Эксплуатационные параметры колесных тракторов высокой мощности

Введение. В агропромышленном комплексе восточной зоны Сибирского федерального округа 53–57 % площади полей составляют участки размером более 30 га с длиной гона lг>1000 м. При выращивании зерновых и кормовых культур используются три вида цельнозамкнутых технологий обработки почвы и посева: традиционная с осенней зяблевой вспашкой; минимальная с посевом по предварительной осенней безотвальной глубокой или поверхностной обработке почвы под зябь; нулевая с одновременной поверхностной обработкой и посевом по стерне. Диапазон изменения энергоемкости выполнения основной обработки почвы различными многооперационными машинами при этом весьма широк и существенно зависит от качества предварительной подготовки участков, типа рабочих органов, глубины обработки и скоростного режима работы.

Для объективной оценки и снижения затрат ресурсов необходимо обосновать рациональные параметры и режимы рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов на родственных операциях каждой из технологий при установленном классе длины гона. Указанное предполагает создание и использование мобильных энергетических средств (МЭС) с изменяющимися в широком интервале массоэнергетическими параметрами, позволяющими подобрать требуемую мощность и эксплуатационную массу в соответствии с условиями работы.

Адаптация тракторов к природным условиям (длина гона) и разным технологиям обработки почвы предполагает знание интервалов изменения этих параметров и возможность их регулирования до начала рабочего хода. Интервалы регулирования зависят от характеристики тягового сопротивления рабочих машин и скоростных режимов родственных операций каждой из установленных групп. Обоснование основных (базовых) значений и интервалов регулирования эксплуатационных параметров тракторов производится на основе многоуровневой системы оптимизации с использованием разработанных математических моделей и алгоритмов [1].

В условиях вероятностного характера тяговой нагрузки главной выходной координатой трактора как динамической системы является скорость рабочего хода, значения которой определяют удельный энергетический потенциал для эффективного функционирования при выполнении технологических операций в составе агрегата.

Цель исследований . Обоснование эксплуатационных параметров колесных тракторов для основной обработки почвы в АПК восточной зоны Сибирского федерального округа.

Задачи исследований . Обосновать модели адаптации тракторов к природно-производственным условиям; определить соотношения эксплуатационных параметров колесных тракторов для отдельных групп родственных операций основной обработки почвы; установить интервалы регулирования массоэнергетических параметров колесных 4К4 тракторов для зональных технологий почвообработки при длине гона более 1000 м.

Материалы и методы исследований . По энергоемкости и техническому обеспечению родственные операции основной обработки почвы разделены [2] на три группы, которые характеризуют удельное тяговое сопротивление при скорости V 0 =1,4 м/с К оi , его приращение в зависимости от скорости ∆К i , коэффициент вариации υК о1 , номинальное значение VHi и рациональный по энергозатратам и агротребованиям интервал рабочей скорости ( V, ^∗pt -И^∗ ax ) (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики удельного сопротивления и интервалы рабочих скоростей почвообрабатывающих машин для разных групп родственных операций

Родственная операция	K 0 , Н/м	∆ K , с2/м2	ν К 0	( V. ∗Pt -к∗ ax ) , м/с	VH , м/с
1-я группа Отвальная вспашка (h=0,20-0,25 м) и глубокое рыхление (h=0,40-0,50 м)	11,0-14,0	0,15	0,10	1,90-2,20	2,20
2-я группа Безотвальная комбинированная обработка, дискование (h=0,14-0,18 м) и чизеле-вание (h=0,20-0,30 м)	4,7-6,5	0,10	0,07	2,10-2,84	2,45
3-я группа Поверхностная обработка (h=0,06-0,12 м) и посев по нулевой технологии	3,1-5,1	0,06	0,07	2,83-3,83	3,30

При этом должно соблюдаться общее для всех типов энергомашин соотношение между основными параметрами-адаптерами, определяющее их энергонасыщенность [2]:

N еэ _ в *P кр *^v тэ   Т_Т * К n

Влияние длины гона и вида обработки почвы на эксплуатационную мощность N _e3 и массу т _э трактора определяется величиной чистой производительности И/ * , характеристиками удельного сопротивления агрегата К_о и ц_к — [1 + Д K (V_H² - V) )] , номинальными значениями рабочей скорости V^ , тягового КПД г/_ТН, коэффициентов использования веса цр _нрн и мощности двигателя **_ :

N ea j i = И * * К_оi * H k dn HHj * f*y. ; ^т 3 j i = И * * ^KOi * H k i/Vh i * Фк рн * * 9 .

Относительное передаточное число трансмиссии i_к при установленном динамическом радиусе ведущего колеса r_d и допустимом буксовании 8 _орt<  8_Н < 8_d в номинальном режиме (f *_ * п _Н ) определится как

п*п_н***_ (1 - Н н)

*                        ®

¹ kji - ттр}^/rdj -      _{3 0} *v*     ■

Взаимосвязи буксования и тягового КПД с параметрами тягово-сцепных и скоростных свойств 8, т_т — f ( Нркр , V) для тракторов 4К4 с одинарными и сдвоенными колесами в установленных тяговом ( нj_тmaх - Ф _кр тin ) и скоростном (V_{op t} - V * _ax) диапазонах с достаточной для расчетов достоверностью можно аппроксимировать выражениями вида:

(     ⁸ i ^{— ф}Фкр /(b ^- Фкр );

18₂ — а(ф кр - d)/(b + d- ф кр );

( 9т ^{1 —} 9тр ^{ ^ _+[o₀^_{с 1(у} v_Vo )] ^}[1 т ²     9тр кр⁺+[f ₀₂+ с₂(у-V) )]] [

V кр

-

-

'. ];

а(^ кр -К) 1 (b+d-^ кр )] ■

В общем случае при изменении производственных условий и тягово-скоростных режимов работы соотношения потребной мощности и массы трактора определяются из выражения [1]:

^N еэ ^— dv * ^К) * Л _р /Ат_тн * Л_Г_ ^;                        (7)

N

^А т э ^— 4* * ^А К ) * ^A n_K ^/A V * * ^А крн р н ■                       ⁽⁸⁾

Если трактор предполагается использовать на родственных операциях обработки почвы одной (превалирующей) группы в составе соответствующих агрегатов, значения N _e3 и т _э целесообразно выбирать для интервала (V_{op t} - Уа_хх\ этой группы и тягового режима, соответствующего кр к ^рорt <  Фнр н <  Ф_кр — 0,5( кр крорt + крк ртах)- В этом случае проблема энергосбережения на разных технологиях почвообработки решается за счет создания и использования типоразмерного ряда тракторов, отличающихся указанными параметрами. Такой подход наиболее рационален при разработке системы машин для отдельных регионов и комплектовании тракторного парка крупных предприятий зернового направления.

Для небольших и средних предприятий, в которых культивируются несколько технологий почвообра-ботки, массоэнергетические параметры можно определить с учетом занятости трактора на этих операциях по времени Т— — VJ W_t * :

⎧( NNеэ)∗=  ∑ ( NNеэ)∗∗;

JJI m =  ∑ m ∗․ ээ

При известных соотношениях объемов работ по разным технологиям =∑ и сменной производительности агрегатов для их выполнения

=   ∗    ∗    ⁄(    Nеэ)  ∗ тн ∗

4' ji где = р⁄ см – коэффициент использования времени смены; =∑  .

Более экономичным вариантом решения проблемы энергосбережения является создание мобильных

энергосредств с управляемыми массоэнергетическими параметрами на единой элементно-агрегатной базе,

обеспечивающих образование требуемого типоразмерного ряда путём комбинирования мощностью и мас-

сой. Величину шага ∆

(

N N еэ )^∗

Ji

и общее количество типоразмеров мощностей следует выбирать с учётом

конструктивных, экономических и других соображений.

Результаты исследований и их обсуждение . В таблице 2 приведены полученные по результатам стендовых и лабораторно-полевых испытаний [3] осредненные значения коэффициентов уравнений (5) и (6),

связывающих фактор воздействия _кр = _кр ⁄ _э ∙ с буксованием δ и тяговым КПД _т при установленных величинах коэффициента сопротивления перекатыванию f колесных 4К4 тракторов на стерне колосовых.

Полученные по результатам моделирования зависимости удельного энергетического потенциала ( ^ Э )

и эквиваленты эксплуатационной массы _э

= ⁄( _N Э )

_т трактора 4К4 от рабочей скорости (рис. 1) пока-

зывают, что повышение номинальной скорости движения от 2,20 до 3,30 м/с в режиме максимального тягового КПД сопровождается ростом (^Э )* от 12,68 до 19,32 Вт/кг. Опережающий рост энергонасыщенности обусловлен снижением тягового КПД на 2,4 % из-за увеличения сопротивления качению трактора в указанном скоростном диапазоне. На режиме кр = 0,5( кр + кр ) указанная закономерность сохраняется. При этом потребный удельный энергетический потенциал увеличивается в 1,07–1,11 раза из-за возрастания крк> > кркрорt и снижения тягового КПД nT •

Осредненные значения показателей оценки тягово-сцепных свойств тракторов 4К4

Таблица 2

Показатель	На одинарных колесах и основных режимах			На сдвоенных колесах и основных режимах
	т	( кр      )	кр	т	( кр      )	кр
fo	0,09	0,09	0,09	0,05	0,05	0,05
c	0,010	0,010	0,010	0,011	0,011	0,011
a	0,110	0,110	0,110	0,110	0,110	0,110
b	0,773	0,773	0,773	0,773	0,773	0,773
d	0	0	0	0,04	0,04	0,04
кр	0,369	0,450	0,410	0,350	0,490	0,410
6	0,101	0,150	0,124	0,074	0,150	0,101
тр	(0,88-0,90)			(0,88-0,90)
т	0,623-0,636	0,610-0,626	0,620-0,634	0,696-0,714	0,666-0,681	0,690-0,707

Коэффициент использования эксплуатационной массы на обоих режимах в заданном скоростном диапазоне снижается, что обусловлено соответствующим изменением ϕ и η _T . На режиме ϕ эффективность использования эксплуатационной массы выше в 1,10–1,12 раза.

Рис. 1. Зависимость удельного энергетического потенциала ( £- Э ) и эквиваленты эксплуатационной массы К_тэ тракторов 4К4 от скорости рабочего хода: 1 - режим щ^_х; 2 - режим ф_№

Сдваивание колес с одновременным понижением давления в шинах с 0,14 до 0,10 МПа уменьшает (£Э)*_pt в среднем на 19 %, а на режиме ^.р на 13 %. Расширение рационального тягового диапазона от Фкро _Р1 = 0,35 До ^кр = 0,41 сохраняет эффективность использования эксплуатационной массы при ^_№ и уменьшает на 5,4 % на режиме n_Tm

Приведенные на рис. 2 зависимости энергетического потенциала £ _N _еэ и эксплуатационной массы m э колесных 4К4 тракторов от скорости рабочего хода в интервале ( ^∗ - ^∗ ) для каждой группы родственных операций при значениях ^∗ , соответствующих длине гона более 1000 м, сохраняют характер изменения ( £Э ) * и К_тэ Их численные значения существенно зависят от величины удельного сопротивления К о , коэффициента и скорости движения.

Наименьший диапазон изменения £ _N _еэ * и т _э *, а также минимальные их значения, характерны для первой группы родственных операций. Для операций второй и третьей групп при ^∗ значения (ξ Ň N еэ )^* max и m э ^* max возрастают в 2,1–2,5 и в 1,57 раза соответственно. Указанные соотношения параметров сохраняются при установке сдвоенных колес.

В таблице 3 приведены значения удельного энергетического потенциала и эквиваленты эксплуатационной массы тракторов 4К4 для номинальных скоростных режимов основных групп родственных операций обработки почвы на одинарных и сдвоенных колесах.

Таблица 3

Осредненные значения (£-Э) и К колесных 4К4 тракторов для номинальных рабочих скоростей N        mэ основных видов обработки почвы

Комплектация трактора	Группа операций	, м/с	Режим П т max		Режим ^ КР = °,5( Ф кРРор + Ф кР max )
			£ э ) * , Вт/кг	K mэ , с2/м	( £n э У, Вт/кг	K mэ , с2/м
Одинарные	1 2	2,20 2,45	12,68 14,12	0,276 0,276	14,05 15,90	0,253 0,251
колеса	3	3,30	19,32	0,274	21,40	0,248
Сдвоенные	1 2	2,20 2,45	10,64 11,93	0,294 0,290	12,46 13,90	0,249 0,248
колеса	3	3,30	16,28	0,288	19,00	0,247

Результаты моделирования показали, что для характерной в АПК Красноярского края и равномерной занятости трактора на всех видах обработки почвы в диапазоне ((р _{кр ор} - — ф_кр} значения показателей ( ^ Э ) * и K тэ должны находиться в следующих пределах: на одинарных колесах (16,0-16,5) Вт/кг и (0,250–0,275) с²/м соответственно, на сдвоенных – (14,0–14,5) Вт/кг и (0,249–0,290) с²/м . Для тракторов 4К4б, оснащенных дизелями с коэффициентом приспособляемости K_М = 1,28–1,40, среднее значение коэффициента использования мощности на почвообработке £ * = 0,93-1,03. Тогда их энергонасыщенность

Э должна составлять (16,5-17,1) Вт/кг на одинарных колесах и (14,4-14,9) Вт/кг - на сдвоенных.

Рис. 2. Массоэнергетические параметры колесных 4К4б тракторов для разных групп родственных операций основной обработки почвы при l г>1000 м: а – 1-я группа операций; б – 2-я группа операций; в – 3-я группа операций; ––––– – одинарные колеса; – – – – – сдвоенные колеса

В таблице 4 приведены расчетные тягово-скоростные режимы работы и соответствующие им потенциальные диапазоны изменения массоэнергетических параметров тракторов 4К4б при удельных сопротивлениях рабочих машин ( K omin - K omax ) i для операций основной обработки почвы установленных групп и длине гона / , > 1000 м. Условием рационального функционирования трактора является использование в ограниченном р^ и р^ тяговом диапазоне при изменении номинальной скорости V * от минимального до максимального значения.

Таблица 4

Потенциальные диапазоны изменения массоэнергетических параметров колесных тракторов 4К4б для операций основной обработки почвы установленных групп при /г > 1о0о м

Группа операций	( K 0min   K omax ) , кН/м	∗ , м2/с	V * н , м/с	Комплектация	р крн	f N Э ) ' , Вт/кг	f NNеэ ) * , кВт	m э , т
1	11,0-14,0	7,50	2,20	1к 2к	0,41 0,41	14,1 12,5	191-243 169-215	13,5-17,2 13,5-17,2
2	4,70-6,50	23,14	2,45	1к 2к	0,41 0,41	15,9 13,9	244-338 216-299	15,4-21,3 15,5-21,5
3	3,10-5,10	32,92	3,30	1к 2к	0,37 0,35	19,3 16,2	253-416 224-368	13,1-21,5 13,8-22,6

Относительные диапазоны изменения энергетического потенциала (f-N_{е э}) i и эксплуатационной массы трактора m * при выполнении родственных операций определяются интервалом варьирования K о i и достигают от 1,28 для первой группы до 1,39 и 1,64 для второй и третьей групп операций соответственно. Рациональные массоэнергетические параметры трактора для каждой группы родственных операций с учётом модульного построения и изменяющейся ширины захвата современных почвообрабатывающих машин можно определить как средневзвешенные или соответствующие приоритетной (основной) операции. Количество установленных групп операций при этом определяет максимальное число типоразмеров тракторов для определенного класса длины гона. Соотношение массоэнергетических параметров трактора для разных групп операций определяется величиной удельного энергетического потенциала ( f — Э ) , наименьшее значение которого (14,1 Вт/кг ) характерно для первой группы, а наивысшее (19,3 Вт/кг ) – для третьей. При оснащении трактора с ( f_ n ₃j i = idem сдвоенными колесами изменение эксплуатационной массы и номинального тягового усилия определяется из соотношений ^ = ^ц_тн /Лфкрн и ^Р КРН = ^П_н . Минимальное (13 %) увеличение массы характерно для первой группы операций, а максимальное (19 %) – для третьей при одинаковом повышении на 12–13 % номинального тягового усилия. Осредненные (с учетом занятости) значения эксплуатационной массы и энергетического потенциала тракторов 4К4б на одинарных и сдвоенных колесах для установленных групп родственных операций основной обработки почвы на длине гона / , > 1000 м (табл. 5, рис. 3) изменяются от 16,8 до 22,7 т и от 237 до 367 кВт .

Таблица 5

Осредненные значения массоэнергетических параметров колесных 4К4б тракторов для операций основной обработки почвы при / , >1000 м

Группа операций	К 0 , кН/м	V Н , м/с	'      ^ еэ ) ,* , кВт	Комплектация	э ∗ , т	к ∗ рн , кН	Тяговый класс
1	13,65	2,20	237	1к	16,8	67,6	6
				2к	19,0	76,4	8
2	5,80	2,45	302	1к	19,0	76,4	8
				2к	21,7	87,4	8
3	4,50	3,30	367	1к	19,0	69,0	8
				2к	22,7	77,8	8

Использование для каждой группы операций своего типоразмера трактора потребует минимум три типоразмера с нерегулируемыми параметрами, что весьма затруднительно осуществить на практике. Для сокращения количества типоразмеров и достижения максимального соответствия их характеру внешней нагрузки и номинальной скорости необходимо регулирование основных параметров трактора до начала выполнения технологической операции и управление некоторыми из них в процессе рабочего хода [4]. При этом базовые параметры основного типоразмера трактора определяются с учетом занятости на разных видах основной обработки почвы.

Рис. 3. Осредненные значения массоэнергетических параметров колесных 4К4Б тракторов на одинарных ( m₃ j* и сдвоенных ( m_3l J* колесах для установленных групп почвообрабатывающих операций

Для характерного в АПК региона соотношения объемов работ по разным технологиям обработки почвы и соответствующей занятости осреднённые значения энергетического потенциала и эксплуатационной массы трактора на одинарных колесах должны составлять при / , > 1000 м 302 кВт и 18,3 т . На сдвоенных колесах масса трактора возрастает до 21,1т. При равномерной занятости на операциях 2-й и 3-й групп энергетический потенциал и масса трактора на сдвоенных колесах должны быть повышены до 335 кВт и 22,2 т. Указанным параметрам соответствуют тракторы 4К4б «Кировец» К-9450 (325 кВт, 22,5т) John Deere 9420 и 9530 (317-349 кВт), New Holland Т 9.505 (336 кВт, 22,5 т) и Versatile 2435 (324 кВт, 20,0 т).