CC BY
78
13. Заїка П.М. Теорія сільськогосподарських. - Т.1. Ч.1. Машини та знаряддя для обробітку грунту. -Харьків: ОКО, 2001. - 444 с.
14. Буряков А.С., Полупитун Н.Г. Влияние местоположения стойки плоскорежущего рабочего органа на процесс образования развальной борозды // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов: тр. ЧИМЭСХ. - Вып. 9. - Челябинск, 1976. - С. 43-49.
УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов
СИСТЕМА АДАПТАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАКТОРОВ ДЛЯ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
Разработана структурная схема и методология многоуровневой системы адаптации тракторов с переменными массоэнергетическими параметрами к природно-производственным условиям операций основной обработки почвы.
Ключевые слова: структурная схема, уровень оптимизации, трактор, параметр, модель, ограничение, производительность, энергозатраты.
N.I. Selivanov SYSTEM FOR TRACTOR WORKING PARAMETER ADAPTATION FOR BASIC SOIL CULTIVATION
Flow diagram and methodology of the multilevel system for the tractor with variable mass and energetic parameters adaptation to natural and production conditions of basic soil cultivation operation is developed.
Key words: flow diagram, optimization level, tractor, parameter, model, restriction, capacity, power inputs.
Основными параметрами почвообрабатывающего агрегата являются эксплуатационные мощность и масса энергетического средства, определяющие его энергонасыщенность, ширина захвата орудия и рабочая скорость. Они в наибольшей степени определяют основные технико-экономические показатели: производительность, эксплуатационные, топливные и энергетические затраты.
Новое поколение энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов отечественного и зарубежного производства характеризуется переменными массоэнергетическими параметрами на единой элементной базе [1], расширяющими тягово-скоростные диапазоны их использования.
Для повышения эффективности работы указанных тракторов разработана многоуровневая система (рис.) адаптации их эксплуатационных параметров к наиболее энергоемким операциям основной обработки почвы. Использование научно обоснованных принципов операционных технологий основной обработки почвы позволило обосновать основные уровни и модели этой системы.
Первый уровень предполагает определение оптимальных рабочих скоростей на операциях основной обработки почвы в пределах агротехнических требований с использованием обоснованных нескольких типов машин-орудий с различающими принципами воздействия на почву. Одна и та же технология возделывания сельскохозяйственных культур в разных природно-климатических зонах и хозяйствах может применяться при существенном различии площади полей, длины гона и других нормообразующих факторов.
Входными факторами являются характерные для зоны показатели: средняя длина гона 1Г[ [2], средние значения удельного сопротивления рабочих органов Ко;, применяемых для основной обработки почвы машин n-rc.ii зависимость удельного сопротивления от скорости движения ДК; и существующий типоразмерный ряд тракторов Птс].
Исходя из этого, основной задачей первого уровня исследования является оптимальная адаптация рабочих органов почвообрабатывающих агрегатов к заданным технологиям п, путем определения значений адаптера - оптимальной рабочей скорости
Структурная схема оптимизации параметров трактора и агрегата
Методы определения и значения адаптера являются универсальными для любых почвенноклиматических зон с обоснованием ресурсосберегающих принципов воздействия рабочих органов агрегатов на почву.
От успешной реализации этого уровня в значительной степени зависит эффективность последующих уровней оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы тракторов и агрегатов на их базе.
Поскольку природно-производственные условия выполнения операций основной обработки почвы, определяемых технологиями возделывания соответствующих культур, в масштабах почвенноклиматической зоны или страны изменяются в широком диапазоне, то для большей адаптации к указанным условиям выходными параметрами являются также типоразмерный ряд тракторов по тяговому усилию Рфн] и типу движителя Пэф
В качестве критериев оптимизации требованиям первого уровня наиболее полно отвечают эквиваленты производительности Кщ = дк-(у2 уг)] = —* тах и удельных энергозатрат
Кг-. = —^-----------Для сравнения энергоемкости технологий основной обработки почвы дополни-
тельным критерием можно принять удельное тяговое сопротивление агрегата с учетом влияния скорости
ка100 = К0,[1 + ДКСУ2 - У02)] = К01Мн -> шт
На этом уровне рассматриваются модели: М1.1 - обоснования технологий и технических средств основной обработки почвы с учетом объемов Уа и сроков Та выполнения работ; М1.2, М1.3 и М1.4 - обоснования значений минимальной максимальной У^и оптимальной рабочих скоростей для приня-
тых технологий основной обработки почвы.
Экономико-математическая модель обоснования технического обеспечения технологий основной обработки почвы включает и обусловленные условиями ограничения: объемы и агротехнические сроки; количество энергетических средств и машин-орудий гц^; численность механизаторов Пм. Ограничение по рабочей скорости определяется агротехническими условиями и требованиями ресурсосбережения ' "" ' "" '
Главная задача второго уровня заключается в выявлении параметров-адаптеров мобильного энергетического средства любого типа, позволяющих реализовать в режиме рабочего хода для каждого типоразмерного ряда, установленного типажом, тяговое усилие Рфн] с наибольшей эффективностью на основной обработке почвы, являющейся самой энергоемкой операцией.
Поэтому второй уровень предусматривает обоснование энергетического потенциала ^N^1 и эксплуатационной массы тЭ]| трактора для реализации номинального тягового усилия РкрН], определяющего его класс, при оптимальной скорости ^ основной обработки почвы по соответствующей технологии.
Оптимальное значение энергетического потенциала для каждой операции и Рфн] можно определить по формуле
где ^ - коэффициент использования мощности двигателя.
Количество операций основной обработки при ДКрУаг определяет число типоразмеров энергомашин по мощности Иеэ для реализации Рфн] установленного тягового класса. Эксплуатационная масса трактора зависит от величины коэффициента использования сцепного веса фф и определяется по выражению
= РкрН]/^кр,ф (2)
Поскольку чистая производительность агрегата при заданном значении РфН] и установленной скорости есть величина постоянная, за критерий эффективности следует принять максимум удельной чистой производительности Мг,,^ в расчете на единицу мощности
Эквивалентным критерием оптимальности является обратная величина, соответствующая минимуму удельных энергозатрат
где Т1тн] — тяговый КПД трактора, соответствующий Р кры.
Указанные эквивалентные критерии оптимальности режима рабочего хода агрегата отвечают одновременно требованиям ресурсосбережения и высокой производительности. Поэтому оптимальными будут такие значения параметров ^N^1, т^и Эр трактора, которые обеспечивают реализацию любого из указанных эквивалентных критериев оптимальности в режиме рабочего хода.
На этом уровне решаются модели второй группы, характеризующие функционирование трактора с номинальным тяговым усилием Рфн] в заданных производственных условиях: М2.1 — устойчивого движения трактора для обобщенной характеристики опорной поверхности; М2.2 — обоснования тягового режима использования трактора; М2.3 — оптимизации эксплуатационной массы Тэ], и энергонасыщенности Э], трактора; М2.4 — оценки энергетического потенциала трактора для реализации заданных тягово-скоростных режимов при вероятностном характере внешних воздействий.
Ввиду достаточной сложности решения задачи обоснования ресурсосберегающего типоразмерного ряда массоэнергетических параметров энергомашин практические расчеты сводятся к обоснованию интервалов изменения указанных параметров для совокупности операций основной обработки почвы.
Агротехнические ограничения на этом уровне характеризуются допустимым буксованием движителя бор^бн^бд при Ркрн]. Под номинальным подразумевается буксование бн], которое устанавливается типажом тракторов при номинальном тяговом усилии РФор^Ркрн]^Ркртах]. При этом Ркрорц соответствует режиму максимального тягового КПД Пттах] и бор], а Ркртах] — режиму допустимого бд буксования, значения которого на стерне нормальной влажности и плотности зависят от типа ходовой системы и колесной формулы трактора.
Диапазон изменения энергонасыщенности Эор(| определяется значением ^ и интервалом реализуемых оптимальных скоростей (У:г^ — Уор1:тах). На современном этапе развития тракторостроения
и почвообрабатывающей техники рекомендуемые значения энергонасыщенности Э=14—17 Вт/кг колесных тракторов и Э=12—16 Вт/кг гусеничных тракторов используются для обоснования их параметрического ряда.
На третьем уровне предусматривается обоснование параметров внешней скоростной характеристики тракторного двигателя для выполнения конкретной операции основной обработки почвы. Оптимизации подлежат номинальные значения крутящего момента Мн],, частоты вращения коленчатого вала п^, коэффициентов приспособляемости ПО крутящему моменту 1Ц=Мтах]|/Мн]| и скоростному режиму КчрЫм]|/Шф Значения Км]| и Кщ определяют оптимальную величину коэффициента использования мощности двигателя
при вероятностной нагрузке, характеризуемой коэффициентом вариации приведенного к коленчатому валу момента сопротивления Vмсi. Для тракторных дизелей с газотурбинным наддувом Км=1,15—1,20 и Кы=0,67—
0,74. У двигателей постоянной мощности Км“1/Кы=1,35—1,50 [1]. Номинальная частота вращения коленчатого вала находится в интервале 1700—2200 мин-1.
Поэтапное решение задачи оптимизации параметров внешней характеристики двигателя включает установление взаимосвязи ^ = Р(унс, Км, Кы), выбор коэффициентов Км^иКыл для определения величины и нахождение МеЭ]1, по которой рассчитываются номинальные значения М^игц при статической тяговой нагрузке.
Критериями оптимизации являются минимумы удельного расхода топлива двигателя |те.. —* тт и эквиваленты удельных энергозатрат = цк;/г|т^ —» тт » ЕРд = ^м^кн]/^ —» тт.
На этом уровне решаются модели третьей группы, характеризующие функционирования и формирование скоростной характеристики тракторного дизеля в условиях вероятностной нагрузки: М3.1 — оценки энергетических показателей двигателя при вероятностном характере внешней нагрузки; М3.2 - обоснования экстремального значения коэффициента использования мощности ^ двигателя при заданных 1Ц, Кщ и Уш Мз.з — оптимизации номинального скоростного режима Пн и номинального момента Мн], при минимальном значении передаточного числа трансмиссии 1к=1тр/гк—>тт.
При решении указанных моделей учитываются рациональные методы обеспечения У^р^ на разных
операциях основной обработки почвы. Для сохранения структуры передаточных чисел трансмиссии трактора и использования на разных операциях в качестве основных рабочих одноименных передачах наиболее це-
лесообразно, с позиций ресурсосбережения и эффективности, применять форсирование двигателя по номинальной частоте вращения при неизменных регулировках номинальной цикловой подачи и коррекции топли-
л, пн]]тах
воподачи на режиме перегрузки. При этом достаточно выполнить условие -77^-------------»----------, когда
ОрИШП 11н|]Щ]П
^орьпт соответствует Пн^т[п, аУорЬпм - Пн^тах.
Ограничениями на этом уровне являются коэффициент эксплуатационной загрузки ^ < Км/(1 + 3’иМс), а также рациональные интервалы номинальной частоты вращения пн=1700-2200 мин-1 и коэффициента приспособляемости Км=1,15—1,50 тракторного дизеля.
На четвертом уровне определяются кинематические параметры трансмиссии трактора. Параметрами-адаптерами являются передаточное число ^, знаменатель геометрического ряда я^трп-Арп, число основных (рабочих) передач По]и динамический радиус качения колеса Гд. Указанные параметры зависят от типа движителя и массы ггц трактора, параметров двигателя (Иеэ], гц)| и характера внешней нагрузки. При известных значениях ^ РКрН) и коэффициента сопротивления качению — У0) передаточ-
ные числа трансмиссии для диапазона рабочих передач определяются правилом согласования характеристики двигателя и механической ступенчатой трансмиссии трактора, которое выражается критерием я<Км. При этом максимальное значение Ятах зависит от минимального коэффициента загрузки двигателя Ятах=1/^м™. Тогда для тягового диапазона бтЦРкрн]/Ркрн]-1 можно принять
ч £ КмпДнпш. и
Критерий (5) совместно с Г|тн| —» шах отражают условия выбора минимального числа передач.
Чем большим запасом крутящего момента обладает двигатель, тем больше может быть разница между значениями касательной силы тяги Рк на смежных передачах и тем меньшее число рабочих передачах можно предусмотреть в коробке. В пределах, удовлетворяющих условию (5), скоростной ряд может быть плотнее и насыщеннее передачами. При наличии автоматической системы переключения передач это обеспечивает более полное использование мощности двигателя и позволяет отслеживать работу ДПМ в режиме постоянной мощности.
Тип и параметры ведущих колес, включая диаметр, выбирают по ГОСТ 25641-88 в соответствии с нормальной нагрузкой на них 6ш]. Расчетное значение нормальной нагрузки на шину не должно превышать максимально допустимого по стандарту при минимальном давлении воздуха в ней вш]тах.
Модели четвертого уровня характеризуют совместную работу двигателя и трансмиссии для обеспечения критерия оптимальности Г|Т[^ —> шах при вероятностной нагрузке: М4.1 - определения тягового 5Т и скоростного буосн диапазонов основного ряда передач; М4.2 — согласования характеристик двигателя и механической трансмиссии; М4.3 — обоснования плотности скоростного ряда и числа основных передач; М4.4 — определения параметров ведущих колес.
В качестве ограничений на этом уровне используются: условие согласования характеристики двигателя и механической трансмиссии я<Км]|; соотношение теоретических значений оптимальной и минимальной скоростей движения Ут1 > Уор4,; допустимая нагрузка на ведущие колеса Систрах.
На пятом уровне оптимизируются массоэнергетические параметры трактора переменного тягового класса Р(фН £ (РкрН] — Ркрн^-и)) Для выбранного диапазона изменения номинального тягового усилия РкрН определяются соответствующие диапазоны изменения номинальной эксплуатационной мощности Ё (N„3^^ - Мм]тах) и эксплуатационной массы шэ^ € (тэ|т1г1 + т6р) При
этом используется соотношение между основными параметрами-адаптерами, удовлетворяющее в режиме рабочего хода следующим условиям:
Это соотношение имеет вид
Г- N
>И _ !
opt
__ у* q _______opt Су
— ^Nopt —
крк
+0
ЛтрС1-^)
(7)
и позволяет создавать энергетические средства переменного тягового класса при установленном уровне энергонасыщенности 3opt следующими способами:
- использование сменных балластных грузов;
- сдваивание шин или использование шин с разными сцепными свойствами, включая изменение давления воздуха в них;
- использование догружателей ведущих колес.
Сохранение энергонасыщенности 3opt, при изменении тягового класса трактора указанными способами, обеспечивается повышением энергетического потенциала путем увеличения номинальной мощ-
ности NggH (или) коэффициента приспособляемости Км двигателя.
В качестве критериев оптимальности на этом уровне используются: минимум эксплуатационной массы тракторатэд —> min; максимум производительности —» max и минимум погектарного рас-
хода топлива q.vji —* min.
Модели пятого уровня базируются на уравнениях тягового и энергетического балансов и характеризуют: М5.1 - оптимизации и распределения эксплуатационной массы трактора повышенного тягового класса; М5.2 - оценки тягово-сцепных свойств трактора при изменении его массы; М5.3 - обоснования рационального уровня энергетического потенциала трактора повышенного тягового класса.
Ограничениями на данном уровне являются допустимые значения буксования и рабочей скорости с учетом качества работ в виде системы уравнений (6).
Шестой уровень предполагает оценку показателей тяговой характеристики трактора с переменными массоэнергетическими параметрами, установленными на предыдущих уровнях. Для каждого из основных соотношений мощности Ne3jj и массы m3jj трактора по тяговой характеристике определяются оптимальное значение тягового усилия PKPoptji, соответствующие ему тяговая мощность N^pjj, скорость рабочего хода V0ptjj и передаточное число трансмиссии i^...
Критериями оптимальности этого уровня являются максимум тягового КПД r|THj —* max, а также минимумы массы трактора m3jj —» min и погектарного расхода топлива gwjj —* min.
Модели шестого уровня характеризуют статический и динамический энергетические балансы трактора при равномерном движении по горизонтальному участку поля: Мб.1 - оценки составляющих статического энергетического баланса; Мб.2 - определения динамических составляющих энергетического баланса; Мб.з-оптимизации тягово-скоростных режимов работы почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.
Ограничениями диапазонов тягового усилия (РКрт|п - Рфтах)]|трактора с переменными массоэнергетическими параметрами являются допустимые значения буксования и рабочей скорости, удовлетворяющие условиям (6).
На заключительном седьмом уровне устанавливаются оптимальные природно-производственные условия использования тракторов переменного тягового класса на операциях основной обработки почвы. Для основных конфигураций Ne3jj и т3^ трактора определяются оптимальные значения средней длины гона
и ширины захвата агрегата ЕЦ. При установленной или фиксированной (для блочно-модульного) ширине захвата агрегата основная задача на этом уровне включает определение оптимальной рабочей скорости V^pti и соответствующей передачи (l^pji)-
__ Критериями ресурсосберегающего использования агрегата служат сменная производительность
rijj —* max и удельные топливные (энергетические) затраты gn(En)jj —> min.
Модели этого уровня характеризуют взаимосвязь массоэнергетических параметров трактора и технико-экономических показателей агрегата: М7.1 - определения чистой и сменной производительности агрегата; М7.2 - обоснования ширины захвата агрегата; М7.3 - определения оптимальной длины гона; М7.4 - оценки экономической эффективности использования почвообрабатывающего агрегата с переменными параметрами;
М7.5 — обоснования потребного количества тракторов переменного тягового класса на 1000 га пашни при разной длине гона.
Ограничениями выступают допустимая степень использования тягового усилия < 1 и оптимальная ширина захвата агрегата Вор1;1 <
Выводы
1. Разработана структурная схема многоуровневой системы адаптации энергонасыщенных тракторов к условиям функционирования агрегатов для основной обработки почвы с рассмотрением в качестве взаимосвязанных элементов, требующих оптимизации параметров и режимов работы двигателя, трактора и агрегата в целом.
2. Для достижения цели адаптации тракторов с переменными массоэнергетическими параметрами к природно-производственным условиям разработана методология моделирования с использованием обоснованных параметров-адаптеров, критериев и ограничений на установленных уровнях оптимизации.
Литература
1. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов; Краснояр. гос. аграр. ун-т.
— Красноярск, 2008. — 228 с.
2. Основы теории мобильных сельскохозяйственных агрегатов / В.А. Самсонов [и др.]. — М.: Колос, 2004.
— 248 с.
УДК 630*32; 630* 36 А.Н. Сухих, В.А. Иванов, С.М. Сыромаха
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
Предлагаются модели аутригера и лесозаготовительной машины с раздельным размещением навесного технологического оборудования для валки, пакетирования и пачковой трелевки.
Предлагаемые авторские разработки позволят повысить эффективность лесозаготовительного производства.
Ключевые слова: лесозаготовительные машины, конструкция, оптимизация, модель, Иркутская область.
A.N. Sukhikh, V.A. Ivanov, S.M. Syromakha SUBSTANTIATION OF THE UNIVERSAL LOGGING MACHINE TECHNOLOGICAL PARAMETERS IN THE LOGGING PRODUCTION CONDITIONS IN IRKUTSK REGION
Outrigger and logging machine models with separate placing of the hinged technological equipment for felling, packing and banding logging are offered.
The offered by the authors developments will allow to increase logging production efficiency.
Key words: logging machines, design, optimization, model, Irkutsk Region.
В настоящее время при заготовке древесины все больше используются специализированные машины российского и зарубежного производства. Такие машины оснащаются двигателями большой мощностью, имеют высокую производительность, эргономичны, но в то же время цена таких машин очень высокая. Для небольших предприятий, занимающихся рубками ухода или с малым объемом заготовки, покупка дорогих машин нецелесообразна. Универсальная лесная машина позволит выполнять несколько технологических операций
