Эксплуатационные параметры колесных тракторов для зональных технологий почвообработки

Введение. В структурной схеме многоуровневой адаптации колесных тракторов общего назначения к зональным технологиям основной обработки почвы оптимизация массоэнергетических параметров является главной задачей второго уровня [1]. На этом уровне предусматривается обоснование энергетического потенциала (^Nеэ )* и эксплуатационной массы mЭ трактора для установленных групп родственных операций [2] основной обработки почвы с учетом природных условий и современных тенденций развития тракторной техники. В условиях жесткой конкуренции основным типом сельскохозяйственных тракторов общего назначения являются колесные с формулами 4к4а и 4к4б, составляющие основу рынка и тракторного парка агропромышленного комплекса России. Это серии унифицированных тракторов разных типоразмеров с изменяющимися в широком диапазоне мощностью двигателя и массой.

Цель работы . Обоснование эксплуатационных параметров колесных 4к4а тракторов для совокупности технологий основной обработки почвы.

Достижения поставленной цели предполагает решение следующих задач :

• 1)    разработать модели и алгоритм адаптации эксплуатационных параметров тракторов к операционным технологиям почвообработки;

• 2)    обосновать оптимальные значения показателей технологичности тракторов для разных групп родственных операций почвообработки;

• 3)    установить рациональные интервалы изменения массы тракторов на основной обработке почвы.

Условия и методы исследования. При эксплуатационной мощности N eэ значение массы m э трактора определяется тягово-скоростным режимом в процессе рабочего хода при случайном характере тяговой нагрузки с учетом установленных допущений и ограничений:

• а)    все операции основной обработки почвы по энергоемкости и техническому обеспечению разделены на три группы с рациональными по энергозатратам и агротребованиям интервалами рабочей скорости V H ± ∆V;

• б)    рациональный тяговый диапазон трактора ограничен режимами максимального тягового КПД η т mах и допустимого буксования δ д , которым соответствуют оптимальное φ кр opt и максимальное φ кр mах значения коэффициента использования веса трактора;

• в)    КПД трансмиссии η тр и коэффициент сопротивления качению ƒ = ƒ 0 + C (V Н –V 0 ) трактора принимаются равными средним расчетным значениям без учета мощности двигателя N eэ и угла наклона поверхности поля ( α = 0).

Каждую группу родственных операций почвообработки характеризуют осредненное значение удельного тягового сопротивления K 0 при скорости V 0 = 1,4 м/с, его приращение в зависимости от скорости ^ к = [1+AK (V 2 -V o² )] и коэффициент вариации v_K 0 . Номинальное значение рабочей скорости для родственных операций каждой группы определяется как среднее V H = 0 , 5 • (V max + V_opt) между максимальной скоростью V mах , соответствующей наивысшей производительности при K п =V/ ц к = max, и скоростью V opt , обеспечивающей условие ^ 3 / ц_т • V ² = min .

В основу адаптации колесного трактора с установленными характеристиками двигателя (N eэ , К м , П н ), трансмиссии ( п тр , I tp ) и ходовой системы (r д ) к режиму рабочего хода отдельной группы родственных операций обработки почвы положено изменение эксплуатационной массы для достижения оптимальных значений показателей технологичности – удельного энергетического потенциала ( ^ Э еэ ) * или удельной материалоемкости т уд ‘ в номинальном тягово-скоростном режиме использования

'r ^ N Э)* = g( ? Kp • V/ П т ) н ;

* _ (7т / ^кр ' V)h туд =     g • 10 -3

.

Тогда эксплуатационная масса трактора для этой группы родственных операций выразится как

*        * r* -KT

^тЭ = mуд • ^N ■ Nеэ.

При этом для первой, наиболее энергоемкой, группы операций номинальный коэффициент использования веса трактора φ крн1 = φ кр mах при допустимом буксовании δ д ; для второй и третьей групп операций соответственно φ крн2 = 0,5 (φ кр mах + φ кр орt ) и φ кpн3 = φ кр орt . Указанный диапазон изменения φ кр позволит за счет балластирования обеспечить оптимальные или близкие к ним значения показателей технологичности для разных групп родственных операций почвообработки.

Соотношение сил реакции опорной поверхности (почвы) на передние У п и задние У к колеса существенно влияет на тяговые свойства, продольную устойчивость и управляемость трактора. В условиях эксплуатации значения этих реакций определяются расположением центра масс а ц относительно продольной базы L трактора, величиной тяговой нагрузки Р кр и ординатой точки прицепа h пр , а также сопротивлением качению Р ƒ и радиусом ведущих колес r д .

Для равномерного движения трактора в составе агрегата по горизонтальной поверхности с параллельным ей направлением Р кр нормальные реакции на передние и задние колеса выразятся как [3, 4].

^УП! = (m 3 ■ g ■ ^ац - Р КР • ^hKP - ^Pf • ^Гдк ^)/L ;

УК =[m3 ■ g ■ (L -ац )+ РКР .hKP + Pf ■ rdk ]/L, или

^УП = ^т Э ■ g ^[ а ц ^- ^ KP ■ ^h KP — ^f ■ r dk ] /L;

^У К = m 3 ■ g [ ^L — ^а ц + ? КР ■ ^h KP + ^f ■ r dk ] ^/L

Реакция почвы на колеса неподвижного трактора, свободного от тяговой нагрузки (Р кр = Р ƒ = 0), характеризуется статическими значениями

У ПСТ = m 3 ■ ^g ■ ^ац / ^L;

^УKCT = m 3 ■ g ■ ( ^L — а ц ) ^/L .

Нагруженность передних и задних колес трактора оценивается коэффициентами нагрузки

^Л П = У ПСТ / ^G3 ^; _^Л К = ^У КСТ / G 3.

Отношение А п / Л к = а ц / (L - а ц ) характеризует распределение веса трактора G₃ = т_э ■ g по осям в статике и его способность к агрегатированию с прицепными и навесными рабочими машинами.

Развесовку по осям тракторов общего назначения колесной формулы 4к4а, при агрегатировании с задним расположением рабочих машин, выбирают из условий обеспечения высокого тягового усилия, развиваемого задними и передними колесами, и сохранения управляемости.

При использовании тракторов на операциях почвообработки всех установленных групп должно соблюдаться условие

^PKPH — G 3 ^{( а}ц   ^Л ПР^L   f ■ r d ) ^/hKP^.

Тогда абсцисса центра масс трактора для обеспечения оптимальной нагруженности передних колес в режиме рабочего хода А_пр = У_пр /G₃ с тяговой нагрузкой P kph определится как

а ц = ^ пр ’ L + h KP ‘ Pkph + f ' ^гдк ■

Для новых моделей тракторов 4к4а в диапазоне тяговых нагрузок, соответствующих (φ кр opt – Ф кр max ), рекомендуется [3] принимать А пр = 0,30 - 0,40 (рис.1).

Рис. 1. Зависимость реакций почвы на передние У П и задние У К колеса трактора 4к4а от тягового усилия

Анализ зависимости (8) и рисунка 1 показывает, что для рекомендуемых значений нагружен-ности передних колес А пр абсцисса центра масс трактора а_ц должна быть перемещена в направлении передней оси, тогда

V ™ =

J ПСТ

^ ПР +

⁽ h KP ' Ф кРН + f ' r d )

L

' G э ;

Г КСТ Ээ    ПСТ ■

Для трактора с транспортировочным весом брутто G ₃₀ = т _э0' g , продольной базой L и абсциссой центра масс а ц0 , массы переднего m Б1 и заднего m Б2 балластов, для получения эксплуатационной массы m э^* , определяются решением уравнений моментов относительно осей передних О 1 и задних О 2 колес (рис. 2).

или

^УПСТ ' ^L = ^GБ 1 ( ^L + a n ^{) + G}Э 0 ' а ц 0 ;

У КСТ   ^GБ 2 ) ^L = ^GЭ 0 ^{( L  а}ц 0 )   ^GБ 1 ' a n ,

^У ПСТ = ^{[ G} Б 1 ^{( L +} a n ^{)+ G} Э 0 ' а ц 0 ^] / ^L;

( УКСТ = ^{[ G} Э 0 ( L ~ ^а ц 0 ^{) — G} Б 1 ' а П ^] / L ^{+ G} Б 2 ■

Тогда массы переднего и заднего балластов выразятся как

<(

* ^mБ 1

^{( m}Э

• ^ац   ^тэ о • ^ац о ) / ⁽ L + ^ап ),

GБ1

*

^тБ 2

^{[ m}Э ( L + a n - ^ац ^{)- т}э о ( L + a n

О 1

а п

У

L

пст

^аЦ о ^{) ]} / ^{( L} + a n )

G Э0

G Б2 кст

О 2

а ц0

Рис. 2. Расчетная схема определения массы переднего и заднего балластов трактора 4к4а

Соотношения оптимальных значений эксплуатационной массы трактора для разных групп родственных операций и соответствующих им номинальных тяговых усилий можно представить в виде относительных безразмерных величин

^{A m}Э = m3i / ^тЭ1 ^{- m}ydi / ^mуд1 = ^{Л т}уд ;

^A p KPH - m i • ^ KPHi / ^mэ 1 • V kRH ^— A m уд • Аф крн ■

Алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров колесного 4к4а трактора с установленным энергетическим потенциалом (£- N_еэ) * для основных групп родственных операций почвооб-работки при обоснованных значениях номинальной скорости рабочего хода V н включает: определение зависимостей п т , 5 = }(ф кр ) в интервале буксования движителей д = 0,05 - 0,20 и изменения скорости У н = 2,2 - 3,8 м/с ; установление ^ _KPmax, ^ _K p , ^ _KPopt и соответствующих им значений п т для определения ф крн1 , ф крн2 , ф крнз ; расчет по (1) т уд* и т э* по (2) для каждой группы операций; определение а ц по (8); расчет У пст и У кст по (9), определение по (12) m si ,и т Б2 ; соотношения Я тэ и Я р крн по (13) для разных групп родственных операций.

Результаты исследования. Использование разработанных моделей и алгоритма, с учетом результатов экспериментальных исследований взаимосвязей п_Тд - f (фкр) (рис. 3), позволило обосновать оптимальные значения удельной материалоемкости т уд* тракторов формулы 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах для совокупности разных групп родственных операций основной обработки почвы [5] (табл. 1).

Рис. 3. Зависимости η т , δ = f (φ кр ) трактора 4к4а:     – одинарные;

– сдвоенные колеса

Таблица 1

Оптимальные значения ф крн* и т уд* для операций основной обработки почвы

Группа операций	V Н, м/с ( км/ч )	Одинарные колеса			Сдвоенные колеса
		φ крн* /δ	η Тн	m уд* , кг/кВт ( кг/л.с. )	φ крн* / δ	η Тн	m уд* , кг/кВт ( кг/л.с. )
1	2,20 (8,0)	0,45 0,15	0,625	64,47 (47,40)	0,47 0,124	0,692	68,21 (50,15)
2	2,65 (9,5)	0,41 0,124	0,634	59,49 (43,74)	0,41 0,10	0,707	66,31 (48,76)
3	3,33 (12,0)	0,37 0,10	0,638	52,80 (38,82)	0,35 0,07	0,710	62,11 (45,67)

Повышению номинальной скорости рабочего хода от V H1 = 2,20 м/с до V H3 = 3,33 м/с (на 51%), при установленных значениях φ крн и η Тн , соответствует снижение m уд^* на 21 % для одинарных и на 9 % для сдвоенных колес. Указанные соотношения Л т уд*тах = Л т э*тах , находятся в допустимых пределах изменения [3] и достигаются подбором масс передних и задних балластных грузов при установленных значениях m Э0 = (0,8–0,9) m Э и a ц0 ≤ a ц (табл.2).

Установка сдвоенных колес сопровождается повышением m уд^* и соответственно m Э^* от 5,8 % для первой группы операций до 17,6 % для третьей, что достигается в первую очередь за счет массы дополнительного комплекта задних и передних колес с промежуточными дисками, а также массы соответствующих балластных грузов. Повышение Р KPH^* на сдвоенных колесах составляет при этом для всех групп операций 10,5–11,5 %, что обеспечивает соответствующий рост чистой производительности агрегатов.

Таблица 2

Соотношение удельной массы и номинального тягового усилия тракторов 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах

Группа операций	Л V	Одинарные колеса		Сдвоенные колеса		Сдвоенные Одинарные
		Л т уд*	Л Рр*	Л т уд*	Л Р крн*	Л т уд*2/1	Л Р крн*2/1
1	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,058	1,105
2	1,20	0,923	0,841	0,972	0,848	1,115	1,115
3	1,51	0,819	0,673	0,910	0,678	1,176	1,112

На рисунке 4 приведены зависимости эксплуатационной массы m Э^* от энергетического потен- ( ^ N J*

циала ^{N еэ} трактора 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах, которые позволяют обосновать условия их балластирования на операциях основной обработки почвы разных групп.

Например, для трактора Versatile-280 мощностью N eэ = 200 кВт и ^ = 1,0 разность т эз * = m Э * min = 10,9т и m Э1 * = m Э^*max = 13,3т составляет на одинарных колесах 2,4 т. На сдвоенных колесах эта разность не превышает (14,1–12,8) = 1,3 т. Аналогично для трактора New Holland Т. 8.390 мощностью N eэ = 276 кВт и ^ = 1,03 на одинарных и сдвоенных колесах соответственно △ тэГ = (17,8-14,6) = 3,2 т, △ т э2 * = (18,8-17,1) = 1,7 т.

При известных значениях G Э0 , а ц0 , а п и h пр любого трактора и заданного соотношения У ПСТ /У КСТ можно определить массы переднего и заднего балластов, а также количество дополнительных грузов для их обеспечения.

(^Nеэ)’ В     "                 (^-)‘ кВт

а                                           б

Рис. 4. Оптимальные значения эксплуатационной массы тракторов 4к4а для основных групп родственных операций почвообработки: а – одинарные; б – сдвоенные колеса

Выводы

• 1.    Представлены модели и алгоритм адаптации колесных 4к4а тракторов к операционным технологиям обработки почвы для эффективного использования в разных природно-производственных условиях.

• 2.    Обоснованы оптимальные значения показателя технологичности – удельной материалоемкости тракторов на одинарных и сдвоенных колесах для зональных технологий обработки почвы.

• 3.    Определены рациональные интервалы изменения эксплуатационной массы тракторов с установленным энергетическим потенциалом для совокупности разных по энергоемкости и агротребованиям групп родственных операций почвообработки.