CC BY
70
УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, А.В. Кузнецов
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТРАКТОРА
В статье представлена установленная взаимосвязь параметров энергетических и тяговодинамических свойств для обоснования рациональных нагрузочно-скоростных режимов использования сельскохозяйственного трактора в условиях вероятностной нагрузки.
Ключевые слова: трактор, мощность, скорость, энергонасыщенность, коэффициент приспособляемости.
N.I. Selivanov, V.N. Zaprudski, A.V. Kuznetsov
INTERCONNECTION BETWEEN THE PARAMETRS OF TRACTOR ENERGY AND TRACTOR -DYNAMIC PROPERTIES
The determined interconnection between the parameters of energy and tractor-dynamic properties for substantiation of rational load and speed modes of the agricultural tractors use in the probabilistic loading conditions is given in the article.
Key words: tractor, capacity, speed, energy saturation, adaptability coefficient.
Применение тракторов нового поколения (тягово-энергетической концепции) с высокими функциональными возможностями, приспособленными к различным по характеру и величине нагрузкам, с широким скоростным диапазоном использования для выполнения агротехнологических требований сельскохозяйственных операций в разных почвенно-климатических зонах и условиях эксплуатации обостряет проблему выбора рациональных энергетических и динамических параметров с позиций повышения их эффективности.
С учетом постоянной тенденции повышения энергонасыщенности вопросы рационального сочетания параметров энергетических и динамических свойств трактора при одновременной минимизации непроизводительных составляющих энергетического баланса в процессе реализации тяговых технологий чрезвычайно актуальны.
Целью работы является установление взаимосвязи энергетического потенциала и коэффициента приспособляемости двигателя по крутящему моменту Км=Мmax/Мн для обоснования рациональных скоростных режимов использования и сравнительной оценки потенциальных возможностей трактора.
Рациональные эксплуатационные параметры и режимы рабочего хода трактора наиболее целесообразно определять по обобщенной вероятностной характеристике распределения средних значений нагрузок на основных энергоемких операциях с учетом предельных технологических скоростей, а также установленных ограничений и допущений:
1) оптимальные значения буксования движителей 5opt тракторов в установившемся режиме движения на горизонтальной поверхности не привышают 16 % колесных 4к2, 14 % - колесных 4к4, 5 % - гусеничных тракторов;
2) оптимальный тягово-скоростной режим работы трактора соответствует максимальному тяговому КПД Птmax и определяется из условия dПт/dфкр=0;
3) для однотипных по движителю тракторов на одноименных почвенных фонах взаимосвязь буксования и коэффициента использования сцепного веса фкр в рабочем диапазоне тяговых нагрузок аппроксимируется зависимостью 5=афкр/(Ь-фкр) при фmax=idem;
4) в пределах изменения рабочих скоростей тяговых МТА от V до Vmax коэффициент сопротивления качению трактора определяется по зависимости f=fo+c(V-Vo);
5) коэффициент вариации момента сопротивления на коленчатом валу двигателя vмс трактора с механической ступенчатой трансмиссией (МТ) в установившемся режиме для основной и предпосевной обработки почвы составляет 0,06-0,08.
Исходя из установленных допущений и ограничений, уравнение энергетического баланса трактора с номинальной эксплуатационной мощностью двигателя №э и массой 1Пэ для режима Птmax запишется в виде
*
°Ы^еэ(зтрздзf )тах _ (Ркр^)ор1:- (1)
Выразив значения составляющих тягового КПД, учитывающих буксование г|5 и потери на качение п, через коэффициенты использования сцепного веса фф и сопротивления качению \ при постоянном КПД трансмиссии 1>р получим [1]:
* бц кр ц кр
°ямеэз ,р {[1-(Ь7ЦЦ“^][(ЦКР"+^)]!тах =(Ркр У)ор<’ (2)
кр кр
*
где о*, - оптимальное значение коэффициента использования мощности двигателя при вероятност-
ной нагрузке.
Учитывая, что энергонасыщенность трактора Э=Меэ/тэ, а тяговое усилие Ркро^фкро^тъд, уравнение (2) примет вид
* бц кр ц кр —
01,33 "р{[1 - (Ь- ц^ )][(ц „р + 0]!1тх = 8(ц кр У)оР*' (3)
Тогда оптимальное значение средней действительной скорости рабочего хода при установленной энергонасыщенности трактора и вероятностной нагрузке определится как
*
_ ОмЭз
'ЫЭ3 тр 3д
8 („ кр + Г)ор*'
Ч)р| = (“ )opt• (4)
Значение коэффициента ффо^ определится из выражения тягового КПД в формуле (3) по условию dпт/dфкр=0. При установленных значениях коэффициентов уравнения буксования (а и Ь) и сопротивления качению \ величина фк^, соответствующая Пттах при 5ор1, выразится как
Уб(1 + б + Ь/Г)
(1+б)
где о = Ь/Г(1 + б)/(Г - бЬ + б£).
Экстремальный нагрузочный режим двигателя при вероятностной тяговой нагрузке характеризует
*
коэффициент использования мощности 0*Ы, который представляет произведение двух коэффициентов
ц кр Opt 0[1 - /1 , гг\ ], (5)
* * *
оы = 0Ы!0Ы’ (6)
*
учитывающих потенциальное использование мощности и недобор (недоиспользование) мощности из*
за снижения средней частоты вращения коленчатого вала о*, .
Коэффициент о*ы1 зависит от загрузки двигателя по крутящему моменту ом = Мк / Мн и скоростному режиму ощ = Шд / шн =п д / пн
оЫ1 = °М°щ- (7)
При заданных значениях коэффициентов приспособляемости двигателя по крутящему моменту
Км=Мтах/Мн и по скоростному режиму Кы=Пм/Пн оптимальный коэффициент эксплуатационной загрузки можно выразить как
оМ = КМ /(1 + 3нмсX (8)
*
а соответствующий ему скоростной коэффициент по внешней регуляторной характеристике при ом — 1
* п д /г" I 1 * *2\
ощ = ~ = (б1 + Ь1оМ - с1оМ ). (9)
п н
Коэффициенты а1, Ь1 и с можно определить по известным значениям коэффициентов Км и Кш при аппроксимации корректорной ветви регуляторной характеристики дизеля [2]:
б1 =
Ь1 = с1
1- Ь1 +С1;
[1-К щ + С|(1-К М)]/(1-К м); (10)
(1-К щ)/(1-К м )2.
Зная коэффициенты а1, Ь1 >1 С1, легко вычислить и построить зависимости Мк, ^^Пд) для корректорной ветви регуляторной характеристики дизеля при любых коэффициентах Км и Кы.
При использовании дизеля на регуляторной ветви характеристики ( °м < 1)
* *
°щ = [пххпах - °М (пххтах-пн )]/пн (11)
*
Коэффициент о^ , учитывающий недоиспользование мощности двигателя из-за снижения скоростного режима при колебаниях нагрузки, определяется по выражению [3]:
% = ок1т1П+Кк1(1-ок1)- (12)
*
Минимальное значение коэффициента 0^т1п соответствует номинальному режиму. Для его определения при Км=1,15—1,50 можно использовать полученную по результатам моделирования зависимость
о*а . = 0,80-0,642нмс + 0,167Км. (13)
^1тт
Коэффициент К^ в выражении (12) учитывает влияние загрузки двигателя и рассчитывается по зависимости
КК1=(3,0-3,5)(1-о^1т1п). (14)
Взаимосвязь оптимальной скорости Уор!, энергонасыщенности Э и коэффициента использования
*
мощности О*^(Км , нмс) при неизменном значении коэффициента \ устанавливается по выражению (4). Однако при значительных диапазонах изменения энергонасыщенности колесных (13-17 Вт/кг) и гусеничных (12-16 Вт/кг) тракторов значение Уор! варьирует в достаточно широком интервале, что приводит к существенному изменению коэффициента \ и соответственно фкрор1.
С учетом функции !=!о+с(УоргУо) выражение (4) примет вид
*
тт _____________°ЫЭз тр 3 дор!________
0Р‘ 8[ Ц крор1 +Го+С(Уор,-Уо)]’ 1 )
где Ю - коэффициент сопротивления качению при минимальной скорости (Уо=1,4 м/с); с - коэффициент пропорциональности (при движении по стерне с=0,010-0,013 с/м).
В этом случае критерий оптимальности при расчете Уор! представим в виде минимизируемой выпуклой функции
Б =
*
°1ЧЭз тр 3 дор! ^
ёУор!;[цкрор! + ^о + с(Уор! - Уо)]
Минимум функции (16) - безразмерная величина, близкая к нулю. Минимизируем ее по переменным
*
°*^, Э и Уор!. Значение энергонасыщенности в заданном диапазоне изменяем в цикле от Этт до Этах с шагом 1 Вт/кг. Для каждой Э изменяем Км от Км™=1,15 до Кмтах=1,50 с шагом 0,05 и определяем соответст-
* * ---------------------------------
вующие значения 0*^ при заданном Vмс. Для каждой пары Э и 0*^ методом дихотомии изменяем Уор!
с шагом 0,05 м/с. Значения Уор! выбираем по Р,™ из условия Уор! ^ тах при наименьшей энергонасыщенности.
Порядок расчета при заданных Км, Э и имс: 0*щ по формуле (6); f=fo+c( V0pt-Vo); по зависимо-
бц кр opt
сти (5); з дopt = [1 - —-d; функция (16).
- ЦKpopt)
По результатам моделирования с использованием формулы (10) установлены значения коэффициентов ai, bi и ci аппроксимации корректорной ветви регуляторной характеристики дизеля при Км=1,15-1,50 и Кы=0,67—0,73 (табл. 1). Полученные значения коэффициентов, с одной стороны, существенно различаются по величине, что особенно заметно при Км^1,20. С другой стороны, при повышении Км коэффициент а1 увеличивается, а коэффициенты bi и ci уменьшаются. Значения коэффициентов при Км^1,40 обеспечивают на корректорной ветви в диапазоне (Пн-Пм) участок постоянной мощности с режимом максимальной мощности Nemax=(i,ii—i,i5)Ыеэ в интервале от 0,836 до 0,925. Режим Nemax для двигателя постоянной мощности (ДПМ) является основным рабочим.
*
Оптимальный нагрузочный режим Ом и соответствующий ему коэффициент использования мощно-
*
сти 0*щ существенно зависят от динамических свойств дизеля и параметра распределения внешней нагрузки имс.
Повышение коэффициента приспособляемости Км обеспечивает пропорциональное увеличение опти-
* *
мальной нагрузки и соответствующее возрастание коэффициентов ощ и ощ , что в конечном итоге повышает энергетический потенциал двигателя независимо от величины коэффициента вариации нагрузки Vмс.
Таблица 1
Зависимость коэффициентов аппроксимации и параметров корректорного участка регуляторной характеристики дизеля от коэффициента приспособляемости по крутящему моменту
Км а1 b1 С1 Ко Nem/Nee Nemax/Nee ^w(Nemax)
1,15 -11,0 24,0 12,0 0,73 0,84 1,0 1,0
1,20 -5,75 13,5 6,75 0,73 0,88 1,0 1,0
1,30 -2,0 6,0 3,0 0,73 0,95 1,067 0,97
1,40 -0,81 3,62 1,81 0,71 0,994 1,11 0,925
1,50 -0,32 2,64 1,32 0,67 1,005 1,15 0,836
В табл. 2 и на рис. 1 приведены зависимости оптимального режима использования и потенциальных энергетических показателей тракторного дизеля от его динамических свойств и параметра распределения внешней нагрузки.
Таблица 2
Оптимальные режимы использования и энергетические показатели тракторного дизеля ^мс=0,07)
Км * °М * °щ * °Nj * °Ni ■ iMmin * °N1 * °N °N
1,15 0,950 1,004 0,954 0,947 0,962 0,918 1,0
1,20 0,992 1,001 0,993 0,955 0,957 0,950 1,035
1,30 1,074 0,984 1,057 0,972 0,966 1,021 1,112
1,40 1,157 0,958 1,109 0,989 0,985 1,092 1,190
1,50 1,240 0,924 1,153 1,006 1,00 1,153 1,256
Анализ показывает, что увеличение коэффициента приспособляемости по моменту Км от 1,15 до 1,41,5 повышает оптимальный нагрузочный режим дизеля и обеспечивает его использование при характерном для основных операций распределении внешней нагрузки, на корректорном участке постоянной мощности регуляторной характеристики. Оптимальная нагрузка при этом соответствует режиму максимальной мощно-
*
сти Иетах, на котором коэффициент использования мощности двигателя о^, определяющий совместно
энергонасыщенностью Э энергетический потенциал трактора и соответственно среднее значение оптимальной скорости движения У0р!-, возрастает в 1,2-1,4 раза при снижении удельных энергозатрат на 3-5 %.
Рис. 1. Зависимость энергетических показателей тракторного дизеля от его динамических свойств (а)
и распределения вероятностной нагрузки (б)
Приведенные показатели свидетельствуют, что улучшение динамических свойств тракторного дизеля путем реализации характеристики постоянной мощности является приоритетным направлением повышения энергетического потенциала силового агрегата и трактора в целом. При неизменном уровне энергонасыщенности указанное обеспечивает существенное увеличение рабочей скорости и соответственно повышение потенциальной производительности и топливной экономичности трактора.
По результатам моделирования установлена взаимосвязь оптимальных значений средней скорости
*
движения колесного и гусеничного тракторов от их энергетического потенциала 0*^Э (рис. 2). Анализ показывает, что улучшение динамических свойств двигателя для получения характеристики постоянной мощности с выраженным режимом максимальной мощности на корректорной ветви позволяет повысить на 20-25 % энергетический потенциал и оптимальную рабочую скорость трактора в процессе реализации тяговых технологий при неизменной энергонасыщенности. Поэтому улучшение тягово-динамических свойств трактора за счет повышения запаса крутящего момента двигателя может быть положено в основу создания мобильных энергосредств с переменными массоэнергетическими параметрами.
Уой,
м/с
2,6 -2,2 -1,8 -1,4
£,*=0,1 С £>1=0,08
1, / 2ч
фон-стерня ум с=0,07
10
12
4ыЭ
14
16 18
Вт/кг
Рис. 2. Влияние энергетического потенциала на оптимальный скоростной режим колесного 4к4б (1)
и гусеничного (2) тракторов
Выводы
1. Сформированы математические модели, устанавливающие взаимосвязь параметров энергетических и тягово-динамических свойств сельскохозяйственного трактора.
2. По результатам моделирования определены оптимальные соотношения энергетических и динамических параметров двигателя, обеспечивающие наиболее полную реализацию энергетического потенциала трактора в условиях вероятностной тяговой нагрузки.
3. Установлено, что улучшение динамических свойств тракторного дизеля для получения характеристики постоянной мощности с выраженным режимом максимальной мощности на корректорной ветви позволяет повысить на 20-25 % энергетический потенциал и оптимальную скорость движения трактора в процессе реализации тяговых технологий при неизменном уровне его энергонасыщенности.
Литература
1. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2008. - 231 с.
2. Кутьков Г.М., Сидоров В.Н. Аппроксимация корректорного участка регуляторной характеристики дизеля // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 8. - С. 27-30.
3. Селиванов Н.И. Расчет эксплуатационных параметров сельскохозяйственного трактора: метод. указания. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ 2009. - 23 с.
УДК 631.3:145: 001.76 Г.Л. Утенков
СТРАТЕГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ СИБИРИ
В статье сформулирована проблемная ситуация, обусловленная требованиями соответствия между пространственно-временной изменчивостью свойств почвы (изменчивостью условий функционирования) и управляемостью машинными технологиями возделывания сельскохозяйственных культур. Определены задача оптимального выбора уровня интенсивности технологий по показателю прибыли и функции, обеспечивающие достижение экстремума целевому функционалу.
Ключевые слова: почва, гетерогенность свойств почвы, ситуация, проблема, функционал, прибыль, экстремум.
G.L. Utenkov STRATEGY OF MACHINE TECHNOLOGIES FORMATION FOR AGRICULTURAL CROPS CULTIVATION IN THE SIBERIA CONDITIONS
Problem situation caused by requirements of conformity between spatially and time variability of soil properties (operating conditions variability) and controllability of machine technologies of agricultural crops cultivation is formulated in the article. Problem of an optimum choice of technologies intensity level on the gain and function indicator providing extremum achievement for target functional is determined.
Key words: soil, soil properties heterogeneity, situation, problem, functional, profit, extremum.
Анализ и постановка проблемы. В производстве продукции растениеводства Сибири преобладают зерновые культуры. В структуре себестоимости производства данных культур затраты на реализацию только технологических процессов обработки почвы и посева составляют 60-70%. Одним из основных направлений повышения эффективности зернового производства является совершенствование технологии возделывания зерновых культур на основе интенсификации. Однако гетерогенность свойств поля, являющаяся причиной изменчивости величины урожая, ограничивает потенциальную возможность интенсивного использования земель [1-2].
Потребность в росте объемов производимой продукции и разработке ресурсосберегающих технологий, низкий уровень урожайности возделываемых культур и уменьшение засеваемых площадей, наличие
