Устойчивость трактора
Значительный объем перевозок сельскохозяйственных грузов осуществляется колесными или гусеничными тракторами в агрегате с прицепами. В настоящее время на внутрихозяйственных перевозках доля тракторных поездов составляет около 60% общего объема перевозок по массе перевозимых грузов и примерно 30 % грузооборота. Распределение годовой загрузки колесных тракторов по видам работ показывает, что свыше 50 % общего времени их используют на транспортных работах. Эксплуатационные показатели сельскохозяйственных тракторов и составленных на их базе машинно-тракторных агрегатов, в частности показатели, характеризующие качество выполнения различных технологических операций, находятся в зависимости от устойчивости их движения.
Неравномерность обработки почвы, наличие погрешностей и перекрытий обрабатываемых площадей, глубоких разъемных борозд и высоких свальных гребней, неполное уничтожение сорняков в междурядьях, повреждения и засыпание культурных растений в рядках являются, как правило, следствием нарушения устойчивости движения трактора и других звеньев машинно-тракторного агрегата. Устранение этих нежелательных явлений, сопровождающих работу агрегата, может быть достигнуто путем выбора рациональных значений параметров его звеньев для заданных условий движения. При этом важно осуществить такой выбор на стадии проектирования трактора. Использование современного математического аппарата позволяет решить эту задачу путем проведения теоретических исследований.
Определение понятия устойчивости движения механической системы было обосновано А. М. Ляпуновым. При теоретических исследованиях устойчивости движения составляется система дифференциальных уравнений, описыва- ^ ющих движение тракторного поезда, трактора или машинно-тракторного агрегата. Затем исследуется устойчивость решения полученной системы уравнений.
В частности, условие устойчивости движения механической системы для случая, когда возмущения описываются линейными дифференциальными уравнениями с ПОСТОЯННЫМИ коэффициентами, формулируется следующим образом. Невозмущенное движение может быть асимптотически устойчиво, если все корни характеристического уравнения будут иметь отрицательные вещественные части. Если среди корней этого уравнения имеется хотя бы один с положительной вещественной частью, то невозмущенное движение неустойчиво. Невозмущенное движение будет устойчивым, но не асимптотически, когда характеристическое уравнение, не имея корней с положительными вещественными частями, имеет корни с вещественными частями, равными нулю. Характер корней характеристического уравнения может быть исследован с помощью критерия Гурвица, согласно которому уравнение любой степени имеет отрицательные действительные части комплексных корней, если все коэффициенты уравнения положительны и, кроме того, равны нулю некоторые определители, составленные из коэффициентов рассматриваемого уравнения.
Указанные признаки устойчивости движения трактора относятся к случаям, когда отклонения от основного движения описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Однако при составлении дифференциальных уравнений движения часто получаются нелинейные уравнения. В этих случаях при исследовании малых отклонений трактора предварительно производится линеаризация уравнений. Затруднения могут возникнуть лишь при получении нулевых корней характеристических уравнений. Вопрос об устойчивости движения в этом случае должен решаться с учетом нелинейных слагаемых, отброшенных при минеаризации. Коэффициент жесткости в дифференциальном уравнении движения системы второго порядка может оказаться переменным, зависящим от времени. В этом случае возникают так называемые параметрические колебания, для исследования которых разработаны специальные методы.
Большое влияние на характеристики движения оказывает реакция трактора на внешние возмущения. В одних случаях возмущения остаются малыми или же- постепенно затухают и исчезают, и система возвращается к основному движению. В других— отклонения от первоначального движения с течением времени увеличиваются и уводят систему от основного движения. Кроме того, может возникнуть незатухающий колебательный процесс или процесс с безгранично возрастающей амплитудой. Таким образом, последствия возмущения могут быть значительными, несмотря на очень малые первичные возмущения, и возмущенное движение может существенно отличаться от невозмущенного. Так как при движении машинно-тракторного агрегата по поверхности поля возмущающие факторы (неровности рельефа, неоднородность почвы по составу, влажности и механическим свойствам, наличие камней, корней растений и т. п.) существуют неизбежно, то выявление характера изменения параметров движения после их возвращения имеет важное практическое значение. Именно это и является основной задачей теории устойчивости движения трактора.
Если период колебательного процесса близок к времени реакции системы трактор—водитель, то действия водителя могут быть причиной возбуждения незатухающего процесса. Необходимо, чтобы период колебаний превышал не менее чем в 3—4 раза время реакций указанной системы, т. е. составлял более 4-—6 с. Следовательно, строгое решение задачи об устойчивости движения требует совместного рассмотрения системы водитель—машина—грунт, причем может оказаться, что управ-ляемая система будет устойчивой в любых условиях эксплуатации при движении с достаточно высокой скоростью благодаря водителю, который может неустойчивый трактор перемещать с допустимым отклонением от заданного направления. При устойчивом движении отклонения от заданного направления с течением времени уменьшаются по тому или иному закону, определяемому динамическими свойствами системы машина—дорога. Очевидно, чем меньше отклонения от заданного направления движения получает трактор и чем короче время движения в отклоненном состоянии, тем большей практической устойчивостью обладает данный трактор.
Потеря трактором устойчивости выражается в его самопроизвольном отклонении от заданного направления, боковом скольжении или опрокидывании. В зависимости от направления опрокидывания различают продольную и поперечную устойчивость. Более вероятно и опасно нарушение поперечной устойчивости, возникающее вследствие действия боковых сил: центробежных, поперечных составляющих силы тяжести и нагрузки на крюке, ударов о неровности опорной поверхности и др. Заметим, что боковое скольжение колес переднего и заднего мостов начинается обычно не одновременно. В зависимости от условий движения, распределения вертикальных нагрузок на мосты и от наличия тяговых или тормозных сил боковое скольжение могут получить колеса только одного моста (занос трактора). Учитывая сказанное, под устойчивостью понимается свойство трактора сохранять в заданных пределах независимо от скорости движений и действия внешних и инерционных сил направление скорости движения, ориентации продольной и вертикальной осей при определенном управлении, закрепленном или свободном руле.
Таким образом, различают устойчивость по направлению движения (курсовая устойчивость) по опрокидыванию (продольная и поперечная устойчивость) и по боковому смещению (устойчивость против заноса). В качестве оценочных параметров устойчивости обычно принимают: углы и угловые скорости продольного и поперечного опрокидывания, угол и угловую скорость поворота трактора, время и путь, пройденный трактором в отклоненном состоянии. Часть оценочных параметров устойчивости трактора являются управляемыми (угол и угловая скорость поворота трактора, время и путь, пройденный трактором в отклоненном состоянии), а другие — неуправляемыми (углы и угловые скорости поперечного и продольного опрокидывания). Устойчивость движения трактора связана с его управляемостью. Во многих случаях желательным является сохранение управляемых параметров постоянными на некотором участке пути движения трактора. У трактора, обладающего хорошей устойчивостью, сохранение управляемых параметров постоянными и приближение их к желательным возможно без вмешательства водителя в более широком диапазоне возмущающих воздействий, чем у трактора, имеющего худшую устойчивость. Поэтому вероятность совпадения действительных параметров с желательными при одинаковых эксплуатационных условиях тем выше, чем лучше устойчивость движения трактора.