Научное обоснование повышения показателей функционирования колёсной мобильной сельскохозяйственной техники на основе оптимизации параметров шин их движителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Меликов Иззет Мелукович

• Меликов Иззет Мелукович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Меликов Иззет Мелукович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ условий функционирования

мобильной сельскохозяйственной техники

1.1.1 Общая физико-географическая характеристика

Республики Дагестан

1.1.2 Почвы Республики Дагестан

1.2 Анализ исследований тяговой энергетики

мобильной сельскохозяйственной техники

1.2.1 Тягово-сцепные свойства энергетических средств

1.2.2 Влияние колебаний внешней нагрузки

на выходные показатели МСТ

1.2.3 Физико-механические свойства почвы

и их влияние на выходные энергетические показатели МЭС

1.3 Экологические проблемы при использовании колёсной МСТ

1.4 Деформационные свойства и режимы качения

пневматических шин

1.4.1 Свойства пневматической шины

1.4.2 Режимы качения колеса с пневматической шиной

1.4.3 Оценочные показатели работы ведущих пневматических колёс

1.4.4 Анализ исследований работы эластичного колеса

колёсной мобильной сельскохозяйственной техники

1.5 Анализ направлений и способов повышения эффективности функционирования мобильной сельскохозяйственной техники

1.6 Цель и постановка задач исследования

2. МЕХАНИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОБИЛЬНОЙ КОЛЁСНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

С ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

2.1 Деформирование оболочки пневматической шины

2.2 Расчётные модели качения колеса

2.3 Уравнения кинематических связей

2.4 Моделирование процесса качения пневматического колеса

по почвенному основанию

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

3.1 Математическая модель процесса работы МЭС в составе МТА

3.2 Математическая модель процесса движения высокопроизводительного зерноуборочного комбайна

3.3 Методика решения матмоделей перемещения

мобильной сельскохозяйственной техники

3.4 Аналитические исследования показателей функционирования энергетического средства класса 5 в составе МТА

3.5 Аналитические исследования показателей, харатеризующих

работу ходовых систем мощных зерноуборочных комбайнов

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

4. ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ

ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Постановка задач

4.2 Особенности методических аспектов проведения экспериментальных исследований работы пневматических колёс

4.2.1 Объект исследований

4.2.2 Описание установки «шинный тестер»

4.2.3 Методика определения деформационно-жёсткостных

качеств шин

4.2.4 Методика исследований показателей,

характеризующих деформационные свойства оболочки шин

4.3 Методика определения параметров микронеровностей

на агрофоне и полевой дороге

4.4 Методика исследования общетехнических показателей

работы ходовой системы зерноуборочного комбайна

4.5 Методика определения степени уплотнения агрофона мобильными сельскохозяйственными агрегатами

4.5.1 Методика определения показателей уплотнения почвы

4.5.2 Методика определения затрат энергии

при послеуборочной основной обработке почвы

4.6 Точность измерений при проведении экспериментов

5. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ АРМИРОВАНИЯ ОБОЛОЧКИ ШИН ДЛЯ КОЛЁСНОЙ ТЕХНИКИ

5.1 Научные и методические основы рационального расположения волокон оболочки шин сельскохозяйственных колёсных МЭС

5.2 Обоснование оптимальных конструктивных параметров

шин радиального исполнения для движителей комбайнов

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1 Оценка тягово-энергетических и агротехнических

показателей МЭС класса тяги

6.1.1 Оценка тягово-энергетических показателей при комплектовании ходовых систем МЭС

различными шинами

6.1.2 Исследование воздействия на почву МЭС класса тяги

6.2 Оценка тягово-энергетических и агротехнических показателей зерноуборочных комбайнов при комплектации движителей шинами различного конструктивного исполнения

6.3 Влияние внешних и внутренних факторов крупногабаритных

шин на их выходные показатели

6.3.1 Влияние давления в шинах на энергетические

и агротехнические показатели ходовых систем МЭС

класса тяги

6.3.2 Зависимость агротехнической проходимости и тяговых показателей МЭС класса тяги

от внешних размеров шин

6.3.3 Эффективность сдваивания колёс МЭС класса тяги

6.4 Характер деформирования крупногабаритных шин движителей мобильной сельскохозяйственной техники

6.4.1 Характер деформирования крупногабаритных шин движителей МЭС класса тяги

6.4.2 Сравнительный анализ деформирования шин 30,5-32

с разным внутренним армированием

6.5 Результаты испытаний мобильной сельскохозяйственной

техники на шинах с различным внутренним строением

6.5.1 Тягово-энергетическая оценка движителей

мобильных энергетических средств класса тяги

6.5.2 Тягово-энергетическая оценка олигомерных шин

для МЭС класса тяги

6.6 Агротехнические показатели движителей мобильной техники при их комплектации

различными вариантами шин

6.6.1 Агротехническая проходимость МЭС класса тяги

на шинах 33R-32 разного исполнения

6.6.2 Агротехническая проходимость олигомерных шин, предназначенных для ходовых систем МЭС класса тяги

6.7 Оценка динамической нагруженности ведущего моста и общетехнических показателей ходовой системы зерноуборочного комбайна «Дон-1500» при

различной комплектации его движителей

6.8 Установление энергетических затрат при основной

обработке поля после прохода движителей комбайна

6.9 Производственная проверка эффективности предлагаемых мероприятий по армированию внутреннего строения шин

6.10 Сравнительная оценка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований функционирования МСА

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РАЗРАБОТАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обоснование повышения показателей функционирования колёсной мобильной сельскохозяйственной техники на основе оптимизации параметров шин их движителей»

Актуальность темы.

Важнейшей задачей работников сельского хозяйства Российской Федерации является обеспечение на основе эффективного конкурентоспособного агропромышленного производства продовольственной безопасности нашей страны и успешное интегрирование в мировой рынок сельскохозяйственной продукции. В решении этой задачи особое место занимают структуры по снабжению агропромышленного комплекса (АПК) энергетическими ресурсами и современной высокоэффективной мобильной сельскохозяйственной техникой.

В Государственной Программе восстановления и развития сельского хозяйства Российской Федерации на 2013...2020 годы указывалась необходимость ускоренненного переоснащения технического вооружения АПК за счёт внедрения новой и усовершенствованной мобильных сельскохозяйственной техники (МСТ). Особенно важно было при этом обеспечить повышение технико-экономических и других показателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов (МТА).

Анализом развития механизации сельскохозяйственных процессов установлено, что при выращивании продукции растениеводства использовались в ХХ веке, и будут применяться в последующих столетиях мобильные энергетические средства (МЭС), ходовая система которых взаимодействует с опорным основанием. Таким образом, в процесс выращивания растениеводческой продукции возникают противоречия вследствие того, что почва является и опорным основанием для перемещения мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСА), и биологическим субстрактом при возделывании сельскохозяйственных культур. Поэтому возникает необходимость изыскания путей и способов для осуществления устойчивого роста эффективности сельскохозяйственнго производства.

Одним из основных известных путей повышения функциональных по-

казателей МТА является применение широкозахватной техники с одновременным увеличением его рабочих скоростей [41, 201 и др.]. То есть необходимо при комплктовании агрегатов использовать МЭС, обладающих высокими тяговыми свойствами, что предполагает неизбежный рост нормальных и касательных напряжений в почвенном основании при взаимодействии его с движителями ходовых систем. Но это формирует в почве новые физико-механические свойства, что провоцирует увеличение затрат энергии на выполнение её послеуборочной основной обработке и к снижению урожайности выращиваемых культур [26, 32, 61, 77, 99, 137, 154, 205, 227, 241 и др.]. Поэтому значительная роль во вновь разрабатывемых энергосберегающих технологиях для полеводства отводится исследованим, направленым на модернизацию и совершенствование движителей мобильной сельскохозяйственной техники (МСТ).

В настоящее время в мире и России применение МЭС с колёсными ходовыми системами доходит до 85 %. Преимущество колёсных ходовых систем перед другими типами заключается в их универсальности и более низких затрат на изготовление и эксплуатацию и возможности реализации достаточно приемлемых тягово-сцепных показателей. На полях нашей страны, в том числе и в предгорных районах Дагестана, при выполнении технологических операций в растениеводстве широко используются энергонасыщенные тракторы К-701М и К-744Р, высокопроизводительные зерноуборочные комбайны Дон-1500Б, Vektor-410, Torum-740, Acros-530 и другие виды МСТ, на которой установлены колёсные движители на пневматических шинах, что даёт им возможность получения, по сравнению с гусеничными, большей мобильности и производительности.

Однако колёсные МЭС по ряду достигнутых эксплуатационных показателей уступают гусеничным тракторам, так как они имеют повышенные затраты энергии на передвижение и буксование при движении по всем типам агрофонов. Особое внимание обращает на себя создание уплотнения почвы вплоть до её разрушения, зачастую не отвечающего установленным стандар-

тами требованиям.

Поэтому многие научные исследования процессов функционирования колёсной МСТ, связанные с совершенствованием, модернизацией и созданием движителей, были посвящены, наряду с повышением тягово-сцепных показателей, достижению допустимого стандартами воздействия её ходовых систем на почву.

Другим фактором, который негативно отражается на выходных показателях колёсной сельскохозяйственной техники, является увеличение динамической нагруженности силовых установок и трансмиссии МЭС при возникновении во время проведения необходимых технологических операций колебаний внешних воздействий на МСА.

На появление переходных процессов могут влиять разные факторы [6, 11, 24, 41, 64, 73, 92, 117, 115, 137, 204, 233 и др.]: климатические и почвенные условия эксплуатации МТА, календарные сроки и вид выполнения сельскохозяйственной операции, экспплуатационные показатели МТА и его двигателя, субъективность оператора и др.

Безусловно, получение желаемых характеристик пневматического движителя зависит от свойств оболочки шины и взаимодействия систем, связанных с ней. У большинства разновидностей МЭС существуют две такие системы: управляемых колёс и ведущих колёс.

Звеньями первой из них являются рулевое управление, состоящее из рулевого механизма и рулевого привода, и самих направляющих (управляемых) колёс с пневматическими шинами.

Звеньями второй системы будут двигатель, силовая передача (трансмиссия), ведущие колёса и остов мобильной машины. Последнее обусловлено тем, что ведущие колёса создают тяговое усилие, приложенное естественно к остову. Колебания остова отражаются в свою очередь, на процессах формирования и протекания данной силы.

Общим звеном для этих систем является опорное основание, по которому происходит качение колеса с пневматической шиной. Оно может быть

или твёрдым (несминаемым), или одним из видов агрофона (стерня полевых культур, пар, поле для посева). От характеристики опорного основания существенно зависят динамические свойства обеих систем.

Решение задачи согласования характеристик составляющих звеньев ходовой системы колёсной мобильной машины представляет несомненную трудность. Это можно объяснить рядом причин. Основными среди них являются определённые сложности в составлении достоверных математических моделей как отдельных звеньев, так и системы в целом. Особенно это касается моделей качения и взаимодействия с опорным основанием колеса с пневматической шиной на разных режимах его нагружения.

Следует также отметить и сложность требующего учёта динамических процессов в указанных системах движителя. Возникающие вследствие этих процессов колебания повышают динамическую нагруженность звеньев систем и потребляют энергию, которая поступает в конечном итоге от двигателя. Таким образом, появляется необходимость устранения или сведения, по крайней мере, к минимуму этих отрицательных последствий в данных процессах.

Для любой рассматриваемой системы колёсного мобильного МСА получение требуемых тяговых показателей, плавности его хода, уровня уплотнения почвы и характеристик траекторного движения определяющими являются свойства оболочки пневматической шины.

Нельзя не принимать в расчёт и буксование ведущих колёс, которое бывает значительным при движении агрегата на неустановившихся режимах, что связано с тем, что в момент смены нагрузочного режима ходовая система тракторного агрегата формирует динамическую нагрузку на почву вследствие возникновения касательной силы тяги, из-за чего происходит срыв верхнего слоя почвы, и буксование резко усиливается [49, 73, 117 и др.].

Следует отметить, что многообразные требования, которые предъявляются к пневматической шине, можно выполнить, основываясь на присущих ей суммарных характеристиках.

Пневматическая шина имеет сложную конструкцию. На её выходные показатели оказывает влияние большое количество различных факторов, к которым относится её способность деформироваться с небольшими потерями энергии при контакте с опорным основанием при возникающих напряжениях по величине не превышающих допускаемых и сохранении тягово-энергетических показателей [78, 117 и др.]. Правомерное обоснование параметров внутреннего строения оболочки пневматического колеса, которое бы учитывало характеристики других звеньев ходовой системы МСТ, невозможно без совместного проведения аналитических и экспериментальных исследований, опирающихся на математическое моделирование процессов в движителе и последующие натурные испытания.

Воздействие внешних и внутренних сил и моментов на движители МЭС, агрегатирующих сельскохозяйственные машины и орудия, при их движении вызывает возникновение в шине сложных деформационных процессов. Она наряду с предварительным растяжением от внутришинного давления воздуха испытывает при движении МСА радиальную, окружную и продольную деформации, что приводит к возникновению в беговой дорожке её каркаса дополнительные циклические напряжения растяжения и сжатия [90, 168, 191], под воздействием которых моторесурс, тяговый КПД и другие выходные показатели шины снижаются.

Известно, что тяговый КПД МЭС зависит главным образом от КПД движителей, так как в них происходят главные непроизводительные потери энергии при перемещении МТА, в связи с чем, технико-экономические показатели МЭС с высокой степенью достоверности можно устанавить по результатам испытаний единичных пневматических колёс.

Поиск альтернативных движителей для МСТ, на которых можно обеспечить наряду с высокой производительностью минимальное воздействие на агрофон, натолкнулся на серьёзные технические затруднения, что не позволило установить пока оптимальный вариант.

На основании вышеизложенного весьма актуальным является решение

проблемы: научно обосновать методы, способы и технические средства, которые будут способствовать на основе разработки новых по конструктивному исполнению и оптимизации параметров шин их движителей повышению тягово-энергетических и агротехнических показателей функционирования колёсной мобильной сельскохозяйственной техники.

В представляемой работе изложены материалы научных исследований процессов функционирования колёсной МСТ в зависимости от внутреннего армирования шин её движителей.

Для повышения показателей функционирования мобильной сельскохозяйственной техники в работе представлена методика, разработанная коллективом исследователей с непосредственным участием автора, которая позволяет установить оптимальные значения параметров армирования шин ходовых систем мобильной сельскохозяйственной техники.

Степень разработанности темы.

Фундаментальные исследования в разработку технологических процессов, создание и совершенствование сельскохозяйственных машин и тракторов, развитие учения о земледельческой механике заложили В.П. Горячкин, В.Н. Болтинский, П.М. Василенко, В.А. Желиговский, С.А. Иофинов, А.Б. Лурье, Е.Д. Львов, Б.С. Свирщевский, Д.А. Чудаков и другие. В решение проблемы на основе комплексного подхода к повышению эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов значительный вклад внесли Л.Е. Агеев, В.Я. Анилович, И.Б. Барский, И.И. Водяник, Ю.А. Гань-кин, Л.В. Гячев, М.А. Карапетян, Ю.К. Киртбая, А.М. Кононов, В.В. Коптев, В.А. Кравченко, И.П. Ксеневич, Н.Г. Кузнецов, Г.М. Кутьков, А.А. Лопарев, В.А. Русанов, В.Б. Рыков, А.С. Солонский, В.Л. Строков, В.И. Фортуна, А.А. Юшин и другие. Полученные ими данные на современном этапе требуют дальнейшего развития, уточнения и корректировки.

На основе анализа литературных источников сформулированы научная и рабочая гипотезы, задачи исследования.

Цель исследований - улучшение тягово-энергетических и агротехни-

ческих показателей энергонасыщенной мобильной сельскохозяйственной техники путём совершенства шин движителей их ходовых систем.

Задачи исследований:

1. Научно обосновать методы снижения энергозатрат и повышения агротехнической проходимости колёсной энергонасыщенной МСТ;

2. Разработать динамические и математические модели движения МЭС тягового класса 5 в составе МТА и мощных зерноуборочных комбайнов, учитывающих упругодемпфирующие свойства шин колёс их ходовых систем;

3. Провести теоретические исследования влияния тракторов пятого тягового класса в составе МТА и мощных зерноуборочных комбайнов на их энергетические и агротехнические показатели с учётом взаимодействия шин с почвенным основанием;

4. Установить оптимальные значения жёсткостных характеристик шин ходовых систем МЭС пятого класса тяги в составе МТА и мощных зерноуборочных комбайнов;

5. Получить закономерности, устанавливающие связь деформационных характеристик шин с тягово-энергетическими и агротехническими показателями ходовых систем высокопроизводительной мобильной сельскохозяйственной техники;

6. Обосновать основные конструктивные параметры армирования шин ходовых систем, определяющие энергетическую эффективность при приемлемом уплотняющем воздействии на почву тяжёлой мобильной сельскохозяйственной техники при возделывании сельскохозяйственных культур;

7. Провести сравнительную экспериментальную оценку тяговых и агротехнических показателей шин различного конструктивного исполнения ходовых систем высокопроизводительной мобильной сельскохозяйственной техники;

8. Разработать рекомендации по обеспечению энергетической эффективности при приемлемом уплотняющем воздействии на почву тяжёлой мобильной сельскохозяйственной техники при возделывании сельскохозяй-

ственных культур на полях Республики Дагестан;

9. Дать обоснование народохозяйственного эффекта от применения результатов и рекомендаций научных исследований.

Рабочая гипотеза: повышение тягово-энергетических и агротехнических показателей энергонасыщенной мобильной сельскохозяйственной техники можно обеспечить разработкой методов конструирования и алгоритмов оптимизации армирования шин их ходовых систем.

Научная новизна:

- теоретические разработки взаимодействия колёсной мобильной техники с опорным основанием, позволяющие аналитическими методами устанавливать показатели её функционирования;

- математические модели мобильной сельскохозяйственной техники, дающие возможность проводить анализ потерь энергии на неустановившихся режимах на качение и буксование движителей, а также негативное влияние на почвенное основание в зависимости от внутреннего строения и габаритных размеров шин;

- схематизированные динамические модели движения мобильных энергетических средств в составе МТА и высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов, способствующие значительному повышению точности математического описания их функционирования;

- деформационные характеристики диагональных, радиальных и диагонально-параллельных шин;

- методы оптимизации армирования оболочки шин пневматических колёс с целью достижения необходимых динамических и тягово - энергетических показателей, а также агротехнической проходимости, мобильных энергетических средств и зерноуборочных комбайнов;

- результаты испытаний крупногабаритных шин с различными внешними и внутренними параметрами, которые можно использовать при комплектовании мобильной сельскохозяйственной техники с целью повышения её показателей функционирования;

- усовершенствованные методы испытания пневматических колёс, обеспечивающие высокую точность измеряемых кинематических, динамических и агроэкологических показателей.

Теоретическую и практическую значимость работы представляют:

- уточнённая модель взаимодействия пневматического колеса с почвенным основанием, способствующая обоснованию методов повышения функциональных показателей колёсной МСТ;

- динамические и математические модели движения МСТ, учитывающие упругодемпфирующие свойства и деформационные характеристики шин их движителей, по которым можно получать достоверную информацию об их тяговых свойствах и показателях агротехнической проходимости;

- методологические принципы и алгоритмы оптимизации конструктивных параметров армирования оболочек шин движителей МСТ с целью повышения их энергетической эффективности при приемлемом уплотняющем воздействии на почву;

- результаты исследований влияния параметров армирования шин движителей на функциональные показатели МСТ;

- конструктивная оценка шин с использованием различных характеристик МСТ (амплитудно-частотных, тяговых характеристик, плавности хода, динамической нагруженности силовой передачи, управляемости, а также степени уплотнения почвенного основания);

- предложения и рекомендации, способствующие повышению тягово-энергетических и агроэкологических показателей функционирования мобильной сельскохозяйственной техники в реальных условиях эксплуатации;

- способ повышения тягово-сцепных и агротехнических показателей шин движителей МСТ (патент № 2677817);

- конструкция «шинного тестера» для испытания пневматических шин (патенты №№ 2085891, 2092806, 2107275).

Объектом научных исследований являются технологические процессы функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Предметом научных исследований являются закономерности, методы и способы обеспечения роста показателей функционирования мобильной техники при выполнении технологических операций в растениеводстве, путём оптимизации агротехнической проходимости и тягово-сцепных свойств их движителей.

Методология и методы исследований представлены комплексным использованием динамического анализа, системного подхода, теории вероятностей, математической статистики, разработкой усовершенствованных методик испытаний МТА, методов планирования многофакторных экспериментов. В отдельных случаях разрабатывались частные методики испытаний и оригинальное оборудование к ним.

Положения, выносимые на защиту:

- анализ условий функционирования мобильной сельскохозяйственной техники, методов и способов повышения её эксплуатационных показателей;

- динамические и математические модели мобильной техники, разработанные с учётом показателей, характеризующих взаимодействие шин движителей с почвенным основанием;

- методика оптимизации внутреннего строения шин с целью обеспечения необходимых для МСТ тягово-энергетических показателей и агротехнической проходимости;

- научное обоснование улучшения функциональных показателей колёсной МСТ при установке шин с предлагаемым внутренним армированием.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность подтверждается применением стандартных методик исследований и обеспечивается апробированными методами математической обработки и статистического анализа результатов исследований многофакторного анализа, применением лицензионных программных пакетов: «MSExcel», «Math CAD 14.0», «PowerGrafh», «MathLAB Simulink», «Компас», «ANSYS Workbench» и др.

Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях АЧГАА (1995-2000 гг.), ВНИПТИМЭСХ (1995-

1999 гг.), СтГСХА (Ставрополь, 1996-1997 гг.), РГАСХМ (Ростов-на-Дону, 1999 г.), Челябинского ГАУ (2003 г.), МГАУ (2000 г.), Волгоградской СХА (2009 г.), Дагестанского ГАУ (2004-2023 гг.), Воронежского ГАУ (2014 г.), ТГТУ (г. Тверь "Вопросы проектирования и эксплуатации наземного транспорта различных отраслей национального хозяйства", 2001 г.), Воронежского ГЛТУ (2021-2022 гг.) и др.

Исследования выполнены в соответствии с планами НИР АЧГАА на 1991...2005 г.г.; планами НИР ФГОУ ВПО «Дагестанская государственная сельскохозяйственная академия» на 2006.2020 г.г. и Государственной программой РФ «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» (утв. 15.04.2014 г. № 328).

Результаты исследований, рекомендации и предложения переданы в Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Дагестан, ФГБНУ «ФАНЦ РД» Республика Дагестан, ООО Научно-производственный коммерческий центр ВЕСКОМ (ООО НПКЦ ВЕСКОМ) г. Москва; ООО «Нива» Кизлярского района Республика Дагестан; АО «ВОЛТАЙР-ПРОМ» Волжский шинный завод Волгоградская область, г. Волжский. Отдельные положения научных исследований используются в учебном процессе аграрных вузов: ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный аграрный университет имени М.М. Джамбулатова», Азово-Черноморском инженерном институте ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет», ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет», ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет».

Личный вклад соискателя состоит в постановке цели и подготовке задач, личном участии в разработке и реализации программ экспериментальных лабораторных и полевых испытаний, проведении теоретических исследований, обработке и интерпретации результатов исследований и производственной проверки, апробации результатов и подготовке публикаций.

Публикация результатов исследования. По теме данной диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе 24 в рецензируемых изданиях,

из которых 3 в журналах, индексируемых в международных базах данных Scopus и Web of Science, 21 статья опубликованы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК РФ, получены четыре патента Российской Федерации на изобретение и 3 статьи без соавторов. Общий объём публикаций составляет 19,87 печатных листов, в том числе личный вклад автора данной диссертации - 17,01 печатных листа.

Объем и структура диссертации. Диссертация выполнена на 365 страницах машинописного текста, включает в себя 55 таблиц и 112 иллюстраций. В ней представлены следующие разделы: введение, семь основных глав, выводы и предложения, список использованной литературы, включающий 246 наименований (20 - на иностранном языке) и приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ условий функционирования мобильной сельскохозяйственной техники

1.1.1 Общая физико-географическая характеристика Республики Дагестан

Республика Дагестан, площадь которой составляет 50,3 тыс. км2, расположена на юго-западной территории Прикаспийской низменности и северо-восточных отрогах Кавказского хребта [103, 152, 172].

На востоке Дагестан ограничивается Каспийским морем. Протяжённость по береговой линии от реки Кумы до реки Самур составляет 530 км. С севера на юг территория Республики Дагестан протянулась на 420 км, а с востока на запад - на 216 км. Высшей точкой Республики Дагестан является гора Базардюзю (4466 м), а самая низшая точка (26,0 м ниже уровня моря) находится на Терско-Кумской низменности. Средняя высота Республики Дагестан составляет 1000 м над уровнем моря [152, 172].

На севере Дагестан по высохшему руслу реки Кумы граничит с Калмыкией, а на северо-западе - по Ногайской степи с районами Ставропольского края. На западе Дагестан граничит с Чеченской Республикой по Терско-Сулакской и Терско-Кумской низменностям и водораздельным гребням Андийского и Снегового хребтов. Республика Дагестан по гребню Главного Кавказского хребта граничит на юго-западе с Грузией, а на юго-востоке - с Азербайджанской Республикой. Протяжённость сухопутных границ Республики Дагестан составляет 1181 км [103].

Территория Республики Дагестан весьма сложна, так как в непосредственной близости располагаются степи с засушливым климатом и полупустыни на низменностях, лесистые склоны гор и не имеющие растительности котловины, долины рек и горные степи, субтропики и альпийские луга, гор-

ные хребты и снежные вершины высоких гор [103, 152, 172].

В рамках природной зональности на территории Республики Дагестан выделяются высокогорная, горная, предгорная и равнинная провинции.

Климатические условия Республики Дагестан характеризуются в работах многих авторов.

В Республике Дагестан климат очень разнообразен даже в районах, расположенных на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга.

К основным факторам, которые определяют климат Республики Дагестан, относят следующие [103, 152, 172]: большое количество (около 140 ккал/см2 в год) солнечной радиации; разнообразная высота территории; расположение горных хребтов; проникающие в Республику Дагестан холодные северные и тёплые северо-западные, южные и юго-западные тропические воздушные массы; Каспийское море, оказывающее, хотя и в небольшой степени, влияние на приморские районы.

В общем, климат Республики Дагестан определяется как умеренно континентальный [103, 152, 172], хотя и наблюдаются в разных районах резкие контрасты. Так, например, на высоте 3000 м максимальные значения температур не превышают 21...25°С, а в северных районах Прикаспийской низменности воздух в летние месяцы прогревается до и более 400С; осадки в низменной части выпадают не более 400 мм, а на высоте 3000 м - более 1000 мм [103, 152, 172].

Сумма активных температур в Республике Дагестан достигает на высокогорье 4000, а на низменности - 40000, что даёт возможность выращивать в Республике Дагестане различную продукцию растениеводства, в том числе и субтропические культуры [103, 152, 172]. Солнечная радиация в столице Республики Дагестан достигает 140 ккал/см2 в год [103, 152, 172].

Солнце сияет в Республике Дагестан в среднем 1990 часов в году [103].

В Республике Дагестан преобладающими являются северо-западные и юго-восточные ветры.

Неблагоприятным фактором для возделывания продуктов растениевод-

ства в Республике Дагестан является засушливость климата. На территории Республики Дагестан в течение года осадки выпадают неравномерно. В северной части на низменной равнине выпадает осадков в год всего 200.400 мм, в межгорных котловинах выпадает осадков в год около 400.500 мм, в то же время количество осадков в год в предгорьях и на высокогорье выпадает почти 700 мм, а на Водораздельном хребте - более 900 мм.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Меликов Иззет Мелукович, 2025 год

/ /

/ 6 и \

/ _ \

8

0,8 0,6 0,4 0,2 0

8 10 12 Ркр,кН

а б

Рисунок 6.35 - Графики базовой (а) и тяговой (б) характеристик колеса с шиной 21,3Я-24 на поле под посев (К = 26,0 кН, Р^ = 100 кПа)

т

0,8

0,6 0,4 0,2 0.0

Лк

5...

5

0,8 0,6 0,4 0,2 0

10 12 Р^^кН

а

б

Рисунок 6.36 - Графики базовой (а) и тяговой (б) характеристик колеса с шиной 21,3Я-24 на поле под посев (К = 26,0 кН, Р^ = 110 кПа)

О 2 4 6 8 10 12 14 16 Ркр,кН 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Ркр,кН

а б

Рисунок 6.37 - Графики базовой (а) и тяговой (б) характеристик колеса с шиной 21,3Я-24 на бетоне (К = 26,0 кН, Р^ = 160 кПа)

Испытания на стерне зерновых колосовых показали аналогичные результаты. У олигомерной шины типоразмера 66*43,00-25 тяговый КПД достигает максимального значения (0,730.0,810) при тяговом усилии от 6,0.14,0 кН с буксованием от 2,5 до 19,0% (см. рисунок 6.33). У серийно выпускаемой шины 21,3Я24 значения тягового КПД достигают максимального значения (0,500.0,650) при тяговом усилии, составляющем 4,0. 10,0 кН с буксованием в пределах от 5 до 25% (см. рисунок 6.36).

Испытания на бетоне (см. рисунки 6.34) показали, что у олигомерной шины типоразмера 66*43,00-25 тяговый КПД достигает максимального значения 0,915, а у серийной шины типоразмера 21,3Я24 - 0,79 при незначительном буксовании. У олигомерной шины типоразмера 66*43,00-25 при развиваемом тяговом усилии величиной 18 кН значение буксования едва достигает 3% (при увеличении тягового усилия до 19 кН и более буксование резко увеличивается в связи с потерей сцепных качеств шины.

У шины 21,3Я24 на бетоне (см. рисунок 6.37) буксование в 10% возникает при тяговом усилии, равном 16 кН. Резкий рост значения буксования наблюдается при тяговом усилии более 16 кН.

По данным характеристик шин были рассчитаны: момент сопротивления Ы/ качению колеса, его кинематический радиус при свободном режиме

нагружения г^ = гк (Ркр = 0), величину тягового КПД колеса, величину буксованиея колеса 8, значение крутящего момента М„ на оси колеса при

обеспечении номинального крюкового усилия (7,5 кН) МЭС класса тяги 3 (таблица 6.28).

Таблица 6.28 - Тягово-энергетические показатели шины фирмы <^т» и шины 21,3Я-24 при номинальном крюковом усилии Ркр=7,5 кН

Показатели Серийная шина 21,3R24 Шина фирмы «Lim»

стерня поле под посев бетон стерня поле под посев бетон

Радиус свободного качения, м 0,661 0,675 0,627 0,821 0,824 0,780

Сила сопротивления качению, кН 2,00 2,15 1,75 1,30 2,30 0,60

Крутящий момент, подводимый к оси колеса, кН-м 6,7 6,80 6,20 8,00 8,20 6,30

Момент сопротивления качению, кН-м 1,25 1,35 1,75 2,20 1,90 0,35

Коэффициент буксования 0,130 0,155 0,020 0,040 0,055 0,007

Тяговый КПД 0,650 0,620 0,740 0,790 0,790 0,890

Аналитические расчёты показали, что при свободном нагружении сила сопротивления качению Pf колеса на шине 21,3R24 имеет большее значение на бетоне в 2,92 раза, на стерне озимой пшеницы - в 1,5 раза, а на поле для посева меньше в 1,07 раза, чем на шине фирмы «Lim». Большое увеличение силы сопротивления качению колеса на шине фирмы «Lim» при свободном режиме на агрофонах в сравнении с качением его на жёстком основании связано, очевидно, с большим значением ширины шины. А возрастание силы сопротивления качению колеса с ростом тягового усилия объясняется процессами, связанными с колееобразованием.

Шина типоразмера 21,3R24 показала при номинальном тяговом усилии (Ркр= 7,5 кН) тяговый КПД ниже, чем шины фирмы «Lim», при движении по полю под посев на 11,43%, по стерне зерновых колосовых - на 17,72%, а по бетону - на 16,85%. Анализируя эти данные, необходимо учитывать, что шина фирмы «Lim» нагружена почти на 9% больше, чем шина типоразмера 21,3R24. Наибольшую величину тягового КПД шины фирмы «Lim» показывают при значительно больших тяговых усилиях, чем шина типоразмера 21,3R24 (таблица 6.29).

Таблица 6.29 - Значения максимальных тяговых КПД, развиваемые испытываемыми шинами

Шина Показатели Стерня зерновых колосовых Поле под посев Бетон

66x43,00-25 Тяговый КПД 0,810 0,715 0,920

Тяговая нагрузка, кН 9,4 11,0 12,0

21,3R24 Тяговый КПД 0,645 0,620 0,720

Тяговая нагрузка, кН 7,3 7,0 11,5

Анализ потерь мощности, затрачиваемую на буксование и качение испытываемых шин (рисунок 6.38), показал, что для обоих вариантов потери энергии на качение занимает преобладающее значение.

Однако если затраты мощности на качение обеих шин по полю под посев практически одинаковые, то при движении колеса на шине 21,3Я24 с номинальным тяговым усилием (Ркр = 7,5 кН) по стерне и бетону потери энергии на качение были выше в 1,5 и 2,3 раза соответственно.

Vf.ris

0,8

0,6

0,4

0,2

4

// Ii // \ -V Vö \ \

1 Ii 1/ - - ~ " *"—

»

i/ V t

Щ.Л8

0,8

0,6

0,4

0,2

кН

12

16 Рк„,кН

а

_ - "--Л " 4"

V Vs

/ ! / Щ

! 1 1 1 t Pf ------

т" 1

1 —

12

16 Ркр,кН

б

кН

в

----- колесо на шине ФД-14А;

-- колесо на шине фирмы «Lim»

Рисунок 6.38 - Графики потерь энергии на поле под посев (а), на стерне озимой пшеницы (б) и бетоне (в) в зависимости от тягового усилия

Следует отметить, что повышение тягового усилия для обеих шин приводит к росту сопротивления качению Р/. Это объясняется увеличением мощностных затрат на возрастающие гистерезисных потери в шинах и коле-еобразование в почвенном основании. Причём, темп увеличения силы сопротивления самопередвижению шины 21,3Я24 на агрофонах при росте тягового усилия более высокий, что связано с большими мощностными затратами при колееобразовании.

Сила Р/ значительно меняется при замене фона: например, при номинальной величине усилия тяги у шины фирмы «Ыш» она при качении по полю под посев превышает свои значения на стерне в 1,7 раз и на бетоне почти в 3 раза. Очевидно, что это обуславливается большей по значению шириной шины типоразмера 66*43-25, так как даже при незначительных по величине изменениях колеи сминается значительно больший объём почвы.

6.6 Агротехнические показатели движителей мобильной техники при их комплектации различными вариантами шин

6.6.1 Агротехническая проходимость МЭС класса тяги 5 на шинах 33R-32 разного исполнения

Оценка агротехнической проходимости шин, имеющих резино-кордную оболочку, проводилась практически одновременно с определением на «шинном тестере» их тягово-энергетических показателей (см. раздел 6.5.1). Оценка агротехнической проходимости шин производилась по площади и длине пятна контакта; максимальным и средним давлениям колеса на опорное основание; глубине колеи на различных агрофонах.

Результаты испытаний шин с разным внутренним армированием представлены на рисунках 6.39.6.43 и в таблице 6.30.

Как и предполагалось, основной показатель, каким является площадь контакта шин с опорным основанием, в значительной мере зависит (см. рисунок 6.39) от внутришинного давления. Её рост при уменьшении давления

определяется гиперболическим законом.

0.05 0.07

0.35

0.09 а

0.11

Ри,, МПа

0.05 0.07 0.09 в

Р.!, МПа

Д - 30,5Я-32; • - 33Я-32; о - 33Я-32Э; □ - 33БР-32

Рисунок 6.39 - Графики зависимости площадей контакта колёс на испытываемых шинах с опорным основанием от величины давления в них (а - бетон; б - стерня ячменя; в - поле для посева)

Результаты сравнительных испытаний показали предпочтительность комплектации ходовых систем МЭС шинами 33Я-32Э и 33ЭР-32, так как при установленном давлении Р^= 110 кПа развиваемая ими площадь контакта с опорными основаниями больше, чем у серийно выпускаемых шин, на 4,5. 17,0%. Причём на этих шинах колёса показали более равномерные эпюры распределение давлений в их контакте с опорными поверхностями.

Это указывает на то, что шина 33ЭР-32 представляет перспективную модель, а для шины 33Я-32 необходимо выполнить конструктивную доводку путём оптимизации внутреннего её армирования.

Следует заметить, что рекомендуемые значения внутреннего давления воздуха для шин 33Я-32Э лежат в пределах 90.110 кПа, для шин 33ЭР-32 -

70.90 кПа, а для шин 33Я-32 и 30,5Я-32 - 110. 130 кПа (меньшие значения устанавливались на поле для посева).

Максимальные давления дм шин 33Я-32Э и 33ЭР-32 на почвенное основание в сравнении с серийными шинами в целом ниже на 8.30%. Более высокое значение максимальных давлений шины 33Я-32Э на почвенное основание на пару при установлении в ней значения давления воздуха 70 кПа, чем шины 33Я-32, наблюдается потому, что при снижении глубины колеи увеличение давления шины 33Я-32Э на почву наблюдается в большей мере по краям беговой дорожки протектора (таблица 6.31), а у шины 33Я-32 - по центру. Величина глубины колеи является тем параметром, по которому можно устанавливать и другие закономерности процессов, протекающих при контакте пневматического колеса шин с почвой.

/„., м -0.4Л

Д. _д___

О гО.З^- Л

X -0.2 -0.1 X

—

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, а

"/,, м -0.4 -0.2 -0.1

о

—

0.4 0.3 0.2 0.1

0 0.1 0.2 0.3 В,М в

/„ м - 0 4

д___ __д

; 0.3 - 0 2

-0.1

0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, М

б

" /„ м -П А

ТЗ--- > о-

1 X -0.3 -0.2 -0.1

- - - -

0.4 0.3 0.2 0.1

0 0.1 0.2 0.3 В, м

г

Д - Р„ = 90 кПа; о - Р„ = 110 кПа; х - Р„ = 130 кПа

Рисунок 6.40 - Графики формы половины площади отпечатка шин 30,5Я-32 (а); 33Я-32 (б); 33Я-32Э (в); 33БР-32 (г) на стерне зерновых колосовых

1к, м - 0 4

- 0 3

■ 0 2

- 0 1

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, м

а

б

1,м

'¿Г ТГ ___ д

•0.3 -0.2 -0.1

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, М

в г

х - Рw = 70 кПа; А - Р^; = 90 кПа; о - р„ = 110 кПа Рисунок 6.41 - Графики формы половины площади отпечатка шин 30,5Я-32

(а); ЗЗЯ-32 (б); ЗЗЯ-32Э (в); ЗЗЭР-32 (г) на поле под посев

"д, кПа - 4ПП» ^^ -- Д___А

о ----о К300^ -200 -100 ___-—о/ — Д

|

д, кПа

X "400, -зоо -200

д -100

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, м

а

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, м б

-1» • —

- 400 —-— о -300^ - 200 - 100

о —.

-А—^^

Д ^^

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, м

д, кПа

— х_- -400 х _<о

д -300 ----о X

д Д

-200

-100

■ 1

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В,

м

в г

А - Рw = 90 кПа; о - р,^ = 110 кПа; х - Рw = 130 кПа Рисунок 6.42 - Эпюры максимального давления в пятне контакта по ширине протектора шин 30,5Я-32 (а); 33Я-32 (б); 33Я-32Э (в); 33БР-32 (г) на стерне

ц, кПа -400

х д 300 X

X х -200

-100

Т- -

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 В, м

а

д, кПа

-400

X У о о --Д-> ч X

о "— о Д - 300, — о

X х" ■ -200 х

- 100

-

0.4 0.3 0.2 0.1 О 0.1 0.2 0.3 В, м

в г

X - Рw = 70 кПа; Д - Р^ = 90 кПа; о - Рw = 110 кПа

Рисунок 6.43 - Эпюры максимального давления в пятне контакта по ширине протектора шин 30,5Я-32 (а); 33Я-32 (б); 33Я-32Э (в); 33ВР-32 (г) на пару

Таблица 6.30 - Параметры контакта шин с опорным основанием

Опорное основание Внутри- Параметры контакта

Шина шинное-давление кПа площадь, м2 длина, м максимальное давление, кПа среднее давление, кПа

1 2 3 4 5 6 7

70 0,4698 85,1

30,5Я-32 90 0,4068 98,2

110 0,3759 106,4

130 0,3598 111,1

70 0,4776 85,4

33Я-32 90 0,4599 88,7

110 0,4398 92,7

Бетон 130 0,4246 96,0

70 0,5522 73,9

33Я-32Э 90 0,4881 83,6

110 0,4283 95,3

130 0,4154 98,3

70 0,5252 77,7

33ЭР-32 90 0,4633 88,1

110 0,4441 91,9

130 0,4422 92,3

продолжение таблицы 6.30

1 2 3 4 5 6 7

Стерня зерновых колосовых 30,5Я-32 90 0,4736 0,75 407 84,4

110 0,4155 0,59 392 96,2

130 0,3779 0,54 448 105,8

33Я-32 90 0,4848 0,79 494 84,1

110 0,4697 0,72 536 86,8

130 0,4584 0,65 552 89,0

33Я-32Э 90 0,5064 0,77 348 80,6

110 0,4663 0,73 379 87,6

130 0,4268 0,67 474 95,6

33БР-32 90 0,5336 0,79 348 76,4

110 0,4787 0,72 373 85,2

130 0,4688 0,66 382 87,0

Поле для посева 30,5Я-32 70 0,5251 0,80 316 76,2

90 0,4718 0,77 377 84,8

110 0,4226 0,70 416 94,6

33Я-32 70 0,5323 0,78 266 76,6

90 0,4907 0,73 347 83,1

110 0,4723 0,65 388 86,3

33Я-32Э 70 0,5614 0,76 333 72,7

90 0,5078 0,77 334 80,4

110 0,4698 0,65 368 86,9

33БР-32 70 0,5754 0,82 286 71,0

90 0,5443 0,80 342 75,0

110 0,4652 0,67 368 87,7

Таблица 6.31 - Сравнительные данные по глубине оставляемой колеи шинами на агрофонах

Шины Внутришин-ное давление, кПа Величина глубины колеи Усреднённое значение Максимальное значение

под выступами грунтоза-цепов под впадинами между грунтозацепами среднестатическая

I II III I II III I II III

Стерня зерновых колосовых

33Я-32 90 36,5 20,6 20,2 4,9 1,9 1,8 13,0 7,4 8,9 9,8 36,5

110 26,9 24,9 22,5 2,9 6,4 10,3 9,3 11,8 15,1 12,1 26,9

130 24,5 23,9 26,4 6,6 3,0 10,9 11,3 9,1 17,0 12,6 26,4

33Я-32Э 90 20,7 22,9 26,8 1,3 2,0 3,8 6,3 7,3 12,8 8,9 26,8

110 32,8 29,8 29,1 4,1 3,7 3,7 11,6 11,2 13,6 12,2 32,8

130 44,9 41,2 36,3 5,4 3,2 2,9 15,7 14,2 15,8 15,3 44,9

30,5Я-32 90 28,1 30,3 25,7 1,3 5,1 5,5 8,5 12,4 13,4 11,4 30,3

110 29,0 32,1 35,3 1,8 2,4 7,1 8,6 11,0 18,1 12,6 35,3

130 34,4 33,8 34,4 4,7 3,9 13,3 12,4 12,6 21,5 15,6 34,4

33БР-32 90 30,4 28,9 27,8 1,5 1,9 2,4 9,1 9,6 12,2 10,4 30,4

110 35,9 32,1 29,9 2,1 2,1 2,5 10,9 10,8 13,2 11,6 35,9

130 35,2 30,7 27,5 3,2 1,2 1,2 11,5 16,9 11,5 13,4 35,2

Поле под посев

33Я-32 70 59,5 52,5 56,5 0,9 1,6 23,7 16,2 16,4 36,4 23,1 59,5

90 54,2 58,0 58,2 6,6 5,7 32,9 19,0 20,8 42,8 27,6 58,2

110 74,0 82,3 74,1 26,4 35,2 50,6 38,8 48,8 59,8 49,2 82,3

33Я-32Э 70 53,2 46,7 47,5 18,5 3,1 10,7 27,5 15,7 25,1 22,7 53,2

90 61,7 66,3 61,9 13,6 16,6 27,3 26,1 31,0 40,8 32,7 66,3

110 65,8 70,4 64,6 25,4 17,1 33,7 35,9 33,0 45,7 38,3 70,4

30,5Я-32 70 64,8 68,4 69,6 11,6 18,3 38,5 25,5 32,8 50,6 36,3 69,6

90 71,0 69,7 68,2 19,2 19,3 39,1 32,6 33,9 50,5 39,1 71,0

110 78,5 81,5 84,7 23,7 31,9 53,4 37,9 46,3 65,6 50,0 84,7

33БР-32 70 54,3 48,2 40,1 1,4 1,1 13,3 15,2 14,1 23,7 17,7 54,3

90 50,9 47,9 46,2 6,9 4,9 16,6 118,4 17,4 28,1 21,3 50,9

110 61,3 50,2 43,1 8,9 7,6 18,9 22,6 19,9 28,4 23,6 61,3

Степень уплотняющего воздействия пневматического колеса на почву по величине глубины колеи определяют двумя способами: при первом - по максимальной глубине под грунтозацепами, а при втором - по среднестатистической глубине колеи.

При втором способе пользуются уравнением:

^кол = ---+7-' (6.7)

гвыст+гвп

В уравнении (6.7) приняты обозначения: Икол, Ивыст, Ивп - среднестатиче-ская величина соответственно глубины колеи, под грунтозацепами и во впадинах; Febwm, Fen - площади выступов грунтозацепов и впадин соответственно.

Febicm = F k, Fen = F^ (1 - к), где F - общее среднестатическое значение контактной площади шины с почвенным основанием; к - коэффициент насыщенности рисунка протектора:

^кол = ^выст + ^вп ■ (1 - к). (6.8)

При многократных измерениях

Ynh Ynh

^кол • к + ^ ■ (1 - к). (6.9)

_ ¿1 "к

т

где n, m - число измерений параметров соответственно по длине и ширине образовавшейся колеи; n = m = 25.

Результаты измерений и расчётов по выражениям (6.9) и (6.10) параметров колеи по её длине (50 м), показаны в таблице 6.31, в которой цифрой I обозначена зона измерений глубины колеи по краям, цифрой II - зона измерений глубины колеи посередине между краем и её центральной осью, цифрой III - глубина колеи по центральной оси.

Коэффициент, служащий для учёта размеров этих зон, для испытываемых шин равен 0,26; 0,29 и 0,39 соответственно.

Анализом полученных результатов доказано существование корреляционной связи между данными, представленными в таблицах 6.30 и 6.31, и

Vp = (6.10)

графиками, изображённых на рисунках 6.40.6.43. Так, например, максимальное значение глубины по ширине колеи было получено в зонах, в которых наблюдалось максимальное давление, измеренное прямым методом датчиками, прикреплённые к протектору шины. Следует отметить, что эта закономерность проявляется при разных способах оценки. Максимальная и средняя глубина колеи определяется площадью, средним значением давления колеса на почву и конструкцией шины: по следу колеса на шине 30,5R-32, обладающей самой малой площадью контакта его с почвой, при разных по величине в ней давлениях образовывалась более глубокая колея. А после прохода колёс на шинах 33R-323 и 33DP-32, у которых оболочки характеризуются более высокими деформационными свойствами, образовывалась колея с глубиной на 9.40% меньше (большие значения присущи шине 33DP-32).

Причём, при качении шины 33DP-32 по почвенному основанию происходит формирование более высокой площади контакта с опорой за счёт прироста её длины, т.е. выявленные положительные закономерности процессов деформирования оболочки шины 33R-323, получают большее развитие в шине 33DP-32.

6.6.2 Агротехническая проходимость олигомерных шин, предназначенных для ходовых систем МЭС класса тяги 3

Агротехническая оценка шины фирмы «Lim» и серийно выпускаемой шины 21,3R24 с резино-кордной оболочкой проводилась на «шинном тестере» практически одновременно с определением на «шинном тестере» их тя-гово-энергетических показателей (см. раздел 6.5.2). Общий вид сравниваемых шин представлена - на рисунке 6.44.

Результаты расчётов показателей воздействия эластичного колеса с установленными на нём сравниваемыми шинами на опорное основание, представлены в таблице 6.32.

Рисунок 6.44 - Шины (общий вид) 21,3R-24 и олигомерной шины фирмы «Lim» (справа)

Таблица 6.32 - Результаты расчётов показателей воздействия на почву при качении колеса со сравниваемыми шинами

Показатели и параметры Сравниваемые шины

66x43,00-25 21,3R-24

Внутришинное давление, кПа

60 90 100 110

Нагрузка на ось колеса, кН 27,959 27,959 23,69 23,69

Контурная площадь пятна контакта с почвой, м2 0,4255 0,3932 0,1772 0,1621

Ширина пятна контакта шины, м 0,930 0,930 0,231 0,233

Длина пятна контакта шины, м 0,25 0,23 0,40 0,44

Коэффициент приведения К1 площади пятна контакта к условиям работы на почве 1,10 1,10 1,15 1,15

Приведённая площадь пятна контакта шины с поч- " 2 вой, м2 0,4685 0,4325 0,2037 0,1864

Коэффициент К2 неравномерности распределения давления вдоль пятна контакта 1,5 1,5 1,5 1,5

Средние даления в пятне контакта шины с почвой, кПа 59,68 64,64 117,01 127,87

Максимальное давление в пятне контакта, кПа 89,51 96,97 175,52 191,81

Допустимые по ГОСТ Р 58655-2019 максимальные давления в пятне контакта, кПа 100 - в весенне-осенний период 140 - в летний период

Масимальные значения нормальных напряжений в почве на глубине 0,5 м, кПа 15,30 19,44 47,70 55,63

Допустимые по ГОСТ Р 58655-2019 нормальные напряжения в почве на глубине 0,5 м, кПа 25 - в весенне-осенний период 35 - в летний период

Значения нормальных напряжений в почве на глубине 0,5 м <70 5 определяли на основании полученных статическим обжатием шин на бетоне площадей пятен контакта.

В результате анализа расчётных данных (см. таблицу 6.32) установлено, что олигомерная шина 66x43,00-25 соответствует требованиям стандар-

тов [55] в полном объёме, так как максимально развиваемые давления в контактном отпечатке и нормальные напряжения на глубине 50 см в ранне-весенний период были не более 89,51 и 19,44 кПа соответственно, а в летний период - 96,97 и 15,30 кПа. В то же время расчёты показали, что ведущие колёса на шинах 21,3Я-24 создают максимальные по величине давления на почву и напряжения в ней на глубине 0,5 м на 75,5 % и 90,8 % соответственно больше допустимых в ранне-весенний период [55], а летне-осенний период - на 37,0% и 58,9%.

Учитывая, что при расчётном методе определения показателей воздействия на различные агрофоны МСТ не принимается во внимание агрегатное состояние и тип почвы, влажность и т.д., нами в ходе экспериментальных работ были определены напряжения, возникающих в почве после контакта её с испытываемыми шинами, прямым методом на стерне озимой пшеницы и на поле под посев (рисунок 6.45 и таблица 6.33).

а б

• • • • - олигомерная шина 66*43,00-25; А А А А - серийная шина 21,3Я-24

Рисунок 6.45 - Графики распределения нормальных напряжений

в почве по глубине

Таблица 6.33 - Нормальные напряжения, возникающие в слоях почвы при проходе колёс на сравниваемых шинах, кПа

Шина Агрофон Уровень почвы по глубине

0 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50

21,3R-24 стерня зерновых колосовых 182 178 132 74 23

поле под посев 220 200 126 88 10

66x43,00-25 стерня зерновых колосовых 90 98 91 39 23

поле под посев 112 124 114 45 10

Анализом данных, полученных при экспериментах, установлено, что в почве величина нормальных напряжений с увеличением глубины уменьшается, причём характер изменения значений для обоих испытываемых вариантов шин идентичен.

Анализ результатов экспериментальных работ показал значительное преимущество перед серийно выпускаемой шиной 21,3R24 шины фирмы «Lim», что хорошо просматривается в слоях почвы до 30 см: величина нормальных напряжений в пахотных горизонтах, создаваемых шиной фирмы «Lim», возникает в два раза ниже, чем под шиной 21,3R-24. С увеличением глубины измерения преимущество у шины фирмы «Lim» величина нормальных напряжений становится менее заметным, а на глубине 0,5 м, что рекомендуется определять стандартом [55], значения напряжений, создаваемых обеими шинами, фактически одинаковые: 10 и 23 кПа соответственно на поле под посев и стерне зерновых колосовых.

Шина фирмы «Lim» показала лучшие показатели агротехнической проходимости в пахотных слоях почвы, чем шина 21,3R24, что вполне закономерно в связи с большей в 2,4 раза площади её пятна контакта с почвенным основанием.

На глубинах почвы, превышающих 30 см, вероятно, возникающие напряжения зависят в основном от нормальной нагрузки на шину. Такие же результаты были получены при прямых измерениях напряжений в слоях почвы по следам колёс на других шинах.

Надо заметить, что значения нормальных напряжений в почве на глубине 0,5 м, полученные прямыми измерениями, существенно меньше расчёт-

ных, поэтому требованиям стандарта [55] удовлетворяют обе шины.

Агротехнические показатели почвы (объёмная масса) определялись в соответствии с ГОСТ 7057-2001 и ГОСТ 20915-2011 [51, 52].

Результаты по определению плотности сложения почвы представлены в таблице 6.34.

Данные экспериментального определения объёмной массы после прохода испытываемых шин свидетельствуют о том, что воздействие их на почву далеко неоднозначно, хотя изменения плотности почвы под испытываемыми шинами подчиняются практически одинаковым закономерностям при проходе шин по почвенным фонам: плотность почвы стабильно растёт в пахотных горизонтах.

Таблица 6.34 - Значения плотности сложения почвы по слоям, г/см3

Шина Агрофон Уровень почвы по глубине

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60

21,3R-24 стерня зерновых колосовых 1,18 1,37 1,35 1,29 1,29 1,29

поле под посев 1,15 1,31 1,34 1,36 1,33 1,30

66x43,00-25 стерня зерновых колосовых 1,15 1,30 1,32 1,28 1,28 1,28

поле под посев 1,09 1,24 1,32 1,31 1,30 1,32

При движении по полю под посев серийно выпускаемой шины 21,3R-24 в слоях до 30 см фиксировался рост плотности почвы на 20.40% больше, чем у шины фирмы «Lim». На глубинах от 30 до 60 см после прохода испытываемых шин по полю под посев повышение объёмной массы почвы не происходило. При движении испытываемых шин по стерне зерновых колосовых увеличение объёмной массы почвы после менее выражено, чем на поле под посев. Однако всё равно после прохода по участку шины 21,3 R24 возникает повышение объёмной массы почвы на 30.83%, в сравнении с олигомерной шиной 66x43,00-25. Причём рост объёмной массы (на 0,02 г/см3) происходит под шиной 21,3R24 и в слое почвы от 30 до 40 см.

Так как при движении по полю колёса одного борта М3С третьего тягового класса перекатываются по одной колее [227], возникла необходимость оценки влияния на агротехнические показатели почвы М3С с разной ком-

плектацией его ходовых систем (66*43,00-25, одинарные и сдвоенные шины 21,3Я24) при бороновании всходов кукурузы.

Почва на участке поля, где проходили испытания, имела предварительное уплотнение, связанное с проведёнными ранее технологическими операциями, а верхний слой был подсушен (таблица 6.35).

Таблица 6.35 - Показатели агротехнической проходимости МЭС класса тяги _3 при ^ бороновании всходов кукурузы_

Показатели и параметры Ед. изм. Слои почвы по глубине, см Варианты комплектования ходовой системы МЭС

66x43,00-25 21,3R24 сдвоенные 21,3R24

Колея Не просматривается

Плотность сложения почвы по фону г/см3 0 -10 0,76

10- 20 1,06

20-30 1,20

средняя 1,01

Плотность сложения почвы по колее г/см3 0 -10 0,93 1,00 0,96

10- 20 1,09 1,15 1,19

20-30 1,25 1,31 1,24

средняя 1,09 1,15 1,13

Твёрдость почвы по фону кПа 0 -10 67

10- 20 138

20-30 160

средняя 122

Твёрдость почвы по колее кПа 0 -10 87 124 117

10- 20 149 166 166

20-30 170 181 181

средняя 135 157 155

Видимо, этим объясняется отсутствие заметной колеи после прохода по полю МСА, укомплектованных различными испытываемыми шинами. Хотя результат анализа экспериментальных данных показал, что после проходов МЭС класса тяги 3 твёрдость почвы в верхних слоях в среднем увеличилась на 29,8%, на 28,1% и на 11,6% соответственно на серийно выпускаемых одинарных шинах, на сдвоенных серийно выпускаемых шинах 21,3R-24 и на шинах фирмы «Lim». Максимальное увеличение твёрдости почвы зафиксировано в слое до 10 см: на 87,9%, на 77,3% и на 31,8% соответственно при установке на МЭС класса тяги 3 серийно выпускаемых одинарных шин 21,3R-24, сдвоенных серийно выпускаемых шин 21,3R-24 и шин фирмы «Lim».

По следам М3С в верхних слоях почвы её плотность сложения повысилась на 6,9%, 10,9% и 13,9% соответственно на шинах фирмы «Lim», сдвоенных серийно выпускаемых шинах 21,3R-24 и одинарных серийно выпускаемых шинах 21,3R-24.

В поверхностном слое почвы (до 10 см) её плотность увеличилась на 22,4%, 26,3% и 31,6% соответственно при движении М3С на шинах фирмы «Lim», сдвоенных серийно выпускаемых шинах 21,3R-24 и одинарных серийно выпускаемых шинах 21,3R-24.

Отметим, что при движении по обоим агрофонам М3С класса тяги 3 на любых вариантах комплектования шинами значения плотностей сложения почвы (1,3 г/см3) были меньше допускаемых нормальным развитием корневой системы выращиваемых растений.

Наибольшая величина показателей воздействия на почву была показана М3С при их комплектовании серийными шинами, наименьшая -шинами фирмы «Lim», причём она имеет преимущества даже в сравнении с комплектацией М3С сдвоенными шинами 21,3R24.

В результате анализа данных, полученных при сравнительной оценке влияния на агротехническую проходимость МТА на базе трактора класса тяги 3 с ходовыми системами на сравниваемых шинах при бороновании кукурузы (см. таблицу 6.36), установлено, что после прохода обоих вариантов агрегатов колея не просматривалась.

По сравнению с Т-150 ходовые системы Т-150К, укомплектованные олигомерными шинами типоразмера 66x43,00-25, воздействуют на пахотный горизонт на более мягком уровне. Плотность сложения почвы после прохождения МТА на базе трактора Т-150К, на ходововой системе которого были установлены шины фирмы «Lim», и трактора Т-150 повысилась соответственно на 7,0 % и 11,0%, а твёрдость почвы - на 6,4% и 27,2%.

Таблица 6.36 - Сравнительные показатели агротехнической проходимости _МТА на базе трактора класса тяги 3 при бороновании кукурузы

Показатели и параметры Ед. изм. Слои почвы по глубине, см Варианты МЭС

Т-150К на шинах 66x43,00-25 Т-150

Колея Не просматривается

Плотность сложения почвы по фону г/см3 0 -10 0,89

10- 20 1,06

20-30 1,05

средняя 1,00

Плотность сложения почвы по колее г/см3 0 -10 0,98 1,02

10- 20 1,14 1,20

20-30 1,13 1,16

средняя 1,08 1,12

Твёрдость почвы по фону кПа 0 -10 81

10- 20 132

20-30 167