Моделирование эксплуатационных параметров трактора

Введение. Главными 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 и удельные затраты денежных средств.

В разработанной структурной схеме многоуровневой системы адаптации эксплуатационных параметров трактора для основной обработки почвы [1] выявление параметров-адаптеров мобильного энергосредства является главной задачей второго уровня. На этом уровне предусматривается обоснование энергетического потенциала (ξŇNеэ)j*i и эксплуатационной массы m*эji трактора для наиболее энергоемких операций основной обработки почвы с учетом природно-производственных условий и современных тенденций развития тракторов общего назначения.

В представленном материале рассматривается поэтапное решение главной задачи второго уровня системы адаптации трактора к условиям эксплуатации.

Цель работы . Разработать методологию адаптации эксплуатационных параметров трактора к природно-производственным условиям для реализации тяговых технологий основной обработки почвы.

Задачи:

• 1.    Обосновать структурную схему оптимизации эксплуатационных параметров трактора.

• 2.    Разработать модели и алгоритм адаптации массоэнергетических параметров трактора к природным условиям и операционным технологиям основной обработки почвы.

Условия и методы исследования. Эксплуатационные параметры трактора и агрегата в процессе рабочего хода рассматриваются как результативные признаки функционирования динамической системы при случайном характере тяговой нагрузки с учетом установленных допущений и ограничений:

• а)    изменение удельного тягового сопротивления рабочей машины K_oi или комбинирование агрегата (блока рабочих машин) K_oi при скорости V o =1.4 м/с носит случайный характер и для конкретной технологической операции подчиняется закону нормального распределения с коэффициентом вариации ν кoi = σ koi /K oi = const;

• б)    значение оптимальной рабочей скорости агрегата определяется агротехническими условиями на выполнение технологической операции (V mini ≤V^* opti ≤V maxi ) и устанавливается на первом уровне общей системы адаптации в этих пределах по критерию минимизации удельных энергозатрат на единицу производительности К е (V^* opt ) i =(1,06-1,10)K еmin =(1,06-1,10)Е К ·μ К /V mini [2];

• в)    при работе почвообрабатывающего агрегата с оптимальной рабочей скоростью V^* opti постоянно достигается чистая производительность W i ^*= В^* i · V^* opti = const, значение которой определяется по экономическим критериям оптимальности для каждой длины гона I Г _j ;

• г)    буксование каждого типа движителя трактора в номинальном тяговом режиме δ нj находится в допустимом диапазоне δ optj ≤ δ нj ≤ δ дj , взаимосвязь буксования и коэффициента использования сцепного веса φ кр для однотипных по движителю тракторов в рабочем диапазоне тяговых нагрузок на одноименных почвенных фонах аппроксимируется выражением φ кр =в·δ/(а+δ) при установленных значениях коэффициентов а и в;

• д)    КПД трансмиссии η трj и коэффициент сопротивления качению f j трактора в заданных условиях постоянны и равны средним расчетным значениям без учета мощности двигателя N еэ и угла наклона поверхности поля (α i =0) соответственно.

Оптимальные значения чистой производительности W i ^* зависят в основном от вида технологической операции и длины гона I Г i и практически не зависят от почвенно-климатических зон эксплуатации агрегатов в интервалах изменения рабочих скоростей, принятых по агротехническим условиям. Этот параметр обосновывается на первом уровне по критерию минимума приведенных затрат С пi →min и определяет оптимальную эксплуатационную производительность П^* i .

Определение параметров оптимизации (адаптеров) трактора общего назначения производится для основных групп родственных технологических операций и установленных классов длины гона на двух тяговых режимах, соответствующих максимальному тяговому КПД η Тmax и допустим о му буксованию δ д . В основу оптимизации эксплуатационной массы m *₃j и энергетического потенциала (^ • ^ R еэУ j трактора положена тенденция создания параметрического ряда мобильных энергетических средств (МЭС) с переменными массоэнергетическими параметрами, обеспечивающими их эффективное функционирование в составе почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.

Результаты исследования и их анализ. Для повышения эффективности решения задач адаптации эксплуатационных параметров трактора к природно-производственным условиям разработана многоэтапная структурная схема (рис.) с обоснованными моделями и критериями.

На первом этапе второго уровня системы адаптации предполагается обоснование удельного энергетического потенциала трактора (ξ N ·Э)^*ji при оптимальной скорости V^* opti обработки почвы для соответствующей технологии или отдельной группы родственных операций, которая является основным входным фактором наряду с длиной гона I г i (чистой производительностью W i* ) и типоразмерным рядом МЭС n _Эсji .

Структурная схема оптимизации эксплуатационных параметров трактора

Количество технолог и ческих операций или групп родственных операций при разных характеристиках удельного сопротивления ∆ К i=var определяет число типоразмеров энергомашины по удельному энергетическому потенциалу (^ Э) * ji.

Критерием эффективности при этом целесообразно использовать удельные энергозатраты на единицу удельного тягового сопротивления

Ек=[1+∆К(V^*opt²-V 0 ²)]/η ТН =μ К /η ТН →min.                              (1)

На этом этапе решаются модели, характеризующие функционирование трактора в заданных производственных условиях: М 1.1 – устойчивого движения трактора по тягово-сцепным свойствам в номинальном тяговом режиме для обобщенной характеристики опорной поверхности; М 1.2 – обеспечения оптимальной скорости рабочего хода V*opti при обработке почвы по соответствующей технологии.

Указанные модели являются одинаковыми для всех технологических операций и классов длины гона:

М 11 71 Тн а = 71 Тр j [ (^^ ] уф - [ф^]Ф ^ 7!_Tmaxji              (2)

М 1. ₂ (f_N Э У И = \V * _p t • д(р к_Р + f)/(i тр • 71 б )]ji .                       (3)

Агротехнические требования на этом этапе характеризуются допустимым буксованием движителя δ optj ≤δ нj ≤δ gj в номинальном тяговом режиме. Диапазон изменения удельного энергетического потенциала определяется значением коэффициента использования мощности f *- и интервалом реализуемых оптимальных скоростей (V optmin – V^* optmax ).

На втором этапе решением моделей М 2.1 и М 2.2 определяются оптимальные значения массоэнергетических параметров трактора на основных технологических операциях для каждого класса длины гона:

М₂ .1

^ 2.2

(Л-Л УЛ = Wt*-K_oi-n_ki /77 Тнц\

*        (^^{- е} э ⁾ '^ ТР С^1-^ н )

^Ш э ^ji = I V^p кр +/) К

Критерием ресурсосбережения является минимум удельных (на единицу обрабатываемой площади) энергозатрат

Е П Л = ^-^Na) * Ji/W * ^ min .

На этом же этапе предварительно определяется ширина захвата рабочей машины для конкретных технологических операций и установленных классов длины гона, а также номинальное тяговое усилие, которое не является на данном этапе эквивалентным адаптером трактора к природно-производственным условиям:

М 23 ВЧ = W * /V *_opti ;                               (7)

Р р Ji = W^K_orn_k i /K_p ti .                          (8)

В качестве ограничений на указанные параметры оптимизации следует принять их максимальные значения для определенных природно-производственных условий с учетом необходимости и целесообразности обоснования на последующих этапах параметрического ряда МЭС с переменными массоэнергетическими параметрами, обеспечивающими их эффективное функционирование в изменяющихся условиях.

Третий этап предполагает обоснование основных (базовых) значений массоэнергетических параметров трактора с учетом занятости на операциях почвообработки и превалирующих классов длины гона.

Для каждого класса длины гона основные значения энергетического потенциала и эксплуатационной массы трактора определяются решением моделей:

^ 3.1 (^f N ^i еэ ) ^J = S i=1 ( ^f^v ^ еэ ) yi • P i ;                              ⁽⁹⁾

W 3.1 mэj* = £ i₌₁ m эЦ* • P i ,                              (10)

где P_i = V _i / 2 1 V_i - соотношение годового объема работ по i-й технологии V i и суммарного объема почвообрабатывающих операций 2 1 V_i .

Критерий ресурсосбережения представляет минимум среднего показателя удельных энергозатрат на единицу производительности

K_Eji = Я _кn²^^Nеэ )j^mm.                        (11)

Ограничениями на массоэнергетические параметры являются их экстремальные значения, соответствующие наиболее энергоемкой, технологической операции в установленном (превалирующем) классе длины гона.

На заключительном четвертом этапе второго уровня общей системы адаптации определяются диапазоны изменения энергетического потенциала и эксплуатационной массы трактора для обеспечения их оптимальных значений на основных технологических операциях в соответствующих классах длины гона.

Модели поставленной задачи характеризуют соотношения параметров-адаптеров основной (базовой) и дополнительных конфигураций для соответствующих технологических операций. Их решение позволяет обосновать целесообразность и эффективность создания энергетического средства с переменными массо- энергетическими параметрами, адаптированными к основным почвообрабатывающим технологиям и классам длины гона

*

M 4.1   A(^V еэ ) ..

= v£rv = ^Aw i • ^Ak °i • ^Л^ ^/Лг1 тн. ;

^N™ еэ ) ji

*   Л ркрн ^Л(^ м " ^еэтр Г^Л

^М 4 ²  A w Ji = ^ кр_н j, =   Лу^ср кр ₊ f)J ■

Из уравнений (12) и (13) следует, что рациональные диапазоны изменения массоэнергетических параметров трактора определяются соотношением показателей (параметров) качества, установленных на предыдущих этапах общей системы.

Возможным для практической р е ализации критерием ресурсосбережения на этом этапе является минимум удельных приведенных затрат С п =min.

Ограничениями на параметры оптимизации являются их максимальные значения, определяемые допустимым балластированием трактора К Б _тах . = т Б j _imax/т . *_эц и возможностью ступенчатого изменения энергетического потенциала тракторного двигателя.

На этом этапе принимается окончательное решение о целесообразности и диапазонах изменения массоэнергетических параметров трактора указанными способами для оптимизации внешней скоростной характеристики дизельного двигателя на последующем уровне системы адаптации.

Выводы

• 1 .Разработана структурная схема поэтапной оптимизации основных параметров трактора с рассмотрением в качестве взаимосвязанных элементов – требующих оптимизации энергетического потенциала и эксплуатационной массы.

• 2 .Для достижения поставленной цели – адаптации трактора к природно-производственным условиям – разработаны модели с использованием обоснованных параметров-адаптеров, критериев ресурсосбережения и ограничений на установленных этапах общей системы.