Регулирование эксплуатационных параметров тракторов

Введение. Результаты системной оптимизации и экспериментальных исследований показывают необходимость дифференциации эксплуатационной мощности и массы тракторов общего назначения для повышения энергетической и топливной эффективности их использования в различных природнопроизводственных условиях. При принятии решения о выборе трактора для основной обработки почвы следует учитывать не только мощность, но и характеристику двигателя, а также эксплуатационную массу, определяющие его тяговый класс и уровень энергонасыщенности для эффективного агрегатирования.

Адаптация тракторов к природным условиям (длина гона) и разным технологическим процессам об- работки почвы по эксплуатационной массе, мощности и скоростной регуляторной характеристике двигателя предполагает знание интервалов изменения этих параметров и возможность их регулирования до начала рабочего хода. Интервалы регулирования указанных параметров зависят от характеристики тягового сопротивления рабочих машин и скоростных режимов использования тракторов на выполняемых родственных операциях каждой из установленных групп. Обоснование основных (базовых) значений и интервалов регулирования эксплуатационных параметров тракторов производится на пятом, шестом и седьмом уровнях общей системы адаптации с использованием разработанных математических моделей и алгоритмов оптимизации параметров мобильного энергетического средства для конкретных природно-производственных условий [1].

В условиях вероятностного характера тяговой нагрузки главной выходной координатой трактора как динамической системы является скорость поступательного движения, допустимые значения которой определяют зону его эффективного функционирования при выполнении технологических операций в составе агрегата.

Цель работы . Обоснование интервалов и способов регулирования эксплуатационных параметров тракторов для выполнения операций основной обработки почвы.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач :

• 1)    обосновать модели адаптации тракторов к природно-производственным условиям;

• 2)    определить соотношения эксплуатационных параметров для отдельных групп родственных операций основной обработки почвы;

• 3)    установить интервалы и способы регулирования массоэнергетических параметров тракторов для использования в составе почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.

Условия и методы исследования. По энергоемкости и техническому обслуживанию родственные операции основной обработки почвы разделены [1] на три группы:

• 1)    отвальная вспашка и глубокое рыхление с удельным тяговым сопротивлением при V 0 = 1,4 м / с К ₀₁ = 11,0 - 14,0 кН / м , его приращении в зависимости от скорости ДК 1 = 0,15 - 0,18 с ²/ м ² , коэффициенте вариации v _Koi = 0,10 и рациональном интервале рабочих скоростей (V₀ * _pt - V_r n _a x ) ₁ = 1,80 - 2,10 м / с ;

• 2)    послеуборочная безотвальная комбинированная обработка (сплошная культивация), дискование на глубину 0,14-0,16 м и чизелевание (0,18-0,30 м) при К ₀₂ = 4,7 - 6,5 кН / м, ДК ₂ = 0,10 с ²/ м ² , v_{K o2} — 0,07 и (V^ - V Ja _X\ — 2,10 - 2,80 м / с ;

• 3)    послеуборочная поверхностная обработка (лущение стерни), предпосевная обработка и посев по нулевой технологии при К ₀₃ = 3,1 - 5,1 кН / м , ДК₃ = 0,06 с ²/ м ² , v _Ko3 = 0,07 и (V 0 _pt - V * _ax ) ₃ = 2,80 - 3,80 м / с .

В основу адаптации тракторов с механической ступенчатой трансмиссией к природнопроизводственным условиям положено обеспечение оптимальной чистой производительности агрегатов W_t ^ W? , установленной по экономическим критериям оптимальности [1] для каждой технологической операции и соответствующего класса длины гона при функционировании в интервале допустимых значений рабочей скорости V * ± ДV _t и тяговом диапазоне, соответствующем (р _{кр 0pt} <  (р _крн <  р _кр .

Влияние длины гона и вида обработки почвы на эксплуатационную мощность М еэ и массу т э трактора определяется величиной чистой производительности W * , характеристиками удельного сопротивления агрегата К ₀ и р к = [1 + ДК(у _н ² - V 0 ²)] , номинальной рабочей скоростью V/*, показателями номинального тягового режима у _тн и р _крн и значениями коэффициента использования мощности двигателя f ^ :

^ еэ jt — ^Wt * ^Кot * ^р к i^ тн j * ^fNj , ^т э jt ^{— W}* * ^t * Р к t^/V H t * ( крн j * g .

Относительное передаточное число трансмиссии i _к при установленном динамическом радиусе ведущего колеса г д из условия допустимого буксования 6 _0pt <6 _н <  8 _д в номинальном режиме (f ^ * п _н ) определится как

i*..   ; .Jv^t-H^zM и

• ¹    к ji    ¹ тр ji /' д ]         ₃₀*_V *      J¹ .

В общем случае при изменении природно-производственных условий и тягово-скоростных режимов работы, соотношения потребной мощности и массы трактора определяются из выражений [1]:

^ N еэ ~ ^A W * * Л _Ко * A u к ^/Ag т_Н * ^L ,

^Am э - ^A W * * ^АК _О * A u к ^/AV * * Л ф _крн■

Выбор массоэнергетических параметров трактора зависит от его занятости и условий работы на разных видах обработки почвы в течение года. Если трактор предполагается использовать на родственных операциях обработки почвы одной (превалирующей) группы в составе соответствующих агрегатов, значения N _e3 и т _э целесообразно выбирать для интервала (V_o * _pt - Vm_iax\ этой группы и тягового режима, соответствующего г]_{т тах} гусеничного и р _кр = 0,5 (р _{кр opt} + (р_{кр таж} ) колесного тракторов. В этом случае решается проблема энергосбережения на разных технологиях почвообработки за счет создания и использования типоразмерного ряда тракторов, отличающихся указанными параметрами. Такой подход наиболее рационален при разработке системы машин для отдельных регионов и комплектовании парка тракторов крупных предприятий зернового направления.

Для небольших и средних сельскохозяйственных предприятий, в которых культивируются несколько технологий почвообработки, массоэнергетические параметры можно определить с учетом занятости трактора на этих операциях по времени T_t = VJW *\

( ( t N^ ) J = ^S 3 (t v N _e3 ) *i *T i ;

( ^т *j = 1 ^^{3 т} *ji * ^Ti ■

При известных соотношениях объемов работ по разным технологиям V₀ = S 3 V_i и сменной производительности агрегатов для их выполнения

Ti = Vi * Koi * Vкi/^NNes)j- * гтнJ * Ti, где Ti = Тр/Тсм - коэффициент использования времени смены; Т0 = S3 Ti.

Более экономичным вариантом решения проблемы энергосбережения является создание мобильных энергосредств с управляемыми массоэнергетическими параметрами на единой элементно-агрегатной базе, обеспечивающих образование требуемого типоразмерного ряда путем комбинирования мощности и массы.

Величину шага A (( _N N _e3 )j_t и общее количество типоразмеров мощностей следует выбирать с учетом конструктивных, экономических и других соображений. При этом должно соблюдаться общее для всех типов энергомашин соотношение между основными параметрами-адаптерами, определяющее их энергонасыщенность [2]

N еэ _ д*ф крн *V _H m э      д т *^ '

Результаты исследования и их обсуждение. В таблице 1 приведены осредненные значения массоэнергетических параметров колесных и гусеничных тракторов для каждой группы родственных технологических операций основной обработки почвы при установленных диапазонах рабочих скоростей (V_opt - v m _ax ) _i и длине гона L г _ 600 - 1000 м , характерной для АПК Красноярского края.

Таблица 1

Осредненные параметры колесных и гусеничных тракторов для групп родственных операций основной обработки почвы при длине гона 1 _г = 600-1000 м

Группа родственных операций	V opt (Vmax ) , м/с	К м	4к4б 1 (4к4а 1 )		4к4б 2* (4к4а 2* )		Гусеничный
			^ еэ , кВт	т э , т	^ еэ , кВт	т э , т	^ еэ , кВт	т э , т
1-я группа Вспашка отвальная и глубокое рыхление / Ко = 13,65 кН / м , \ К А К = 0,15 с 2 / м 2 )	1,8	1,2	157,8	11,9 13,2	139,2	11,914,0	120,2	7,1 7,5
		1,4	133,3		117,7		101,6
	(2,1)	1,2	181,4	11,813,0	161,0	11,8 13,8	164,9	8,3 8,8
		1,4	153,1		135,8		139,2
2-я группа Безотвальная комбинированная обработка и сплошная культивация ( Ко = 4,8 кН / м , < К А К = 0,10 с 2 / м 2 /	2,1	1,2	196,6	14,0 15,5	172,4	13,9 16,3	158,4	8,7 9,2
		1,4	171,3		150,3		137,8
	(2,8)	1,2	254,8	13,3 14,8	225,7	13,3 15,6	218,8	8,8 9,3
		1,4	222,1		196,8		190,5
3-я группа Поверхностная обработка и К = 3,9 кН / м , А сев ^ А К = 0,06 с 2 / м 2/	2,8	1,2	231,2	12,1 13,4	204,8	12,1 14,2	191,6	7,7 8,1
		1,4	201,6		178,6		167,0
	(3,8)	1,2	303,7	11,5 12,8	268,5	11,5 13,5	-	-
		1,4	264,8		233,4		-

– на сдвоенных колесах.

Значения номинальной эксплуатационной мощности получены с учетом изменения коэффициента ^ при разной приспособляемости двигателя по крутящему моменту ( К м1 =1,2; К м2 =1,4). Минимальные т э _min и максимальные т э _max значения эксплуатационной массы соответствуют ф кр и <р _{кр opt} .

Наименьшие значения М еэ и т э характерны для отвальной вспашки и глубокого рыхления при V_o * _pt 1 = 1,8 м / с . Наивысшая мощность двигателя требуется для поверхностной обработки почвы и посева по нулевой технологии на скорости v m _ax3 = 3,8 м / с , а максимальная масса трактора - для сплошной культивации на скорости V m _ax2 = 2,8 м / с .

Повышение рабочей скорости от V 0 _pti до V m _ax i приводит к опережающему росту мощности двигателя, обусловленному увеличением т э и снижением тягового КПД г] _т. В рассматриваемых интервалах рабочих скоростей и тяговых режимов мощность двигателя и масса трактора на одинарных (сдвоенных) колесах изменяются соответственно в 1,93 и 1,35 (1,41) раза, а гусеничных – в 1,85 и 1,31 раза. По сравнению с колесным трактором мощность двигателя и масса гусеничного трактора ниже на 17–20 и 54–60 % соответственно. Установка сдвоенных колес снижает потребную мощность в среднем на 10,5 %. Увеличение коэффициента приспособляемости К м от 1,2 до 1,4 уменьшает номинальную эксплуатационную мощность двигателя в 1,18 раза на отвальной вспашке и в 1,15 раза на безотвальной глубокой и поверхностной обработке почвы.

Приведенные данные свидетельствуют о существенном отличии оптимальных массоэнергетических параметров как колесных, так и гусеничных тракторов для наиболее эффективного выполнения родственных операций каждой группы при определенной длине гона. Изменение класса длины гона увеличивает численность оптимальных типоразмеров тракторов.

Использование на каждой длине гона и для каждой группы родственных операций своего типоразмера трактора потребует минимум 21-й типоразмер с нерегулируемыми параметрами. На практике это сделать не представляется возможным.

Для сокращения количества типоразмеров тракторов и достижения максимального соответствия их характеру внешней нагрузки необходимо регулирование основных параметров до начала выполнения технологической операции и управление некоторыми из них в процессе рабочего хода.

• В таблице 2 приведены результаты расчетов оптимальных значений и интервалов регулирования эксплуатационных параметров колесных и гусеничных тракторов для операций основной обработки разных групп при длине гона I г = 600 - 1000 м .

С учетом перспективности технологий основной обработки почвы оптимальные значения (т э + т б ) ^ еэ , п н и К _м для операций второй группы можно принять за базовые всех типов тракторов. Характерными признаками тракторов базовой комплектации являются балластирование при т б _тах = (0,075 -0,098)т э (без учета установки сдвоенных колес) и использование ДПМ с п н = 2100 мин ^-1 . Интервал рабочих скоростей 2,1-2,8 м/с обеспечивается тремя передачами основного диапазона (I, II, III) при q = 1,15 .

При отборе мощности через ВОМ (МОМ) и выполнении операции третьей группы ДПМ переводится на режим «Boost» путем однократного или ступенчатого повышения его мощности на 11–16% соответствующим увеличением цикловой подачи топлива У ц на корректорной ветви регуляторной характеристики. Интервалу рабочих скоростей 2,8–3,8 м/с операций третьей группы соответствует использование также трех передач (III, IV - основного диапазона и I - повышенного) при q = 1,14 . Режим «Boost» применяется также в транспортном диапазоне скоростей.

Для выполнения почвообрабатывающих операций первой группы в интервале рабочих скоростей 1,8– 2,1 м/с используется I передача основного диапазона с регулированием мощности изменением номинального скоростного режима двигателя от п _{н min} до п _{н тах} и переводом его на традиционную характеристику (К _м и 1,20) . При отборе мощности через ВОМ двигатель переводится на режим ДПМ изменением У ц .

Приведенный вариант изменения массоэнергетических параметров позволяет обеспечить адаптацию трактора к технологиям основной обработки почвы с наименьшими затратами, максимально повысив его универсальность.

Таблица 2

Оптимальные значения и интервалы регулирования параметров тракторов для родственных операций основной обработки почвы на длине гона 1 _г = 600 - 1000 м

Тип трактора	Группы родственных операций	У н *, м/с	△ У , м/с	N еэ , кВт	т э , т	т б , т	К м	п н -мин -1	1 к , 1/м
4к4 одинарные колеса	1-я группа	1,80	-0,3	168	12,3	0	1,2	1725	81,7
		2,10	0	205	12,3	0	1,2	2100	81,7
	2-я группа	2,45	+ 0,35	205	13,5	1,2	1,4	2100	71,0
	3-я группа	3,30	+ 0,50	235	13,5	1,2	1,4	2100	54,6
4к4	1-я группа	1,80	-0,3	155	13,3	0	1,2	1750	83,8
сдвоенные		2,10	0	185	13,3	0	1,2	2100	83,8
колеса	2-я группа	2,45	+ 0,35	185	14,3	1,0	1,4	2100	73,5
	3-я группа	3,30	+ 0,50	215	14,3	1,0	1,4	2100	56,2
Гусеничный	1-я группа	1,80 2,10	-0,3 0	145 175	8,6 8,6	0 0	1,2 1,2	1750 2100	97,4 97,4
	2-я группа	2,45	+ 0,35	175	9,5	0,9	1,4	2100	80,3
	3-я группа	3,30	+ 0,50	195	9,5	0,9	1,4	2100	60,7

Приведенные значения массоэнергетических параметров тракторов, интервалы и способы их регулирования можно принять за основу при адаптации тракторов к другим классам длины гона.

Выводы

• 1.    Обоснованы модели адаптации тракторов к природно-производственным условиям, позволяющие установить взаимосвязь их массоэнергетических параметров с оптимальной производительностью агрегатов и характеристиками рабочих машин при функционировании в интервалах допустимых значений рабочей скорости и буксования движителей.

• 2.    Определены осредненные значения массоэнергетических параметров тракторов для каждой группы родственных операций основной обработки почвы на характерной для АПК Красноярского края длине гона I г = 600 - 1000 м .

• 3.    Установлены базовые значения, интервалы и способы регулирования мощности и эксплуатационной массы трактора для адаптации к технологиям основной обработки почвы с наименьшими затратами.