Рациональные параметры и режимы работы современных тракторов в условиях переменного характера внешних воздействий

Введение . Повышение эффективности использования современной высокопроизводительной сельскохозяйственной техники с точки зрения минимума эксплуатационных затрат является одним из основных требований к разработке новых и модернизации существующих технических систем, использующихся в качестве мобильных сельскохозяйственных агрегатов (машинно-тракторных агрегатов).

Для установления степени влияния на техникоэкономические показатели почвообрабатывающих машинно-тракторных агрегатов (МТА) различных факторов могут быть использованы как экспериментальные, так и теоретические методы исследований. Теоретические методы являются менее затратными и позволяют с большой эффективностью решать поставленные перед ними задачи. Кроме того, они опираются на применение современной высокоэффективной вычислительной техники и соответствующих программных продуктов, основывающихся на использовании математических моделей сложных систем.

Цель исследований: оценка эффективности использования МТА с учетом особенностей тяговой характеристики трактора, оснащенного двигателем постоянной мощности (ДПМ) и его рациональных массо-энергетических параметров при выполнении технологических операций обработки почвы. В рас- четах используются данные тяговой характеристики и значения эксплуатационной массы эпэ колесного трактора 5-го класса тяги JohnDeere 8310R, позволяющие эффективно использовать возможности тракторов этого типоразмера.

Основная задача исследований : сопоставление расчетных данных по значениям эксплуатационных показателей трактора с различной величиной эксплуатационной массы _э и комплектацией 1К, 2К (одинарные и сдвоенные колеса) при выполнении основных групп операций почвообработки с целью установления наиболее рациональных значений параметров колесного 4К4а трактора 5-го класса тяги с учетом воздействия на него переменной внешней нагрузки [1].

Материалы и методика исследований . При определении закономерностей влияния переменных входных случайных величин на выходные показатели МТА предпочтительно использовать вероятностностатистический метод (метод функций случайных аргументов), разработанный в трудах Л.Е. Агеева и в работах, выполненных под его руководством и являющихся усовершенствованием метода функций случайных аргументов [2]. Эти усовершенствования коснулись, в частности, МТА, в состав которых входят тракторы с ДПМ [3].

Наличие режима постоянной мощности у стендовых характеристик ДПМ в значительной степени снижает негативное влияние на показатели МТА вероятностной нагрузки. Однако при выполнении технологических операций по основной обработке почвы степень колебаний внешних воздействий на агрегаты такова, что потери мощности и производительности неизбежны, несмотря на использование современных технических решений при разработке двигателей и их систем.

Для трактора с двигателем постоянной мощности значение тяговой мощности на различных передачах находим по следующему выражению [4]:

N kp = f ( P kP ) =

0,5 ( a P kp + b P kp + b

& p ) + ( a i P kp + b i P kp + b i & p ) Ф ( t_H ) +

( a 2 P kp + b 2 P kp + b 2 ^ P ) Ф ( t n ) ^- & p {b ! ^ ⁽ t_H ) P kp + b 2 ^ ( t n ) P kp ^}

где N kp - математическое ожидание тяговой мощности на данной передаче, кВт; a , b, a , b , a₂ , b₂ -расчетные коэффициенты, определяемые при аппроксимации тяговой характеристики трактора;

-1/ t n - 1 ²/

Ф(tn) = (2n) 72 j е 72 dt - функция Лапласа для аргумента tn;

- Н - t

Ф ( t _H) = ( 2 п ) ^/2 I е ^/2 dt - функция Лапласа 0

для аргумента t H ;

^ ( t_n ) = (2 п ) ²² exp ( - 0,5 t_n ² ) - плотность распределения аргумента t n ;

^ ( t_H ) = ( 2 п ) ²² exp ( - 0,5 1 2 ) - плотность распределения аргумента t H ;

P kp - среднее значение силы тяги, кН;

. ₌ P kp . п - P kp. , ₌ Р крн - P kp.

t n                        ’ t H                        ’

Vp           ^P ap - среднеквадратическое отклонение силы тяги трактора.

Математические ожидания часового расхода топлива G_T определялись с помощью выражения

G T = ^0,5 ( a * + b * ^Pkp ) + ( a * + b ^Pkp ) Ф ( t H ) + ⁽ a * + b * P kp ^{)ф (} t n ) ^- o p ^{{( ь ф}( t H ) + £?( t n ^)} ,   (2)

где G - математическое ожидание часового расхода топлива на данной передаче, кг/ч; a * , b * , a *‘, b ', a * , b * - коэффициенты аппроксимации характеристики трактора по расходу топлива.

Величина средних значений удельного тягового расхода топлива gкр рассчитывалась по формуле gкр

G T =   ,

N kp

где G - математическое ожидание часового расхода топлива, кг/ч; N_kp - математическое ожидание тяговой мощности, кВт.

Буксование трактора 6 и рабочую скорость движения агрегата V_p при максимальном значении силы тяги трактора КР_кр с учетом f -коэффициента сопротивления качению (для 1К - f = 0,08; 2К - f = 0,06) устанавливаем с помощью следующих выражений [5]:

∙( кр -  )

(  - кр )  ^;

Т ∙10

^р (   ∙ кр ∙     _у ^∗ _д )^,

где а, b, d - коэффициенты (а = 0,163, b = 0,979, d = 0,04 для 2К); ттр - КПД трансмиссии; тт - тяговый КПД; т^- - оптимальная величина удельной эксплуатационной массы трактора, кВт/кг; д - уско рение силы тяжести; кркр - коэффициент использования сцепного веса.

Чтобы определить наиболее рациональные параметры тяговой характеристики трактора с учетом переменного характера внешней нагрузки, предпочтительно использовать методику оптимизации, которая учитывает одновременное влияние на показатели работы МТА двух ведущих критериев - тяговая мощность и часовой расход топлива. Для решения этой задачи предпочтительна методика многокритериальной оптимизации энергоматериальных затрат на режиме рабочего хода агрегата с использованием генетических алгоритмов [6].

Данная методика оценивает рациональные режимы работы двигателя и трактора с помощью обобщенного критерия - минимум энергозатрат тех-

*

нологического процесса ^ Е^ . Этот критерий учитывает минимальное значение потерь энергии при снижении производительности МТА и повышении расхода топлива. Он рассчитывается как соотношение энергозатрат при базовом значении нагрузочного режима трактора (ЛР = 1,0) и суммарных энергозатрат при работе трактора на оптимальном режиме АР для текущего значения коэффициента вариации силы тяги Ркр.

Результаты исследований . Результаты расчета параметров тяговой характеристики с учетом коэффициента вариации нагрузки v_p трактора JohnDeere 8310R и его эксплуатационной массы т ^ , соответствующей оптимальным значениям удельной массы т уд при работе на основных операциях обработки почвы, представлены в таблице 1 [5].

Оптимальные нагрузочные режимы работы A ^∗ трактора JohnDeere 8310R (для основных групп операций обработки почвы)

Таблица 1

(U S c zr 1= 05 > Q. 1— Г О	V р ∗, м/с	ν P	к s zzr 05 05 c О ^	m э ∗ , кг	gк ∗ р , г кВт ∙ ч	< co ® * S * cl Ф ^ 05 о о c	05 £ Ф ш ш ^ s x Q? О	A ∗	05 Cl 05 CL 05 C CL 05 О ZE	v ∗ ропт , м/с
1	LO 04 o' +1 CXI cxf	0,15	1К	14580	357	147	65	1,0	10	2,26
			2К	16230	340	155	69	1,03	10	2,25
		0,2	1К	14580	361	142	63	0,97	10	2,25
			2К	16230	341	152	70	1,05	10	2,18
2	co о +1 cxf	0,1	1К	14580	354	151	56	1,02	11	2,70
			2К	14690	338	159	60	1,04	11	2,64
		0,15	1К	14580	355	149	56	1,02	11	2,66
			2К	14690	338	156	60	1,04	11	2,60
3	LO о +1 CO co	0,06	1К	11550	353	153	42	1,03	13	3,6
			2К	12900	332	163	45	1,07	13	3,62
		0,1	1К	11550	352	152	42	1,03	13	3,62
			2К	12900	332	161	45	1,07	13	3,58

Анализ расчетных данных показал, что для комплектации 1К наиболее универсальной, исходя из возможности использования трактора в составе агрегата для выполнения всех трех групп операций почвообработки, является масса m_э = 14 580 кг. При такой эксплуатационной массе трактора рабочие скорости V _р ^∗ агрегата наиболее соответствуют агротехническим требованиям. Комплектация mэ =11 550 кг с одинарными колесами может быть использована на операциях третьей группы ( \_р ^∗ =3,3±0,5 м/с) и транспортных работах.

Энергетические показатели трактора на одинарных колесах при различных значениях коэффициента вариации нагрузки ν на данной передаче несущественно отличаются при одинаковой величине mэ. Оптимальные нагрузочные режимы при ν = 0,06–0,2 находятся в зоне степени загрузки трактора A∗ = 0,97–1,1. Причем в зависимости от номера передачи они смещаются в сторону максимальной силы тяги I кр max . Тяговый режим A∗ = 1,0 соответствует максимальному значению тяговой мощности трактора. Тяговая мощность трактора N кр снижается при значении ν = 0,15–0,2 (операции почвообработки первой группы) на 6 % практически на всех передачах. Удельный расход топлива gкр увеличивается незначительно, в основном при су- щественном увеличении коэффициента вариации ν . Необходимо отметить, что благодаря большому запасу крутящего момента у двигателя трактора JohnDeere 8310R (коэффициент приспособляемости по крутящему моменту Кп = 1,4) колебания внешней нагрузки не оказывают существенного влияния на величину энергетических показателей характеристики трактора.

Установка сдвоенных колес позволяет улучшить параметры тяговой характеристики трактора. Например, тяговая мощность трактора увеличивается в среднем на 6 %. Это происходит за счет снижения потерь на сопротивление перекатыванию f и на буксование δ . Потери мощности N _кр , обусловленные воздействием на агрегат и трактор переменных внешних факторов, составляют 5 % при максимальной величине ν , что несколько ниже, чем при комплектации 1К. Снижение потерь мощности при использовании сдвоенных колес обусловлено снижением величины сопротивления перекатыванию f с 0,08 на одинарных колесах до 0,06 для комплектации 2К [5].

Исходя из данных расчетов, можно утверждать, что наиболее рациональной является комплектация трактора с массой mэ=14690 кг на сдвоенных колесах (2К). Это подтверждают значения параметров тяговой характеристики трактора при различных значениях коэффициента вариации ν .

Для операций почвообработки третьей группы трактор с минимальным балластированием желательно также оснащать сдвоенными колесами (комплектация mэ = 12900 кг, 2К), так как мощность трактора в этом случае возрастает на 7 % по сравнению с комплектацией mэ=11 550 кг на одинарных колесах (1К). Максимальное балластирование (mэ=16 230 кг) со сдвоенными колесами дает ощутимое преимущество при выполнении операций первой группы.

Результаты расчетов с использованием методики многокритериальной оптимизации энергоматериальных затрат представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы трактора

(U S c zr 1= 05 > Q. CL О 1— Г О	р ∗, м/с	ν P	Ji 05 CR q s г zzr О |-	m э ∗ , кг	N кр , кВт	G T , кг	A ∗	Номер передачи	∗ λ ЕМТА
1	LO CM o' +1 CXI СЧ	0,15	1К	14 580	142	49,7	0,846	10	0,996
			2К	16 230	154	52,0	0,941	10	0,990
		0,2	1К	14 580	140	50,0	0,892	10	0,989
			2К	16 230	151	51,0	0,941	10	0,977
2	co +1 СЧ	0,1	1К	14 580	151	53,4	1,0	11	0,967
			2К	14 690	158	53,45	1,02	11	0,974
		0,15	1К	14 580	146	51,6	0,930	11	0,983
			2К	14 690	155	52,0	0,955	11	0,987
3	LO +1 co co	0,06	1К	11 550	153	53,83	1,01	13	0,956
			2К	12 900	163	53,95	1,07	13	0,957
		0,1	1К	11 550	152	53,55	1,03	13	0,957
			2К	12 900	161	53,46	1,05	13	0,955

Анализ результатов двухкритериальной оптимизации, представленных в таблице 2, во многом соответствует данным таблицы 1. Среднее значение степени загрузки трактора A ^∗ _р составляет 0,98, средние значения мощности N _кр практически соответствуют значениям тяговой мощности в таблице 1 для оптимальных нагрузочных режимов. Минимальные значения энергозатрат на рабочем режиме и наименьшие значения суммарных эксплуатационных затрат обеспечиваются в диапазоне значений нагрузочного режима работы трактора A ^∗ р = 0,85–1,07. На повышенных передачах значения нагрузочных режимов A_р ^∗ заметно смещаются в зону максимальной силы тяги F кр max ( A_р > 1,0) . Это смещение A ^∗ _р характерно для почвообрабатывающих операций третьей группы при рабочих скоростях I_р ^∗ = 3,3 м/с. На операциях первой (I _р ^∗ =2,2 м/с) и второй (V _р ^∗ =2,7 м/с) групп почвооб-работки нагрузочные режимы A_р ^∗ ≤ 1,0, т. е. находятся на участке тяговой характеристики трактора между значениями номинальной F_{кр н} и предельной F кр п силы тяги, в диапазоне частоты вращения вала дизеля 2100 ≥ n_д ≥ 1900 мин ^-1 .

Выводы

• 1.    При переменном характере внешних воздействий значения оптимальных нагрузочных режимов колесного 4К4а трактора находятся в зоне степени загрузки A ^∗ = 0,97–1,1.

• 2.    Оснащение трактора сдвоенными колесами позволяет значительно улучшить параметры тяговой характеристики, например тяговая мощность N кр увеличивается в среднем на 6 %. Потери мощности в результате воздействия переменной нагрузки для комплектаций 1К и 2К составляют соответственно 6 и 5 %.

• 3.    За счет вариации величины эксплуатационной массы трактора и использования сдвоенных колес можно существенно увеличить эффективность его использования для выполнения различных групп почвообработки.

• 4.    В результате двухкритериальной оптимизации установлено, что оптимальная степень загрузки трактора A ^∗ _р в среднем составляет 0,98.