Реализация потенциальных возможностей колесных тракторов высокой мощности

Введение. Широкое внедрение ресурсосберегающих технологий обработки почвы (минимальной и нулевой) активизировало российский рынок колесных 4к4б тракторов высокой мощности (240–400 кВт ). Доля их продаж за последние пять лет достигла 8,5 % [1], основу которых составили отечественные модели серии К-744Р ЗАО «Петербургский тракторный завод» и Versatile-2375 ООО «Ростсельмаш». Многооперационные почвообрабатывающие комплексы на базе таких тракторов обладают высокой потенциальной производительностью и позволяют существенно сократить количественный состав машинно-тракторного парка основных товаропроизводителей. Однако максимальная их эффективность может быть достигнута только при оптимальном соотношении параметров и режимов рабочего хода тракторов.

Выполнение малоэнергоемких операций второй и третьей групп (безотвальная, поверхностная и предпосевная обработка почвы, посев по стерне и др.) [1] в интервале рабочих скоростей 2,70–3,80 м/с требует в 1,25–1,75 раза меньшей силы тяги на крюке по сравнению с наиболее энергоемкими операциями (отвальная вспашка и глубокое рыхление) первой группы при скорости 2,00–2,45 м/с и соответствующего снижения массы трактора. В противном случае значительно увеличиваются затраты мощности и, соответственно, расход топлива на его передвижение. Перемещение одной тонны массы трактора на стерне нормальной влажности со скоростью 3,0–3,5 м/с требует 0,40–0,50 кг/ч дизельного топлива [1, 2]. Поэтому в основу технологической адаптации указанного типа тракторов положено ступенчатое регулирование эксплуатационной массы путем использования жидкого и твердого съемного балласта, а также сдваивания колес с изменением давления в шинах до начала технологического процесса в установленном интервале рабочих скоро- стей и применение позиционно-силового регулирования заднего навесного устройства в режиме рабочего хода.

Особая роль при балластировании отводится рациональному распределению веса (массы) по осям трактора для обеспечения равенства нормальных реакций почвы на передние У и задние У _K колеса в режиме рабочего хода. Однако рекомендации изготовителей, как правило, не учитывают различие тягово-скоростных режимов использования и особенности агрегатирования тракторов с рабочими машинами разного технологического назначения. Поэтому актуальным является обоснование основных принципов оптимизации и условий распределения массы по осям при использовании трактора 4к4б в технологиях почвообработки.

Цель работы. Обоснование условий оптимальной адаптации колесных 4к4б тракторов высокой мощности к технологиям почвообработки.

Задачи исследования:

• 1)    сформировать модели и алгоритм оптимизации массоэнергетических параметров трактора в составе тягового агрегата;

• 2)    обосновать соотношения удельных показателей технологичности для оптимальной адаптации трактора на одинарных и сдвоенных колесах к технологиям почвооб-работки;

• 3)    определить эффективность ступенчатого дифференцирования массы и сдваивания колес при эксплуатации трактора.

Условия и методы исследования. Поставленные задачи решали с учетом установленных ранее [2, 3] условий, показателей и ограничений по использованию и балластированию колесных тракторов высокой мощности:

• -    основной показатель технологичности трактора – удельная масса для разных технологий почвообработки определяется соотношением номинальных значений, рабочей скорости V*. и тягового режима р^. в установленном по буксованию диапазоне использования m У di = П н -10³/ g -Р кр_Н • V H ) i ;

• -    базовой комплектации трактора с установленной по ГОСТ 18509-88 эксплуатационной мощностью двигателя N еэ соответствует масса m ₀ (вес G_o = m ₀ ■ g ) на одинарных (К-744Р 3 /Р 4 ) или сдвоенных (Versatile-2375) колесах без жидкого и твердого балласта, без топлива в баке, дополнительного оборудования и оператора;

• -    минимальная эксплуатационная масса m увеличивается, за счет указанных составляющих без учета массы балласта при заполнении топливных баков на 50 %, до т_{э 0} = (1,06 - 1,08) m ₀, которой соответствуют минимальный эксплуатационный вес G = m ⋅ g и

• удельная масса m ;

• -    оптимальное распределение эксплуатационного веса G = m ⋅ g трактора по осям для обеспечения наилучших показателей тягово-сцепных свойств, управляемости и продольной устойчивости характеризует равенство нормальных реакций почвы на передние и задние ко-

• леса в номинальном тяговом режиме равномерного рабочего хода по горизонтальному участку У = У = 0,50G~;

П K Э

• -    практически на всех новых моделях колесных 4к4б тракторов основное регулирование эксплуатационной массы производят установкой разного количества неподвижных балластных грузов на подмоторной и грузовой полурамах (рис. 1).

В основу решения поставленных задач положена методология многоуровневой системы адаптации энергонасыщенных тракторов к операционным технологиям поч-вообработки.

Результаты исследования и их обсуждение. В условиях установившегося режима рабочего хода по гори- зонтальной поверхности значения реакций УП и УK определяются соотношением абциссы центра масс a и ц продольной базы трактора L(ац / L) , величиной тяговой нагрузки Ркр = фкр • G3 и сопротивления передвижению pr = f - G, , динамическим радиусом ведущих fЭ колес rд и ординатой точки прицепа h .

В номинальном режиме рабочего хода при P для каждой группы операций нормальные реакции почвы на передние Y и задние Y колеса ynHi= [ ms' g - ai  PKPHi - hKP  m3i' g- f - rd ]/L;

УKHi =[ms- g- (L -a^) + PKPHi-hKP -cosa + m^g-f-rd]/L + PKPHi-sina или

• YnHi = ^m3i ^{- g - [} am ^ KPHi ^- h KP   f ^- r d ^{]/ L ;}

Y KHi = m3■ • g ^{- {[( L - а} ц ) + V kph ^- h KP ^- cos ^a + ^{f -} r d ^{]/ L} + P kph ^- sin a }.

где a = 0 - 10 град - угол наклона силы тягового сопротивления к поверхности пути.

а

б

Рис. 1. Балластирование колесных 4к4б тракторов: а – К-744Р3 и К-744Р4; б – Versatile, John Deere, New Holland+Case

Реакцию почвы на колеса неподвижного трактора, свободного от нагрузки на прицепном (навесном) устройстве ( P y = P = 0 ), характеризуют статические значения

• ^У ПСГ1    m Э i ^{- g - а} ц i / ^L ;

У KCT = m Э , • g ^{- ( L - а} цi ) L .

Характер изменения реакций почвы на передние и задние колеса трактора с разной эксплуатационной массой от тягового усилия при a = 0 (рис. 2) определяет условие его эффективного использования в технологиях почвообработки разных групп

*

^PKPHi = m Э i ^{- g - ( а}ц i ^— ^ ПР ^{- L} - ^{f -} r d V h KP • ⁽⁴⁾

Рис. 2. Зависимости реакций почвы на передние у и задние У колеса трактора 4к4б при разной степени балластирования

Тогда абцисса центра масс трактора при оптимальной нагруженности передних и задних колес в номинальном        режиме        рабочего        хода

ЛПР н = Упа /• Ga = Укн /• Ga = °,50 определится как ацi = °,5 • L + hKP • ^KPHi + f • rd •        (5)

У трактора базовой комплектации с минимальной эксплуатационной массой m и абциссой центра a полная масса дополнительного балласта для каждой группы операций m составит

*

^mБПi = m Э i - ^т Э0 .           (6)

Массы переднего m и заднего m балластов для получения рекомендуемого веса G * трактора и рационального распределения его по осям в статике определяются решением уравнений моментов относительно осей передних О и задних О колес с использованием расчетной схемы (рис. 3).

Рис. 3. Расчетная схема определения массы переднего и заднего балластов тракторов 4к4б

Без установки балласта G ‘₂ (Versatile-2375 для прицепного оборудования)

\ ^У ПСТ = [ ^G Б 1 • ( ^L + ^а П ) + ^G Э 0 • ^а ц 0 + ^G Б 2 • a K ^{] / L} ;         (7)

[ У K СТ = ^{[ G} 30 • ^{( L} - ^а ц 0 ) + ^G Б 2 • ^{( L} - a K ) - ^G Б 1 • a n ] ^{1 L.}

Обозначив относительные величины абцисс центра масс, заднего и переднего балластов как л = а // L ,

Ц 0       Ц 0

Л = ац /L , АП = (L + аП)/L , AK = ак IL из уравнений (7) при а = 0 получим тБ 1 i = (m Э i ’ Ац 1  m Э0 ’ Ац 0  тБ 2 i ’ AK )/АП;

.mБ2i = (mЭi - mЭ0 - mБ1i), теристик съемного балласта m*Б1уд и m*Б2уд для операций почвообработки каждой группы на одинарных и сдвоенных колесах является равенство при     Am 0,5 + (hKP ■ ^KPHi + f • rd )/L.  (9)

Количество n _Гi съемных балластных грузов зависит от их массы m_Гi

^mK 2 yd

= ^myd1 к

^П ТН 2 K '^ KPH 1 K — 1 у ^П ТН 1 K • ^ KPH 2 K     у

= m yd1 K • { A^ th / A^ KPH  1 )

*

n_ri = m^ 1 / m_r о

Г1         Б 1       Г 1"

*

n_{r 2} = т_{Б 2} / m_{r 2}.

При прогнозировании и оптимизации эксплуатационных параметров и степени балластирования колесных тракторов для ресурсосберегающих технологий почвооб-работки более универсальным является использование основного показателя технологичности – удельной массы m . В этом случае выражение (8) примет вид mE 1 уд = (myd • Ац  myd0 • Ац 0  тБ 2 уд • AK )/ АП;

m Б 2 yd = ⁽ m Уд - m у d 0 - m Б 1 уд )•

*

Тогда удельная масса трактора на одинарных m и сдвоенных m     колесах для технологий почвообра- ботки разных групп будет включать соответственно m Уд 1 к = m уд 0, K +(m Б1 yd + m Б 2 yd ) k ;

^m у d 2 K = ^m у d 0_{2 K} + ^{( m} Б 1 yd + ^тБ 2 yd ) 2 K ;     ⁽¹²⁾

m K 2 yd = m у d 0 2 к - m у d 0 . к •

Удельная масса дополнительного комплекта передних и задних колес указанных моделей тракторов с эксплуатационной мощностью 240–350 кВт составляет [4] тк2_Уд = (6,0 - 8,0) кг / кВт , существенно увеличивая m без изменения абциссы центра масс A . Условием неизменности количественных и качественных харак-

Алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров трактора при установленных по технической характеристике значениях N _е э , m _Э0 , L , h^, , ^f , г_д , а ц ₀ , а_п , а к включает: установление зависимостей буксования движителей и тягового КПД трактора от коэффициента использования веса ц_Т 8 = f (Фкр ); обоснование рационального по буксованию (^_Plliп - ф_кр и номинального (^ KPH min — ^ KPH max ) значений тягового Диапазона, соответствующих номинальным тягово-скоростным режимам использования трактора в интервале ( V H max — V H min ); определение m у d 0 и m у di Для технологий почвообработки разных групп и основных комплектаций при m_K2уд = idem ; расчет абциссы центра масс а_ц ( A ); определение удельной массы общего m*_Буд , переднего m * и заднего m*_Б2уд балластов; расчет      эксплуатационной      массы      трактора

*          *

mэ, = mд ^n • Ne3, переднего mБ! = mE!yd = ^n • N_, и заднего m*2 = m*2д = ^ • Ne3 балластов при оптимальном значении коэффициента использования мощности двигателя £_ [1]; комплектование и установка соответствующего балласта.

На основании экспериментальных зависимостей ц_т , 8 = f ((р_№ ) и разработанного алгоритма оптимизации обоснованы тягово-скоростные режимы использования мобильных энергосредств колесной формулы 4к4б с одинарными и сдвоенными колесами для совокупности родственных операций основной обработки почвы разных групп и соответствующие им оптимальные значения удельной массы (табл. 1, рис. 4).

Рациональные тягово-скоростные режимы и удельные параметры колесных 4к4б тракторов

Таблица 1

Группа операций	__* V V H , м/с	Компл.	Ф ан	* m у d - кг/кВт	л * Aц	* m 1у d , кг/кВт	* m 2у d , кг/кВт	V H min ’ м/с	H max , м/с
1	2,20	1К	0,46	67,7	0,578	39,1	28,6	2,20	2,74
		2К	0,45	73,7	0,571	42,1	31,6	2,20	2,81
2	2,70	1К	0,42	61,1	0,570	34,8	26,3	2,44	3,04
		2К	0,41	67,1	0,565	37,9	29,1	2,41	3,09
3	3,33	1К	0,38	55,7	0,565	31,5	24,2	2,67	3,33
		2К	0,36	62,2	0,560	34,8	27,4	2,60	3,33

Повышению номинальной скорости установившегося режима рабочего хода V ^* с 2,20 до 3,33 м / с (в 1,51 раза) при обоснованных значениях ϕ и η , независимо от комплектации, соответствует допустимое снижение удельной массы трактора λ m = m ^* / m ^* = 1,21. Указанное соотношение λ m ^* _{уд max} = λ m _Э ^* _max при m ^* _{уд 3} ≥ m _{уд 0} и A_{ц 0} >  A_ц ^* ₃

достигается изменением массы переднего m ^* и заднего m ^* балластов.

Сдваивание колес при неизменных ϕ _KPHi увеличивает m ^* в среднем на 5,7 % (3,3–4,0 кг/кВт ) за счет снижения потерь на перекатывание и соответствующего повышения тягового КПД трактора.

Рис. 4. Рациональные режимы и удельные параметры колесных 4к4б тракторов для технологий почвообработки:

- одинарные;--сдвоенные колеса.

Рис. 5. Зависимости допустимого по буксованию ( V - V п ) и номинального (V -V    ) интервалов рабочих скоростей от удельной массы колесного 4к4б трактора

Рациональные диапазоны номинальных тяговых режимов при использовании тракторов в зональных технологиях почвообработки зависят от комплектации. При m^д = 6,0- 6,5кг/ кВт диапазон (р^Ып - р№нmax) на одинарных (0,38–0,46) и сдвоенных (0,36–0,45) колесах ограничен буксованием 9,6–14,2 и 7,8–12,4 соответственно. Абцисса центра масс A*, определяющая рацио-ц нальное распределение m*, по осям (m**уй и m*уй ), практически не зависит от ее величины и комплектации трактора.

При установленных ограничениях определены зависимости допустимого по буксованию ( V - V ) и номинального ( V - V ) интервалов рабочих скоростей от удельной массы трактора (см. табл. 1, рис. 5). С учетом занятости в технологиях почвообработки это позволило рекомендовать m *_й2 как основную при определении эксплуатационной массы трактора на одинарных и сдвоенных колесах для интервала рабочих скоростей от

2,45 до 3,05 м/с . При рабочих скоростях ниже 2,45 м/с и выше 3,05 м/с следует использовать трактор соответственно с максимальной m *_Й1 и минимальной m *_й3 удельной массой.

Предлагаемая система оптимизации режимов работы и параметров колесных тракторов за счет дифференциации удельной массы позволит реализовать их потенциальные возможности в зональных технологиях почвообработки с наименьшими затратами. Увеличение на 18–21 % удельной массы, за счет рационального балластирования, обеспечивает (табл. 2) повышение номинального тягового усилия в 1,47–1,48 раза при минимальном снижении выходного энергетического показателя N_KPн. Трактор используется при этом в смежном повышенном тяговом классе для энергоемких операций почвообработки первой и второй групп. Сдваивание колес обеспечивает повышение тяговой мощности трактора и, соответственно, потенциальной возможности агрегатов в технологиях почвооб-работки на 5,8–7,2 % при двухкратном снижении удельного давления на почву.

Таблица 2

Соотношение тягово-энергетических показателей колесных 4к4б тракторов при дифференциации удельной массы

Группа операций	λ V H	1К			2К			2К/1К
		Л т у д	λ P KPH	λ N KPH	λ m у д	λ P KPH	λ N KPH	λ m у д	Л РКРН ( ^ NKPH )
1	0,661	1,215	1,470	0,974	1,185	1,481	0,981	1,089	1,065
2	0,811	1,097	1,210	0,987	1,078	1,230	1,002	1,098	1,072
3	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,117	1,058

Выводы

• 1.    Сформированы модели и разработан алгоритм адаптации колесных 4к4б тракторов высокой мощности к зональным технологиям почвообработки, в основу которых положена оптимизация номинальных тяговых режимов и удельной массы для ступенчатого дифференцирования и рационального распределения по осям эксплуатационной массы.

• 2.    Обоснованы номинальные тягово-скоростные режимы и соответствующие им значения удельной массы тракторов разной комплектации при одинаковых параметрах съемного балласта, обеспечивающие максимальную реализацию их потенциальных возможностей в отличающихся по энергоемкости технологиях.

• 3.    Увеличение на 18–21 % удельной и, соответственно, эксплуатационной массы, за счет рационального балластирования, приводит к возрастанию номинального тягового усилия с переходом трактора в смежный повышенный тяговый класс до 47–48 %. Сдваивание колес обеспечивает повышение тяговой мощности трактора и потенциальной производительности агрегата на 5,8–7,2 % при двухкратном снижении удельного давления на почву.