Обобщенная эксплуатационная характеристика тягово-транспортного энергосредства Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Выводы

1. Полученные критерии подобия свидетельствуют об аналогии динамических процессов в виброожиженном слое сыпучего материала гидродинамическим процессам, происходящим в движущейся вязкой несжимаемой жидкости. Данное обстоятельство позволяет использовать уравнения Навье-Стокса для моделирования и анализа виброожиженного слоя.

2. Предположения о возникновении в виброожиженном слое сыпучего материала объемных движущих сил, представленных в работе, верны. Это подтверждается видом полученных безразмерных величин.

3. Представленные критерии подобия могут быть использованы для исследования поведения сыпучего материала в лабораторных установках с последующим переносом результатов экспериментов на рабочие вибрационные машины, а также для дальнейших теоретических исследований.

Библиографический список

1. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1964.

2. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит, 1993.

3. Вибрации в технике: Спр. 1981. Т. 4. Вибрационные машины и процессы.

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978.

5. Гортинский В.В., Демский А.Б., Борискин М.А. Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях. М.: Колос, 1980.

6. Раскин Х.И. Применение методов физической кинетики к задачам вибрационного

воздействия на сыпучие среды // ДАН СССР. 1975. Т. 220. № 1. С. 54-57.

7. Слиеде П.Б. Исследование послойного движения сыпучего материала при продольном вибротранспортировании // Вопросы динамики и прочности. Рига: Зинатие, 1972.

8. Слиеде П.Б. Послойное безотрывное движение сыпучего материала по вибролотку при больших коэффициентах трения // Вопросы динамики и прочности. Рига: Зинатие, 1972.

9. Спиваковский А.О., Гончаревич И.Ф. Вибрационные конвейеры, питатели и вспомогательные устройства. М.: Машиностроение, 1972.

10. Федоренко И.Я. Анализ поведения сыпучей среды при вибрации на основе теории аттрактора Лоренца // Известия Сибирского отделения АН СССР. Серия техн. наук. 1990. Вып. 3. С. 112-115.

11. Федоренко И.Я. Модели синергетики в технологиях перерабатывающих производств // Вестник алтайской науки. Т. 2. Проблемы агропромышленного комплекса. Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2001. Вып. 1. С. 119-125.

12. Федоренко И.Я. Самоорганизация и стохастичность в технологических машинах и аппаратах // Техника в сельском хозяйстве. 1996. № 1. С. 24-27.

13. Федоренко И.Я., Леонтьев П.И., Лобанов В.И. Вибрационная техника сельскохозяйственных перерабатывающих предприятий.

Ч. 1. Барнаул: Изд-во АГАУ, 1998. 98 с.

14. Федоренко И.Я., Пирожков Д.Н. Движение частицы сыпучего материала под воздействием вибраций // Тр. ХХХТТ Уральского семинара по механике и процессам управления. Екатеринбург, 2002. С. 212-214.

15. Членов В.А., Михайлов Н.В. Сушка сыпучих материалов в виброкипящем слое. М.: Стройиздат, 1967.

УДК 631.372 В.С. КРАСОВСКИХ,

Н.Н. БЕРЕЖНОВ

ОБОБЩЕННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯГОВО-ТРАНСПОРТНОГО ЭНЕРГОСРЕДСТВА

В условиях перехода на интенсивные технологии в сфере сельскохозяйственного производства требования к трактору как основному источнику энергии в составе

машинно-тракторного агрегата постоянно возрастают, особенно в области повышения степени универсализации и расширения технологических возможностей [9].

Концепция современного трактора рассматривает его как универсальное тягово-несущее энергетическое средство [9]. В связи с этим все большее распространение в мировом и отечественном сельхозмашиностроении при проектировании перспективных моделей МТА получают компоновочные схемы, основанные на применении навесных и полунавесных технологических модулей, формируемых из широкозахватных и энергоемких сельскохозяйственных машин и орудий, а также технологических емкостей повышенной вместимости, частично или полностью размещаемых на энергетическом шасси. С применением комбинированных машин и орудий масса навешиваемой на трактор технологической части агрегата сравнялась с массой энергетической части, а в некоторых случаях и превосходит ее.

Актуальным вопросом становится оптимизация ряда основных эксплуатационных показателей трактора в составе тягово-транспортного МТА, при агрегатировании с технологическими модулями различного назначения. В качестве таких показателей приняты математические ожидания: рабочей скорости движения Vp , мощности на крюке Nкр, буксования 5 и удельного тягового расхода топлива £кр.

Влияние агрегатируемых машин на тягово-динамические свойства трактора определяется изменением сцепного веса и перераспределением его по осям при различных условиях эксплуатации. Эти показатели находятся в непосредственной зависимости от средних значений нормальных составляющих реакций опорной поверхности на заднюю и переднюю оси трактора - Yn и Yк.

Принимаем для рассмотрения случаи работы трактора колесной формулы 4К4б с агрегатами, составленными из почвообрабатывающего посевного орудия и технологической емкости (бункера) с двух- или одноосной ходовой системой, при условии установившегося движения по горизонтальной поверхности, без учета сопротив-

ления воздушной среды, те. Vp = const, а = 0 и Рю = 0.

Уравнение тягового баланса в этом случае будет иметь вид:

Рк = Р fmp + Ркр . (1)

Составляющие тягового баланса определятся из уравнений:

Р fmp = fmpGV; (2)

Ркр = f6 (Ge — AG )+ kBp; (3)

G = Лк (Gmp + AG) = Yk + Yn, (4)

где fmp, f6 - соответственно, коэффициенты сопротивления перекатыванию трактора и бункера;

Ge, Gv - соответственно, вес бункера и математическое ожидание сцепного веса трактора, кН;

k - математическое ожидание удельного тягового сопротивления машины, кН/м;

Лк - коэффициент нагрузки ведущих колес;

Вр - рабочая ширина захвата машины,

м; _

AG - математическое ожидание

догрузки ходовой части трактора весом технологического модуля, кН.

Значения нормальных составляющих реакций дороги Yn и Yk на колеса трактора постоянно изменяются в зависимости от внешних сил и моментов, действующих на машину в условиях эксплуатации (рис. 1)

[9].

При определении реакций на переднюю и заднюю оси трактора рассмотрим трактор отдельно от сельскохозяйственной машины, заменив ее действие на тягач, силой тягового сопротивления Ркр, которая приложена в точке прицепа на высоте hKp относительно поверхности пути. Сила тягового сопротивления, находясь под углом Y > 0 к поверхности пути, представлена в виде двух составляющих: горизонтальной Ркр и вертикальной Ркр. Принимая, что cos y ~ 1, имеем Ркр = Ркр и Р'Кр = Ркр sin y [9].

Воздействие на тягач полунавесных машин выражается не только в перераспределении нагрузки на оси за счет составляющих крюкового усилия, но и в передаче на задний мост трактора части своего веса ЛG (рис. 1) [10].

Исходя из этого вес бункера, воспринимаемый его собственной ходовой системой, будет представлять собой разность Gб-ЛО .

Для удобства дальнейших вычислений перенесем силу тягового сопротивления Ркр по линии ее действия до пересечения с плоскостью, проходящей через геометрическую ось задних колес нормально к поверхности пути - в точку О1 (условную точку прицепа). Теперь высота ее над поверхностью пути Кр определяется из отношения [10]:

Кр = Кр + ¡^у. (5)

где ¡кр - продольное расстояние от условной точки прицепа до оси задних колес, м;

у - угол между линией действия силы тягового сопротивления и поверхностью пути, град;

Ккр - расстояние от точки прицепа до опорной поверхности, м.

Реакции на оси неподвижно стоящего трактора (статические) находятся из уравнений [9, 10]:

Yп.ст ОI

' тр

а тр ^ у .—г Lтр атр ґ г\

, * к.ст О тр “ , V6/

где Отр - эксплуатационный вес трактора, кН;

Lтр - продольная база трактора, м;

атр - расстояние от задней оси трактора до оси, проходящей через центр тяжести, м.

Для определения величин нормальных составляющих реакций действующих на колеса трактора, в условиях, рассмотренных выше, воспользуемся правилом д'Аламбера:

£х = 0; £У = 0; £м = 0. (7)

Из уравнений сумм реакций и моментов, действующих на трактор, найдем средние значения опорных реакций на его оси - Уп и Ук, заменив воздействие сельскохозяйственного агрегата силой тягового сопротивления Ркр и нагрузкой АО , а также принимая во внимание зависимости (3) и (6):

Ик

Уп = Уп.ст — \/б [б — АО ) + )Вр ]>

кр

(8)

тр

Ук = Ук.ст + [ (б —АО )+ кВр ] ^іпГ+ ^ 1 + АО . (9)

Lт

При определении значения АО рассмотрим систему сил, действующих на бункер, отдельно от трактора (рис. 2).

L

тр

L

тр

Из уравнения моментов относительно точки касания колес бункера с опорной поверхностью получаем среднюю величи-

ну догрузки задней оси трактора с учетом выражений (6) и (9):

итт G6 [fб (hкр - L6 sin у)- аб ] + kBp (hKp - L6 sin у) AG — -------------------------------------------------------------------------------

L6 — fб (б

(10)

где аб - расстояние от плоскости, проходящей через центр тяжести бункера, до плоскости, проходящей через точку контакта колеса бункера с опорной поверхностью, м;

Lб - расстояние от точки прицепа до плоскости, проходящей через точку контакта колеса бункера с опорной поверхностью, м.

Эксплуатационные показатели трактора определим из выражений:

ЇЇк

Vp —4=^

Р Ркр

N кр — Ne^Ne^T ;

_ Gt Skp — ту ;

Nkp

8 — В-1 In

Р'Ркр m

Р

кр

G<

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Р y

sin Y- hKp )

где Ne, GH - соответственно, номинальные значения эффективной мощности двигателя и часового расхода топлива;

А , В , (Ркртах - Коэффициенты функции, аппроксимирующей кривую буксования движителей при тяговых испытаниях трактора [7].

К варьируемым факторам, также оказывающим существенное влияние на выходные эксплуатационные характеристики тягового энергосредства при работе на отдельном поле, следует отнести такие величины, как среднее значение знаменателя геометрического ряда основного диапазона передач трактора qcp, математическое ожидание среднего значения коэффициента пропорциональности, учитывающего влияние скорости движения агрегата на его тяговое сопротивление М(ёо), коэффициент вариации приведенного удельного тягового сопротивления агрегата v при р аб оте на отд ельном поле.

Влияние данных факторов на энергетические и топливно-экономические показатели трактора отражают математические ожидания коэффициентов использования тяговой мощности и часового расхода топлива, которые определяются по зависимостям [8]:

Хиу — 114 — 13,85qср + 8,43£0 +157,3у — 161,3qCрV —162,7у2; Аог — 99,1 — 4,02qср — 3,24^0 — 192,6у — 154,2qCрV — 233,7у .

(16)

(17)

Математические ожидания тягового КПД трактора и его составляющих определяются из следующих выражений:

п =Птрпп5; (18)

Птр =ПцП (1 -Iтр ) ; (19)

рт .

(20)

(21)

где Птр - математическое ожидание механического КПД трансмиссии;

П - математическое ожидание КПД затрат на перекатывание трактора;

П5 - математическое ожидание КПД буксования движителей.

При выборе рационального состава и режимов работы тягово-транспортного МТА имеет место ряд ограничений, касающихся факторов, определяющих его нагрузочные режимы - Ркр и ЛО .

Диапазон развиваемых трактором тяговых усилий ограничен:

1) степенью загрузки трактора по тяге

[1]:

Ркртіп — ХзРі

кртіп

Рк

н(п—1 )..(п—2 )

(22)

кржа = ХпРН , (23)

где Рн(п-\)..(п-2) - номинальное тяговое усилие трактора предыдущего (или через один) класса;

Хз - коэффициент нагрузки по тяге, ( Хз = 0,85);

Хп - коэффициент перегрузки по тяге (для колесных тракторов Хп = 1,2);

2) допустимым буксованием движителей:

А

Р дтах ЛкО\

к^тр

фкртах

(24)

где 8тах - максимально допустимая величина буксования по агротехническим требованиям, %;

3) рабочей скоростью движения, согласно требованиям агротехники:

Ру

< Ркр < Ру

(25)

Сила тягового сопротивления агрегата изменяется в указанных пределах:

[Рх

Р

Ру

< Ркр <

Хп

Р

Утіп

Р 8

От/ах

(26)

Величина догрузки задней оси трактора ЛО , влияющей на его сцепной вес, ограничивается максимальной допустимой грузоподъемностью шин Qш и нормами допустимого воздействия движителей на почву: максимальными значениями удельного давления qк и нормального напряжения в почве оь. Данные показатели регламентированы соответствующими стандартами [2, 3, 4, 5]. Значение ЛО изменяется в следующих пределах:

ЛОак

0 < АО <

АО&

АОа

(27)

Кроме того, при совместном воздействии на ходовую часть трактора, нагрузки Ркр и ЛО , взаимно ограничивают друг друга по условиям (27).

Для более наглядного представления о том, как распределяются нормальные нагрузки между осями при различных условиях эксплуатации, и для возможности сравнения в этом отношении машин, различных по весу и компоновочной схеме, вводится удельный измеритель значений Yп и Yк - динамический коэффициент перераспределения веса [6]:

X —

Ут

Ук

(28)

Зависимость математического ожидания коэффициента X от нагрузочных режимов трактора К-701 в составе тяговотранспортного МТА, определяемых сочетанием крюкового усилия и дополнительной догрузки ходовой части, показана на рисунке 3.

тах

ш тах

е

Рис. 3. Распределение нагрузок на ходовую часть трактора К-701 в составе тягово-транспортного МТА

Снижение X, характеризующее увеличение нагрузки на ведущие колеса, позволяет сохранить положительную динамику эксплуатационных и агротехнических показателей трактора и в зоне повышенных тяговых нагрузок, однако исходя из вышеприведенных требований (27) допустимые значения коэффициента X находятся в пределах 0,83 < X <1,6. Поэтому предварительно принимаем, что рациональный диапазон нагрузок тягово-транспортного энергосредства, обеспечивающих наряду с высокими эксплуатационными характеристиками также соблюдение всех регламентов по агротехническому воздействию на почву, будет соответствовать 43 кН < РКр <55 кН и АО <32 кН.

Зависимость крюковой мощности и удельного тягового расхода топлива от рабочего режима, определяемого тяговым усилием и транспортной нагрузкой, в пределах допустимого диапазона значений Ур

и 8 показана на рисунках 4 и 5.

Из приведенных зависимостей очевидно, что достижение экстремальных значений Nкртах и £кртіп обеспечивается в пределах всего диапазона тяговых усилий трактора за счет пропорционального повышения транспортной нагрузки на его

ходовую часть. Объясняется это снижением затрат на буксование, связанное с формированием сцепного веса энергосредства, достаточного для реализации повышенных усилий на крюке, и как следствие - улучшение его тягово-сцепных свойств.

Таким образом, варьируя значением нагрузок Ркр и ЛО , можно добиться рационального их сочетания для эффективной работы трактора при различных условиях эксплуатации в составе тяговотранспортного МТА.

Применение безразмерного коэффициента Я, отражающего соотношение частных коэффициентов нагрузки колес тягача Як и Яп, дает возможность оценить тяговый потенциал и несущую способность энергетического средства. А построение обобщенных эксплуатационных характеристик на основе значений Ркр и ЛО , определяющих условия работы трактора, позволит установить связь между компоновочной схемой тягово-транспортного МТА и оценочными эксплуатационными показателями работы тягового средства Ур , Nкр, £кр и 8 в зависимости от нагрузочного режима.

□ 115-120

□ 110-115

□ 105-110

□ 100-105

Рис. 4. Тяговая мощность трактора К-701 в составе тягово-транспортного МТА

& кр >

кВт • ч

■ 480-490 Н 470-480

■ 460-470

□ 450-460

□ 440-450

□ 430-440

□ 420-430

Ркр,кН ДG,кН

Рис. 5. Удельный тяговый расход топлива трактора К-701 в составе тягово-транспортного МТА

Однако для получения более полного представления об оптимальном составе тягово-транспортного агрегата и режимах его работы необходимо установление зависимостей, определяющих связь между параметрами энергосредства и агрегати-руемых с ним транспортно-технологических модулей, для проведения комплексной оценки агрегата в целом, по основным критериям эффективности его функционирования.

Библиографический список

1. Анилович В.Я., Водолажченко Ю.Т. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов. М.: Машиностроение, 1976. 456 с.

2. ГОСТ 26955-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. М.: Издательство стандартов, 1986. 22 с.

3. ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Методы определения

воздействия движителей на почву. М.: Издательство стандартов, 1986. 22 с.

4. ГОСТ 26953-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Метод определения максимального нормального напряжения в почве. М.: Издательство стандартов, 1986. 22 с.

5. ГОСТ 25641-84. Шины пневматические для тракторов и сельскохозяйственных машин. Основные параметры и размеры. М.: Издательство стандартов, 1984. 21 с.

6. Гуськов В.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. М.: Машиностроение, 1966. 196 с.

7. Колобов Г.Г., Парфенов А.П. Тяговые характеристики тракторов. М.: Машиностроение, 1972.153 с.

8. Красовских В.С. Повышение эффективности функционирования тяговых агрегатов за счет оптимизации параметров и эксплуатационных режимов работы в степных и лесостепных районах Западной Сибири: Автореф. дис. докт. техн. наук. СПб.; Пушкин, 1991. 37 с.

9. Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. М.: Колос, 2004. 504 с.

10. Чудаков Д.А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. М.: Колос, 1972. 384 с.

УДК 631.171:631.372 В.С. КРАСОВСКИХ,

Н.Н. БЕРЕЖНОВ

ОБОБЩЕННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ПОСЕВНОГО АГРЕГАТА НА БАЗЕ ТЯГОВО-ТРАНСПОРТНОГО ЭНЕРГОСРЕДСТВА

Современные тенденции развития средств механизации сельскохозяйственного производства характеризуются стремлением к увеличению производительности, в основном за счет повышения единичной мощности тяговых и тягово-приводных энергосредств, и соответствующему росту ширины захвата сельскохозяйственных машин. Это происходит обычно без глубокого анализа альтернативных путей решения данной проблемы, учитывающих основные аспекты энерго- и ресурсосбережения, которые, особенно в последнее время, являются весьма актуальными.

На сегодняшний день, в условиях аграрных предприятий Алтайского края, все большее распространение стали получать сберегающие технологии возделывания сельскохозяйственных культур, основанные на широком применении посевных почвообрабатывающих комплексов как отечественного (ПК «Кузбасс», ППК), так и зарубежного производства («TorMaster», «ИехьСоП» и др.). Однако зачастую отсутствие системы научно-обоснованных рекомендаций по рациональному агрегатированию имеющихся в наличии на сель-

скохозяйственных предприятиях тяговых средств с современными высокопроизводительными и энергоемкими машинами и орудиями, а то и полное взаимное несоответствие технических характеристик трактора и шлейфа рабочих машин, становится причиной повышения непроизводительных энергозатрат при эксплуатации, роста себестоимости производимой продукции, а также деградации земельных угодий и снижения их эффективного плодородия.

В этих условиях необходимо формирование качественно нового подхода к определению состава и параметров машиннотракторных агрегатов с учетом требований к повышению уровня их технологической универсальности. Такой подход обусловлен реализацией современных индустриальных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, сочетающих в себе, наряду с основными приемами интенсивного земледелия, принципы экологической толерантности.

Применение тягово-транспортного энергосредства в составе современного машинно-тракторного агрегата дает возможность расширить круг его технологи-