CC BY
230
Проектирование модели блочно-модульной системы агрегатирования с целью повышения эксплуатационно-технологических свойств энергонасыщенных тракторов
ЕМ Асманкин, д.т.н., профессор,
А.А. Сорокин, к.т.н, Оренбургский ГАУ
Особое место среди колёсных тракторов занимают современные мощные тягачи фирм «Claas», «John Deere», «New Holland», «Challenger», «Massey Fergusson», а также отечественные модели «Беларус». По своим энергетическим показателям они примерно в 1,5 раза превосходят тракторы традиционной тяговой концепции. Стремление повысить универсальность этих тракторов для работы со шлейфом машин соседних тяговых классов связано с острой необходимостью снижения количественного и марочного состава машинно-тракторного парка агрохозяйств. Расширение тягового диапазона энергосредства позволяет выполнять практически весь комплекс технологических операций в АПК, что положительно сказывается на себестоимости конечной продукции.
Сдвиговые возможности тягача определяются его сцепным весом и уровнем взаимодействия движителя с несущей поверхностью, в связи с чем остается актуальной проблема перевода энергетического потенциала двигателя в тяговый потенциал трактора при выполнении большинства видов работ в растениеводстве. Поэтому повышение тягово-сцепных показателей энергонасыщенных колёсных тракторов по своей экономической целесообразности имеет большое народно-хозяйственное значение.
Симбиозом увеличения сцепного веса трактора и улучшения сцепления движителей с почвой явилось создание модульного энерготехнологического средства (МЭС). МЭС — это комплекс, состоящий из трактора тягово-энергетической концепции — энергетического модуля (транспортнотяговая машина, мощность двигателя которой значительно превосходит мощность, потребную для реализации через тяговое усилие при работе на номинальном режиме) с транспортнотехнологическим модулем (ТТМ) (рис. 1). В качестве ТТМ может выступать сельскохозяйственная машина с активными рабочими органами, приводимыми от вала отбора мощности (ВОМ), или транспортно-технологическая тележка с активным приводом ведущих колес от ВОМ энергетического модуля — технологический модуль (ТМ). ТМ позволяет эффективно использовать в технологическом процессе мощность двигателя трактора тягово-энергетической концепции.
Применение тягово-технологического модуля позволяет дозировать балласт адекватно сопротивлению агрегатируемой с ЭМ сельскохозяйственной машины. Таким образом, по крюковому усилию МЭС может быть отнесён к смежным тяговым классам в зависимости от вида технологической операции. При этом повышается универсальность МЭС, так как один трактор может заменить тракторы смежных тяговых классов, следовательно, сокращается номенклатура потребных для хозяйства тракторов и удельные стоимостные показатели экономической деятельности в целом.
К достоинствам МЭС можно отнести также наличие двух гидравлических навесных систем: на ЭМ меньшей грузоподъёмности, на ТТМ большей грузоподъёмности [1]. Это объясняется тем, что при использовании только ЭМ на технологических операциях со шлейфом машин соответствующего тягового класса используется гидравлическая навесная система трактора. При работе МЭС используется навесная система транспортно-технологического модуля, которая в известных комбинациях блочно-модульной системы агрегатирования предназначена для машин смежного, большего по сравнению с ЭМ тягового класса. Кроме того, при использовании МЭС появляется ряд преимуществ: повышается производительность МТА за счёт повышения тягового усилия, снижается буксование движителей по причине мультипассэффекта; повышается курсовая устойчивость МТА ввиду наличия дополнительного моста; появляется возможность использования в качестве балласта ёмкостей с технологическим материалом; увеличение числа осей позволяет применять более узкие шины, что очень важно для работы трактора в междурядьях пропашных культур; движение трёх осей след в след снижает силу сопротивления качению [2].
МЭС обладает более высокой приспособленностью к реализации прогрессивных технологий и составлению комбинированных агрегатов. Вместе с тем имеют место определённые недостатки: практически исключается возможность использования на операциях обработки пропашных культур, удовлетворительная управляемость и устойчивость движения агрегата на основе МЭС [3], повышение уплотнения агрофона при последовательном проходе колёс по колее из-за наличия дополнительного ведущего моста.
Рис. 1 - Модульное энерготехнологическое средство:
1 - энергетический модуль (ЭМ); 2 - транспортно-технологический модуль (ТТМ)
Поскольку в Оренбургской области значительную по объёму часть работ в растениеводстве занимают пропашные операции, а большинство сельскохозяйственных машин рассчитано для работы с тракторами тягового класса 2, вызывает практический интерес создание МЭС на базе трактора того же класса.
Для теоретического обоснования целесообразности присоединения ТММ с активным приводом от ВОМ трактора необходимо знать резерв мощности двигателя ЭМ, который определяется исходя из использования в качестве ЭМ трактора МТЗ-1221, двигатель которого развивает номинальную мощность при силе тяги на крюке 18—26 кН, соответствующей тяговому диапазону трактора и теоретической скорости движения 1,94 м/с (7 км/ч). При этом буксование движителей не должно превышать 16% на стерне зерновых.
Уравнение энергетического баланса отражает распределение эффективной мощности двигателя Ne на выполнение основного технологического процесса (тяговая мощность на прицепном устройстве трактора NKp, мощность на валу отбора мощности Nb0M), совершение работы в разных механизмах трактора (потери мощности на трение в трансмиссии Nmp) и взаимодействие с дорогой (мощности, характеризующие расход энергии на буксование движителей и преодоление сопротивления качению N5, Nf):
Ne = NKn+Nmn+N
тр
"ВОМ
+ N5 +Nf, кВт (1)
Тяговая мощность определяется произведением крюкового усилия Ркр (кН) на действительную скорость движения трактора Утр (м/с):
N = Р V (2)
кр ± кр г тр> Vх'/
которая отличается от теоретической скорости движения Ут ввиду наличия буксования 8:
(3)
Vmp = Vm (l - 5), м/с
Так как буксование движителей величиной 16% ограничивает тяговое усилие трактора, необходимо определить предельное по буксованию значение крюковой нагрузки. При этом допустимо использовать эмпирическое равенство, связывающее буксование с коэффициентом использования веса фкр, который определяется отношением тягового усилия Ркр к общему весу О, то есть
Фкр =
кр
8 =
G
0,246 Фкр
„3 •
(4)
(5)
1 - 3,06фкр
Предельным значением силы тяги на крюке для трактора МТЗ-1221 с эксплуатационной массой 5300 кг является величина, равная 23800 Н, при которой:
Фкр = 0,458.
Тогда
№крх= 38,8 кВт.
Крюковая мощность, соответствующая нижнему значению тягового диапазона при той же скорости движения:
МКР1 = 29,3 кВт.
Потери мощности в трансмиссии зависят от общего коэффициента полезного действия Птр и определяются выражением:
Nтр Ne (1 птр )•
тр
(6)
Для машин с двумя ведущими мостами общий КПД трансмиссии можно рассчитать по формуле
Птр = (1 -^трНП?1 • Ц71КМ1 +ППц 2 • ПТ(1 - КМ1)) (7)
при условии, что Кщ — коэффициент передачи мощности к переднему ведущему мосту; пц,
— КПД соответственно цилиндрической и конической пар шестерён; пц1, п?2, пц2, пд2 — количество пар шестерён в трансмиссии переднего и заднего ведущих мостов; Ь>тр — коэффициент, учитывающий потери холостого хода в трансмиссии.
Мощность N определяется произведением силы сопротивления качению Р/ (кН) на действительную скорость движения трактора:
N f = Pf V
f f тр
(8)
В свою очередь сила р зависит от веса трактора (д • тэ) и коэффициента сопротивления качению :
Р/ = /&п.э- (9)
Составляющая мощностного баланса определяется:
N5 = NПтр - Щ/)• 8. (10)
Тогда минимальный резерв мощности двигателя (при допустимом буксовании 16% и наибольшей тяговой мощности), который можно реализовать через задний ВОМ ЭМ:
Явом = 24,8 кВт.
Максимальное значение мощности, передаваемой задним ВОМ, соответствует силе тяги на крюке ЭМ 18 кН и соответствующем буксовании, значение которого определяет равенство 4.
МКОМ = 39 кВт.
Однако привод ВОМ имеет свою кинематическую цепь, поэтому не вся полученная мощность может быть реализована.
Мощность с учётом потерь в зубчатых зацеплениях привода ВОМ (ведущая шестерня вторичного вала коробки передач — шестерня привода планетарного редуктора ВОМ и сателлиты редуктора — солнечная шестерня [4]):
(11)
N'bom = NBOM • пЦЦ • Л/ NmM = 24,1 кВт,
Трактор МТЗ-1221 при допустимом буксовании 16% и сцепной массе 5300 кг может развивать
тяговое усилие 23,8 кН, однако чтобы отнести МЭС к тяговому классу 3, диапазон крюковой силы должен быть в пределах 27—36 кН, следовательно, необходимо иметь силу тяги на крюке ТТМ в интервале от 3,2 до 12,2 кН.
Для обеспечения возможности создания технологическим модулем тягового усилия 12,2 кН при буксовании 16% его сцепная масса должна составлять 2700 кг.
Процент загрузки двигателя по мощности при допустимом буксовании определяется отношением фактически снимаемой с вала двигателя
\тИОМ
мощности к номинальному значению N е :
Х = —е— •100%.
N^OM
(13)
Удельная работа сил трения в трансмиссии ЭМ определяется выражением (6). При от-
TTM
N
TTM
ключении ВОМ ТТМ величины N---------- , N /
N¡™ , Ы™ , образуют ЩВом , причем М™ также определяется равенством (6), в котором в качестве эффективной используется мощность N'вом ; удельная работа буксования определяется зависимостью (10). Следовательно, если обозначить КПД ВОМ энергетического модуля через г(вом , то эффективная мощность двигателя ЭМ:
^ = Nкp + Nf д-6)+^^д-8). (14)
' кр
nTTM пЭМ п 8Г птр • пВОМ (1 -8)
N§0% = 37,9 кВт.
Мощностной баланс для ТТМ при равномерном движении по горизонтальному участку поля имеет следующий вид:
N = NТТМ + NТТМ + NТТМ + NТТМ + NТТМ (12) NB0M=Nкр + тр +Nf +N 8 + -^ВОМ. (12)
птр(1
Таким образом:
Nemax= 92,5 кВт, Xmax = 96,8%;
Nemm = 74,7 кВт, Amin = 78,1%.
Анализ результатов теоретического обоснования целесообразности внедрения блочномодульной системы агрегатирования на базе МТЗ-1221 показал, что при скорости движения 1,63 м/с и тяговом усилии МЭС 36 кН мощности двигателя ЭМ недостаточно, так как должен быть обеспечен запас мощности двигателя не менее 10% для преодоления временных сопротивлений. В связи с этим вызывает практический интерес возможность определения эксплуатационных диапазонов агрегатирования МЭС по критерию загрузки двигателя.
Используя программы Microsoft Exel 2003, Statistica 6, получена поверхность отклика функции Ne = f(V; Ркр), позволяющая определить оптимальные тягово-скоростные характеристики агрегата на базе МЭС по критерию загрузки двигателя (рис. 2). При построении поверхности принималось допущение о равенстве коэффициентов сопротивления качению и буксования технологического и энергетического модулей. Определение скорости движения и тягового усилия на крюке, при которых двигатель загружен по мощности на 90%, показано на рисунке
Функция эффективной мощности при 90-% загрузке двигателя ЭМ
І I 80000
І I 70000
І I 60000
І I 50000
І I 40000
І I 30000
І I 20000
І I 10000
Рис. 2 - Поверхность отклика для выбора оптимальных тягово-скоростных характеристик МЭС:
ЭМ - МТЗ-1221 (Иен = 95,6 кВт; Мэм = 5300 кг); ТТМ - задняя полурама Т-150К (Мттм = 2700 кг)
стрелками. Так, при теоретической скорости движения агрегата 2,7 м/с крюковое усилие не должно превышать 14 кН.
Таким образом, в результате создания МЭС появляется возможность перевода трактора МТЗ-1221 в третий тяговый класс. Это позволяет увеличить производительность агрегатов на базе МЭС, приводит к росту годовой загрузки трактора МТЗ-1221, а следовательно, к увеличению годового объёма работ. При этом уменьшается давление движителей на почву.
Модульное построение энергетических средств по типу МЭС существенно расширяет их функциональные и технологические свойства по сравнению с тракторами тяговой концепции. Создание МЭС решает проблему использования повышенной единичной мощности колёсного трактора при снижении вредного воздействия на почву и повышении навесоспособности, что
создаёт предпосылки для реализации на основе МЭС новых интенсивных и почвозащитных технологий. Использование технологических модулей различного назначения повышает универсальность энергетического средства и обеспечивает одинаково эффективное его использование как на пропашных, транспортнотехнологических и уборочных операциях, так и на операциях общего назначения.
Литература
1. Кутьков Г.М. Энергонасыщенность и классификация тракторов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2009. № 5.
2. Кутьков Г.М. Исследование модульного энерготехнологического средства // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1989. № 12.
3. Надыкто В.Т. Управляемость и устойчивость движения агрегата на основе МЭС // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1998. №7.
4. Беларус 1221, 1221. 2: Руководство по эксплуатации / под ред. М.Г. Мелешко. Минск: ПО «Минский тракторный завод», 2003.
