Рациональные тягово-энергетические показатели колесного 4К4 трактора при реализации ресурсосберегающих операций почвообработки

Обоснование тягово-скоростных диапазонов и параметров энергонасыщенных колесных тракторов должно учитывать тот фактор, что на трактор, входящий в состав почвообрабатывающего агрегата, оказывают существенное воздействие колебания силы тяги на крюке.

Современные двигатели в сочетании с агрегатами трансмиссии колесных 4К4 тракторов в значительной степени увеличивают эффективность работы почвообраба-

тывающих агрегатов [1; 2], благодаря большому запасу крутящего момента и наличию электронных систем топливоподачи, однако наличие у тракторных дизелей режима постоянной мощности не исключает негативного воздействия переменных внешних факторов на выходные параметры и режимы работы почвообрабатывающего агрегата. Вероятностный характер нагрузки, поступающей со стороны рабочей машины на ведущие колеса трактора, генерирует колебательные процессы в динамической системе моторно-трансмиссионной установки трактора, которые, в свою очередь, отрицательно влияют на технико-экономические показатели машинно-тракторных агрегатов (МТА) при выполнении операций почвообработки.

Поэтому оценка влияния переменной нагрузки на параметры тягово-динамической характеристики трактора и соответственно технико -экономические показатели работы МТА дает возможность установить наиболее энергосберегающие тягово -скоростные диапазоны и параметры энергонасыщенных колесных тракторов улучшенной классической компоновки для зональных технологий почвообработки.

Определение степени влияния колебаний нагрузки на тягово-энергетические показатели различных почвообрабатывающих агрегатов предпочтительно устанавливать с помощью вероятностно-статистического метода, который основан на использовании детерминированных функций законов распределения и количественных характеристик входных переменных воздействий на МТА. Метод функций случайных аргументов представлен в работах Л.Е. Агеева [3; 4] и в работах, выполненных с использованием его универсальной расчетной методики [5; 6].

Материалы и методы исследований

В качестве объекта исследований рассматриваются колесный 4К4б трактор «Кировец» К-424 и параметры его тяговой характеристики.

Средние значения тяговой мощности трактора с двигателем постоянной мощности на различных передачах находим с помощью выражения [6]:

N kp    f P kp

0,5 a P kp + b P kp + b O P + a, P i„ +b, A p +b, ст р Ф ( t_H ) +

²         -I       3          Z . X              Z 7 I Z . X                7     , Z . X         X

+ aH Pkp + bH Pkp + bHcrP Ф(tn) - p>b {b,

Ф(tH ) = Htt ^Л

tHr   tHZ е /H dt - функция Лапласа для аргумента tH; ^(tn) = Htt /н

exp -0,5?²

–

плотность распределения аргумента t_n; ф(t_H ) = 2тг^/H exp -0,5t_H

- плотность распре-

деления аргумента t_H;  Pkp

–

среднее значение силы тяги,

кН; tn-Pp-^,

P

t   Pkp.н -Pk t = —------; gp - среднеквадратическое отклонение силы тяги трактора.

P

Математические ожидания часового расхода топлива Gy рассчитывались по формуле [3]:

GT =0,5 a * ^b * Pkp + a* + b* Pkp Ф t_H +(a₂* ^b* Pkp )Ф (t_n)-yP {(b^ t_H +b>( t_n)}, (2) где G_T – математическое ожидание часового расхода топлива на данной передаче, кг/ч; a*,b*,a2,b*,a*,b- коэффициенты аппроксимации тяговой характеристики часового расхода топлива.

Величину удельного тягового расхода топлива g_кр на различных передачах рассчитываем с помощью формулы

G gкр _N kp

,

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

Расчет рабочей скорости    на различных режимах (    ,    ,       ) выпол нялся по формуле

ТГ-Пд Гд

, ^,

где – частота вала дизеля, об./мин; – число трансмиссии на данной передаче;

к —

ций

– динамический радиус ведущего колеса; – буксование движителей трактора.

Значения оптимальной эксплуатационной массы трактора для комплекта-1К (одинарные колеса) и 2К (сдвоенные колеса) с различной величиной балласт-

ных грузов, соответствующие оптимальным значениям удельной массы , определялись с помощью выражения [4]:

,

где – эксплуатационная мощность дизеля трактора, кВт; – оптимальная степень использования мощности двигателя.

Значения    (кг/кВт) определяем с помощью выражения [7]:

m,

77Т-1О3

,

где – тяговый КПД; – ускорение силы тяжести;    – оптимальное значение коэф фициента использования сцепного веса; – номинальная скорость движения агрегата на операциях почвообработки, м/с.

Расчет буксования δ движителей тракторов колесной схемы 4К4б для комплектаций 1К и 2К [8]:

– комплектация 1К (одинарные колеса):

5 =

«'^кр

,

где – коэффициент использования сцепного веса трактора;

– комплектация 2К (сдвоенные колеса):

g _ а-(<Ркр-сі) , где a, b, d – расчетные коэффициенты (a = 0,11, b = 0,773, d = 0,04 для 2К);

Коэффициент использования сцепного веса рассчитываем по формуле

_ Ркр

,

где = сила тяги на крюке; кН      .

Результаты расчета параметров тяговой характеристики трактора К-424 представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Тяговая характеристика трактора К-424 при величине эксплуатационной массы 10276 кг и комплектации 1К (^кр.опт – сила тяги, соответствующая оптимальному уровню режима)

Рис. 2. Тяговая характеристика трактора К-424 при величине эксплуатационной массы 11042 кг и комплектации 2К

Результаты исследований

Анализ расчетных данных позволяет утверждать следующее. Эксплуатационная масса трактора К-424 т_э = 10276 кг является для комплектации 1К наиболее универсальной при использовании трактора в составе различных агрегатов для выполнения основных трех групп почвообрабатывающих операций [9; 10]. При таком значении эксплуатационной массы трактора рабочие скорости ^р агрегата наиболее соответствуют агротехническим требованиям. Трактор с данной т_э желательно использовать на вспашке. Трактор с массой т_э = 8125–8872 кг и комплектацией 1К может быть использован на операциях почвообработки третьей группы (tp* = 3,3 ± 0,5 м/с), а также для выполнения транспортных работ.

В результате проведенных исследований установлено, что величина тяговоэнергетических показателей трактора с комплектацией 1К (одинарные колеса) при воздействии на трактор колебаний силы тяги на крюке на данной передаче в диапазоне

= 0–0,2 несущественно отличается при одинаковой величине т_э . Значения оптимальных нагрузочных режимов при коэффициенте вариации нагрузки v = 0,05–0,2 соответствуют тяговому режиму трактора Ар = 0,85–0,97, в зависимости от номера передачи они смещаются в сторону номинального значения силы тяги на крюке ^кр.н . Максимальная загрузка трактора Ар = 1,0 соответствует максимальной мощности трактора на данной передаче. Тяговая мощность трактора ^кр при значениях коэффициента вариации силы тяги V = 0,15–0,2 (почвообрабатывающие операции первой группы) снижается на 9–10% на всех передачах основного тягового диапазона. Заметное увеличение удельного расхода топлива g_кр установлено при значениях коэффициента вариации V = 0,15–0,2. Благодаря большому запасу крутящего момента у двигателя трактора К-424 (коэффициент приспособляемости дизеля по крутящему моменту К_п = 1,35), колебания внешней нагрузки несущественно влияют на значения показателей тяговой характеристики трактора в диапазоне значений V = 0,05–0,15.

Применение комплектации 2К (сдвоенные колеса) позволяет существенно улучшить параметры тяговой характеристики трактора. Согласно расчетам, значения тяговой мощности трактора на разных передачах увеличиваются на 9%. Этот положительный эффект может быть достигнут за счет снижения потерь мощности на преодоление сопротивления перекатыванию f и на буксование δ. Снижение мощности ^кр , обусловленное негативным воздействием на агрегат и трактор переменных внешних воздействий, составляет 8–10% при значении коэффициента V = 0,2, что несколько меньше, чем при базовой комплектации 1К. В данном случае снижение потерь тяговой мощности при установке сдвоенных колес обусловлено снижением величины коэффициента сопротивления перекатыванию f с 0,07 на одинарных колесах до 0,05 для комплектации 2К, что приводит к большой адаптации тяговой характеристики трактора к воздействию колебаний внешней нагрузки.

Анализ расчетных данных позволяет утверждать, что при выполнении операций почвообработки трех основных групп комплектация трактора с массой т_э = 11042 кг на сдвоенных колесах (2К) является наиболее универсальной. Это подтверждают расчетные значения параметров тягово-динамической характеристики трактора при различной величине коэффициента вариации V .

Трактор с минимальным балластированием при выполнении операций почвооб-работки третьей группы желательно также оснащать сдвоенными колесами (комплек- тация m3 = 8940 кг, 2К). В данном случае мощность трактора возрастает на 7% по сравнению с комплектацией тэ = 8125 кг на одинарных колесах (1К). Применение максимального балластирования (тэ = 11042 кг) и сдвоенных колес дает ощутимое преимущество при использовании трактора на операциях первой группы.

Трактор с массой 9787 кг и комплектацией 2К имеет наиболее эффективные показатели тяговой характеристики на операциях второй и третьей групп почвообработки. Это подтверждают расчетные значения тяговой мощности ^кр и удельного расхода топлива 9кр. Недоиспользование тяговой мощности на 3-й и 4-й передачах с данной комплектацией составит 10–8%. Оптимальные нагрузочные режимы Хр = 0,86–0,974. Дальнейшее увеличение балласта нецелесообразно.

На рис. 1 и 2 представлены тяговые характеристики трактора с эксплуатационными массами 10276 кг и 11042 кг, которые являются универсальными для всех трех групп почвообрабатывающих операций с комплектациями 1К и 2К соответственно.

Установка сдвоенных колес позволяет существенно улучшить энергетические показатели трактора, прежде всего за счет снижения буксования и коэффициента перекатывания. Тяговая мощность ^кр увеличивается в среднем на 10 кВт, расход топлива 9кр снижается на 30 г/кВт∙ч.

Тяговый КПД Лт у трактора с комплектацией 2К существенно выше, чем для 1К, его значения находятся в пределах 0,680 и 0,630 соответственно.

За счет буксования сила тяги предельная ^кр.п, соответствующая крутящему моменту М_Кр.п = 885–900 Нм, смещается влево, в сторону номинальной силы тяги ^кр.н . Реальный максимум мощности также смещен влево. Поэтому есть несоответствие с потенциальной характеристикой (значения тяговой мощности, тяговый КПД не соответствуют своим расчетным значениям потенциальной тяговой характеристики). При воздействии колебаний силы тяги это смещение еще больше, оптимальные значения нагрузочного режима находятся в области /L р = 0,81–0,9. Значения тягового КПД в области Л.р также ниже расчетной величины на 9,5%.

Установлено, что под воздействием переменной нагрузки недоиспользование тяговой мощности в области Хр при значении коэффициента вариации V р = 0–0,2 cоставит 9,1% для обеих комплектаций трактора. Заметное повышение удельного расхода топлива 9кр по расчетным данным наблюдается только на участке тяговой характеристики от ^кр.п до ^кр .max . На участке от ^кр.н до ^кр.п удельный расход топлива несколько увеличивается при значениях Vp /* 0,1.

В оптимальном тяговом диапазоне, ограниченном буксованием 0,08 ≤ δ ≤ 0,15, трактор К-424 с эксплуатационной массой 10276 кг (1К) наиболее эффективен на четвертой передаче, т.к. на третьей передаче буксование в области тяговой характеристики от ^кр.н до ^кр.п выше 15%. С массой 11042 кг (2К) максимальная энергетическая эффективность трактора может быть достигнута на третьей передаче.

Заключение

Результаты моделирования характера воздействия переменных внешних факторов на МТА с трактором К-424 показали целесообразность и эффективность применения балластирования и комплектации 2К с целью регулирования эксплуатационной массы для обеспечения рациональных тягово-энергетических показателей трактора в технологически обоснованном интервале рабочих скоростей при реализации ресурсосберегающих операций почвообработки.

S.Yu. Zhuravlev

Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk

Rational traction-energy indicators of 4K4 wheel tractor at implementation of resource-saving operations tillage

The article considers the problem of increasing the efficiency of modern energy-saturated wheel tractors using in the main tillage operations. The purpose of the article is to justify the rational traction and coupling indicators of the wheel 4К4 tractor while performing various tillage operations taking into account the probabilistic nature of the outer load. The research subject is the wheel 4K4b tractor “Kirovets” K-424 and its traction performance. As a result of the carried out studies, it was found that the value of traction-energy indicators of the tractor with complete set of 1К (single wheels) when the tractor is subjected to fluctuations of a traction force on the hook on this gear in the range V = 0–0.2 does not differ significantly at the same value of т_е . Optimal load modes at load variation factor v = 0.05–0.2 correspond to the tractor traction mode Лр = 0.85–0.97, and, depending on the gear number, they shift towards the nominal value of traction force on the hook ^te.n . Maximum load of the tractor Ар = 1.0 corresponds to the maximum tractor power at a given gear. Tractor traction power N_te at the value of the factor of variation of traction force V = 0.15–0.2 (tillage operations of the first group) decreases by 9–10% on all gears of the main traction range. Noticeable increase of fuel rate gкр is identified at values of variation factor V = 0.15–0.2. Application of the complete set of 2К (twin wheels) allows improving significantly parameters of tractor traction characteristics. According to the calculations, values of tractor traction power at different gears increase by 9%. Analysis of the calculated data allows stating that while performing tillage operations of three main groups, the complete set of the tractor with a weight of m_e = 11042 kg on twin wheels (2К) is the most universal. This is confirmed by calculated values of parameters of tractor tractiondynamic characteristics at a different value of variation factor v.