Capitolul 1.

INTRODUCERE

Definitia tractorului

Tractorul este un autovehicul pe roti sau pe senile destinat sa execute diferite operatii tehnologice cu ajutorul utilajelor si masinilor purtate, semipurtate sau remorcate. Poate servi ca sursa de putere pentru antrenarea unor masini si utilaje stationare,utilizate in special in agricultura. Este, de asemenea, utilizat in constructii, amenajari funciare, exploatari forestiere si miniere, in transporturi.

Din francezul tracteur = tractor; TRACTUS - latin = tragere, tarare

Scurt istoric

Dupa 1830 - primele tractoare pe roti, cu motor cu abur, utilizate in Franta si Anglia, in armata si transporturi;

Dupa 1850 - utilizarea tractoarelor in agricultura pentru: antrenarea batozelor, pregatirea solului, semanat, recoltat;

Sfarsitul sec. XIX - utilizarea pe tractoare a motoarelor cu ardere interna (firma Hart Parr din SUA);

Inceput sec. XX - roti mari (F > 2,5m), cu obada rigida, transmisii cu 2 -3 rapoarte (de ex. transmisii cu lant);

1917 - Henry Ford introduce productia de masa la tractoare;

1930 - introducerea rotilor cu pneuri la tractoarele de transport; specializare pentru anumite operatiuni (elevatoare, sapatoare de slannturi, corhanit etc.)

In Romania

26 decembrie 1946 - primul tractor romanesc, IAR 22: 28 kW/1100 min.^-1

1949 - IAR 23 - forta de tractiune marita

1951 - KD 35 tractor pe senile, 27 kW/1400 min.^-1

1955 - KDP 35 tractor pe senile pentru lucrari de prasit

- U2 - tractor universal, roti cu pneuri, ridicator hidraulic, motor KD 35

1956 - U 22 tractor universal, 33 kW/1500 min.^-1, priza de putere semiindependenta, instalatie hidraulica cu trei prize

1963 - U 650 tractor universal, 65 CP

1965 - S 650 tractor pe senile

1970 - U445, 33 kW/2400 min.^-1, 3 cilindri

In anii 80 - peste 80 tipuri cu puteri nominale 19 265 kW

Observatie: IAR- intemeiata in 1925, 19 tipuri de avioane, 6 de conceptie proprie.

Clasificarea tractoarelor

I. Dupa destinatie

Agricole cu destinatie generala

universale

specializate

sasiuri autopropulsate

Industriale tractoare cu destinatie generala

tractoare specializate

Rutiere (de transport)

II. Dupa tipul sistemului de rulare si de propulsie:

Pe roti cu o punte (2

cu doua punti (3

(4

(4

cu trei punti (6

(6

(6

Cu semisenile

Pe senile

III.     Dupa tipul transmisiei

Cu transmisie mecanica

Cu transmisie hidromecanica

Cu transmisie hidrostatica

Cu transmisie electrica

Cu transmisie electromecanica

IV.     Dupa nivelul fortei de tractiune nominale in kN:

2, 6, 9, 14, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 150, 250, 350.

Scheme de tractoare sunt prezentate in figurile 1.1 si 1.2

Fig.1.1. Scheme de motocultoare: a- fara scaun pentru tractorist; b- cu scaun pentru tractorist; c- cu semiremorca.

Fig.1.2. Scheme de tractoare: a- tractor pe roti 4x2 cu lumina mica; b- idem cu lumina mare; c- sasiu autopropulsat, d- tractor pe roti 4x4 cu roti indgale; e- idem cu roti egale; f- tractor pe roti 4x4 cu sasiu articulat; g si h- tractoare cu semisenile; i- tractor agricul pe senile; j- tractor industrial pe senile.

Calitatile de exploatare ale tractoarelor agricole si indicatorii lor

Capitolul 2.

PARTICULARITATI ALE RULARII ROTILOR DE TRACTOR

PROPRIETATILE FIZICO - MECANICE ALE SOLULUI

Sub actiunea organelor sistemului de rulare al tractorului, solul se deformeaza. Valoarea si caracterul deformatiilor sunt determinate de actiunea fortelor exterioare sau interioare care provoaca modificarea pozitiei relative a particulelor solului si a distantei medii dintre acestea. Daca, dupa incetarea actiunii exterioare, particulele revin la pozitia initiala, deformatia este considerata elastica; daca, insa, pozitia particulelor dupa inlaturarea sarcinii difera de pozitia lor initiala, inseamna ca au loc deformatii remanente. Daca deformatia remanenta este egala cu deformatia totala, se spune ca a avut loc o deformatie plastica. Experienta arata ca solurile reale nu sunt perfect elastice sau perfect plastice.

La sarcini mici, deformatia este direct proportionala cu valoarea fortei, adica, in acest caz, solul se comporta ca un corp elastic. Daca sarcina creste in continuare, deformatia creste intr-o masura mai mare si, prin aceasta, solul se apropie de un mediu elasto - plastic. La o anumita sarcina limita, cresterea deformatiei are loc fara o crestere sensibila a tensiunii.

Deformatia solurilor aflate in conditii naturale are uncaracter aparte in conditiile in care fortele ce actioneaza asupra particulelor solului sunt apropiate de fortele de coeziune. In aceasta situatie, chiar in cazul dependentei liniare dintre tensiune si deformatie (la sarcini mici), dupa incetarea aplicarii sarcinii raman deformatii remanente mari.

Prin interactiunea sistemului de rulare cu solul, acesta din urma este supus strivirii si forfecarii pe diferite directii; ca rezultat, in el apar campuri ale tensiunilor normale si tangentiale care se transmit in adancime. De capacitatea solului de a suporta tensiunile mentionate depinde atat adancimea fagasului format de roti sau senile cat si forta de aderenta. De aceea, rezistenta solurilor la solicitarile de compresiune si forfecare reprezinta parametrul principal care influenteaza calitatile de tractiune si aderenta ale tractorului.

Tensiunea la comprimare s a solului depinde de deformatia lui. Totodata, trebuie mentionat ca, la aceeasi deformatie z a solului, tensiunea la comprimare are valori diferite in functie de tipul solului. Pentru definirea corelatiei dintre tensiunea la comprimare si deformarea solului au fost definite mai multe expresii analitice, una dintre cele mai simple fiind:

, (2.1)

in care: c este coeficientul deformarii volumice; z - deformatia solului; n - exponent care depinde de felul solului si de conditiile incarcarii (caracterizeaza rapiditatea cresterii deformatiei).

O alta lege de corespondenta intre cele doua marimi este:

, (2.2)

unde s este capacitatea portanta limita (tensiunea maxima la compresiune) a solului, la care deformatia solului creste fara a mari sarcina exterioara aplicata; c - coeficientul deformarii volumice a solului, numeric egal cu tangenta la curba s = f(z) in originea axelor de coordonate (fig. 2.1).

In mod conventional, graficul poate fi impartit in trei zone care pun in evidenta particularitatile interactiunii dintre sarcinile exterioare si rezistenta la comprimare a solului. Pe portiunea I curba este apropiata de o dreapta; pe aceasta portiune se produce, in principal, compactarea solului. Pe portiunea II deformatia solului creste mai repede decat sarcina exterioara si, prin urmare, solul nu numai ca se taseaza, dar in el apar si focare de forfecare locala. Pe masura ce sarcina exterioara creste, tensiunea de forfecare devine in unele locuri mai mare decat frecarea interna si coeziunea dintre particulele solului, din care cauza deformatia devine din ce in ce mai intensa. Pe portiunea III se produce curgerea plastica a solului; in intreaga masa deformata apar forfecari, tasarea solului inceteaza si el este impins lateral de sub suprafata de sprijin. Cand deformatia solului z este suficient de mare, tensiunea din sol atinge valoarea limita a capacitatii portante s

In tabelul 2.1 sunt date valorile constantelor s si c pentru mai multe tipuri de sol.

Tabelul 2.1

Capacitatea portanta a solurilor s si coeficientul deformarii volumice c

Forta de rezistenta la fofecare este data de legea lui Coulomb:

, (2.3)

in care: T₀ reprezinta forta de aderenta moleculara si capilara; N - sarcina normala la sol; m_i coeficientul de frecare interioara a solului.

Forta tangentiala maxima este

T_max = m N, (2.4)

unde m este coeficientul static de frecare.

La aplicarea unei forte mai mari se produce retezarea solului, iar forta tangentiala efectiva devine in acest caz:

T_a = m_a N,   

unde m_a reprezinta coeficientul de frecare la alunecare.

La limita, relatia (2.3) devine deci:

m N = T_o + m_i N,

sau, intr-o alta forma:

, (2.7)

in care p este presiunea specifica pe suprafata solului; t - forta unitara de aderenta moleculara si capilara.

Dupa cum rezulta din (2.7), coeficientul de frecare scade la cresterea presiunii specifice, ceea ce se confirma experimental, asa cum arata graficele din figura 2.2

Determinarile experimentale au aratat ca tensiunea de forfecare este o functie de deformarea la forfecare D. Dependenta t = t(D) are forme diferite, in functie de felul solului (fig. 2.3). Se observa ca, pentru un sol compact (argila nisipoasa, sol nisipos - lutos), tensiunea la forfecare creste pana la o valoare maxima, dupa care incepe sa scada asimptotic pana la valoarea _al, astfel incat la deformatii suficient de mari, tensiunea la forfecare poate fi considerata constanta. Pentru solul plastic, deci cu umiditate ridicata, tensiunea creste asimptotic la marirea deformatiei, tensiunile maxime avand loc la valori mari ale deformatiei.

ADERENTA SI PATINAREA ROTILOR MOTOARE

In functie de conditiile de functionare, rotile motoare ale tractorului pot avea o rostogolire ideala, cu viteza nula in pata de contact, se pot rostogoli cu patinare sau cu alunecare.

Coeficientul patinarii se defineste ca raport intre viteza reala si cea teoretica ale tractorului:

, unde este patinarea rotilor (2.8)

Interactiunea pe directie longitudinala a rotii motoare cu solul poate fi privita ca actiune simultana a trei categorii de forte:

de frecare intre suprafata de sprijin a anvelopei si sol;

de forfecare a solului in plan orizontal de catre pintenii afundati in sol;

de forfecare a solului in plan vertical de catre flancurile laterale ale acelorasi pinteni.

Pe drumurile cu suprafata tare rolul principal il au fortele de frecare.

Pe solurile deformabile creste considerabil rolul fortelor de forfecare si, in multe cazuri, acestea detin rolul predominant.

Prin rostogolirea rotii motoare, pintenii sai deplaseaza si foarfeca solul in sens opus deplasarii ei. Sprijinul pintenilor pe sol, forfecarea si deplasarea portiunilor de sol comprimat intre pinteni sunt posibile daca sunt folosite pe deplin fortele de frecare, adica in cazul patinarii rotii.Deci, transmiterea cuplului motor este insotita intotdeauna de o patinare a rotilor motoare.

Patinarea poate lipsi numai in cazul in care solul nu este deformat orizontal, iar pneurile nu sunt deformate tangential, ceea ce ar fi posibil numai in conditiile deplasarii cu o forta tangentiala de tractiune nula (forta motoare F_m = 0). In realitate, functionarea tractorului in asemenea conditii este imposibila intrucat chiar la deplasarea in gol actioneaza o anumita forta tangentiala de tractiune, necesara invingerii cel putin a rezistentei la rulare.

Asadar, esenta fenomenului fizic al patinarii rotilor motoare pe soluri deformabile se explica, in primul rand, prin aparitia deformatiilor remanente ale solului, care constau in tasarea sa orizontala de catre pintenii pneurilor in sens opus deplasarii tractorului. Acest fenomen este echivalent cu deplasarea inapoi a axei rotii motoare, ceea ce inseamna o reducere corespunzatoare a vitezei de translatie a tractorului. In al doilea rand, din cauza elasticitatii tangentiale a pneurilor, axa rotilor se apropie de suprafata drumului sub actiunea momentului de rasucire aplicat rotii. Din aceasta cauza, drumul parcurs de roata motoare in timpul unei rotatii se micsoreaza, adica are loc, in mod suplimentar cazului anterior, o reducere a vitezei de translatie a tractorului. Reducerea vitezei tractorului, datorata actiunii cumulate a celor doua tipuri de fenomene, se apreciaza cu ajutorul patinarii relative d

In figura 2.4 este prezentat intr-o forma intuitiva fenomenul aderentei si patinarii rotii motoare care se rostogoleste pe un sol deformabil. In cazul deplasarii rotii cu o viteza constanta, forfecarea si tasarea solului dintre pintenii rotii se produc, indeosebi, in momentul iesirii ultimului pinten al suprafetei de sprijin a rotii din sol. In acest moment, sarcina de la pintenul care a parasit solul se redistribuie intre ceilalti pinteni care se afla in contact ("in angrenare") cu solul. Fiecare pinten taseaza solul cu o valoare D. Astfel, tasarea la primul pinten va fi D, la al doilea D + D D (fata de tasarea anterioara D, se taseaza in continuare tot cu valoarea D la al treilea 2D D D s.a.m.d. Intrucat primul pinten parcurge toate stadiile "angrenarii" de la intrarea in sol si pana la iesirea din el, rezulta ca tasarea, la iesirea din sol, va fi D_max = n D, unde n este numarul pintenilor aflati la un anumit moment dat in contact cu solul.

Pe de alta parte, tasarea maxima a solului poate fi exprimata ca produs intre patinarea d si lungimea suprafetei de sprijin a rotii l, adica D_max d l

Cercetarile efectuate asupra rotilor motoare au condus la concluzia ca deformarea solului are loc dupa o lege liniara, avand ca epura un triunghi (fig. 2.4, a): la intrarea unui pinten in sol deformatia D = 0, la iesirea aceluiasi pinten din sol deformatia atinge valoarea n D d l; la distanta x deformatia are valoarea D_x d x.

Asa cum s-a mai aratat, forta tangentiala de tractiune a unei roti motoare cu pneu, prevazuta cu pinteni, este egala cu suma fortelor de frecare si a reactiunilor de forfecare ale fiecarui pinten.

Forta tangentiala de tractiune a rotii, dezvoltata ca urmare a forfecarii in planul orizontal de catre muchiile de varf ale pintenilor, este data de relatia:

, (2.9)

in care: dA = b dx este aria suprafetei elementare de forfecare; b = 2 l_p sin a - latimea rotii, l_p fiind lungimea muchiei pintenului, iar a - unghiul ce caracterizeaza plasarea pintenului pe roata (fig. 2.5); dx - lungimea suprafetei elementare.

In cazul cel mai general t_x depinde de urmatorii factori: presiunea normala la sol p_x , deformatia solului, proprietatile fizico-mecanice ale acestuia, parametrii constructivi ai rotii. Dintre acestia, marimi variabile sunt presiunea normala la sol si deformarea la forfecare, adica t_x = f (p_x , D_x

Experientele au pus in evidenta faptul ca forma curbelor tensiunii la forfecare nu este identica pentru diferite soluri. Asa, de exemplu, pentru soluri compacte de tipul argilo-nisipoase sau nisipo-lutoase (v. curba 1 din fig. 2.3), tensiunea la forfecare, creste, la inceput, aproximativ proportional cu valoarea deformatiei solului, apoi proportionalitatea este deteriorata si, la o anumita valoare a deformatiei, atinge valoarea maxima:

t_max = f_rep p, (2.10)

unde: f_rep este coeficientul de frecare pentru corpurile in repaos (in unele lucrari este denumit coeficient de aderenta); p - presiunea normala la sol.

Daca deformatia creste in continuare, tensiunea la forfecare se micsoreaza treptat, apropiindu-se asimptotic de o valoare constanta:

t_al = f_al p, (2.11)

unde: f_al este coeficientul de frecare la alunecare.

Prin urmare, la deformatii suficient de mari, tensiunea la forfecare poate fi considerata constanta, nedepinzand de deformatie. Pentru miriste se poate considera f_al 0,8, valorile medii depinzand de sol si corespunzand unor presiuni p = (0,2 10⁵Pa.

Pentru soluri plastice, adica pentru soluri imbibate cu apa, tensiunile maxime la forfecare au loc pentru valori foarte mari ale deformatiei (v. curba 2 din fig. 2.3), iar curba nu are un punct de maxim.

Stabilirea unor expresii analitice pentru curbele tensiunilor la forfecare are o importanta mare pentru studiul interactiunii sistemului de rulare cu solul. Intr-o prima aproximatie, se considera ca presiunea pe sol se repartizeaza uniform, adica:

. (2.12)

Forfecarea verticala a solului de catre muchiile laterale verticale ale pintenilor aflati in sol determina a doua componenta a fortei tangentiale de tractiune, care se determina cu relatia:

, (2.13)

in care: n este numarul pintenilor aflati in sol; t_x - rezistenta specifica la forfecare; h_p - inaltimea pintenilor; b_p - grosimea pintenilor; t - pasul pintenilor (fig. 2.5). Valorile marimii t_x depind de natura si starea solului. Astfel, pentru miriste pe sol argilo-nisipos mediu, t_x 10³ N/m, iar pentru sol nisipos-lutos, t_x 10³ N/m.

Forta tangentiala totala va fi:

F_m = F_mt + F_mx . (2.14)

In figura 2.6 este reprezentata variatia fortei motoare F_m in functie de patinarea d pentru pneul 12 - 38. Forma curbelor este identica cu cea a tensiunii la forfecare (fig. 2.3). Valoarea patinarii corespunzatoare fortei motoare maxime se afla in limitele 22 - 24%. Se observa ca, odata cu cresterea sarcinii verticale Q_m, forta motoare atinge valoarea maxima la o patinare mai mica. Prin urmare, pentru obtinerea unor calitati maxime de tractiune, in cazul tractoarelor grele, trebuie admisa o patinare mai mica decat in cazul tractoarelor usoare.

In figura 2.7 este reprezentat graficul de variatie a fortei motoare maxime in functie de sarcina verticala, pentru acelasi pneu si pentru aceleasi conditii de sol. La inceput, valoarea fortei F_m creste rapid, direct proportional cu sarcina, apoi cresterea ei devine mai putin intensa. De aceea este rational ca sarcina verticala sa creasca pana la o anumita limita, cand inca se mentine proportionalitatea intre marimile F_m si Q_m. Pentru pneul mentionat, aceasta limita este Q_m = 12 15 kN. Reducerea intensitatii de crestere a fortei motoare in functie de sarcina verticala se explica prin aceea ca tensiunile la forfecare din sol nu cresc direct proportional cu sarcina sau cu presiunea pe sol. In aceeasi figura este data dependenta fortei motoare specifice j_m = F_m/ Q_m in functie de sarcina verticala Q_m.

In baza celor de mai sus se desprind urmatoarele concluzii:

rostogolirea rotii motoare pe un teren deformabil este insotita de patinare, adica de micsorarea vitezei de translatie a tractorului si, prin urmare, de un consum suplimentar de putere;

reactiunea tangentiala care ia nastere in procesul interactiunii rotii motoare cu solul are intotdeauna directia si sensul deplasarii rotii;

calitatile de tractiune ale rotii motoare, caracterizate prin valorile fortei tangentiale de tractiune (fortei motoare) si ale momentului de rezistenta la rulare, depind de sarcina verticala, de parametrii constructivi ai rotii, de proprietatile fizico-mecanice ale solului si de patinare;

valoarea maxima a fortei tangentiale de tractiune se dezvolta la o valoare a patinarii de 22

Curbele din figura 2.8 pun in evidenta calitatile de tractiune, de aderenta si economice ale unui pneu 12 - 38 la deplasarea pe miriste pe un sol argilo-nisipos.

In cazul deplasarii tractorului intr-un regim stabilizat, pe un teren orizontal, F_t = F_m - R_rm. Din graficul mentionat rezulta ca forta de tractiune creste pana la o anumita limita, dupa care incepe sa scada. Aceasta se explica prin cresterea rapida a fortei de rezistenta la rulare in cazul sarcinilor normale la sol mari. Curba F_t = f (Q_m) se numeste caracteristica de tractiune a rotii. Ea arata calitatile de tractiune posibile in functie de sarcina normala la sol.

Curba h_m = f (Q_m) se numeste caracteristica potentiala de tractiune. Ea indica sarcinile normale la sol optime, la care randamentul este maxim. Din grafic rezulta ca functionarea economica a rotii are loc la valori mai mici ale fortei de tractiune decat cea maxima.

Prin urmare, pentru orice roata motoare care functioneaza pe diferite soluri, forta de tractiune maxima si randamentul maxim al rotii se obtin la diferite sarcini normale corespunzatoare fiecarui tip de sol in parte. La proiectarea tractorului trebuie sa se optimizeze dimensiunile rotilor in functie de proprietatile fizico-mecanice ale solului si de patinare, in asa fel incat roata sa aiba o eficienta maxima pentru lucrarea principala pe care tractorul urmeaza sa o execute.

Pentru determinarea analitica a patinarii tractoarelor pe roti, s-au propus foarte multe expresii. Gasirea unui argument in functie de care sa fie exprimata patinarea este o problema dificila pentru ca, asa cum s-a vazut, fenomenul interactiunii sistemului de rulare cu solul este deosebit de complex. De aceea, o mare importanta in studierea aderentei si patinarii o au cercetarile experimentale.

Marimea care caracterizeaza cel mai complet patinarea rotilor tractorului este forta motoare specifica (coeficientul de utilizare a greutatii aderente), definita prin raportul dintre forta motoare F_m a rotii (respectiv a puntii motoare) si reactiunea normala la sol Z_m a rotii (puntii) motoare:

. (2.15)

Aceasta marime variaza de la j_m 0, cand Fm = 0, pana la j_{m max} j , valoare corespunzatoare patinarii totale (d

Facandu-se o sinteza a mai multor lucrari teoretice si experimentale, se propune ca, la determinarea analitica a patinarii tractorului, sa se plece de la urmatoarele premise:

in intervalul 0 j_m j, functia d = f (j_m) are un pronuntat caracter liniar (fig.2.14), avand ecuatia de forma d = m j_m (m fiind coeficientul unghiular al dreptei);

in intervalul 0,5j j_m j, functia d = f (j_m) are un pronuntat caracter hiperbolic, avand ecuatia de forma d j - j_m) = const. (unde j' este punctul de pe abscisa in dreptul caruia functia creste asimptotic). In general, eroarea nu depaseste 2 4% daca se considera j j.

Cu o precizie suficienta pentru practica, se obtine o singura functie d = f (j_m), valabila pe tot domeniul de variatie a argumentului j_m . Aceasta functie este de forma:

, (2.16)

unde:

A = 0,75 m j; B = 0,5 m; C = j j 25mj (2.17)

Coeficientii A, B, C au fost obtinuti punand conditia ca functia cautata sa satisfaca coordonatele punctelor M₁ si M₂.

Prin urmare, pentru exprimarea analitica a patinarii este suficient sa se cunoasca coeficientul unghiular m al dreptei si coeficientul de aderenta j, adica argumentul j_m corespunzator patinarii totale.

Trebuie mentionat totodata ca marimea d nu depinde numai de forta motoare specifica j_m ci si de alti factori, ca de exemplu: valoarea presiunii pe sol, marimea pneurilor, rigiditatea acestora etc. Marimea j_m este, insa, principalul factor, pe cand ceilalti sunt secundari.

In tabelul 2.2 sunt dati, pentru exemplificare, coeficientii A, B si C ai functiei (2.16) pentru pneurile tractorului U 651, iar in figura 2.10 este facuta reprezentarea grafica a acestei functii, corespunzatoare diferitelor tipuri de teren.

Tabelul 2.2

Coeficientii expresiei analitice a curbei patinarii

Rularea rotii de tractor pe soluri deformabile este caracterizata de coeficientii cunoscuti de la rularea rotii de automobil, respectiv coeficientul de rezistenta la rulare f si coeficientul de aderenta φ, ale caror valori sunt date in tabelul 2.3

Tabelul 2.3

Coeficientii de rezistenta la rulare f si de aderenta j pentru tractoare pe roti

Valorile coeficientului de rezistenta la rulare pentru tractoare pe roti sunt mai mari fata de automobil.

Valoarea coeficientului de aderenta al rotilor motoare cu pneuri variaza in limite foarte largi in functie de natura solului (drumului), iar in anumite conditii se apropie de valoarea 1.