Совершенствование классификации и использование энергонасыщенных тракторов

Введение. В технической печати последних лет широко обсуждаются вопросы совершенствования классификации и использования энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов [1–3]. Это вызвано существенным расширением диапазона агротехнических скоростей агрегатов для ресурсосберегающих технологий почвооб-работки как наиболее энергоемкой операции.

Эффективное использование энергонасыщенного трактора с установленной эксплуата- ционной мощностью двигателя N и механической ступенчатой трансмиссией в широком диапазоне рабочих скоростей на разных операциях почвообработки достигается регулированием эксплуатационной массы, изменением степени балластирования. На операциях малой энергоемкости трактор используется в интервале высоких рабочих скоростей с базовой массой, соответствующей транспортировочной массе m ≥ m . Для выполнения наиболее энергоемких операций в интервале низких скоростей масса трактора увеличивается до максимальной установкой полного балласта. При этом трактор, в зависимости от производственных условий, используется как минимум в двух смежных тяговых классах с разными интервалами рабочих скоростей.

Таким образом, при комплектовании почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения в каждом тяговом классе целесообразно иметь не менее двух типоразмеров тракторов с разным уровнем эксплуатационной мощности. Типоразмерный ряд сельскохозяйственных тракторов, изначально построенный как однопараметрический по тяговому усилию на крюке, становится при этом двухпараметрическим [2] с использованием в качестве классификационных параметров номинального тягового усилия и мощности двигателя N_ep = ( Ns ’ ^_e ) , развиваемой в номинальном скоростном режиме рабочего хода. Эта классификация полностью характеризует номинальный тягово-скоростной режим работы энергонасыщенного трактора.

Цель работы. Обоснование типоразмерного ряда двухпараметрической классификации энергонасыщенных колесных 4к4 тракторов для рационального использования в технологиях почвообработки.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач :

• 1)    определить оптимальные значения показателей технологичности тракторов для разных групп родственных операций основной обработки почвы;

• 2)    обосновать диапазоны изменения классификационных параметров тракторов в установленных тягово-мощностных классах типоразмерного ряда.

Условия и методы исследования. Современные, адаптированные к зональным условиям, цельнозамкнутые технологии обработки почвы и посева (традиционная, минимальная и нулевая) формируют три группы родственных по энергоемкости и техническому обеспечению операций с разными по агротребованиям и энергозатратам интервалами номинальной рабочей скорости V_H ,±A V [4-5]. Рациональный тяговый диапазон трактора ограничен режимом допустимого буксования д_д при ф^^ - с одной стороны и режимом 7 _Гтах при Ф K_Popt - с другой стороны, с номинальным значением коэффициента использования веса ^ KPopt — ^ф КРН — ^ф КР max ^.

В основу технологической адаптации энергонасыщенных колесных тракторов, как основных типов современных мобильных энергетических средств с установленными параметрами двигателя, трансмиссии и ходовой системы, положено изменение эксплуатационной массы m (кг), в основном за счет съемных балластных грузов [6]. В качестве основного показателя технологичности трактора, по ГОСТ 4.40.-84 [7], целесообразно использовать удельную материалоемкость m (кг/кВт) – величину, обратную энергонасыщенности Э в номинальном тяговоскоростном режиме, устанавливающую взаимосвязь массоэнергетических параметров при изменении номинальной скорости рабочего хода и тягового режима myd   ПТ max / g ‘ ^KPH ‘ VH ‘ 10  ,'

^тэ = m yd • ^N • N..

Дополнительный показатель N _уд , определяющий соотношение классификационных параметров при изменении номинальной скорости, имеет вид

N уд = ^N e ₃ I P KPH = V h П т max . (2)

Зависимость коэффициента использования эксплуатационной мощности двигателя в условиях вероятностного характера тяговой нагрузки £- от его динамических свойств

K m = MmJ M h и коэффициента вариации момента сопротивления Vc на валу определится из выражения [4]

£ N = -0,964 +1,80 К _м - 0,40 K ^ + 0,023 у _3[ ,       ⁽³⁾

Интервалы регулирования m и m по отношению к базовым m и m при изменении тягово-скоростных режимов использования энергонасыщенного трактора с N_e3 = idem выразятся как

^{Л т}уд = — = ^ЛП тн / ^kph • A V H ;

m удБ                                 (4)

Л т _э = ^ = _л& . _л1, , I Л^ н . _A V _H .

L        ^тЭБ

На малоэнергоемких операциях почвообра-ботки 3-й группы энергонасыщенный трактор используется в интервале ( VH ±A V )₃ ^ max на высшей передаче рабочего режима без балласта или с его минимальной величиной (базовый вариант) при т_{э 3} = т_эБ >  т_эо в диапазоне ⁽ ^ KP_Op_t ^- Ф к_Рн ) , соответствующем П т max - На операциях 2-й группы при V_{H 2}<  V_H3 необходимо увеличить m за счет частичного балластирования до т _{уд 2} = т _у()Б ■ Лт _{уд 2} для получения т_{э 2} = Л^- • Лт_{уд 2} • т_ЭБ в тяговом режиме ^ KPH = ^0,5( ^ KP max⁺ ^ KPopt ) , соответствующем (0,995-1,00) П шах- Для наиболее энергоемких операций 1-й группы при V_H<< V_{H 2}< V_H3 номинальный тяговый режим на низшей передаче основного режима в диапазоне (фр _н- фр _тх) обеспечивается за счет установки полного балласта при ограничении его массы до т_{Бгш х} — (0,25 - 0,30) т_эо [4]. По массоэнергетическим параметрам на операциях 2-й и 1-й групп трактор может перейти в смежный повышенный тяговый класс, поскольку должно выполняться условие

^{Л p}кPHi = p KPHi / ^PKPHБ = ^{Л т}уд! • ^Л( P кP№ = ^ЛП Т ^{1 h V}Hr ⁽⁵⁾

Двухпараметрическая классификация потребует изменения редакции ГОСТ 27021-86 [9], поскольку предусматривает разделение всего типоразмерного ряда на тягово-мощностные классы, дополнив традиционные тяговые классы мощностной составляющей [2, 8]. Она дополняет существующую отечественную классификацию по номинальному тяговому усилию на крюке [9] и международную по мощности на BOM N при номинальной частоте вращения вала двигателя [10], поскольку

[ ξ N N eэ = N BOM / η BOM ] ⋅ η T max / V H = P KPH .    (6)

Соотношение классификационных параметров тракторов в каждом тягово-мощностном классе при изменении p_KPH и V_H выразится как

λ N ep = λ p KPH ⋅ λ V H / λη T .        (7)

Результаты исследования. По ГОСТ 27021-86 [9], для колесных полноприводных тракторов на стерне ϕ _KPH = 0,392 . С учетом результатов экспериментальных исследований [4, 5] и моделирования тягово-скоростных режимов использования колесных тракторов разных конфигураций и типоразмеров получено ϕ KPH = 0,37 - 0,41 при η Т max = 0,625 - 0,650 и ϕ = 0,45 . В таблице 1 приведены средние значения этих величин и показателей технологичности тракторов для основных групп родственных операций почвообработки. При установленных значениях номинальной скорости [5] и ϕ _KPH = 0,41 для всех групп операций соблюдается равенство

λ V Hi = ^VHi = λ N удi = λ p K ^-1 PHi = λ m Э ^-1 i . (8) V H min

Таблица 1

Номинальные тягово-скоростные режимы и показатели технологичности колесных тракторов для основных групп родственных операций почвообработки

Группа операций	VH , м/с (км/ч)	ϕ KPH ( ϕ KP max )	η ТH	ЭH , кВт/ч	m уд , кг/кВт	N уд , м/с	λ p KPH	λ m
1	2,20±0,20	0,41	0,634	13,96	71,64	3,47	1,51	1,36-1,51
	(7,90±0,70)	(0,45)	(0,625)	(15,54)	(64,35)	(3,52)		(1,23-1,36)
2	2,70±0,30 (9,70±1,10)	0,41	0,634	17,13	58,38	4,26	1,23	1,11-1,23
3	3,33±0,33 (12,0±1,20)	0,37-0,41	0,6380,634	21,13 18,95	47,33 52,78	5,23	1,0	1,0

Использование трактора на операциях 1-й группы в тяговом режиме ϕ   =ϕ     обес печивает снижение m и соответственно m на 11 %. И наоборот, уменьшение ϕ    до

ϕ _KPopt = 0,37 при η _{Т max} = 0,638 на операциях 3-й группы повышает указанные параметры на такую же величину. Это позволяет получить λ p KPН max = p KPH 1 / p KPH 3 = 1,51   при

λ m    = m / m = 1,23 и в два раза

Э max       Э 1     Э 3

уменьшить максимальную (полную) массу балласта для адаптации трактора к операциям поч-вообработки 1-й группы.

На нижеприведенном рисунке представлены графические зависимости N _ep = f ( p _KP ) при установленных значениях N для номинальных скоростных режимов использования колесных 4к4 тракторов в разных технологиях почвообработки. В каждом тяговом классе диапазону номинальных тяговых усилий ( p KPH min - p KPH max ) соответствуют 2–3 типоразмера мощности для операций почвообработ-ки разных групп. Графическое представление типоразмерного ряда тракторов, включающее указание тяговых классов и мощности, соответствует двухпараметрической системе классификации, приведенной в таблице 2.

Зависимости потребной мощности колесных тракторов от номинального тягового усилия при различных скоростях рабочего хода ( ^ KPH = 0,41)

Двухпараметрический типоразмерный ряд тракторов (кроме малогабаритных) представляет растущую последовательность взаимосвязанных классификационных параметров – номинального тягового усилия и потребной мощности для разных диапазонов рабочих скоростей обработки почвы. Он состоит из 9 тяговомощностных классов с установленными грани- цами номинального тягового усилия, включающими по 2–3 мощностных типоразмера (разряда) для обеспечения указанных скоростных диапазонов. При этом каждый типоразмер мощности может быть использован за счет балластирования не менее чем в 2 тяговомощностных классах.

Таблица 2

Типоразмерный ряд двухпараметрической системы классификации сельскохозяйственных колесных тракторов

Тяговый класс	pKPH , кН	m , т	N ep , кВт	VH , м/с	m , кг/кВт	Категория мощности
0,6	5,4-8,1	1,34-2,01	19-27 28-42	2,25-2,13 3,31-3,32	70,5-74,4 47,9-47,9	I
0,9	8,1-12,6	2,01-3,13	28-42 43-64	2,21-2,13 3,34-3,25	71,8-74,5 46,7-48,9	I-II
1,4	12,6-18	3,13-4,48	43-64 65-93	2,18-2,28 3,30-3,31	72,8-70,0 48,2-48,2	II
2	18-27	4,48-6,71	65-93 94-120	2,31-2,20 3,34-2,94	68,9-72,2 47,7-55,9	II-III
3	27-36	6,71-8,95	94-120 121-150 151-190	2,23-2,13 2,87-2,67 3,58-3,38	71,4-74,6 55,5-59,7 44,4-47,1	III
4	36-45	8,95-11,2	121-150 151-190 191-230	2,15-2,13 2,68-2,70 3,40-3,27	74,0-74,7 59,3-58,9 46,9-48,7	III-IV
5	45-54	11,21-13,43	151-190 191-230 231-280	2,15-2,25 2,72-2,73 3,29-3,32	74,2-70,7 59,0-58,4 48,5-48,0	IV
6	54-72	13,43-17,90	191-230 231-280 281-380	2,26-2,04 2,74-2,49 3,33-3,38	70,3-77,8 58,1-63,9 47,8-47,1	IV
8	72-108	17,90-26,86	281-380 381-480	2,50-2,25 3,39-2,84	63,7-70,7 47,0-56,0	IV

Предлагаемая классификация позволяет по удельной материалоемкости (энергонасыщенности) определить основное технологическое назначение и условие эффективного использования трактора на операциях почвообработки разных групп. При этом она соответствует международной классификации по категориям мощности.

Для учета качественных отличий энергонасыщенных тракторов в систему их классификации целесообразно ввести понятие «номинальное тяговое усилие с полным балластом», ограничив весь диапазон тяговых усилий двумя номинальными значениями – верхним и нижним [1]. Верхний уровень номинального тягового усилия Р соответствует эксплуатационной массе трактора с полным балластом, а нижний РKPHБ – эксплуатационной массе с минимальным балластом или без него. Тогда в классификации следует указывать, что трактор переменного тягового класса с установленным уровнем мощности. Например: трактор тягового-мощностного класса [3-4II] мощностью 190 кВт.

Выводы

• 1.    В качестве основного показателя технологического уровня энергонасыщенных колесных тракторов рекомендуется использовать, по ГОСТ 4.40-84, удельную материалоемкость с установленными значениями для номинальных тягово-скоростных режимов выполнения операций почвообработки разных групп.

• 2.    При построении типоразмерного ряда энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов и их сравнении следует применять двухпараметрическую классификацию по номинальному тяговому усилию на крюке и развиваемой эксплуатационной мощности двигателя в номинальном режиме рабочего хода, используя тягово-мощностные классы с установленными границами.