CC BY
99
ВестникКрасГАУ 2015. № 1
УДК 629.114.2 А.С. Войнаш, С.А. Войнаш
ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МАЛОГАБАРИТНОГО КОЛЕСНОГО АВТОТРАКТОРА
В статье рассматривается малогабаритный колесный автотрактор, который может использоваться для транспортных и тяговых работ в хозяйствах малых форм. Дана методика расчета динамической характеристики автотрактора, приведен вариант динамического паспорта.
Ключевые слова: автотрактор, касательная сила тяги, рейсовая нагрузка, динамический паспорт.
A.S. Voynash, S.A. Voynash TRACTION-DYNAMIC CALCULATION OF THE SMALL-SIZED WHEELED AUTOTRACTOR
The small-sized wheeledautotractorthat can be used for the transport and traction works in the small form-farms is considered in the article. The calculation methodology of theautotractordynamic characteristics is given, the variant of the dynamic passport is presented.
Key words: autotractor, traction tangent force, trip loading, dynamic passport.
Введение. С развитием малых форм хозяйствования в агропромышленном секторе России важной задачей стало обеспечение потребности сельхозпроизводителей малогабаритной техникой, предназначенной для механизации неэнергоемких сельскохозяйственных и погрузочно-транспортных операций. Рядом организаций страны (НАМИ, МГАУ имени В.П. Горячкина и др.) предложены конструкции колесных машин (тракторомобилей, автотракторов), способных выполнять как тяговые, так и транспортные работы [1, 2, 3].
В Рубцовском индустриальном институте (филиале) ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (РИИ АлтГТУ) разработан малогабаритный колесный автотрактор ЭМ-0,6 с двигателем мощностью 21 кВт, предназначенный для выполнения целого ряда транспортных и тяговых работ в крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйствах [4, 5, 6, 7]. Компоновка автотрактора с передним расположением кабины и наличием свободной зоны в средней и задней частях рамы обеспечивает установку в этой зоне самосвального кузова грузоподъемностью 1 т, а заднее универсальное навесное устройство с гидроприводом позволяет управлять не только самосвальным кузовом, но и навесными сельскохозяйственными орудиями, например, плугом (рис. 1).
Рис. 1. Схема агрегатирования колесного автотрактора
Технические науки
Цель исследований. Помочь сельхозпроизводителю, применяющему автотрактор ЭМ-0,6, в определении нагрузочных параметров, соответствующих режимам наиболее эффективного использования машины в конкретных эксплуатационных условиях крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйств.
Задачи исследований. Разработка достаточно простых номограмм, графически связывающих основные нагрузочные параметры автотрактора ЭМ-0,6 с характеристиками типичных условий эксплуатации.
Методика и результаты исследований. Наличие транспортных и тяговых эксплуатационных режимов говорит о том, что автотрактор ЭМ-0,6 занимает промежуточное положение между грузовым автомобилем и сельскохозяйственным трактором. Поэтому при тяговых расчетах могут использоваться методы как теории автомобиля (динамическая характеристика), так и теории трактора (тяговая характеристика).
В теории автомобиля широко используется метод динамической характеристики, заключающийся в построении зависимости динамического фактора от скорости движения. Динамический фактор автомобиля рассчитывается по формуле:
О
Р - Р 1 к 1
О
(1)
где Рк - касательная сила тяги, кН; Р№ - сопротивление воздуха, кН; О - вес машины, кН. Вес в рассчитывается по формуле:
О = Оэ+в,
(2)
где ОЭ - эксплуатационный вес автотрактора, ОЭ = 19,1 кН; в - рейсовая нагрузка, кН.
Для автотрактора, имеющего максимальную скорость до 50 км/ч, с погрешностью вычислений не более 2 % можно принять Р№ ~ 0. Тогда
о = Рк /О. (3)
Касательная сила тяги может быть рассчитана двумя способами: "по условиям движения" и "по двигателю".
Для расчета касательной силы тяги "по условиям движения" рассмотрим силы, действующие на автотрактор при равномерном движении на подъеме, представленные на рис. 2.
Рис. 2. Схема к расчету касательной силы тяги автотрактора
Уравнение тягового баланса имеет вид:
Рк = Pf + (G + Q)• sina = f (G + Q)• cosa + (G3 + Q) • sin«, (4)
где p - сила сопротивления качению, кН; f - коэффициент сопротивления качению автотрактора; a - угол
уклона местности.
Выражение для динамического фактора принимает вид:
D = f • cosa + sin a.
(5)
Результаты расчетов динамического фактора и потребной касательной силы тяги для типичных условий эксплуатации автотрактора представлены в таблице.
Параметры условий эксплуатации автотрактора
Условия эксплуатации f a, градус D Рк , кН
Q = 0 кН Q = 10 кН
Легкие 0,02-0,05 0-5 0,02-0,137 0,39-2,69 0,59-4,03
Средние 0,05-0,1 0-10 0,05-0,272 0,98-5,34 1,47-8,01
Тяжелые 0,1-0,2 0-15 0,1-0,452 1,96-8,87 2,94-13,29
С учетом данных таблицы были предварительно выбраны передаточные числа трансмиссии автотрактора.
Выражая Рк через параметры двигателя, трансмиссии и ходовой части, можно получить для автотрактора:
М • I -л
е тр I тр
~ (6)
D =
G • r
где
M -
крутящии момент, снимаемый с
коленвала двигателя, кН^м; imp - передаточное число транс-
миссии; Лтр - КПД трансмиссии; гк - радиус качения ведущего колеса автотрактора, м. Расчет скорости движения автотрактора проводится по формуле:
v = 3,6 ••r*
30 • i
(7)
тр
_1
где Пе - частота вращения коленвала двигателя, мин .
Для расчетов по формулам (6)-(7) необходимо знание внешней скоростной характеристики двигателя. При отсутствии экспериментальных данных проводится теоретический расчет внешней скоростной характеристики двигателя по формулам, рекомендуемым в теории двигателя. Результаты расчетов представляются графически в виде так называемой динамической характеристики "по двигателю".
Результаты расчетов по формуле (5) представляются графически в виде так называемой динамической характеристики "по условиям движения". Объединяя обе динамические характеристики, можно получить динамический паспорт.
Динамический паспорт автотрактора ЭМ-0,6 конструкции РИИ АлтГТУ (рис. 3), построенный при номинальной рейсовой нагрузке, содержит два квадранта:
- в правом квадранте представлена динамическая характеристика "по двигателю";
Технические науки
- в левом квадранте представлены зависимости динамического фактора от угла подъема местности и коэффициентов сопротивления движению при легких, средних и тяжелых условиях (динамическая характеристика "по условиям движения").
- —♦—легкие условия -■— ср едние у сл овия -*- тяжелые условия
1
25 20 15 10 5
Угол уклона местности, град
I)
0,5
0,4
0.3
0,2
0.1
раб очий д мпазо 1
/ // / /
й V" 7
транс 1 / порти \ П1 дп.и га тон
3 \ ,
10 20 30 40 50 60 Скорость движения, км/ч
Рис. 3. Динамический паспорт автотрактора при номинальной рейсовой нагрузке
При равенстве значений динамического фактора, взятых в правом и в левом квадрантах, автотрактор движется равномерно с данной скоростью в заданных условиях. Так, наглядно видно, что движение автотрактора с номинальной рейсовой нагрузкой в средних условиях возможно при уклоне местности 16° (включена первая передача рабочего диапазона трансмиссии).
Очевидно, что в реальных условиях автотракторы могут эксплуатироваться с рейсовыми нагрузками, уровень которых меньше номинальных. При этом для анализа эксплуатационных режимов целесообразно использовать усовершенствованный вариант динамического паспорта автотрактора (рис. 4), в котором наряду с динамическими характеристиками "по двигателю" и "по условиям движения" содержится номограмма нагрузки (левый квадрант).
Номограмма нагрузок построена следующим образом. Параллельно оси абсцисс динамической характеристики влево от шкалы О отложен отрезок произвольной длины. На этом отрезке нанесена шкала нагрузки в процентах. Через нулевую точку шкалы нагрузок проведена прямая, параллельная оси О, и на
ней нанесена шкала динамического фактора О0 для автотрактора без нагрузки. Масштаб для этой шкалы определен по формуле:
а0 = а ■ М0 / Мэ
(8)
где а0 - масштаб шкалы динамического фактора для автотрактора без нагрузки; а - то же для автотрактора с полной нагрузкой; М0 - собственная масса автотрактора в снаряженном состоянии, кг; МЭ - полная масса автотрактора с учетом номинальной рейсовой нагрузки, кг.
Равнозначные деления шкал О и О0 (например, 0,1; 0,2 и т.д.) соединены прямыми линиями.
Рейсовая нагрузка
Рис. 4. Динамический паспорт автотрактора с номограммой рейсовой нагрузки
Используя динамический паспорт с номограммой рейсовой нагрузки, можно определить, например, что равномерное движение автотрактора ЭМ-0,6 в средних условиях при угле уклона местности 16° возможно при нагрузке, равной 40 % от номинальной, на второй передаче рабочего диапазона трансмиссии, а при нагрузке 20 % от номинальной - на третьей передаче того же диапазона.
Заключение. На основе положений теории автомобиля с учетом конструктивных данных колесного автотрактора ЭМ-0,6 выполнены необходимые расчеты и построены графики динамических характеристик "по двигателю" и "по условиям движения". Проведено объединение названных динамических характеристик в динамический паспорт автотрактора.
Предложен усовершенствованный вариант динамического паспорта с номограммой рейсовой нагрузки, позволяющий формулировать практические рекомендации по величинам рейсовых нагрузок и скоростям движения автотрактора ЭМ-0,6 при транспортировке грузов в конкретных эксплуатационных условиях крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйств.
Литература
1. Батуев Ц.Т., Хлебодаров И.Д., Пехутов А.С. Перспективные транспортно-технологические машины для сельского хозяйства // Вестн. Бурят. гос. с.-х. академии им. В.Р. Филиппова. - 2013. - № 3. - С. 147-150.
2. Ганжа В.А., Кайзер Ю.Ф., Ковалевич П.В. Универсальные транспортно-технологические машины для сельского хозяйства // Вестн. КрасГАУ. - 2013. - № 8. - С. 137-142.
3. Дзоценидзе Т.Д. Особенности товаропроизводства в КФХ и ЛПХ и создание грузовых автомобилей сельскохозяйственного назначения // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - № 5. - С. 3-8.
4. Войнаш С.А., Войнаш А.С. Анализ концептуальных подходов к решению проблемы механизации работ в крестьянских (фермерских) хозяйствах // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 3. - С. 51-55.
5. Войнаш С.А., Войнаш А.С. Транспортно-технологическая машина для внесения органических удобрений // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 12. - С. 12-14.
6. Войнаш С.А., Войнаш А.С., Жарикова Т.А. Пахотный агрегат на базе малогабаритного автотрактора // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 8. - С. 15-16.
7. Войнаш С.А., Войнаш А.С. Особенности проектирования колесного малогабаритного трелевочного трактора // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 11. - С. 21-23.
