Тягово-динамический расчет малогабаритного колесного автотрактора

В Рубцовском индустриальном институте (филиале) ФГБОУ ВПО “Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова” (РИИ АлтГТУ) разработан малогабаритный колесный автотрактор ЭМ-0,6 с двигателем мощностью 21 кВт, предназначенный для выполнения целого ряда транспортных и тяговых работ в крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйствах [4, 5, 6, 7]. Компоновка автотрактора с передним расположением кабины и наличием свободной зоны в средней и задней частях рамы обеспечивает установку в этой зоне самосвального кузова грузоподъемностью 1 т, а заднее универсальное навесное устройство с гидроприводом позволяет управлять не только самосвальным кузовом, но и навесными сельскохозяйственными орудиями, например, плугом (рис. 1).

Рис. 1. Схема агрегатирования колесного автотрактора

Цель исследований . Помочь сельхозпроизводителю, применяющему автотрактор ЭМ-0,6, в определении нагрузочных параметров, соответствующих режимам наиболее эффективного использования машины в конкретных эксплуатационных условиях крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйств.

Задачи исследований . Разработка достаточно простых номограмм, графически связывающих основные нагрузочные параметры автотрактора ЭМ-0,6 с характеристиками типичных условий эксплуатации.

Методика и результаты исследований . Наличие транспортных и тяговых эксплуатационных режимов говорит о том, что автотрактор ЭМ-0,6 занимает промежуточное положение между грузовым автомобилем и сельскохозяйственным трактором. Поэтому при тяговых расчетах могут использоваться методы как теории автомобиля (динамическая характеристика), так и теории трактора (тяговая характеристика).

В теории автомобиля широко используется метод динамической характеристики, заключающийся в построении зависимости динамического фактора от скорости движения. Динамический фактор автомобиля рассчитывается по формуле:

p -P

D = PK  Pw ,(1)

G где Рк – касательная сила тяги, кН; РW – сопротивление воздуха, кН; G – вес машины, кН.

Вес G рассчитывается по формуле:

G = Gэ + Q,(2)

где G_Э – эксплуатационный вес автотрактора, G_Э = 19,1 кН; Q – рейсовая нагрузка, кН.

Для автотрактора, имеющего максимальную скорость до 50 км/ч, с погрешностью вычислений не более 2 % можно принять P W ~ 0 . Тогда

D = Р' G.(3)

Касательная сила тяги может быть рассчитана двумя способами: “по условиям движения” и “по двигателю”.

Для расчета касательной силы тяги “по условиям движения” рассмотрим силы, действующие на автотрактор при равномерном движении на подъеме, представленные на рис. 2.

Рис. 2. Схема к расчету касательной силы тяги автотрактора

Уравнение тягового баланса имеет вид:

Рк = Pf + (Оэ + Q) • sina = f (Оэ + Q) • cosa + (Gэ + Q) • sina,   (4)

где p - сила сопротивления качению, кН; f - коэффициент сопротивления качению автотрактора; a - угол уклона местности.

Выражение для динамического фактора принимает вид:

D = f • cos » + sin a.

Результаты расчетов динамического фактора и потребной касательной силы тяги для типичных условий эксплуатации автотрактора представлены в таблице.

Параметры условий эксплуатации автотрактора

Условия эксплуатации	f	a , градус	D	Р к , кН
				Q = 0 кН	Q = 10 кН
Легкие	0,02-0,05	0-5	0,02-0,137	0,39-2,69	0,59-4,03
Средние	0,05-0,1	0-10	0,05-0,272	0,98-5,34	1,47-8,01
Тяжелые	0,1-0,2	0-15	0,1-0,452	1,96-8,87	2,94-13,29

С учетом данных таблицы были предварительно выбраны передаточные числа трансмиссии автотрактора.

Выражая Р_к через параметры двигателя, трансмиссии и ходовой части, можно получить для автотрактора:

_{D =} Me • imp • Птр G • Г '

где Me – крутящий момент, снимаемый с коленвала двигателя, кН∙м; iтр – передаточное число транс- миссии; птр - КПД трансмиссии; гк - радиус качения ведущего колеса автотрактора, м.

Расчет скорости движения автотрактора проводится по формуле:

V = 3,6 •

ne • ^гк • ⁿ

³⁰ • imp

,

где ne – частота вращения коленвала двигателя, мин .

Для расчетов по формулам (6)–(7) необходимо знание внешней скоростной характеристики двигателя. При отсутствии экспериментальных данных проводится теоретический расчет внешней скоростной характеристики двигателя по формулам, рекомендуемым в теории двигателя. Результаты расчетов представляются графически в виде так называемой динамической характеристики “по двигателю”.

Результаты расчетов по формуле (5) представляются графически в виде так называемой динамической характеристики “по условиям движения”. Объединяя обе динамические характеристики, можно получить динамический паспорт.

Динамический паспорт автотрактора ЭМ-0,6 конструкции РИИ АлтГТУ (рис. 3), построенный при номинальной рейсовой нагрузке, содержит два квадранта:

• -    в правом квадранте представлена динамическая характеристика “по двигателю”;

• -    в левом квадранте представлены зависимости динамического фактора от угла подъема местности и коэффициентов сопротивления движению при легких, средних и тяжелых условиях (динамическая характеристика “по условиям движения”).

  

  Рис. 3. Динамический паспорт автотрактора при номинальной рейсовой нагрузке

  
  

При равенстве значений динамического фактора, взятых в правом и в левом квадрантах, автотрактор движется равномерно с данной скоростью в заданных условиях. Так, наглядно видно, что движение автотрактора с номинальной рейсовой нагрузкой в средних условиях возможно при уклоне местности 16° (включена первая передача рабочего диапазона трансмиссии).

Очевидно, что в реальных условиях автотракторы могут эксплуатироваться с рейсовыми нагрузками, уровень которых меньше номинальных. При этом для анализа эксплуатационных режимов целесообразно использовать усовершенствованный вариант динамического паспорта автотрактора (рис. 4), в котором наряду с динамическими характеристиками “по двигателю” и “по условиям движения” содержится номограмма нагрузки (левый квадрант).

Номограмма нагрузок построена следующим образом. Параллельно оси абсцисс динамической характеристики влево от шкалы D отложен отрезок произвольной длины. На этом отрезке нанесена шкала нагрузки в процентах. Через нулевую точку шкалы нагрузок проведена прямая, параллельная оси D , и на ней нанесена шкала динамического фактора D o для автотрактора без нагрузки. Масштаб для этой шкалы определен по формуле:

ao = a • Mo / M_э ,

где a ₀ - масштаб шкалы динамического фактора для автотрактора без нагрузки; a - то же для автотрактора с полной нагрузкой; M ₀ - собственная масса автотрактора в снаряженном состоянии, кг; M_Э - полная масса автотрактора с учетом номинальной рейсовой нагрузки, кг.

Равнозначные деления шкал D и D o (например, 0,1; 0,2 и т.д.) соединены прямыми линиями.

Рейсовая нагрузка

Рис. 4. Динамический паспорт автотрактора с номограммой рейсовой нагрузки

Используя динамический паспорт с номограммой рейсовой нагрузки, можно определить, например, что равномерное движение автотрактора ЭМ-0,6 в средних условиях при угле уклона местности 16° возможно при нагрузке, равной 40 % от номинальной, на второй передаче рабочего диапазона трансмиссии, а при нагрузке 20 % от номинальной – на третьей передаче того же диапазона.

Заключение . На основе положений теории автомобиля с учетом конструктивных данных колесного автотрактора ЭМ-0,6 выполнены необходимые расчеты и построены графики динамических характеристик “по двигателю” и “по условиям движения”. Проведено объединение названных динамических характеристик в динамический паспорт автотрактора.

Предложен усовершенствованный вариант динамического паспорта с номограммой рейсовой нагрузки, позволяющий формулировать практические рекомендации по величинам рейсовых нагрузок и скоростям движения автотрактора ЭМ-0,6 при транспортировке грузов в конкретных эксплуатационных условиях крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйств.