Показатели динамических и тягово-сцепных свойств тракторов «Кировец» серии К-744

Введение. Ресурсосберегающие технологии возделывания зерновых с минимальной обработкой почвы широкозахватными комбинированными агрегатами внедрены на 75% посевных площадей АПК Красноярского края, по природным условиям который относится к 9-й почвенно-климатической зоне. Тракторы «Кировец» при этом составляют около 17% от общего количества тракторов и выполняют более 37% годового объема механизированных работ.

Широкое внедрение современных технологических процессов основной обработки почвы невозможно без эффективного использования нового поколения отечественных тракторов «Кировец» серии К-744 5-8 классов в составе почвообрабатывающих и посевных агрегатов. Эти тракторы (К-744Р 1 / Р 2 /Р 3 ) по сравнению с трактором К-701 имеют увеличенную с 3,20 до 3,75 м продольную базу, измененное распределение эксплуатационного веса на переднюю Y_n и заднюю У К оси в статике с У П / У К = 0,675/0,325 до 0,55/0,45 . Они относятся к мобильным энергетическим средствам (МЭС) с переменными массоэнергетическими параметрами, изменение которых производится установкой сдвоенных колес и балластных грузов, обеспечивающих одновременное повышение их навесоспособности и проходимости при неизменной или повышенной эксплуатационной мощности двигателя с номинальным коэффициентом приспособляемости по моменту К М >  1,20 .

В этой связи оценка показателей использования тракторов указанной серии на операциях основной обработки почвы обладает актуальностью и практической значимостью для оптимальной адаптации их к природно-производственным условиям.

Цель работы – дать оценку показателей динамических и тягово-сцепных свойств тракторов серии К-744 для рационального использования на операциях основной обработки почвы.

В основу достижения поставленной цели положены результаты сравнительных лабораторнополевых испытаний и расчетного моделирования при решении следующих задач:

• 1)    выявить влияние номинального коэффициента приспособляемости по крутящему моменту на экстремальный нагрузочный режим тракторного двигателя в условиях вероятностной нагрузки;

• 2)    определить зависимость энергетических потерь в трансмиссии трактора от нагрузочно-скоростного и температурного режимов работы;

• 3)    установить параметрические взаимосвязи показателей тягово-сцепных свойств колесных тракторов 4К4б на одинарных и сдвоенных колесах.

Условия и методы исследования. Для решения поставленных задач использованы установленные вероятностные характеристики распределения удельного тягового сопротивления машин и агрегатов для операций основной обработки почвы с учетом следующих допущений и ограничений:

• а)    моделирование момента сопротивления на коленчатом валу двигателя по закону арксинуса на тормозном стенде обеспечило получение степени неравномерности 8 _К = 0,2 - 0,6 = 3 v _MCC и круговую частоту f а = 1,25 - 2,0 с^-1 при приведенном моменте инерции I _а = 4,0 - 6,0 кгм², что соответствует реальным нагрузочно-скоростным режимам и параметрам почвообрабатывающих агрегатов [1];

• б)    потери мощности холостого хода в агрегатах трансмиссии (коробке передач) трактора определялись на установленных скоростных и температурных режимах прокручиванием от стенда;

• в)    оценка тягово-сцепных свойств тракторов проводилась по ГОСТ 7057-88 на стерне колосовых при влажности почвы 14-18% и допустимом буксовании 8 Д = 15% . Для однотипных движителей взаимосвязь буксования 8 и коэффициента использования эксплуатационного веса ^ _КР = ( ^ - f ) тракторов серии К744 в рабочем диапазоне тяговых нагрузок принималась одинаковой и аппроксимировалась зависимостью 8 = а ( ф _КР - d ) /[ в - ( ф _КР - d )] .

• г)    коэффициент сопротивления качению тракторов определялся в диапазоне рабочих скоростей от V 0 = 1,4 м/с до V m _ax = 3,6 м/с на горизонтальном участке при рекомендуемых изготовителем значениях давления воздуха в шинах одинарных (0,14 МПа) и сдвоенных (0,09 МПа) колес и аппроксимировался зависимостью f = f j + c(V - V , ).

Результаты исследования и их анализ. При заданных по техническим характеристикам дизелей ЯМЗ-238HD5 и ЯМЗ-8481.10 значениях коэффициентов приспособляемости по крутящему моменту К _М = M max / M Н и по скоростному режиму К _ш = п _М / п _Н определены коэффициенты а 1 , Ь 1 , с 1 аппроксимации их корректорной ветви (табл. 1) [2].

Таблица 1

Зависимость коэффициентов аппроксимации и параметров корректорного участка регуляторной характеристики дизеля от коэффициента приспособляемости по крутящему моменту

КМ	a !	Ь1	C1	К	N / N	N e max / 'N	U N e max )
1,15	-11,0	24,0	12,0	0,73	0,84	1,0	1,0
1,20	-5,75	13,5	6,75	0,73	0,88	1,0	1,0
1,30	-2,0	6,0	3,0	0,73	0,95	1,067	0,97

Полученные значения коэффициентов, с одной стороны, существенно различаются по величине, что особенно заметно при К_М = 1,15 . С другой стороны, при повышении К_М , коэффициент а 1 увеличивается, а коэффициенты Ь 1 и с 1 уменьшаются.

В таблице 2 представлены результаты моделирования экстремальных значений коэффициентов загрузки ^ М и использования мощности ^ N тракторного дизеля при изменении К_М и коэффициента вариации вероятностной нагрузки v _MC . Оптимальный нагрузочный режим и соответствующий ему коэффициент использования мощности существенно зависят от динамических свойств дизеля и параметров распределения внешней нагрузки. Увеличение v _MC с 0,07 до 0,14, при К_М = 1,20 , снижает коэффициент g N от 0,95

до 0,77. Повышение К_М от 1,15 до 1,30 приводит к пропорциональному возрастанию экстремальных значений коэффициентов загрузки и использования мощности независимо от величины v _mc .

Оптимальные режимы работы и энергетические показатели тракторного дизеля

Таблица 2

К М	V mc = 0,07			V mc = 0,10			V mc = 0,14
	* М	* g N i	g 1 N	1 1 М	1 * g N i	1 1 N	1 1 М	* g N 1	1 1 N
1,15	0,95	0,95	0,92	0,89	0,89	0,82	0,81	0,81	0,73
1,20	0,99	0,99	0,95	0,92	0,92	0,87	0,85	0,85	0,77
1,30	1,07	1,06	1,02	1,00	1,00	0,95	0,92	0,92	0,85

Результаты моделирования момента сопротивления по закону арксинуса на тормозном стенде подтвердили общий характер изменения и высокую достоверность расчетного определения оптимального значения коэффициента использования мощности g N при вероятностном характере внешней нагрузки (рис.1). Отличие расчетных и экспериментальных значений не превышает 3,0%. Поэтому для тракторов серии К-744 при К М = 1,20 на отвальной вспашке, глубоком рыхлении и чизелевании V = 0,10 ) можно принимать g N = 0,87 , а на безотвальной обработке и посеве ( у К = 0,07 ) - g N = 0,95 .

Рис. 1. Зависимость энергетических показателей двигателя от параметров нагрузки

Результаты стендовых испытаний коробки передач с переключением на ходу (КП с ПНХ) тракторов «Кировец» показали, что потери мощности холостого хода и КПД существенно зависят от нагрузочноскоростного и теплового режимов работы.

Характер изменения общих потерь и КПД от температуры масла и скоростного режима определяется в основном потерями холостого хода. Минимальные значения холостых потерь и максимальный КПД на всех нагрузочно-скоростных режимах достигаются в диапазоне температуры масла М-8В 2 tM = 60 - 80 °С, чему соответствует вязкость v = (15 - 30) • 10-6 м2/с (рис. 2).

Повышение скоростного режима ведущего вала n ₁ от 1700 до 1900 мин^-1 увеличивает холостые потери A N _хх на 0,4-0,5 кВт. Потери от нагрузки прямо пропорциональны подводимой от двигателя мощности при практически неизменном КПД.

Рис. 2. Потери холостого хода и КПД КП трактора К-744Р 1 на передаче III-3: ××× – n 1 =1900 мин^-1;

○○○ – n 1 =1700 мин^-1

Общие закономерности воздействия рассмотренных кодированных факторов x 1 = ( f _M - 60)/30 и x 2 = ( n 1 - 1700)/200 на потери холостого хода и КПД КП трактора «Кировец», на примере передачи III-3, определяются адекватными ( R = 0,990 ) параметрическими уравнениями регрессии второй степени, полученными при активном планировании факторного эксперимента (центральный композиционный ротота-бельный план 3²)

ANxx = 3,51 + 0,37x1 + 0,85x2 + 0,21x1 х 2 +1,43 х2 х 22;

ПКп = 0,934 + 0,003х. -0,001 хх -0,007х2.

КП                           1              1 21

Характер изменения потерь мощности в КП с ПНХ и в других агрегатах показал, что величина общего КПД трансмиссии тракторов серии К-744 на основных нагрузочно-скоростных режимах работы, при оптимальной температуре масла составляет 0,88–0,90. Большие значения КПД характерны для трактора К-744Р 3 . Параметры неустановившейся нагрузки практически не оказывают влияния на его величину.

Зависимость коэффициента сопротивления качению трактора от скоростного режима на одинарных и сдвоенных колесах при одинаковых значениях давления воздуха в шинах передних и задних колес, указанных изготовителем в инструкции по эксплуатации, приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость осредненного коэффициента сопротивления качению тракторов «Кировец» от скорости движения:1 – одинарные колеса, Рш 1 =0,14 МПа; 2 – сдвоенные колеса, Рш 2 =0,09 МПа

Повышение скорости движения приводит к увеличению затрат мощности на перекатывание трактора из-за возрастания гистерезисных потерь в шинах, вызванных их дополнительной радиальной деформацией при воздействии микронеровностей почвы. Коэффициент сопротивления качению трактора на сдвоенных колесах в указанном скоростном диапазоне уменьшается на 40–45%, что можно объяснить преимущественным влиянием снижения глубины колеи. Обработка полученных результатов испытания позволила получить выражения для определения осредненных значений коэффициента сопротивления качению тракторов серии К-744 на стерневом фоне при комплектовании одинарными и сдвоенными колесами в виде

' f i = 0,09 + 0,010(V-V₀);

\ f 2 = 0,05 + 0,011(V-V 0 ).

Буксование движителя 8 колесного трактора с установленными массоэнергетическими параметрами на конкретном почвенном фоне зависит от тягового усилия. Поэтому для однотипных по движителю тракторов с одинаковым распределением веса по осям зависимость буксования от коэффициента использования эксплуатационного веса можно принять одинаковой 8 = f ( ^ _Кр) = idem .

Таким образом, потенциальные тяговые характеристики однотипных тракторов могут быть выражены обобщенной функцией одного аргумента ^ _Кр [3, 4]. Тяговый КПД не зависит от класса трактора, а определяется конкретным конструктивным исполнением и условиями эксплуатации.

Результаты тяговых испытаний тракторов серии К-744Р подтвердили целесообразность использования обобщенных функций 8 , п _Т = f ( ^ Кр ) для оценки их тягово-сцепных свойств.

Тяговый КПД имеет максимальное ц _Тmax и некоторую зону допустимых по буксованию значений, соответствующих ^ _КР opt и ^ _КР max , которые определяют величину номинального и максимального тяговых усилий трактора с эксплуатационной массой m _э .

При оценке рационального диапазона изменения ^ КР целесообразно выделить три основных режима работы трактора по потенциальной тяговой характеристике: ^ КРmax - с допустимым буксованием 8 Д = 0,15 и тяговым КПД п _{Т 8} ; P _Kpopt — с буксованием 8 _opt <  8 Д и максимальным тяговым КПД п _Т max > П _Т ^ ;

ϕ _{КР min} – с буксованием δ _min ≤ δ _opt и η _{Т δ min} ≈ η _{Т δ} . Тяговый диапазон трактора соответствующий ( ϕ _{КР max} - ϕ _КРmin) определяется при этом как δ _Т = ϕ _{КР max}/ ϕ _КРmin .

В таблице 3 приведены полученные по результатам лабораторно-полевых испытаний усредненные значения показателей оценки тягово-сцепных свойств тракторов серии К-744 с одинарными и сдвоенными колесами на стерне колосовых. Анализ различных сочетаний ϕ _КР и f позволил установить графические зависимости δ , η _Т = f ( ϕ _КР) (рис. 4) и определить рациональные тяговые диапазоны их использования.

Показатели оценки тягово-сцепных свойств тракторов серии К-744 (фон-стерня)

Рис. 4. Зависимость буксования и тягового КПД тракторов серии К-744 от коэффициента использования эксплуатационного веса: 1 – одинарные колеса; 2 – сдвоенные колеса

Таблица 3

Показатель	Одинарные колеса		Сдвоенные колеса
	Режим η Т max	Режим δ Д	Режим η Т max	Режим δ Д
f 0	0,09	0,09	0,05	0,05
c	0,010	0,010	0,011	0,011
δ	0,101	0,15	0,074	0,15
a	0,110	0,110	0,110	0,110
b	0,773	0,773	0,773	0,773
d	0	0	0,04	0,04
η ТР	0,88	0,88	0,88-0,89	0,88-0,89
ϕ КР	0,369	0,450	0,350	0,490
η Т	0,623	0,611	0,696	0,666
ϕ КР max / ϕ КРmin	–	1,55	–	2,13

Полученные результаты экспериментов подтвердили высокую адекватность моделей оценки показателей тягово-сцепных свойств трактора 4К4б. Снижение коэффициента сопротивления качению при установке сдвоенных колес обеспечивает повышение от 0,623 до 0,696 максимального тягового КПД и от 0,611 до 0,666 - при допустимом буксовании. Это сопровождается соответствующим смещением режима ц _Тmax в сторону меньших значений ^ КРopt и 8 opt и возрастанием р _{КР max} , что приводит к расширению рационального тягового диапазона 8 с 1,55 до 2,13 при rn « idem .

Т max

Взаимосвязи 8 , п Т = f ( ^ _КР, V ) для тракторов серии К-744 с одинарными и сдвоенными колесами на стерне колосовых в установленных тяговых диапазонах ( р _КРmax - р _КР min ) , с достаточной для расчетов достоверностью, можно аппроксимировать выражениями:

' ^ 1 = 0,110 • ^ кр /(0,773- ^ кр );

8 2 = (0,110 • ^ _КР - 0,044) /(0,813 - ^ _КР ).

П т 1

0,88

-----г---- ^ КР ---------i Ь ^ _КР + [0,09 + 0,010( V -1,4)] J_

0,11 • ^ КР (0,773 - ^ кр )

П т ₂

0,88

^ КР 1[ 1 ^ _КР + [ 0,05 + 0,011( V -1,4) ] J_

(0,11 • ^ КР - 0,044) (0,813 - ^ кр )

Наилучшие тяговые показатели тракторов 4К4б достигаются при равенстве окружных скоростей передних V ДП и задних V ^_K колес или их динамических радиусов г _ДП = г _ДК . В пределах рационального тягового диапазона это обеспечивается равенством нормальных реакций почвы на передние Y _П и задние Y _К колеса при одинаковом давлении воздуха в шинах Р В = idem .

Условие равенства реакций А у = У _П / У К = 1,0 при равномерном движении трактора по горизонтальной поверхности и cos у _КР = 1,0 (рис.5) имеет следующий вид [5]:

р _г =Р, KPopt     KP(Y _П = Y_K )

G э ( а ц - L /2 - f • Г д ) h КР

Указанная величина тяговой нагрузки Р _КРopt соответствует оптимальному значению коэффициента использования веса ^ _КРу по условию равенства опорных реакций передних и задних колес ( А _у = 1,0 ).

Рис. 5. Схема сил, действующих на трактор в общем случае движения

Распределение эксплуатационного веса тракторов серии К-744 по осям в статике определяет ординату центра масс a _Ц и зависит от количества топлива в баке ( V _Б = 800 л). Полной заправке топлива, обеспечивающей G _Эmax , соответствует λ _у = 0,55 / 0,45 , а минимальной ( V _Т ≤ 100 л) при G _Эmin λ = 0,571/0,429 . у ₀

Значение ϕ _К ^* _Ру при a _Ц = L(1- y_К /G_э) , с учетом выражения (6), определится как

φ К ^* Ру = ( а Ц - L /2- fr Д ) / h КР .

Результаты моделирования (рис. 6) позволили определить рациональный диапазон изменения относительного показателя λ _У = у _К / G _э , при котором выполняется условие

*

ϕ КР min <  ϕ КРу ≤ ϕ КР max .

Рис. 6. Зависимость коэффициента ϕ _К ^* _Ру от λ _У и h _КР тракторов серии К-744: а) одинарные колеса; б) сдвоенные колеса

Для одинарных колес и h _КР = 0,4 м ∆ λ _У = (0,430 - 0,446) , что практически соответствует минимальной и максимальной заполненности топливного бака. У тракторов серии К-744 со сдвоенными колесами условие (8) выполняется при h _КР = 0,5 м в диапазоне ∆ λ _У = (0,430 - 0,450) , что также соответствует разной заполненности топливного бака.

Выводы

• 1.    Экстремальный нагрузочный режим тракторного двигателя и соответствующий ему коэффициент использования мощности существенно зависят от динамических свойств и параметров распределения момента сопротивления. Для операций основной обработки почвы при ν _МС = 0,07 - 0,10 и номинальном коэффициенте приспособляемости К _М = 1,20 значения ξ _N ^* = 0,95 - 0,87 .

• 2.    Полученные по результатам испытаний параметрические зависимости позволяют дать оценку составляющих энергетических потерь в трансмиссии тракторов серии К-744. На основных нагрузочноскоростных режимах работы КПД трансмиссии составляет 0,88–0,90.

• 3.    Установленные взаимосвязи показателей тягово-сцепных свойств позволили определить наиболее рациональные тяговые диапазоны использования тракторов серии К-744 с одинарными и сдвоенными колесами на основной обработке почвы. Установка сдвоенных колес повышает на 5-7% тяговый КПД трактора и в 1,37 раза расширяет рациональный тяговый диапазон.

• 4.    Распределение эксплуатационного веса по осям тракторов серии К-744 обеспечивает равенство опорных реакций передних и задних колес в пределах рационального тягового диапазона. При работе на сдвоенных колесах высоту точки прицепа h _КР целесообразно увеличить от 0,40 до 0,50 м.