Сравнительная оценка параметров тяговой характеристики современных колесных 4к4 тракторов

Автор: Журавлев С.Ю.

Журнал: Вестник Омского государственного аграрного университета @vestnik-omgau

Рубрика: Процессы и машины агроинженерных систем

Статья в выпуске: 2 (42), 2021 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены закономерности влияния переменной нагрузки на эксплуатационные показатели современных энергонасыщенных тракторов. Объектом исследования были энергонасыщенные колесные тракторы, входящие в состав почвообрабатывающих агрегатов. При проведении анализа результатов расчетов по установлению степени влияния вероятностной нагрузки на параметры работы трактора установлены следующие закономерности. Недоиспользование тяговой мощности у трех исследуемых тракторов различно и зависит от значения коэффициента приспособляемости по моменту K п . Недоиспользование тяговой мощности у трактора «John Deere 8310R» (в области оптимальной загрузки λ м = 0,88-0,9) в диапазоне коэффициента вариации силы тяги ν P = 0-0,2 составит 8,6%. В режиме номинальной мощности N ен потери мощности составят 9,5%. При большом значении коэффициента вариации установлено незначительное повышение удельного расхода топлива QUOTE . Уровень потерь мощности невысок, это обусловлено значением коэффициента приспособляемости по моменту КП = 1,4. Анализ расчетных данных по трактору К-744Р2 показал, что снижение тяговой мощности у него более значительное - 17-18% (при ν P = 0,2). Причиной такого высокого процента потерь мощности является низкое значение коэффициента КП = 1,21. Удельный расход топлива в области номинального режима по расчетным данным увеличится на 10%. Недоиспользование (снижение) тяговой мощности трактора К-424 «Кировец» в области номинального тягового усилия P кр при значении = 0,15-0,2 достигает 9-10%, т.е. от 171 до 158 кВт. Удельный расход топлива несколько возрастает при значениях ν P > 0,1 . Одной из причин такого снижения мощности трактора К-424 является недостаточно высокий по современным меркам запас крутящего момента (согласно данным завода-производителя коэффициент КП = 1,35). Сопоставление представленных данных говорит о большей адаптации к воздействию переменной нагрузки тракторов с дизелем, имеющим коэффициент КП > 1,25.

Еще

Эксплуатационные показатели, трактор, переменная нагрузка, тяговая характеристика, почвообработка, коэффициент приспособляемости, вычислительный эксперимент

Короткий адрес: https://sciup.org/142227748

IDR: 142227748 | DOI: 10.48136/2222-0364_2021_2_90

Текст научной статьи Сравнительная оценка параметров тяговой характеристики современных колесных 4к4 тракторов

Максимально возможное повышение эффективности применения современных энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов является важнейшей задачей, решаемой в процессе разработки новых и модернизации существующих средств механизации, используемых для формирования машинно-тракторных агрегатов (МТА) [1; 2].

Результаты решения проблемы эффективного использования почвообрабатывающих агрегатов на основе рекомендаций по оптимизации параметров и режимов их работы при выполнении различных технологических операций по возделыванию сельхозкультур имеют большой научно-практический интерес.

Материалы и методы исследований

Как известно, в процессе выполнения рабочего хода почвообрабатывающие агрегаты испытывают воздействие вероятностной нагрузки, обусловленное многочислен-

ными факторами, непрерывно изменяющимися во времени. К этим факторам относятся изменение физико-механических свойств почвы, неровности микрорельефа поля и др., генерирующие низкочастотные колебания рабочего сопротивления агрегата. При воздействии перечисленных факторов трактор, входящий в состав почвообрабатывающего МТА, рассматривается как система типа «вход – выход». Входной величиной является переменная сила тяги Р кр , воздействующая на выходные энергетические параметры трактора [3–6]. При оценке степени воздействия колебаний Р кр на параметры тяговой характеристики трактора на различных передачах основного тягового диапазона использованы следующие аналитические выражения [7].

Математические ожидания тяговой мощности находят с помощью выражения:

N kp = f ( P kp ) =

I "^2 ,2 A f ² 2

0,5I aP kp + bP kp + bo p І +1 a i P kp + b i P kp + b i о p І Ф ( t_H ) +

( 2 2

+ I a 2 P kp + b 2 P kp + b 2 O p І Ф ⁽ t n ) ^- O p { b i ⁽ t H ) P kp + b 2 ⁽ t n ) P kp }

Для расчета математических ожиданий часового расхода топлива G_T используется следующее выражение [7]:

GT = 0,5(a + b Pkp)+(a1 + bi PkpШн) + (a2 + b2PkpWU,])-OP{(b (tH) + b2 (tn)}.(2)

Математические ожидания удельного расхода определяются при помощи соотношения:

9 кр ¹⁰ ^ -

где N kp – среднее значение тяговой мощности на данной передаче, кВт;

a ₁, b ₁, a , b , а ₂, b ₂ – расчетные коэффициенты аппроксимации тяговой характеристики трактора;

₁ t_Н

Ф(tH) = (2n)-/2 J,

е ² dt – интегральная функция для аргумента t н ;

( t_H ) = ( 2 n )^- /2 exp ( - 0,5 t 2 ) - плотность распределения аргумента t_H ;

1 ^tп

Ф(tn ) = (2n) z2 J е

dt – интегральная функция для аргумента t п ;

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

P kp – среднее значение силы тяги, кН;

Р, kp . п tn =-----

σP

^Pkp ^Pkp . н ^- ^Pkp

; tH =; σP

σ _P – среднеквадратическое отклонение силы тяги трактора;

Р кр . _n - предельное значение силы тяги;

Р_кр . н — номинальное значение силы тяги;

G_T – математическое ожидание часового расхода топлива на данной передаче, кг/ч;

a ₁ , b ₁ , a ₂, b ₂, a , b – коэффициенты аппроксимации характеристики трактора по расходу топлива;

у _кр - математическое ожидание удельного расхода топлива, г кВт^ч.

Значения массы трактора т * при использовании одинарных и сдвоенных колес, а также балластирования рассчитываются по формуле [8]:

т * = т уд ■ Ne ₃ • & (4)

где т у _д - удельная масса, кг/кВт;

N_e3 — эффективная мощность дизеля трактора, кВт;

^ - оптимальная степень загрузки дизеля.

Результаты исследований

Полученные в ходе вычислительного эксперимента значения параметров тяговой характеристики колесных тракторов (с использованием оптимальных значений эксплуатационной массы т * ) сведены в табл. 1-3 и представлены на рис. 1-6.

Таблица 1

Параметры тяговой характеристики трактора К-744Р2 при оптимальном значении нагрузочных режимов Я р его работы для трех групп почвообработки

Группа операций	Vp\ м/с	^ν P	т * , кг	Ком-плек-тация	Значение Икр при ^ кр , кВт	п * У кр , г	№ передачи	V * . *ропт , м/с	Оптимальное значение ^ кр , ^кН	я р
Группа операций	Vp\ м/с	^ν P	т * , кг	Ком-плек-тация	Значение Икр при ^ кр , кВт	кВт • ч	№ передачи	V * . *ропт , м/с	Оптимальное значение ^ кр , ^кН	я р
1	o' -н сч	0,15	16576	1К	153,1	339,52	2/3	2,44	62,79	0,88
			14674	2К	161,8	322,56	3/4	2,48	65,24	1,0
			16704		159,2	326,32	2/3	2,41	65,97	0,88
			18452		161,5	323,22	3/3	2,41	67,07	1,0
		0,2	16576	1К	142,5	344,7	2/3	2,27	62,79	0,88
			14674	2К	150,5	327,84	3/4	2,31	65,24	1,0
			18452		150,3	328,34	3/3	2,24	67,07	1,0
2	о' -н	0,1	16576	1К	162,8	337,65	3/3	2,87	56,65	0,87
			14674	2К	171,6	321,85	3/4	2,63	65,24	1,0
			16704		172,1	320,92	2/4	2,87	59,93	1,0
		0,15	16576	1К	153,5	338,37	3/3	2,71	56,65	0,87
		0,15	16704	2К	162,2	321,76	2/4	2,71	59,93	1,0
3	in о" -н	0,05	14983	1К	167,1	351,71	3/4	3,34	50	0,94
		0,05	16704	2К	179,6	327,45	2/4	3,00	59,93	1,0
		0,1	14983	1К	160,1	344,72	3/4	3,2	50	0,94
		0,1	14674	2К	170,4	322,48	2/4	3,17	53,72	0,88

Таблица 2

Параметры тяговой характеристики трактора «John Deere 8310R» при оптимальном значении нагрузочных режимов Я р его работы для трех групп почвообработки

Группа операций	^ р *, м/с	^ν P	т * , кг	Ком-плек-тация	Значение К кр при Р кр , кВт	у кр , г	№ передачи	^уропт , м/с	Оптимальное значение Р ккр , кН	я р
Группа операций	^ р *, м/с	^ν P	т * , кг	Ком-плек-тация	Значение К кр при Р кр , кВт	кВт • ч	№ передачи	^уропт , м/с	Оптимальное значение Р ккр , кН	я р
1	о" -н	0,15	14580	1К	147	357	10	2,26	65	1,0
		0,15	16230	2К	155	340	10	2,25	69	1,03
		0,2	14580	1К	142	361	10	2,25	63	0,97
		0,2	16230	2К	152	341	10	2,18	70	1,05
2	о' -н	0,1	14580	1К	151	354	11	2,70	56	1,02
		0,1	14690	2К	159	338	11	2,64	60	1,04
		0,15	14580	1К	149	355	11	2,66	56	1,02
		0,15	14690	2К	156	338	11	2,60	60	1,04
3	in о" -н	0,05	11550	1К	153	353	13	3,6	42	1,03
		0,05	12900	2К	163	332	13	3,62	45	1,07
		0,1	11550	1К	152	352	13	3,62	42	1,03
		0,1	12900	2К	161	332	13	3,58	45	1,07

,а

Результаты вычислительною эксперимента но установлению течений іяіовоіі характсрнсз нкн трактора К-424 «Кировец» нрн он шпальном зиачени и натруточных режимов Aj, в условиях переменно» внешней нагрузки

^r 1

г 1

О М

ж ©

Г 4

•S

ГІ

О Г4

$|і

ІЛ

іл

-г

-т

ГІ

•Л

*Л

ГН

ІЛ

»ч

ГІ

ГС.

г-4

-Г

ГП

-г

ГП

ч-

ГП

-г

ГП

ҒП

-т

!-'

Я е

о'

СТ

ІЛ

е । ^. о

1*1

ж я

*г

■7;

д о

-6

р У

2; У

Т е с

■Т

і р і и о

£|

іг.

гр

ГН

ГП

-г

⁸ г-

\С гп

Г 1

№

г 1

•У

ГГ| Г|

ас ©

ГІ

Г-

IFI

ГГ|

^г

н;

а*

гН

Г"

гг 1

■С

-О о

ас

гг

3 о

*°г £

ОС

а і-к£

е’ *

•о

-■•

О'

г-4

sO 1 ¹

■»о

ас

№

:7-

Г|

sO у

ас

г-4

■л

г 1 а

•п

SCO ч= rz

ГО т 14

Г 1

Окончание табл.

1 1

ос о

*Т

ОС о

Г |

—

сП П

ос

ГЧ

ОС о

В U

ГІ

СИ

ГП

Г-г |

ГП

Г| ГП

СЧ ri

г 1

гП

ГП

гП

г<{

ГП

ег-

-г

сП

-г

сП

-Т

<И

-г

•т

ОС '«О ОС

О' о

ГЧ

г, ос

ОС сГ

'О

ОС о

ОС ОС

о*

VI О' ОС

3 о*

ГІ

6⁸

Г 1

-т

г-

О)

О' сП

г!

ГП

sO ГЧ

ГН

СП

О'

■

ГІ

СП

гч

а? З

5 ^

= g-

ос

Г 1

ОС

ГЧ

Г|

О'*

О', ОС

о-

О'

■•с

2 О'

ОО ГП

я я

Z d

Г4

гч

сч

(Ч

гч

У ^ь

гч 00

г,

ОС ОС

гч 3

Г^¹00 ос

г5

ОО

гч

Vi о о"

*^'

C*OTE‘f

1—

□

СП

Рис. 1 . Тяговая характеристика трактора «John Deere 8310R» на основных передачах тягового диапазона, комплектация 1К: 1) v_P = 0,05; 2) v_P = 0,1; 3) v_P = 0,15; 4) v_P = 0,2

Рис. 2 . Тяговая характеристика трактора «John Deere 8310R» на основных передачах тягового диапазона, комплектация 2К: 1) v_P = 0,05; 2) v_P = 0,1; 3) v_P = 0,15; 4) v_P = 0,2

Рис. 3. Тяговая характеристика трактора К-744Р2, комплектация 1К

Рис. 4 . Тяговая характеристика трактора К-744Р2, комплектация 2К

Рис. 5 . Тяговая характеристика трактора К-424 при комплектации 1К

Рис. 6. Тяговая характеристика трактора К-424 при комплектации 2К

В ходе анализа данных табл. 1, 2 установлено, что недоиспользование тяговой мощности у трактора К-744Р2 при возрастании коэффициента вариации ν_P до 0,15–0,2 (первая группа операций почвообработки – вспашка, глубокое рыхление) может составить около 17–18%. Такой процент снижения мощности обусловлен низким значением коэффициента приспособляемости К П = 1,21. Удельный расход топлива в области номинального режима в соответствии с расчетными данными увеличится на 10%.

Расчетные значения тяговой мощности N кр трактора «John Deere 8310R» при таких же значениях коэффициента ν_P снижаются до 6% на всех передачах тягового диапазона, обеспечивающего выполнение агротехнических требований по скорости выполнения почвообрабатывающих операций. Значения удельного расхода топлива увеличиваются вне зоны оптимальных нагрузочных режимов на участке характеристики от Р кр . п до Р кр _тах , причем только при существенном возрастании коэффициента vp . Большое значение коэффициента К П у дизеля (согласно технической характеристике К П = 1,4) компенсирует негативное воздействие вероятностной нагрузки на показатели тяговой характеристики трактора «John Deere 8310R».

Оптимальные нагрузочные режимы трактора «John Deere 8310R» при ν_P = 0,1– 0,2 соответствуют степени его загрузки Л р = 0,98-1,1 (рис. 1, 2). Расчеты показали, что при повышении номера передачи нагрузочные режимы Л р смещаются в область максимальной силы тяги Р кр _тах . Тяговый режим Л р = 1,0 расположен в зоне максимального значения тяговой мощности данного трактора. Необходимо отметить, что тяговая мощность этого трактора в режиме максимальной силы тяги выше, чем в области номинального значения Р кр .

Использование сдвоенных колес (2К) дает возможность снизить буксование δ трактора и сопротивление f его перекатыванию, при этом параметры тяговой характеристики трактора заметно улучшаются [9; 10]. Таким образом, тяговая мощность трактора «John Deere 8310R» на основных рабочих передачах увеличивается на 6%. Кроме того, снижение величины буксования δ на сдвоенных колесах оказывает влияние на потери мощности N_Kp в условиях воздействия переменной нагрузки на трактор. Согласно расчетным данным, эти потери составят 5% при значении коэффициента ν_P = 0,2. Это значение несколько ниже, чем у трактора с одинарными колесами (1К). Анализ расчетных данных по тяговым характеристикам трактора К-744Р2 с комплектациями 1К и 2К (рис. 3, 4) показал, что значения энергетических параметров его характеристики подчиняются тем же закономерностям.

Анализ данных табл. 3 и эксплуатационных тяговых характеристик трактора К-424 (рис. 5, 6) позволяет утверждать следующее.

У двигателя ЯМЗ-53625, установленного на тракторе К-424, благодаря современным системам питания и управления работой дизеля, достаточно большой запас крутящего момента ( К_п = 1,35). Согласно данным вычислительного эксперимента, воздействие входных вероятностных внешних факторов не оказывает существенное влияние на ухудшение выходных энергетических параметров тяговой характеристики этого трактора.

Так, при значениях коэффициента вариации νP = 0,2 мощность Nкр трактора К-424 на основных рабочих передачах снижается на 9-10%. Удельный расход топлива дкр на основном рабочем диапазоне тяговой характеристики от Ркр.н до Ркр.п увеличивается незначительно. Существенное увеличение удельного расхода топлива в соответствии с расчетами наблюдается только на участке от Ркр.п до Ркртах. Данный нагрузочный режим практически не используется.

Использование трактора К-424 на сдвоенных колесах оказывает заметный положительный эффект относительно величины параметров его тяговой характеристики. Тяговая мощность трактора N_Kp в области оптимальных нагрузочных режимов увеличивается на 9%, величина удельного расхода топлива д кр , по данным расчетов, снижается на 30 г/кВт∙ч. Отмеченное улучшение показателей тяговой характеристики трактора с комплектацией 2К обусловлено, как отмечалось ранее, снижением буксования δ , а также сопротивления перекатыванию f с 0,07 до 0,05 при использовании сдвоенных колес [4].

Кроме того, по результатам проведенных расчетов установлено, что снижение мощности N кр на крюке трактора с комплектацией 2К при значениях коэффициента вариации ν_P = 0,15–0,2 составляет 8–10%, у трактора с одинарными колесами этот показатель несколько выше.

Заключение

Сравнительный анализ влияния колебаний внешней нагрузки на параметры тяговой характеристики показал, что снижение тяговой мощности трактора «John Deere 8310R» на одинарных и сдвоенных колесах составляет соответственно 6% и 5% и 17– 16% у трактора К-744Р2. Такая разница в величине недоиспользования мощности у данных тракторов обусловлена различием в значениях коэффициента запаса крутящего момента (1,4 у «John Deere 8310R» и 1,21 у К-744Р2).

Анализ оценки воздействия вероятностного характера внешней нагрузки на характеристику трактора К-424 при его использовании в составе различных почвообрабатывающих агрегатов показал, что при запасе крутящего момента в 35% потери тяговой мощности у трактора К-424 в области оптимального нагрузочного режима Л р составят в среднем 9% для обеих комплектаций (1К и 2К) трактора. Увеличение удельного расхода топлива д_кр на участке тяговой характеристики от Р_кр . н до Р_кр . п незначительное, такое увеличение д_кр не окажет существенного влияния на уровень эксплуатационных расходов.

Необходимо отметить, что из трех тракторов, использованных в качестве объектов исследования, наиболее адаптирован к негативному воздействию переменной внешней нагрузки трактор «John Deere 8310R». Этому способствует конструктивно предусмотренный большой запас крутящего момента дизеля.

S.Yu. Zhuravlev

Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk

Comparative evaluation of the parameters of the traction characteristics of modern 4K4 roller tractors

Список литературы Сравнительная оценка параметров тяговой характеристики современных колесных 4к4 тракторов

Парфенов А.П. Тенденции развития конструкций сельскохозяйственных тракторов / А.П. Парфенов. - Текст: непосредственный // Тракторы и сельхозмашины. - 2015. - № 5. - С. 42-47.
Paulitz Udo. Die StarkstenTraktoren / Udo Paulitz. - Text: direct // Star Book Sales. - 2012. - 171 р.
Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов / Л.Е. Агеев. - Ленинград: Колос, 1978. - 296 с. - Текст: непосредственный.
Агеев Л.Е. Эксплуатация энергонасыщенных тракторов / Л.Е. Агеев, С.Х. Бахриев. - Москва: Агропромиздат, 1991. - 271 с. - 978-985-467-389-9. - Текст: непосредственный. ISBN: 978-985-467-389-9
Журавлев С.Ю. Влияние переменных внешних факторов на производительность машинно-тракторных агрегатов / С.Ю. Журавлев. - Текст: непосредственный // Вестник КрасГАУ. - 2011. - № 7. - С. 148-153.
Селиванов Н.И. Технологические свойства колесных тракторов: учебное пособие / Н.И. Селиванов; Красноярский государственный аграрный университет. - Красноярск, 2019. - 308 с. - 978-5-94617-413-8. - Текст: непосредственный ISBN: 978-5-94617-413-8
Журавлев С.Ю. Оценка эффективности функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов с использованием тяговой характеристики трактора / С.Ю. Журавлев. - Текст: непосредственный // Вестник Красноярского ГАУ. - 2011. - № 9. - С. 146-151.
Селиванов Н.И. Технологическая адаптация колесных тракторов / Н.И. Селиванов; Красноярский государственный университет. - Красноярск, 2017. - 216 с. - 978-5-94617-413-8. - Текст: непосредственный. ISBN: 978-5-94617-413-8
Селиванов Н.И. Адаптация параметров колесного трактора к зональным технологиям почвообработки / Н.И. Селиванов, С.Ю. Журавлев. - Текст: непосредственный // Вестник Красноярского ГАУ. - 2018. - № 4. - С. 116-120.
Селиванов Н.И. Рациональное использование энергонасыщенных колесных тракторов в технологиях почвообработки / Н.И. Селиванов, В.Н. Макеева. - Текст: непосредственный // Вестник Красноярского ГАУ. - 2017. - № 3. - С. 58-65.

Еще

Статья научная