Рациональные тягово-скоростные режимы использования тракторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ТЯГОВО-СКОРОСТНЫЕ РЕЖИМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРОВ

Предложен обобщенный критерий эффективности и установлены количественные взаимосвязи показателей эксплуатационных свойств тракторов общего назначения, позволившие обосновать рациональные тягово-скоростные режимы их использования на основной обработке почвы.

Ключевые слова: тяговое усилие, тяговый КПД, допустимое буксование, оптимальная скорость, энергонасыщенность, удельная производительность, энергозатраты, критерий эффективности.

N.I. Selivanov RATIONAL TRACTION AND SPEED MODES OF TRACTORS USE

Generalized efficiency criterion is offered and the quantitative correlation between the operating ability indices of the general-duty tractors, allowed to justify the rational traction and speed modes of its use for regular tillage is determined.

Key words: tractive force, tractive performance, permissible skidding, optimal speed, energy saturation, specific capacity, power inputs, performance criterion.

Постоянное стремление к повышению производительности, при снижении удельных энергозатрат и обеспечении агротехнической и экологической безопасности, обостряет проблему выбора рациональных эксплуатационных параметров и режимов рабочего хода мобильных энергетических средств (МЭС) в составе тяговых агрегатов разного технологического назначения.

По ГОСТ 27021-86 сельскохозяйственные тракторы классифицируются по номинальному тяговому усилию, которое трактор развивает на стерне при средней плотности и нормальной влажности почвы в зоне максимального значения тягового КПД Пттах при эксплуатационной массе тъ, предусмотренной технической характеристикой. Зона максимального тягового КПД ограничена диапазоном тягового усилия от оптимального Ркр.орь соответствующего Пттах, до максимального Ркр.тах при предельно допустимом буксовании бд. Однако в термине «предельно допустимое буксование» существует некая неопределенность, связанная с его нахождением. В современной отечественной учебной и научной литературе по теории трактора [1-3] значения предельно допустимого буксования движителей тракторов с позиции тягово-энергетической эффективности и экологической безопасности находятся в диапазонах: 16-18 % - колесных 4к2; 14-16 % - колесных 4к4; 3-5 % - гусеничных.

По требованиям агротехники [4], с позиции производственной эксплуатации, предельно допустимые значения буксования указанных тракторов не должны превышать соответственно 18, 15 и 5 %. При этом специалисты все чаще высказывают требования по их уменьшению.

Ограничение предельно допустимого буксования, при отсутствии единого мнения ученых и специалистов, должно производиться на основе общего функционала эффективности, устанавливающего взаимосвязь основных технико-экономических показателей и эксплуатационных режимов использования энергетического модуля.

Целью настоящей работы является обоснование рациональных тягово-скоростных режимов использования тракторов в процессе реализации тяговых технологий.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

1) обосновать обобщенный критерий эффективности использования трактора в тяговом режиме;

2) установить количественные характеристики взаимосвязи показателей эксплуатационных свойств тракторов на режимах максимального тягового КПД и предельно допустимого буксования;

3) обосновать рациональные нагрузочно-скоростные режимы использования тракторов общего назначения.

Показатели эксплуатационных свойств трактора в тяговом режиме рассматриваются как результативные признаки функционирования динамической системы при случайной нагрузке с учетом установленных допущений:

1) для однотипных тракторов на одинаковых почвенных фонах взаимосвязь буксования движителей 5 и тягового усилия Ркр=фкрдтэ в рабочем диапазоне нагрузок от Ркр^ до Ркр.тах аппроксимируется функцией 5=афкр/(Ь-фкр);

2) допустимое буксование движителей 5д тракторов на стерне при Ркртах не превышает 14 % у колесных 4к4 и 5 % - у гусеничных;

3) максимальное значение коэффициента сцепления фтах при предельно допустимом буксовании 5д на определенном почвенном фоне величина постоянная.

Исходя из уравнения энергетического баланса трактора в тяговом режиме, оптимальное значение

средней скорости движения Мор1 при Птшах соответствует оптимальному соотношению параметров энергетического потенциала Э и тягово-сцепных свойств ф=(фф+1} [5].

\/ — ^тр

орі' д

(1)

Оптимальное значение коэффициента использования мощности определяется динамическими

свойствами Км=Мтах/Мн тракторного двигателя и параметром распределения VI* вероятностной нагрузки. Максимальное значение тягового КПД Пттах и соответствующие ему взаимосвязанные коэффициенты буксования 5орр(1 -Г|5.ор0 и использования сцепного веса фкро^фог^ зависят от характеристики буксования и коэффициента сопротивления качению трактора 1

Учитывая, ЧТО рациональному ТЯГОВОМУ диапазону (Ркр.оргРкр.тах) соответствует (фкр.оргфкр.тах), значение средней скорости \/л = \/ор1 на режиме допустимого буксования 5Д при фкр.шах и Г|тр=1с1ет выразится как

^ ^ _ Чтр ^А/ ^ тах Пбц 1Т _ _ ІП.

д_ °Р(_ 9 (Пртах+/) Р~ орс_ в

(2)

Тогда соотношение параметров энергетических и тягово-сцепных свойств трактора на указанных ре- - — — Птр

жимах при Кй — 1/ерг примет вид\г д = V----------------------------

3Р* § (фіршах+і)

(0т*ХНД =(0Ъ

фтах

Я>

)орІ.

(3)

Показатель изменения энергонасыщенности трактора Лэ=Этах/Эор1 при переходе с режима Пттах на режим допустимого буксования 5Д определится ИЗ соотношения относительных коэффициентов Лф=фтах/фор(,

= ПбД / Пвсп и 4 = С 1 С, Ч = -V =

'д л'орї

э

э.

ор(

-Ля =

(4)

Из выражения (4) следует, что для обеспечения на режиме допустимого буксования скорости Уй = ПРИ ^=соп^ ^ = соп^ требуется повышение энергонасыщенности трактора от Э0рДО Этах, которое будет тем существеннее, чем больше отношение ^ ^ >1Л ■ . - :: : В то же время необходимое повышение энергонасыщенности можно заменить, при наличии возможности, увеличением коэффициента В общем случае ^ = 1 Дэ = 1 при =

Изменение тягового режима работы и энергонасыщенности для обеспечения \7$ = УарЬ оказывает влияние на критерии эффективности использования трактора в составе тягового агрегата:

удельную чистую производительность, м2/скг

^у=^Э}//<;щ = %э Пт/к.

удельные энергозатраты на единицу площади, Дж/м2

Ёп = ^Э1Щ = Ка1Пт-Ё- = £Э/^у = Ка/П-;

удельный расход топлива двигателяпри изменении £*, кг / (кВтч)

де=6г/^5§а = Ст/^ 3; (7)

(5)

(6)

удельную эксплуатационную массу, кг/Вт

ГГЦ = —.

Зу э

(8)

Для сравнительной оценки эффективности использования_трактора на режиме допустимого буксования по отношению к режиму максимального тягового КПД при Уорс = ]с!ет целесообразно использовать относительные величины указанных критериев. Учитывая, что величина удельного тягового сопротивления при неизменной скорости Ка=сопв1, выражения для определения относительных критериев эффективности запишутся в виде

\ = ^4) / ЩорП = \ /^у(орЦ ^Э^Лт;

^Еп = ^7(<5Д) I ^ПорГ) =1! I ^Ёп— ^п(5д)/^п(ор10 —

еКсрО ■

\ =гц / п% =1/4.

171 э ^у(<5ц) Эу(срО 3

(9)

Обобщенный_функционал качества, определяющий рациональный по тяговому КПД режим использования трактора при Уорс, должен содержать относительные критерии эффективности. При реализации тяговых технологий установлена целесообразность использования в качестве обобщенного критерия эффективности трактора следующего функционала:

Л — Ли у ! ( Лэ^дё ) ^ Э^Ъ —

7- :■ 7? ; (10)

В выражении (10) присутствуют критерии чистой производительности А ^ Ащ] удельных энергозатрат А^,, который является эквивалентной расхода топлива на единицу площади; энергонасыщенности Яэ, оптимальной нагрузки А^ и удельного расхода топлива А^, которые в совокупности представляют эквива-

1

ленту часового расхода топлива; эффективности использования эксплуатационной массы трактора Л,^. Поэтому указанный критерий учитывает основные эксплуатационные параметры и тяговые режимы использования трактора.

Полученные зависимости позволили установить количественные характеристики взаимосвязи показателей эксплуатационных свойств и эффективности использования тракторов на режимах максимального тягового КПД и допустимого буксования. В таблице 1 приведены значения относительных коэффициентов /^, Лф и/^(Аэ) Л^иА^Лэ) колесного 4к4б и гусеничного тракторов при изменении в широком

интервале коэффициента сопротивления качению 1 На рисунке 1 представлены их графические зависимости.

Таблица 1

Относительные показатели эксплуатационных свойств тракторов на режиме допустимого буксования

\ Колесный 4к4б Гусеничный

V0 у орґ ^ ^ сад V0 *. г 0'pt ^(р (Л-э)

0,06 1,0 1,49 0,936 1,592 1,0 1,21 0,975 1,241

0,08 0,881 1,23 0,948 1,298 0,936 1,13 0,979 1,154

0,10 0,809 1,14 0,956 1,192 0,885 1,07 0,982 1,090

0,12 0,752 1,06 0,963 1,101 0,843 1,03 0,982 1,049

Результаты моделирования показали, что изменение коэффициента \ существенно влияет на соотношение показателей тягово-сцепных и энергетических свойств тракторов при допустимом буксовании и максимальном тяговом КПД. Увеличение \ от 0,06 до 0,12 приводит к снижению оптимального значения средней скорости движения при вероятностной нагрузке и установленной энергонасыщенности колесного 4к4б и гусеничного тракторов на 25 и 16 % соответственно. Основной причиной является повышение коэффициента фор! соответственно на 29 и 17 % при уменьшении Пшах в 1,14 и 1,09 раза и незначительном увеличении буксования 50Р(. Из-за перераспределения реализации энергетического потенциала трактора на увеличение Ркр.0р( за счет уменьшения V^ происходит сближение оптимального и допустимого по буксованию тяго-

- 0,9

-I 0,8

а)

Рис. 1. Относительные показатели эксплуатационных свойств колесного 4к4б (а) и гусеничного (б) тракторов на режиме допустимого буксования при У^ = (фон-стерня)

Условие при ї=0,06 достигается за счет повышения энергетического потенциала(Э^) на

режиме допустимого буксования в 1,59 у колесного и в 1,24 раза у гусеничного тракторов. При 1>0,10 достаточно повышения энергонасыщенности в 1,10-1,19 и в 1,049-1,090 раза соответственно.

ВО-СКОрОСТНЫХ реЖИМОВ ИСПОЛЬЗОВаНИЯ, Ограниченных интервалами (фкроргфкр.тах) и

4 огЛ 1.0

0,9

■ 0,5

0,'

12

Для сравнительной оценки эффективности использования тракторов на указанных режимах при " ■ = "... определены значения относительных единичных и обобщенного критериев (табл. 2) и построены их зависимости от коэффициента \ (рис. 2).

Таблица 2

Критерии эффективности использования тракторов на режиме допустимого буксования

при Уй = Vср( и ^ = ¡йеш=/с/ет

\ Колесный 4к4б Гусеничный

¿Еп ¿Еп

0,06 1,564 1,018 1,536 1,234 1,006 1,227

0,08 1,282 1,012 1,266 1,147 1,009 1,136

0,10 1,179 1,011 1,166 1,080 1,007 1,072

0,12 1,079 1,020 1,058 1,039 1,010 1,029

1.4

и

1.0

. 2 1

^Ёп /

0.06

0.08

0.10

а)

0.12

1.4

1,2

1.0

2 ^ Г 1

0.06

0.08 ( -

0.10

0.12

б)

Рис. 2. Единичные (а) и обобщенный (б) критерии эффективности использования колесного 4к4б (1) и гусеничного (2) тракторов на режиме допустимого буксования

Повышение энергетического потенциала для обеспечения условия Уд = 1ТорҐ приводит к соответствующему росту удельной производительности и обобщенного критерия эффективности использования трактора на режиме допустимого буксования. Более существенное влияние коэффициента \ на эти критерии характерно для колесного трактора. Причем рост обобщенного критерия обусловлен повышением эффективности использования эксплуатационной массы Лш. Этому режиму соответствует минимальная эксплуатационная масса іть™, создаются условия для повышения энергонасыщенности и реализации тягово-энергетической концепции трактора.

По результатам моделирования взаимосвязи энергетического потенциала и скорости движения на режимах Пттах и 5д (рис. 3) для установленных диапазонов изменения энергонасыщенности колесных (13-17 Вт/кг) и гусеничных (12-16 Вт/кг) тракторов общего назначения получены следующие эмпирические зависимости:

э0р(4„46 =13 + 6,06 Vopt-2,2 ;|Зор^ = 13 + 6,06(1^-2,2);

Эор(т =12 + 7,84 Уор{

Э„. = 13 + 7,0 У-1,9 ; (3 = 13 + 7 0(Р*-1 9)-

тах4((46

Э =12 + 89\/—138 — + Ъ,3\У^ 1,38,).

(12)

Эти зависимости позволяют определить энергетический потенциал трактора для реализации заданной скорости движения с учетом тягового режима его использования, или наоборот, при известной энергонасыщенности установить рациональный диапазон изменения рабочей скорости на основной обработке почвы.

4НЭ,

Вт/кг

16

14

12

?ЫЭ2 ч Л

1ч^ \ и г

і/ ч

у Гу \/\

\ч/ У \ ч/ 2 Ф<. >н-стерня

1,4 1.8 2,2 2.6

V------------*-

3,4

'■ 0,10

--0.09

0.07

Рис. 3. Влияние скорости движения на коэффициент сопротивления Ї и энергетический потенциал колесного 4к4б (1) и гусеничного (2) тракторов: ^ - режим /]ттах, ^Э2 - режим 5а

ГУС

Анализ результатов моделирования по установленным взаимосвязям показателей эксплуатационных свойств показал, что в рабочем диапазоне скоростей почвообрабатывающих агрегатов оптимальная скорость на режиме предельно допустимого буксования = Уорс достигается за счет повышения в 1,19-1,21 и в 1,13-1,15 раза энергонасыщенности соответственно колесного 4к4б и гусеничного тракторов при неизменной эксплуатационной массе. Прирост потенциальной производительности составляет при этом в среднем 17,5 и 14,0 %, а обобщенный критерий эффективности, за счет наиболее полного использования эксплуатационной массы трактора, достигает 1,15 и 1,13.

Ужесточение экологических требований к функционированию тракторов на основной обработке почвы не всегда позволяет режим предельно-допустимого буксования использовать в качестве основного. С учетом параметров распределения внешней нагрузки и величины потерь на качение при фФ.тах/фкр.ор^1,15 в качестве основного тягового следует использовать режим максимального тягового КПД трактора. При фкр.тах/фкр.0р(>1,15 рациональный тяговый режим выбирается из условияф^. =(фч,.пих +Фкр.ор,)/2 7. = .............. 1. Такой подход позволяет наиболее полно использовать потенциальные возмож-

ности тракторов в процессе реализации тяговых технологий.

Выводы

1. Обоснован обобщенный критерий эффективности функционирования трактора, учитывающий основные эксплуатационные параметры и режимы его использования в процессе реализации тяговых технологий.

2. Установлены количественные характеристики взаимосвязи показателей эксплуатационных свойств тракторов, позволившие определить по обобщенному критерию сравнительную эффективность их функционирования на режимах максимального тягового КПД и предельно допустимого буксования.

3. Получены эмпирические уравнения связи энергетического потенциала и рациональных нагрузочноскоростных режимов использования тракторов общего назначения на основной обработке почвы.

Литература

с^со^

1. Тракторы. Теория / В.В. Гуськов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1988. - 376 с.

Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. - М.: Колос, 2004. - 504 с. Шарипов В.М. Конструирование и расчет тракторов. - М.: Машиностроение, 2004. - 592 с.

Зангиев А.А., Лышко Г.П., Скороходов А.Н. Производственная эксплуатация машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1996. - 320 с.

5. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов / Краснояр. гос. аграр.

ун-т. - Красноярск, 2008. - 231 с.

'--------♦-----------