Типоразмеры колесных тракторов для зональных условий

Современные методы формирования технологически потребного машинно -тракторного парка административного региона или агрозоны предусматривают:

• •    обоснование характерных природно-производственных условий;

• •    применение адаптированных технологий производства продукции растениеводства с учетом достигнутого уровня и целевой программы развития сельского хозяйства;

• •    оценку качественного уровня и условий обновление парка мобильных энергетических средств и рабочих машин;

• •    рациональную комплектацию, оптимизацию состава, эффективное использование машинно-тракторного парка и трудовых ресурсов в технологиях механизированных работ.

Природно-производственные условия агропромышленного комплекса (АПК) Красноярского края, входящего в состав агрозоны 6.2 Сибирского федерального округа (СФО), характеризуют структуру и условия распределение площади пашни по четырем природным зонам с установленными классами длины гона [1]: степь 1_Т >  1000 - 53,4%; лесостепь 600-1000 м - 25,4%; подтайга 400-600 м - 13,2%; тайга 200-400 м - 8,0%. На посевные площади приходятся 78% из 1845 тыс. га пашни, основу которых (84,3%) составляют яровые.

В основу разработки структуры и содержания системы формирования технологически потребного парка мобильных сельскохозяйственных агрегатов следует положить [1] научно обоснованные уровни и алгоритм решения адаптационных задач с минимумом расхода ресурсов в качестве главного критерия. С учетом достигнутого уровня технического обеспечения растениеводства наиболее актуально обоснование оптимальной структуры тракторного парка для характерных природно -производственных условий АПК региона.

Цель работы : обоснование рациональной совокупности типоразмеров колесных тракторов для природно-производственных условий АПК Красноярского края.

Достижение поставленной цели предусматривает решение задач:

• 1)    формирования модели и алгоритма оптимизации параметров тракторов к условиям производственной эксплуатации;

• 2)    определения рациональных типоразмеров тракторов и показателей агрегатов для технического обеспечения зональных технологий механизированных работ в растениеводстве.

Материалы и методы

При решении поставленных задач учитывали основополагающие научно -методические рекомендации по адаптации тракторов и агрегатов к условиям производственной эксплуатации [1-3]:

• 1)    в качестве главного фактора воздействия природных условий принят класс длины гона 1_Г (м), определяющий оптимальное значение чистой производительности

W* агрегатов при минимальных удельных энергозатратах как наиболее объективный обобщенный выходной параметр для длительного пользования;

• 2 )    осредненные характеристики удельного соп р отивления рабочих машин к_а = к₀ [1 + M<(V — У_о)] с установленными значениями К_о и v_Ko при V_o = 1,4 м/с и линейной функции коэффициента ДК = aV + b (с/м), учитывающего повышение К_а с увеличением скорости, являются основными производственными факторами, определяющими номинальные значения и интервалы технологической скорости V_H + ДУ по критерию минимума энергозатрат на единицу производительности W* и скорости, а также ширину захвата В_р = W*/V_H как выходные параметры-адаптеры;

• 3)    номинальный тягово-скоростной режим работы трактора соответствует коэффициенту использования веса <р*_{р min}< <р_крн<  ф^тах при максимальном значении КПД 9_{Т тах} и скорости Қ.

Оптимальная производительность W* и характеристика удельного сопротивления К_а = /(V), определяющие номинальную скорость V_H и ширину захвата агрегата В_р -входные факторы оптимизации типоразмера мощности Ng₃ и эксплуатационной массы т₃ трактора для родственных операций и соответствующего класса длины гона. Их взаимосвязь определяет система уравнений:

( ^еэ ^ " ^0 "  Ркн/9т max " ^N>

™э ^N " ^еэ ' 9т max/9 " Фкрн ' Кк . b; = w*/v_h,

где Р-кн ⁼ [1 + ^K(V_H — У_о)] - коэффициент увеличения К_а при повышении скорости до V_H ; К_о • Ц_кн/9т max ⁼ Pn ⁼ l/^wyd — потребная удельная эксплуатационная мощность, приходящаяся на единицу чистой производительности, или потребная удельная энергия на обработку единицы площади поля.

Коэффициент использования мощности ^ зависит от приспособляемости двигателя по крутящему моменту К_м и вариации нагрузки у _к . Для почвообрабатывающих и посевных агрегатов при у _к = 0,007-0,12 [3]

К _о

^ = 0,755 + 0,550(Км - 1).                        (2)

При оценке эффективности применения установленного двухпараметрической классификацией [1] типоразмера трактора в определенных природно -производственных условиях целесообразно использовать удельные параметры-адаптеры т_уд (кг/кВт), В_уд (м/кВт), И^э, (м²/кДж), отнесенные к единице реализуемой мощности Nep /n "  N_e3

Г ^-уд 9т max " Ю ]9 " фкрн " ^н>

Вуд = 9т тах/К₀ • ф_кн • V_H = K_Wyd/V_H;                       (3)

• х Wyd   9т max/^о ¹ Цкн   ^Щ уд^-

• Реализуемая среднесменная мощность Nep и соответственно часовой расход топлива GT, с учетом коэффициента использования времени смены г = Тр/Тсм, выразятся

как

N_ey = М_еу • т + AL • (1 — т); G_T = G_Tp • т + G_Tx • (1 — т).

Удельные энергетические Е_п (кДж/м²) и топливные д_п (кг/га) затраты соответственно

Е„ = N/W • т = -Д- [1 — а_т + tty/т];

Kwyo

9„ = GT/W • т = —^— [1 - а2 + а2/т], где 9ен — эксплуатационный удельный расход топлива (кг/кВт ч); аг = Nx/Nep; а2 = GTx!GTp - осредненные коэффициенты снижения потребной мощности и часового рас хода топлива двигателя при движении в режиме холостого хода и на остановках.

Для уменьшения количества типоразмеров тракторов и рабочих машин целесообразна предварительная группировка операций с учетом природно-производственных условий. Результатом является определение средней эксплуатационной мощности Ng3 с учетом занятости трактора по времени Т[/То на родственных операциях, при соответствующих значениях т* и Вр к» -      = Vr, ^Ж» •т^'                 (6)

При формировании рациональной совокупности типоразмеров тракторных агрегатов для заданных условий в качестве исходных данных используются: соотношение классов длины гона 1_Т и значения W*; характеристики удельного сопротивления рабочих машин (К_о, ДК, ц_к); рациональные режимы и удельные параметры тракторов (1^, Укрн, 9т max , ^уд, ^ N , ^Wyd, ^1, ^2^)-

Алгоритм расчета параметров-адаптеров включает определение: N_ep, М*_э, ш*, В*, р* К* F л Т N* ^Dyd , ^1XWуо* Ни Ут ¹ І, ‘'еэ-

Результаты исследования

По результатам тяговых и производственных испытаний в соответствии с ГОСТ 7057-2001 [4] и ГОСТ 30745-2001 [5] колесных 4к4а (Беларус 1221 и 1523, New

Holland T8.390) и 4к4б (К-744Р2) тракторов в составе мобильных агрегатов определены характеристики удельного сопротивления рабочих машин (табл. 1), номинальные тягово-скоростные режимы и удельные параметры-адаптеры (табл. 2) для разных по энергоемкости групп родственных операционных технологий почвообработки. На отвальной вспашке скоростными плугами, как наиболее энергоемкой (1-я гр.) операции, V_H1 = 2,50 м/с, <р_крн1 = 0,400, д_ттах 0,660, т*_д1 = 67,3 кг/кВт. Для безотвальной комбинированной обработки почвы дискаторами на глубину h = 0,12-0,18 м (2-я гр.) У_н2 = 2,80 м/с и тПу_Д2 = 60,1 кг/кВт при <р_крн1. На поверхностной h = 0,06-0,12 м и предпосевной обработке почвы, посеве по минимальной и нулевой технологиям (3-я гр.) V_h3 = 3,33 м/с, «Ркрнз = 0,37, д_тн = 0,640-0,658, т*_қ3 = 54,5 кг/кВт.

Для оптимальной чистой производительности W* и ширины захвата агрегата В* = И7*/% для разных классов длины гона и операций эксплуатационную мощность и массу трактора определяют из соотношений ^ ' ^еэ ⁼ ^*/^ил_уд, ^тэ ^{= т}уд ' ^n ' ^еэ с использованием установленных (табл. 2) удельных параметров-адаптеров. Значения K_Wi„ , Шуд и В_р для основных операций не зависят от длины гона, а устанавливаются совмещением характеристик удельного сопротивления рабочих машин и тягово-сцепных свойств трактора при номинальной скорости агрегата.

Удельные энергетические Е„, и топливные затраты д_п на каждой операции с повышением коэффициентов а_г и а₂ при установленных значениях д_ен и K_Wyd возрастают, а с увеличением т уменьшаются. С учетом рекомендаций [2] и результатов испытаний при оценке энергетических и топливных затрат приняты а^ = 0,10, а₂ = 0,25 для всех операций и классов длины гона.

Таблица 1

Осредненные характеристики удельного сопротивления почвообрабатывающих машин и комплексов

Группа и операции почвообработки	Тип машин	кН/м	с/м	, Н	, м/с	Viz ■
1-я. Вспашка отвальная, h = 0,22– 0,24 м	Плуги ПСКу	11,45	0,036V + 0,050	1,154	2,50	0,10–0,12
2-я. Безотвальная комбинированная обработка, h = 0,12– 0,18 м	Дискаторы БДМ, БДТ и др.	6,80	0,028V + 0,39	1,165	2,80	0,07–0,10
3-я. Поверхностная комбинированная обработка, h = 0,06– 0,12 м	Дискаторы БДМ, БДТ, АКП, КПК и др.	4,75	0,025V + 0,035	1,228	3,33	0,07–0,10
3-я. Поверхностная предпосевная обработка и посев	ПК «Кузбасс», «Обь» и др.	4,75	0,025V + 0,035	1,147– 1,228	2,80–3,33	0,07–0,10
3-я. Боронование (закрытие влаги)	Бороны штригельные БТ	1,68	0,021V + 0,029	1,192	3,33	0,05–0,07

Таблица 2

Номинальные тягово-скоростные режимы и удельные параметры-адаптеры агрегатов к технологиям обработки почвы и посева

Группа операций	Почвенный фон	, м/с (км/ч)	^крн	Лтн	, кг/кВт	, м2/кДж	, м/кВт
1-я	Стерня колосовых	2,50 (9,0)	0,40	0,660	67,3	0,0502	0,0200
2-я	Стерня колосовых	2,80 (10,0)	0,40	0,660	60,1	0,0833	0,0298
	Поле под посев	2,80 (10,0)	0,39	0,640	60,1	0,1175	0,0420
3-я	Стерня колосовых	3,33 (12,0)	0,37	0,658	54,5	0,1131	0,0339
	Поле под посев	3,33 (12,0)	0,37	0,640	54,5	0,1097	0,0329
	Закрытие влаги	3,33 (12,0)	0,37	0,640	54,5	0,3196	0,0960

Повышение и соответственно при увеличении длины гона уменьшает указанные затраты. Однако повышение чистой производительности и соответственно мощности       в пределах одного класса длины гоны приводит к снижению , и при практически неизменных затратах , и .

В табл. 3 приведены оптимальные значения потребной мощности             и эксплуатационной массы колесных тракторов, ширины захвата агрегатов , показателей эксплуатационной производительности               и удельных топливных затрат на основных операциях почвообработки и посева для разных классов длины гоны при = 0,230 кг/(кВт∙ч) [6–7]. Указанные параметры-адаптеры первой группы [8] устанавливают до начала технологического процесса и характеризуют общие закономерности их изменения:

• –    увеличение длины гона приводит к возрастанию потребной мощности, массы и соответственно тягового класса трактора, ширины захвата и эксплуатационной производительности агрегата при существенном (5,5–8,5%) снижении погектарного расхода топлива, независимо от вида (группы) операции;

• –    снижение энергоемкости операций (2-й и 3-й гр.) при повышении номинальной скорости до 2,80 и 3,33 м/с сопровождается, наряду с незначительным изменением потребной мощности, уменьшением эксплуатационной массы и номинального тягового усилия трактора с возрастанием производительности и топливной экономичности агрегатов для всех классов длины гона.

Таблица 3

Параметры-адаптеры колесных тракторов и мобильных агрегатов к природно-производственным условиям

Группа и вид операции	Параметр-адаптер	l г , м
		200– 300	300– 400	400– 600	600– 1000	> 1000
1-я. Вспашка отвальная скоростными плугами = 2,50 м/с = 67,3 кг/кВт	, кВт	125,6	163,2	188,2	238,4	298,0
	, кг	8453	10983	12666	16044	20055
	, кН	33,2	43,1	49,7	63,0	78,7
	, м	2,51	3,26	3,76	4,77	5,96
	, га/ч	1,37	1,95	2,30	2,97	3,86
	, кг/га	14,86	14,39	14,28	14,22	14,03
2-я. Безотвальная комбинированная обработка ( h = 0,12–0,18 м) = 2,80 м/с = 60,1 кг/кВт	, кВт	125,0	155,1	189,9	250,1	275,0
	, кг	7513	9322	11413	15031	16528
	, кН	29,5	36,6	44,8	59,0	64,9
	, м	3,72	4,61	5,61	7,44	8,18
	, га/ч	2,03	2,70	3,39	4,60	5,89
	, кг/га	9,16	8,90	8,80	8,70	8,47
2-я. Предпосевная обработка и посев = 2,80 м/с = 60,1 кг/кВт	, кВт	121,4	145,5	167,6	206,0	245,2
	, кг	7296	8745	10073	12381	14737
	, кН	27,9	34,3	38,5	47,4	56,4
	, м	5,10	6,11	7,04	8,65	10,30
	, га/ч	2,38	3,10	3,69	4,63	5,45
	, кг/га	7,01	6,78	6,69	6,64	6,53
3-я. Поверхностная комбинированная обработка ( h = 0,06–0,12 м) = 3,33 м/с = 54,5 кг/кВт	, кВт	140,0	169,0	203,1	228,2	291,1
	, кг	7630	9211	11069	12437	15865
	, кН	27,7	33,4	40,2	45,1	57,6
	, м	4,75	5,73	6,89	7,74	9,87
	, га/ч	3,08	4,09	5,13	5,97	8,23
	, кг/га	6,85	6,61	6,52	6,44	6,27
3-я. Предпосевная обработка и посев = 3,33 м/с = 54,5 кг/кВт	, кВт	130,0	155,9	179,5	220,6	262,6
	, кг	7085	8497	9783	12023	14312
	, кН	25,7	30,8	35,5	43,6	51,9
	, м	4,28	5,13	5,91	7,26	8,64
	, га/ч	2,42	3,20	3,72	4,65	5,85
	, кг/га	7,50	7,25	7,16	7,10	6,99
3-я. Ранневесеннее боронование = 3,33 м/с = 54,5 кг/кВт	, кВт	121,1	134,4	143,9	183,5	223,1
	, кг	6600	7325	7843	10000	12158
	, кН	24,0	26,6	28,5	36,3	44,1
	, м	11,63	12,90	13,81	17,62	21,41
	, га/ч	6,19	7,92	9,95	13,26	17,04
	, кг/га	2,63	2,48	2,32	2,30	2,25

Полученные значения параметров-адаптеров (табл. 3) целесообразно использовать при формировании нормативной потребности [9] и качественного состава тракторного парка для характерных природных условий, региона и агрозоны в целом. С учетом технических характеристик и занятости в технологических операциях энергонасыщенных колесных тракторов [10] в основу обновления и формирования перспективного тракторного парка следует положить типоразмеры: lг > 1000 м – ^еэ = 250–320 кВт, т_э = 13,58–20,00 т, ^крн = 54–80 кН (6–8 кл.); lг = 600–1000 м – N_e3 = 200–260 кВт, т_э = 12,05–16,05 т, ^крн = 45–64 кН (5–6 кл.); lг = 400–600 м – Nea = 166–245 кВт, т_э = 9,70–12,70 т, ^крн = 36–50 кН (4–5 кл.); lг = 200–400 м – Nea = 133–200 кВт, т_э = 6,90–10,9 т, ^крн = 27–45 кН (3–4 кл.). Количество типоразмеров базовых моделей тракторов следует минимизировать путем адаптации к природно-производственным условиям за счет достаточно широкого диапазона регулирования эксплуатационной массы (10–30%) установкой твердого балласта, сдвоенных колес и использования гидравлического догружателя.

Выводы

Сформированы модели и разработан алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров колесных тракторов к характерным природно-производственным условиям агрозоны с использованием в качестве главных факторов воздействия обобщенного показателя оптимальной чистой производительности агрегата, характеристик удельного сопротивления рабочих машин и тягово-сцепных свойств энергомашины, определяющих номинальное значение рабочей скорости.

Установлены рациональные типоразмеры колесных тракторов и показатели эффективности агрегатов для технического обеспечения зональных технологий механизированных работ. Показаны условия и методы минимизации количества типоразмеров базовых моделей путем адаптации к природно-производственным условиям за счет балластирования, сдваивания колес и гидравлических догружателей.

N.I. Selivanov, V.V. Aver’yanovKrasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk

Standard sizes of wheel tractors for zonal conditions

The purpose of the work is the substantiation of a rational set of standard sizes of wheeled tractors for the natural and production conditions of the agro-industrial complex of the Krasnoyarsk Territory. The characteristic features of the production operation of the regional tractor park are the distribution of arable land over four natural zones with established headland classes: steppe (more than 1000 m), forest-steppe (600 – 1000 m), subtaiga (400–600 m) and taiga (200–400 m); and a significant difference in the energy intensity of operating technologies for tillage and sowing. The main factors of the impact of natural and industrial conditions were the headland class and the characteristics of the resistivity of the working machines, which determine the optimal value of the generalized indicator of net productivity and rated speed of mobile units, respectively. Based on the results of modeling and production tests, the nominal traction and speed modes and specific parameters-adapters of wheeled tractors and mobile units for the energy-intensive groups of operating technologies established before the start of the technological process were substantiated. An increase in the length of the headland from 200 to 1000 m leads to an increase in the required power and operational mass of the tractor by 2.0–2.4 times with a decrease of 5.5–8.5% per hectare fuel consumption. An increase in the nominal speed from 2.50 to 2.80 and 3.33 m/s for operations 2 and 3 on the energy intensity of the groups is accompanied by a decrease in the specific gravity of the tractor from 67.3 to 60.1 and 54.5 kg/kW with a slight change in the required power. The obtained values of the adapter parameters of the wheeled tractors were used to develop methods for the formation of the regulatory needs and update the composition of the tractor fleet in the characteristic natural conditions of the region. It was based on rational standard sizes of operational power for the corresponding classes of head length: 250–300 kW (more than 1000 m); 200–260 kW (600–1000 m); 166–245 kW (400–600 m); 133–200 kW (200–