Эффективность использования трактора с двигателем постоянной мощности в составе почвообрабатывающего агрегата

Введение . Современное машиностроение производит энергетические средства и сельскохозяйственные машины, которые входят в состав машинно-тракторных агрегатов (МТА), выполняющих технологические операции обработки почвы на достаточно высоких скоростях. Вполне очевидна дальнейшая тенденция к увеличению рабочих скоростей мобильных агрегатов в рамках агротехнических требований.

По результатам многочисленных исследований [1–3] установлено, что увеличение рабочих скоростей агрегатов приводит к существенному росту колебаний внешней нагрузки в низкочастотном диапазоне (до 5 Гц). Колебания нагрузки на МТА вызывают колебания крутящего момента на коленчатом валу двигателя, что приводит к снижению его эффективной мощности и повышению удельного расхода топлива.

Поэтому задача установления наиболее рациональных режимов работы мобильных машинно-тракторных агрегатов не теряет своей актуальности.

Цель исследования : установление с помощью теоретических методик оптимальных эксплуатационных параметров и режимов работы почвообрабатывающего МТА в составе с трактором, оснащенным двигателем постоянной мощности.

Задача исследования : с помощью универсальной расчетной методики обосновать оптимальные параметры и режимы работы почвообрабатывающего агрегата с трактором 5-го класса тяги, на котором установлен двигатель постоянной мощности.

Объект исследования . Результаты наблюдений в производственных условиях за работой почвообрабатывающих агрегатов показывают, что возможности трактора с современным дизелем используются зачастую не полностью, а именно на 50–60 %.

Рассмотрим результаты полевых испытаний трактора 5-го класса тяги John Deere 8310R при выполнении операции вспашки с плугом ПЛН-8-35. После выполнения агрегатом нескольких рабочих ходов установлено, что скорость движения агрегата составила в среднем 7,81 км/ч, часовой расход топлива G _m при этом составил 38,04 кг/ч. Частота вращения коленчатого вала дизеля колебалась от 1970 до 2050 мин~ \ Трактор работал на 8-й передаче. По данным бортового компьютера загрузка двигателя при выполнении рабочих ходов составила 50– 60 и менее процентов. Средняя величина загрузки составила 50 %.

Значение теоретической часовой производительности агрегата равно 2,5 га/ч, фактической – 2,0 га/ч. Расход топлива G _m в среднем составил 16 кг/га.

Материалы и методы исследования . Для того чтобы сопоставить реальные показатели работы агрегата и ожидаемые (соответствующие максимальной загрузке двигателя и трактора), необходимо с помощью адекватной расчетной методики установить значения энергетических и технико-экономических параметров работы МТА.

С учетом вероятностного характера внешней нагрузки средние значения мощности двигателя рассчитываем с помощью формулы [4].

0,5 ( a M_k + b M 2 + b a 2 ) + ,  \        k            k           M /

М ( N е ) = f ( M_k ) = 9550 -¹

⁽ a i ^M _k + b i M 2 + b i a Ф ⁽ t н ) +

+ (a,Mt + bM k + b a 2 ф ( t_n ) - \ 2            2            2 MJ П П /

.- aM {b1 ^(tН )Mk + b2^(tП )Mk } где M(Ne) - математическое ожидание мощности, кВт;

– среднее значение крутящего момента, Н∙м; к

2/ е /2 dt - интегральная функция для tН

Ф ( t H ) = ( 2 я )/2 f

Y = f ( M K ) ; ^ ( t_H ) = ( 2п ) ¹² exp ( - 0,5 t²_Н ) - плотность распределения аргумента t H ; ф ( _tn ) = ( 2 п )^- 12 f e ^- t ^{2 2} dt - 0 интегральная      функция      для       y = f ( м_к ) ;

^(tn) = (2п)- 12exp(- 0,5t2) - плотность распределения аргумента tn;  t _ мн - мк    _ мп - мк;  aM  - tH                  ; tП ам         ам среднеквадратическое отклонение крутящего момента, Н∙м; MН – номинальная величина крутящего момента, Н∙м; MП – предельная величина крутящего момента, Н∙м; a,b , a,b, а2,b2 - расчетные коэффициенты (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициент	Расчетная формула
1	2
4 *1	^ тах
Аг	n Н + {[n Н — n П ]/ ( к г — 1)1
А *	И П + {(И П — П тт )/ ( к 1 - 1)1
в *	-(Л тах - И Н )/М н
в ;	-(П Н - П п )/(М п - М н )
в -	-(и П - П т1п )/(М тах - М П )
а *	А * + А *

Окончание табл. 1

1 2 а * А *-А * а * *    А* А 2  А 3 b * в 1* + В* ь * В * - в* ь * В * - В* nmax, ^н, nn, nmin - угловая скорость вала дизеля соответственно: максимальная, для номинального момента, для предельного момента и при максимальном моменте, мин-\ кг = ттах/Мп; к2 = Мп/Мн.

Коэффициенты для расчета средних значений мощности двигателя постоянной мощности

Для расчета средних значений часового расхода топлива двигателя используется следующее выражение [4]:

*    **    *

Gj, = 0,5 ( a + b Мк ) + ( я ^ + b Мкф ( t_н ) +       (2)

+(a 2j + b* М к)Ф(tn) - aP {(b*^(tн)+b* ^(tn )}, где G – среднее значение часового расхода топлива, кг/ч; ах’, b*’, a*, b*, a*, b* - расчетные коэффициенты (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициенты для расчета средних значений часового расхода топлива двигателя постоянной мощности

Коэффициент	Расчетная формула
Аг	Gtx
а2	G тн + {[ Тнн — G тпМк к2 — 1)1
Аз	Gтп + {( Gпп - Gто)/(к1 - 1)1
в.	-( Gтх - G н)//Мн
В2	-( Gнн - Gnn/M М п - Н) )
Вз	-( Gnn - GооЖМтах - П)п )
а	А * + А 3
	А * - А 2
0-2	*     А* А 2   А 3
ь	В * + В *
	В * - В *
Ь2	В * - в;

G_TX , Gтн^ G_тп, G_то - часовой расход топлива соответственно: на холостом ходу, номинальный, для предельного крутящего момента, при максимальном крутящем моменте, кг/ч; к _г = т_тахН Мк ; к₂ = М„ / М_н.

Математические ожидания удельного расхода топлива находим по формуле д = 10- 3 £Т,                  (3)

е,

где д_ем математическое ожидание удельного расхода топлива, г/кВт∙ч.

Средние значения часовой производительности МТА определяем с помощью выражения [2]

М ( WЧ ) = C w . [ М ( Nе ) ]

где м(W ) - среднее значение производительности агрегата, га/ч; м(n) - среднее значение мощности дви- гателя, кВт.

Результаты исследования. В таблице 3 представлены результаты расчета средних значений энергетических параметров двигателя трактора John Deere 8310R в зависимости от значения коэффициента вариации момента Vм на коленчатом валу дизеля трактора. По результатам исследования установлено, что мощность двигателя Ne при Vм = 0,2 снизится на 7,5 % в зоне максимума мощности, согласно стендовой характеристике, удельный расход топлива де повысится на 1,5 %. Расчет средних значений частоты вращения коленчатого вала показал, что они также снижаются (на 7,5 % при значении Mk = 1136 H·m). Это приводит к снижению рабочих скоростей и производительности агрегата. Данные расчетов позволяют утверждать: оптимальные нагрузочные режимы двигателя по максимуму эффективной мощности находятся в зоне значений крутящего момента Мк = 1136 Н • м, которые соответствуют максимальному значению мощности по стендовой характеристике, независимо от величины коэффициента вариации нагрузки на дизель.

Таблица 3

Средние значения энергетических показателей двигателя PowerTechPSX 6090RW212 в зависимости от коэффициента вариации ν крутящего момента дизеля

Вестник КрасГАУ. 2018. № 3

Коэффициент вариации νM	мн =933 Н·м			Мп =1136 Н·м			М   = 1307 Н·м			Оптимальное значение Мк ∗ , Н · м	Значение Ne при Мк ∗ , кВт	пд , мин 1    1
	Ne ,кВт	пд , мин 1   \		Ne ,кВт	пд , мин 1		Ne ,кВт	пд ,мин 1   \
0	205	2100		226	1900		219	1600		1136	226	1900
0,1	201,8	2068		220	1849		215,05	1571		1170	220,43	1800
0,15	199,3	2037		215	1807		209,74	1534		1165	215,25	1762
0,2	196,05	2006		208,86	1757		202,44	1476		1150	208,9	1736
Коэффициент вариации ν	Мн =933 Н·м			Мп =1136 Н·м			М   = 1307 Н·м			Оптимальное значение Мк ∗ , Н · м	Значение Эе при Мк , г/кВт∙ч	G Т , кг/ч
	Зе , г/кВт∙ч		G Т , кг/ч	9е , г/кВт∙ч		GТ , кг/ч	9е , г/кВт∙ч		GТ , кг/ч
0	256,7		52,66	256,63		58,13	256,7		56,17	1136	256,63	52,66
0,1	257,4		52,13	256,1		56,35	260,6		56,04	1060	255,65	55,3
0,15	257,56		51,46	257,47		55,36	265,15		55,61	1030	256,14	53,765
0,2	257,58		50,5	260		54,3	271,46		54,95	1000	256,93	52,11

Расчетные значения оптимальных нагрузочных режимов двигателя по минимуму удельного расхода топлива соответствуют величине крутящего момента _к =1000– 1060 Н∙м. Мощность двигателя для указанных значений момента заметно ниже своего оптимального значения, поэтому использование степени загрузки дизеля по минимуму расхода топлива приведет к снижению производительности агрегата. Поэт о му (с учетом незначительного расхождения значений в области _к =1136 Н∙м) окончательное значение оптимальной загрузки двигателя трактора должно находиться в области, соответствующей максимальной мощности. То есть коэффициент загрузки двигателя _м = 1,0 ( _к ^∗ =1136 Н∙м).

С учетом того, что при вспашке величина коэффициента вариации момента ν может находиться в пределах 0,2 (см. табл. 3), среднее значение фактической производительности м(W ) при использовании оптимальных нагрузочных режимов по максимуму мощности двигателя составит 3,6 га/ч. Эта производительность МТА превышает производительность, установленную по результатам полевых испытаний пахотного агрегата. Минимум удельного расхода топлива в среднем составит 256,93 г/кВт∙ч. Часовой расход топлива _т на один гектар на данном режиме работы МТА – 15 кг/га.

Для определения наиболее рациональных нагрузочных режимов работы двигателя с учетом переменного характера внешних воздействий желательно использовать методику оптимизации, которая опирается на два важнейших критерия – мощность и расход топлива.

Решить эту задачу может методика многокритериальной оптимизации параметров МТА на режимах рабочего хода с использованием генетических алгоритмов [5].

Данная методика оценивает рациональные режимы работы двигателя и агрегата по следующему критерию: минимум энергозатрат при выполнении технологически операций почвообработки λ ^∗    . Этот оценочный пока-

ЕМТА затель учитывает минимальную величину потерь энергии при снижении производительности МТА и повышении расхода топлива. Он рассчитывается, как соотношение величины энергозатрат при базовом значении нагрузочных режимов дизеля м( м=1,0) и суммарных энергозатрат при работе дизеля трактора на оптимальном режиме ∗м для различных значений коэффициента вариации крутящего момента на валу дизеля.

Результаты расчетов с использованием вышеназванной методики представлены в таблице 4.

Оптимальные параметры и режимы работы двигателя

Таблица 4

ν M	м ( Nе ) , кВт	Ст GT , кг	∗ м	∗ λ Е МТА
0,1	220,42	56,54	1,027	0,9447
0,15	215,23	55,52	1,017	0,9532
0,2	208,29	53,88	0,97	0,9636

Анализ результатов двухкритериальной оптимизации, представленных в таблице 4, во многом соответствует данным таблицы 3. Уровень загрузки дизеля ^∗ _м находится в пределах 1,0, средние значения эффективной мощности согласуются с данными таблицы 3 для оптимальных нагрузочных режимов. Минимальные значения уровня энергозатрат на рабочих режимах, а также наименьшие значения суммарных эксплуатационных затрат будут обеспечены в зоне степени загрузки двигателя _м = 0,97–1,03.

Выводы

• 1.    На примере МТА, в состав которого входят трактор John Deere 8310R и плуг ПЛН-8-35, рассмотрены показатели эффективности использования агрегатов подобного типа в производственных условиях.

• 2.    С целью более эффективного использования тракторов с двигателями постоянной мощности на основе расчетных методик обоснованы эксплуатационные режимы рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов для основных групп технологических операций.