Исследование влияния передаточных чисел гидромеханических трансмиссий на технико-экономические показатели трелевочного трактора

Введение. Заготовка леса является важнейшей областью экономики страны. В России находится более 20 % его мирового ресурса. В настоящее время существуют два технологических процесса лесосечных работ по хлыстовой и сортиментной технологии. В структуре хлыстовой технологии лесосечных работ наиболее энергоемким элементом является процесс трелевки заготавливаемой древесины, поэтому повышение произ- водительности и топливной экономичности трелевочных тракторов является актуальной задачей. Опыт эксплуатации зарубежных трелевочных тракторов (скиддеров) с гидромеханической трансмиссией (ГМТ) в условиях отечественных лесозаготовок показывает достаточно высокую их эффективность. В настоящее время на Онежском тракторном заводе активно проводятся работы по созданию скиддеров с ГМТ. Многообразие условий эксплуатации скиддеров требует тщательного подбора общего передаточного числа трансмиссии для обеспечения широкого диапазона их тяговых показателей.

Цель исследований . Разработка методики и определения величины оптимального передаточного числа механической части ГМТ одной из моделей трелевочного трактора Онежского тракторного завода.

Методика и результаты исследований. Исследования проводились в рамках совместной научной работы с конструкторским бюро ОТЗ по повышению эффективности эксплуатации трелевочных тракторов. В основу были положены тяговые расчеты по определению средней мощности на ведущих колесах скиддера в зависимости от передаточных чисел механической части трансмиссии ГМТ и кинематического отношения гидротрансформатора. В качестве критериев оценки эффективности были избраны величина транспортной производительности (П тр ) и удельного расхода топлива на 1 м³ стрелеванной древесины (G п ).

Производительность трактора в общем виде можно определить по формуле:

где Q – объем трелюёмой пачки, м3;

t ц – полное время цикла, ч.

Полное время цикла определяется по формуле:

ц = набор + груз . + сброс + хол .

Из четырех слагаемых в формуле (2) только время грузового и холостого хода зависят от передаточного числа трансмиссии. Передаточное число трансмиссии на холостом ходу лимитируется максимально возможной скоростью движения скиддера, которая определяется техническим заданием и обычно составляет 10–12 км/ч. Поэтому далее будем рассматривать только процесс транспортной производительности, то есть грузовой ход.

Время грузового хода определяем по формуле:

t груз = _груз , ч ,                                                         (3)

где S – расстояние трелевки, км;

V груз. – скорость движения трактора при грузовом ходе, км/ч.

В процессе трелевки касательная сила тяги меняется в широком диапазоне от минимальной до максимальной по сцеплению. При этом динамика изменения сопротивления движению достаточно высока. Это обстоятельство делает невозможным переключение передач во время выполнения грузового хода, поэтому скорость грузового хода можно рассчитывать по величине средней скорости выполнения процесса трелевки.

В общем виде средняя скорость определяется по формуле:

̅      , * ^̅ км

V=  ̅̅̅к  , ч , где      – средняя мощность на ведущем колесе, кВт;

– средняя касательная сила тяги, кН.

Многочисленные исследования [1, 2, 3, 5] показали, что изменение касательной силы тяги в процессе выполнения грузового хода подчиняется нормальному закону распределения, поэтому величины средней мощности и соответственно средней скорости за грузовой ход рассчитываются с учетом нормального закона распределения. Параметры закона распределения будут определяться природно-производственными условиями и объёмами трелюемых пачек деревьев.

Средняя мощность и средний часовой расход топлива определяются по формулам:

p _

_—        ¹ к max

N к = J N к ( P ,) f ( P ) dP ,

p -

1 к min p _ кmax

G t = f G t ( P ) f ( P ) dP k, p .

кmin где   Nк(Рк) – функциональная зависимость мощности на колесе от касательной силы тяги;

G т ( Р к ) – функциональная зависимость часового расхода топлива от касательной силы тяги.

Подинтегральные функции N к ( Р к ) и G т ( Р к ) определяются на основании тягового расчета для различных передаточных чисел [4].

Плотность распределения вероятностей касательной силы тяги ( f ( P _к ) ) находится по формуле:

^f ( P K )= -- ^exP ‘

^ K V^{2 n}

—

P k

—

— V

P k

.

^ k

<       7

Пределы интегрирования Р к min и Р к mах определяются соответственно силой сопротивления качению скиддера Р f и ограничением силы тяги по сцеплению Рφ.

Р f и Рφ рассчитываются для конкретных природно-производственных условий.

Производительность грузового хода трактора рассчитывается по формуле:

Удельный расход топлива грузового хода на 1 м3 стрелеванной древесины определяется по формуле:

_{п . груз} =      , кг / м ,

где    G _Т – часовой расход топлива грузового хода, кг/ч;

Пгруз – производительность грузового хода трактора, м3/ч.

На этом основании мы проведем исследование влияния величины передаточного числа механической части гидромеханической трансмиссии на выбранные критерии.

В качестве объекта исследований выбран скиддер «Онежец-300» с ГМТ.

Исходные данные по трактору:

• -    двигатель Д- 245-2S2;

• -    Ne = 90 кВт при 2200 мин^-1 (внешняя скоростная характеристика двигателя приведена в виде табл. 1);

• -    радиус ведущей звездочки r зв = 0,385 м;

• -    вес машины G a = 121 кН.

Таблица 1

Внешняя скоростная характеристика двигателя Д-45.2S2

n e (мин- 1 )	М е (Нм)	G Т (кг/ч)	N e (кВт)
1400	501	18,38	73,45
1500	487	19,30	76,49
1600	474	19,75	79,41
1700	460	20,20	81,89
1800	445	20,70	83,87
1900	431	21,15	85,75
2000	417	21,60	87,33
2200	390	22,05	89,84
2320	198	11,50	48,10
2420	0	0,00	0,00

Таблица 2

I гт	K гт	η гт	λ
0,00	2,28	0,00	6,32
0,10	2,17	0,22	6,08
0,20	2,04	0,41	5,86
0,30	1,88	0,56	5,60
0,40	1,74	0,69	5,25
0,50	1,58	0,79	4,59
0,60	1,41	0,85	4,38
0,70	1,27	0,89	3,81
0,80	1,09	0,87	3,19
0,90	0,80	0,72	2,41
0,96	0,63	0,60	1,23

Безразмерная характеристика гидротрансформатора БКСМ

Показатели природно-производственных условий: грунт второй категории [5]; коэффициент сцепления φ=0,7; коэффициент сопротивления качению скиддера f=0,2; объём трелюёмой пачки Q =10 м^3;; угол уклона α =10⁰; коэффициент сопротивления волочения пачки f в =0,9.

Перебор рабочих передаточных чисел осуществляется при условии реализации максимальной силы тяги по сцеплению для каждой передачи. Результаты расчетов по формулам (3)–(4), (6)–(9) представлены на рис. 1–2.

Рис. 1. Зависимости транспортной производительности и удельного расхода топлива от рабочих передаточных чисел (при Q =10 м3,f=0,2,φ=0,7)

Из графиков, приведенных на рис. 1, видно, что для конкретного природно-производственного условия существует одна оптимальная передача (i=65), при которой достигаются максимальная транспортная производительность и минимальный удельный расход топлива. Величина этих критериев существенно зависит от величины передаточного числа. Так, отклонение передаточного числа от оптимального на 40 % снижает производительность на 15 % и повышает удельный расход топлива на 11 %.

Для объяснения данного результата рассмотрим графики зависимостей средней мощности на колесе и зоны работы гидротрансформатора (i гт.мин ) от передаточного числа (табл. 2, рис. 2, б) .

Рис. 2. Зависимости cредней мощности на колесе (а) и кинематического отношения гидротрансформатора (б) от рабочих передаточных чисел (при Q =10 м³,f=0,2, φ =0,7)

Как следует из рис. 2, а , уменьшение передаточного числа от оптимальной величины приводит к увеличению времени работы ГТ в зоне низких КПД, а в дальнейшем к снижению средней мощности на ведущих колесах. Увеличение передаточного числа в большую сторону приводит к сужению зоны работы ГТ и увеличению времени работы ГТ в зоне высоких кинематических отношений гидротрансформатора (i гт = 08–0,95), что ведет к снижению снимаемой мощности двигателя, поскольку на режиме i гт больше 0,85 совмещение работы ДВС и ГТ проходит на регуляторной ветви скоростной характеристики ДВС (рис. 2, б ).

Заключение . Разработанная методика позволяет определить оптимальные передаточные числа с учетом паспортных характеристик двигателя и гидротрансформатора, параметров грунта и объёма трелюемой пачки.

В качестве примера по данной методике определена оптимальная передача механической части ГМТ (i=65) для трактора «Онежец -300» при условии работы на наиболее распространенном грунте второй категории (f=0,2, φ=0,7) с пачкой 10 м³ (по рекомендации завода-изготовителя). Как показали расчеты, отклонение передаточного числа от оптимального на 40 % снижает производительность на 15 % и повышает удельный расход топлива на 11 %.