Уплотняющие и опорные органы сельскохозяйственных машин

Катки относятся к числу рабочих органов для поверхностной обработки почвы, т.к. они предназначены для выполнения технологической операции уплотнения почвы.
Колеса- к числу вспомогательных, служебных органов т.к. они выступают в роли опор. Или одновременно и движителей машины.
Их объединяет единство геометрической формы – в основе тех и других лежит круговой цилиндр с горизонтальной осью вращения и аналогичный характер воздействия на почву
Катки могут быть использованы для обработки почв как до посева так и после

Гладкий цилиндрический каток

Гладкорубчатый каток

Кольчатый (клиновидный) каток

Борончатый каток

Кольчато-шпоровый каток

Кольчато-зубчатый каток

Основные параметры катков (колес) – это диаметр и длина (ширина) обода и коэффициент трения о почву. Диаметр должен быть таким, чтобы при встрече с крупным комком, каток легко перекатывался через него, не толкал его вперед. При перекатывании через комок давление концентрируется на нем и разрушает его или он вдавливается в почву. В противном случае каток будет толкать его перед собой т.е. будет происходить сгруживание почвы.
Следовательно для нормальной работы катка необходимо зацепление почвенных комков. Т.е. должно соблюдаться условие
,
Где
- угол зацепления
- угол трения комка о каток
- угол трения комка о почву.

отсюда
или считая что
, то получим
, если
, то

Выводы
1. Минимальный радиус катка прямо пропорционален среднему радиусу комков по поверхности обрабатываемого поля – комки можно измельчать.
2. Чем больше коэффициент трения катка о комок тем меньше может быть радиус катка коэффициент можно
изменять изменяя например поверхность гладкую на гладко – рубчатую.

3. В зависимости от структурного состава почвы и размеров комков на поверхности поля целесообразно применять катки разного диаметра в различных почвенных зонах
4. Длину катка выбирают из условий рельефа. Для равнинных условий она как правило до 2-х м., для горных не более 1м.

Режимы качения
Различают следующие режимы качения:
качение со скольжением, качение с буксованием, качение без скольжения и буксования.
при качении без скольжения и буксования. L=2П r n при качении со скольжением каток пройдет путь больший чем L=2П r n в этом случае часть пути каток проходит
- со скольжением
Такой режим характерен для большинства катков и ведомых колес.
При качении с буксованием путь Lб меньше чем 2Пrn и часть пути оказывается потерянный. Такой режим характерен для ведущих колес, катков.

.
степень скольжения
коэффициент буксования
изменяется от 0 до ∞.
изменяется от 0 до 1

Скорости точек при движении.
Движение без скольжения и буксования
Может происходить с образованием и без образования колеи. Любая точка участвует в двух движениях : поступательном (переносном) вместе с орудием и вращательном (относительном) относительно оси О. При движении без скольжения. и буксования относительные и и переносные скорости равны по модулю, но относительная скорость перменна по направлению. Поэтому абсолютная скорость как геометрическая сумма этих двух скоростей в процессе движения изменяется как по величине так и направлению

В точке С векторы относительной и переносной скорости
направлены по одной прямой, но в разных направлениях.
Следовательно абсолютная скорость т. С=0. , а точка носит название мгновенного центра скоростей (МЦС) т.к. все остальные точки катки в данный момент в абсолютном движении поворачивается относительно МЦС, то их абсолютная скорость пропорциональна угловой скорости вращения и расстоянию этих точек от точки С например абсолютная скорость
если к
- провести перпендикуляр, то он покажет направление абсолютной скорости.
т. В=Vв=

Качение с образованием колеи
Пусть каток катится по полю с образованием колеи. Т. а перемещаясь в направлении скорости Va давит на соприкасающиеся с ней почвенную частицу по нормали с силой N.
Разложим силу N на две составляющие по направлению скорости т. а вокруг МЦС и по касательной к окружности Nv и Nт.
Nт=N tg
Сила Nт стремиться заставить почвенную частицу m скользить по рабочей поверхности катка. Но этому препятствует сила F трения.

Характер движения почвенной частицы будет зависеть от соотношения углов
и угла
. Если
, то
и скольжения не будет т.к. сила трения вызванная действием силы
не достигнет
своего максимума и как сила реакции будет равна возбудившей ее силе
.

.

следовательно на глубине от 0 до
от поверхности поля будет скольжение, а от
до
уплотнение почвы без скольжения, т.е. при контакте частицы или комка выше точки а, где
будет происходить скольжение, а при контакте ниже точки а, т.е. диаметре комка меньше предельного
будет происходить его уплотнение, т.е. вдавливание в почву или разрушение.

Сопротивление качению
Движущий момент и момент сопротивления
Пусть каток движется по полю с образованием колеи. В этом случае к оси вращения О приложена вертикальная сила Р складывающаяся из веса части машины и веса самого катка и горизонтальная сила тяги или толкающая сила Т.
Вместе эти силы дают равнодействующую которая обязательно пересекает дно колеи в некоторой точке а. Действие этой силы вызывает реакцию колеи R приложенную к катку в той же точке а по направлению в противоположную сторону. Эта реакция колеи R складывается из элементарных сил, значения которых при относительно небольшой глубине колеи пропорциональны линейной деформации почвы.

Разложив силу R на две составляющие-горизонтальную и вертикальную Rт и Rв составим условие равновесия (равномерного движения катка) которое определяется следующими уравнениями.
Из первого уравнения следует, что Т=Rг; P=Rв. Следовательно на каток действует две пары сил P и Rв и Т и Rг с плечом уа образуют движущий момент а вторая пара Р и Rв с плечом ха момент сопротивления
Тогда из третьего уравнение системы

вывод
1)чем меньше глубина колеи, тем меньше плечо ха и следовательно меньше момент сопротивления Pх а и сила Т.
2)Из выражения четыре следует, что с увеличением диаметра катка Д увеличивается уа и уменьшается сила Т.
Например при увеличении диаметра катка вдвое почти вдвое увеличивается и плечо уа,а плечо ха удлиняется в меньшей мере, а глубина колеи уменьшается. Уменьшение силы Т произойдет как в следствии увеличения плеча уа так и в следствии уменьшения глубины h

Качение пневматического колеса

3)Из рисунка и выражения следует, что для качения пневматического колеса (катка) при одинаковом диаметре Д и вертикальной нагрузки Р потребуется меньше усилие Т. Во первых вследствии деформации шины увеличивается опорная площадь, что вызывает уменьшение удельного давления, а следовательно глубины колеи а при меньшей глубине колеи требуется меньшая энергия на деформацию, а следовательно и на качение колеса.

Во вторых при жестком ободе элементарные силы реакции почвы располагаются лишь перед нижним концом вертикального диаметра, а при пневматическом ободе по обе стороны от нижнего конца диаметра. По этой причине равнодействующая элементарных сил при пневматическом ободе расположится ближе к нижнему концу диаметра (плечо ха меньше), что приведет к снижению момента сопротивления и уменьшению движущей силы Т.

Зависимость тягового сопротивления от параметров катка и свойств почвы.

Пусть каток катится по полю и образует колею. Выбрав начало координат О1 в точке пересечения вертикального диаметра с поверхностью поля выделим на дуге окружности обода катка элементарный отрезок dl. При длине катка b на его поверхности будет выделена площадь dS=bdl, которую с достаточной точностью при малом dl можно считать прямоугольником Тогда элементарная сила реакции на эту площадь будет равна
bdl, где
dR=