Улучшение энергетических и экологических показателей гусеничного движителя трактора Т-170М1. 03-55

УДК 631.372:574

УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ ТРАКТОРА Т-170М1.03-55

И.А. ГАЙНУЛЛИН, кандидат технических наук, доцент

А.Р. ЗАЙНУЛЛИН, аспирант

Институт развития образования Республики Башкортостан, ул. Мингажева, 120, Уфа, 450005, Российская Федерация

Резюме. Одно из направлений повышения эффективности использования машинно-тракторного агрегата - совершенствование формы опорной поверхности гусеничного трактора. В статье приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований гусеничного трактора Т-170М1.03-55 с серийным и рациональным гусеничным обводом. Приведено уравнение геометрии опорной поверхности гусеничного трактора с полужесткой подвеской, обеспечивающей равномерное распределение давления вдоль опорной поверхности. Рациональная геометрия опорной поверхности гусеничного трактора с полужесткой подвеской достигается благодаря расположению опорных катков на разной высоте. Для типичных условий работы гусеничного трактора Т-170М1.03-55 с полужесткой подвеской средние третий и четвертый опорные катки должны быть опущены относительно рамы тележки на 9,5±1,5 мм, а второй и пятый - на 4,5±0,5 мм, что позволяет на 15-25 % снизить уплотнение почвы в колее. Рациональная геометрия гусеничного движителя при работе трактора в поле, подготовленном под посев, со среднесуглинистой почвой снижает максимальное давление со 120 до 85 кПа. Тяговое усилие при вспашке изменяется от 27,5 до 77,5 кН с наибольшей вероятностью для трактора с серийным гусеничным обводом в диапазоне от 47,5 до 52,5 кН, с рациональным - от 42,5 до 52,5 кН. Действительная скорость пахотного агрегата изменялась от5 до 5,5 км/ч с математическим ожиданием 5,1 и 5,3 км/ч соответственно. Повышение тягового усилия и действительной скорости трактора с рациональным обводом обеспечивает прирост мощности до 75,2 кВт. Распределение вероятностей буксования находится в диапазоне 0-16 % с математическим ожиданием 4,52 % для энергетического средства с серийным гусеничным обводом и 4,2 % рациональным. Частота вращения коленчатого вала двигателя при вспашке изменялась в интервале 960-1360 об/мин с математическим ожиданием для трактора с серийным гусеничным обводом 1167,8 об/ мин, с рациональным - 1195,7 об/мин. Дизель энергосредства с рациональным гусеничным обводом работал ближе к зоне номинальных значений параметров скоростной характеристики дизеля Д-160. Вспашка с использованием трактора с рациональным гусеничным обводом способствовала улучшению качества крошения пласта почвы. Ключевые слова: трактор, давление на почву, машинно-тракторный агрегат, тяговое усилие, скорость агрегата, производительность агрегата.

Для цитирования: Гайнуллин И.А., Зайнуллин А.Р. Улучшение энергетических и экологических показателей гусеничного движителя трактора Т-170М1.03-55//Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 2. С. 69-72.

С развитием прогресса появление мощных тракторных энергетических средств и интенсивное воздействие движителей современной техники на почву вызвало ухудшение ее свойств, что отрицательно повлияло на плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур [1, 2]. Особую опасность представляет кумулятивный эффект переуплотнения почвы от повторяющихся воздействий движителей и соответствующее снижение тягово-сцепных характеристик трактора. Степень уплотнения зависит от массы машины, типа движителя, типа почвы и технологии полевых работ.

Экспериментальными исследованиями воздействия движителей трактора Т-170М1.03-55 на почву установлено, что максимальные значения его давлений достигают 0,245 МПа. При этом эпюра распределения давлений по длине опорной поверхности имеет два локальных экстремума в зоне 1-го и 6-го опорных катков (рис. 1), что обусловливает двойное воздействие на почву за один проход с давлением, превышающим среднее значения и вызывает повышенное уплотнение [3].

Рис. 1. Схема основных параметров гусеничного движителя и эпюра нормальных давлений в продольном сечении опорной поверхности трактора Т-170.М1.03-53 (1 - серийный (плоский) гусеничный обвод; 2 - рациональный гусеничный обвод): Р - нагрузка на единичный движитель, Н; Ркр - усилие на крюке трактора, Н; е - эксцентриситет, м; 1 - длина опорной поверхности, м; |±а| - полудлина опорной поверхности, м; ^ - смещение продольной составляющей силы перекатывания Рг от реакции почвы, м; с - расстояние от центра контакта до вертикальной составляющей Ркр, м.

Снизить максимальное давление и кратность воздействий предпочтительнее его равномерным распределением по участку контакта опорной поверхности. Существенно сгладить эпюру давления можно путем изменения геометрии самой опорной поверхности трактора.

Теоретические исследования показали, что значительное снижение максимального давления обеспечивает его равномерное распределение по участку контакта опорной поверхности трактора с почвой. На основе контактной задачи теории упругости было получено уравнение геометрии опорной поверхности гусеничного трактора с полужесткой подвеской, обеспечивающей равномерное распределениедавления вдоль опорной поверхности [3,4]:

f{x) = 0,5рсрл(3 {xarcsin(x/а)+А-(В[хА/а2 +arcsin(x/a)]}+C,

где рср - среднее давление трактора на почву, кПа; рср= Gэ/(2bL); Gэ - эксплуатационный вес трактора, Н; 1 -длина опорной поверхности трактора, м; Ь - ширина гу-

сеницы, м; р=и1+и2;и1= (2(1 - щ2) / п Е,; и2 = (2(1 - ) / п Е2; Е1 - модуль упругости почвы, Па; - коэффициент Пуассона почвы; Е2- модуль упругости стали звена гусеницы, Па; ц2- коэффициент Пуассона стали звена гусеницы; А = 4а2-х2; а=Ц2 - полуширина контакта, м; х - горизонтальная координата точки опорной поверхности, м; В = Р[в+<рк^краову+ав1пу ) + fhf]; Р=Gэ + Ркрсоsy - нагрузка, приходящаяся на единичный движитель, кН; Ркр - усилие на крюке, Н; у - угол между усилием на крюке и горизонтальной плоскостью, градус; фкр=Ркр/Р - коэффициент использования сцепного веса; е - продольная координата центра тяжести трактора относительно середины опорной длины гусеницы, м; hкр - высота прицепа относительно опорной поверхности, м; f - коэффициент сопротивления передвижению трактора, f = 0,07-0,15; - смещение продольной составляющей силы перекатывания от реакции почвы, = 0,015-0,029 м; с - коэффициент, равный начальный деформации почвы, определяется опытным путем (-0,027±0,003), м.

Установленнаязависимость ^х) показываетудаление точек опорной поверхности трактора относительно оси ох. Конструктивно рациональная геометрия опорной поверхности реализуется опусканием осей менее нагруженных опорных катков, то есть путем установки под их оси пластин соответствующей толщины, определяемой по формуле 1.

На тракторе Т-170М1.03.55 конструктивно это реализовали следующим образом: при неизменном положении первого и шестого опорных катков второй и пятый опустили относительно опорной поверхности рамы тележки с помощью пластин-проставок на 5 мм, третий и четвертый - на 10 мм.

Цель исследований - определить влияние геометрии опорной поверхности гусеничного движителя на энергетические показатели трактора Т-170М1.03-55 и уплотнение почвы.

Условия, материалы и методы. Перед исследованиями и по окончанию ихтензозвенья,тензоузлы и датчики тарировали с целью определения и уточнения масштабов записи параметров, регистрируемых методом тензометрии.

Участок был ровным с однородным физико-механическим составом почвы. На этом участке проводили настройку плуга, аппаратуры и контрольные замеры. Вспашку зяби осуществляли трактором Т-170М1.03-55 с серийной и рациональной геометрией опорной поверхности гусеничного движителя на IV передаче.

При энергетической оценке регистрировали следующие показатели: тяговое сопротивление плуга Ркр; частота вращения путеизмерительного колеса, м частота вращения ведущих звездочек трактора, пдв частота вращения ведущей (правой и левой) звез-

дочки трактора, пп, пл; время опыта, 1. Расход топлива измеряли объемным расходомером KVZ-100.

Для изучения влияния геометрии опорной поверхности гусеничного трактора Т-170М1.03-55 с 6-катковой полужесткой подвеской на уплотнение почвы определяли распределение давления на почву в зависимости от геометрии опорной поверхности, нагрузки на крюке и ее точки приложения.

Геометрия опорной поверхности зависит от: массы трактора, длины опорной поверхности, расположения центра масс, тягового усилия и точки его приложения, свойства материала гусениц и типа почвы. При проведении исследований мы использовали следующие параметры: тяговое усилие - 40-80 кН, длина опорной поверхности - 2,88 м, высота прицепа - 0,4 м; эксцентриситет е = — 0,165 м; материал гусеницы - углеродистая сталь (сталь 20, сталь 45 и др.); почва - суглинистая; влажность почвы - 16-20 %.

Уплотняющее воздействие движителей трактора на почву замеряли с использованием силоизмери-тельных датчиков типа «С-20» ГОСТ 15077-71 со специально изготовленными насадками по методике [5].

Величины энергетических показателей пахотного агрегата определяли при твердости почвы 0,30 МПа и глубине вспашки 30±1,5 см.

Результаты и обсуждение. Рациональная геометрия гусеничного движителя при работе трактора в поле, подготовленном под посев, со среднесуглини-стой почвой снижала максимальное давление со 120 до 85 кПа. Моделированием (по формуле 1) установлено, что для выбранных условий работы гусеничного трактора Т-170М1.03-55 с полужесткой подвеской средние третий и четвертый опорные катки должны быть опущены на 9,5±1,5 мм, а второй и пятый - на 4,5±0,5 мм, что позволяет снизить уплотнение почвы в колее на 15-25 %.

Сопротивление перекатыванию энергосредства с рациональным обводом изменялось (при буксировании трактора со скоростью 2,15-4,25 км/ч) в интервале от 1,379 до 1,494 кН со среднем значением 1,436 кН. При серийном обводе оно варьировало от 1,648 до 2,28 кН при среднем значении 1,964 кН. Таким образом, среднее сопротивление перекатыванию при использовании рационального обвода уменьшалось на 0,528 кН, или 27 %.

Благодаря расположению опорных катков на разной высоте (рациональный гусеничный обвод) поверхность гусеницы по внутреннему обводу приобретает форму, приближающуюся к дуге (колесо) большого радиуса. При дальнейшем движении трактора происходит плавное перемещение опорных катков и звеньев гусеницы один относительно другого, что приводит к уменьшению сопротивления

Таблица 1. Сравнительные энергетические показатели трактора Т-170М 1.03-55 с плугом ПП-9-35 при вспашке зяби

Тип гусеничного обвода Параметр N , кВт кр Р , кН кр 5, % V, км/ч п, об/мин

Серийный математическое ожидание 71,53 50,49 4,52 5,10 1167,8

(плоский) дисперсия 97,25 59,94 6,58 0,17 7678,9

среднеквадратическое

отклонение 9,86 7,74 2,56 0,41 87,63

Рациональный математическое ожидание 75,2 51,14 4,2 5,3 1195,7

дисперсия 100,81 119,64 8,96 0,18 8133,2

среднеквадратическое

отклонение 14,06 10,94 2,99 0,42 90,18

Г

Рис. 2. Тягово-энергетические показатели трактора Т-170М1.03.55 с серийным и рациональным гусеничным обводом: а - распределение вероятностей тяговой мощности; б - распределение вероятностей тягового усилия; в - распределение вероятностей буксования; г - распределение вероятностей действительной скорости; д - распределение вероятностей частоты вращения дизеля Д-160: —о--серийный обвод; а— - рациональный обвод.

качению катков по внутренним обводам гусениц и сопротивления в шарнирах гусеничных звеньев. А также снижаются потери на деформацию почвы благодаря уменьшению вертикальных нагрузок от гусеницы на 1-й и 6-й катки и отсутствию вертикальных максимальных давлений под этими катками, то есть происходит выравнивание эпюры давления (рис. 1). Уменьшение силы сопротивления перекатыванию при рациональном гусеничном обводе гусениц оказывает большое влияние на энергетические показатели трактора.

Входетягово-энергети-ческой оценке установлено, что тяговое усилие при вспашке изменялось от 27,5 до 77,5 кН. Для трактора с серийным гусеничным обводом с наибольшей вероятностью оно находилось в диапазоне от 47,5 до 52,5, с рациональным гусеничным обводом - от 42,5 до 52,5 кН (рис. 2). Действительная скорость пахотного агрегата варьировала от 5 до 5,5 км/ч с математическим ожиданием для трактора с серийным и рациональным обводом гусениц 5,1 и 5,3 км/ч соответственно (см. рис. 2, табл.1). Повышение тягового усилия и действительной скорости для трактора с рациональном обводом дает прирост мощности 75,2 кВт. Распределение вероятностей буксования находилось в диапазоне 0-16 % с математическим ожиданием для трактора с серийным гусеничным обводом 4,52 %, с рациональным - 4,2 %. Частота вращения коленчатого вала двигателя при вспашке изменялась в интервале 960-1360 об/мин с математическим ожиданием при серийном гусеничном обводе 1167,8 об/мин, при рациональном - 1195,7 об/мин. Таким образом, дизель трактора с рациональным гусеничным обводом работал ближе к

г

У — —-N

/ \ Л

др-f-vi Б

Г

1 \

Рис. 3. Схема прироста тяговой мощности для трактора с рациональным гусеничным обводом на тяговой характеристике трактора Т-170М1.03.55; 1 - серийный гусеничный обвод; 2 - рациональный гусеничный обвод.

зоне номинальных значений параметров скоростной характеристики двигателя Д-160, при этом расход топлива за 1 ч основного времени в варианте с серийным гусеничным обводом составил 30,1 кг/ч, с рациональным - 28,85 кг/ч. Удельный расход топлива на 1 га обработанного поля при использовании трактора с рациональным гусеничным обводом был на 1,7 кг/га ниже.

Более высокую эффективность работы трактора с рациональным гусеничным обводом в составе машинно-тракторного агрегата, по сравнению с серийным вариантом, обеспечивало наличие дополнительной зоны А высоких тяговых мощностей и зоны Б на тяговой характеристике трактора Т-170М1.03.55,

что связанно с увеличением максимального тягового усилия на передаче (рис. 3). При этом производительность пахотного агрегата с трактором с рациональным гусеничным обводом возросла на 4,1 %: с 1,1 до 1,15 га за 1 ч сменного времени. Одновременно качество крошения пласта почвы при вспашке улучшилось на 12 %. Остальные показатели качества вспашки между вариантами практически не различались.

Выводы. На основании результатов исследований установлено влияние геометрии опорной поверхности трактора Т-170М1.03.55 на тягово-энергетические показатели пахотного агрегата. Благодаря ее оптимизации тяговая мощность трактора увеличилась - с 71,53 до 75,2 кВт, тяговое усилие с 50,49 до 51,14 кН, рабочая скорость - с 5,1 до 5,3 км/ч. Снижение силы сопротивления перекатыванию трактора с рациональным обводом на 27 % происходит благодаря выравниванию вертикальных нагрузок на опорных катках и уменьшению сопротивления качению катков по внутренним обводам гусениц и в шарнирах гусеничных звеньев.

Изменение геометрии опорной поверхности путем опускания опорных катков на различную высоту по отношению к тележке (рациональной гусеничный обвод) повышает эффективность работы трактора в пахотном агрегате: производительность увеличивается на 4,1 %, расход топлива снижается на 1,7 кг/га.

Для типичных условий работы гусеничного трактора с полужесткой подвеской средние третий и четвертый опорные катки должны быть опущены на 9,5±1,5 мм, а второй и пятый - на 4,5±0,5 мм, что позволяет на 15-25 % снизить уплотнение почвы по колее.

Литература.

1. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система - почва - урожай. М.: Агропромиздат, 1985. 294 с.

2. Ресурсосберегающие технологии возделывания зерновых культур в степных агроландшафтах Республики Башкортостан /К.З. Халиуллин, Т.И. Киекбаев, С.А. Лукъянов, И.А. Гайнуллин//Достижения науки и техники АПК. 2010. № 1. С. 34-35.

3. Гайнуллин И.А. Снижение уплотняющего воздействия гусеничного трактора на почву// Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2001. № 9. С. 19-22.

4. Гайнуллин И.А. Обоснование геометрии опорной поверхности гусеничного движителя и центра тяжести трактора с полужесткой подвеской //Вестник ЧГАУ. 2001. Т. 34. С. 42-47.

5. Гайнуллин И.А. Методы оценки распределения давления и показателей эффективности снижения уплотняющего воздействия движителей МТА на почву//Вестник ЧГАУ. 2004. Т. 43. С. 31-38.

IMPROVING OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL PARAMETERS OF CATERPILLAR MOVER

OF TRACTOR ^170М1.03-55

I.A. Gainullin, A.R. Zainullin

Institute for the development of education of the Republic of Bashkortostan, ul. Mingazheva, 120, Ufa, 450005, Russian Federation Abstract. One of the directions to increase the efficiency of machine-tractor aggregates is to improve the shape of the supporting surface of a caterpillar tractor. The article presents the results of comparative experimental studies of the caterpillar tractor Т-170М1.03-55 with serial and rational crawler rim. The equation of the geometry of the bearing surface of a caterpillar tractor with a semi-rigid suspension, providing even pressure distribution along the bearing surface, is obtained. The rational geometry of the bearing surface of the caterpillar tractor with semi-rigid suspension is achieved by the arrangement of rollers at different heights. For typical operating conditions of the caterpillar tractor T-170M1.03-55 with semi-rigid suspension the third and fourth middle rollers should be lowered relatively to the frame of the truck on (9.5 ± 1.5) mm, and the second and fifth ones - on (4.5 ± 0.5) mm, which allows to reduce the soil compaction in a rut by 15-25 %. The rational geometry of the caterpillar mover in the field with medium loamy soil, prepared for sowing, reduces the maximum pressure from 120 kPa to 85 kPa. The tractive effort when plowing varies from 27.5 to 77.5 kN with the highest probability for the tractor with the serial crawler rim in the range from 47.5 to 52.5 kN, with the rational one - from 42.5 to 52.5 kN. The actual speed of the arable unit changed from 5.0 to 5.5 km/h with an expected value of 5.1 and 5.3 km/h respectively. The increase in the tractive effort and the actual speed of the tractor with a rational rim provides a capacity increase of 75.2 kW. The probability of slippage is in the range 0-16 % with a mathematical expectation of 4.52 % for the serial and 4.2 % for the rational rim. The rotary speed of a crankshaft of the engine when plowing changed in the range 960-1360 rpm with expectation for the tractor with the serial crawler rim 1167.8 rpm, with the rational one - 1195.7 rpm. The diesel of the tractor with the rational crawler rim works closer to the zone of the nominal values of speed characteristics of the diesel D-160. The plowing by the tractor with the rational crawler rim helps to improve the quality of crumbling of a soil layer.

Keywords: tractor, soil pressure, machine-tractor aggregate, tractive effort, speed, aggregate performance. Author Details: I.A. Gainullin, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: gainullin_ia@mail.ru); A.R. Zainullin, post graduate student. For citation: Gainullin I.A., Zainullin A.R. Improving of Energy and Environmental Parameters of Caterpillar Mover of Tractor T-170M1.03-55. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. V. 31. No. 2. Pp. 69-72 (in Russ.).