Рациональные типоразмеры колесных тракторов и агрегатов для зональных технологий почвообработки

УДК 629.114.2

Н.И. Селиванов, В.В. Матюшев, В.Н. Запрудский, Ю.Н. Макеева

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ТИПОРАЗМЕРЫ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ И АГРЕГАТОВ ДЛЯ ЗОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЧВООБРАБОТКИ

Проведен анализ природно-производственных условий Красноярского края, входящего в агрозону 6.2 Сибирского федерального округа. Показано, что повышение эффективности почвообработки предполагает обоснование номинального значения рабочей скорости, массоэнергетических параметров тракторов и ширины захвата агрегатов для каждой из трех групп родственных операций и превалирующих классов длины гона с учетом технической оснащенности и перспективы формирования технологически необходимого машинно-тракторного парка региона. Основу технического обеспечения технологий почвообработки и посева в сельском хозяйстве края составляют колесные тракторы 4к4 отечественного и зарубежного производства с переменной эксплуатационной массой и многооперационные агрегаты и рабочие машины секционного типа с изменяющейся шириной захвата, адаптация которых к природно-производственным условиям предполагает знание интервалов регулирования и установку оптимальных значений этих параметров до начала работы. В основу адаптации тракторов и комплектования агрегатов положено обеспечение чистой производительности при минимальных приведенных затратах для каждой группы технологических операций и установленного класса длины гона. Доказано теоретически, что адаптация трактора к природно-производственным условиям достигается при оптимальных значениях его удельной материалоемкости, которым соответствуют рациональные интервалы изменения массоэнергетических параметров для разных групп родственных операций основной обработки почвы и превалирующих классов длины гона. Обоснована по результатам экспериментов удельная материалоемкость для каждой группы родственных операций при функционировании трактора с номинальной скоростью в тяговом диапазоне, ограниченном режимами максимального тягового КПД и допустимого буксования. Установлены рациональные типоразмеры мощности колесных тракторов разной конфигурации и оптимальное распределение их массы по осям передних и задних колес, интервалы изменения ширины захвата почвообрабатывающих агрегатов для зональных технологий и превалирующих классов длины гона.

Ключевые слова: адаптация, длина гона, производительность агрегата, технология почвообработки, типоразмер трактора, удельная материалоемкость, ширина захвата.

Введение

Красноярский край располагает площадью пашни 1920 тыс. га и входит в состав агро-зоны 6.2 Сибирского федерального округа. Около половины пашни представлено участками с площадью до 30 га (при средней длине гона 600-1000 м и удельным сопротивлением дерново-подзолистых почв 65 кН/м2) [1, 2]. Площадь более 30 га с длиной гона свыше 1000 м -у 53% полей.

При возделывании зерновых и кормовых культур в регионе применяют три вида технологий обработки почвы и посева: традиционную с осенней зяблевой вспашкой (15%); минимальную с осенней глубокой или поверхностной безотвальной обработкой почвы под зябь (40%); нулевую (посев по стерне) с одновременной поверхностной обработкой почвы (45%). Указанные технологии образуют три группы родственных по энергоемкости и агротехническим требованиям операций почвообработки.

Повышение эффективности почвообработки предполагает обоснование рабочей скорости, массоэнергетических параметров трактора и ширины захвата агрегата для каждой группы родственных операций и превалирующих классов длины гона с учетом технической оснащенности и перспективы формирования технологически необходимого машинно-тракторного парка агрозоны.

Основу технического обеспечения технологий почвообработки и посева в регионе составляют тракторы с колесными формулами 4к4б и 4к4а отечественного и зарубежного производства с переменной за счет балластирования эксплуатационной массой и многооперационные рабочие машины секционного типа с изменяющейся шириной захвата, адаптация ко-

© Селиванов Н.И., Матюшев В.В., Запрудский В.Н., Макеева Ю.Н., 2015

торых к условиям функционирования предполагает знание интервалов регулирования и установку оптимальных значений этих параметров до начала работы.

Целью работы является обоснование совокупности типоразмеров мощности колесных тракторов и интервалов ширины захвата почвообрабатывающих агрегатов на их базе для природно-производственных условий региона. Предполагается решение задач:

1) определить оптимальные значения удельной материалоемкости тракторов разной конфигурации для каждой группы родственных операций основной обработки почвы;

2) обосновать рациональную совокупность основных типоразмеров тракторов и агрегатов для технического обеспечения зональных технологий основной обработки почвы.

Методы исследования Основаны на принципах системной адаптации мобильных энергосредств и почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям [3, 4] с использованием в качестве основного критерия ресурсосбережения минимума приведенных затрат.

Для каждой группы родственных операций основной обработки почвы характерны: ос-редненное удельное тяговое сопротивление рабочей машины K0i при скорости V0 = 1,4 м/с,

его приращение от скорости .К1 = |l + AK0i -(vH — V02 )J и коэффициент вариации vK 0i; рациональный по агротребованиям и энергозатратам интервал изменения рабочей скорости (VL < V* < V* ) и ее номинальное значение.

\ mm п max /i

Обоснование основного показателя технологичности трактора - удельной материалоемкости т*уд1 для каждой группы операций следует выполнять при его функционировании с

номинальной скоростью V* в тяговом диапазоне (pKPopt < (pKFH < pKP max , ограниченном режимами максимального тягового КПД rT max (pKPopt) и допустимого буксования 5а (pKP max).

Должно соблюдаться общее для всех типов энергомашин соотношение между основными параметрами-адаптерами, определяющее их удельную материалоемкость [5]

* / т т* г\—3

тудг = Гтн/g

Влияние природно-производственных факторов на эксплуатационную мощность N*. и массу m* трактора фиксируется величиной чистой производительности W* [5, 6], установленной по критерию ресурсосбережения для каждого класса длины гона и вида обработки почвы, характеристиками удельного сопротивления рабочих машин (ко • ¡лК). и соотношением номинальных значений параметров-адаптеров в уравнении (1) с учетом коэффициента использования мощности двигателя Е *

N

л*.=w- Ко,- VKJ гтн -е*,

m* = mydl • {EN-nB3)*.

Зависимость коэффициента использования мощности тракторного двигателя при оптимальном нагрузочном режиме от его динамических свойств (коэффициента приспособляемости по моменту KM) и вероятностного характера распределения момента сопротивления

VMC -VKо имеет вид [3]

En* = —0,964 + 1,80Км — 0,40KM + 0,023/Vmc .

Интервалы регулирования эксплуатационных параметров трактора при изменении при-родно-производственных условий и тягово-скоростных режимов работы определяют

Ne3i+l

X,,* = —^ir1 = X* • XK • X.. Xr • X. ,

N 1Г* W К0 .к гтн v '

еэ N . ' N

еэ,

Оптимальное, наилучшее, наиболее рациональное значение параметра.

* т

Л = = Л • Л . • Я . = Я • Я . • Я . Л • Лг

т туд & Кэ ЛТН К,!' (КРн "V.И

При обосновании ширины захвата В*р почвообрабатывающего агрегата или рабочей машины, особенного секционного типа, следует руководствоваться удельными затратами мощности

К> = К/В* .

Результаты исследования

По результатам экспериментальных исследований и моделирования [2, 4] обоснованы номинальные тягово-скоростные режимы и удельная материалоемкость тракторов разной конфигурации для установленных групп родственных операций почвообработки (табл. 1). При операциях 1-й и 2-й групп номинальному тягово-скоростному режиму работы тракторов с одинарными и сдвоенными колесами соответствуют У*1 = 2,20 м/с и У*2 = 2,65 м/с при (рКРН = 0,5 • (рКРор1 + (рКР тах ) и буксовании 12,5 и 10%. Для операций 3-й группы У*3 = 3,3 м/с и (рКРН = рКРор( при буксовании 10 и 7%, это позволяет уменьшить т*д3, по сравнению с т*д1,

не более чем в 1,36 раза и обеспечить указанное соотношение регулированием степени балластирования трактора.

Таблица 1

Номинальные тягово-скоростные режимы и удельная материалоемкость колесных тракторов для основных групп родственных операций почвообработки

Группа родственных операций К 0, кН/м V * Н ' м/с Конфигурация-1

(КР И Лги * туд, кг/кВт (КР И ЛТН * туд, кг/кВт

1-я 13,65 2,20 0,41 0,634 71,65 0,41 0,707 79,90

2-я 5,60 2,65 0,41 0,634 59,60 0,41 0,707 66,67

3-я 4,50 3,33 0,37 0,638 52,53 0,37 0,710 58,74

Оптимальные значения эксплуатационных параметров тракторов для разных групп технологических операций при < 1,0 и превалирующих классов длины гона, обеспечивающие минимальные приведенные затраты, изменяются в широком интервале (табл. 2) и образуют рациональную совокупность основных типоразмеров мощности. При длине гона более 1000 м наиболее эффективны тракторы 6-го класса (т э = 13,58 - 18,46 т), типоразмера 6.1

(Ыеэ = 201 - 243 кВт ) на операциях 1-й группы и типоразмера 6.2 (Ыеэ = 244 - 320 кВт ) [7] на операциях 2-й и 3-й групп. Сдваивание колес увеличивает т*уд для всех групп операций в

среднем на 11% из-за повышения тягового КПД и обеспечивается установкой дополнительного балласта с учетом удельной массы второго комплекта передних и задних колес (т "удк = 3,5 - 4,0кг/кВт ) [2]. В краткосрочной перспективе тракторы с колесной формулой 4к4б на единой элементно-агрегатной базе приведенных типоразмеров мощности с регулируемой степенью балластирования следует рассматривать как основные энергосредства для указанных условий использования.

За основу комплектования почвообрабатывающих агрегатов при превалирующей длине гона 600-1000 м следует принять тракторы 4к4а с регулируемым балластированием для эффективного использования в 5-6-х классах. Для операций 1-й группы целесообразно применять тракторы типоразмера 5.1 при тэ = 11,5 - 13,6 т и = 151 - 200 кВт. При операциях

2-й и 3-й групп наиболее эффективны тракторы типоразмеров 6.1 на сдвоенных и 6.2 - на одинарных колесах.

Таблица 2

Основные типоразмеры мощности колесных тракторов разной конфигурации для зональных технологий почвообработки

Группа операций W *, м2/с Конфигурация Г кВт * тэ, т ркрн , кН Типоразмер

Длина гона 1г > 1000 м

1-я 7,50 1/2 222/201 16,0 64,4 6.1

2-я 23,14 1/2 298/267 17,7 71,4 6.2

3-я 28,55 1/2 311/280 16,4 59,2 6.2

Длина гона 1г = 600-1000 м

1-я 5,78 1/2 172/155 12,3 49,3 5.1

2-я 19,69 1/2 253/227 15,1 60,7 6.2/6.1

3-я 24,08 1/2 263/236 13,8 55,6 6.2/6.1

При эксплуатации колесных тракторов следует обратить особое внимание на регулирование степени балластирования с использованием съемных грузов. У тракторов разных типоразмеров и конфигураций размеры переднего (тБ1) и заднего (тБ 2) балластов для каждой

группы операций должны выбираться из условий обеспечения оптимального значения экс-

~ * / * / * \ плуатационной массы тэ и ее рационального распределения по осям передних \тП/тЭ),

задних (т*К/т*Э) колес (табл. 3). В противном случае существенно ухудшаются тягово-сцепные свойства трактора, снижая производительность и топливную экономичность агрегата. Так, отличие массы трактора от оптимального значения т* на 1,0 т приводит к перерасходу топлива на 0,7-1,0 л/ч.

Таблица 3

Рациональное распределение массы колесных тракторов по осям передних и задних колес

Группа операций Тракторы 4к4б Тракторы 4к4а

** тп/тэ ** тк1 тэ ** тп/тэ ** тк1 тэ

1-я 0,60-0,63 0,37-0,40 0,50-0,55 0,45-0,50

2-я 0,53-0,57 0,43-0,47 0,45-0,47 0,53-0,55

3-я 0,53-0,55 0,45-0,47 0,40-0,45 0,55-0,60

Рациональные эксплуатационные параметры при использовании трактора на операциях разных групп с учетом занятости по времени составляют в среднем: для 1г > 1000 м

N1 =

и

т* = 14,1 т, что соответствует типоразмерам мощности 6.2 и 6.1.

Таблица 4

Рациональные интервалы изменения ширины захвата почвообрабатывающих агрегатов

при минимальных затратах

Группа операций Конфигурация трактора , кВт/м Вр, м

1г > 1000 м 1г = 600-1000 м

1-я 1/2 66-66/51-53 3,35-3,75 2,60-2,90

2-я 1/2 36-37/28-29 8,0-9,5 7,0-8,0

3-я 1/2 31-32/28-29 10,0-11,0 8,0-9,0

В табл. 4 приведены рациональные интервалы изменения ширины захвата почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения для основных классов длины гона агрозоны. Удельные значения потребной мощности N*yd получены по результатам эксплуатационных испытаний [3] с учетом рекомендаций отечественных и зарубежных производителей почвообрабатывающей техники.

Выводы

Таким образом, на основании полученных результатов исследования определены оптимальные значения удельной материалоемкости колесных 4к4 тракторов разной конфигурации в обоснованном интервале изменения номинальной рабочей скорости почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения. Установлены рациональные типоразмеры мощности колесных тракторов и интервалы изменения ширины захвата почвообрабатывающих агрегатов на их базе, соответствующие минимальным приведенным затратам, для основных групп родственных операций обработки почвы и превалирующих классов длины гона агрозоны 6.2 Сибирского федерального округа.

Список литературы

1. Селиванов, Н.И. Эксплуатационные параметры колесных тракторов высокой мощности / Н.И. Селиванов // Вестн. КрасГАУ. - 2014. - № 3. - С. 136-142.

2. Селиванов, Н.И. Балластирование колесных тракторов на обработке почвы / Н.И. Селиванов, Ю.Н. Макеева // Вестн. КрасГАУ. - 2015. - № 5. - С. 77-81.

3. Селиванов, Н.И. Технологические свойства мощных тракторов / Н.И. Селиванов ; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2015. - 202 с.

4. Селиванов, Н.И. Адаптация колесных тракторов к технологиям почвообработки / Н.И. Селиванов, Ю.Н. Макеева // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1 ; URL : http://www.science-education.ru/121-19086 (дата обращения : 15.05.2015).

5. Селиванов, Н.И. Удельная материалоемкость колесных тракторов / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, Ю.Н. Макеева // Вестн. КрасГАУ. - 2015. - № 2. - С. 56-63.

6. Самсонов, В.А. Расчет показателей трактора с учетом влияния природно-производственных факторов / В.А. Самсонов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 4. - С. 20-24.

7. Методика использования условных коэффициентов перевода тракторов, зерноуборочных комбайнов в эталонные единицы при определении нормативов их потребности : инструктивно-метод. издание / А.Ю. Измайлов [и др.]. - М., 2009. - 54 с.

Селиванов Николай Иванович, доктор техн. наук, профессор, КрасГАУ, тел. 8 (391) 2-912-510, e-mail: zaprudskii@list.ru; Матюшев Василий Викторович, доктор техн. наук, профессор, КрасГАУ, e-mail: matyushe@yandex.ru; Запрудский Валерий Никифорович, кандидат техн. наук, КрасГАУ; Макеева Юлия Николаевна, аспирант, КрасГАУ, e-mail: ulya.makeeva1982@yandex.ru.

SUMMARY

N.I. Selivanov, V. V. Matyushev, V.N. Zaprudsky, Yu.N. Makeeva

Rational dimension types of wheeled tractors and units for zonal tillage technologies

The analysis of the natural-production conditions of the Krasnoyarsk Territory that is included into the agro-zone of the Siberian Federal district 6.2 is conducted. It is shown that the tillage efficiency increase involves the substantiation of the nominal value of the working speed, the mass-energy parameters of tractors and the unit grip width for each of three groups of related activities and prevailing classes of the rut length taking into account the technical equipment and the formation prospects of technologically required machine-tractor park of the region. The basis of the technical support for the tillage and seeding technologies in the territorial agriculture is formed by the wheeled tractors 4k4 of the domestic and foreign production with the variable operating mass and by the multi-operating units and the working ma-

chines of the section type with variable grip width, the adaptation of which to the natural-production conditions assumes the knowledge of the regulation intervals and the set of these parameters optimal values before work starting. The basis of the tractor adaptation and the unit completing is provided by the pure performance with a minimum cost for each group of technological operations and the established class of the rut length. It is theoretically proved that the tractor adaptation to the natural-production conditions is achieved at optimum values of specific consumption of materials, which correspond to the rational intervals of mass-energy parameter change for different groups of primary tillage related operations and prevailing classes of the rut length. Based on the experiment results, the specific consumption of materials for each group of related activities in the operation of tractor with the nominal speed in the traction range limited by modes of maximum tractive efficiency and the permissible slipping are substantiated. The power rational dimensional types of the wheeled tractors of different configurations and the optimal distribution of their mass between the axles of front and rear wheels are determined; the intervals of grip width of the tilling machines for zonal technologies and prevailing classes of the rut length are defined.

Keywords: adaptation, rut length, unit performance, tillage technology, tractor dimensional type, specific consumption of materials, grip width.

Selivanov Nikolay Ivanovich, Dr. Eng. Sci., Prof., KrasGAU, ph. 8 (391) 2-912-510, e-mail: zapruds-kii@list.ru; Matyushev Vasiliy Viktorovich, Dr. Eng. Sci., Prof., KrasGAU, e-mail: matyushe@yandex.ru; Za-prudsky Valeriy Nikiforovich, Cand. Eng. Sci., KrasGAU; Makeeva Yuliya Nikolaevna, Postgraduate, KrasGAU, email: ulya.makeeva1982@yandex.ru.