Тягово-сцепные свойства и тормозные качества машин. Безопасность труда операторов мобильной сельскохозяйственной техники

Многообразие решаемых в сельском хозяйстве задач требует большого количества колесных машин различного назначения. Технологические машины непосредственно обеспечивают подготовку почвы, посев, уход, уборку урожая, мелиоративные машины – сохранение и повышение плодородия почвы. С помощью транспортных машин обеспечивается своевременный отвоз выращенного урожая с поля и доставка его к местам хранения, переработки и использования по назначению.

Несмотря на различие функций, выполняемых машинами, подавляющее большинство из них являются мобильными, снабженными пневматическими колесными движителями. Использование данных машин происходит в различных условиях: на поверхностях с малой несущей способностью (поле, заболоченная луговина, размытые грунтовые и полевые дороги, глубокий снег и т.д.) и с высокой несущей способностью (автомобильные асфальтобетонные дороги, дороги со щебеночным и гравийным покрытием, сухие укатанные грунтовые дороги и др.).

Соотношение поверхностей качения для колесных машин различно. Так, до 95 % технологических машин (зерно- и кормоуборочные комбайны и т.п.) работает в условиях поля и только 5 % – в условиях дорог с твердым покрытием. Транспортные машины, используемые на отвозке урожая и перевозке других грузов на поверхностях с малой несущей способностью, распределяются следующим образом: тракторы – 60…65 %, автомобили – 35…40 %; на опорных поверхностях с высокой несущей способностью: тракторы – 35…40 %, автомобили – до 60 %. Мелиоративные и дорожно-строительные машины вообще работают в особо тяжелых дорожных условиях.

Движение машин осуществляется за счет взаимодействия пневматического колесного движителя с опорной поверхностью. На безопасность движения и производительность мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения большое влияние оказывают их тягово-сцепные свойства. Возникновение таких явлений, как, например, буксование колесной машины, чаще всего приводит к нарушению технологического процесса в сельскохозяйственном производстве. Буксование вызывает ряд нежелательных последствий (рисунок 3.7). Например, для грузового автомобиля это не только снижение производительности, повышенный износ шин, узлов и деталей, но и нарушение поверхности полей и дорог (образование колеи, выбоин, смятие грунта со срывом верхнего слоя и др.), снижение плодородия почвы, повышение тенденции к ее эрозии и т.д.

К тому же, неудовлетворительные тягово-сцепные свойства колесных движителей способствуют развитию утомления операторов мобильных машин. Утомление является одной из главных причин ошибок операторов при продолжительном управлении сельскохозяйственной техникой. Последние могут быть непосредственной причиной дорожно-транспортного происшествия (ДТП) или неблагоприятным условием, затрудняющим действия оператора в аварийных ситуациях.

Поэтому решение задачи увеличения тягово-сцепных свойств и проходимости сельскохозяйственных машин обеспечит повышение не только эффективности, но и безопасности сельскохозяйственного производства.

Рисунок 3.7 – Прямые и косвенные последствия буксования грузовых автомобилей

3.4.1. Свойства и состояние опорных поверхностей с малой несущей
способностью

Движение колесных машин сельскохозяйственного назначения осуществляется по дорогам с твердым покрытием, грунтовым дорогам, естественно-грунтовым и заснеженным поверхностям. Пригодность этих поверхностей для движения колесных машин определяется степенью их ровности, деформируемости, фрикционным свойствам.

Эффективность использования колесных машин на сухих неровных поверхностях зависит преимущественно от качества подвески и геометрических параметров проходимости, а на деформируемых и скользких несущих поверхностях – от параметров взаимодействия движителя с этими поверхностями.

По деформационным и фрикционным свойствам несущие поверхности разделяют на следующие группы: автомобильные дороги; связные грунты; песчаные грунты; заболоченные грунты; снег.

Автомобильные дороги характеризуются фрикционными свойствами, которые обычно оцениваются коэффициентом сцепления шин с дорогой. Данный коэффициент зависит от характеристик шин и состояния дорожного покрытия, характеризуемого шероховатостью, степенью загрязнения, увлажнения или обледенения.

Грунты и снег – это дисперсные среды, основным отличием которых является то, что твердые частицы не образуют сплошной массы, а занимают лишь часть объема. При внешней нагрузке в этих средах происходят перемещение и сдвиг отдельных твердых частиц.

Механические свойства грунтов определяются их гранулометрическим составом, влажностью, плотностью и т.д.

Грунты принято разделять на связные и несвязные. Грунты с большим содержанием глинистых частиц являются связными.

Степень проходимости колесных машин во многом зависит от степени влаги, содержащейся в структуре этих грунтов. Под влажностью грунта понимают отношение массы воды к массе сухого грунта. При незначительном увлажнении связных грунтов вода распространяется в виде очень тонких пленок или заполняет тончайшие промежутки между частицами, повышая связность грунта. С увеличением содержания воды происходит заполнение более крупных пор и, следовательно, возрастает толщина водных пленок. В связи с этим меняются некоторые свойства грунта. При превышении определенной степени влажности грунт переходит в текучее состояние, его связность и устойчивость под нагрузкой становятся незначительными. Предел пластичности – это влажность, при которой грунт из пластичного состояния переходит в твердое. Разность между пределами текучести и пластичности называется числом пластичности.

Виды связных грунтов в зависимости от гранулометрического состава и значения числа пластичности приведены в таблице 3.2.

Наиболее неблагоприятные условия для движения колесных машин создаются при влажности грунта выше предела текучести. Такое переувлажненное состояние грунтов характерно для периодов весенней (осенней) распутицы и дождей. Пластическое состояние связных грунтов характерно для весны, осени и дождливого лета (за исключением периодов распутицы).

Таблица 3.2. – Гранулометрический состав и число пластичности связных
грунтов

В сухом состоянии связные грунты обладают достаточно высокими механическими свойствами. Средние значения механических показателей связных грунтов в различном их состоянии приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3. – Средние значения механических показателей связных грунтов при различном их состоянии

Одним из параметров, характеризующих связный грунт и оказывающих значительное влияние на величину потерь мощности колесного движителя, является липкость. Влажность и липкость грунтов влияют не только на величину силы сопротивления качению, но и на степень самоочищаемости шин.

Свойства песчаных (несвязных) грунтов менее зависят от влажности. С увеличением влажности таких грунтов их сопротивляемость внешним нагрузкам сначала несколько возрастает, а затем, при достижении предела текучести, вновь уменьшается. Наибольшее влияние на механические свойства песка оказывает его плотность, оцениваемая чаще всего коэффициентом пористости. Данный коэффициент определяется отношением объема пор к объему твердых частиц грунта. Его величина колеблется от 0,4 до 0,7. Меньшие значения коэффициента относятся к плотным пескам. В зависимости от гранулометрического состава песчаные грунты разделяются на крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые и пылеватые. Их несущая способность в большей мере, чем у связных грунтов, зависит от линейных размеров вдавливаемого колеса и повышается с увеличением этих размеров.

Пески отличаются повышенным, по сравнению со связными грунтами, углом внутреннего трения и почти полным отсутствием внутреннего сцепления. Средние значения угла внутреннего трения составляют 32…43°, а внутреннего сцепления – 0,01…0,03 кг/см² (для крупно- и мелкозернистых песков) и 0,02…0,08 кг/см² (для мелкозернистых и пылеватых песков).

Коэффициент внутреннего трения этих грунтов зависит от степени уплотнения, несколько повышаясь при увеличении плотности, и от толщины слоя песка.

Снежная целина представляет большие трудности для движения колесных машин. Возможность движения машины по снегу во многом определяется его механическими свойствами и глубиной покрова. Механические свойства снега зависят от его плотности, структуры и температуры.

Под плотностью снега понимается отношение объема воды к объему снега, при таянии которого образуется данный объем воды. Плотность свежевыпавшего снега составляет 0,075…0,1 г/см³, осевшего и уплотненного ветром – 0,2…0,4 г/см³, укатанной снежной дороги – 0,5…0,6 г/см³.

Структура снега изменяется под воздействием температуры, ветра, жидких осадков и т.п. В зависимости от структуры снег подразделяется на пушистый, метелевый и зернистый. Пушистый снег плотностью 0,06…0,12 г/см³ сохраняется недолго и переходит в метелевый плотностью более 0,2 г/см³. По мере таяния он переходит в зернистое состояние и содержит ледяные зерна диаметром до 3…4 мм и имеет плотность более 0,25 г/см³.

3.4.2. Свойства и состояние опорных поверхностей с высокой несущей
способностью (дорог)

В первом десятилетии ХХ века в России насчитывалось 1450 тыс. км неблагоустроенной сети дорог, из которых около 25 тыс. км имели твердое покрытие – щебеночные, гравийные и булыжные мостовые. Бурное развитие автомобилестроения потребовало не только реконструкции и ремонта старых дорог, но и значительного расширения сети новых.

Подсчитано, что если поделить общую протяженность дорог с твердым покрытием на количество автомобилей (для многих стран), то на один автомобиль (без учета колесной тракторной техники) приходится от 28 до 62 пог. м дороги. Поэтому, если мы увеличиваем количество автомобилей, то на каждый автомобиль нужно построить около 50 пог. м дороги.

Мобильные колесные машины сельскохозяйственного назначения в технологическом процессе связаны не только с движением по твердым дорогам, но и с большим объемом работ на опорных поверхностях с малой несущей способностью. Даже в перспективе большого насыщения дорогами с твердым покрытием специфика сельскохозяйственного производства всегда будет требовать использования колесных машин как на твердых дорогах, так и на мягких грунтах. Все дороги с твердым покрытием в основном предназначены для движения легковых и грузовых автомобилей. Однако на этих дорогах можно видеть достаточно много и другой колесной техники, в том числе сельскохозяйственной, сопровождающей транспортировку грузов, переезды, строительство сооружений, объектов и др.

Дорогу с твердым покрытием можно рассматривать как более или менее однородную среду, которая наиболее благоприятна для взаимодействия с пневматической шиной, так как колесный движитель создавался именно для таких дорог.

Все автомобильные дороги делятся на дороги общей сети, городские дороги (улицы), дороги сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Дороги общей сети разделяют на следующие группы: общегосударственные, республиканские, краевые и областные, местного назначения.

Автомобильная дорога может иметь различную степень совершенства в зависимости от ее назначения в народном хозяйстве. Чем больше движение колесных машин, образующих транспортный поток, тем более высокие требования предъявляются к техническим качествам дороги. Дороги также характеризуются интенсивностью движения (число транспортных средств, проходящих по дороге через данное сечение в единицу времени).

На дорогах, используемых для вывозки сельскохозяйственных продуктов в период заготовки, интенсивность может превышать среднегодовую. В зависимости от интенсивности движения и значения в общей дорожной сети дороги делятся на пять категорий. Для каждой категории установлены определенные технические нормативы, на основе которых ведется проектирование всех дорожных сооружений.

Основные параметры проезжей части дорог общей сети представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Категории дорог общей сети

Дорожную одежду устраивают на спланированной и уплотненной поверхности земляного полотна, она должна обеспечивать движение колесных машин заданного веса с расчетной скоростью и обладать достаточной устойчивостью против влияния климатических факторов.

Дорожная одежда может быть различной прочности в зависимости от интенсивности и состава движения, грузонапряженности, расчетной скорости и должна отвечать следующим требованиям: прочность ее должна обеспечивать отсутствие просадок и высокое сопротивление износу; ровность поверхности – возможность движения с высокими скоростями; шероховатость – хорошее сцепление колес с покрытием. Шероховатость поверхности покрытия проезжей части должна обеспечивать коэффициент сцепления шины с дорогой во влажном состоянии не менее 0,5.

В зависимости от состава различают следующие покрытия.

Грунтовое покрытие. Грунтовыми являются дороги, которые устроены из естественного грунта и грунта, укрепленного добавками других материалов. Поверхности дороги придают выпуклый профиль. В зависимости от свойства грунта дорога может обладать большей или меньшей устойчивостью. Хорошо содержащаяся грунтовая дорога в сухое время года позволяет обеспечивать проезд различных колесных машин с достаточными скоростями.

В период осенней и весенней распутицы в связи с переувлажнением грунта и потерей несущей способности грунтовые дороги становятся малопригодными для движения, так как под действием колес образуются глубокие колеи, выбоины, ухабы. Из-за буксования скорость движения машин значительно снижается, а в некоторых случаях движение прекращается совсем.

Гравийное покрытие. Гравийное покрытие дороги можно отнести к переходному типу. В хорошем состоянии оно должно обеспечивать достаточную скорость движения колесных машин. В период эксплуатации гравийное покрытие требует надлежащего ухода (профилирования и выравнивания).

Щебеночное покрытие. Щебеночное покрытие, так же, как и гравийное, применяется на дорогах IV и V категорий при большой интенсивности движения. Для данного покрытия используют искусственно дробленый каменный материал.

Усовершенствованные покрытия облегченного и капитального типов выполняют с применением органических вяжущих материалов.

Наибольшее распространение получил усовершенствованные покрытия облегченного типа, устроенные по способу поверхностной обработки, пропитки или смещения. Они имеют ровную нескользкую и шероховатую поверхность.

Асфальтобетонные и дегтебетонные покрытия относят к усовершенствованным покрытиям капитального типа, их устраивают на дорогах I, II, III категорий. Шероховатость асфальтобетонных покрытий может быть достигнута в результате применения смесей с повышенным содержанием щебня и поверхностной обработки.

Покрытия из цементобетонаприменяются на дорогах I, II и III категорий при большой интенсивности движения. Преимуществами таких покрытий являются высокая прочность, ровность и в то же время шероховатость, обеспечивающая хорошее сцепление шин с поверхностью дороги.

Покрытия из штучного камня, или мостовые. Материалы для мостовых могут быть естественными и искусственными. Естественные материалы (брусчатка, мозаичная шашка) изготавливаются из прочных пород камня. Может быть использован также и булыжный камень определенных размеров. Ввиду относительной неровности поверхности и больших затрат времени на строительство мостовые применяются ограниченно.