Experimental Stand Movable Module for Determining the Traction-Linked Properties of Wheel Engines and the Results of Laboratory Researches for Determining the Traction Force of Two-Wheel Tractors

Full Text

Введение

При производстве экологически чистого картофеля и других овощей на приусадебных участках важной операцией является обработка почвы (вспашка, фрезерование, культивация и т. д.) [1–3]. Для обработки почвы, учитывая малые площади и сложные контуры, достаточно широко используются средства малой механизации, среди которых наиболее распространенными являются мотоблоки [4].

Согласно исследованиям основными критериями обеспечения высокой эффективности функционирования мотоблоков, агрегатируемых с тяговыми и тягово-приводными сменными адаптерами, являются условия их прямолинейного движения при минимально допустимом буксовании ведущих колес, основанном на условии тягового баланса [5–7].

 

 

 

Рис. 1. Схема сил, действующих на мотоблок с тяговыми и тягово-приводными
сменными адаптерами

Fig. 1. Scheme of forces acting on the two-wheel tractor with traction and traction drive
interchangeable adapters

 

Так, согласно рисунку 1 данное условие для почвообрабатывающего агрегата на базе мотоблока с тяговыми и тягово-приводными сменными адаптерами будет иметь вид¹:

F_ТКΣ – F_СКΣ – F_СМ.А. ≥ 0,        (1)

где F_ТКΣ – сила тяги на ведущих колесах (суммарная), Н; F_СКΣ – сила сопротивления при перекатывании колес, Н; F_СМ.А. – сила сопротивления на рабочем органе, определяемая в ходе динамометрирования, Н [8–10].

Из анализа условия (1) следует, что для функционирования почвообрабатывающего агрегата необходимо обеспечить преодоление сил F_СКΣ и F_СМ.А.. Определяющим фактором для преодоления данных сопротивлений, согласно техническому регламенту, является сила тяги F_ТК на ведущих колесах².

Сила тяги мотоблока определяется зависимостью [11]:

F_ТК = k_с × F_gМК,            (2)

где k_с – коэффициент сцепления ведущих колес с почвой; F_gМК – сила тяжести мотоблока, приходящаяся на ось ведущих колес, Н.

Значения коэффициента k_с можно принимать по рекомендациям [12]. Однако приводимые значения коэффициента не всегда отвечают нужным требованиям и условиям функционирования. Поэтому получение наиболее точных значений силы тяги на ведущих колесах мотоблока возможно только в результате проведения экспериментальных исследований.

Обзор литературы

В настоящее время для исследования ведущих колес транспортно-технологических машин и определения их тягово-сцепных свойств применяются различные конструкции испытательных стендов. Рассмотрим особенности их конструкций и принципы функционирования.

С целью проведения испытаний ведущих колес путем моделирования их работы в Могилевском машиностроительном институте был разработан стенд для испытаний крупногабаритных колес (рис. 2) [13].

 

 

 

Рис. 2. Стенд для испытания ведущих колес

Fig. 2. Test bench for driving wheels

 

Отличительной особенностью данного стенда является то, что испытуемое колесо 1 устанавливается в ванну 2, заполненную землей. При включении привода 3 испытуемого колеса происходит имитация его проскальзывания на тяговом режиме. Однако данный стенд имеет основной недостаток, заключающийся в том, что твердость почвы в ходе испытаний меняется в небольшом диапазоне значений и определяется гранулометрическим составом и типом почвы.

Существует стенд для определения коэффициентов сцепления колес в продольном и поперечном направлениях (рис. 3) [14].

 

 

 

Рис. 3. Стенд для определения коэффициентов сцепления

Fig. 3. Stand for determining the coefficient of adhesion

 

Данный стенд позволяет проводить исследования тягово-сцепных свойств колеса 1 при фиксированном значении давления воздуха в шине с одновременным контролем вертикальной и горизонтальной нагрузок при помощи тензометрической площадки 2 и осциллографа 3.

Однако предлагаемый стенд позволяет определять коэффициенты сцепления только колес с пневматическими шинами на твердых типах покрытия.

Также существует стенд для определения эксплуатационных показателей колесных движителей, разработанный Днепропетровским инженерно-строительным институтом (рис. 4) [15].

 

 

 

Рис. 4. Стенд для исследования тягово-сцепных свойств колесного движителя

Fig. 4. Stand for the study of traction and coupling properties wheel mover

 

Принцип работы стенда заключается в передаче крутящего момента от ведущего барабана 1 через тяговый канат 2 к ведомому барабану 3 с закрепленными на нем испытуемыми колесами 4 и 5. Ведущие колеса контактируют с имитатором дорожного покрытия 6, связанным с динамометром 7.

Особенностью данного стенда является то, что тяговое сопротивление приложено к оси испытуемых колес, что в свою очередь повышает точность воспроизведения режимов их работы. Однако, как и в предыдущем случае, данный стенд предназначен для испытания только колес на резиновом ходу при условии их движения по твердой поверхности.

Кроме выше указанных конструкций стендов для исследования тяговых показателей ведущих колес транспортно-технологических машин существуют разработки коллективов ученых во главе с В. В. Гуськовым, С. А. Владыкиным, М. А. Левиным, В. В. Кузнецовым и др. [16–19]. Однако данные разработки отличаются сложностью конструкций и ограниченностью функциональных возможностей, в связи с чем их использование, наряду с рассмотренными стендами для испытания металлических грунтозацепов, используемых, как правило, в качестве ведущих колес мотоблока при обработке почвы, не представляется возможным.

Материалы и методы

В результате изучения выше указанных конструкций стендов для исследования тягово-сцепных свойств колес транспортно-технологических машин был выявлен ряд недостатков, а именно: подавляющее большинство стендов направлено на исследование характеристик колес только на резиновом ходу и на твердых покрытиях [13–16].

Из патентного и литературного анализа следует, что для исследования тягово-сцепных свойств движителей мотоблока необходимо разработать установку, которая позволит определить значение силы тяги на его ведущих колесах с учетом массовых характеристик, скорости движения и свойств обрабатываемой среды.

Для этого была предложена и разработана конструкция экспериментального стенда (рис. 5), позволяющего обеспечить натурное моделирование функционирования ведущих колес мотоблоков как с пневматическими шинами, так и с металлическими грунтозацепами и определить тяговые силы в зависимости от конкретных почвенных условий (патент РФ на полезную модель № 188610 «Подвижный модуль испытательного стенда») [20].

 

 

 

Рис. 5. Подвижный модуль экспериментального стенда для исследования ведущих движителей

Fig. 5. Movable module to determine traction on the drive wheels of the two-wheel tractor

 

Возможность стенда устанавливать экспериментальным путем силу тяги на ведущих колесах будет способствовать определению наиболее оптимальных режимов функционирования почвообрабатывающих агрегатов на базе мотоблоков с тяговыми и тягово-приводными сменными адаптерами [21].

Для конкретизации значений силы тяги на ведущих колесах мотоблока экспериментальным путем рассмотрим методику планирования и проведения многофакторного эксперимента в зависимости от массы и скорости движения почвообрабатывающего агрегата и твердости почвы³.

Первоначальным этапом реализации методики планирования является выбор оптимальной математической модели и типа плана⁴. Приняв во внимание ранее проводимые исследования степени влияния почвенных условий, скоростных и массовых характеристик почвообрабатывающих агрегатов на их тяговые показатели, можно утверждать, что зависимость F_ТК имеет нелинейный характер⁵ [22–24]. Следовательно, при проведении эксперимента первоначальной моделью функции отклика выберем полином второго порядка⁶.

Для планирования эксперимента необходимо определить область факторного пространства. Основываясь на анализе исследований, в которых отражены условия возникновения силы тяги F_ТК на ведущих колесах почвообрабатывающих машин, параметры, описывающие состояние обрабатываемой почвы, а также учитывая большое количество конструктивных и технологических характеристик почвообрабатывающих агрегатов, с большой долей вероятности основными показателями можно считать скорость движения v_п (км/ч), твердость почвы р (МПа), массу мотоблока m (кг)⁷ [12; 25].

Ввиду того, что передвижение мотоблока по обрабатываемому участку всегда сопровождается буксованием движителей относительно почвы, перед началом определения факторных пространств v_п, р и m необходимо указать величину коэффициента буксования δ ведущих колес, при котором достигается максимальная сила тяги почвообрабатывающего агрегата.

Учитывая исследования, проведенные В. В. Гуськовым, и приняв во внимание тяговый класс мотоблоков (0,1), которому соответствует максимальное значение силы тяги, равное 1,8 кН, сделаем вывод, что для мотоблоков коэффициент буксования находится в пределах от 31 до 32 %⁸.

Для выбора факторного пространства скорости движения мотоблока v_п и твердости обрабатываемой почвы р воспользуемся рекомендациями, из которых можно сделать некоторые выводы⁹ [26; 27]:

– величина скорости мотоблока под управлением человека не должна превышать 4 км/ч;

– минимальная скорость передвижения в процессе обработки почвы (например вспашки) с учетом качества выполняемых работ составляет 2 км/ч;

– диапазон варьирования значений твердостей существующих типов почв, от легких до тяжелых, находится в пределах от 0,7 до 3 МПа соответственно;

– существующие конструкции мотоблоков эксплуатируются только на легких и средних почвах в диапазоне твердости от 0,7 до 1,6 МПа.

В основе выбора факторного пространства массовых характеристик m необходимо опираться на весовые показатели исследуемого мотоблока, в нашем случае «Нева» МБ23-МультиАГРО Pro с грузами-утяжелителями, оказывающими влияние на повышение тягово-сцепных свойств ведущих колес. В совокупности с массой мотоблока, сменного адаптера (плуга, фрезерного рабочего органа и др.) и установленных грузов-утяжелителей общая масса почвообрабатывающего агрегата находится в пределах от 140 до 180 кг.

Указанные значения массы соответствуют тяговому классу 0,1, к которому причисляются мотоблоки¹⁰. Однако, учитывая, что центр масс мотоблока расположен на определенном расстоянии от его центральной оси (оси симметрии), указанный диапазон его масс в полной мере не удовлетворяет условиям проведения эксперимента. В связи с этим целесообразно будет выбрать в качестве факторного пространства, учитывающего массу мотоблока, реакцию почвы, приходящуюся на каждое его ведущее колесо R_K1 и R_K2, принимая во внимание балластные грузы.

После проведенного анализа исследований по определению статической устойчивости мотоблока от опрокидывания было выяснено, что значения R_K1 и R_K2 с большой точностью можно вывести из соотношений:

$R_{\text{K}1}={{\rm K}}_{\text{1}}{{\rm K}}_{\text{2}}{F}_{g\text{M}}+{{\rm K}}_{\text{4}}{F}_{gБ\text{1}}-{{\rm K}}_{\text{5}}{F}_{gБ\text{2}}$ , (3)

$R_{\text{K2}}={{\rm K}}_{\text{1}}{{\rm K}}_{\text{3}}{F}_{g\text{M}}-{{\rm K}}_{\text{5}}{F}_{gБ\text{1}}+{{\rm K}}_{\text{4}}{F}_{gБ\text{2}}$ . (4)

Для наглядности величины R_K1 и R_K2 для мотоблока «Нева» МБ23-МультиАГРО Pro сведены в таблицу 1.

 

Таблица 1 Значения R_K1 и R_K2 для мотоблока «Нева» МБ23-МультиАГРО Pro

Table 1 R_K1 and R_K2 values for the Neva MB-23-MultiAGRO Pro two-wheel tractor

 

Сцепной вес мотоблока с утяжелителями m, кг / Coupling weight of the two-wheel tractor with weights m, kg	Реакция на ведущих колесах мотоблока со стороны почвы / The reaction to the drive wheels of tillers from the soil
	RK1, Н / RK1, N	RK2, Н / RK2, N
140	814	570
160	903	679
180	990	790

 

 

Из таблицы 1 следует, что значения R_K1 и R_K2, действующие со стороны почвы, находятся в диапазоне от 570 до 990 Н. Таким образом, область факторного пространства для определения силы тяги на ведущих колесах мотоблока R_Ki = 570–990 Н.

Проведя анализ вышеуказанных результатов, окончательно примем интервалы варьирования переменных факторов: v_п = 2–4 км/ч, p = 0,7–1,6 МПа и RKi = 570–990 Н.

Далее, основываясь на ранее проведенных исследованиях с учетом рекомендаций, определим условия лабораторных исследований (координаты центра плана эксперимента, интервалы и уровни варьирования для принятых значений p, v_п и R_Ki)¹¹. Условия проведения лабораторных исследований представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 Условия проведения лабораторных исследований

Table 2 Conditions for conducting laboratory tests

 

Переменный фактор /Variable factor	Переменный интервал (∆Хi) / Variable interval (∆Хi)	Звездное плечо (αi) / Star Shoulder (αi)	Уровни переменных факторов / Levels of variable factors
			0	+1,0	–1,0	–1,682	+1,682
Твердость почвы p, МПа/ Soil hardness p , MPa	0,45	0,76	1,15	1,6	0,7	0,390	1,910
Скорость движения vп, км/ч / Travel speed vп, km/h	1,00	1,68	3,00	4,0	2,0	1,320	4,680
Реакция на ведущем колесе RKi, N / Reaction on the driving wheel RKi, Н	210,00	143,00	780,00	990,0	570,0	427,000	1133,000

 

Результаты исследования

В ходе проведения лабораторных исследований были определены коэффициенты регрессионной модели силы тяги F_ТКi (табл. 3).

 

Таблица 3 Коэффициенты регрессионной модели силы тяги F_ТКi ведущего колеса мотоблока в натуральном виде

Table 3 Coefficients of the regression model of the traction force F_ТКi of the drive wheel of the two-wheel tractor in natural form

 

Характеристика уравнения регрессии / Characteristic regression equations	Коэффициенты регрессии в кодированном виде /Regression coefficients encoded
	Обозначение, размерность / Designation, dimension	Значение / Value
Сила FТKi / Strength FТKi	KТK0, Н / KТK0, N	132,600000
	KТK1, мм2 / KТK1, mm2	351,600000
	KТK2, Н∙ч/км / KТK2, N∙h/km	38,400000
	KТK3	0,019000
	KТK12, мм2×ч/км / KТK12, mm2×h/km	12,610000
	KТK13, мм2/Н / KТK13, mm2/N	0,608000
	KТK23, ч/км / KТK23, h/km	0,088000
	KТK11, мм4/Н / KТK11, mm4/N	87,400000
	KТK33, Н–1 / KТK33, N–1	0,000186

 

 

На основании данных таблицы 3 было установлено уравнение регрессии силы тяги на ведущих колесах в натуральном виде:

F_ТKi = 132,6 – 351,6р + 38,4v_п – 0,019R_Ki – 12,61рv_п + 0,608рR_Ki – 0,088v_пR_Ki + 87,4р² + 0,000186R_Ki².            (5)

Однако, как было отмечено ранее, масса мотоблока «Нева» МБ23-МультиАГРО Pro с целью повышения тягово-сцепных свойств колес мотоблока с почвой может варьироваться путем установки или снятия грузов-утяжелителей, масса которых имеет фиксированное значение (10 кг). Следовательно, масса мотоблока с утяжелителями может быть равной 140, 160 или 180 кг.

Для указанных значений массы мотоблока реакция R_Ki на ведущих колесах, с учетом положения его центра масс, будет равна:

– при m = 140 кг R_K1 = 709,3 Н, R_K2 = 671,5 Н;

– при m = 160 кг R_K1 = 808,7 Н, R_K2 = 770,9 Н;

– при m = 180 кг R_K1 = 908,1 Н, R_K2 = 870,3 Н.

Учитывая значения RKi, регрессионное уравнение силы тяги (5) для каждого ведущего колеса мотоблока F_ТK1 и F_ТK2 будут иметь вид:

1. При m = 140 кг

   $F_{\text{TK}1}=\mathrm{212,7}+\mathrm{79,7}p-24v_{\Pi }-\mathrm{12,67}p{v}_{\Pi }+\mathrm{87,4}{p}^2,$  (6)

   $F_{\text{TK}2}=\mathrm{203,7}+\mathrm{56,7}p-\mathrm{20,7}{v}_{\Pi }-\mathrm{12,67}p{v}_{\Pi }+\mathrm{87,4}{p}^2.$ (7)

2. При m = 160 кг

 $F_{\text{TK}1}=\mathrm{238,8}+\mathrm{140,1}p-\mathrm{33,7}{v}_{\Pi }-\mathrm{12,67}p{v}_{\Pi }+\mathrm{87,4}{p}^2,$  (8)

  $F_{\text{TK}2}=\mathrm{228,5}+\mathrm{117,1}p-\mathrm{29,4}{v}_{\Pi }-\mathrm{12,67}p{v}_{\Pi }+\mathrm{87,4}{p}^2.$ (9)

3. При m = 180 кг

 $F_{\text{TK}1}=\mathrm{268,7}+\mathrm{200,5}p-\mathrm{41,5}{v}_{\Pi }-\mathrm{12,67}p{v}_{\Pi }+\mathrm{87,4}{p}^2,$ (10)

 $F_{\text{TK}2}=257+\mathrm{177,5}p-\mathrm{38,2}{v}_{\Pi }-\mathrm{12,67}p{v}_{\Pi }+\mathrm{87,4}{p}^2.$ (11)

На рисунках 6‒8 представлены частные графические решения уравнений (6) и (7), (8) и (9), (10) и (11) для массы мотоблока 140, 160 и 180 кг соответственно с осями координат F_ТK1 (F_ТK2), p и v_п. Полученные результаты коррелируют с ранее проведенными исследованиями [28–30].

 

 

 

Рис. 6. Графики сил FТК1 и FТК2 при массе мотоблока 140 кг

Fig. 6. Graphs of FTK1 and FTK2 forces with weight of 140 kg

 

 

 

 

Рис. 7. Графики сил FТK1 и FТK2 при массе мотоблока 160 кг

Fig. 7. Graphs of FTK1 and FTK2 forces with weight of 160 kg

 

 

 

 

 

Рис. 8. Графики сил FТК1 и FТК2 при массе мотоблока 180 кг

Fig. 8. Graphs of FTK1 and FTK2 forces with weight of 180 kg

 

 

Обсуждение и заключение

Таким образом, предложенная конструкция подвижного модуля экспериментального стенда позволяет в лабораторных условиях обеспечить проведение исследований функционирования ведущих колес мотоблока как с пневматическими шинами, так и с металлическими грунтозацепами с возможностью определения их силы тяги F_ТK на различных режимах работы, в процессе проведения обработки почвы различными тяговыми и тягово-приводными сменными адаптерами [20].

В результате лабораторных испытаний были получены регрессионное уравнение в общем виде (5), его частные решения (6)–(11) и графические модели сил тяги F_ТK1= f (p; v_п) и F_ТK2 = f (p; v_п) (рис. 6–8), показывающие изменение силовых характеристик для различных значений массы пахотного агрегата на каждом ведущем колесе мотоблока.

Использование полученных результатов позволит в дальнейшем определять наиболее эффективные режимы функционирования мотоблока при проведении различных технологических операций, связанных с обработкой почвы.

 

¹           Уланов А. С. Повышение эффективности функционирования мотоблока с лемешно-отвальным плугом: дис. ... канд. техн. наук. Саранск, 2019. 250 с.

²           Иншаков А. П., Карпов А. М., Кувшинов А. Н. Технологические и технические аспекты эффективного использования машинно-тракторного парка в сельскохозяйственном производстве. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. 156 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01005488674 (дата обращения: 10.02.2021).

³           Копылова И. Б. Методы обработки методических материалов для магистров направления подготовки 03.04.01 – «Прикладные математика и физика». Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2017. 48 с.; Методы и средства научных исследований. Методы планирования и обработки результатов экспериментов / А. Н. Чубинский [и др.]. СПб.: СПбГЛТУ, 2018. 109 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01009792444 (дата обращения: 10.02.2021).

⁴           Коптяев В. А. Повышение эффективности функционирования колесных энергосредств, работающих в составе машинно-тракторных агрегатов, за счет улучшения их тягово-сцепных свойств: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2002. 19 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01003231092 (дата обращения: 10.02.2021).

⁵           Копылова И. Б. Методы обработки методических материалов для магистров направления подготовки…

⁶           Методы и средства научных исследований...

⁷           Романов Ф. Ф. Малогабаритные энергосредства. Выбор оптимальных эксплуатационных параметров: монография. СПб.: Агропромиздат, 2000. 182 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01000691674 (дата обращения: 10.02.2021).

⁸           ГОСТ 28523–90. Мобильные средства малой механизации сельскохозяйственных работ. Тракторы малогабаритные. Типы и основные параметры. М., 2005. 2 с.; Гуськов В. В., Велев Н. Н., Атаманов А. Ю. Тракторы: Теория: Учеб. для вузов по спец. «Автомобили и тракторы». М.: Машиностроение, 1988. 376 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01001407450 (дата обращения: 10.02.2021).

⁹           Мотоблок «Агро»: Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: https://fermerinform.ru/wp-content/uploads/2017/12/agro2.pdf (дата обращения: 10.02.2021); Мотоблок «Нева» МБ-23 МультиАГРО и его модификации. Руководство по эксплуатации 005.70.0100 РЭ1 [Электронный ресурс]. URL: http://tehnoservis.ru/docs/mb23.pdf (дата обращения: 10.02.2021).

 

¹⁰          ГОСТ 27021–86. Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные. Тяговые классы. М., 1986. 6 с.

 

¹¹          Уланов А. С. Повышение эффективности функционирования мотоблока с лемешно-отвальным плугом...; Методы и средства научных исследований...

 

About the authors

Aleksandr S. Ulanov

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: ulanow.aleksandr2010@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6041-6911
ResearcherId: L-4662-2018

Lecturer of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery of Institute of Mechanics and Power Engineering, Cand.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Vladimir F. Kupryashkin

National Research Mordovia State University

Email: kupwf@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7512-509X
ResearcherId: L-5153-2018

Head of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery of Institute of Mechanics and Power Engineering, Cand.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Michail G. Shlyapnikov

National Research Mordovia State University

Email: mix.shlyapnickoff2015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4784-4695

Engineer of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery of Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Aleksandr Yu. Gusev

National Research Mordovia State University

Email: a.gusev57@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5808-4169

Postgraduate Student of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery of Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Vladimir I. Slavkin

Russian State Agrarian Correspondence University

Email: mcht@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-6116-6616
ResearcherId: AAF-2576-2021

Professor of the Chair of Operation and Technical Service of Machines, D.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 50 Shosse Entuziastov, Balashikha 143907

References

Supplementary files