Балластирование колесных тракторов на обработке почвы

Введение . Основу современного тракторного рынка составляют унифицированные мобильные энергетические средства колесной формулы 4к4а разных типоразмеров с изменяющейся в широком диапазоне эксплуатационной массой путем балластирования, установки сдвоенных колес и применения догружающих устройств [1] для технологической адаптации. В работах [2, 3] обоснованы оптимальные значения показателя технологичности - удельной материалоемкости m *_й колесных тракторов на одинарных и сдвоенных колесах для установленных групп операций основной обработки почвы. Однако в практике эксплуатации обеспечение m*_dt современных колесных тракторов на операциях почвообработки разных групп изменением балластирования, как правило, не производится из-за отсутствия соответствующих рекомендаций при достаточно высокой трудоемкости операции. Поэтому разработка рекомендаций по балластированию колесных тракторов при использовании в составе почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения является актуальной и практически значимой.

Цель исследований . Обоснование условий балластирования колесных 4к4а тракторов для адаптации к технологиям почвообработки.

Задачи исследований . Сформировать модели и разработать алгоритм рационального балластирования тракторов; обосновать параметры дополнительного балласта для адаптации тракторов к технологиям почвообработки; разработать номограмму определения параметров дополнительного балласта при использовании тракторов на основной обработке почвы.

Материалы и методы исследований . Решение поставленных задач производилось с учетом установленных рекомендаций, допущений и ограничений:

• -    рациональный тяговый диапазон трактора с установленным энергетическим потенциалом ( ^ ■ N_ej и переменной эксплуатационной массой в технологиях почвообработки ограничен, с одной стороны, режимом допустимого буксования з_д при максимальном значении коэффициента использования веса Фкр_тах = Фкрш для выполнения первой, наиболее энергоемкой, группы операций на скорости V *₃ = 2 , 20 м/с и режимом максимального тягового КПД ц_Ттах, которому соответствует ф_№оpt = р,р_НЗ для выполнения третьей, наименее энергоемкой, группы операций при V *₃ = 3 , 33 м / с , с другой стороны, середина которого с p KH ₂ = P P = 0 ,5 ( p_KPmax + _{V KPopt} ) при скорости V H ₂ = 2 , 65 м/с служит для операций второй группы;

• -    рациональному тяговому диапазону ( р^—р_№оpt ) соответствует интервал изменения удельной материалоемкости m *_д = п /рРкр ■ V )_н ■ g ■ IO ^{- 3} от максимальной m _{уд З}до минимальной m *_d3 , соотношение которых Лт_удт =m m *_dl /m_{уд З}не должно превышать максимально допустимое увеличение минимальной транспортировочной массы брутто трактора m за счет балластирования [4]:

^ m ydmax <  ^ m о _m ax = ( m o _э + ^тБ max ) /m о э                          (1)

при ^тЭ = ^mУд1 • ^N • Nеэ < ^{( m} о Э + ^тБ max )

У колесного трактора с минимальной транспортировочной массой брутто m , продольной базой L и абсциссой центра масс a максимальная масса дополнительного балласта для первой группы операций m_Em = ( m 3! - m _0э) Тогда при известном соотношении

m 3 о / ^- N e ₃ = ^m У д о = а • ^m Уд 1

значения удельной массы (кг/кВт) полного балласта m для каждой группы операций при выразятся как: уд maxm m^ = m Ui- а);

m Byd 2 = m уД 2 ^- а • m ydi ;

УУ

[ m Byd 3 = m уД 3 — а • m у1 .

Массы переднего m yt и заднего m У2 балластов определяются решением уравнений моментов отно сительно осей передних и задних колес [3] при известных абсциссах а > а„п и а„ > о балластированного ц      ц0

трактора:

m B 1 = ⁽ m 3 • а ц ^- m 3 о • а ц о ^{) / ( L +} a n )

, m B 2 = [m3 ^{( L +} a П ^- а ц ^)- m 3 о ⁽ L ⁺ a П ^- а ц о ^{)] / ( L +} a П )■

Обозначив относительные величины абсцисс центра масс трактора и переднего балласта как А_ц = а_ц /L , А _о = а_ц //L и А_п = ( L + a_n ) /L , из уравнений системы (4) получим выражения для расчета массы переднего и заднего балластов:

^mБ 1 =⁽ m ^y • А ц ^{- m}э о • А ц о ) / А П ;

, ^{m У}Б 2 = ⁽ m ^y - ^mэ о ) - ⁽ m ^y • А ц - ^mэ о • А ц о ) / А П

Алгоритм рационального балластирования колесного 4к4а трактора с установленным энергетическим потенциалом ( £ 3- N _еэ ) для основных групп родственных операций почвообработки при обоснованных значениях номинальной скорости рабочего хода V У , включает: 1) определение m_{3 о} ,L,a_{4 о} ,а_П по технической характеристике; 2) определение зависимостей ^П Т , ³ = f ⁽ ^ КР ) в интервале буксования движителей 3 = о , о5 - о , 2о и изменения скорости V от 2,20 до 3,80 м/с ; 3) установление V Kpmx = Ф К™ 1 > Ф КР = Ф К™ 2 ; ^ KPo_pt = Ф К™ 3 и соответствующих им значений тягового КПД п _Т ; 4) расчет m ^у _д = n H / (<Р_Р • V)_н- g - 1о ^{- 3} и m 3 = m у _д • ( ^ • N_еэ) для каждой группы операций; 5) расчет m_yd о = m₃₀/( ^ • N_e3) = а • m ^у_др 6) определение удельной массы полного балласта для каждой групп операций по (3); 7) определение абсциссы центра масс трактора с балластом из условий а_ч = m_n/m₃ = У_п„ /в_э и А ц для каждой группы с учетом рекомендаций [3]; 8) расчет m ^y _Ei и m ^у₂ по (5).

Использование в расчетах (5) удельной массы переднего m У,^ = (m*, • А_ц - m ₃₀ • А_цй)/ А_п и заднего mпуд = (m*_yd - m_{yd 0}- m^y_lyd) балластов для каждой группы операций почвообработки позволяет определить фактические значения массы указанных балластов на тракторах разных типоразмеров:

m S 1 = ^тБ1 уд • ⁽ ^ N • N еэ );

„ m S 2 = m Б 2 уд • ⁽ ^ N • ^Nеэ ).

Абсцисса центра масс A_ц для оптимальной нагруженности передних колес трактора в режиме рабочего хода л_ПР = У_пР /в_э = 0 , 3 - 0 , 4 [3] при тяговой нагрузке р^ определится как

( _ ;    , ^{[ h}KP + ^ KPH + ^f ( ^Гд 1 + ^Гд 2 ^{) 0},5 ^{]                                   (7)}

[ц = ЛПР +----------------------------, где h – ордината точки прицепа; f – коэффициент сопротивления качению; rд1,rд2 – динамические радиусы качения передних и задних колес.

Результаты исследований и их обсуждение . По результатам моделирования [3] с использованием экспериментальных зависимостей n>$ = f ("Pkp ) обоснованы оптимальные значения m^у_д и m*_Буд при mУдитах тракторов 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах для каждой установленной группы родственных операций почвообработки (табл.).

Рациональное балластирование колесных 4к4а тракторов общего назначения на операциях почвообработки

Группа операций	V * V H , м/с	A ц	Одинарные колеса		Сдвоенные колеса		( mБу(>II   mБудI ), кг/кВт
			* m уд , кг/кВт	* msуд , кг/кВт	* m уд , кг/кВт	m Sуд , кг/кВт
1	2,20	0,50	64,47	12,89	68,21	16,63	3,78
2	2,65	0,45	59,49	7,91	66,31	14,73	6,82
3	2,33	0,45	52,89	1,22	62,11	10,53	9,31

Оптимальные значения m *_d на одинарных колесах при k m_ydm^ = 1 , 22 , т_{уд 0}= 51 , 58 кг /кВт и ^ mom ах = 1 , 25 достигаются изменением m_Eyd от 1,22 до 12,89 кг/кВт соответственно на третьей и первой группах операций, т.е. в 10,6 раза.

На сдвоенных колесах A m_yd^ = 1 , 10 достигается изменением m_Eyd от 10,53 до 16,63 кг/кВт. С учетом удельной массы второго комплекта передних и задних колес, составляющей m_Kyд = 3 , 5 - 4 , 0 кг /кВт, максимальная масса дополнительного балласта на операциях первой группы должна быть неизменной, m_Eydi = idem • На операциях второй и третьей групп ее снижение составляет 13 и 58 %. Указанное подтверждает соответствующие увеличение разности массы балласта A m_Eyд =(ш_Буд-- m_Ey)_к) на операциях указанных групп.

По результатам анализа конструкционных особенностей и условий балластирования отечественных [6] и зарубежных [7, 8] колесных 4к4а тракторов установлено, что интервалы изменения значений относительных абсцисс составляют: a = 0,40 - 0,50;An = 0,35 - 0,40; An = 1,0 -1,6. Поэтому для определения ц                    ц0                     П рациональной степени балластирования тракторов по результатам натурного и вычислительного экспериментов разработана номограмма (рис.).

Построение номограммы проводилось графо-аналитическим методом в изложенной также последовательности.

• 1.    В IV квадранте построены зависимости (^ - n _{е э}) = f ( N_e ) при изменении коэффициента приспособленности двигателя по моменту К М от 1,30 до 1,60.

• 2.    В I квадранте расположены графики т ** = т^ ■ ^ ■ N_{e э}и т_э0 = т_{уд 0} ■ ^N_{e э}. Значения т *_уд и m _уд 0 взяты из таблицы и характеристик тракторов.

• 3.    Во II квадранте построены зависимости приходящейся на передний мост массы трактора т Э 1 = т Э ■ А ц и т _{э 1о} = т _{э 0} ■ А _{ц 0} эквивалентной реакции почвы у „ст = т_э ■ g ■ a_y /L и у_п ст ₀ = т_{э 0} ■ g ■ а_{ц 0} /L С балластом т_к = т * - т и без него.

• 4.    В III квадранте приведены зависимости массы переднего балласта от абсциссы А_п, которая рассчитывается с учетом уравнения (4) как т*_Б1 = (т * ■ А_ц - т_{э 0} ■ А_о)/ А_п . Масса заднего балласта при известном значении т * _Б 1 определяется как т*₂ = т * - т₀ - т_Б1 .

Б    Э    Э 0

Порядок пользования номограммой поясним на примере трактора Versatile 250 с одинарными колесами при выполнении операций второй группы. При известной мощности тракторного дизеля N_e3 = 184 кВт (т. А) и К = 1 , 37 (т. а 4 ) определяют в IV квадранте ( ^ ■ N^) = 180 , 55 кВт (т. А ₄ ). Проведя через эту точку прямую, параллельную оси ординат до пересечения с линиями т*_д2 (Ik) и т_{уд 0}, получают т. а и т. а^ . Пересечение прямых, параллельных оси абсцисс из указанных точек с ординатой (т. А ₁ и т. А ₀ ), определяют значения эксплуатационных масс т *₂ = 10 , 74 т и т_{э 0} = 9 , 31 т ( т_2Б= т * - т_э0 = 10 , 74 - 9 , 31 = 1 , 43 т )

трактора. Продлив указанные прямые во II квадранте до пересечения с линиями А = ^0,45 и А ц ⁰ = ^0,35 соответственно т. а и т. а и проведя из этих точек параллельные оси ординат линии до пересечения с осью     абсцисс,     находят     значения      т*. = т * ■ А = 10 , 74 * 0 , 45 = 4 , 83 т     (т.      А ,)     и

Э 1       Э    ц                                                      2

т _Э10 = т_{3 0} ■ А_ц0 = 9 , 312 * 0 , 35 = 3 , 36 т (т. А ₂₀). Далее, продлив ординаты из указанных точек до пересечения в III квадранте с линией т_Б = f(А_п) при заданной величине А_п = 1 , 3 (т. а ₃ и т. а _3о ) и проведя из этих точек параллельные оси абсцисс линии до пересечения с ординатой (т. А ₃ и т. А ₃ ), находят значение т*, = (А - А, ) = ( 3 , 72 - 2 , 51 ) = 1 , 21 т и т*, = т * - т* = 1 , 43 - 1 , 21 = 0 , 22 т .

Б 1       3     3₀                                        Б 2       Б     Б 1

Номограмма для определения массы балластных грузов при использовании колесных 4к4а тракторов:

-----на одинарных колесах

----на сдвоенных колесах

Аналогично определяют массу балластных грузов при оснащении трактора сдвоенными колесами или изменении его мощности. Разработанную номограмму наиболее целесообразно использовать инженерно- технической службой предприятия или официального дилера при балластировании тракторов для определений группы операций основной обработки почвы. При подготовке тракторов разных производителей и типоразмеров к эксплуатации более универсальной является методика определения степени балластирования с использованием удельной массы полного, переднего и заднего балластов.

Заключение. Представлены модели и алгоритм рационального балластирования колесных 4к4а тракторов для эффективного использования в технологиях почвообработки. Обоснованы рациональные значения удельной массы общего, переднего и заднего балластов тракторов на одинарных и сдвоенных колесах для операций почвообработки разных групп. Разработана номограмма определения степени балластирования при использовании трактора в технологиях почвообработки.