Моделирование скоростных режимов агрегатов и удельных показателей колесных тракторов на основной обработке почвы

Введение . Основными параметрами почвообрабатывающего агрегата являются эксплуатационные мощность и масса энергетического средства, ширина захвата и рабочая скорость, которые определяют основные технико-экономические показатели: производительность, эксплуатационные, топливные и энергетические затраты.

Новое поколение колесных тракторов общего назначения одинаковой серии и разных типоразмеров характеризуется единой элементной базой с переменными массоэнергетическими параметрами, расширяющими тягово-скоростные диапазоны их использования.

Для эффективного использования указанных тракторов разработана многоуровневая система [1] адаптации их эксплуатационных параметров к наиболее энергоемким операциям основной обработки почвы с учетом природно-производственных факторов.

Начальный уровень предполагает обоснование оптимальных диапазонов рабочей скорости ∆ V, ^∗ oti на операциях основной обработки почвы в пределах агротехнических требований с использованием почвообрабатывающих машин-орудий с различными принципами воздействия на почву для последующего определения потребного удельного энергетического потенциала трактора (f ̅ Э )^∗ . Одна и та же технология возделывания сельскохозяйственных культур в разных агрозонах и хозяйствах может применяться при существенном различии площади полей, длины гона и других нормообразующих факторов.

Цель исследований . Обоснование скоростных режимов использования агрегатов и энергетического потенциала колесных тракторов 4К4 на основной обработке почвы.

Задачи исследований . Обосновать структурную схему, модели и алгоритм оптимизации диапазона рабочих скоростей почвообрабатывающих агрегатов и удельных параметров трактора; установить рациональные скоростные режимы использования агрегатов для операционных технологий основной обработки почвы; определить рациональные соотношения удельных показателей технического уровня тракторов для разных групп операций основной обработки почвы.

Материалы и методы исследований. Исходными входными данными первого этапа проектирования работы почвообрабатывающих агрегатов на начальном уровне исследования являются виды, объемы mn

^ V и сроки выполнения механизированных работ ti ; альтернативные варианты ^ п выполнения i-х j=1

j = 1

технологий почвообработки; наличие и основные эксплуатационные показатели технических средств п_тс ;

обобщенные природно-производственные факторы (длина гона) lr . Возможными для практической реализации критериями ресурсосбережения на этом этапе являются минимумы суммы удельных приведенных затрат C m или трудозатрат (рис. 1).

П ∑ V i

Основные параметры оптимизации и исходные данные для второго этапа этого уровня ресурсосбережения представляют оптимальные варианты операционных технологий основной обработки ∑ ^m n , а также энер- i = 1

гетические средства п^^ и рабочие машины с установленными характеристиками Koz., :\K и vK0 их тягового сопротивления. Критериями ресурсосбережения можно принять минимум эквиваленты удельных энергозатрат Kent ^ min и максимум эквиваленты производительности Knt ^ max. Параметры оптимизации пред- ставляют номинальное значение рабочей скорости V ∗ , оптимальный диапазон ∆V ∗ , а также чистую произ водительность агрегата W* при обработке почвы по соответствующей технологии.

Технологии и техническое обеспечение основной обработки почвы в каждой агрозоне и регионе эксплуатации обусловлены особенностями функционирования сельскохозяйственного производства и системой машин. В основу моделей М,, , М,,, М,, и М.. положены виды и объемы основных работ, качественный состав и ..                                   .                                             .

приспособленность тракторов и машин-орудий к использованию в характерных условиях для обоснования оптимального диапазона рабочей скорости \ V *_й машин и агрегатов разного технологического назначения.

Основные модели mn

∑ V_it_i   l г      ∑ n_i   n _ТС

Техническое и трудовое обеспечение зональных технологий (ограничения)

Рис. 1. Структурная схема адаптации рабочих машин к ресурсосберегающим технологиям основной обработки почвы

Трактор в процессе рабочего хода рассматривается как функционирование динамической системы при случайной нагрузке с учетом установленных ограничений и допущений:

• 1)    взаимосвязь буксования δ и коэффициента сцепления φ для однотипных по движителю колесных тракторов на одноименных почвенных фонах в диапазоне тяговых нагрузок, соответствующих ( ф о- ф т.,, ), аппроксимируется формулой 5 = a(y-f)/[b-(y-f)] при установленных значениях коэффициентов а и b и ф_та х = idem ;

• 2)    в интервале рабочих скоростей от      ≥    = 1․4 м / с до      коэффициент сопротивления ка

чению трактора для установившегося режима прямолинейного движения на горизонтальной поверхности определяется по уравнению вида f = f o +c(V-V o ) .

С учетом принятых допущений уравнение энергетического баланса трактора в тяговом режиме при α= 0о запишется в виде

^ N еэ П т П = K a B p V + (1 + B f ) m gV .                 (1)

Левая часть уравнения (1) представляет номинальную эксплуатационную мощность двигателя N , приведенную к ведущим колесам трактора при установленных значениях коэффициента ее использования & • , КПД трансмиссии Ц Т, и КПД буксования % = (1 - 8} .

Первое выражение в правой части уравнения (1) определяет затраты мощности NKР на перемещение рабочей машины с удельным сопротивлением =    ∙ и шириной захвата BР со средней скоро стью V. При оценке тягового сопротивления почвообрабатывающих машин и орудий сопротивление их качению целесообразно учитывать в удельном тяговом сопротивлении K0 при V,, тогда

Nkp = Kо[1+ AK(V2 - V02)]BpV = K0 • ^к • Вр ■ V.(2)

Второе выражение в правой части уравнения (1) представляет затраты мощности двигателя на качение колесного трактора N_f с учетом потерь в шинах и подвеске ^ = (0,05-0,1) f o . Тогда при f= (1+p t )f o +c(V-V o )

Nf = f • тэ • g •V.

Мощность N kp можно выразить через тяговое усилие Р кр . Поскольку

Ркр = ко [1 + AK(V2 - V,2 )]Вр = РкрПэg, уравнение (1) примет вид

^N Птр п NO = (^KP + f} тэ gV.

Оптимальное значение показателя технологичности Э ^∗ при расчете эксплуатационных параметров трактора представим в виде [2]

э • =

Nеэ

•

I ^тэ J

' V_:g( ^K_L+ f)

I   ^П т Я 8   )

При определении по функции (6) оптимальной энергонасыщенности Э * или удельной материалоемкости _у ^∗ _д =10/ Э ^∗ трактора для выполнения конкретной или родственных технологических операций независимо от длины гона необходимо установить:

• а)    оптимальные диапазоны ∆ ^∗  =( ^∗  -  ^∗ ) и номинальные _н ^∗ значения рабочей скорости

при разных характеристиках удельного сопротивления ∆ рабочих машин или агрегатов;

• б)    рациональный по тяговому КПД режим использования трактора, соответствующий номинальному.

Наивысшая эффективность работы трактора в составе тягового агрегата достигается при минимальных удельных (на единицу обрабатываемой площади) энергозатратах ( Дж/м² )

Е п =  ^∗ ̅ еэ / Р =  ^∗ ̅ еэ /      =      / т = о →                        (7)

и максимальной чистой производительности ( м²/с ) [3]

=  ^{∗̅ еэ т} →   ^∗․                                               ⁽⁸⁾

∙ μ_к

При удельном расходе топлива двигателя g е и тяговом КПД трактора η _Т критерий Е_п →min эквивалентен минимуму расходу топлива на единицу площади ( кг/м² )      =   ∙ _п →     , а критерий

• =   / _т →      эквивалентен критериям _п →      и →     , поэтому является эквивалентой

погектарного ( кг/га ) расхода топлива.

Выражение (8) для определения чистой производительности можно записать в виде

= кр ⁄ к = кр п⁄   ,(9)

где П =  ⁄ к – эквивалента производительности; к =[1+    ∙(   -)]․

Энергозатраты на единицу производительности П = П ⁄  , которые являются эквивалентой прямых эксплуатационных затрат, с учетом, что П =    ∙ и W= РKPV/K0 μK, выразятся как

П =         /(10      )․

Тогда эквиваленту энергозатрат ^' =      /(10      ) можно представить в виде

П=      = П=   ∙ поскольку П =10   '․

Аналогично из уравнений (6) и (9) получим = _П – эквиваленту мощности _еэ =     _к / ^∗_̅ ;

э =   /Э – эквиваленту эксплуатационной массы трактора э = еэ/Э [4]. Указанные коэффициенты характеризуют удельные показатели трактора независимо от K0 и PKP и используются для определения н∗ и удельного энергетического потенциала (^N Э)

= g ⋅ ϕ_K ^∗ _P ⋅ K _N ^∗ .

Эквивалента производительности _П зависит только от скорости рабочего хода и величины ∆ .

Показатели удельных энергозатрат , П, потребной мощности и эксплуатационной массы   э, кроме этих параметров, характеризуются величиной тягового КПД трактора.

Потенциальный диапазон изменения скорости трактора и агрегата, ограниченный V* max и V* min , можно установить с использованием приведенных выше эквивалент. При этом максимальная скорость ^∗ соответствует наивысшей производительности _П =  / _к ⟶      , а минимальная ^∗   – наименьшим удельным энергозатратам _еп =   / _П ⟶     .

Значения указанных скоростей движения определятся соответственно из условия максимума производительности п/   =0 и минимума энергозатрат    П/=0

⎧ ∗  =√(1-     )/;

․

⎩ ∗  =√(1-)/3

Значения максимальной и минимальной скоростей зависят только от величины ∆К . Величина тягового КПД трактора на них не влияет. При любом ∆K соблюдается равенство ( ^∗  - ^∗  ) =0,472  ^∗ и

∗  / ∗   = 1,73. Поэтому агрегат, составленный по критерию П при ∗  , будет иметь более высокие энергозатраты по сравнению с KЕПmin. И, наоборот, агрегат, составленный по критерию KЕПmin при ∗  , будет иметь низкую производительность.

Значения рабочей скорости агрегата должны находиться в установленном агротехническими требованиями диапазоне, ограниченном минимальной       и максимальной       скоростями. Для современ ных и перспективных почвообрабатывающих посевных машин и комплексов при ∆  =0,06-0,18 с /м ,  ∗   ≤      , а ∗  <       [5]. Поэтому необходимо обоснование оптимального по энергозатратам и производительности диапазона ∆ ∗  =( ∗  -  ∗  ) и номинального

( ^∗  ≤ _н ^∗≤  ^∗  ) значения рабочей скорости для агрегатов разного технологического назначения.

Нижняя граница диапазона рабочих скоростей агрегата ^∗ выбирается из условия ^∗  <  ^∗  <

• ^∗ независимо от типа и тягового режима использования трактора. В основу ее определения следует положить компромиссный вариант, учитывающий характер зависимостей K П , K ЕП = f (V) или K ЕП /K П = min. Значение _н ^∗≈0,5( ^∗  +  ^∗  ) является основным параметром для расчета по уравнению (6) энергонасы

щенности трактора с учетом основных тяговых режимов его использования.

Наивысшая эффективность работы трактора на любой скорости в диапазоне ( ^∗  -  ^∗  ) при

K П = idem ограничена режимами работы [1]:

• 1)    с максимальным тяговым КПД η Тmax (φ кр opt ) и энергозатратами K ЕП1 при K N1 , ( ̅ Э ) ;

• 2)    предельно допустимым буксованием δ д ( φ KPmax ), тяговым КПД η тд < η тmax и энергозатратами K ЕП2 при K N2 , ( ̅ Э ) .

При обосновании номинальной скорости _н ^∗ следует учитывать эффективность работы трактора на указанных режимах. Для определения расчетного значения ( ̅ Э )^∗ обобщенный показатель эффективности тягового режима работы трактора при ^∗ можно представить в виде безразмерного функционала:

К э = K n • E k ■ К тэ ■ g / K n = E K /^ ^ min.              (13)

Сравнительная оценка эффективности указанных режимов использования трактора при определенной характеристике ∆K тягового сопротивления производится относительным показателем качества э = э / э =       ∙      э ∙ Ек/   п․                                            (14)

При _э ≥1 наиболее эффективным является режим максимального тягового КПД, который принимается основным для определения оптимальной энергонасыщенности трактора Э ^• . Если _э <1, расчет массоэнергетических параметров трактора для родственной группы технологических операций с определенной величиной ∆K производится по режиму ̅ = 0 , 5 (       +         ) .

Алгоритм оптимизации скоростного режима агрегата и удельных параметров колесного трактора 4К4 при заданных значениях коэффициентов a, b, fo, c, ∆K, ηТР=const на указанных выше основных режимах работы: ηδ=(1-δ); φKP= bδ/(a+δ); ∗ и      по формуле (12); f= (1+μf)fo+c(V-Vo) в интервале ( ∗ -       ) с шагом ∆V=0,1 м/с; ηT = ηTPηδφKP/(φKP+f);    =1+    ( - );    = к/ т; п = / ; П = / п;

П / п ;   ^∗  =   ( С _П ) при С є[1,05-1,10] или K ЕП /K П ⟶      ; н ^∗= 0 , 5 ( ^∗  +  ^∗   ); эквиваленты Е K ,

K п , K N , K mэ при      =    = ^∗ ; K Э по (13); λ KЭ по (14);       ; ( ̅ Э )^∗ по (6) и    _у ^∗ _д .

Результаты исследований и их обсуждение . На рис. 2 приведены результаты моделирования эквивалент K_П , K ЕП , K_E = K_ЕП I K_П = f (V, A K ) для колесного трактора 4К4 на одинарных колесах при η T . = 0,62 - 0,63.

Рис. 2. Зависимость эквивалент П _п(а) , К _{П П} ( б ) и К _Е( в ) от скорости V и приращения удельного сопротивления ∆K агрегата

Уравнения регрессии имеют вид:

'К_п = 0,488 + 1,081 • V - 0,714 ■ Д К - 0,112 ■ V ² + 25,491 ■ Д К ² - 3,798 ■ V ■ Д К .

< К_ЕП = 3,852 - 1,858 ■ V - 24,057 • Д К + 0,235 ■ V ² + 27,018 ■ Д К ² + 10,936 • V ■ Д К .   (15)

К_Е = 3,859 - 1,951 ■ V - 27,341 ■Д К + 0,231 ■ V ² + 48,300 ■Д К ² +10,100 ■ V ■ Д К .

Использование предложенного алгоритма позволило обосновать диапазон рабочих скоростей почвообрабатывающих агрегатов и энергетический потенциал тракторов 4К4 для его реализации при изменении коэффициента приращения удельного сопротивления ∆K в широком интервале.

Изменение коэффициента ∆K от 0,18 до 0,06 приводит к повышению к ^∗ ах и V. ^∗ tin от 1,90 до 3,83 м/с и от 1,40 до 2,21 м/с соответственно (табл. 1, рис. 3). Значение скорости V, ^∗ ot , определенное из условия Ke П ( V, ^∗ Dt ) =( 1 , 06 - 1 , 10 ) К ЕП ≈ ( K ЕП /K П ) min , возрастает. При этом от 1,67 до 2,83 м/с и позволяет обеспечить производительность, близкую к максимальной ( к _П0 ₌ к_П opt ⁄ к_П max = 0 , 954 - 0 , 990 ). Увеличение к ЕП до 10 % при ∆ к ≥ 0 , 15 с ² ⁄ м ² способствует достижению на скорости V, ^∗ ot ≤1,8 м ⁄ с максимальной производительности ( К_П⁰ = 0 , 99 ), что особенно важно для наиболее энергоeмких технологических операций.

Таблица 1

Влияние характеристики тягового сопротивления ∆ к на рациональный диапазон рабочих скоростей почвообрабатывающих машин и агрегатов

∆ к , с 2 ⁄ м 2	К∗ ах , м/с	V. ∗ tin , м/с	V, ∗ ot , м/с	\н ∗ , м/ с	к 0 кП	к 0 к ЕП
0,06	3,83	2,21	2,83	3,33	0,956	1,06
0,08	3,25	1,87	2,40	2,82	0,956	1,06
0,09	3,02	1,75	2,20	2,61	0,956	1,06
0,10	2,83	1,64	2,10	2,47	0,957	1,06
0,12	2,52	1,46	1,92	2,22	0,964	1,07
0,13	2,39	1,40	1,80	2,10	0,964	1,07
0,15	2,17	1,40	1,78	2,00	0,981	1,10
0,18	1,90	1,40	1,67	1,78	0,990	1,10

Диапазон ( V, ^∗ ot -И^∗ ах ) и значения номинальной скорости ^ ^∗ при каждом ∆ к находятся в пределах агротехнических требований и могут быть приняты за основу при определении удельных массоэнергетических параметров колесных тракторов 4К4 для операций основной обработки почвы.

Для обеспечения номинальной скорости \_н ^∗ при любых ∆ к удельный энергетический потенциал (f ̅ Э )^∗ трактора на режиме допустимого буксования в 1,26 раза выше, чем на режиме максимального тягового КПД. Превышение показателей расхода топлива ( KN ) и удельных энергозатрат ( EK ) при одинаковой производительности ( KП ) на этом режиме достигает 3–4 %. Однако использование массы ( Kmэ ) при этом повышается на 18 %, что обеспечивает в конечном счете более высокую эффективность ( λKЭ = 0,86-0,89) функционирования тракторов на режиме предельно допустимого буксования.

∆ К

Рис. 3. Влияние характеристики тягового сопротивления ∆ к на рациональный диапазон скоростей почвообрабатывающих машин и агрегатов

С учетом энергоемкости применяемых технологий и их технического обеспечения все операции основной обработки почвы в АПК региона можно разделить на три группы [5, 6, 7]:

• 1)    отвальная вспашка и глубокое рыхление на глубину 0,21–0,23 м и 0,40–0,50 м соответственно при K_o = 11,0-13,65 кН/м , ЛК = 0,13-0,15 с²/м² , v _K = = 0,10 и V_a = 1,9-2,3 м/с ;

• 2)    послеуборочная безотвальная комбинированная обработка (сплошная культивация) и чизе-левание на глубину 0,14-0,16 м и 0,20-0,30 м соответственно при К_о = 4,70-6,50 кН/м, ЛК = 0,090,10 с²/м², v_K0 = 0,07 и V_a = 2,1-3,0 м/с ;

• 3)    послеуборочная поверхностная обработка (лущение стерни), предпосевная обработка, обработка и посев по нулевой технологии на глубину 0,06-0,12 м при К_о = 3,10-4,90 кН/м , ЛК = 0,06 с²/м² , v _ко = 0,07 и V_a = 2,8-3,8 м/с .

Результаты расчета энергонасыщенности и показателей эффективности тракторов на основном тяговом режиме ф_кР = 0 , 5 ( р_КРорt + Ккр max') при V/* для выделенных групп родственных операций представлены в табл. 2.

Таблица 2

Номинальные значения показателей эксплуатационных свойств колесных тракторов для современных технологий основной обработки почвы

Группа родственных операций	∆K , с2/м2	VГ, м/с	Одинарные колеса			Сдвоенные колеса
			((э э У, кВт/т	* ™ уд кг/кВт	К * , м/с	((э э У, кВт/т	* туд кг/кВт	* К N , м/с
1	0,06	3,30	21,408	46,712	5,323	19,044	52,510	4,735
2	0,09	2,65	17,191	58,169	4,274	15,292	65,393	3,802
3	0,13	2,20	14,272	70,067	3,548	12.694	78,777	3,156

Уменьшение ЛК с 0,13 до 0,06 приводит к росту номинальной скорости VA удельного энергетического потенциала ( (э Э ) * и потребной мощности трактора (К*) на поверхностной обработке почвы по сравнению с глубоким рыхлением в 1,5 раза независимо от установки одинарных или сдвоенных колес. Сдваивание передних и задних колес позволяет уменьшить (( э Э ) * в среднем на 12,5 % за счет соответствующего повышения тягового КПД трактора. Эффективность использования трактора повышается при этом до 21 % ( Л_{к Э} = 0,79).

Выводы

• 1.    Обоснована структурная схема, модели и алгоритм оптимизации диапазона рабочих скоростей и удельных параметров колесного трактора на основной обработке почвы на тяговом режиме при ^к к_Р = ⁰ , ⁵ ( Фкрта х + Poo opt)-

• 2.    Установлены рациональные скоростные режимы использования агрегатов для операций основной обработки почвы при изменении в широком диапазоне коэффициента приращения удельного сопротивления рабочих машин и агрегатов.

• 3.    Определены рациональные соотношения удельных показателей технического уровня колесных тракторов 4К4 для разных групп операций основной обработки почвы.