Рациональное использование энергонасыщенных колесных тракторов в технологиях почвообработки

Введение. В последние годы на российском рынке широко представлены модельные ряды зарубежных и отечественных сельскохозяйственных тракторов колесной формулы 4к4а улучшенной классической компоновки с увели- ченным диаметром передних управляемых колес, которые воспринимают 40–45 % веса [1, 2]. Доля продаж этих тракторов достигла 93 % при повышении верхней границы мощности до 280– 300 кВт (380–400 л.с.).

Для адаптации к технологиям почвообработ-ки разных по энергоемкости групп на всех моделях тракторов с установленной мощностью двигателя применяется регулирование и рациональное распределение по осям эксплуатационной массы путем сдваивания задних и передних колес с изменением давления в шинах, а также использование разного количества съемных балластных грузов, размещенных неподвижно в передней части остова и на дисках задних и передних колес.

Анализ эксплуатации почвообрабатывающих агрегатов на базе таких тракторов показал [2, 3], что большинство из них скомплектовано и используется без достаточного обоснования и оценки оптимальных тягово-скоростных режимов работы. Чаще всего они функционируют на пониженных рабочих скоростях при нарушении агротребований с частичной загрузкой двигателя и недоиспользованием потенциальных возможностей трактора.

При этом балластирование и комплектование тракторов сдвоенными колесами, при неоднозначности рекомендаций изготовителей и ограниченном опыте производственной эксплуатации, производятся без учета условий их функционирования в режиме рабочего хода.

Цель исследования: повышение эффективности использования энергонасыщенных колесных тракторов разной комплектации в технологиях основной обработки почвы.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач :

• 1    ) определить зависимость показателей эффективности почвообрабатывающих агрегатов от скоростного режима работы при балластировании трактора NX T8.390 разной комплектации;

• 2 ) обосновать рациональные скоростные диапазоны использования колесных тракторов разной комплектации при балластировании.

Материалы и методы исследования. При решении поставленных задач учитывались ранее установленные показатели, рекомендации, допущения и ограничения по использованию и балластированию энергонасыщенных колесных тракторов [3, 4–6].

Базовой комплектации трактора NX T8.390 с установленной мощностью двигателя N_e3 = 250кВт при n_H = 2000мин ^{- 1} и K M = 1,36 соответствует эксплуатационная масса т Э ₃ = т_ЭБ = 12,75 т на одинарных колесах без съемного балласта и с наполовину заполненным топливным баком для выполнения наименее энергоемких операций почвообработ-ки третьей группы в оптимальном диапазоне рабочих скоростей V*₃ ± A V₃. Эксплуатационная масса трактора на одинарных (1К) и сдвоенных (2К) колесах без балласта и с полным балластом т_Б max = 3,5 т определялась из условия обеспечения оптимальных значений удельной массы m y_gi = m^ /N _еэ •^ на операциях почвообработки третьей и первой групп соответственно при V*₃ = 3,33м / с , V * = 2,20м / с и с ’ = 1,0 .

H1 N

По результатам сравнительных производственных испытаний почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения дана оценка эффективности их использования в зависимости от комплектации и балластирования трактора NX Т8.390.

В основу положена сравнительная оценка осредненных на каждой передаче значений чистой производительности W = B_pt • V , м²/с , и топливных затрат gw = G_Tl / W , кг/га , а также их относительных величин W⁰ = W 3 /W 1 и gw⁰ = gw₃/gwj с учетом коэффициента загрузки двигателя K₃ = N_e/N_e3 на режиме n » n_H при изменении рабочей скорости в пределах реализуемого диапазона путем последовательного перехода на повышенные передачи.

В таблице 1 приведены пределы изменения основных параметров – адаптеров первой группы почвообрабатывающих агрегатов при разной комплектации и балластировании трактора NX Т8.390. Для оценки эффективности работы использованы параметры-адаптеры второй группы [7], включающие действительную скорость агрегата V , буксование трактора 5 , коэффициент загрузки K и частоту вращения коленвала двигатея n .

Параметры трактора NX Т8.390 и состав почвообрабатывающих агрегатов при производственных испытаниях

Таблица 1

Вид операции и рабочая машина	V , м/с	Передача П	Комплектация	* mЭ , т	m Б max , т	m * уд , кг/кВт	А ц
1. Культивация h = 0,08–0,10 м Культиватор Landmaster - 9800	2,0–3,4	7–11	1К	12,75	0	51,0	0,40
				16,25	3,5	65,0	0,47
			2К	14,35	0	57,4	0,40
				17,85	3,5	71,4	0,47
2. Дискование h = 0,10–0,12 м Борона дисковая БДМ8-4П	2,0–3,1	7–11	2К	14,35	0	57,4	0,40
				17,85	3,5	71,4	0,47
3. Дискование h = 0,16–0,18 м Борона дисковая БДМ8-4П	2,0–2,7	7–9	2К	14,35	0	57,4	0,40
				17,85	3,5	71,4	0,47

Характер изменения составляющих энерге- от тягово-скоростного режима использования. тического баланса при балластировании трак- Увеличение потерь на перемещение трактора с тора определяет их соотношение и зависимость балластом A N_f = (N_f j - N_f3) , при установ-

ленных значениях коэффициента сопротивления качению [2] ( f_1K = 0,10,f_2K = 0,06 ) , выразится как

∆Nf =mБmax ⋅g⋅f ⋅V.

Снижение при этом потерь мощности на бук-∆N = (N- сование трактора δ     δ1    δ3  зависит от нагрузки и соотношения скоростных потерь:

∆Nδ= Nе⋅ηТР (δ1-δ 3).

Эффективность балластирования трактора разной комплектации определится из условий W⁰ ≥ 1 и gw⁰ ≤ 1 при

∆N∑(Nf +∆Nδ)≤0.

Результаты исследования и их обсуждение. В результате обработки экспериментальных данных определены зависимости средних значений коэффициента загрузки двигателя, расхода топлива ( кг/ч ), буксования трактора и производительности агрегата от рабочей скорости K , G , δ , W = f(V) . Испытаниями установлено, что рост рабочей скорости в достигнутых диапазонах ее изменения приводит к повышению указанных показателей не зависимо от комплектации и балластирования трактора (рис. 1, 2). При неизменной рабочей ширине захвата B_P чистая производительность агрегата прямо пропорциональна скорости W = B_P ⋅ V . Более существенное повышение коэффициента загрузки и расхода топлива определяется характеристиками удельного сопротивления рабочей машины и тягового КПД трактора K , η T = f(V) .

Повышение рабочей скорости агрегата в составе трактора базовой комплектации 1К ( m*ЭБ = 12,75 т; A = 0,40 ) и культиватора LM-9800 на поверхностной обработке почвы от 2,0 (7п) до 3,10 м/с (11п) (55 %) приводит к увеличению коэффициента загрузки от 0,552 до 1,023 (85 %) и возрастанию удельных топливных затрат на 7,9 %. Этот тягово-скоростной режим с использованием двигателя на участке постоянной мощности и буксовании 11–12 % является оптимальным (рис. 1, а).

Установка и рациональное размещение полного балласта массой m_Бmax = 3,50 т для получения m^*_Э1 = 16,25 т и абциссы центра масс A = 0,47

^ц приводят к увеличению сопротивления перемещению трактора Р _f на 3,43 кН и соответствующему снижению на каждой передаче тягового усилия при одновременном повышении номинальной скорости V на величину ∆ V = V ( δ - δ ) за счет уменьшения буксования. При частичной нагрузке на 7-10П это сопровождается увеличением K , что обеспечивает повышение производительности на 1,5–2,5 % и рост удельных топливных затрат до 4,6 %. При K ≈ 1,0 эффективность балластирования определяется соотношением потерь мощности (N + N ) ≤ (N + N ) . В противном случае наиболее эффективен трактор базовой комплектации.

Анализ полученных результатов показал, что трактор NX Т8.390 базовой комплектации в агрегате с культиватором LM 9800 наиболее эффективен при рабочей скорости V ≥ 2,9 - 3,0м/с , поскольку используется с полной загрузкой двигателя в режиме постоянной мощности. По сравнению с балластированным трактором производительность агрегата возрастает на 2,3 % при одинаковых удельных топливных затратах.

Агрегатирование трактора на сдвоенных задних и передних колесах (2К) без балласта с культиватором LM-9800 в указанном диапазоне рабочих скоростей приводит к снижению буксования на 3–4 % и коэффициента загрузки от 2,3 до 9,3 %. Производительность агрегата при этом возрастает от 2,1 до 7,4 % при снижении топливных затрат на 8,0–9,2 % (рис. 1, б). Балластирование трактора ( m^*_Э1 = 17,85 т) повышает производительность агрегата до 2,0 % при возрастании топливных затрат на 2,0–5,5 % . При рабочей скорости V >  3,07 м/с двигатель выходит на режим постоянной мощности (11п) и эффективность трактора с полным балластом по указанным показателям на 1–2 % ниже, чем у трактора без балласта.

Рис. 1. Показатели производительности и топливной экономичности почвообрабатывающего агрегата NX Т8.390+LM 9800: а – одинарные колеса; б – сдвоенные колеса

Показатели использования агрегата NX Т8.390+БДМ8-4П на поверхностной обработке почвы имеют аналогичные зависимости от рабочей скорости и комплектации трактора (рис. 2, а). При частичной нагрузке в скоростном диапазоне от 2,0 до 3,0 м/с по производительности наиболее эффективен трактор на сдвоенных колесах с полным балластом. Топливные затраты при этом выше на 2,4–3,4 %, чем у трактора без балласта. На рабочей скорости V >  3,0 м /с по показателям производительности и топливных затрат более эффективен трактор без балласта.

При использовании указанного агрегата на глубоком дисковании ( h=0,16–0,18 м ) в реализуемом скоростном диапазоне от 1,98 до 2,53 м/с показатели производительности на 1,6–2,3 % выше с забалластированным трактором при одинаковых топливных затратах (рис. 2, б).

Характер изменения и соотношение приращений потерь мощности на перемещение ∆Nf и буксование ∆N подтверждает эффектив- ность балластирования трактора базовой комплектации при использовании в диапазоне рабочих скоростей от 2,0 до 2,9 м/с независимо от нагрузочного режима (рис. 3), поскольку изменение суммарных потерь является отрицательным. Наиболее существенное снижение потерь ∆NΣ достигается при полной нагрузке в диапазоне скорости 2,20±0,20 м/с, рациональном для операций почвообработки первой группы – отвальной вспашки и глубокого рыхления. На частичных нагрузочных режимах эффективность балластирования существенно снижается, поскольку ∆N ≤ -2,0кВт . Эффективность балластирования трактора на сдвоенных колесах обеспечивается при рабочей скорости не выше 3,0–3,1 м/с, независимо от нагрузочного режима. Причем отрицательный эффект от установки съемного балласта в диапазоне рабочих скоростей 3,30±0,03 м/с, оптимальном для операций третьей группы, существенно ниже, чем у трактора базовой комплектации.

Рис. 2. Показатели производительности и топливной экономичности почвообрабатывающего агрегата NX Т8.390+БДМ8-4П: а – h=0,10–0,12 м; б – h=0,16–0,18 м

Установленные соотношения изменения потерь мощности ANf и ANS позволили дать оценку эффективности балластирования трак- тора разной комплектации при использовании в технологиях почвообработки (табл. 2).

Рис. 3. Изменение потерь мощности на перекатывание AN_f и буксование A N_S( A N ‘ ) при балластировании трактора NX T8.390

Показатели эффективности использования трактора

NX Т8.390 в технологиях почвообработки при балластировании

Таблица 2

Группа операций	V * V H , м/с	1К				2К
		A N f , кВт	A N S , кВт	A G f , кг/ч	W 0, %	A N f , кВт	A N s , кВт	A GTf , кг/ч	W 0, %
1	2,20	7,55	-15,75	1,51	5,50	4,53	-12,15	0,91	4,29
2	2,65	9,10	-11,20	1,82	1,33	5,46	-8,90	1,09	1,94 -0,69
3	3,33	11,43	-6,53	2,29	-3,12	6,86	-5,63	1,37

Более существенное снижение потерь мощ- для адаптации к разным производственным

ности на буксование AN_S в диапазоне рабочих скоростей от 2,0 до 2,9 м/с перекрывает увеличение потерь A N _f при балластировании и обеспечивает на операциях почвообработки первой и второй групп повышение производительности и соответствующее снижение удельных топливных затрат до 4,29–5,50 % в зависимости от комплектации трактора.

Однако в скоростном диапазоне выше 2,9– 3,0 м/с для операций почвообработки третьей группы возрастание потерь A N _f на 22-75 % при балластирование трактора превышает снижение потерь AN_S , что приводит к снижению производительности и перерасходу топлива до 3,12 % и 2,29 кг/ч на одинарных колесах и соответственно до 0,69 % и 1,37 кг/ч – на сдвоенных. На передвижение каждой тонны балласта дополнительные затраты топлива составляют при этом 0,654 и 0,391 кг/ч.

Результаты производственных испытаний почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения позволили определить действительные нагрузочно-скоростные режимы и показатели их использования в зависимости от комплектации и степени балластирования трактора NX Т8.390. При этом установлено, что действительные значения показателей тягово-скоростных режимов и эффективности отличаются от потенциальных по результатам моделирования не более чем на 3,0 %. Указанное свидетельствует о достаточно-высокой достоверности полученных характеристик и оценочных показателей разработанной [4, 7] методологии многоуровневой оптимизации эксплуатационных параметров колесных тракторов условиям.

Выводы

• 1.    Определено влияние комплектации, балластирования и загрузки энергонасыщенного колесного трактора улучшенной классической компоновки на формирование показателей эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения в производственных условиях.

• 2.    Полное балластирование трактора базовой комплектации с удельной массой т*_й = 51,0 кг/кВт и на сдвоенных колесах при т удз_/2К = 57,4 кг/кВт до обеспечения т *₄ = 65,0 кг/кВт и т *_4/2К = 71,4 кг/кВт соответственно повышает эффективность использования агрегатов на операциях почвооб-работки первой и второй групп в диапазоне рабочих скоростей от 2,0 до 3,0 м/с , не зависимо от степени загрузки.

• 3.    На операциях почвообработки третьей группы в диапазоне рабочих скоростей 3,30±0,30 м/с установка полного балласта приводит, в зависимости от комплектации трактора, к снижению

• 4.    Адаптацию производительности агрегата до 3,12 % при дополнительных затратах топлива на передвижение каждой тонны балласта от 0,391 до 0,654 кг/ч.энергонасыщенных колесных тракторов разной комплектации (на одинарных и сдвоенных колесах) к технологиям почвообра-ботки обеспечивают:

• –    оптимизация загрузки двигателя с установленной характеристикой при обосновании тяговоскоростных режимов работы и комплектовании агрегатов;

  – использование базовой комплектации (без или с частичным балластированием) при т Уд3 = 51 - 53 кг/кВт в диапазоне рабочих скоростей от 3,0 до 3,8 м/с на операциях почво-обработки третьей группы;

  – рациональное размещение съемного балласта с максимальной удельной массой т Б_удтах = 13 - 15 кг/кВт при использовании в диапазоне рабочих скоростей от 2,0 до 3,0 м/с на операциях почвообработки первой и второй групп.