных колебаний его ветвей и исключения нарушения зацепления. Если рассматривать верхнюю ветвь как абсолютно гибкую свободную нить, то под действием собственного веса она будет провисать по цепной линии. В этом случае сила статического натяжения, Н, где q вес единицы длины гусеницы, Н/м; а длина пролета провисающей ветви, м; а длина пролета провисающей ветви, м; h стрела провисания, м. h стрела провисания, м.

Поскольку предварительное натяжение одинаково во всех ветвях, то для любого участка выражение для определения Т с справедливо и отношение a/h одинаково. Таким образом, при большей длине пролета ветви определенному значению натяжения будет соответствовать большее провисание ветви. Следовательно, для меньшего провисания длинной ветви обвода необходимо создать большее предварительное натяжение. Чтобы уменьшить силы натяжения, требуемые для получения заданной стрелы h провисания, под верхнюю ветвь обвода гусеницы устанавливают поддерживающие катки 5 (см. рис. 1). Значение заданной стрелы провисания определяют экспериментально и указывают в заводской инструкции по эксплуатации трактора. Рассмотрим, как изменяется натяжение в ветвях обвода, когда к колесу 4 подводится ведущий момент M вед. При равном распределении крутящего момента М к двигателя по бортам трактора крутящий момент на одном ведущем колесе Поскольку предварительное натяжение одинаково во всех ветвях, то для любого участка выражение для определения Т с справедливо и отношение a/h одинаково. Таким образом, при большей длине пролета ветви определенному значению натяжения будет соответствовать большее провисание ветви. Следовательно, для меньшего провисания длинной ветви обвода необходимо создать большее предварительное натяжение. Чтобы уменьшить силы натяжения, требуемые для получения заданной стрелы h провисания, под верхнюю ветвь обвода гусеницы устанавливают поддерживающие катки 5 (см. рис. 1). Значение заданной стрелы провисания определяют экспериментально и указывают в заводской инструкции по эксплуатации трактора. Рассмотрим, как изменяется натяжение в ветвях обвода, когда к колесу 4 подводится ведущий момент M вед. При равном распределении крутящего момента М к двигателя по бортам трактора крутящий момент на одном ведущем колесе где i тр общее передаточное число трансмиссии от двигателя до ведущих колес;

η тр КПД трансмиссии трактора. В дуговых и провисающих ветвях при движении возникают также инерционные силы. С учетом этого сила натяжения, Н, в провисающей ветви где v o скорость перематывания гусеницы по обводу, м/с. В первом слагаемом этого выражения учтено статическое (предварительное) натяжение гусеницы, а во втором инерционные силы. Большую часть значения сил натяжения в гусеничном обводе сельскохозяйственных и промышленных тракторов составляет предварительное натяжение, а быстроходных гусеничных машин инерционные силы. Значение натяжения Т 1 лобовой ветви гусеницы должно быть таким, чтобы направляющее колесо могло вращаться вокруг оси О 1. При равномерном движении это условие выражается уравнением суммы моментов относительно оси О 1. где М п момент сопротивления вращению направляющего колеса; кп - радиус направляющего колеса.

(3) Ведущая (рабочая) ветвь гусеницы по всей длине натянута силой Т 2, приложенной к дуговой ветви цепи, соприкасающейся» с ведущим колесом. Это колесо под действием приложенных, к нему сил Т 2 и Т о соответственно со стороны рабочей и свободной ветвей, а также ведущего момента М вед находится в равновесии. Из уравнения моментов относительно оси О 2 ведущего колеса находим (4) где η д.в – механический КПД, учитывающий потери на дуговые ветви цепи. Отсюда (3) Ведущая (рабочая) ветвь гусеницы по всей длине натянута силой Т 2, приложенной к дуговой ветви цепи, соприкасающейся» с ведущим колесом. Это колесо под действием приложенных, к нему сил Т 2 и Т о соответственно со стороны рабочей и свободной ветвей, а также ведущего момента М вед находится в равновесии. Из уравнения моментов относительно оси О 2 ведущего колеса находим (4) где η д.в – механический КПД, учитывающий потери на дуговые ветви цепи.

Поскольку при установившемся движении М вед /r r равно окружной силе Р о на ведущем колесе, то из выражения (4) При изменении Р о значение силы натяжения свободных ветвей колеблется вследствие ослабления этих ветвей под действием тягового усилия. О характере изменения натяжения в ветвях гусеничного обвода можно судить из рисунка 2, а. Натяжение гусеницы в различных точках обвода при движении носит неравномерный характер и изменяется от нуля до некоторого» максимума даже при передаче постоянного по значению ведущего момента. Общая нагруженность обвода зависит не только от силы Ро, но и от соотношения длин свободной и рабочей ветвей. Зависимость сил Т о и Т 2 для гусеничной машины массой 16 т от силы Ро показана на рисунке 2,6 (по данным В. Ф. Платонова). Из графика видно, что при переднем расположении ведущих колес натяжение Т о в свободной ветви на эксплуатационном режиме (Р о = кН) уменьшается по сравнению с первоначальным статическим натяжением (Тс = 20 кН) в раз. При заднем расположении ведущих колес натяжение Т о в свободной ветви уменьшается менее интенсивно в 1,1...1,2 раза на том же режиме.

Рис. 2. Характер изменения растягивающих сил в гусеничном обводе при движении: а трактора класса 10 при переднем положении ведущей звездочки и постоянном ведущем моменте; б гусеничной машины массой 16 T при изменении окружной силы на ведущем колесе, I и IIсоответственно при переднем и заднем рас положении ведущего колеса.

Изменение натяжения Т 1 и угла наклона а (рис. 43, а) приводит к изменению нагрузки под передним или задним катком. Если каток нагрузить вертикальной силой Q K, то действительная нагрузка Т Д будет меньше на величину Т 1 sinα, т. е. Чем больше натяжение Т 1 наклонной ветви обвода и угол а наклона ветви, тем меньше действительная нагрузка Т д на каток. Для автоматического изменения статического натяжения гусениц в зависимости от условий работы применяют специальный натяжной механизм. Натяжение опорной ветви зависит от распределения нормальных и касательных реакций почвы. Для равномерного движения гусеничного трактора равнодействующая касательных реакций почвы (касательная сила тяги) где M r момент сопротивления, приведенный к ведущим колесам. Он обусловлен внутренними сопротивлениями в движителе, на преодоление которых затрачивается часть ведущего момента или мощности двигателя.

Затраты мощности в гусеничном движителе на преодоление внутренних сопротивлений где N ш потери мощности в шарнирах гусеницы; ΣNк суммарные потери на трение в опорных и поддерживающих катках, а также в подшипниках ведущего и направляющего колес; ΣNуд суммарные потери мощности, возникающие в результате ударов между звеньями гусениц и деталями, оформляющими контур обвода; N 3 потери мощности в зацеплении. Основная доля всех затрат мощности в движителе приходится на преодоление трения в шарнирах гусеницы и между элементами зацепления при входе трака в зацепление, перемещении по дуге охвата и выходе из зацепления. Остальные составляющие затрат мощности незначительны. Мощность, затрачиваемая на преодоление трения в шарнире, можно определить через работу трения А i. В гусеницах с открытым шарниром работа трения

где μ Ш коэффициент трения шарнира (металла по металлу и т. п.); r ш радиус проушины, Т,суммарное текущее растягивающее усилие в соответствующей точке перегиба обвода; dα зв угол поворота одного трака относительно другого в данной точке перегиба обвода. Работа трения за весь цикл перемещения шарнира по обводу Суммировав работу трения во всех z шарнирах и разделив ее на время dt, в течение которого происходит одно перематывание обвода, получим следующее выражение для определения затрат мощности в шарнирах гусениц Из этого выражения видно, что увеличение предварительного статического натяжения приводит к росту затрат мощности на преодоление трения, наиболее значительных на повышенных, скоростях движения, так как увеличиваются углы dα3B.

Рис 3 Схема сил, действующих на опорный каток лобового участка гусеницы: а при изменении угла наклона и натяжения ветви обвода; б при установившемся движении на горизонтальной дороге.

Затраты мощности в шарнирах возрастают также с увеличением радиуса шарнира и тяговой нагрузки.

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕРЕКАТЫВАНИЮ И БУКСОВАНИЕ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА Сопротивление перекатыванию гусеничного трактора учитывает потери на трение в элементах движителя (внутренние потери) и на деформацию грунта под действием нагрузок, передаваемых опорной поверхностью гусениц (внешние потери). К внутренним относятся указанные ранее потери на трение в подшипниках опорных и поддерживающих катков и направляющих колес, на перекатывание опорных катков по беговым дорожкам гусениц, на трение в шарнирах звеньев гусениц и на биение гусениц. Эти потери учитываются коэффициентом fм и компенсируются подводимым к гусенице ведущим крутящим моментом. Внешние потери обусловлены местной деформацией грунта при угловых поворотах звеньев опорной ветви и вертикальным прессованием почвы, т. е. образованием колеи под действием нагрузок, передаваемых на гусеницы опорными катками. Они учитываются коэффициентом fп и компенсируются касательной силой тяги. Таким образом, коэффициент сопротивления качению гусеничного трактора f = fM + fn.

При установившемся движении гусеничного трактора на значение внешних потерь существенно влияет реакция R n (см. рис. 43,6), возникающая под первым опорным катком при вертикальном прессовании почвы лобовым участком гусеничного обвода (в основном ее горизонтальная составляющая Р fп сопротивления перекатыванию). Основными факторами, значительно влияющими на силу P f сопротивления перекатыванию гусеничного трактора, являются глубина погружения гусеницы в грунт и углы поворотов звеньев. Однако практически значение силы P f определяют по формуле, в которой явно не учтено влияние конструктивных и эксплуатационных факторов: где Q нормальная нагрузка,действующая на гусеницы трактора. Коэффициент сопротивления качению f = Pf/Q. Значения этого коэффициента для гусеничных тракторов в различных дорожно-полевых условиях приведены в приложении (табл. 1). Увеличение его на более рыхлых грунтах вызвано ростом коэффициентов f м и f п Увеличение f м обусловлено попаданием большого количества абразивных частиц в шарниры гусениц, на беговые дорожки звеньев, а также на направляющие и ведущие колеса. При установившемся движении гусеничного трактора на значение внешних потерь существенно влияет реакция R n (см. рис. 43,6), возникающая под первым опорным катком при вертикальном прессовании почвы лобовым участком гусеничного обвода (в основном ее горизонтальная составляющая Р fп сопротивления перекатыванию). Основными факторами, значительно влияющими на силу P f сопротивления перекатыванию гусеничного трактора, являются глубина погружения гусеницы в грунт и углы поворотов звеньев. Однако практически значение силы P f определяют по формуле, в которой явно не учтено влияние конструктивных и эксплуатационных факторов: где Q нормальная нагрузка,действующая на гусеницы трактора. Коэффициент сопротивления качению f = Pf/Q. Значения этого коэффициента для гусеничных тракторов в различных дорожно-полевых условиях приведены в приложении (табл. 1). Увеличение его на более рыхлых грунтах вызвано ростом коэффициентов f м и f п Увеличение f м обусловлено попаданием большого количества абразивных частиц в шарниры гусениц, на беговые дорожки звеньев, а также на направляющие и ведущие колеса.

Исследованиями установлено, что в общем случае коэффициент f п должен состоять из четырех компонентов Первый компонент f n1 учитывает потери на образование колеи глубиной h 0, второй f n2 (впервые предложен Ф. А. Опейко) потери на повторную деформацию грунта в проемах между опорными катками, третий f пз потери на смятие грунта вследствие угловых поворотов звеньев на угол α зв и буксования δ гусениц. Четвертый компонент вызван скольжением звеньев при их угловых поворотах. Значение этого вида потерь в зависимости от силы натяжения гусениц и угла α зв поворота звеньев составляет % общих потерь. Тогда где kaкоэффициент, учитывающий часть потерь на смятие грунта, связанных с угловыми поворотами звеньев (ka =1 при ленточной гусенице и отношении шага катков к шагу звеньев гусениц lк/tзв=1,5, ka = 1,25...1,3 при lк/tзв =3,36); λi, Исследованиями установлено, что в общем случае коэффициент f п должен состоять из четырех компонентов Первый компонент f n1 учитывает потери на образование колеи глубиной h 0, второй f n2 (впервые предложен Ф. А. Опейко) потери на повторную деформацию грунта в проемах между опорными катками, третий f пз потери на смятие грунта вследствие угловых поворотов звеньев на угол α зв и буксования δ гусениц. Четвертый компонент вызван скольжением звеньев при их угловых поворотах. Значение этого вида потерь в зависимости от силы натяжения гусениц и угла α зв поворота звеньев составляет % общих потерь. Тогда где kaкоэффициент, учитывающий часть потерь на смятие грунта, связанных с угловыми поворотами звеньев (ka =1 при ленточной гусенице и отношении шага катков к шагу звеньев гусениц lк/tзв=1,5, ka = 1,25...1,3 при lк/tзв =3,36); λi,

p i глубина осадки грунта и среднее давление в t-м пролете между опорными катками; р ср среднее давление под опорной поверхностью гусениц Таким образом, основным источником сопротивления перекатыванию гусеничных тракторов являются гистерезисные деформативные потери от проскальзывания гусениц по грунту. Коэффициент полезного действия гусеничного движителя где ηf и ηδ КПД, учитывающие потери соответственно на качение трактора и буксование гусениц. Если потери на качение трактора разделить на составляющие их компоненты и отдельно характеризовать потери на трение в гусеничном движителе коэффициентом η r, а потери на вертикальное прессование почвы коэффициентом η п, то предыдущее уравнение можно выразить в следующей форме (5) p i глубина осадки грунта и среднее давление в t-м пролете между опорными катками; р ср среднее давление под опорной поверхностью гусениц Таким образом, основным источником сопротивления перекатыванию гусеничных тракторов являются гистерезисные деформативные потери от проскальзывания гусениц по грунту. Коэффициент полезного действия гусеничного движителя где ηf и ηδ КПД, учитывающие потери соответственно на качение трактора и буксование гусениц. Если потери на качение трактора разделить на составляющие их компоненты и отдельно характеризовать потери на трение в гусеничном движителе коэффициентом η r, а потери на вертикальное прессование почвы коэффициентом η п, то предыдущее уравнение можно выразить в следующей форме (5)

На минеральных почвах нормальной влажности до % всех потерь составляют внутренние потери в гусеничном движителе, поэтому особенно важно создать необходимое натяжение гусениц и соблюдать правила технического обслуживания. Потери на вертикальную деформацию почвы составляют % всех потерь. Потери на буксование гусениц относительно невелики вследствие высоких сцепных качеств гусеничных движителей: на основных рабочих режимах трактора они составляют 2…4%. Показатели буксования относительно стабильны, так как гусеничные движители менее чувствительны к изменению почвенных условий, чем колесные. На почвах с малой несущей способностью, например на неосушенных и полуосушенных торфяниках, потери на вертикальную деформацию почвы (колееобразование) и на буксование значительны и составляют основную часть потерь в общем балансе. Потери на колееобразование тем выше, чем больше удельное давление гусеницы на почву. Высокие сцепные качества гусеничного движителя достигаются трением опорных поверхностей гусениц о почву и продольными реакциями почвы, возникающими в результате прессования ее зацепами опорных звеньев гусениц в направлении, противоположном движению трактора. На минеральных почвах нормальной влажности до % всех потерь составляют внутренние потери в гусеничном движителе, поэтому особенно важно создать необходимое натяжение гусениц и соблюдать правила технического обслуживания. Потери на вертикальную деформацию почвы составляют % всех потерь. Потери на буксование гусениц относительно невелики вследствие высоких сцепных качеств гусеничных движителей: на основных рабочих режимах трактора они составляют 2…4%. Показатели буксования относительно стабильны, так как гусеничные движители менее чувствительны к изменению почвенных условий, чем колесные. На почвах с малой несущей способностью, например на неосушенных и полуосушенных торфяниках, потери на вертикальную деформацию почвы (колееобразование) и на буксование значительны и составляют основную часть потерь в общем балансе. Потери на колееобразование тем выше, чем больше удельное давление гусеницы на почву. Высокие сцепные качества гусеничного движителя достигаются трением опорных поверхностей гусениц о почву и продольными реакциями почвы, возникающими в результате прессования ее зацепами опорных звеньев гусениц в направлении, противоположном движению трактора.

Прессование почвы в указанном направлении приводит к снижению поступательной скорости трактора, т. е. к его буксованию. Следовательно, буксование δ гусеничного движителя можно определить как отношение скорости буксования v δ к теоретически возможной скорости v T движения. Однако в результате прессования почвы почвозацепами при перемещении-гусеничной ленты вперед на одно звено трактор проходит расстояние на Δ меньше, чем шаг t зв звена гусеницы. С учетом периода Т взаимодействия гусеницы с грунтом, представляющего собой отношение длины L гус опорной поверхности гусеницы к скорости v T движения, буксование гусеничного движителя можно определить по следующей формуле: (6) где ΔL гус сдвиг почвы z зацепами опорной поверхности гусеницы. Таким образом, буксование гусеничного движителя равно отношению сдвига почвы одним зацепом гусеницы к шагу звена или отношению суммарного сдвига почвы всеми z зацепами опорной поверхности к длине последней, или отношению скорости буксования к теоретической скорости движения трактора. Прессование почвы в указанном направлении приводит к снижению поступательной скорости трактора, т. е. к его буксованию. Следовательно, буксование δ гусеничного движителя можно определить как отношение скорости буксования v δ к теоретически возможной скорости v T движения. Однако в результате прессования почвы почвозацепами при перемещении-гусеничной ленты вперед на одно звено трактор проходит расстояние на Δ меньше, чем шаг t зв звена гусеницы. С учетом периода Т взаимодействия гусеницы с грунтом, представляющего собой отношение длины L гус опорной поверхности гусеницы к скорости v T движения, буксование гусеничного движителя можно определить по следующей формуле: (6) где ΔL гус сдвиг почвы z зацепами опорной поверхности гусеницы. Таким образом, буксование гусеничного движителя равно отношению сдвига почвы одним зацепом гусеницы к шагу звена или отношению суммарного сдвига почвы всеми z зацепами опорной поверхности к длине последней, или отношению скорости буксования к теоретической скорости движения трактора.

В процессе опытов буксование определяют по формуле: δ=1r/r к где r и r к действительный и теоретический радиусы качения. Их можно замерять по методу, установленному ГОСТ Для гусеничных тракторов коэффициент использования сцепного веса В соответствии с этим буксование гусениц характеризуется зависимостью В процессе установившейся работы на горизонтальном участке касательная сила тяги. Таким образом, Поскольку вес G, передаваемый гусеницами, приблизительно постоянен независимо от тяговой нагрузки трактора, то буксование гусениц можно достаточно точно выразить в применяемой при испытаниях и расчетах форме: В процессе опытов буксование определяют по формуле: δ=1r/r к где r и r к действительный и теоретический радиусы качения. Их можно замерять по методу, установленному ГОСТ Для гусеничных тракторов коэффициент использования сцепного веса В соответствии с этим буксование гусениц характеризуется зависимостью В процессе установившейся работы на горизонтальном участке касательная сила тяги. Таким образом, Поскольку вес G, передаваемый гусеницами, приблизительно постоянен независимо от тяговой нагрузки трактора, то буксование гусениц можно достаточно точно выразить в применяемой при испытаниях и расчетах форме:

Анализируя выражение (6), нетрудно установить, почему при одинаковой силе тяги Р кр на крюке и в идентичных условиях гусеничный трактор имеет значительно меньшее буксование, чем колесный. В этом случае сдвиг почвы ΔL гус практически будет одинаков, однако длина L гус опорной поверхности гусеничного трактора значительно больше, чем колесного, отсюда и меньшее буксование его. Тяговая нагрузка трактора влияет на распределение давлений по длине опорных поверхностей гусениц и на буксование, что отражается на значении сопротивления качению трактора. Поэтому сопротивление качению гусеничных тракторов следует определять при работе их с различной тяговой нагрузкой. Анализируя выражение (6), нетрудно установить, почему при одинаковой силе тяги Р кр на крюке и в идентичных условиях гусеничный трактор имеет значительно меньшее буксование, чем колесный. В этом случае сдвиг почвы ΔL гус практически будет одинаков, однако длина L гус опорной поверхности гусеничного трактора значительно больше, чем колесного, отсюда и меньшее буксование его. Тяговая нагрузка трактора влияет на распределение давлений по длине опорных поверхностей гусениц и на буксование, что отражается на значении сопротивления качению трактора. Поэтому сопротивление качению гусеничных тракторов следует определять при работе их с различной тяговой нагрузкой.

4. ВНЕШНИЕ СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ГУСЕНИЧНЫЙ ТРАКТОР Рассмотрим общий случай прямолинейного движения, когда гусеничный трактор с прицепом движется ускоренно на подъем с углом, а наклона поверхности к горизонтали. При этом в продольно- вертикальной плоскости на трактор действуют следующие внешние силы и реакции (рис. 4): Рис. 4. Схема сил и реакций, действующих в продольной плоскости на гусеничный трактор в общем случае движения на подъем.

- вес трактора G; его составляющие Gsinа и Gcosa соответственно параллельны и перпендикулярны поверхности пути; - сила инерции Р,- поступательно движущихся масс трактора; - тяговое сопротивление на крюке Р кр, приведенное в условную точку прицепа, его составляющие и P кp sinγ кр ; соответственно параллельны и перпендикулярны поверхности пути; - реакции почвы, параллельные поверхности пути: касательная сила тяги Р к и составляющая P fп сопротивления перекатыванию; - реакция Y, нормальная к поверхности, это результирующая всех нормальных реакций почвы, действующих на отдельные звенья гусениц. Сопротивлением воздуха, моментами касательных сил инерции вращающихся деталей трансмиссии и двигателя, посаженных на поперечные валы, а также движущихся звеньев гусеничных цепей пренебрегаем. Для упрощения рисунка в качестве опорной поверхности гусениц принята плоскость, в которой действует касательная сила тяги Р к. Уравнение тягового баланса в общем случае движения гусеничного трактора по аналогии с уравнением для колесных машин может быть записана в виде Назовем точку приложения результирующей нормальной реакции почвы Y центром D давления трактора. В общем случае центр давления не совпадает с серединой опорной длины гусениц. Продольное расстояние Х D от указанной середины до центра давления назовем смещением центра давления. - вес трактора G; его составляющие Gsinа и Gcosa соответственно параллельны и перпендикулярны поверхности пути; - сила инерции Р,- поступательно движущихся масс трактора; - тяговое сопротивление на крюке Р кр, приведенное в условную точку прицепа, его составляющие и P кp sinγ кр ; соответственно параллельны и перпендикулярны поверхности пути; - реакции почвы, параллельные поверхности пути: касательная сила тяги Р к и составляющая P fп сопротивления перекатыванию; - реакция Y, нормальная к поверхности, это результирующая всех нормальных реакций почвы, действующих на отдельные звенья гусениц. Сопротивлением воздуха, моментами касательных сил инерции вращающихся деталей трансмиссии и двигателя, посаженных на поперечные валы, а также движущихся звеньев гусеничных цепей пренебрегаем. Для упрощения рисунка в качестве опорной поверхности гусениц принята плоскость, в которой действует касательная сила тяги Р к. Уравнение тягового баланса в общем случае движения гусеничного трактора по аналогии с уравнением для колесных машин может быть записана в виде Назовем точку приложения результирующей нормальной реакции почвы Y центром D давления трактора. В общем случае центр давления не совпадает с серединой опорной длины гусениц. Продольное расстояние Х D от указанной середины до центра давления назовем смещением центра давления.

Чтобы установить смещение Х D, запишем уравнение моментов внешних сил и реакций, действующих на трактор, относительно центра D давления где а продольная координата центра тяжести трактора относительно геометрической оси ведущих колес гусениц; а 0 продольная координата центра тяжести трактора относительно середины опорной длины гусениц, а о >0, если центр тяжести смещен вперед, и а о 0, если центр тяжести смещен вперед, и а о <0, если он смещен назад; h ц.т и h кр соответственно вертикальные координаты центра тяжести трактора и условной точки прицепа; h a плечо составляющей P fn сопротивления качению. Произведение P fп h n в дальнейшем примем равным моменту M f сопротивления качению гусеничного трактора (из-за смятия почвы). Из приведенного уравнения находим смещение центра давления трактора относительно середины опорной поверхности гусениц При равномерном движении трактора на горизонтальном участке

(7) Если γ кр = 0, to гусеницы трактора не догружаются нормальной составляющей силы на крюке, и силовое воздействие выражается лишь в смещении центра давления (8) Эта зависимость применительно к трактору класса 6 показана на рисунке 4 (линия 1). С ростом Р кр величина x D изменяется весьма значительно. Как следует из формулы (7), изменяя продольную координату а 0 положения центра тяжести трактора, можно добиться неизменного положения центра давления (x D = idem), например x D = 0 при любом значении нагрузки на крюке. Для этого координата а 0 должна изменяться по следующей зависимости: (9) при γ кр = 0

Последняя зависимость показана на рисунке 4 (линия 3). Из рисунка видно, что при любой нагрузке на крюке в пределах 0Р кр Р н = 60 кН центр тяжести гусеничного трактора, работающего с прицепным орудием, должен быть смещен вперед относительно середины опорной поверхности гусениц. Так, при Р кр = 0 При Р кр = Р н где Р н номинальная сила тяги на крюке трактора. Для достижения условия x D = 0, или в общем случае x D = idem, при изменении нагрузки на крюке необходимо перемещать (регулировать) центр тяжести трактора, сохраняя неизменным оптимальное положение центра давления. Однако непрерывно перемещать центр тяжести трактора при изменении нагрузки на крюке не всегда целесообразно. Например, если для выполнения условия x D = idem требуемое переме щение центра тяжести невелико, то целесообразно и конструктивно проще найти такое его положение, при котором смещение x D центра давления в зависимости от нагрузки на крюке будет незначительно.

Рис. 5. Зависимости смещений центров давления и тяжести трактора класса 6 от нагрузки на его крюке: 1 смещение XD при a 0 =const; 2 изменение XD при а 0 опт =140 мм, 3 изменение а 0 при укр =0. Рис. 5. Зависимости смещений центров давления и тяжести трактора класса 6 от нагрузки на его крюке: 1 смещение XD при a 0 =const; 2 изменение XD при а 0 опт =140 мм, 3 изменение а 0 при укр =0.

Рассмотрим это на примере и определим оптимальную координату а 0. опт положения центра тяжести трактора при работе с прицепными машинами (орудиями). Для трактора класса б значения а 0 при изменении нагрузки на крюке в пределах 0Р кр Р н = 60 кН будут равны мм при Р кр = 0 и 185 мм при Р кр = Р н = 60 кН. Однако область рабочих значений нагрузок на крюке этого трактора находится в диапазоне Р н Р кр Р н, где Р н = 30 кН номинальная сила тяги гусеничного трактора класса 3. Следовательно, а 0 необходимо регулировать» в пределах от 95 мм при Р кр = 30 кН до 185 мм при Р кр = 60 кН. В рассматриваемом случае центр тяжести трактора целесообразно расположить на расстоянии а о.опт = 140 мм и не изменять его положения в зависимости от нагрузки на крюке. Тогда наибольшее смещение центра давления в зависимости от Р кр = кН составит 45 мм (не более), а коэффициент смещения центра давления v=x D / L гус 0,016=v Dmin настолько мал, что показатели трактора практически будут такие же, как и при v D = 0, x d 0. Зависимость смещения X d от Р кр при а о.опт = 140 мм показана на рисунке 5 (линия 2). Рассмотрим это на примере и определим оптимальную координату а 0. опт положения центра тяжести трактора при работе с прицепными машинами (орудиями). Для трактора класса б значения а 0 при изменении нагрузки на крюке в пределах 0Р кр Р н = 60 кН будут равны мм при Р кр = 0 и 185 мм при Р кр = Р н = 60 кН. Однако область рабочих значений нагрузок на крюке этого трактора находится в диапазоне Р н Р кр Р н, где Р н = 30 кН номинальная сила тяги гусеничного трактора класса 3. Следовательно, а 0 необходимо регулировать» в пределах от 95 мм при Р кр = 30 кН до 185 мм при Р кр = 60 кН. В рассматриваемом случае центр тяжести трактора целесообразно расположить на расстоянии а о.опт = 140 мм и не изменять его положения в зависимости от нагрузки на крюке. Тогда наибольшее смещение центра давления в зависимости от Р кр = кН составит 45 мм (не более), а коэффициент смещения центра давления v=x D / L гус 0,016=v Dmin настолько мал, что показатели трактора практически будут такие же, как и при v D = 0, x d 0. Зависимость смещения X d от Р кр при а о.опт = 140 мм показана на рисунке 5 (линия 2).

Из приведенного примера и графика следует, что для машин конкретных видов вместо непрерывного перемещения центра тяжести целесообразно определить и установить его оптимальное положение. При работе с прицепными орудиями такое оптимальное положение центра тяжести относительно середины опорной поверхности гусениц следует находить по выражению где Силовое воздействие навесных машин на трактор более сложное и разнообразное, чем прицепных. В зависимости от силового воздействия на трактор различают агрегаты с задней (рис. 6, а, б, в, г, д, см. форзац), передней (рис. 5, е, ж, з, и) и боковой (рис. 6, к, л, м, н) навесками. По схеме с задней навеской, например, работают фрезерные каналокопатели, дрено-укладчики бестраншейные, траншеекопатели, крото- и щеледренажные машины, а также навесные плуги, бороны и другие сельскохозяйственные машины, агрегатируемые с тракторами. Смещение центра давления названных тракторных агрегатов с задней навеской (рис. 6, а) определяют по формуле (10)

где G H вес навесного рабочего оборудования; Т у нормальная составляющая реакции грунта на рабочий орган; M f момент сопротивления качению гусениц трактора; Т х горизонтальная составляющая реакции грунта на рабочий орган навесного орудия. В статическом состоянии тракторного агрегата, но при рабочем положении навесного орудия (в начале работы Т у = 0, Т х = 0) при транспортном положении рабочих органов где а н. т продольная координата центра тяжести навесного оборудования при его транспортном положении на тракторе. Смещение центра давления тракторных агрегатов с передней навеской (рис. 7, б) определим по выражению (11) Агрегаты с боковой навеской орудия оказывают различное силовое воздействие на правую и левую гусеницы и вызывают дополнительное смещение центра давления в поперечном направлении. В этом случае одна из гусениц нагружена больше, а другая меньше.

Рис. 6. Конструктивные схемы шлейфа навесных машин и орудий к гусеничным тракторам: а-кустарникого-болотный плуг; б – фрезерный каналокопатель; в – дреноукладчик; г – траншеекопатель; д – щеледренажная машина; е – корчеватель; ж – бульдозер; з – погрузчик одноковшовый; и – кусторез; к – каналоочиститель; л – кусторез активного типа (косилка); м – планировщик откосов; н – бур столбостав. Рис. 6. Конструктивные схемы шлейфа навесных машин и орудий к гусеничным тракторам: а-кустарникого-болотный плуг; б – фрезерный каналокопатель; в – дреноукладчик; г – траншеекопатель; д – щеледренажная машина; е – корчеватель; ж – бульдозер; з – погрузчик одноковшовый; и – кусторез; к – каналоочиститель; л – кусторез активного типа (косилка); м – планировщик откосов; н – бур столбостав.

Рис. 7. Типовые схемы силового воздействия на трактор навесных орудий а задняя навеска; б передняя навеска. Рис. 7. Типовые схемы силового воздействия на трактор навесных орудий а задняя навеска; б передняя навеска.

Из формул (10) и (11) следует, что смещение x Dн центра давления навесного тракторного агрегата может изменяться в значительных пределах в зависимости от силового воздействия орудий. В качестве примера на рисунке 7 показаны зависимости смещения центра давления от Т х и Т у применительно к трактору класса 6 при его агрегатировании с фрезерным ка-налокопателем (линия 1), кротодренажной машиной (линия 2) и с корчевателем (линия 3). На основе опытных данных было принято, что у каналокопателя Т х Т у, у кротодренажной машины ТуО и у корчевателя h r = 0 (см. рис. 7). Из рисунrа 7, а видно, что в зависимости от силового воздействия навесного орудия центр давления может смещаться относительно середины опорной поверхности гусениц трактора назад (x DH >0) до 600 мм и вперед (x DH 0) до 600 мм и вперед (x DH <0) до 400 мм, т. е. в общей сложности до 1000 мм при длине опорной поверхности гусениц Z, ryc = 2780 мм.

Рис. 8. Зависимости смещений центров давления и тяжести трактора класса 6 от типа навесного орудия и его силового воздействия: a a0=const; б xDH=0. Рис. 8. Зависимости смещений центров давления и тяжести трактора класса 6 от типа навесного орудия и его силового воздействия: a a0=const; б xDH=0.

Из формул (7) и (8) следует также, что для обеспечения неизменного положения центра давления агрегата, например Xdh = 0, при работе трактора с навесным орудием любого типа необходимо, чтобы центр тяжести его перемещался в соответствии с выражением (12) В этом выражении знак плюс соответствует работе трактора с задней навеской орудий, а знак минус с передней навеской, при которой центр тяжести трактора должен быть смещен назад относительно середины опорной поверхности гусениц. На рисунке 7,б изображены построенные по формуле (12) зависимости 1,2,3 для агрегатов соответственно с каналокопателем, с кротодренажной машиной и корчевателем. На кривые нанесены оптимальные значения а 0. опт продольной координаты центра тяжести трактора класса 6, соответствующие минимально возможному значению коэффициента VDmin=хDН/ Lгус - При работе с фрезерными каналокопателем а'о.опт = 450 мм, с кротодренажной машиной а'о.опт = 85 мм и с корчевателем- а'о.опт = 275 мм.

Таким образом, для обеспечения проходимости и улучшения тягово-сцепных свойств прицепных и навесных агрегатов необходимо трактор оборудовать устройством для перемещения его» центра тяжести в оптимальное положение. Координаты этого положения определяют по формулам (9) и (12) при номинальной производительности агрегата или при среднем значении тягового сопротивления (Т х или Р кр ). Представляет интерес схема (рис. 12, а) автоматического перемещения центра тяжести трактора в оптимальное положение в соответствии с изменением силового воздействия рабочих орудий. Эта схема предложена В. А. Скотниковым, В. А. Москаленко, В. Г. Калошей, А. А. Мащенским, В. Н. Кадачем и Д. Д. Петровичем. Опорные катки гусеничного движителя соединены попарно вбалансирные каретки 2 (насхеме их пять), которые связаны с рамой 1 трактора рычажно- торсионной подвеской. На рычагах подвески установлены реохордные датчики 3, соединенные последовательно в две группы: датчики трех передних кареток и двух задних. Эти группы датчиков образуют два смежных плеча электроизмерительного моста, остальные два плеча которого образованы резисторами R 1 и R 2.

Мост находится в сбалансированном состоянии, когда равнодействующие нормальных нагрузок, передаваемых отдельными группами катков, пропорциональны опорным площадям соответствующих участков гусениц. Мост находится в сбалансированном состоянии, когда равнодействующие нормальных нагрузок, передаваемых отдельными группами катков, пропорциональны опорным площадям соответствующих участков гусениц. При нарушении этого соотношения происходит дисбаланс моста, и в его измерительной диагонали появляется ток, который через чувствительные реле Р1 и Р2 воздействует на гидравлический распределительный золотник 4. В результате исполнительный механизм 5 перемещает в ту или иную сторону передвижную раму 7, на которой установлена кабина 6 с двигателем и органами управления. В данном случае передвижная рама с кабиной и двигателем является блоком- противовесом, автоматически перемещающимся в нужное положение до восстановления прежнего оптимального распределения нагрузок на опорные катки. При нарушении этого соотношения происходит дисбаланс моста, и в его измерительной диагонали появляется ток, который через чувствительные реле Р1 и Р2 воздействует на гидравлический распределительный золотник 4. В результате исполнительный механизм 5 перемещает в ту или иную сторону передвижную раму 7, на которой установлена кабина 6 с двигателем и органами управления. В данном случае передвижная рама с кабиной и двигателем является блоком- противовесом, автоматически перемещающимся в нужное положение до восстановления прежнего оптимального распределения нагрузок на опорные катки.

Конструктивно более простой является схема трактора с установкой специального блока-противовеса (рис. 9.б). В данном случае на отдельной раме) монтируют двигатель, коробку передач, кабину и другие сборочные единицы трактора, составляющие блок-противовес 2. Последний устанавливают в любом положении в пределах расстояния l на раме 3 ходовой части и крепят к ней неподвижно. Положение блока-проти вовеса определяется видом орудия. При этом мощность от двигателя, установленного на блоке-противовесе, передается к конечным передачам 4 ходовой части либо посредством гидро- или электромоторов, либо с помощью телескопических карданных передач 5. Блок-противовес передвигается не автоматически, а эпизодически при перенавеске на трактор того или иного рабочего орудия. По указанной схеме выполнен трактор ТМЛ-4 (ТМЛ-110) Алтайского тракторного завода. Уравновешивание машинно-тракторного агрегата при различных размещении рабочего органа (боковое, спереди, сзади) и силовом воздействии в процессе работы достигнуто в конструкции гусеничного трактора с комбинированным блоком-противовесом (рис. 9, в). В эту конструкцию, предложенную В. А. Скотниковым, А. А. Мащенским, В.

Рис. 9. Схемы гусеничных тракторов с блок-противовесом: а автоматически передвигаемым; б переставляемым в различное положение в зависимости от типа агрегатируемого орудия; е комбинированным: автоматически передвигаемым и переставляемым.

Г. Калошей и Д. Д. Петровичем, дополнительно введены подвижный блок- противовес, опорно-поворотный круг для установки технологического оборудования и гидравлический привод для перемещения блока-противовеса в продольной плоскости и опорно-поворотного круга в горизонтальной. Опорно-поворотный круг 1 (рис. 9, в) установлен на направляющих 4, расположенных вдоль продольной оси машины. Круг перемещается по направляющим с помощью гидроцилиндра 6, корпус которого шарнирно соединен с направляющими и образует реактивную опору, а выдвижной шток воздействует на круг. Вместе с кругом перемещается подвижная часть 2 трактора относительно неподвижной его части 5. В состав подвижной части входит также рама 8 и перемещаемый (перемонтируемый) блок-противовес 7, состоящий из двигателя, коробки передач, кабины и других агрегатов трактора. Рабочее оборудование крепят к присоединительным шарнирам 3. Перемещением блока-противовеса 7 в положение I, II и т. п. добиваются совмещения центра тяжести подвижной части тракторного агрегата с серединой опорно-поворотного круга. Перестановкой же опорно-поворотного круга вдоль неподвижной части трактора в положение А, Б и т.д. добиваются совмещения центра давления трактора с серединой опорной поверхности гусениц.

На положение центра давления трактора наряду с другими факторами влияет продольный вылет а 0 центра тяжести. Ранее рассмотрены различные случаи изменения координаты центра тяжести с помощью блока-противовеса. На тракторах сельскохозяйственного и промышленного назначений блоки-противовесы не устанавливают. Поэтому положение их центра тяжести необходимо выбирать с учетом назначения и силового воздействия основных машин, для работы с которыми они предназначены. Для сельскохозяйственных тракторов наиболее характерны работы с тяговой нагрузкой на крюке и с задней навеской машин. Поэтому их центр тяжести обычно располагают несколько впереди середины опорных поверхностей гусениц на расстоянии ао + (0,05...0,08) Lгус. Гусеничные тракторы промышленного назначения широко используют для выполнения земляных работ с передней навеской землеройного оборудования (бульдозеров, погрузчиков и т.д.). Поэтому их центр тяжести стремятся сместить назад от середины опорных поверхностей гусениц на величину ао (0,02...0,05) Lгус.