Модуль 3. Продольная устойчивость гусеничных машин Лекция 3.1. Особенности кинематики и динамики гусеничного движителя

3.1.1. Кинематика гусеничного движителя

Гусеничный движитель (см. рис. 25) представляет собой механизм для передвижения посредством двух замкнутых, параллельно вращающихся шарнирных или бесшарнирных лент, называемых гусеницами.

Гусеничная лента , замкнутая по контуру, образованному ведущим колесом , поддерживающими и опорными катками и направляющим колесом составляют гусеничный обвод.

Ветвь обвода длиной , расположенную на участке от ведущего колеса до грунта (против направления движения) и нагруженную касательной силой тяги, называют рабочей, или ведущей, ветвью. Участок обвода длиной между ведущим колесом и грунтом (по направлению движения), не нагруженный касательной силой тяги, называют свободной ветвью, а участок длиной между крайними опорными катками – опорной ветвью. Длина гусеничного обвода .

Ветвь обвода между направляющим колесом и опорным катком (при заднем расположении ведущей звёздочки) или между ведущей звёздочкой и опорным катком (при переднем расположении ведущей звёздочки) иногда называют лобовой.

Теоретическая поступательная скорость гусеничного трактора, определяемая при условии равномерного вращения ведущей звёздочки и отсутствия буксования или скольжения гусениц, может быть выражена в той же форме, какая была принята для колёсной машины, т.е.

,

где - теоретический (динамический) радиус ведущей звёздочки гусеничного движителя.

Скорость, подсчитанная по этой формуле, является средней. Вследствие того, что гусеничная цепь представляет собой не гибкую ленту, а состоит из отдельных жёстких звеньев, действительная скорость поступательного движения трактора не имеет постоянного значения даже при равномерном вращении ведущей звёздочки и меняется периодически с периодом , где - число активнодействующих зубьев звёздочки (если зацепление производится через зуб, как это иногда делают, то ).

У сельскохозяйственных тракторов влияние периодических колебаний скорости движения невелико. У быстроходных гусеничных машин оно может быть значительным. В дальнейшем под теоретической поступательной скоростью движения гусеничного трактора будем понимать осреднённую скорость, определяемую по вышеприведённой формуле.

Двигаясь без буксования, трактор проходит за один оборот ведущей звёздочки путь, равный периметру описанного многоугольника, образуемого звеньями гусениц, укладывающимися на окружности звёздочки. Таким образом, для гусеничного движителя можно записать

, где - шаг звена гусеницы.

Отсюда теоретический (динамический) радиус ведущей звёздочки можно определить по формуле:

.

Шаг звена гусеницы по мере износа проушин и пальцев несколько увеличивается. Это меняет и радиус ведущей звёздочки. Более точно величину определяют экспериментальным путём по методике, изложенной в лекции 2.3., т.е.

,

где - число оборотов ведущей звёздочки, замеренное при прохождении трактором без нагрузки на крюке мерного гона длиной на участке с высокими сцепными свойствами. Для гусеничного трактора такой метод определения радиуса ведущей звёздочки достаточно точен.

3.1.2. Динамика гусеничного движителя. Толкающая сила гусеничной машины. Сопротивление перекатыванию гусеничной машины

Толкающая сила гусеничного движителя определяется по аналогии с толкающей реакцией почвы колёсного движителя следующей формулой:

,

где - момент, затрачиваемый на преодоление внутренних сопротивлений в гусеничном движителе (момент внутренних потерь);

- инерционный момент деталей гусеничного движителя, приведённый к ведущей звёздочке.

Как видно из предыдущей формулы толкающая сила гусеничного движителя уменьшается вследствие наличия внутренних потерь в гусеничном движителе.

Момент внутренних потерь складывается из потерь от сил трения первой группы, которые возникают вследствие трения в шарнирах ведущего участка гусеницы . Эти потери зависят от конструкции гусеничного движителя (величины радиуса пальца шарнира, длины звена, углов поворота и др.) и материала его деталей (коэффициента трения). Кроме того он учитывает и потери, вызываемые силами трения второй группы, которые возникают в связи с трением в опорных катках под действием весовой нагрузки и в шарнирах всего обвода гусениц вследствие предварительного их натяжения.

При установившемся движении толкающая сила (равнодействующая касательных сил реакций) определяется по формуле:

.

Сопротивление качению гусеничного трактора складывается из двух основных компонентов: из указанных выше внутренних сопротивлений гусеничного движителя и внешних сопротивлений, возникающих вследствие деформации почвы под действием нагрузок, передаваемых на гусеницы опорными катками. Принимают, что внешние сопротивления создаются преимущественно при укладывании на землю лобовых ветвей гусеницы, а последующие опорные катки катятся по уплотнённой почве (см. рис. 26).

Равнодействующая реакций почвы, действующих на передние лобовые ветви гусениц при движении трактора по деформируемому основанию, называется лобовым сопротивлением. Разложим лобовое сопротивление на две составляющие и . Горизонтальная составляющая равнодействующей силы является вторым компонентом сопротивления качению гусеничного трактора.

В соответствии с изложенным сила сопротивления качению гусеничного трактора при установившемся движении на горизонтальном участке пути может быть записана в виде

.

Отношение силы к весу трактора представляет собой коэффициент сопротивления качению, т.е.

.

3.1.3. Потери в гусеничном движителе. КПД гусеничного движителя. Методика определения буксования гусеничного трактора

Потери в гусеничном движителе, как и для колёсного движителя, складываются из потерь, связанных с сопротивлением качению и потерь на буксование движителя.

КПД гусеничного движителя может быть представлен, как и для колёсного движителя в виде произведения КПД , учитывающего потери на качение трактора и КПД , характеризующий потери на буксование гусениц, т.е.

,

или если разделить на потери на трение в гусеничном движителе и потери на прессование почвы и обозначить КПД первого и второго , то

.

На почвах нормальной влажности 60…70% потерь – это внутренние потери, поэтому большое значение имеет состояние гусеничного движителя (смазка, натяжение гусеничной цепи, уплотнение подшипников опорных катков и др.) и 20…30% - потери на вертикальную деформацию почвы. Потери на буксование движителей не велики и на основных рабочих режимах составляют 2…4%.

На почвах с малой несущей способностью потери на прессование почвы и буксование могут занять основное место. Высокие сцепные свойства гусеничного движителя обеспечиваются за счёт трения опорных поверхностей гусениц о почву и за счёт продольных реакций почвы, возникающих в результате прессования её почвозацепами опорных звеньев гусениц в направлении, противоположном движению трактора.

Прессование почвы в указанном направлении приводит к снижению поступательной скорости трактора. При перемещении гусеничной ленты вперёд на одно звено трактор проходит расстояние на какую-то величину меньше, чем шаг звена. Отношение представляет собой величину буксования гусеничного движителя. Экспериментально она определяется по известной формуле

,

где - кинематический радиус звёздочки. Замер и может быть выполнен по тому же методу, что и для колёсной машины (по ГОСТ 7057-81) и величина буксования представляется как функция нагрузки на крюке .