Рациональное балластирование энергонасыщенных колесных тракторов разной комплектации

Введение. Российский рынок сельскохозяйственных тракторов в последние годы широко представлен продукцией ведущих иностранных и отечественных производителей с построенными по номинальной эксплуатационной мощности двигателя модельными рядами. Наиболее распространены модельные ряды тракторов колесной формулы 4к4а улучшенной классической компоновки с передним мостом автомобильного типа и существенно увеличенным диаметром управляемых колес, которые воспринимают 40–45 % веса трактора [1]. Основу трансмиссии составляют, как правило, ступенчатые диапазонные механические коробки передач. Доля этих тракторов на российском рынке за последнее десятилетие достигла 93 % при повышении верхней границы мощности до 280– 300 кВт (380–400 л.с.).

Адаптация энергонасыщенных колесных тракторов с установленной мощностью к природно-производственным условиям для улучшения эксплуатационных свойств предусматривает регулирование сцепного веса путем ис- пользования съемных балластных грузов, применения системы автоматического позиционносилового регулирования заднего навесного устройства, сдваивания задних и передних колес с изменением давления в шинах.

Практически на всех новых моделях колесных 4к4а тракторов иностранного и отечественного производства [2, 3] применяется регулирование степени балластирования установкой разного количества неподвижных грузов, как в передней части остова, так и на дисках задних и передних колес. Для эффективного использования таких тракторов в разных технологиях поч-вообработки и посева, а также на транспортных операциях необходимо выполнить два условия:

• -    обеспечение оптимальной эксплуатационной массы при выполнении определенной группы родственных операций [4];

• -    рациональное распределение эксплуатационной массы по ведущим мостам.

Неоднозначность рекомендаций в инструкциях по эксплуатации изготовителей тракторной техники, ограниченный опыт ее практического использования и испытания в производственных условиях не позволяют установить общие принципы балластирования энергонасыщенных колесных тракторов.

Цель работы . Обоснование основополагающих принципов и методов рационального балластирования колесных 4к4а тракторов высокой мощности для адаптации к технологиям почво-обработки.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач :

• 1 ) сформировать модели и разработать алгоритм рационального балластирования трактора;

• 2 ) обосновать удельные параметры и размещение съемного балласта для адаптации трактора разной комплектации к технологиям почвообработки.

Материалы и методы исследования. Решение поставленных задач выполнялось с учетом ранее установленных показателей, рекомендаций, допущений и ограничений по использованию и балластированию колесных тракторов высокой мощности [2-4, 7]:

• -    основной показатель технологичности трактора по ГОСТ 4.40-84 - удельная материалоемкость m*^ = П тн Ю³ / g -ф кр_Н • V для разных

групп операционных технологий основной обработки почвы, определяется номинальными значениями рабочей скорости V * и тягового режима v_KPHi использования без учета паразитной мощности при блокировке ведущих мостов;

• -    базовой комплектации трактора с установленной мощностью N_e3 соответствует эксплуатационная масса на одинарных колесах, без съемного балласта и с наполовину заполненным топливным баком т_ЭБ = m *₃ = m *_d3 • N_eэ • g * для выполнения наименее энергоемких операций почвообработ-ки третьей группы при V *₃ и ф_КРНЗ , равная или превышающая, в зависимости от условий поставки, минимальную транспортировочную массу ^тЭ б ^{— т}э о ;

• -    распределение эксплуатационного веса G₃ = т_э • g энергонасыщенных колесных 4к4а тракторов по осям для обеспечения наилучших показателей тягово-сцепных свойств, управляемости и продольной устойчивости в режиме рабочего хода, характеризуется следующим соотношением реакций почвы на передние и задние колеса

У_ПР / У K = (0,30 - 0,40)/(0,60 - 0,70) [5, 6];

• -    при балластировании трактора для операций почвообработки 1-й и 2-й групп реакция почвы на задние колеса в режиме рабочего хода должна соответствовать условию

.

K 1 p — K 2 p — КБР '

Результаты исследования и их обсуждение. Общая схема балластирования колесного 4к4а трактора базовой комплектации с эксплуатационным весом G_3Б = G₃₀ , продольной базой L и абсциссой центра масс а_цй съемными грузами, установленными впереди остова G _Б 1 , на дисках передних G _БK и задних G _{Б 2} колес, представлена на рисунке 1. Массы передних т_Б 1 и т_БК и заднего т _{Б 2} балластов для получения рекомендуемого (оптимального * ) распределения веса трактора в статике определяются решением уравнений моментов относительно осей передних O i и задних О 2 колес:

• ^У ПСТ ■ ^L = ^G 3 0 ■ ^а ц 0 + ^G БK ■ ^L + ^G Б 1^{( L} + a n ^);      (1)

• ^У    KCT ■ L = ^G 3 0⁽ L ^{- а} ц 0 ) + ^G Б 2 ■ L ^{- G} Б 1 ■ a n •

  
  
  

Обозначив относительные величины абсцисс центра масс трактора и переднего балласта как А ц 0 = а ц 0 / L . А ц = а ц / L . А = а / L из уравнений (1) получим:

У ПСТ = G э 0 • А ц 0 + G БK + G Б 1 (1 + А п );     _

[У KCT = G₃ 0 (1 - А ц 0 ) + G Б 2 - G Б 1 ■ А п •

Из уравнений (2) следует, что колесные балласты G_БK и G_{Б 2} увеличивают нагрузку только на соответствующую ось трактора. Передний балласт G_Б 1 обеспечивает дополнительную нагрузку передней оси А У _ПСТ = G _Б 1 (1 + А _П ) с одновременной разгрузкой задней оси

AV =-G -A

KCT       1 Пп ■

Оптимальное распределение удельной массы трактора m*уд по осям, в соответствии с уравнением (2), выразится как:

Г m 'уПСТ = ^mУд ■ А = ^туд 0 А 0 + ^тБКуд + ^тБ 1 уд ⁽¹ + А п );         (3)

В режиме рабочего хода на горизонтальном участке с номинальной тяговой нагрузкой Ркрн = тЭ ’ g ’ Ркрн происходит перераспреде- ление веса и соответственно – удельной массы трактора по осям [5] в направлении разгрузки передних и догрузки задних колес за счет сме-

А щения абсциссы центра масс ЦР на величину

Ч = А - А ц_Р =

[ h KP ' ⁽PkFH + ⁰ , ⁵ ' f ^{( Г}д 1 + ^Гд 2^)] L

, (4)

где hKР – ордината точки прицепа; f – средний коэффициент сопротивления качению; r , r – динамические радиусы качения передних и задних колес.

Величину А А ц необходимо учитывать при определении рациональных абсцисс центра масс А_ц и А ц ₀ , характеризующих распределение веса трактора по осям в статике. При известной удельной массе общего балласта т _Буд = ( т У д - т _{уд 0} ) оптимальные значения т Б 1 _уд основного переднего и т Б _{2 уд} заднего балластных грузов определятся по зависимостям:

’ у       m А m А m

• ^{1 1 уд} =          (1 + А_п )        ’                   ⁽⁵⁾

, ^тБ 2 уд = ^{[ т}уд ⁽ 1 ^- А ) ^{- т}уд 0 ⁽ 1 ^- А 0 ^{)] + т}Б 1 уд ' ^АП •

Уравнения (5) позволяют определить значения т*Б1 уд, ту2уд и соответственно тУ^ , тБ2 ■ Алгоритм балластирования трактора при известных Neэ , тЭБ > тэ0 , hKP , L , f , rd 1 , rg2 , a,0 , an и тБкуд: определение туд0 и туд- для технологических операций почвообра-ботки разных групп и основных комплектаций туд = Птн ■ 103 / g' Pkfh ' VH ; расчет тБуд =(туд- туд0); определение ДА по (4); выбор Ац с учетом рекомендаций и ограниче- ний по Ацр = 0,30 - 0,40 ; определение тБ 1 уд и тБ2уд по (5); расчет массы балластов тБ1 = тБ1 уд • ^N ■ Nes , тБк = тБКуд • ^v • Nei и тБ2 = тб2уд ’ ^' Nes при установленном значении коэффициента использования эксплуатационной мощности двигателя ^ [2]; комплектование и установка соответствующих балластных грузов.

Сформированные модели и разработанный алгоритм балластирования можно использовать для разных вариантов комплектации ходовой системы трактора на основной обработке почвы:

• 1)    одинарные передние и задние колеса;

• 2)    сдвоенные передние и задние колеса;

• 3)    сдвоенные задние колеса.

В основу рационального балластирования следует положить, в первую очередь, определение удельной материалоемкости (массы) трактора любой из указанных комплектаций на установленных тягово-скоростных режимах использования при реализации разных групп родственных операций основной обработки почвы. За базовый вариант принимается комплектация трактора на одинарных колесах без съемного балласта с удельной массой т _{уд 0} = т*_{у 3 3} для операций почвообработки третьей группы при V H 3 и р _{крн 3}. Соотношение т_{уд 0} и удельной

*

массы m _удi для других групп операций и вариантов комплектации трактора выразится как

Л ^туд = ^{т у} д- / ^туд 0 = ^П т / ^Р крн ' A V H •     ⁽⁶⁾

Удельная масса трактора на одинарных т*уд, сдвоенных передних и задних т*дК, и сдвоенных задних ту    колесах для разных технологий почвообработки в общем случае содержит следующие элементы:

* m_уд

* ^т уд

= ^т ■ 0 ^{+ т}Б1 уд ^{+ т} Б 2 уд ⁺ "Б у ;

**

= ^т уд 0 ^{+ т} К 1 уд ^{+ т} К 2 уд ^{+ т} Б 1 уд ^{+ т} Б 2 уд ^{+ т} БКуА ()

*                              .                              *          .        *

^т K 2 = ^т уд 0 ^{+ т} К 2 уд ^{+ т} Б 1 уд ^{+ т} Б 2 уд ⁺ "Бу •

Удельные массы дополнительного комплекта передних тК 1 уд и задних тК2уд колес с проставками входят соответственно в тБКуд и тБ2уд выражений (5), существенно влияя на их величину и положение абсциссы центра масс А .

Для формирования общей системы рационального балластирования трактора при сдваивании колес целесообразно принять для третьей группы операций почвообработки:

m ydK 0 = m yd 0 + m K 1 уд + m K 2 уд ;

1                                                (8)

• [ m ydK 20 = m yd 0 + m K 2 уд ■

В этом случае, при соблюдении условий m ydK 0 - m *_уж 0 и m ydK 20 - m Уж 20 , количествен— ные и качественные (распределение по осям) характеристики съемного балласта для операций почвообработки разных групп на одинарных и сдвоенных колесах остаются неизменными.

• ^т Куд = m K 1 уд + m K 2 уд = m Уж 0 — m yd 0 или

• ^mydK = mУж / myd0 = (1 + myd0).   (9)

Для обеспечения равенства абсцисс центра масс А_о = 4 ^0 на одинарных и сдвоенных передних и задних колесах трактора без съемного балласта, при решении уравнений (2), установлена взаимосвязь

• ^АцK 0 = ⁴ 0 +~_т     ^{[ m}K 1 yd - ^{( m}K 1 yd + ^mK 2 уд ) ' ⁴ц 0 ^] ■ ⁽¹⁰⁾

Тогда условие А^ ₀ = А ц ₀ выполняется при ^mK 1 уд = ^mKyd ' А ц 0 .

Аналогично, при сдваивании только задних колес, получим

А Р 20 = ⁴ 0⁽¹ — ^mK 2 yd / m ydK 20^).     (11)

Из равенства (11) следует, что сдваивание только задних колес трактора приводит к уменьшению абсциссы центра масс на величину ^ А ц 0 = m K 2 yd / m ydK 20 ^.

У колесных 4к4а тракторов мощностью 140– 280 кВт удельная масса дополнительного ком- плекта передних и задних колес составляет [3, 5] mKyd= 4,0 - 6,5кг / кВт при соотношениях mK,уд = (0,38 - 0,42)myd и mK2уд = (0,58 - 0,62)myd. Поэтому оснащение сдвоенными передними и задними колесами практически не изменяет абсциссу центра масс Ац0 трактора базовой комплектации. При сдваивании только задних колес абсцисса Ац0 смещается в сторону оси задних колес на 4–5 %.

Для адаптации трактора любой комплектации к технологиям почвообработки второй и первой групп удельная масса съемного балласта составляет 7,0-7,7 и 13,0-13,9 кг/кВт соответственно, или 13,5-15,0 и 25-27 % от удельной массы трактора базовой комплектации. С учетом комплекта передних и задних колес максимальное увеличение массы трактора базовой комплектации при балластировании для операций почвообработки первой группы достигает 39–40 %.

Рис. 2. Распределение удельной массы переднего Б уд и заднего Б уд балластов на операциях почвообработки: а – первой группы;

б – второй группы; –––––– – А ц =а ц /L=0,50;   – – – – – –  – А ц =а ц /L=0,45

Предлагаемые удельные параметры и размещение балластных грузов обеспечивают адаптацию трактора любой комплектации к разным технологиям почвообработки (табл.). Практическая реализация значений m , m и m зависит от конкретного оформления и массы составляющих съемный балласт элементов.

Рациональное балластирование колесного 4к4а трактора разной комплектации

Группа операций	r Hi ’ м/с	ϕ KPH	K	А ц	η ТH	* m уд , кг/кВт	тБуд , кг/кВт	* m Kyd , кг/кВт	* т Б 1 уд ’ кг/кВт	m B2уд , кг/кВт	тБКуд , кг/кВт
1	2,20	0,45	1/1	0,50	0,626	64,5	13,0	0	6,83	4,42	1,75
									7,95	5,05	0
			2/1	0,48	0,665	68,6	13,6	3,5	7,40	4,45	1,75
									8,30	5,30	0
			2/2	0,50	0,693	71,4	13,9	6,0	7,75	4,60	1,75
									8,75	5,15	0
2	2,70	0,41	1/1	0,47	0,635	58,5	7,0	0	4,75	2,75	0
			2/1	0,45	0,677	62,4	7,4	3,5	51,0	2,30	0
			2/2	0,47	0,710	65,2	7,7	6,0	5,27	2,43	0
3	3,33	0,38	1/1	0,40	0,639	51,5	0	0	0	0	0
			2/1	0,38	0,681	54,9	0	3,5	0	0	0
			2/2	0,40	0,713	57,5	0	6,0	0	0	0

Примечание. Комплектация 1/1 – одинарные колеса; 2/1 – сдвоенные задние колеса; 2/2 – сдво- енные задние и передние колеса; * – оптимальное значение параметра.

Выводы

• 1.    Обоснованы модели и алгоритм балластирования колесного 4к4а трактора для адаптации к современным технологиям почвообработки с использованием основного, по ГОСТ 4.40-84, показателя технологичности – удельной материалоемкости (массы).

• 2.    Определены рациональные соотношения удельной массы трактора разной комплектации мощностью 140–280 кВт и съемных балластных грузов для адаптации к зональным технологиям почвообработки.