Удельная материалоемкость колесных тракторов при балластировании для технологий почвообработки

Введение. Основу современного тракторного рынка составляют унифицированные мобильные энергетические средства колесной формулы 4к4а разных типоразмеров с изменяющимися в широком диапазоне массоэнергетическими параметрами. Особенностью адаптации таких тракторов к зональным технологиям почвообработки является ступенчатое изменение эксплуатационной массы путем балластирования, установки сдвоенных колес и применения догружающих устройств [1].

Для установленных групп операций основной обработки почвы в работах [2, 3] обоснованы оптимальные значения показателя технологичности – удельной материалоемкости m_у ^∗ _д колесных тракторов разной комплектации. Однако в практике эксплуатации обеспечение m уд i современных колесных тракторов для разных операций почвообработки путем балластирования не всегда производится из-за высокой трудоемкости установки и снятия балластных грузов и отсутствия соответствующих рекомендаций.

В работе [4] обоснованы условия балластирования колесных 4к4а тракторов с установленным энергетическим потенциалом для адаптации к современным технологиям почвообработки. Сформулированы модели, разработаны алгоритм рационального балластирования и номограмма определения параметров дополнительного балласта. Разработанную номограмму целесообразно использовать инженерно-технический службой предприятия или официальным дилером при балластировании тракторов для определенной группы операций основной обработки почвы.

При подготовке тракторов разных производителей и типоразмеров к эксплуатации более универсальной является методика определения степени балластирования с использованием удельной массы полного, переднего и заднего балластов. Поэтому разработка рекомендаций по рациональному балластированию колесных тракторов для адаптации к технологиям почвообработ-ки является актуальной и практически значимой.

Цель работы . Обоснование удельной материалоемкости и степени балластирования колесных 4к4а тракторов для оптимальной адаптации к технологиям почвообработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач :

• 1)    сформировать модели и разработать алгоритм оптимизации удельной материалоемкости трактора за счет изменения степени балластирования;

• 2)    обосновать удельные массоэнергетические параметры трактора и дополнительного балласта для адаптации к технологиям почвообработки;

• 3)    разработать номограмму определения удельной массы элементов дополнительного балласта при использовании тракторов в технологиях основной обработки почвы.

Условия и методы исследования. Решение поставленных задач производилось с учетом установленных рекомендаций, допущений и ограничений:

• -    рациональный тяговый диапазон трактора ограничен, с одной стороны, режимом допустимого буксования Д_д при максимальном значении коэффициента использования веса КРкРтах = <р _{КРН 1} для выполнения первой, наиболее энергоемкой группы операций (отвальная вспашка и глубокое рыхление) на скорости V^ ₁ = 2,20 М , с другой стороны, режимом максимального тягового КПД т_Ттах, которому соответствует кр₀р_ор t = Фкрз для выполнения третьей, наименее энергоемкой группы операций (поверхностная обработка почвы и прямой посев) при V^ ₃ = 3,33 м / с , середина которого с <р_КРН2 = ф_КР = 0,5 • (<р_КРтах + <р_КРорt) при скорости V^ ₂ = 2,65 м / с служит для операций второй группы (безотвальная комбинированная обработка и чизелевание);

• -    рациональному тяговому диапазону ( <р _{КР тах} - <р _{КР ор}) соответствует интервал изменения удельной материалоемкости от максимальной т*_уд1 до минимальной т Д , соотношение которых не должно превышать максимально допустимое увеличение минимальной удельной транспортировочной массы брутто трактора т _{уд 0} за счет балластирования т Б _уд [5]

2- ^т уд т ах = ^т уд 1 ^/т уд 3 — ^ ^уО доп = ^(т уд 0 ^{+ т} Буд ^)/т уд 0 ■                    (1)

У колесного трактора, с минимальной транспортировочной массой брутто т _{уд 0} , продольной базой L и абсциссой центра масс а _{ц 0} , максимальная удельная масса дополнительного балласта для первой группы операций т_{Б тах} = (т у_д1 - ^т_Удо )■ Тогда, при известном соотношении т _{уд 0} = а • т уд ₁ , оптимальные значения удельной массы ( кг/кВт) общего балласта т _Буд для каждой группы операций выразятся как

( ^т Буд 1     уд!у д 1 • ^{(1 а)} ;

Л ^т Буд 2 = ^т уд 2 ^— а • ^т уд 1 <  \^т Буд 3 = удЗу д 3 ^— а • ^т уд 1 ■

Удельные массы переднего т*дудд и заднего т*Б2уд балластов определяются решением уравнений моментов относительно осей передних и задних колес [3] при известных абсциссах цен тра масс трактора ац > ац0 и переднего балласта ап > 0

[т^д 1 уд = (т *д • ц - - т уд 0 • а^ )/(L + п _П );

-

^а ц 0 ^{)]/(L + П} П )■

1^тд 2 уд = ^[т уд '( ^{L +} П п ^{- а} ц ) ^{- т}уд 0 • ^{(L +} Пп

Обозначив относительные величины абсцисс центра масс трактора и переднего балласта как А ц = а ц /L , А _{ц 0} = а _{ц 0} /L и А _п = (L + а _п )/L из уравнений системы (3), получим выражения для расчета оптимальных значений удельной массы переднего и заднего балластов

Г т Б ^∗ гуд ⁼⁽ т _у ^∗ _д ∙ А _ц - т уд о ∙ А _ц о)/ А п ;

\тБ ^∗ 2 уд =( т у ^∗ д ^- т уд о)-( т у ^∗ д ^{∙ А}ц ^- т уд о ∙ А _ц о)/ А _п .

Абсцисса центра масс Ац для оптимальной нагруженности передних колес трактора в режиме рабочего хода Л ПР = УПР/ GЭ =0,3-0,4 [3] при номинальной тяговой нагрузке РКРН опреде- лится как

[ℎ КР ^∙ ^КРН + £ ( L д 1 + I д 2 ) ∙0,5]                             (5)

Ац =                L                , где ℎ КР – ордината точки прицепа; / – коэффициент сопротивления качению; Тд ,гд2 – динамические радиусы качения передних и задних колес.

Оптимальные значения полной массы указанных балластов для каждой группы операций почвообработки на тракторах разных типоразмеров при известном или заданном энергетическом потенциале выразятся как т Б∗ 1= Б∗ 1уд ∙(f̅∙Nеэ); т Б∗ 2= Б∗ 2уд ∙(f̅∙Nеэ).

{

Алгоритм рационального балластирования колесного 4к4а трактора с установленным или заданным энергетическим потенциалом ( ( ∗ _̅ ∙ N_еэ ) для основных групп родственных операций поч-вообработки, при обоснованных значениях номинальной скорости рабочего хода V_t ^∗, включает: 1) определение т уд Q , L , ац Q , а_п по технической характеристике; 2) определение зависимостей U Т , 5 =( (р_КР ) в интервале буксования движителей 8 = 0,05–0,20 и изменения скорости V от 2,20 до 3,80 м/с ; 3) установление <Р КР max = КР Н 1 , ̅ _КР = (р КР Н 2, <Р КР opt = КР Н 3 и соответствующих им значений тягового КПД U _Т ; 4) расчет удельной материалоемкости т уд = U ТН /( (Р КР ∙ V ) Н ∙ д ∙10 ³ и эксплуатационной массы трактора тЭ ^∗= ту ^∗ д ∙( ( ^∗ ̅ ^∙ N_еэ ) для каждой группы операций; 5) проверка условия (1) при т уд Q = ∙ т уд _± ; 6) определение удельной массы полного балласта т_Буд для каждой группы операций по (2); 7) определение абсциссы центра масс трактора с балластом из условий ац = т п / т Э = Уп ст / G_Э и А_ц для каждой группы с учетом выражения (5) и рекомендаций [3]; 8) расчет удельной массы т Б ^∗ _± уд ^и т Б ^∗ _{2 уд} по (4); 9) определение полной массы балластов т Б ^∗_±и т Б ^∗₂ по (6).

Результаты исследования. Использование экспериментальных зависимостей Л Т , = /( <Р_КР ) [3] позволило обосновать оптимальные значения т_у ^∗ _д тракторов 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах для установленных групп родственных операций почвообработки (табл.1).

Оптимальные значения т_у ^∗ _д колесных 4к4а тракторов для операций основной обработки почвы [6]

Таблица 1

Группа операций	Vн, м/с (км/ч)	Одинарные колеса			Сдвоенные колеса
		φ К ∗ РН /δ	η ТН	m у ∗ д,кг/кВт (кг/л.с.)	φ К ∗ РН /δ	η ТН	m у ∗ д,кг/кВт (кг/л.с.)
1	2,20 (8,0)	0,45 0,15	0,625	64,47 (47,40)	0,47 0,124	0,692	68,21 (50,15)
2	2,65 (9,5)	0,41 0,124	0,634	59,49 (43,74)	0,41 0,10	0,707	66,31 (48,76)
3	3,33 (12,0)	0,37 0,10	0,638	52,80 (38,82)	0,35 0,07	0,710	62,11 (45,67)

Рациональным тяговым диапазонам использования трактора на операциях почвообработ-ки разных групп с одинарными ( ф КРН 1 - ф КРН 3 ) = (0,45–0,37) и сдвоенными (0,47–0,35) колесами соответствуют Лт удmax = 1,221 и 1,098, что согласуется с условием (1) при Лт_Э max ≤ 1,25.

Оптимальные значения т_у ^∗ _д трактора с одинарными колесами при т уд Q = 51,58 кг / кВт достигаются изменением удельной массы общего балласта от минимальной т Б ^∗ _{3 уд} = 1,22 кг / кВт до максимальной т Б ^∗ г _уд = 12,89 кг / кВт , что составляет (0,024–0,250) ∙ т уд ₀ (табл. 2).

При комплектации трактора сдвоенными колесами т_у ^∗ _д обеспечивается дополнительная удельная масса Σ т_Б ^∗ _уд , включающая удельные массы второго комплекта задних и передних колес т_Куд и балластных грузов тБ ^∗ уд , от ∑ т ^∗ _{3 уд} = 10,53 кг / кВт до ∑ т ^∗_г = 16,63 кг / кВт . При т _Куд =4,0-4,5 кг / кВт общая удельная масса балластных грузов для первой группы операций на сдвоенных колесах т Б ^∗ _{г уд} = 12,53 кг / кВт остается практически неизменной. На операциях 2-й и 3-й групп она повышается до 10,73 и 6,53 кг/кВт соответственно (табл. 2).

Таблица 2

Удельные параметры балластных грузов колесных 4к4а тракторов для технологий почвообработки [6]

Группа операций	Одинарные колеса			Сдвоенные колеса
	ф КРН	Б ∗ уд , кг/кВт	тБуд / т уд 0 \	Ф КРН	∑ т Буд , кг/кВт	т Буд , кг/кВт	тБуд / т уд 0
1	0,45	12,89	0,250	0,47	16,63	12,63	0,245
2	0,41	7,91	0,153	0,41	14,73	10,73	0,208
3	0,37	1,22	0,024	0,35	10,53	6,53	0,127

При использовании в качестве основного тягового режима для всех групп родственных операций ФК ^∗ РН =0,5∙( Ф КРmax + ф КРopt ) величина Лт удmax достигает 1,388 на одинарных и 1,450 на сдвоенных колесах, что недопустимо по условиям балластирования [5]. Это требует компромиссного варианта балластирования для операций первой группы, в основе которого целесообразно использовать тяговый режим при ф К ^∗ РН _г = 0,45 и предлагаемые условия балластирования для его достижения.

По результатам анализа конструкционных особенностей и условий балластирования отечественных [7] и зарубежных [8, 9] колесных 4к4а тракторов установлены интервалы изменения значений относительных абсцисс: А_ц =0,40-0,50; А _ц 0 =0,35-0,40; А п =1,0-1,6. Для определения рациональной степени балластирования тракторов с использованием удельных параметров, по результатам натурного и вычислительного экспериментов, разработана номограмма (рис.). Построение номограммы проводилось графо-аналитическим методом в изложенной ниже последовательности.

• 1.    В IV квадранте построены зависимости л Т , 8 =( Ф_КР ) в рациональном тяговом диапазоне использования трактора 4к4а на одинарных и сдвоенных колесах.

• 2.    В I квадранте расположены графики т уд = U ТН /( Ф КР ∙ V )_н∙ д ∙10 ³ при установленных значениях v Н ^∗ и ф _К ^∗ _РН (см. табл. 1) для разных технологий почвообработки.

• 3.    Во II квадранте построены зависимости приходящейся на передний мост удельной массы трактора m _у ^∗ _д 1 =m _уд ∙ А_ц и m _уд1-0 = m _у ^∗ _д 0 ∙ А_ц Q с балластом т Буд ⁼ т у ^∗ д ^- т уд ₀ и без него.

• 4.    В III квадранте приведены зависимости удельной массы переднего балласта от абсциссы А_п , которая рассчитывается с учетом уравнения (4) как т Б ^∗ _х уд ⁼⁽ т_у ^∗ _д ∙ А_ц - т уд Q ∙ А_ц Q)/ А_п . Масса заднего балласта при известном значении т Б ^∗ _{х уд} определяется как т Б ^∗ ₂ уд = т у ^∗ д ^- т уд Q - т Б ^∗ _х уд .

Порядок пользования номограммой поясним на примере трактора Versatile 250 с одинарными колесами при выполнении операций второй группы.

При выполнении операций второй группы целесообразно использовать тяговый режим при

(p К∗РН 2 = 0,41 (т. А). Проведя через эту точку прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с линией UТIК (т. а4), определяют в IV квадранте иТ = 0,634 (т. А4). Проведя через эту точку прямую, параллельную оси ординат до пересечения с линией Vt ∗2, получают т. а1. Пересечение прямой, параллельной оси абсцисс, из указанной точки с ординатой (т. А1) определяет значение удельной массы mу∗д = 59,49 кг/кВт. Точка А10 соответствует минимальной удельной транспортировочной массе брутто m уд Q = 51,58 кг/кВт (m Б∗уд = m у∗д - m уд Q) =59,49-51,58=7,91 кг/кВт). Во II квадранте через точки А1 и А10 проводят прямые, параллельные оси абсцисс, до пересечения с линиями Ац = 0,45 и АцQ = 0,35 получают точки а2 а20. Из этих точек параллельно оси ординат проводят линии до пересечения с осью абсцисс, находят значения m уд = mу∗д∙Ац =59,49∙ 0,45 = 26,77 кг/кВт (т. А2) и m ∗ уд = m уд 0 ∙ Ац0=51,58∙0,35=18,05 кг/кВт (т. А20). Далее, продлив линии из указанных точек до пересечения в III квадранте с линией m Буд = f(Ац) при заданной величине Ап =1,3 (т. а3 и т. а30) и проведя из этих точек линии, параллельные оси абсцисс, до пересечения с ординатой (т. А3 и т. А30), находят значение m Б∗ tуд =(Аз -А3 о) =(20,52-13,82) = 6,7 кг/кВт и m Б∗ 2 уд = m Буд - m Б∗ tуд =7,91-6,7 = 1,21у кг/кВт.

При известной мощности тракторного дизеля N_еэ =184 кВт и(^∗ ̅ =1,0 по уравнению системы (6) определяют массу указанных балластов

{ m Б∗ i= Б∗ iуд ∙(f∗̅∙Nеэ) =6,7∙184=1233 кг; m Б∗ 2= Б∗ 2уд ∙(f∗̅∙Nеэ) =1,21∙184=222 кг.

0          0,05        0.10         0,15

Номограмма для определения удельной массы балластных грузов при использовании колесных 4к4а тракторов

Аналогично определяют массу балластных грузов для операций почвообработки других групп при оснащении трактора сдвоенными колесами или изменении его мощности.

Выводы

• 1.    Представлены модели и алгоритм оптимизации удельной материалоемкости колесных 4к4а тракторов за счет изменения степени балластирования.

• 2.    Обоснованы рациональные значения удельной материалоемкости тракторов разной комплектации для адаптации к технологиям почвообработки и условия ее достижения за счет изменения параметров переднего и заднего балластов.

• 3.    Разработана номограмма определения удельных параметров переднего и заднего съемных балластов для эффективного использования тракторов в разных технологиях почвообработки.