Эффективность использования колесных тракторов в технологиях почвообработки

Введение. При возделывании зерновых, кормовых и технических культур используются в основном три вида цельнозамкнутых технологий обработки почвы и посева с установленными значениями номинальной скорости V У и полями ее двухстороннего допуска ±A V в условиях вероятностного характера тяговой нагрузки [1–3]: традиционная с осенней зяблевой вспашкой при V ^ = 2 , 20 ± 0 , 25 м / с ; минимальная с осенней безотвальной глубокой обработкой почвы с V^ ₂ = 2 , 65 ± 0 , 35 м/с ; минимальная с поверхностной обработкой почвы и нулевая (прямой посев) с одновременной поверхностной обработкой и посевом при V j₃ = 3 , 33 ± 0 , 50 м / с . Каждая из указанных технологий основной (первой) обработки почвы образует группу родственных по энергоемкости и агротехническим требованиям операционных технологий и характеризуется осреднен-ным значением удельного сопротивления К _о при V = 1 , 4 м/с, его приращением в зависимости от скорости ^_к = [ 1 + A K ( v ² - V 2 ) ] и коэффициентом вариации v_{K 0}.

В работе [3] обоснованы оптимальные значения показателя технологичности – удельной материалоемкости колесных тракторов на одинарных и сдвоенных колесах mУд =ПТ/(^Kp'V)н'g'10-3,кг/кВт для указанных выше групп операций основной обработки почвы. Сущность технологической адаптации колесных 4к4а и 4к4б, как основных типов современ- ных сельскохозяйственных тракторов, заключается в обосновании их энергетического потенциала (^ • Nеэ) и эксплуатационной массы m* для каждой из установленных групп родственных операций почвообработки с учетом природных условий и современных тенденций развития тракторной техники.

Для адаптации тракторов с установленными характеристиками двигателя ( N_e3,n_H,K_M ) , трансмиссии (утрipр} и ходовой системы ( r _d ) к режиму рабочего хода отдельной группы родственных операций почвообработки положено изменение эксплуатационной массы для достижения m * _d [2]. Однако в практике эксплуатации современных тракторов зарубежного и отечественного производства изменение балластирования при выполнении родственных операций разных групп для достижения m y _d , как правило, не производится из-за высокой трудоемкости и недостаточности знаний. Поэтому актуальным является оценка эффективности использования колесных тракторов с переменной массой, обусловленной изменением количества съемного балласта и запаса топлива в баке, в технологиях почвообработки.

Цель работы . Сравнительная оценка эффективности использования колесных тракторов 4к4а с переменной массой в технологиях основной обработки почвы.

Поставленная цель достигается решением следующих задач :

• 1)    обосновать показатели эффективности использования тракторов с переменной удельной материалоемкостью на операциях почвообработки;

• 2)    дать сравнительную оценку эффективности тракторов с разной удельной материалоемкостью на родственных операциях почвообработки установленных групп;

• 3)    установить рациональный интервал изменения удельной материалоемкости колесных тракторов с учетом занятости в технологиях почвообработки.

Условия и методы исследования. Рациональный тяговый диапазон трактора ограничен режимом допустимого буксования 6 _d при максимальном значении коэффициента использования веса p _KPH = P KPmax для выполнения первой, наиболее энергоемкой группы операций со скоростью V У; = 2 , 20 м / с и режимом максимального тягового КПД n _Tmax , соответствующим p KPH ₃ = P KPopt для третьей, наименее энергоемкой группы операций при V *₃ = 3 , 33 м/с. Для выполнения родственных операций второй группы p KPH2 = p KP = 0 ,5 ( p _KPmax + p KPopt ) при скорости V У_? = 2 , 65 м /с .

H 2

Диапазону ( p KPmax - P KPopt ) соответствует интервал изменения удельной материалоемкости от максимальной m_{yd 1} до минимальной ^m _{yd 3} , соотношение которых не должно превышать максимально допустимое увеличение за счет балластирования наименьшего (базового) значения массы трактора m_{Э 0} , определяемого из условия [4] Л m_Эmax = ( m _{0 Э} + m_Бmax ) / m_0Э

^ m ydmax = m Уд 1 ^/mУд 3 = ⁽\T / ^P kP ’ ^ V ) н <  ^ m max .

Основными показателями эффективности использования трактора с разными значениями *

^туд на операциях почвообработки являются удельная производительность W_yd(м /Дж) и удельные энергозатраты Е_п( кДж / м²)

^Wyd = m yd ' g ’ ^P KPH ^VH / ^K 0 ' ^ K ; ^ E n = 1 /Wy d -

Учитывая, что номинальная скорость трактора [3] равна

^V H = ⁿ H '10 / g ’ ^ KPH ’ m yd ,                                (3)

из уравнения (2) получим

W yd = Vt_h -10 3 /K 0 • P k.                                  (4)

Таким образом, при прочих равных условиях (K 0 , и _к = idem) , удельная производительность прямо пропорциональна тяговому КПД трактора.

При известных значениях КПД трансмиссии n TP , сопротивления качению П f = ^ KP /( ^ KP + f) и буксования n_s = ( 1 — S ) тяговый КПД трактора [5] определится по формуле

П т = П тр⁽ 1 ^{- s} ) -\ ^ KP^/( ^ KP + ^f) ] ■                                   (5)

Для однотипных тракторов на одинаковых почвенных фонах буксование движителя S удобнее определять в функции ^ KP , используя при обработке результатов тяговых испытаний аппроксимативную модель [6]

S = a • ^ KP /(b - ^ KP ).                                      ⁽⁶⁾

Тогда тяговый КПД трактора в диапазоне ( p KPmx - v KPopt ) выразится как

^П т = ⁿ TP '

Ф кр      у     ^а Ф кр

. ^ KP + f Л   (b - ^ кр ).

Зависимость ц _т = f( P KP ) при n TP = const определяется характером изменения буксования S = f. ( ^ Kp ) . На всех тяговых режимах при одинаковых значениях ^ KP тяговый КПД остается не-

• •                       —*

измененным независимо от величины mуд . Однако уменьшение mуд приводит к соответствую- щему повышению скорости V• из условия AVH • /.m = 1 или AVH = 1 /• Amy. .

При использовании трактора с разной m уд на скорости V • = idem выполняется следующее условие взаимосвязи удельной материалоемкости и тягового режима работы:

^Пт = ^Ркр • ЛШуд■

Поэтому уменьшение m_уд всегда сопровождается возрастанием ^ KP и буксования с одновременным повышением n f , что формирует в конечном итоге характеристику тягового КПД трактора.

Учитывая, что затраты мощности на перемещение трактора в интервале рабочих скоростей (V 3 - V H 1 )

N f = ^тэ • g • ^f • V,

то одноименные удельные затраты

N f о = Nf/N ^ = m У д • g • f • V.

КПД сопротивления качению при этом выразится как

( п f = 1

к

—

N 1

П тр • П б J

Z       *        /• T/\

1 — myd • g • f • V к      Птр • Пб   )

.

Зависимости (10) и (11) показывают, что затраты мощности на перемещение при f = const и снижение П f пропорциональны удельной материалоемкости m У _д и скорости V H трактора

'ANf о = A m уд • A V_H;

^АП f =

(  A m _aAV„ ^

1 —у к       Аб )

.

Тяговый КПД трактора, с учетом характера изменения ^{П f} , определится по формуле

П т = ⁽ П тр •П б ^— m у_д • g • ^f • V H ).

Изменение расхода топлива на единицу выполненной работы g_W = 2 ,77g • Е_П при постоянной загрузке двигателя пропорционально удельным энергозатратам A g _W = А Е _П .

В условиях вероятностного характера тяговой нагрузки главной выходной координатой трактора является скорость поступательного движения, допустимые значения которой определяют зону его эффективного функционирования в составе агрегата.

Номинальное значение рабочей скорости для родственных операций с двухсторонним контрольным допуском можно выразить как [2]

• V H = 0 5V , + V_m ax ) i .

  
  

Тогда контрольный допуск ^ Vi представляет собой интервал средних значений скорости, ограниченный V _opti и V _maxi при v _n « v _MC для дизеля постоянной мощности (ДПМ)

A V = 0 ,5(V max — V opt ) _t = (K ^v ),

где V_maxi и V_opti – верхняя и нижняя границы контрольного допуска.

Вероятность нахождения среднего значения скорости V ^* в зоне двухстороннего допуска при нормальном законе распределения определяется из выражения

P, = Ф(t i ) — ФО ₂ ),

где Ф(t) – функция Лапласа; t = ( V - V ^∗ ) / σ , t ₂ = ( V_opt - V_H ^∗) / σ _V – аргументы функции Лапласа.

Выходной показатель трактора η и соответствующая ему удельная производительность при вероятностном характере скорости движения представляют случайные величины, оценочные показатели которых определяется как [6]

η T (W уд ) = ∫ f(V) ⋅ ϕ (V) ⋅ dV. (17)

Влияние распределения скорости V на энергетические и технико-экономические показатели трактора можно оценить коэффициентом адаптации λη _T = η _T / η _{T max} .

Результаты исследования и их обсуждение. По результатам моделирования, с использованием экспериментальных зависимостей η _T , δ = f ( ϕ _KP ) [3], обоснованы оптимальные значения m ^∗ тракторов 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах для совокупности разных групп родственных операций основной обработки почвы.

Ниже приведены оценки эффективности тракторов в базовой комплектации на одинарных колесах. При этом установлено, что характеристики буксования и тягового КПД трактора δ , η _T = f ( ϕ _KP ) остаются неизменными при разных значениях m ^∗ _уд (рис. 1). Уменьшение m ^∗ _уд приводит к пропорциональному повышению скорости V ^∗ из условия λ V = 1 / λ m . На всех нагрузочных режимах V ₂ = 1 , 084 V ₁ , V = 1 , 221 V .

Рис. 1. Зависимости 6 , n T , V = ( ^ KP ) трактора 4к4а при разной удельной материалоемкости (фон - стерня): m у _д1 = 64 , 47 кг / кВт, m уд2 = 59 , 49 кг / кВт, m *_d3 = 52 , 80 кг / кВт

Как следует из выражения (8), основной показатель эффективности трактора с переменной материалоемкостью η _T при работе на постоянной скорости V = idem зависит от соотношения параметров m ^∗ уд и ϕ _KPH . Уменьшение m ^∗ _уд приводит к увеличению ϕ _KPH и буксования движителя δ с одновременным повышением η , что в конечном итоге определяет характер изменения η _TH .

На рисунке 2 приведены зависимости ηT,Wуд,EП = f(V ) трактора 4к4а с разными значениями m∗уд на операциях почвообработки установленных групп. Анализ показывает, что харак- тер изменения тягового КПД Пт = f (V) в пределах контрольного допуска ±ДV определяет эффективность использования трактора с заданной удельной материалоемкостью.

а

К_о = 1 11 , 0 кН / м ² , Д К, = 0 , 13 с² / м ²

К_{о 2} = 5 , 6 кН / м ² , Д К₂ = 0 , 09 с² / м²

К_о3 = 4 , 5 кН / м ² , Д К, = 0 , 06 с ² / м ²

Рис. 2. Зависимости показателей эффективности колесного трактора 4к4а на операциях почвообработки разных групп:----- m *_д1 = 64 , 47 кг / кВт;---- m *_д2 = 59 , 49 кг / кВт;

- m *_д3 = 52 , 80 кг / кВт

На операциях первой группы (рис. 2, а) наивысшие показатели эффективности трактора достигаются при m у_{д 1}, которой соответствует диапазон изменения П _т от 0,600 до 0,636. Уменьшение удельной эксплуатационной массы до m уд ₂ и m _{уд 3} сопровождается смещением тягового режима в зону больших значений ф _КР при буксовании 3 , превышающем допустимое. Это существенно снижает номинальное и осредненное значения тягового КПД трактора.

На операциях второй группы (рис. 2, б) номинальное и среднее значения тягового КПД достигают максимума при m ^∗ . Увеличение удельной материалоемкости до m ^∗ приводит к смещению тягового режима в зону меньших значений ϕ _KP и δ , что несколько компенсирует затраты мощности на перемещение трактора. Поэтому показатели эффективности на этой группе операций трактора с m ^∗ _уд и m ^∗ уд отличаются незначительно. Эффективность трактора при m ^∗ _уд несколько ниже, как и на операциях первой группы.

Для выполнения операций третьей группы наивысшая эффективность достигается при m ^∗ уд

(рис. 2, в). Увеличение удельной материалоемкости до m ^∗ _уд и m ^∗ _уд сопровождается смещением режима работы в левую часть потенциальной тягово-динамической характеристики с более низкими значениями тягового КПД трактора.

В таблице 1 приведены эксплуатационные допуски на скорость рабочего хода трактора для разных групп родственных операций основной обработки почвы при вероятности ее нахождения в установленных границах 0,90–0,95. Регулируемой до начала рабочего хода является удельная материалоемкость (масса) трактора.

Таблица 1

Эксплуатационные допуски на скорость рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов

Группа операций	∗ VH , м/с	∆ V , м/с	v V	σ V , м/с	t	P ∆
1	2,20	±0,25	0,07	0,154	1,63	0,90
2	2,65	±0,35	0,07	0,185	1,90	0,95
3	3,33	±0,50	0,07	0,231	2,16	0,95

В условиях вероятностного характера распределения скорости рабочего хода с установленными допусками (табл. 1) по зависимости (17) определены средние значения показателей эффективности использования трактора на операциях почвообработки разных групп при изменении удельной энергоемкости от m ^∗ уд 1 до m ^∗ уд 3 .

Результаты (табл. 2) показывают, что к первой группе операций наиболее адаптирован трактор с m ^∗ = 64 , 47 кг / кВт при λη = 0 , 972 и W = max . Уменьшение удельной материалоемкости до m ^∗ _{уд 2} = 59 , 49 кг / кВт и m ^∗ _{уд 3} = 52 , 80 кг / кВт снижает коэффициент адаптации до 0,956 и 0,906 соответственно при относительной производительности W_{уд 0} = W_удi / W_удmax 0,980 и 0,932. Эффективность использования трактора с m ^∗ _{уд 1} ограничивается скоростью V max 1 = 2 , 50 м / с.

На второй группе операций в интервале рабочих скоростей от 2,50 до 3,05 м/с наиболее эффективен трактор с m ^∗ = 59 , 49 кг / кВт при λη _T = 0 , 997 и W = 1 , 00 . Показатели адаптации и эффективности трактора с m ^∗ уд 1 достигают 0,994 и 0,990 соответственно. При m ^∗ их снижение составляет 2,5–2,8 %.

Таблица 2

Показатели эффективности колесного трактора 4к4а на операциях почвообработки

Группа операций	V * V H , м/с	m удц = 64,47 кг / кВт		m *Уд 2 = 59,49 кг / кВт		m *д3 = 52,80 кг / кВт
		Лц т	Wуд 0	ЛцТ	W Wуд 0	Ац т	W Wуд 0
1	2,20	0,972	1,00	0,956	0,980	0,906	0,932
2	2,65	0,994	0,990	0,997	1,00	0,972	0,975
3	3,33	0,975	0,976	0,987	0,989	0,998	1,00
1-3	3,33-2,20	0,982	0,985	0,987	0,992	0,974	0,980
2-3	3,33-2,65	0,983	0,983	0,992	0,994	0,986	0,988

При V >  3 , 05 м / с наивысшие показатели имеет трактор с m*_уд3 = 52 , 80 кг / кВт . Повышение m у_д до m уд 1 снижает их на 2,5 %.

Для зонального соотношения объемов работ по технологиям: 1-я гр. – 0,15; 2-я гр. – 0,40; 3-я гр. - 0,45 - наивысшие показатели эффективности имеет трактор с m*уд2 при коэффициенте адаптации ЛпТ = 0,987 и Wyd0 = 0,992 (табл. 2). На операциях второй и третьей групп наиболее адаптированным является трактор с mУд2 при Лцт = 0,992 и Wd0 = 0,994. На втором месте трактор с m уд3 при Лпт = 0,986 и Wyd0 = 0,988.

Полученные результаты позволяют установить рациональный интервал изменения удельной материалоемкости колесного трактора 4к4а с учетом занятости в зональных технологиях почвооб-работки для АПК Красноярского края в пределах m *_уд = 57 - 62 кг / кВт .

Выводы

• 1.    Для сравнительной оценки эффективности колесных тракторов 4к4а с переменной массой и установленной характеристикой двигателя на операциях почвообработки разных групп основным показателем является тяговой КПД, номинальные и средние значения которого в условиях вероятностного характера тяговой нагрузки определяют удельную производительность и энергозатраты.

• 2.    По результатам сравнительной оценки эффективности использования тракторов с переменной массой наиболее адаптированным к зональным технологиям почвообработки является трактор с удельной материалоемкостью m уд ₂ = 59 , 49 кг / кВт.

• 3.    С учетом занятости в зональных технологиях почвообработки АПК Красноярского края рациональный интервал изменения удельной материалоемкости колесных 4к4а находится в пределах 58-62 кг/кВт, при использовании на операциях 1-2-х и 2-3-х групп m*_д составляет соответственно 59–63 кг/кВт и 54–58 кг/кВт.