ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА НА УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВЫ

Гайнуллин И.А.

ORCID:0000-0003-4280-1095, кандидат технических наук, доцент, Институт развития образования Республики Башкортостан

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА НА УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВЫ

Аннотация

В статье рассматриваются воздействие гусеничного трактора на почву. Предложена методика определения нормальных давлений и напряжений в почве на различной глубине. Датчики давления устанавливались на глубину 0,2 м, 0,5 м, 0,8 м. Замеры давлений проводились при движении трактора режиме холостого хода и с нагрузкой на крюке 80 кН с точкой ее приложения на высоте 0,4 м от опорной поверхности. Представлены экспериментальные значения давления на почву трактора Т-170М1.03-55 в зависимости от скорости движения и тяговой нагрузки. Эпюра нормальных давлений имеют два локальных экстремума – в зонах первого и шестого опорных катков, составляет 220…282,1 кПа. При движении трактора без тяговой нагрузки наибольшее давления сосредоточены в области передних опорных катков, значительное превышение величины давления под первым катком следует отнести за счет смещения вперед центра давления трактора. При движении трактора с тяговой нагрузкой наибольшие давления сосредоточены в области задних опорных катков. Увеличение скорости движения с 0,88 до 2,41 м/с трактора приводит к снижению значения максимального давления на 5-10%.

Ключевые слова: трактор, давление, датчик давления, скорость, почва.

Gaynullin I.A.

ORCID: 0000-0003-4280-1095,PhD in Engineering, associate Professor, The Institute for the development of education of the Republic of Bashkortostan

EXPERIMENTAL RESEARCH OF CATERPILLAR TRACTOR’S SPEED INFLUENCE ON SOIL COMPACTION

Abstract

The article discusses the caterpillar tractor’s impact on the soil. The paper proposes a method of determining the normal pressure and tension in the soil at different depths. Pressure sensors were installed to a depth of 0,2 m, 0,5 m, 0,8 m. Measurements of pressure were carried out when the tractor is idling and with a hook load of 80 kN with a point of application at a height of 0,4 m from the reference surface. Experimental values of the ground pressure of the tractor T-170М1.03-55 depending on speed and traction loads. Plot the normal pressure has two local extremum in the zones of the first and sixth track rollers,...282,1 is 220 kPa. While tractor is driving without traction load the highest pressure is concentrated in the area of the front road wheels, a significant excess pressures under the first track roller should be attributed to the forward displacement of the tractor’s pressure center. The increase in speed from 0,88 to 2,41 m/s of the tractor leads to a reduction in the maximum pressure by 5-10%.

Keywords: tractor, soil pressure, pressure sensor, speed, soil.

В настоящее время технологии возделывания сельскохозяйственных культур сопровождается многократными проходами техники по полю. В результате почва уплотняется, что приводит к ухудшению основных физических и физико-механических свойств пахотного и подпахотного слоев, снижению урожайности культур и увеличению затрат энергии на выполнение работ. Это проблема становится все острее с применением тяжелых колесных тракторов и комбайнов. Повышенная скорость их движения вызывает большие динамические нагрузки на почву и ее чрезмерное уплотнение.

Сохранение плодородия почвы в значительной степени зависит от воздействия на нее машинно-тракторных агрегатов при выполнении механизированных полевых работ. При этом значительное влияние оказывает движители тракторов [1, C.62], [2, C.48]. Сейчас все больше внимание уделяется ресурсосберегающим технологиям, использованию широкозахватных скоростных комбинированных агрегатов [3, C.10].

В результате прохода тракторов по полю в почве образуются уплотненные зоны, концентрирующиеся вокруг следов трактора. Они оказывают влияние на водный, воздушный и питательный режим в почве потому, что уплотненная почва сильнее испаряет влагу и является концентратором, к которому идет естественный приток влаги, что способствует иссушению почвы. При этом возрастает глыбистость пашни, снижается равномерность заделки семян и их полевая всхожесть.

Вопросы взаимодействия ходовых систем гусеничных тракторов с почвой и обоснования рациональных параметров освещены в работах А.С. Антонова, Е.Д. Львова, Н.А. Забавникова, М.Г. Беккера, Дж. Вонга, М.И. Медведева,  Е.М. Харитончика, В.В. Гуськова, А.В. Васильева, Е.Н. Докучаевой, О.Л. Уткин-Любовцова, М.И. Ляско, И.П. Ксеневич, В.А. Скотникова, Б.Н. Пинигина, Б.М. Куликова и многих других ученых.

Как показывает анализ литературных источников, эпюру воздействия гусеничного движителя трактора с жесткой или полужесткой подвеской на почву принято изображать в виде трапеции, высота которой равна длине опорной поверхности, а ее основание пропорционально расстоянию от вертикальной поперечной плоскости, проходящей через центр масс трактора, до поперечной плоскости, проходящей через крайнюю точку опорной поверхности гусеницы. При совпадении центра давления трактора на почву с серединой опорной длины гусеницы эпюра нормальных реакций почвы отображается прямоугольником, то есть нагрузка на почву по длине опорной поверхности одинакова. По мере смещения центра давления трактора вперед или назад от середины опорной длины гусеницы, последовательно получаются разные (трапеции или треугольники) эпюры нормальных реакций почвы. При этом оптимальной формой эпюры удельных давлений является прямоугольник. Такое представление эпюры давлений, без учета механики грунтов, скорости и нагрузочных режимов трактора, делает довольно простым аналитические выводы по их количественной оценке.

Цель исследований: оценить влияния скорости движения гусеничного трактора на уплотнение почвы.

Объектом испытаний является трактор двойного назначения Т-170М1.03-55  с эксплуатационной массой 16100 кг и с шириной гусеницы 500 мм. Опыты проводились на испытательной базы ОАО ЧТЗ (п.Мисяш).

Для замеров использовались силоизмерительные датчики типа С-20  ГОСТ 15077-71 со специальными изготовленными насадками, воспринимающих через почвы давление от движителей и передающие его на силоизмерительный стержень датчика. Выходной сигнал с датчика с помощью соединительного кабеля передавался на тензоусилитель и далее на регистрирующую аппаратуру.

На дно траншеи дно траншеи по ее продольной оси устанавливали на различной глубине (0,2; 0,5; 0,8м) три датчика: первый и третий – на расстоянии не мене 5 м от начала и от конца опорного основания (рис.1). Расстояние между соседними датчиками определялось:

L_д = K·t_г+0,25·t_г = 3·0,203+0,25·0,203=0,66 м,

где, t_г – шаг гусеничной цепи; К – одно из чисел натурального ряда (1, 2,3…), которое выбирают при условии Kt_г>0,5.

Траншею с установленными датчиками засыпали песком и прикатывали трактором в одном и другом направлении.

Нагружение движущего трактора осуществлялось силой 0…80 кН, приложенной к тягово-сцепному устройству с помощью самоходной динамической лаборатории СДЛ-30 на базе трактора ДЭТ-250 через тензозвено  с выводом параметров на регистрирующую аппаратуру.  Определение величин давлений на почву, воспринимаемых датчиками, осуществлялось при проходе одной гусеницей трактора по участку с установленными датчиками так, чтобы продольные линии гусеницы совпадали с размеченной осевой линией.

Замеры давлений проводились при движении трактора режиме холостого хода Р_кр=0  и с нагрузкой на крюке 80 кН с точкой ее приложения на высоте 0,4 м от поверхности. Результаты представлены на табл.1 и рис.2.

Рис. 1 – Расположение датчиков: 1 - первый, 2 - второй и 3 – третий.

Примечание: масштаб 1 к 20

Анализ измеренных на глубине 0,2 м эпюр давлений  при проходе трактора Т-170М1.03-55  по песчаному опорному основанию показали, что эпюра нормальных давлений имеют два локальных экстремума – в зонах первого и шестого опорных катков, составляет 220…282,1 кПа; при движение трактора без крюковой нагрузки наибольшее давления сконцентрированы в области передних опорных катков, значительное превышение величины давления под первым катком следует отнести за счет смещения вперед центра давления трактора; при движение трактора с крюковой нагрузкой наибольшие давления сконцентрированы в области задних опорных катков. Аналогичные закономерности изменения максимальных давлений имеются на почвенных слоях, с уменьшением абсолютных значений с увеличением глубины расположения датчика. Увеличение скорости движения от 0,88 до 2,41 м/с трактора приводит к снижению значения максимального давления на 5-10%.

Рис. 2 – Эпюры напряжений q трактора Т-170М1.03-55 по длине L, записанные с помощью датчиков, установленных на глубине 0,2; 0,5; 0,8 м

Таблица 1 – Экспериментальные значения давления на почву трактора Т-170М1.03-55 в зависимости от скорости движения и тяговой нагрузки

Скорость движения трактора, м/с		Максимальное давление (напряжения) на почву, кПа
		h = 20 см	h = 50 см	h = 80 см
Ркр = 0 кН	0,88	282,10	133,30	56,80
	1,33	276,30	130,10	60,00
	2,41	255,40	120,20	50,40
Ркр = 50 кН	1,04	230,30	106,00	50,20
Ркр = 80 кН	1,27	220,60	100,10	40,30

Таким образом, максимальные давления трактора Т-170М1.03-53 при работе с номинальным тяговым усилием не соответствует предельно допустимым нормам по ГОСТ 26955-86, при этом эпюра давлений по длине опорной поверхности имеет два  локальных экстремума в зоне 1-го и 6-го опорных катков. Аналогичные закономерности изменения максимальных давлений имеются на почвенных слоях, с уменьшением абсолютных значений с увеличением глубины расположения датчика (0,2; 0,5; 0,8м).

Дальнейшее снижение уплотнения почвы возможно за счет увеличения ширины гусеницы и оптимизации геометрии опорной поверхности гусеничного движителя. Увеличение скорости движения с 0,88 до 2,41 м/с трактора приводит к снижению значения максимального давления на 5-10%.

Литература / References

1. Гайнуллин И.А. Повышение тягово-сцепных и экологических показателей гусеничного трактора / И.А. Гайнуллин, В.И. Костюченко, А.Р. Зайнуллин // Вестник МГАУ. – М., 2009. – № 1. – С. 62–65.
2. Гайнуллин И.А. Воздействие гусеничного трактора на почву и эффективные пути его снижения / И.А. Гайнуллин // Вестник ЧГАУ, Челябинск, – Т. 45. – С. 48–49.
3. Гайнуллин И.А. Эффективность работы посевных комбинированных агрегатов / И.А. Гайнуллин, Р.Р. Хисаметдинов, А.В. Ефимов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2010. – № 3. – С. 10–12.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gaynullin I.A. Povyshenie tjagovo-scepnyh i jekologicheskih pokazatelej gusenichnogo traktora [Increasing the towing hitches and ecological indicators of caterpillar tractors] / A.I. Gaynullin, I. Kostyuchenko, A.R. Zaynullin // Vestnik MGAU [Bulletin of the MGAU]. – M., 2009. – № 1. – Р. 62–65. [in Russian]
2. Gaynullin I.A. Vozdejstvie gusenichnogo traktora na pochvu i jeffektivnye puti ego snizhenija [The impact of the caterpillar tractor on the soil and effective ways of reducing it] / I.A. Gaynullin // Vestnik CHGAU [Bulletin of CHGAU], Chelyabinsk, 2005. – T. 45. – Р. 48–49. [in Russian]
3. Gaynullin I.A. Jeffektivnost' raboty posevnyh kombinirovannyh agregatov [The Efficiency of seed combined units] / I.A. Gaynullin, R.R. Khisametdinov, A.V. Efimov // Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva [Mechanization and electrification of agriculture]. – 2010. – № 3. – Р. 10–12. [in Russian]