CC BY
7
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ
УДК 631.3.004.67 СЮ. ЖУРАВЛЕВ
Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск
РАЦИОНАЛЬНЫЕ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОЛЕСНОГО 4К4 ТРАКТОРА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ПОЧВООБРАБОТКИ
Рассматривается проблема повышения эффективности использования современных энергонасыщенных колесных тракторов на основных почвообрабатывающих операциях. Целью работы является обоснование рациональных тягово-сцепных показателей колесного 4К4 трактора при выполнении различных почвообрабатывающих операций с учетом вероятностного характера внешней нагрузки. В качестве объекта исследований рассматривается колесный 4К4б трактор «Кировец» К-424 и его тяговая характеристика. В результате проведенных исследований установлено, что величина тягово-энергетических показателей трактора с комплектацией 1К (одинарные колеса) при воздействии на трактор колебаний силы тяги на крюке на данной передаче в диапазоне уг = 0-0,2 несущественно отличается при одинаковой величине тэ. Значения оптимальных нагрузочных режимов при коэффициенте вариации нагрузки ур = 0,05-0,2 соответствуют тяговому режиму трактора Ар = 0,85-0,97, в зависимости от номера передачи они смещаются в сторону номинального значения силы тяги на крюке РКрН- Максимальная загрузка трактора Ар = 1,0 соответствует максимальной мощности трактора на данной передаче. Тяговая мощность трактора Мкр при значениях коэффициента вариации силы тяги к,, = 0,15-0,2 (почвообрабатывающие операции первой группы) снижается на 9-10% на всех передачах основного тягового диапазона. Заметное увеличение удельного расхода топлива дкр установлено при значениях коэффициента вариации ур= 0,15-0,2. Применение комплектации 2К (сдвоенные колеса) позволяет существенно улучшить параметры тяговой характеристики трактора. Согласно расчетам, значения тяговой мощности трактора на разных передачах увеличиваются на 9%. Анализ расчетных данных позволяет утверждать, что при выполнении операций почвообработки трех основных групп комплектация трактора с массой тэ = 11042 кг на сдвоенных колесах (2К) является наиболее универсальной. Это подтверждают расчетные значения параметров тягово-динамической характеристики трактора при различной величине коэффициента вариации ур.
Ключевые слова: трактор, обработка почвы, рациональные показатели, переменная нагрузка, комплектация, эксплуатационная масса.
Введение
Обоснование тягово-скоростных диапазонов и параметров энергонасыщенных колесных тракторов должно учитывать тот фактор, что на трактор, входящий в состав почвообрабатывающего агрегата, оказывают существенное воздействие колебания силы тяги на крюке.
Современные двигатели в сочетании с агрегатами трансмиссии колесных 4К4 тракторов в значительной степени увеличивают эффективность работы почвообраба-
© Журавлев С.Ю., 2019
тывающих агрегатов [1; 2], благодаря большому запасу крутящего момента и наличию электронных систем топливоподачи, однако наличие у тракторных дизелей режима постоянной мощности не исключает негативного воздействия переменных внешних факторов на выходные параметры и режимы работы почвообрабатывающего агрегата. Вероятностный характер нагрузки, поступающей со стороны рабочей машины на ведущие колеса трактора, генерирует колебательные процессы в динамической системе мотор-но-трансмиссионной установки трактора, которые, в свою очередь, отрицательно влияют на технико-экономические показатели машинно-тракторных агрегатов (МТА) при выполнении операций почвообработки.
Поэтому оценка влияния переменной нагрузки на параметры тягово-динами-ческой характеристики трактора и соответственно технико-экономические показатели работы МТА дает возможность установить наиболее энергосберегающие тягово-ско-ростные диапазоны и параметры энергонасыщенных колесных тракторов улучшенной классической компоновки для зональных технологий почвообработки.
Определение степени влияния колебаний нагрузки на тягово-энергетические показатели различных почвообрабатывающих агрегатов предпочтительно устанавливать с помощью вероятностно-статистического метода, который основан на использовании детерминированных функций законов распределения и количественных характеристик входных переменных воздействий на МТА. Метод функций случайных аргументов представлен в работах Л.Е. Агеева [3; 4] и в работах, выполненных с использованием его универсальной расчетной методики [5; 6].
Материалы и методы исследований В качестве объекта исследований рассматриваются колесный 4К4б трактор «Ки-ровец» К-424 и параметры его тяговой характеристики.
Средние значения тяговой мощности трактора с двигателем постоянной мощности на различных передачах находим с помощью выражения [6]:
-^кр / Ркр
0,5 а Ркр +Ь Ркр +Ь <у2р + аг РкР + \ р1р + \ а2р Ф(0 + + а^Ркр +Ь2Р1Р +Ь2(т2р Ф^-арЩф^^Ркр +Ь2ф^п)Ркр}
(1)
где Мкр - среднее значение тяговой мощности трактора на данной передаче, кВт; а, Ь, а, Ь, «2, Ь2 - коэффициенты, определяемые при аппроксимации тяговой характеристики трактора; Ф(/й) = 2л /2 \е /2с![ - функция Лапласа для аргумента /„;
о
Ф(ХН) = 2л 12 |е ^dt - функция Лапласа для аргумента 4; ф^п) = 2л ^ ехр -0,5^
о
-V 2
плотность распределения аргумента фЦп) = 2л 72 ехр -0, Ын - плотность распре-
^ т т ^ ^кр.п ~ Ркр
деления аргумента Ркр - среднее значение силы тяги, кН; М =—--,
_ ар
Ркр.н ~ Ркр
I =—--; и,, - среднеквадратическое отклонение силы тяги трактора.
Математические
ожидания часового расхода топлива ^^ рассчитывались по
формуле [3]:
GT = 0,5 a+b'Pkp + а* + Ь*Ркр Ф tH +(а2+Ъ'2Ркр)ФЦп)-(гр{(£ф tH + b*2<f>(tn)}, (2) где GT - математическое ожидание часового расхода топлива на данной передаче, кг/ч;
* L* * L* * 1*
a* ,0* ,а*,о2,а ,о - коэффициенты аппроксимации тяговой характеристики часового расхода топлива.
Величину удельного тягового расхода топлива дКр на различных передачах рассчитываем с помощью формулы
— Grp
дкр =Y~> (з)
kp
где GT - математическое ожидание часового расхода топлива, кг/ч; N^ - математическое ожидание тяговой мощности, кВт.
Расчет рабочей скорости Vgl на различных режимах (^р.н, ^кр.тах) выпол-
нялся по формуле
где пд - частота вала дизеля, об./мин; ¿тр - число трансмиссии на данной передаче; гк = гд - динамический радиус ведущего колеса; S - буксование движителей трактора.
Значения оптимальной эксплуатационной массы трактора ml для комплектаций 1К (одинарные колеса) и 2К (сдвоенные колеса) с различной величиной балластных грузов, соответствующие оптимальным значениям удельной массы определялись с помощью выражения [4]:
т*э = • Ne3 • (5)
где Ne3 - эксплуатационная мощность дизеля трактора, кВт; ^ - оптимальная степень использования мощности двигателя.
Значения т^д (кг/кВт) определяем с помощью выражения [7]:
^ - Jj&t (6)
где 1]т - тяговый КПД; g - ускорение силы тяжести; (р^ - оптимальное значение коэффициента использования сцепного веса; - номинальная скорость движения агрегата на операциях почвообработки, м/с.
Расчет буксования 5 движителей тракторов колесной схемы 4К4б для комплектаций 1К и 2К [8]:
- комплектация 1К (одинарные колеса):
8 = ^ (7)
ь-<рщ> '
где <ркр - коэффициент использования сцепного веса трактора;
- комплектация 2К (сдвоенные колеса):
s = о-С^кр^ (8)
Ь-<ркр+с1 v у
где а, b, d- расчетные коэффициенты (а = 0,11, b = 0,773, d = 0,04 для 2К);
Коэффициент использования сцепного веса рассчитываем по формуле
(9)
где Рк р= сила тяги на крюке; кН Лк = 1.
Результаты расчета параметров тяговой характеристики трактора К-424 представлены на рис. 1, 2.
. Коэффициент Варищии крутящего момента V» -- О 4. Коэффициент) Вариации крутящего момента V» =015
2 Коэффициент Варищии крутящего момента V« =0.06 5. Коэффициент Вариации крупящего момент =0.2
3 Коэффициент Вариации крупящега момента V» ЛЮ
Рис. 1. Тяговая характеристика трактора К-424 при величине эксплуатационной массы 10276 кг и комплектации 1К (РКр-0Пт - сила тяги, соответствующая оптимальному уровню режима)
: Коэффициент Вариации крутящего момента - О I Коэффициент вариации крутящего момента V ^=0,15
2 Коэффициент Всриации крутящего моментаУц =0.05 5 Коэффициент Вариации крутящего момента У^ =0.2
3 Коэффициент Вариации крутящего момента V? =0Ю
Рис. 2. Тяговая характеристика трактора К-424 при величине эксплуатационной массы 11042 кг
и комплектации 2К
Результаты исследований
Анализ расчетных данных позволяет утверждать следующее. Эксплуатационная масса трактора К-424 тэ = 10276 кг является для комплектации 1К наиболее универсальной при использовании трактора в составе различных агрегатов для выполнения основных трех групп почвообрабатывающих операций [9; 10]. При таком значении эксплуатационной массы трактора рабочие скорости агрегата наиболее соответствуют агротехническим требованиям. Трактор с данной тэ желательно использовать на вспашке. Трактор с массой тэ = 8125-8872 кг и комплектацией 1К может быть использован на операциях почвообработки третьей группы = 3,3 ± 0,5 м/с), а также для выполнения транспортных работ.
В результате проведенных исследований установлено, что величина тягово-энергетических показателей трактора с комплектацией 1К (одинарные колеса) при воздействии на трактор колебаний силы тяги на крюке на данной передаче в диапазоне ур= 0-0,2 несущественно отличается при одинаковой величине тэ. Значения оптимальных нагрузочных режимов при коэффициенте вариации нагрузки ур = 0,05-0,2 соответствуют тяговому режиму трактора Яр = 0,85-0,97, в зависимости от номера передачи они смещаются в сторону номинального значения силы тяги на крюке РКр.н. Максимальная загрузка трактора Лр = 1,0 соответствует максимальной мощности трактора на данной передаче. Тяговая мощность трактора Мкр при значениях коэффициента вариации силы тяги ур= 0,15-0,2 (почвообрабатывающие операции первой группы) снижается на 9-10% на всех передачах основного тягового диапазона. Заметное увеличение удельного расхода топлива дкр установлено при значениях коэффициента вариации ур = 0,15-0,2. Благодаря большому запасу крутящего момента у двигателя трактора К-424 (коэффициент приспособляемости дизеля по крутящему моменту Кп = 1,35), колебания внешней нагрузки несущественно влияют на значения показателей тяговой характеристики трактора в диапазоне значений ур =0,05-0,15.
Применение комплектации 2К (сдвоенные колеса) позволяет существенно улучшить параметры тяговой характеристики трактора. Согласно расчетам, значения тяговой мощности трактора на разных передачах увеличиваются на 9%. Этот положительный эффект может быть достигнут за счет снижения потерь мощности на преодоление сопротивления перекатыванию /и на буксование 3. Снижение мощности Л/кр, обусловленное негативным воздействием на агрегат и трактор переменных внешних воздействий, составляет 8-10% при значении коэффициента ур = 0,2, что несколько меньше, чем при базовой комплектации 1К. В данном случае снижение потерь тяговой мощности при установке сдвоенных колес обусловлено снижением величины коэффициента сопротивления перекатыванию / с 0,07 на одинарных колесах до 0,05 для комплектации 2К, что приводит к большой адаптации тяговой характеристики трактора к воздействию колебаний внешней нагрузки.
Анализ расчетных данных позволяет утверждать, что при выполнении операций почвообработки трех основных групп комплектация трактора с массой тэ = 11042 кг на сдвоенных колесах (2К) является наиболее универсальной. Это подтверждают расчетные значения параметров тягово-динамической характеристики трактора при различной величине коэффициента вариации
р ■
Трактор с минимальным балластированием при выполнении операций почвооб-работки третьей группы желательно также оснащать сдвоенными колесами (комплек-
тация тэ = 8940 кг, 2К). В данном случае мощность трактора возрастает на 7% по сравнению с комплектацией тэ = 8125 кг на одинарных колесах (1К). Применение максимального балластирования (тэ = 11042 кг) и сдвоенных колес дает ощутимое преимущество при использовании трактора на операциях первой группы.
Трактор с массой 9787 кг и комплектацией 2К имеет наиболее эффективные показатели тяговой характеристики на операциях второй и третьей групп почвообработки. Это подтверждают расчетные значения тяговой мощности Мкр и удельного расхода топлива дкр. Недоиспользование тяговой мощности на 3-й и 4-й передачах с данной комплектацией составит 10-8%. Оптимальные нагрузочные режимы Лр = 0,86-0,974. Дальнейшее увеличение балласта нецелесообразно.
На рис. 1 и 2 представлены тяговые характеристики трактора с эксплуатационными массами 10276 кг и 11042 кг, которые являются универсальными для всех трех групп почвообрабатывающих операций с комплектациями 1К и 2К соответственно.
Установка сдвоенных колес позволяет существенно улучшить энергетические показатели трактора, прежде всего за счет снижения буксования и коэффициента перекатывания. Тяговая мощность ДОкр увеличивается в среднем на 10 кВт, расход топлива дкр снижается на 30 г/кВт-ч.
Тяговый КПД 77т у трактора с комплектацией 2К существенно выше, чем для 1К, его значения находятся в пределах 0,680 и 0,630 соответственно.
За счет буксования сила тяги предельная Ркр.п, соответствующая крутящему моменту Мкрп = 885-900 Нм, смещается влево, в сторону номинальной силы тяги Ркр,н. Реальный максимум мощности также смещен влево. Поэтому есть несоответствие с потенциальной характеристикой (значения тяговой мощности, тяговый КПД не соответствуют своим расчетным значениям потенциальной тяговой характеристики). При воздействии колебаний силы тяги это смещение еще больше, оптимальные значения нагрузочного режима находятся в области Лр = 0,81-0,9. Значения тягового КПД в области Лр также ниже расчетной величины на 9,5%.
Установлено, что под воздействием переменной нагрузки недоиспользование тяговой мощности в области Лр при значении коэффициента вариации уР = 0-0,2 составит 9,1% для обеих комплектаций трактора. Заметное повышение удельного расхода топлива дкр по расчетным данным наблюдается только на участке тяговой характеристики от ^рп до Рщ>.тах. На участке от Ркрн до Ркрп удельный расход топлива несколько увеличивается при значениях 1/р > 0,1.
В оптимальном тяговом диапазоне, ограниченном буксованием 0,08 < 3 < 0,15, трактор К-424 с эксплуатационной массой 10276 кг (1К) наиболее эффективен на четвертой передаче, т.к. на третьей передаче буксование в области тяговой характеристики от РКр.н до РКр.п выше 15%. С массой 11042 кг (2К) максимальная энергетическая эффективность трактора может быть достигнута на третьей передаче.
Заключение
Результаты моделирования характера воздействия переменных внешних факторов на МТА с трактором К-424 показали целесообразность и эффективность применения балластирования и комплектации 2К с целью регулирования эксплуатационной массы для обеспечения рациональных тягово-энергетических показателей трактора в технологически обоснованном интервале рабочих скоростей при реализации ресурсосберегающих операций почвообработки.
S.Yu. Zhuravlev
Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk
Rational traction-energy indicators of 4K4 wheel tractor at implementation of resource-saving operations tillage
The article considers the problem of increasing the efficiency of modern energy-saturated wheel tractors using in the main tillage operations. The purpose of the article is to justify the rational traction and coupling indicators of the wheel 4K4 tractor while performing various tillage operations taking into account the probabilistic nature of the outer load. The research subject is the wheel 4K4b tractor "Kirovets" K-424 and its traction performance. As a result of the carried out studies, it was found that the value of traction-energy indicators of the tractor with complete set of IK (single wheels) when the tractor is subjected to fluctuations of a traction force on the hook on this gear in the range vp = 0-0.2 does not differ significantly at the same value of me. Optimal load modes at load variation factor vP = 0.05-0.2 correspond to the tractor traction mode A*P = 0.85-0.97, and, depending on the gear number, they shift towards the nominal value of traction force on the hook Pten. Maximum load of the tractor X*P = 1.0 corresponds to the maximum tractor power at a given gear. Tractor traction power Nte at the value of the factor of variation of traction force vp = 0.15-0.2 (tillage operations of the first group) decreases by 9-10% on all gears of the main traction range. Noticeable increase of fuel rate g^ is identified at
values of variation factor vp = 0.15-0.2. Application of the complete set of 2K (twin wheels) allows improving significantly parameters of tractor traction characteristics. According to the calculations, values of tractor traction power at different gears increase by 9%. Analysis of the calculated data allows stating that while performing tillage operations of three main groups, the complete set of the tractor with a weight of me = 11042 kg on twin wheels (2K) is the most universal. This is confirmed by calculated values of parameters of tractor traction-dynamic characteristics at a different value of variation factor vp .
Keywords: tractor, tillage, rational indicators, variable load, complete set, operating weight.
Список литературы
References
1. Парфенов А.П. Тенденции развития конструкций сельскохозяйственных тракторов / А.П. Парфенов // Тракторы и сельхозмашины. -2015. - № 5. - С. 42-47.
2. Moessmer A. Grosstraktoren: Die Schuersten und staersten Schlepper / A. Moessmer. - Gera Mond, 2011. - 144 р.
3. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов / Л.Е. Агеев. - Л. : Колос, 1978. -296 с.
4. Агеев Л.Е. Эксплуатация энергонасыщенных тракторов / Л.Е. Агеев, С.Х. Бахриев. - М. : Агропромиздат, 1991. - 271 с.
5. Эвиев В.А. Методология повышения эффективности функционирования тяговых и тягово-приводных агрегатов за счет оптимизации эксплуатационных режимов : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В.А. Эвиев. - СПб. ; Пушкин, 2005. - 32 с.
6. Журавлев С.Ю. Оценка эффективности функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов с использованием тяговой характеристики трактора / С.Ю. Журавлев // Вестник Красноярского ГАУ. - 2011. - № 9. - С. 146-151.
1. Parfenov A.P. Tendentsii razvitiya konstrukt-siy selskohozyaystvennyih traktorov / A.P. Parfenov // Traktoryi i selhozmashinyi. - 2015. - № 5. - S. 42-47.
2. Moessmer A. Grosstraktoren: Die Schuersten und staersten Schlepper / A. Moessmer. - Gera Mond, 2011. - 144 p.
3. Ageev L.E. Osnovyi rascheta optimalnyih i dopuskaemyih rezhimov rabotyi mashinno-traktornyih agregatov / L.E. Ageev. - L. : Kolos, 1978. - 296 s.
4. Ageev L.E. Ekspluatatsiya energonasyischen-nyih traktorov / L.E. Ageev, S.H. Bahriev. - M. : Agropromizdat, 1991. - 271 s.
5. Eviev V.A. Metodologiya povyisheniya effek-tivnosti funktsionirovaniya tyagovyih i tyagovo-privodnyih agregatov za schet optimizatsii ekspluatat-sionnyih rezhimov : avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk / V.A. Eviev. - SPb. ; Pushkin, 2005. - 32 s.
6. Zhuravlev S.Yu. Otsenka effektivnosti funktsionirovaniya mobilnyih selskohozyaystvennyih agregatov s ispolzovaniem tyagovoy harakteristiki traktora / S.Yu. Zhuravlev // Vestnik Krasnoyarskogo GAU. - 2011. - № 9. - S. 146-151.
7. Selivanov N.I. Ratsionalnoe ispolzovanie energonasyischennyih kolesnyih traktorov v tehnolo-giyah pochvoobrabotki / N.I. Selivanov, V.N. Makeeva // Vestnik Krasnoyarskogo GAU. - 2017. - № 3. -S. 58-65.
7. Селиванов Н.И. Рациональное использование энергонасыщенных колесных тракторов в технологиях почвообработки / Н.И. Селиванов,
B.Н. Макеева // Вестник Красноярского ГАУ. -2017. - № 3. - С. 58-65.
8. Селиванов Н.И. Технологическая адаптация колесных тракторов / Н.И. Селиванов ; Крас-нояр. гос. ун-т. - Красноярск, 2017. - 216 с.
9. Селиванов Н.И. Эксплуатационные параметры колесных тракторов высокой мощности / Н.И. Селиванов // Вестник Красноярского ГАУ. -2014. - № 3. - С. 176-184.
10. Селиванов Н.И. Адаптация параметров колесного трактора к зональным технологиям поч-вообработки / Н.И. Селиванов, С.Ю. Журавлев // Вестник Красноярского ГАУ. - 2018. - № 4. -
C. 116-120.
8. Selivanov N.I. Tehnologicheskaya adaptat-siya kolesnyih traktorov / N.I. Selivanov ; Krasnoyar. gos. un-t. - Krasnoyarsk, 2017. - 216 s.
9. Selivanov N.I. Ekspluatatsionnyie parametryi kolesnyih traktorov vyisokoy moschnosti / N.I. Selivanov // Vestnik Krasnoyarskogo GAU. - 2014. - № 3. -S. 176-184.
10. Selivanov N.I. Adaptatsiya parametrov ko-lesnogo traktora k zonalnyim tehnologiyam pochvoo-brabotki / N.I. Selivanov, S.Yu. Zhuravlev // Vestnik Krasnoyarskogo GAU. - 2018. - № 4. - S. 116-120.
Журавлев С.Ю., канд. техн. наук, доцент, Красноярский ГАУ, suj61@mail.ru.
Zhuravlev S.Y., Сand. Tech. Sci., Ass. Prof., Krasnoyarsk SAU, suj61@mail.ru.
УДК 62-585.13
А.А. ЛУЧИНОВИЧ, Г.В. РЕДРЕЕВ, А Н. СОРОКИН, В.Д. ЧЕРВЕНЧУК
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, Омск
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВКЛЮЧЕНИЯ ВАЛА ОТБОРА МОЩНОСТИ
Эффективность использования тракторных агрегатов с активными рабочими органами зависит от функционирования вала отбора мощности трактора. Среди парка колесных тракторов, занятых в растениеводстве, основной объем занимают тракторы производства Минского тракторного завода. В подавляющем большинстве случаев вал отбора мощности представляет планетарный редуктор. Включение вала отбора мощности проводится торможением барабана, соединенного с солнечной шестерней. Торможение осуществляется лентой с фрикционными накладками. Ввиду особенностей конструкции механизма включения торможение барабана происходит неравномерно, приводя к увеличению числа оборотов барабана за время включения. Вследствие этого существенно изнашиваются фрикционные накладки ленты. Так как контроль состояния тормозной ленты не осуществляется, регулярное пробуксовывание барабана включения значительно сокращает срок службы ленты. Для его увеличения и повышения эффективности использования вала отбора мощности предлагается для включения привода применить электромагниты, прижимающие ленту к барабану. Использование нескольких электромагнитов с определенной последовательностью их включения позволяет добиться снижения углового перемещения барабана за то же время включения. Разработана математическая модель, описывающая процесс вращения барабана за время торможения. Учитываются мощность на привод сельхозмашины, частота вращения выходного вала, свойства фрикционной накладки тормозной ленты, время торможения. Использование оптимальных параметров электромагнитного устройства включения вала отбора мощности позволит исключить операцию регулировки тормозной ленты, значительно увеличить ее фактический срок службы, осуществлять постоянный контроль технического состояния ленты и прогнозировать ее остаточный ресурс.
Ключевые слова: вал отбора мощности (ВОМ), механизм включения, микропроцессорное устройство, электрический привод.
© Лучинович А.А., Редреев Г.В., Сорокин А.Н., Червенчук В. Д., 2019
