Удельные параметры колесных тракторов высокой мощности для технологий почвообработки

Введение. В условиях жесткой конкуренции ведущих мировых производителей совершенствование сельскохозяйственных тракторов идет в направлении улучшения потребительских качеств, которые формируются следующими группами показателей: технико-экономическими, агротехническими, общетехническими, охраны труда, безопасности и защиты окружающей среды.

При этом модельные ряды унифицированных колесных 4к4а и 4к4б мобильных энергосредств разных типоразмеров мощности с регулируемыми в широком диапазоне массоэнергетическими параметрами составляют основу рынка и обновления тракторного парка сельских товаропроизводителей. Одним из главных условий адаптации таких тракторов к зональным ресурсосберегающим технологиям почвообработки являются ступенчатое изменение и рациональное распределение по осям эксплуатационной массы до начала технологического процесса путем установки балластных грузов, сдвоенных колес, использования жидкого балласта в шинах и гидравлических догружающих устройств [1–2].

В работах [2–4] обоснованы оптимальные значения и интервалы изменения показателя технологич- ности - удельной массы mуд колесных тракторов основных компоновочных схем и разной комплектации для установленных групп родственных операций почвообработки и посева. Однако в практике эксплуатации новых моделей отечественных и иностранных колесных 4к4б тракторов мощностью 240– 400 кВт отечественного и зарубежного производства оптимальные значения удельной массы для операций почвообработки разных групп, как правило, не достигаются из-за противоречивости рекомендаций изготовителей и высокой трудоемкости изменения количества твердого и жидкого балласта. Кроме этого, применение одинарных и сдвоенных колес с радиальными шинами обеспечивает снижение удельного давления на почву и сопротивления перекатыванию, расширяет допустимый по буксованию тяговый диапазон. Поэтому актуальным является обоснование рациональных тягово-скоростных диапазонов и удельной массы тракторов при использовании в зональных технологиях почвообработки.

Цель исследования : обоснование рациональных тягово-скоростных диапазонов и удельной массы колесных 4к4б тракторов высокой мощности для зональных технологий почвообработки.

Поставленная цель достигается решением следующих задач :

• 1)    обосновать рациональные тягово-скоростные диапазоны использования тракторов в составе почвообрабатывающих агрегатов;

• 2)    определить оптимальные значения удельной массы тракторов разной комплектации для установленных групп родственных операций почвообработки;

• 3)    установить эффективность использования тракторов с разной удельной массой в технологиях почвообработки.

Условия и методы исследования. Решение поставленных задач проводилось с учетом обоснованных допущений и ограничений [5]:

• -    рациональный тяговый диапазон трактора ограничен режимом допустимого буксования S = 0,15 при максимальном значении коэффициента использования веса р,^ с одной стороны и режимом минимального буксования £ _шп = 0,07 при ^ кр _min с другой стороны;

• -    номинальные значения р^ для выполнения первой, наиболее энергоемкой, группы операций (отвальная вспашка и глубокое рыхление) с V H1 = 2,20 м / с , р РН 1 <  Pkp m _ax , и наименее энергоемкой (поверхностная обработка почвы и посев) третьей группы операций с V *₃ = 3,33 м / с ,

Фкрн з < Фкр mm, устанавливаются при вероятности нахождения эксплуатационных допусков на тяговую нагрузку в границах ( Р кр тщ ^- Р кр max ) не менее 0,90;

• -    диапазону номинальных значений тяговых уси^{лий ( р} кРН 3 ^{— р} кРН 1 ) ^{при р} крн 2 = ⁰,^{5( р} кРН 3 + ⁽Р крн 1 ) для операции второй группы (безотвальная комбинированная обработка и чизелевание) с V *2 = 2,70 м / с соответствует интервал изменения удельной массы от минимальной m уд ₃ до максимальной т _уд 1 , соотношение которых Лт^ = ( т _уд 1 / т _Уд ₃ ) не должно превышать допустимое по условиям балластирования.

Тяговые характеристики колесного 4к4б трактора любой комплектации можно выразить функцией тягового КПД от коэффициента использования веса Пт = f ( рр) . При установленных значениях КПД трансмиссии ц_Тр сопротивления передвижению П = Р кр / ( Р кр + f ) и буксования п = (1 — S ) указанная функция имеет вид [5]

7 т = ^П ТР '

__Фкр__ ( Р кр ⁺ f )

a p KP - d) ⁽ в ^- Р кр )

где S = а (ф_кр - d )/( в - ф_кр) ; а, в, d - коэффициенты, определяемые экспериментально.

При любой т _уд и одинаковой комплектации трактора зависимость п = f ( р _Р) на конкретном почвенном фоне остается неизменной с максимальным П тах при P _KPopt и зоной допустимых по буксованию значений ц_Тд <  п , соответствующих Ф кр min и ^р кр max '

При вероятностном характере тяговой нагрузки зона эффективного функционирования трактора с разной удельной массой в составе тягового агрегата определяется ^из условия Р кр min <  (Р ур < Р кр max • Номинальные значения р_кр для операций первой и третьей групп можно выразить как

- *

^р крн 1 = ^р кр max

—

^Ф кр 1 ;

Ф кРН 3   ^р кр min ⁺ А^р кР 3 ,

где Др_Р( = К^, - контрольный допуск на тяговую нагрузку в установленных границах.

Вероятности нахождения значений р_Р1 и р_рз в зоне односторонних допусков при нормальном законе распределения определятся из выражений

Оптимальное значение удельной массы на каждом из установленных для разных групп операций почвообработки номинальном тягово-скоростном режиме выразится как

[ P _{& 1} = 0,5 + Ф ( tj; 1 Р _{д з} = 0,5 - Ф ( 1 ₂),

*

m ydi =

П т№ '¹⁰ g • Р крнГ V H

При этом должно выполняться условие [6]

где t 1 = ⁽⁽P kP max - ^Р КРН 1V ^/Л р ; t 2 = ^{( р} кР min - ^P KPH sV ^Лр – аргументы функции Лапласа.

Выходной показатель трактора представляет среднее значение тягового КПД ц_т в условиях вероятностного характера нагрузки:

Пт = P j f ( P kp ) ^р Ркр )d P KP .      ⁽⁴⁾

^р КР min

* m™ = m * д 1 / m Уд 3 = ( П / P • Ж ) н < Л т Г, (6)

где Л т max = т _Этах / m _3miп<  1,25 - максимально допустимое увеличение массы трактора при балластировании.

Рациональному тяговому диапазону (р_кр^ - р_{кр тх}) соответствует интервал рабочих скоростей

*

( V nах — V mп), границы и ширина которого зависит от величины удельной массы трактора m _ydi :

.    =     Птд 1 -103.

max i                       *

g • р • m g рКР minу

V - .= min i

^ g 2 - 10 ³

^g ■ P kp max

♦ m,

( V - V- ) = max    min i

*    ;

у дi

*

^П Тд 1       ⁿ Tg 2

-

^g m у di   _^P KP min    ^р кр max

Уменьшение удельной массы от m уд ₁ до m уд ₃ обеспечивает повышение граничных значений и расширение интервала рабочих скоростей в соответствии с условием

V V max3 _ mm3

VV max1      min1

( V - V. ),

У max     min/3

( V - V. ),

V max    min /1

*

m ^ = A m _y (8)

^m у d 3

Приведенные принципы согласования тяговых и скоростных режимов обеспечивают минимальное изменение удельной и соответственно эксплуатационной массы трактора для эффективного использования в разных по энергоемкости технологиях поч-вообработки.

Влияние удельной массы на потенциальные энергетические и технико-экономические показатели трактора и агрегата при выполнении операций поч- вообработки разных групп можно оценить коэффициентом адаптации

^ЛП т = П т ¹ П т max .                ⁽⁹⁾

Результаты исследования. По результатам лабораторно-полевых испытаний тракторов «Кировец» серии К-744Р разных типоразмеров и комплектаций получены осредненные значения коэффициентов уравнения (1) [6], определяющие характер зависимостей буксования и тягового КПД от коэффициента использования веса, а также границы рационального тягового диапазона использования ( р ,„^ - р_{КР mx}), по условиям минимального и допустимого буксования на стерне колосовых влажностью 18–20 % в интервале рабочих скоростей от 2,2 до 2,8 м/с (табл. 1, рис. 1).

Показатели тягово-сцепных свойств колесных тракторов серии К-744Р (фон - стерня колосовых)

Таблица 1

Показатель	Одинарные колеса (1к) Pш = 0,11 - 0,12 МПа	Сдвоенные колеса (2к) Pш = 0,09 - 0,10 МПа
f	0,07	0,05
a	0,110	0,110
в	0,813	0,813
d	0	0,04
η TP	0,905	0,905
ϕ KP min	0,330	0,340
ϕ KP max	0,475	0,485

На основании анализа зависимостей η ,δ= f (ϕ ) определен диапазон номинальных тяговых усилий трактора, ограниченный ϕKPН3 = 0,370 и ϕ = 0, 450 , с вероятностью функционирования на операциях почвообработки третьей и первой групп при ϕKP ≥ϕKPmin и ϕKP ≤ϕKPmax соответственно 0,903 и 0,912.

1 – одинарные колеса; 2 – сдвоенные колеса

Рис. 1. Зависимости η , δ = f ( ϕ ) колесного трактора 4к4б:

Номинальный тяговый режим ϕ , соответствующий η , является основным для выполнения операции почвообработки третьей группы при V* = 3,33 м/ с. Для наиболее энергоемких операций первой группы с V* = 2,20 м/с служит режим ϕKPH1 при ηTg <ηTmax . Середина указанного диапазона при ϕKPH = 0,41 и ηT≈ηTmax предназначена для операций второй группы с V* = 2,70м/ с. Максимальный интервал изменений удельной массы трактора разной комплектации λmуmдax =m*уд1/m*уд3=1,22 не превышает допустимый при λV =V*/ V*=1,51 (табл. 2). Причем из-за повышенных значений тягового КПД удельная масса трактора на сдвоенных колесах пре- вышает ее на одинарных для каждой группы операций в соответствии с условием Amyd = Ап = 1,057.

Максимальный интервал рабочих скоростей по условиям буксования (Vmin - VSd)i при m*di. суще ственно шире технологического (V* ±Д V )*, что определяет размеры оптимального (Vmх- V^ )* скоростного интервала для операций почвообработки соответствующей группы (см. табл. 2).

Таблица 2

Тягово-скоростные диапазоны использования и удельная масса колесных 4к4б тракторов для технологий почвообработки

Группа операций	v H ±Д V ШП , м/с	Компл.	* ϕ KPН	δ Н	η TН	* mуд , кг/кВт	(V S max   V ^g ) , м/с	(V - V- ) * , V max     min / , м /с
1	2,20±0,25	1к	0,45	0,136	0,676	69,61	3,01–2,05	2,45–2,05
		2к	0,45	0,124	0,714	73,56	3,02–2,00	2,45–2,00
2	2,70±0,35	1к	0,41	0,110	0,687	63,26	3,31–2,27	3,05–2,45
		2к	0,41	0,101	0,726	66,85	3,32–2,22	3,05–2,45
3	3,33±0,50	1к	0,37	0,091	0,692	57,25	3,66–2,51	3,66–3,05
		2к	0,37	0,082	0,732	60,56	3,66–2,46	3,66–3,05

Зависимость тягового КПД от скоростного режима показала возможность энергетически эффективного использования трактора с удельной массой m ^* в интервале рабочих скоростей до

V. = 2,88 м/с (рис. 2), характерном для опера- ций почвообработки второй группы. При m*й трактор наиболее эффективен в интервале от 3,20 до 3,66 м/с. Для m *д2 указанный интервал находится в пределах от 2,88 до 3,20 м/с.

Рис. 2. Зависимость тягового КПД трактора 4к4б на сдвоенных колесах от рабочей скорости: m*_уд j =73,51 кг/кВт;m^₂ =66,85кг/кВт; m *_д3 =60,56 кг/кВт

Указанное подтвердило целесообразность дифференцирования удельной массы колесного 4к4б трактора на различных по энергоемкости операциях с учетом характера изменения тягового КПД от скоростного режима при фиксированном значении mу^. Это повысит энергетическую эффективность его использования и уменьшит уплотнение почвы колесами.

Установленные по результатам моделирования зависимости коэффициента адаптации трактора 4к4б разной комплектации к технологиям почвооб-работки от удельной массы показали следующее (рис. 3):

– на операциях 1, 2 групп в интервале рабочих скоростей от 2,00 до 3,05 м/с наиболее эффективен трактор с m*уд1 при коэффициенте адаптации λη =0,983-0,987;

– в интервале рабочих скоростей от 2,00 до 3,66 м/с, характерном для операций 1–3 групп, при равномерной занятости максимальную энергетическую эффективность имеет трактор с m ^* _{уд 2} при λη = 0,982 - 0,985 и пониженным на 10,0 %, по сравнению с m ^* _{уд 1} , давлением колес на почву;

– при равномерной занятости на операциях 2, 3 групп в интервале рабочих скоростей от 2,45 до 3,66 м/с максимальное значение коэффициента адаптации λη = 0,993 - 0,996 достигнуто при m ^* _{уд 2} .

С учетом занятости в зональных технологиях почвообработки базовое (основное) значение массы тракторов 4к4б должно соответствовать m ^* и находиться в пределах 61–64 и 65–67 кг/кВт на одинарных и сдвоенных колесах соответственно.

Рис. 3. Зависимость коэффициента адаптации трактора 4к4б к интервалам технологической скорости от удельной массы

Выводы

• 1.    Установлены рациональные тяговые диапазоны колесных 4к4б тракторов высокой мощности разной комплектации, ограниченные режимами минимального (7 %) и максимально допустимого (15 %) буксования и соответствующие им номинальные тяговые режимы использования в технологиях поч-вообработки третьей ( ϕ = 0, 37) , второй ( ϕ _{KPН 2} = 0, 41) и первой ( ϕ _{KPН 1} = 0, 45) групп.

• 2.    Определены оптимальные значения удельной массы тракторов на одинарных и сдвоенных колесах для выполнения операций почвообработки разных групп в обоснованных интервалах номинальных ра-

• бочих скоростей при λV max = 1, 51, соотношение которых λmmax = 1,22 не превышает допустимое по условиям балластирования.

• 3.    С учетом занятости в зональных технологиях почвообработки базовая величина удельной массы тракторов 4к4б на одинарных и сдвоенных колесах должна находиться в пределах 60–64 и 65– 68 кг/кВт соответственно.