Использование универсально-пропашных тракторов серии "Беларус 1221" в зональных технологиях почвообработки

Введение. В составе тракторного парка АПК Красноярского края 45 % колесных тракторов фирмы «Беларус». Среди них 200 тракторов серии «Беларус 1221» разных модификаций, доля которых к 2025 г. достигнет 10–12 % от общей численности машин этой фирмы [1]. Универсально-пропашной трактор «Беларус-1221» имеет улучшенную классическую компоновку с двигателем Д-260.2S (ММЗ) мощностью 96– 100 кВт или TCD20122VL 06(DEUTZ) – 104,6 кВт при номинальной частоте вращения коленчатого вала n н = 2100 мин^-1 и коэффициентом приспособляемости ^Км = 1,15–1,25 в зависимости от модификации, последовательное рядное расположение агрегатов трансмиссии с управляемыми передними колесами диаметром на 30 % меньше диаметра задних. Трансмиссия (сцепление, коробка передач и задний мост) выполнены в одном блоке и жестко соединены с двигателем. При такой компоновке с продольной базой L = 2,76 м до 60–70 % массы трактора в статическом положении приходится на задние ведущие колеса. Эксплуатационная масса трактора базовой комплектации без балласта разных модификаций изменяется от 5100 (1221Т.2) до 5730 кг (1221.4). Для улучшения тягово-сцепных свойств на энергоемких операциях впереди остова трактора устанавливают балластные грузы массой до 1025 кг [2].

Тракторы серии «Беларус 1221» широко используются в зональных технологиях основной обработки почвы, которые разделены по агротехническим и энергетическим требованиям на следующие группы [3–5]:

• 1    – отвальная вспашка и глубокое рыхление на глубину 0,21–0,23 и 0,40–0,50 м при номинальной рабочей скорости V *₇ = 2,20±0,20 м/с;

• 2    – послеуборочная безотвальная комбинированная обработка (сплошная культивация) и

  чизелевание на глубину 0,14–0,16 и 0,20–0,30 м в диапазоне V*₂ = 2,70±0,30 м/с;

  3 – послеуборочная поверхностная обработка (лущение стерни), предпосевная обработка, обработка на глубину 0,06–0,12 м и посев по нулевой технологии при V^₃ = 3,30±0,30 м/с.

  Неоднозначные рекомендации изготовителя и ограниченный опыт эксплуатации новых модификаций этих тракторов снижает эффективность их использования в составе почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.

  Цель исследования : повышение эффективности использования тракторов серии «Беларус 1221» на операциях почвообработки разных групп.

  Поставленная цель достигается решением следующих задач :

  • 1)    обосновать рациональные соотношения эксплуатационных режимов и параметров трактора для эффективного использования на операциях почвообработки разных групп;

  • 2)    определить условия балластирования тракторов разных модификаций при использовании в зональных технологиях почвообработки.

  Материалы и методы исследования. При решении поставленных задач использованы технические характеристики трактора базовой комплектации разных модификаций, модели и алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров для операций почвообработки разных групп.

  Зависимости буксования движителей 3 , тягового КПД п и его составляющих (КПД трансмиссии Пр и КПД сопротивления качению п ) от коэффициента использования веса трактора Ф КР получены по результатам тяговых испытаний трактора [3–5]:

  
  

  ³ = а • ^ кр /(в ^- ^ кр );

  
  

  П т = П тр [

  
  

  -^ КР— ]{[1 ( ^ КР + f)

  
  

  а ^ кР

  
  

  в   Ф кр

  
  

  ]},

  
  
  
  

  Эффективное использование трактора с заданной характеристикой двигателя ( N_еэ , Км ) на разных по энергоемкости операционных технологиях    в    обоснованных тяговом

  ( ^ KPmin - ^ КРmax ) и скоростном ⁽ V H3 ^- V H1 ) диапазонах обеспечивается соответственным регулированием и рациональным распределением по осям эксплуатационной массы за счет установки разного количества съемных балластных грузов для оптимизации основного показателя технологичности – удельной массы. Оптимальное значение удельной массы трактора m^* ,кг/ кВт, для каждой группы операций почвообработки при номинальной скорости V^* и соотношении ц_тн(/ p_KPHl определялось как [5]

  m ydi = ^ THi • ¹⁰ / g • ^ KPHi • ^VHi ^{.     (2)}

  Для уменьшения интервала изменения удельной и соответственно эксплуатационной массы трактора при балластировании номинальные значения коэффициента p_KPHi определялись из условий: на операциях третьей группы р^₃ = ^р при максимальной величине тягового КПД Пт_а3 на операциях первой и второй групп соответственно р_крн3 = р_КРтах при допустимом буксовании 3 и Ф кР 2 ~ ⁰,5 • ⁽ Ф кР max + P fPopt ) ^.

  Коэффициент использования мощности дви- £

  гателя ^N в условиях вероятностного характера момента сопротивления на валу, эксплуатационная масса m^* и номинальное тяговое усилие P_КРH трактора для операций почвообра-ботки каждой группы при коэффициентах вариации v_MC и приспособляемости Км рассчитывались с использованием следующих зависимостей [3]:

  
  

где а, b – эмпирические коэффициенты.

'С =- 0,964 + 1,80 • K m - 0,40 • K M + 0,023 / v _MCi ;

*       **              *

m = ^ Ni- ^Nеэ • m ydi ;

*

P KPHi = ^mЭi ‘ g • ^ KPHi •

Обоснование условий рационального балластирования трактора на операциях почвообра-ботки первой и второй групп проводилось с учетом установленного значения абсциссы центра масс а и ее относительной величины ^ц

А = ац /L , радиусов задних гдК и передних rdn колес, АПР = Уп /Gэ = 0,32 , коэффициен та f = 0,10 и высоты линии тяги над q опорной поверхностью h^ = 0,40 м [6], определяющих соотношение реакции почвы на передние У и задние У колеса неподвижного трактора при PKP = Pf = 0 для технологий поч-вообработки (рис. 1).

a yi    ^ ПР ’ ^L + ^hKP ' ^ф КР№ + ⁰,⁵ ’ ^f ' ( r dK + r dn )’

А* = а_Ц1/L = Л пр + [ h kp • ф крн + 0,5 • f ■ ( г_д к + г_д п )]/ L ,

у

ПСТ

*

= тэ

<

У

*

KCT = ^тэ

■ g ■ A ;

■ g ■ (1 - А ц ).

и       С		G30          GS2
ап	У пет	укст ацо	^2
	L

Рис. 1. Расчетная схема определения массы переднего и заднего балластов трактора

Применительно к трактору базовой комплектации весом G30 = тэ0 ■ g с абсциссой центра масс АЦ0 = аЦ0 / L и Ап = (ап + L)/L , массы переднего m*Б11 и заднего m^2i балластов для получения эксплуатационной массы mБ , адаптированной к технологии почвообработки определенной группы, определяли как [6]

^mEi = ^m3i ^{- т}э о ;

* ^mБ 1 i = ( ^mЭi ■ ^АЦ/ - ^тЭ 0 ■ ^АЦ 0 ) / А п ;

_ m b 2 i = ^{( m}3i - m 3 0 ) - ^{( m}3iAi - m 3 0 ^Ац 0 ) ^{1 А}п •

С учетом установленной взаимосвязи П = f(^p) параметры тягово-динамической характеристики трактора N_Kpi , V i = f(P_Kp ) для каждой величины m Б рассчитывались как

[V = П т ¹⁰3 / g ■^ кр ■ m *д ;

*           *         *                   ()

[ N KP = m 3 ■ П т I m yd •

Результаты исследования и их обсуждение. По результатам моделирования получены зависимости п , 5 = f(^KP) (рис. 2), позво- лившие обосновать оптимальный тяговый диапазон трактора, ограниченный режимами работы р^3 = p№opt = 0,380 при максимальном тяговом КПД nTmax = 0.643 и 5opt = 0.110 для выполнения операций почвообработки третьей группы и pKPH1 = ^KPmax = 0,450 c допустимым буксованием 5д = 0.150 при щ = 0.634 для наиболее энергоемких операций первой группы. На операциях второй группы п = 0.641 и ФКР2 ~ 0,5 ■ (ФкРmax + ^KPcpt ) = 0,410 и (табл. 1).

от коэффициента использования веса

Указанному тяговому диапазону, при установленных номинальных значениях ф^ для каждой группы операций почвообработки, соответствует интервал изменения удельной массы от максимальной т*уд1 = 65,28 кг/кВт до минимальной т**д3 = 52,23 кг/кВт (рис. 3). Их соот ношение Лтудmax = туд1/тудз = 1.25 не превышает максимально допустимое увеличение минимальной удельной массы m* за счет балластирования, обеспечивая рациональный тяговоскоростной диапазон при Avm„= v*3/v*, = 1.50 и ^PKPH = PKPH1 / PKPH3 = 1.33 .

Таблица 1

Группа операций	Ф крн	П ТН	V h , м/с	* mуд, кг/кВт	V MC	Км	* * N
1	0,45	0,634	2,20	65,28	0,08	1,15	0,865
						1,25	0,949
2	0,41	0,641	2,70	59,01	0,06	1,15	0,960
						1,25	1,044
3	0,38	0,643	3,30	52,23	0,06	1,15	0,960
						1,25	1,044

Тягово-скоростные режимы и параметры трактора «Беларус 1221» для разных групп операций почвообработки

При установленных значениях коэффициента Vc (см. табл. 1) и Км = 1,15 оптимальная эксплуатационная масса трактора «Беларус 1221.2» мощностью N_e3 = 96 кВт на операциях первой и второй группы практически одинакова (5441 кг) и превышает базовую массу для операций третьей группы на 625 кг.

Оснащение трактора двигателем с км = 1,25 приводит к увеличению базовой массы до 5237 кг, что соответствует ее фактическому значению (5220 кг) без балласта (табл. 2). Потребная масса балласта для операций первой и второй групп повышается до 680 кг, что вполне достижимо.

Рациональное распределение веса трактора по осям в статике и номинальном тяговом режиме У / У и У / У для разных ПСТ   ПН     КСТ   КН технологий почвообработки, рассчитанное по (4) и (5), приведено в таблице 2. Адаптация трактора базовой комплектации к технологиям почво-обработки первой и второй групп достигается установкой переднего съемного балласта массой 425–455 кг = 10·45 кг и двух кольцевых грузов по 91 кг на дисках задних колес.

Рис. 3. Влияние номинальной скорости рабочего хода на удельную массу трактора

Таблица 2

Рациональное балластирование трактора для технологий почвообработки (М еэ =96 кВт)

Группа операций	* АЦ	Км	А ПP	m ∗ , кг	* ПСТ    ПН , кН	* КСТ    KH , кН	∗ m ∗ Б , кг	∗ mБ 1, кг	n Г 1 , шт.	∗ mБ2, кг	n Г 2 , шт.
1	0,407	1,15	1,145	5441	21,73/17,08	31,64/36,29	625	425	10–45	200	2–91
		1,25	1,145	5917	23,63/18,57	34,41/39,47	680	450	10–45	230	2–91
2	0,401	1,15	1,145	5441	21,42/17,08	31,95/36,29	625	425	10–45	200	2–91
		1,25	1,145	5917	23,29/18,57	34,74/39,47	680	450	10–45	230	2–91
3	0,396	1,15	1,145	4816	18,75/15,11	28,48/32,12	0	0	0	0	0
		1,25	1,145	5237	20,39/16,43	30,97/34/93	0	0	0	0	0

Таблица 3

Рациональные тягово-скоростные диапазоны использования трактора в технологиях почвообработки

Группа операций	Км	m ∗ , кг	р. -Р. КР min     КР max , кН	р КРН , кН	( V max - V min ), м/с	N  - N кр max      кр min кВт	Nкр , кВт
1	1,15	5441	23,40–26,60	25,00	2,40–2,00	58,80–57,60	58,20
	1,25	5917	26,60–30,00	28,30		63,59–60,99	62,29
2	1,15	5441	18,90–23,40	21,15	3,00–2,40	59,20–59,60	59,40
	1,25	5917	21,10–26,60	23,85		64,42–63,59	64,00
3	1,15	4816	15,10–18,90	17,00	3,80–3,00	59,08–58.92	59,00
	1,25	5237	16,90–21,10	19,00		65,07–64,20	63,63

Параметры потенциальных тягово-динамических характеристик трактора «Беларус 1221.2» с оптимальными значениями эксплуатационной массы для операций почвообработки разных групп (табл. 3, рис. 4) позволили обосновать рацио- нальные тяговые диапазоны его использования на разных по энергоемкости операциях почво-обработки и подтвердить целесообразность предлагаемых технических решений по балластированию.

Рис. 4. Потенциальные тягово-динамические характеристики трактора с оптимальными значениями эксплуатационной массы для операций почвообработки разных групп: -------- Км = 1,15;-------Км = 1,25

При Км = 1,15 и m*э = 5 441 кг трактор соответствует второму тяговому классу на операциях первой и второй групп с Р№н = 25,0 и Р№Н = 21,15 кН. На операциях третьей группы с mЭ = 4816 кг и Р№Нз = 17,00 кН он переходит в тяговый класс 1,4. Повышение Км до 1,25 смещает диапазон номинальных тяговых усилий трактора в сторону увеличения до 19,0–28,3 кН, что позволяет использовать его на операциях почвообработки всех групп во втором тяговом классе с возможностью перехода в третий класс на операциях первой группы. Повышение тяговой мощности при этом на всех операциях составляет 7–8 %.

Полученные зависимости оптимальных значений эксплуатационной массы для операций почвообработки разных групп от энергетического потенциала (рис. 5) позволили дать оценку технологического уровня тракторов серии «Бе-ларус 1221» разных модификаций.

Рис. 5. Зависимость эксплуатационной массы трактора от энергетического потенциала:

• - n = 96 кВт, Км = 1,15 ; ■ - N = 96 кВт, Км = 1,25 ; ▲ - N = 104,6 кВт, Км = 1,25 еэ                                                еэ                                                   еэ

Превышение минимального и максимального значений эксплуатационной массы серийных модификаций трактора «Беларус 1221» мощностью 96 кВт и Км=1,15, полученных по результатам моделирования, составляет в среднем 280– 290 кг. Указанное свидетельствует о недостаточной эксплуатационной мощности двигателя, поэтому на операциях третьей группы дополнительные затраты топлива на перемещение излишней массы трактора составляет 0,20– 0,25 кг/ч. Повышение мощности двигателя до 100–104,6 кВт и коэффициента приспособляемости Км до 1,25 обеспечивает при балластировании наиболее эффективное использование трактора в технологиях почвообработки.

Выводы

• 1.    Обоснованы рациональные тяговоскоростные диапазоны использования универсально пропашного трактора «Беларус 1221» ( Pw - Р КР max) = ^0,38 — ^0,45 , (V Hmn — V^) = 220 — ^

• 2.    Адаптация трактора базовой комплектации ( N_e3 = 96 кВт , Км = 1,15 ) с оптимальной массой т_ЭБ = т_эз = 4816 кг к операциям первой и второй группы почвообработки достигается установкой съемного балласта, включающего грузы массой 425 кг в передней части остова и на дисках задних колес общей массой 182 кг.

• 3.    Повышение мощности двигателя до 100–105 кВт с увеличением коэффициента приспособляемости по крутящему моменту до Км = 1,25 обеспечивает при балластировании наиболее эффективное использование серийных модификаций трактора «Беларус 1221» в зональных технологиях почвообработки.

м/с и соответствующие значения удельной массы *       *                    кг/кВт, обеспе- уд min      уд max         ,          , чивающие его эффективное агрегатирование в тяговом классе 2,0 при реализации зональных технологий почвообработки.