ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕСНО-ГУСЕНИЧНОЙ ХОДОВОЙ СИСТЕМЫ
С  ДЕФОРМИРУЕМОЙ  ПОВЕРХНОСТЬЮ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

 

Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

 

The comparative estimation by the offered new criterion of a level of ecological influence used wood caterpillar logging tractors on a deformable surface is lead. The prospect of performance of running systems of wood tractors is determined. The offered technique allows to estimate on a design stage of a running part a level of ecological influence of  a caterpillar logging  tractors on a deformable surface.

 

Современная тенденция совершенствования ходовых систем лесных трелевочных тракторов должна быть направлена в основном на выполнение требований экологии, тягово-сцепных свойств и повышения проходимости тракторов в бездорожных условиях применения, т.е. на лесосеке. Критерии оценки повышения указанных свойств тракторов разрабатываются теорией системы "местность-машина", направленной главным образом на решение экологических проблем промышленного вмешательства человека в экосреду. Разрушение опорного слоя с образованием глубокой колеи, уплотнение и эрозия почвы определяется в значительной степени конструкцией ходовой системы и параметрами технологического использования трелевочных тракторов.

Увеличение количества применяемых трелевочных тракторов с колесно-гусеничным движителем  в определенной степени оправдано, т.к. они дешевле гусеничных, меньше по габаритам и весу, отличаются высокой маневренностью, удобством управления, более высокой плавностью хода.

В последнее время ряд фирм Швеции и Финляндии, выпускающих лесозаготовительную технику (форвардеры, харвестеры, процессоры и т.д.), стали применять новый тип ходовых систем – тандемные опорно-тяговые ходовые тележки, пневматические катки которых попарно снабжены гусеничными лентами. Подобную конструкцию ходовых систем развивает фирма "Тимберджек". Указанная тенденция поддерживается рядом фирм  "Оsa", "Valmet" и развивается по двум направлениям:

- с приводом гусеничной цепи от ведущей звездочки (фирма Valmet) – в системе "Экотракт";

-  с  приводом гусеничной ленты от ведущих опорных пневматических шин катков (в основном фирмы "Тимберджек" и "Valmet").

Второе направление позволяет использовать ходовую часть как в колесном варианте, так и в гусеничном. Это представляет для нас наибольший интерес.

Процессы взаимодействия элементов такой ходовой системы осуществляются в двух параллельных алгоритмах:

- создание силы перематывания гусеничной ленты за счет взаимодействия опорных ведущих (приводных) колес – катков с гусеничной лентой без явных признаков зацепления с ней, кроме упругих сил трения (возможен специальный профиль шин, имитирующий цевочное зацепление колеса с гусеницей за счет поперечных грунтозацепов на профиле шины);

- создание силы тяги гусеничной ленты в зоне взаимодействия с деформируемой поверхностью за счет привода от опорных колес.

Такой последовательный и взаимозависимый характер взаимодействия элементов ходовой системы является малоизученным, поэтому осуществлена попытка теоретического осмысления происходящих процессов взаимодействия. При рассмотрении вопроса применена следующая последовательность:

- рассмотрены параметры движения и силовые факторы качения опорных ведущих шин-катков по твердой поверхности (по гусеничной ленте) с передачей силовых параметров по тяге – гусеничной ленте через зону упругого контакта катка с этой лентой;

- затем рассматриваются параметры взаимодействия гусеничной ленты с поверхностью (необходимая площадь опорной поверхности гусеничной ленты, оптимальная вертикальная нагрузка на тандем ходовой части, коэффициент сцепления с поверхностью);

В качестве опорных катков применим тороидальные шины с радиальной нагрузкой 24…40 кН.

При рассмотрении вопроса применена методика определения параметров взаимодействия шина - гусеничная лента (рис. 1) [1].

 

- толкающая сила перемещения каретки с опорными катками от силы сцепления катка с гусеничной лентой;  - реактивный момент от сил ; - реакция "кирпичиков" грунта, заключенных между грунтозацепами гусеничной ленты и грунтом на действие реактивной силы   от взаимодействия ведущего опорного катка ходовой системы с гусеничной лентой; F - площадь опорной поверхности гусеничной ленты.   Рисунок 1 -  Колесно-гусеничный движитель с одним ведущим опорным катком

 

Сопротивление качению опорного ведущего катка по гусеничной   ленте можно выразить [1]:

                                                                                           

где – радиус колеса (катка) в ведомом режиме, м;

     - крутящий момент, подводимый к оси колеса, Н×м (М_кр » Мj);

       - условно "динамический" радиус катка в функции подводимого крутящего момента, ;    

       - вертикальная нагрузка на каток, Н;

      - коэффициент сопротивления качению катка в ведомом режиме (=0).

                                                         ,                                               (1)

где  - давление воздуха в шине катка (МПа);

        МПа;   Н×м².

 

      Радиус колеса (катка) в ведомом режиме определяется по формуле:

                                                         ,                                          (2)

где   - наружный радиус шины в состоянии, свободном от всех видов нагрузки, м;

r₀ =0,574…0,641 м; a₁ = (0,747…1,494)×10³ Н^-1; a₂ = (0,917…1,883) ×10³ Н^-1.

       

                                           ,                                   (3)

где , ,  - паспортные параметры шин катка.

Радиус качения шины при буксовании  (с учетом упрощений из-за малости значений сомножителей):

,

 

где j_к – коэффициент сцепления шины с гусеничной лентой.

  Момент, реализуемый шиной при сцеплении с гусеничной лентой в начале буксования равен:

.

Значение ,  деленное на радиус катка  определяет натяжение в гусеничной ленте Т, т.е. тангенциальное воздействие ленты на поверхность.

Коэффициент сцепления  ведущей опорной шины катка с гусеничной ленты в начале возможного буксования определяется по формуле:

 

,

 

или с незначительной погрешностью:

                                                         .                                           (4)

 

Формула (4) соответствует началу процесса буксования колеса относительно гусеницы.

Согласно [2] коэффициент сцепления гусеницы с грунтом равен:

 

                                              .                         (5)

где q - удельное давление гусеницы (КПа); С₀ и tgq - параметры тангециального сопротивления почвы сдвигу.

Для определения необходимой площади F опорной поверхности гусеничной ленты колесно-гусеничной ходовой системы (тандема) рассмотрим систему с двумя ведущими опорными катками по борту. Рассматриваемая схема наиболее часто встречается для полной реализации сцепного веса, приходящегося на каретку тандема.

При рассмотрении вопроса могут иметь место  следующие два соображения:

1. Если допустить возможность пробуксовывания ведущих колес относительно гусеничной ленты, то надо принять .

Это экологически оправданный вариант, т. к. отсутствует повреждение поверхности от режима буксования гусеничной ленты. Однако, это приводит к снижению тяговых свойств и износу шины катка.

2. Если допустить возможность пробуксовки гусеничной ленты относительно поверхности, то надо принять .

Это экологически неоправданный вариант, т.к. будет иметь место образования глубокой колеи и увеличение сопротивления движению ходовой системы.

Примем равенство коэффициентов сцепления .

Определим потребную площадь опорной поверхности колесно-гусеничной ходовой системы из принятого условия:

 

,

где .

Преобразуя, получим:

 

,

 

или с учетом , а для двух катков , получим

 

.

 

  После преобразований получим:

.

  Учитывая формулу (3), получим:

 

            .      (6)

 

  Пример определения необходимой площади гусеничных лент двух колесно-гусеничных тандемов по борту машины с одной ведущей шиной в тандеме.

  В качестве опорных катков применены обычные тороидальные шины 14,00–20,00 (370 - 508 мм) при нагрузке на каждую шину 22,50 кН;  внутреннем давлении воздуха ; радиус шины  м; коэффициенте сцепления шин с гусеничной лентой, равном коэффициенту сцепления гусеничной ленты с почвой (заболоченным лугом, торфом) ;  f₀ = 0,01806;  
С₀ = 20 кПа; tgq =0,105.

 

=1,287 м²

 

Общее давление трактора на поверхность при G_S = 90 кН  и  количестве тандемов – 4 на оба борта (8 шин) равно:

 кПа.

 

Ширина гусеничной ленты b равна , где B = 0,37 м – ширина шины; = 0,025 (м) - ширина ограничителя шины на ленте; b = 0,37 + 2×0,025 = =0,42 м.

Суммарная длина опорной поверхности гусеничной ленты по борту  м, а параметр деформатора  .

  При двух тандемах на борт (4 шины) на каждый тандем приходится длина опорной поверхности гусеничных лент по 1,53 м. Для справки: длина опорной поверхности гусеницы по каждому борту тракторов – ТТ-4М равна 3,0 м; ТЛТ-100 – 3,2 м.

Литература

1. Петрушов В.А. и др. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов. - М.: Машиностроение, 1975.- 221с.

2. Анисимов Г.М. и др. Лесные машины: Учебник. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 511с.