Wpływ technicznych parametrów opon cignikowych i sztywnoci podłoa na wielko powierzchni podparcia koła

Transkrypt

1 Małgorzata Powałka, Jerzy Buliski* Katedra Organizacji i Inynierii Produkcji *Katedra Maszyn Rolniczych i Lenych 2/ Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Wpływ technicznych parametrów opon cignikowych i sztywnoci podłoa na wielko powierzchni podparcia koła Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki bada nad wpływem sztywnoci podłoa na wielko powierzchni podparcia koła i wartoci nacisków jednostkowych. Sformułowano równania empiryczne oraz opracowano współczynnik okrelajcy udział aktywnej czci bienika opon cignikowych w styku z podłoem. Słowa kluczowe: cignik, opony, powierzchnia styku, naciski jednostkowe. Wstp Zagadnienie wielkoci powierzchni styku opony z gleb jest czci ogólnej problematyki współpracy koła z podłoem. W zalenociach okrelajcych wartoci jednostkowych nacisków kół na gleb autorzy: Agiejkin [1959], Dajniak [1974], Kruszewski [1988], Komandi [1976], Walczyk [1992], Jakliski [1999] uwzgldniaj szereg parametrów techniczno-eksploatacyjnych opony (szeroko, rednica, cinienie, wartoci któw charakterystycznych dla danego rodzaju ogumienia), natomiast właciwoci gleby okrelane s za pomoc jednego współczynnika zwizanego w ogólny sposób z rodzajem gleby, bd nie s uwzgldniane. Brak jest zalenoci pozwalajcej na prognozowanie wielkoci jednostkowych nacisków kół w zalenoci od właciwoci podłoa, a zwłaszcza jego sztywnoci. Celem prowadzonych bada było okrelenie wpływu sztywnoci podłoa na warto powierzchni styku opon cignikowych zrónicowanych wymiarami i obcieniem. Metodyka bada Badania wykonano w warunkach laboratoryjno-polowych na nawierzchni betonowej i na glebie zrónicowanej ugnieceniem, z wykorzystaniem 3 typowych cigników rolniczych: MF255 oraz Ursus 4512 i Ursus1234. Wybrane dane techniczno-eksploatacyjne cigników zestawiono w tabeli

2 Tabela 1. Wybrane dane techniczno-eksploatacyjne cigników uytych w badaniach Table 1. Selected technical and usage data of tractors used in the research Wyszczególnienie Obcienie osi Rozmiar opon Cinienie w oponie Jedn. miary Cignik MF255 Ursus 4512 Ursus 1234 przód kn 8,68 12,28 23,58 tył kn 14,30 19,49 33,84 przód cal tył cal / R34 przód kpa P1=180, P2=210, P3=260 P1=120, P2=150 P3=180 tył kpa P1=90, P2=120, P3=160 P1=80, P2=110 P3=140 Badania laboratoryjne wykonano przy cinieniach P1, P2, P3 w oponie, natomiast badania polowe przeprowadzono przy cinieniu porednim P2. Badania polowe wykonano na piasku gliniastym, o zawartoci czci spławianych 19%, przy wilgotnoci podczas pomiarów 6,4-8,2% wagowych. Przed pomiarami pole zaorano do głbokoci 0,35 m i po 14-dniach ugniecenie odcinków pomiarowych zrónicowano wykonujc poszczególnymi cignikami przejazdów tym samym ladem. Podczas bada mierzono wielko powierzchni styku opon cigników z podłoem planimetrujc lad odcisku opony na arkuszu papieru podstawionego pod koło. Wyniki bada Powierzchnia styku opony z betonem Uzyskane wyniki pomiarów dla nawierzchni betonowej (rys. 1) pozwalaj wysun nastpujce spostrzeenia. 0,06 cinienie P1 P2 P3 powierzchnia styku opony z betonem, [m 2 ] 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, / R34 oznaczenie opony Rys. 1. Zmiany powierzchni styku opon cignika na nawierzchni betonowej 156

3 Fig. 1. Changes of contact surface of tractor tires on concrete surface Zmiana wartoci cinienia z P 1 na P 2 prowadziła do bardzo niewielkich zmian powierzchni styku opon kół przednich, mieszczc si w zalenoci od rozmiaru opony w zakresie od 1,5% do 1,8%, za w odniesieniu do kół tylnych, zmiany te wynosiły odpowiednio od 12,5% do 20,5%. Zwikszenie cinienia w ogumieniu do poziomu P3, prowadziło do zmniejszenia si powierzchni styku opon w zakresie od 9,7 do 13,3% w kołach przednich i w zakresie od 22,3% do 36,7% w kołach tylnych. Uzyskane wyniki pomiarów pozwalaj opisa wpływ okrelanych w badaniach parametrów na wielko powierzchni styku opony nastpujc zalenoci: F pb =-0,0107-0,120*B s -0,0117*D 0 +0,174*L s +0,0014*Y k +0,0215*P i R 2 =96,68%. (1) Podstawiajc szeroko ladu (B s ), długo ladu (L s ) i rednic koła (D 0 ) w metrach, obcienie koła (Y K ) w kn i cinienie w oponie (P i ) w mpa, uzyskuje si warto powierzchni styku opony z podłoem betonowym (F pb ) w m 2. Poszczególne zmienne równania s istotnie zalene na poziomie ufnoci 99%. Powierzchnia styku opony z gleb Wyniki pomiarów powierzchni styku opon cigników z gleb zrónicowan ugnieceniem przedstawia rysunek 2. 0,30 powierzchnia styku opony z gleb, F sg [m 2 ] 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, R / oznaczenie opony kr = 1 kr = 2 kr = 4 kr = 8 Rys. 2. Wartoci powierzchni styku opon cignikowych (F sg ) z gleb zrónicowan zagszczeniem (kr) 157

4 Fig. 2. Values of tractor tires contact area (F sg ) with soil differentiated in terms of thickness (kr) Przeprowadzone pomiary wykazały, e najwiksze zmiany wielkoci ladu opony zachodziły po pierwszym przejedzie cignika osigajc wartoci w zalenoci od wielkoci opony od ok. 6% do ok. 19%, a przy wielokrotnym nałoeniu si przejazdów i silnym ugnieceniu powierzchni gleby, zmniejszenie powierzchni podparcia koła moe przekracza nawet 25% (opona ). Najmniejsze zmiany powierzchni, nie przekraczajce 11%, odnotowano dla opony najwikszej 18.4R34. Z analizy statystycznej wyników pomiarowych wynika, e wielko powierzchni styku opony z gleb (F sg ) silnie zaleała od jej wymiarów i obcienia koła, natomiast wpływ rednicy koła okazał si by mało istotny, co mona opisa zalenoci: F sg = 0,3177*L s + 0,00427*Y k + 0,2177*B s - 0,104 R 2 = 99,39% (2) Gdzie: L s i B s długo i szeroko ladu opony, m Y k obcienie koła, kn. W celu uzyskania wskanika wicego wartoci powierzchni ladów opon uzyskanych na glebach zrónicowanych ugnieceniem z konstrukcyjnym wymiarem opony, wartoci pomiarowe ladów opon (F sg ) na glebie odniesiono do powierzchni całkowitej bienika opon, okrelonej na podstawie szerokoci ladu (B s ) i rednicy koła (D k ) wyraonych w metrach. Fsg Wp = ; (3) B π * D s * k Okrelone w ten sposób wartoci bezwymiarowego współczynnika, wyraaj udział aktywnej czci bienika współpracujcego z podłoem, przy uwzgldnieniu stanu podłoa i parametrów konstrukcyjnych koła. Z wykonanych pomiarów i oblicze wynika, e w zalenoci od stopnia zagszczenia gleby (kr = 1, 2, 4, 8), wartoci współczynnika Wp kształtowały si w zakresie od 0,1018 do 0,148 ( odch. stand. σ = 0,0122). Dla porównania, okrelone w analogiczny sposób wartoci współczynnika Wp dla nawierzchni betonowej kształtowały si w zakresie od 0,0051 do 0,0403 (σ = 0,0115) tj. były mniejsze od 3,6 do prawie 20-krotnie. Równoczenie uzyskane wartoci współczynnika Wp dla podłoa glebowego wykazały na niewielkie zrónicowanie dla opon osi przedniej i tylnej roz- 158

5 patrywanych cigników. W przekroju rozpatrywanych stanów ugniecenia gleby rónice te wynosiły rednio Wp = 0,00551, co nie przekraczało 5%. Brak statystycznie istotnych rónic (t=1,10747, p=0,280053, α=0,95) pomidzy wartociami rednimi współczynnika Wp, wyznaczonymi dla opon osi przedniej i tylnej, stanowiły podstaw do urednienia ich wartoci dla poszczególnych stanów ugniecenia gleby (rys. 3). Wp, [-] 0,145 0,140 0,135 0,130 0,125 0,120 0,115 0,110 0,105 0, krotno ugniecenia, kr Rys. 3. Zmiany współczynnika Wp, urednione dla kół przedniej i tylnej osi rozpatrywanych cigników na glebie zrónicowanej ugnieceniem Fig. 3. Changes of Wp coefficient, averaged for the front and back axes wheels for the discussed tractors, for the soil differentiated in terms of soil packing Rozpatrujc przedstawione wartoci współczynnika Wp mona zauway, e wraz ze wzrostem zagszczenia gleby kolejnymi przejazdami cigników, wartoci współczynnika Wp malej, przy czym bardzo zblione przebiegi zmian uzyskano dla cigników Ursus 4512 i Ponadto, wraz ze wzrostem ugniecenia gleby, rónice w wartociach współczynnika Wp dla opon wszystkich rozpatrywanych cigników zmniejszaj si a do wartoci, które mona uzna za pomijalnie małe. Potwierdza to wynikajce z wielu bada spostrzeenie, e najwikszy wpływ jednostkowych nacisków na gleb obserwuje si podczas pierwszych 2-3 przejazdów po spulchnionej roli, równoczenie, rozkład masy w agregacie prowadzcy do obcienia osi ma szczególne znaczenie w ugniatajcym oddziaływaniu kół. Zmiany powierzchni styku opony z podłoem wpływaj na wartoci powstajcych pod kołem nacisków jednostkowych (rys.4). W zalenoci stopnia zagszczenia gleby naciski jednostkowe, okrelone na podstawie powierzchni styku opon i obcienia 159

6 kół, były od ok. 3 do ponad 8-krotnie mniejsze ni na betonie. Równoczenie, z bada wynika, e przednie, wskie koła cigników MF255 i Ursus 4512 ugniatały gleb naciskami wikszymi ni koła tylne od ok. 100% (na glebie pojedynczym przejazdem) do ok. 130% (na glebie po 8 przejazdach). W cigniku Ursus 1234 z szerokim ogumieniem na obydwu osiach, wartoci nacisków zmieniały si w mniejszym zakresie wraz ze wzrostem ugniecenia, wynoszc odpowiednio od ok. 7% do ok. 22%. Zarówno w przypadku opon przednich jak i tylnych, zmiany powierzchni styku z gleb wynikały przede wszystkim ze wzrostu długoci ladu opony, natomiast szeroko odcisku opony na glebie wraz ze wzrostem jej zagszczenia zmieniała si w niewielkim stopniu naciski jednostkowe opony, [kpa] oznaczenie opony / R34 beton P2 kr = 8 kr = 4 kr = 2 kr = 1 Rys. 4. Zmiany wartoci nacisków jednostkowych kół na glebie zrónicowanej ugnieceniem (kr) i na betonie Fig. 4. Changes of wheels unit pressure values on soil differentiated with soil packing (kr) and on concrete W celu okrelenia moliwoci wykorzystania współczynnika Wp do prognozowania wartoci nacisków na gleb wytwarzanych opon na gleb, porównano warto- ci nacisków wyznaczonych na podstawie danych pomiarowych i okrelonych metod obliczeniow. Wyniki analizy statystycznej przeprowadzonej metod testowania hipotezy o równoci rednich nie pozwoliły odrzuci załoonej hipotezy H 0 (m 1 = m 2 ) przy t = -0, i p = 0,960686, na korzy alternatywnej (m 1 m 2 ) na poziomie 160

7 istotnoci α=0,05, co mona uzna, e okrelone w ten sposób wartoci jednostkowych nacisków opony na gleb dobrze odzwierciedlały stan rzeczywisty w zakresie przyjtych warunków polowych. Wnioski 1. Przeprowadzone badania laboratoryjno-polowe wykazały, e w zalenoci od obcienia osi i wymiarów ogumienia, powierzchnia styku opony z gleb silnie zagszczon (kr=8), była wiksza od ok. 3 (opona ) do ponad 8 razy (opona 13,6/12-36) ni na betonie, znajdujc odzwierciedlenie w wartociach nacisków jednostkowych kół. 2. Opracowane równania regresyjne umoliwiaj powizanie wielkoci powierzchni styku opony z gleb z parametrami technicznymi opony, przy uwzgldnieniu sztywnoci podłoa. 3. Okrelony na podstawie wykonanych bada współczynnik Wp moe by wykorzystywany przy prognozowaniu wartoci nacisków jednostkowych kół na gleb z uwzgldnieniem jej stanu wynikajcego z ugniecenia. Bibliografia 1. Agiejkin J.S., Opredielenije dieformacji i paramietrow kontakta sziny z miagkim gruntom. Awtomobilnaja promyszlennost, nr Dajniak H, Cigniki, teoria ruchu i konstruowanie. WKiŁ Warszawa. 3. Kolobov,G.G Soil pressure measurements beneath tractor tyres. Journal of Terramechanics 3(4). 4. Komandi G The determination of the deflection, contact area, dimensions, and load carrying capacity for driven pneumatic tires operating on concrete pavement. Journal of Terramechanics,Vol 13, No Kruszewski Z Wyznaczanie nacisku wywieranego na gleb przez koło napdowe.iv.symp.im.cz.kanafojskiego. Płock. 6. Jakliski L Modelowe oddziaływanie koła pneumatycznego na gleb. Politechnika Warszawska. Prace naukowe Mechanika z Walczyk M, Walczyk J Zastosowanie komputera do bada siły sscej i zwizłoci gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. z

8 Effect of tractor tyre technical parameters and ground rigidity on the wheel ground contact area The paper presents results of investigations on the effect of tractor tyre parameters on wheel ground contact area. Studies were carried out on concrete and soil of different compaction. The measurements and calculated results enabled to determine an empirical formula describing the dependencies between the wheel ground contact area and tyre parameters. Basing on the obtained results the active tread portion coefficient of the tyre tread was determined. Key words: tractor, tyres, contact area, specific pressure. 162