CC BY
63
УДК 629.114.2
Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, Н.В. Кузьмин
РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАКТОРОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
В статье рассматривается алгоритм оптимизации массоэнергетических параметров тракторов общего назначения. Представлены их рациональные диапазоны изменения для установленных типажом тяговых классов и рабочих скоростей почвообрабатывающих агрегатов.
Ключевые слова: энергетический потенциал, эксплуатационная масса, тяговый КПД, буксование, критерий, параметр, алгоритм оптимизации.
Algorithm for optimization of the mass and energetic parameters of the general purpose tractors is considered in the article. Their rational ranges of change for the traction classes and working speeds of the soil-cultivating units determined by the type are given.
Key words: energy potential, working mass, tractive efficiency, skidding, criterion, parameter, optimization algorithm.
Основным показателем технического уровня, определяющим тенденцию развития тракторов общего назначения, является энергонасыщенность - соотношение номинальной мощности и эксплуатационной массы (Э=Меэ/тэ). Однако тенденция повышения энергонасыщенности обостряет проблему эффективного использования мощности в связи с требованиями ресурсосбережения и экономичности, поскольку реализация уже достигнутого энергетического потенциала современных тракторов не превышает 70-80 % [1].
Оптимизация массоэнергетических параметров трактора общего назначения на современном этапе должна ориентироваться на реализацию факторов мощности через улучшение показателей тягово-сцепных и динамических свойств при обеспечении рациональных скоростных диапазонов операций основной обработки почвы.
Цель работы - обосновать рациональные диапазоны изменения массоэнергетических параметров тракторов общего назначения для установленных типажом тяговых классов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1) обосновать модель и алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров трактора;
2) определить диапазоны изменения энергетического потенциала и эксплуатационной массы тракторов для установленных типажом тяговых классов и скоростных режимов использования почвообрабатывающих агрегатов.
Поэтапное решение поставленных задач и достижение обозначенной цели оптимизации эксплуатационных параметров тракторов общего назначения основано на многоуровневом системном подходе с использованием детерминированно-стохастических составляющих, обоснованных критериев оптимальности и установленных ограничений [1] для соответствующих уровней и этапов оптимизации.
После обоснования на первом уровне рациональных интервалов рабочей скорости агрегатов для операций основной обработки почвы необходимо определить параметры-адаптеры мобильных энергетических средств, позволяющих реализовать каждое из установленных типажом номинальное тяговое усилие Рф„] с наибольшей эффективностью. Поэтому главной задачей второго уровня оптимизации является обоснование выступающих в качестве параметров-адаптеров энергетического потенциала ^Неэ-и эксплуатационной массы гпЭ] трактора для реализации номинального тягового усилия, определяющего его класс, при оптимальном значении скорости У^рс.основной обработки почвы по соответствующей технологии.
При известных значениях Рфн] и коэффициента использования веса ффн] эксплуатационная масса трактора определяется по выражению
N.I. Selivanov, V.N. Zaprudsky, N.V. Kuzmin
RATIONAL PARAMETERS OF THE GENERAL PURPOSE TRACTORS
(1)
или
= : I- -'-' - v- i-
(2)
Заменив касательную силу тяги РКн]=(Ркрн]+Р^) соотношением Р^ получим
функцию, определяющую взаимосвязь энергетического потенциала с параметрами тягово-сцепных свойств и скоростного режима трактора
г Ы
ope
трі 5-і
(З)
Количество технологических операций основной обработки почвы ДК^ = Уаг определяет число типоразмеров энергомашин по энергетическому потенциалу для реализации РфН] установленного тягового класса.
Для каждого значения Р
m |\о/т\|ци| kj опа-юпил i KpHJ vt ^ opt' — ii|jh y,qoj юпит 1Л1 uduivi oui i|ju i hdj юпии
■ = Г-::.- “ ■ V ЧИСТаЯ ПрОИЗВОДИТеЛЬНОСТЬ ПОЧВООбрабаТЫВаЮЩеГО агрега-
при удельном тяговом сопротивлении
та величина постоянная:
(4)
Поэтому за критерий эффективности целесообразно принять максимум удельной чистой производительности
(5)
или
(6)
Обратная величина, соответствующая минимуму удельных энергозатрат Е„^ представляет эквивалентный критерий оптимальности
Епр — Lpt^Mi — ^оіНкі/П
(7)
где 1|... - тяговый КПД трактора, соответствующий РфН); ^ - оптимальное значение коэффициента ис-
пользования мощности двигателя в условиях вероятностной нагрузки.
При известном интервале оптимальных рабочих скоростей (V,
optmm
в качестве критерия
V-
использовать п_
орс 1 1]г
можно I
эффективности для определения
Критерии (6) и (7) отвечают одновременно требованиям высокой производительности и ресурсосбережения. Поэтому оптимальным будут такие значения параметров и пц, которые обеспечивают
достижения любого из указанных критериев оптимизации рабочего хода.
Значение буксования движителя трактора, соответствующее номинальному тяговому усилию &орс| < 6^ < бй, определяет агротехнические и экологические ограничения на параметры оптимизации, поскольку РИор;| < < Рципач При этом тяговое усилие РКрор^ соответствует режиму максимального
тягового КПД 1L. и 5oPtj, а Р.
- режиму допустимого 5пі буксования.
Тта.-!] ■' ~,орф “ 1 фтлят] рс/питу нимуктими ид
С учетом характера изменения коэффициента сопротивления качению трактора при скорости \/>\/о=1,4 м/с 1 = 10+ С(У - ¥„) выражение (3) примет вид:
орс
с fcj + сi(va pti т'' с.]
- ’
(8)
где Ъ - коэффициент сопротивления качению трактора при У0; С - коэффициент пропорциональности. Критерий оптимальности при расчете в этом случае можно представить в виде минимизируе-
мой выпуклой функции:
F =
(9)
Минимум функции Р —> шт - безразмерная величина, близкая к нулю. Ее минимизация производится по переменным ^ и При изменении скорости в интервале (V"
- : с
ш орчтах/^
заданным шагом в каждом цикле определяются значения Г., . и б^. Для каждого значения далее
методом дихотомии находят величину соответствующую тяговому КПД П-...
Оптимизация эксплуатационных параметров трактора при заданных Р^, (vjpLljL - V^ptma:i:), foj, Q, aL, bL и п.:і = const производится на двух режимах: nTHjl = П-ор[|, = йЬрфГЦр = Птщ. 5Hjz =
Алгоритм расчета: 1) f, = fG + q (V0"ptL - V„); 2) <рТшиі = Ь56д/(а, + 6rt)L;
]; 4) 5орс| = аіФс5ор ./(bj - 5) Птні = ПТЇІ(1 - + fj)i
г і 2 о рс;
'ТРІ1
rtlj
3) %рорЧ ^
6) щаі = Р^ні/Ф^; 7) функция (9).
Критерий (5), параметры т5. и рассчитываются для обоих указанных выше тяговых режимов
использования трактора.
В табл. 1 приведены исходные данные для расчета эксплуатационных параметров тракторов, полученные на основании анализа экспериментальных исследований и технических характеристик мобильных энергетических средств общего назначения.
Исходные данные для расчета эксплуатационных параметров тракторов
Таблица 1
Тип трактора Показатель
а b fo C 5p ^ mari VМс м/с '■ Lv. і:., м/с
4К4Б G,11G G,773 G,1G G,G1G G,BB G,15 G,535 G,G6-G,GB 1,B 2,2
Гусеничный G,G1G3 G,7B5 G,GB G,G13 G,BB G,G5 G,75G G,G6-G,G7 1,B 2,2
В табл. 2 представлены результаты расчета параметров и ш, колесных 4К4Б и гусеничных тракторов общего назначения для установленных типажом классов тяги при изменении оптимальной рабо*
чей скорости на операциях основной обработки почвы в интервале от Уо:;171, =1;8 м/с на отвальной вспашке до =22 и/с- на сплошной глубокой культивации и комбинированной обработке.
Расчетные диапазоны эксплуатационных параметров тракторов
Таблица 2
Тип трактора Режим использова- ния Параметр Класс тяги (Р^, KH)/(V0*ptmin- Y^^J, м/с
3 (27-36) 4 (36-45) 5 (45-54) 6 (54-72) 7 (72-1GB)
(1,B-2,2) (1,B-2,2) (1,B-2,2) (1,B-2,2) (1,B-2,2)
4К4Б ^Італ (<5„Pt) тэ, т. 7,46-9,95 9,95-12,43 12,43-14,92 14,92-19,B9 19,B9-29,B4
N ?3j L , кВт 79,G-129,4 1G5,5-161,6 131,B-194,G 15B,2-25B,6 21G,B-3B7,9
&□ тэ, т. 6,43-B,57 B,57-1G,72 1G,72-12,B6 12,B6-17,15 17,15-25,72
^ 53j L , кВт B1,G-132,G 1GB,G-165,1 135,1-19B,G 162,1-264,1 216,2-396,1
Гусеничный ^Італ (<5„Pt) тэ, т. 4,75-6,33 6,33-7,91 7,91-9,49 9,49-12,65 12,65-1B,9B
Vі , кВт 64,B-1G6,5 B6,4-133,1 1GB,1-159,7 129,1-212,9 172,7-319,4
&□ тэ, т. 4,11-5,52 5,4B-6,9G 6,B5-B,27 B,22-11,G4 1G,96-16,56
^ 53j L , кВт 64,9-1G6,9 B6,7-133,7 1GB,4-16G,2 13G,G-213,B 173,4-32G,B
По результатам моделирования установлено, что при повышении оптимальных значений рабочей скорости основной обработки почвы в 1,22 раза энергетический потенциал трактора возрастает в 1,23 раза. Ис-
пользование тракторов на режиме максимального тягового КПД увеличивает их эксплуатационную массу по сравнению с режимом допустимого буксования на 16 %. Потребный энергетический потенциал уменьшается при этом в среднем на 2 % у колесных и на 0,5 % - у гусеничных тракторов. Эксплуатационные масса и мощность гусеничных тракторов при одинаковых значениях Р^, и ^ ниже, чем у колесных, на 57 и 22 % соответственно.
Для обеспечения заданных тягово-скоростных диапазонов удельный энергетический потенциал |^Э, | на режиме ПТтад колесных и гусеничных тракторов составляет 10,6-13,0 и 13,7-16,8 Вт/кг, а на режиме 5£ соответственно 12,6-15,4 и 15,8-19,4 Вт/кг.
Коэффициент ^ зависит от динамических свойств тракторного дизеля Км и распределения внешней нагрузки VI*. В табл. 3 приведены значения номинальной эксплуатационной мощности тракторов установленных тяговых классов для рационального интервала рабочих скоростей (1,8-2,2 м/с) почвообрабатывающих агрегатов на режиме максимального тягового КПД (г|__ = П-та:£) ПРИ Км=1,15 и К„=1,40 (ДПМ). Для = 0,07 расчетные значения коэффициента ^ при заданных Км составили 0,918 и 1,092 соответственно [2].
Таблица 3
Диапазоны номинальной эксплуатационной мощности тракторов общего назначения
Тип трактора Км Иеэ, кВт при эф, кН І(У^ІП - У™*,), м/с
27-36 36-45 45-54 54-72 72-108
1,8-2,2 1,8-2,2 1,8-2,2 1,8-2,2 1,8-2,2
4К4Б 1,15 86-141 115-176 144-211 172-281 230-423
1,40 72-119 97-148 121-178 145-237 193-356
Гусе- ничный 1,15 71-116 94-145 118-174 141-232 188-348
1,40 59-98 79-122 99-147 118-195 158-293
Приведенные результаты показывают, что использование дизеля постоянной мощности (ДПМ) позволяет уменьшить оптимальные значения номинальной эксплуатационной мощности в среднем на 19 %. Уровень энергонасыщенности колесных тракторов на режиме (Г|._ = П-ша.<) снижается при этом с 11,5-14,9 до 9,2-11,9 Вт/кг, а гусеничных с 14,9-18,3 до 12,4-16,5 кВт/кг. На режиме допустимого буксования (51 = 6Д) энергонасыщенность колесных тракторов снижается с 13,4-16,5 до 11,9-13,9 Вт/кг, а гусеничных -с 17,3-21,0 до 14,4-17,8 Вт/кг.
Полученные значения мощности и массы тракторов общего назначения для установленных типажом тяговых классов являются исходными данными при последующем обосновании соответствующих параметров внешней скоростной характеристики их двигателей и трансмиссии, а также основных принципов создания мобильных энергетических средств переменного тягового класса.
Выводы
1. Обоснована модель и разработан алгоритм оптимизации массоэнергетических параметров трактора общего назначения, учитывающие взаимосвязь показателей тягово-сцепных и динамических свойств с рабочей скоростью и характером тяговой нагрузки.
2. Определены рациональные диапазоны эксплуатационных параметров тракторов для установленных типажом тяговых классов и скоростных режимов использования почвообрабатывающих агрегатов.
Литература
1. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2008. - 231 с.
2. Взаимосвязь параметров энергетических и тягово-динамических свойств тракторов / Н.И. Селиванов [и др.] // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2010. - № 2. - С. 118-123.
