Энергетический потенциал колесных 4К4б тракторов общего назначения

Введение. Главный критерий технического обеспечения растениеводства – энергоресурсосбережение в технологиях, характеризуемое меньшими затратами мощности и топлива при максимальной производительности с конечной оценкой по себестоимости продукции и рентабельности ее производства. Последние 10–15 лет направлены на достижение этих ориентиров в основном за счет приобретения тяжелых импортных тракторов мощностью до 420–500 кВт (575–675 л.с.) и энергонасыщенностью 17–22 Вт/кг, оснащенных дизельными двигателями с высоким (до 56%) запасом крутящего момента для агрегатирования с ними широкозахватных (до 18 м) почвообрабатывающее-посевных комплексов на повышенных рабочих скоростях. В этом же направлении, с заметным отставанием, действует ЗАО «Петербургский тракторный завод», перешедший на выпуск колесных 4К4б тракторов серии К-744Р и К-9.500 5–8 кл. Их энергонасыщенность в комплектации сдвоенными колесами и максимальным операционным весом достигает 15–16 Вт/кг при запасе крутящего двигателя 30–40%.

С повышением энергонасыщенности тракторов общего назначения особую актуальность приобретает проблема использования их мощности в связи с требованиями ресурсосбережения и экономичности тракторной техники. На современном этапе эти требования вступают во все большее противоречие с возможностями реализации.

Рост энергонасыщенности должен быть ориентирован на реализацию факторов повышения мощности через улучшение показателей технического уровня тракторов. Однако в рамках тяговой концепции это при- водит к ограничению ее роста. Основными причинами являются:

превышение достигнутого уровня энергонасыщенности новых моделей тракторов потребностями роста рабочей скорости почвообрабатывающих машин и комплексов, особенно для глубокой и отвальной обработки почвы;

ограничение тягово-сцепных свойств тракторов при реализации энергонасыщенности повышением тяговых усилий из-за минимизации конструкционной массы в целях ресурсосбережения.

Поэтому энергонасыщенные тракторы общего назначения серии К-744Р компонованной схемы с шарнирной рамой и колесной формулой 4К4б вполне можно отнести к тракторам тягово-энергетической концепции по следующим характерным признакам:

переменные массоэнергетические параметры, за счет сдваивания колес и установки балластных грузов обеспечивающие их использование с разным номинальным (оптимальным) тяговым усилием при различной комплектации;

неполная реализация мощности двигателя через тяговое усилие по сцеплению при работе в нижней части установленного диапазона рабочих скоростей.

В этой связи важным является предлагаемое ниже обоснование потребного удельного энергетического потенциала тракторов общего назначения при выполнении наиболее энергоемких операций основной обработки почвы.

Цель работы. Обоснование рациональных по критериям ресурсосбережения удельных массоэнергетических параметров колесных 4К4б тракторов для операций основной обработки почвы.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

• 1)    установить взаимосвязь удельных массоэнергетических параметров трактора с тяговоскоростными режимами его использования в составе почвообрабатывающих агрегатов;

• 2)    определить рациональные значения удельного энергетического потенциала трактора с учетом его комплектации и занятости на разных видах основной обработки почвы.

Объект исследования. Взаимосвязь удельных массоэнергетических параметров трактора общего назначения с тягово-скоростными режимами его использования.

Условия и методы исследования. В основу решения поставленных задач положены установленные ранее [1] допущения и ограничения:

• 1)    при возделывании зерновых и кормовых культур в АПК Восточно-Сибирского региона культивируется три вида технологий почвообработки: 1 – традиционная с отвальной вспашкой; 2 – минимальная с глубокой или поверхностной безотвальной обработкой; 3 – нулевая;

• 2)    рациональные (номинальные) рабочие скорости почвообрабатывающих агрегатов по указанным V ^*

видам технологий ^Нi из условий ресурсосбережения и агротехнических требований ограничены диапазо-

• V ^* V ^*

нами ( ^{min    max} ) i : 1,8–1,9 м/с; 1,9–2,4; 2,4–3,4 м/с соответственно;

• 3)    взаимосвязь буксования и коэффициента использования веса

  КР

  тракторов серии К-744Р в рабочем диапазоне тяговых нагрузок (при <5            ) на одноименных почвенных фонах аппроксими

руется выражением

КР b•S/( a + s ) при установленных значениях коэффициентов a и b .

Результаты исследования и их анализ. Потребная эксплуатационная мощность тракторного двигателя N при установленных функциональных зависимостях буксования движителя и тягового КПД трактора s,ЛТfip _КР , известном коэффициенте ее использования ^* в условиях вероятностной тяговой нагрузки и частичном отборе на привод рабочих органов N_МОМ / 7 _МОМ в тягово-приводном агрегате, определится из уравнения [1]

*

Nеэi

g m_э •^КРН V Н

*

£N •7 Тн

N MOM

7 MOM

i .

Соотношение оптимальной N^* еэi для конкретной или группы родственных операций почвообработки и установленной изготовителем для регламентирующих условий или основной (по занятости) операции N еэi эксплуатационных мощностей трактора для тягового или тягово-приводного режимов выразится как

* ( *

при m_э idem

л _{N еэ}   N еэi               'Г^лmэ •2v ^* ^Р КРН / ^N '^1Т .

N еэ          N еэ                             ^N

ЛNеэ = Av * Аф КР / N • Лт]Т, где лmэ  mэi / mэ ; Av *= v Hi / vН; Аф КРН -<Р КРНi / <РКРН;    N* = ^ Ni /  *N; Лг/ Т -^ТНi / 7ТН.

В выражениях относительных коэффициентов числители соответствуют оптимальной мощности N^* еэi , а знаменатели – установленной N еэ .

Соотношение оптимальной эксплуатационной мощности N^* еэi для конкретной операции и установленной изготовителем N еэ определяется относительными коэффициентами, характеризующими изменение тяговых ( ФКР,, И_Т ), скоростных ( V ^* ) и массоэнергетических ( m , ^*N ) параметров трактора. Причем величина лN еэ определяет соотношение потребных мощностей трактора, реализуемых через тягу при установленных величинах N . Она прямо пропорционально возрастает с повышением сцепных свойств движителя, эксплуатационной массы, рабочей скорости движения агрегата и уменьшается с ростом оптимального коэффициента использования мощности двигателя ^* и тягового КПД трактора.

Для характеристики удельных массоэнергетических показателей мобильного энергетического средства, независимо от природно-производственных условий, параметров рабочих машин и трактора, целесообразно использовать взаимосвязанные эквиваленты, полученные из выражения (2):

Л- N

N еэ mэ

ⁱ f _N Э i g

^ КР

Г) Т

нi;

Кmэi ⁼ I * / 7 _{Т N} Э нi,

а также их соотношения:

NЭ = лф КР •Av */AqТ;

Л К mэ 1 / Аф КР .

Полученные по результатам исследования зависимости удельного энергетического потенциала ^Э и эквиваленты эксплуатационной массы К трактора 4К4б от рабочей скорости (рис. 1) показывают, что повышение номинальной скорости движения от 1,6 до 3,8 м/с (2,375 раза) в режиме максимального тягового КПД сопровождается ростом f Э от 9,02 до 23,23 Вт/кг (2,575 раза). Определяющий рост энергонасыщенности обусловлен снижением тягового КПД на 3,0% из-за увеличения сопротивления качению трактора в указанном скоростном диапазоне. На режиме допустимого буксования 3    0,15 рост    Э соответствует повышению скоростного режима (2,333 раза) из-за адекватного снижения фКР max и 7Т . При этом потребный удельный энергетический потенциал увеличивается в 1,14–1,26 раза из-за снижения тягового КПД ^ и возрастания коэффициента ф     по сравнению с оптимальным режимом, соответствующим 'ПТ max .

V

Рис. 1. Зависимость удельного энергетического потенциала Э * и эквиваленты эксплуатационной массы Кm^ трактора 4К4б от скорости рабочего хода: 1 - режим ТТmax; 2 - режим дД

Коэффициент использования эксплуатационной массы на режиме      снижается, а при       , наоборот, возрастает в заданном скоростном диапазоне, что обусловлено соответствующим изменением коэффициентов       и       . На режиме допустимого буксования эффективность использования экс плуатационной массы выше в 1,24–1,37 раза, причем с повышением скорости наблюдается снижение этого преимущества.

Сдваивание колес с одновременным понижением давления в шинах с 0,12 до 0,09 МПа снижает величину   ^N Э opt в среднем на 17%. На режиме допустимого буксования Э ^* max остается неизменным из-за соотношения           /        1 , 0 .  Расширение рационального тягового диапазона от

КРopt 0,35 до КР max  0,49 увеличивает эффективность использования эксплуатационной массы при допустимом буксовании в среднем на 10,9%, а на режиме      , наоборот, уменьшает на 5,4%.

В таблице приведены значения удельного энергетического потенциала и эквиваленты эксплуатационной массы тракторов серии К-744Р для оптимальных скоростных режимов основных видов обработки почвы на одинарных и сдвоенных колесах.

Осредненные значения Э ^* и К для оптимальных рабочих скоростей основных видов обработки почвы

Комплектация тракторов	Вид обработки	V opti , м/с	Режим Tm max		Режим Д		Режим ^КР = 0,5 4?Kpopt +<РКР m ax_
			2 Вт/кг	К тэ , с/м2	Вт/кг	К тэ , с/м2	Вт/кг	К тэ , с/м2
Одинарные	1	1,8	10,46	0,279	12,88	0,226	11,70	0,253
колеса	2	2,1	12,20	0,276	15,04	0,229	13,70	0,253
	3	2,8	16,27	0,275	20,05	0,232	18,16	0,254
Сдвоенные	1	1,8	8,52	0,294	12,88	0,204	10,70	0,249
колеса	2	2,1	9,94	0,291	15,04	0,207	12,50	0,249
	3	2,8	13,26	0,290	20,05	0,209	16,70	0,250

Выбор удельных массоэнергетических параметров трактора зависит от его занятости на разных видах основной обработки почвы в течение года. Если трактор предполагается использовать на родственных операциях основной обработки почвы одного (превалирующего) вида в составе соответствующих агрегатов, значения Э ^* и К ^*mэ целесообразно выбирать для ^* opti этого вида обработки и тягового режима, соответствующего 7 _{Т max} на одинарных колесах и

0 , 5 Ip КРopt ^ ^p на сдвоенных. В этом случае решается проблема энергосберегающей почвообработки по разным технологиям за счет создания и использования типоразмерного ряда тракторов определенной серии (например, К-744Р), отличающихся указанными показателями, определяющими их эксплуатационные параметры. Такой подход наиболее рационален при комплектовании парка тракторов крупных предприятий зернового направления и разработке системы машин для отдельных регионов.

Для небольших и средних хозяйств, в которых культивируются несколько технологий возделывания зерновых и соответствующие им виды обработки почвы, показатели ^ Э ^* и К mэ можно определить с учетом занятости конкретного трактора или группы тракторов на этих операциях по времени Т :

к

^{1   3} _NЭ _i Т_i;

Т _{0  1}

*

mэ

¹     _К * _T

T     К mý i T i ,

^Т 0  1

где Т , Т – общая годовая занятость трактора на почвообработке и на работе по конкретной технологии соответственно, 4 (часов).

При известных соотношениях объемов работ по разным технологиям ^ Vi  V0 и сменной произ- водительности соответствующих им агрегатов:

Т i

Vi К0i Е i      0 i      Кi

_N Э i m _эi ‘^Ti^;

Т0 =£Тi,

где К – удельное сопротивление рабочей машины, кН/м; E = A / 77  – эквивалента удельных энерго затрат; т =Т /Т – коэффициент использования времени смены.

На рисунке 2 представлено соотношение объемов работ (площадей) по видам технологий основной обработки почвы в АПК Красноярского края. Превалирующей (55%) является минимальная технология с глубокой (0,14–0,16 м) безотвальной обработкой и чизелеванием (0,20–0,30 м) почвы. Поверхностная комбинированная обработка ( h =0,08–0,12 м) и посев по нулевой технологии производятся на 30% посевных площадей, по 15% соответственно. Отвальной вспашке ( h =0,21–0,23 м) и глубокому рыхлению ( h =0,40– 0,50 м), отнесенным по энергоемкости к первой группе родственных операций, подвергаются около 15% площадей – 10 и 5% соответственно.

Рис. 2. Соотношение объемов работ по видам технологий основной обработки почвы в АПК Красноярского края: 1 – отвальная вспашка и глубокое рыхление; 2 – безотвальная комбинированная обработка; 3 – поверхностная обработка и посев по нулевой технологии

Распределение потребного удельного энергетического потенциала , с учетом объемов работ и равномерного использования рационального тягового диапазона (табл.), для одинарных и сдвоенных колес приведено на рисунке 3. Результаты моделирования показали, что для характерной в АПК края и равномерной занятости трактора на всех видах обработки почвы значения показателей Э^Эи К тэ должны находиться в пределах: на одинарных колесах (13,9-14,5) Вт/кг и (0,253-0,254) с/м2 соответственно; на сдвоенных – (12,9–13,5) Вт/кг и (0,249–0,250) с/м2. Для тракторов серии К-744Р, оснащенных отечественными дизелями с коэффициентом приспособляемости Км = 1,18 -1,23 , среднее значение коэффициента использования мощности на почвообработке £* = 0,925 - 0,935 . Тогда их потребная энерго насыщенность Э должна составлять (14,9-15,6) Вт/кг на одинарных и (13,8-14,5) на сдвоенных колесах. Этим требованиям отвечают тракторы К-744Р2 и К-744Р3, оснащенные двигателями ЯМЗ-8481.10 мощностью Nеэ = 235 и 265 кВт, массой теэ = 15,68т (17,78т), 17,50т (20,0т) на одинарных и сдвоенных колесах соответственно.

Вт / кг

N^Э а

N^Э б

Рис. 3. Распределение потребного удельного энергетического потенциала трактора 4К4б для реализации технологий основной обработки почвы: а – одинарные колеса; б – сдвоенные колеса

Оптимальные рабочие скорости для основных технологий почвообработки (табл.) обеспечиваются переходом с 1-й (нижней) на 3-4-ю (высшую) передачу основного диапазона. Трактор работает при этом в зоне максимального тягового КПД, обеспечивая перекрытие скоростного диапазона ^* = m_ptma /Уф min =¹ ,56 тяговым диапазоном т; =Р?_КРтах/<Р к _Рmi „ , равным ^1,56 на одинарных и 1,69 на сдвоенных колесах.

Предлагаемые варианты оптимизации удельного энергетического потенциала тракторов общего назначения являются наиболее простыми и нашли широкое применение при их адаптации к природнопроизводственным условиям.

Выводы

• 1.    Установлены функциональные связи удельных показателей энергетического потенциала и эксплуатационной массы колесного трактора общего назначения с тягово-скоростными режимами их использования на разных видах основной обработки почвы.

• 2.    Определены рациональные диапазоны изменения удельного энергетического потенциала и эквиваленты эксплуатационной массы трактора разной комплектации, а также способы их реализации на основных видах обработки почвы.

• 3.    Для характерной в АПК Красноярского края занятости тракторов «Кировец» на разных видах поч-вообработки наиболее рационально по критериям ресурсосбережения использовать тракторы К-744Р 2 и К-744Р 3 на одинарных и сдвоенных колесах.