Система оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы энергонасыщенных тракторов

УДК 631.3 Н.И. Селиванов

СИСТЕМА ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ ТРАКТОРОВ

Предложена структура многоуровневой системы оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы энергонасыщенных тракторов при изменении условий функционирования. Обоснованы критерии поэтапного прогнозирования взаимосвязанных и требующих оптимизации параметров и режимов работы двигателя, трактора и агрегата.

Определено содержание промежуточных и сопряженных задач, установлены экстремальные значения параметров оптимизации и налагаемые ограничения на основных этапах системы ресурсосбережения.

Ключевые слова: структурная схема, этап, трактор, эксплуатационные параметры, тяговосцепные свойства, коэффициент нагрузки, энергонасыщенность, масса, мощность, агрегат.

N.I. Selivanov

SYSTEM OF OPTIMIZATION OF THE OPERATIONAL PARAMETERS AND OPERATING MODES

OF THE POWER SATURATED TRACTORS

The structure of multilevel system of optimization of the operational parameters and operating modes of the power saturated tractors in the operation conditions change are offered in the article. Criteria of the phased forecasting of the interconnected and requiring optimization parameters and operating modes of engine, tractor and unit operation are substantiated. Intermediate and conjugate tasks content is determined. Extreme indicators of the optimization parameters and applied limitation for the main stages of the resource economy system are determined.

Key words: block diagramme, stage, tractor, operational parameters,pull-coupling properties, loading factor, power saturation, mass, capacity, unit.

Производство конкурентоспособной продукции растениеводства неразрывно связано с проблемой разработки и внедрения высокоэффективных машинных технологий на основе многооперационных почвообрабатывающих посевных комплексов и мобильных энергетических средств (МЭС) нового поколения, адаптированных к зональным природно-производственным условиям.

В представленном материале предложена структура поэтапной оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы энергонасыщенных тракторов для основных групп родственных по назначению технологических операций. Математические модели характеризуют функционирование трактора с установленными типажом и тяговым классом эксплуатационными параметрами в обобщенных для определенной группы технологических операций природно-производственных условиях. Результаты решения устанавливают рациональные массоэнергетические параметры трактора, обеспечивающие его использование с наивысшими показателями. Задачи оптимизации массоэнергетических параметров и режимов рабочего хода трактора в составе конкретного агрегата следует отнести [1] соответственно ко второму и третьему уровням общей системы ресурсосбережения.

Учитывая направления и тенденции развития мирового тракторостроения, решение проблемы эффективного использования МЭС рассмотрено применительно к новым тракторам тягово-энергетической концепции.

Исходными данными для решения задач второго уровня ресурсосбережения являются обоснованные на первом уровне энергетические средства nxopt и машины-орудия Пмор с установленными характеристиками для комплектования агрегатов при выполнении основных групп технологических операций. Обоснование марочного состава технического обеспечения основных операций является лишь частью общего расчета состава и планирования работы машинно-тракторного парка, поэтому рассматривается только в контексте решения поставленных на указанных уровнях исследования задач оптимизации.

Основная задача первого этапа на втором уровне общей системы ресурсосбережения предполагает обоснование рациональных режимов работы трактора по тягово-сцепным свойствам (рис. 1). Критерий оптимальности представляет максимум тягового КПД г|т max, определяющий условие функционирования трактора на конкретном почвенном фоне с наивысшей производительностью и наименьшими энергетическими потерями. Установленные при этом оптимальные и максимально-допустимые значения коэффициентов сцепления (Popt (фтах) и использования СЦвПНОГО ВеСЭ фкр opt (фкр шах) МОЖНО СЧИТЭТЬ Параметрами ОПТИМИЗЭЦИИ.

Оценки составляющих тягового КПД трактора формируют перечень и содержание вспомогательных и сопряженных задач на данном этапе. Зависимости КПД трансмиссии г|тР, сопротивления перемещению ^ и буксования г|5 трактора от сркр определяют по результатам стендовых и тяговых испытаний или выбирают на основании установленных зависимостей.

Режим работы трактора по условиям сцепления считается оптимальным, если по выбранному критерию целевая функция г|т=^фкр)—ялах достигает максимального значения. Математическая модель М2.1 этапа представляет одномерную систему уравнений тягового баланса трактора.

Рис. 1. Структурная схема системы поэтапной оптимизации массоэнергетических параметров трактора

На втором этапе устанавливаются экстремальные значения коэффициента нагрузки

--* *

^ = \4 к /Мн или использования мощности двигателя при обосновании совместных с трансмиссией режимов его работы в условиях вероятностной нагрузки. Критерий оптимизации представляет минимум удельного расхода топлива g ^ min, который определяется из условия

dge / dMK = dGT / cIMk = 0.

Рассматривая рабочий ход трактора как функционирование динамической системы при случайной нагрузке с параметрами нормального закона распределения или моделируя нагрузку в стендовых условиях по закону арксинуса с постоянной амплитудой АМс и частотой f, соответствующей основному энергетическому спектру вынужденных колебаний, определяются математические ожидания энергетических и топливных показателей двигателя и трактора. На основании полученных результатов устанавливаются экстремальные значения допусков на уровень настройки по моменту сопротивления и тяговой нагрузке с учетом

применения на тракторах нового поколения двухуровневых дизелей постоянной мощности (ДПМ) и перспективных трансмиссий.

Решение промежуточных и сопряженных задач этапа включает последовательное определение:

1) функций связи скоростных, топливных и энергетических показателей регуляторной характеристики двигателя с моментом сопротивления на коленчатом валу;

2) кинематических и энергетических (г|гт) характеристик гидротрансформатора (ГТ) на режимах трансформации и гидромуфты для трактора с гидромеханической трансмиссией (ГМТ);

3) частотных передаточных функций (при законе арксинуса) на корректорной

Т I / ^ С, (9

Wf I и регуля-

Ja \к

і ветвях характеристики двигателя, амплитуды колебаний угловых скоростей коленчатого

а IР

торной

вала Асо и турбины ГТ Асо_ (для ГМТ);

4) отклонений от расчетных (номинальных) значений Х(юь ю2) и оценки математических ожиданий угловых скоростей со и со ;

5) отклонений от расчетных (номинальных) значений и оценки математических ожиданий, энергетических и топливных показателей двигателя, МТУ и трактора (Ne:3, ge, Пгт, NKp, g ).

Для нахождения вероятностных оценок выходных переменных величин применяется метод функций случайных аргументов, сущность которого заключается в том, что входная и выходная переменные величины определяются детерминированной (неслучайной) функциональной зависимостью, установленной в процессе аппроксимации стендовых (или типовых) характеристик двигателя и МТУ. Входная переменная модели М2.2 представляет вращающий момент на валу двигателя (турбины ГТ), подчиняющийся нормальному закону распределения и закону арксинуса.

Третий этап связан с оптимизацией рабочей скорости V и энергонасыщенности Э трактора при выполнении соответствующей технологической операции. В качестве критериев оптимальности могут быть приняты экстремальные значения эквиваленты производительности Кп = (V/j^max и удельных энергозатрат на единицу работы Кеп = ЕДп = (jVi'kV)™.

Максимум показателя Кп как критерий оптимальности не отвечает требованиям ресурсосбережения, поскольку затраты Кеп при этом слишком велики. Поэтому критерий Кп рассматривается в качестве вспомогательного. Наиболее эффективным с практической точки зрения является компромиссное решение задачи, когда за счет незначительной уступки по затратам (5-8 %) можно достигнуть существенного прироста производительности.

Оценки зависимостей тягового КПД ^(V) и удельного тягового сопротивления jk(V) скомплектованного (известного) или прогнозируемого агрегата определяют содержание промежуточных задач этапа.

Математические модели М2.3 компромиссного решения задачи оптимизации представляют систему уравнений взаимосвязи удельных эксплуатационных параметров трактора и характеристик тягового сопротивления машины-орудия при функционировании агрегата как единого целого в заданных природнопроизводственных условиях.

На четвертом этапе определяются оптимальные массоэнергетические параметры трактора установленной энергонасыщенности при выполнении конкретной технологической операции с оптимальной рабочей скоростью Vopt. Комплексным критерием ресурсосбережения при этом может служить минимум удельного расхода топлива с учетом возможного отбора мощности на привод рабочих органов агрегата

gTpi _ GTh /(NКРн + NМОМ )i ^ min .

В основу оптимизации эксплуатационной массы тъ и мощности Иеэ следует положить тенденцию создания параметрического ряда МЭС тягово-энергетической концепции с переменными массоэнергетическим параметрами, обеспечивающими их эффективное функционирование в смежных тяговых классах. При установленной на предыдущем этапе оптимальной энергонасыщенности Эо^ для конкретной технологической операции значения m^pt и ^opt трактора должны определяться исходя из научнообоснованных и подтвержденных эксплуатацией принципов:

а) на основной безотвальной обработке почвы прицепными агрегатами (в т.ч. комбинированными) без ограничений по ширине захвата и незначительном отборе мощности для привода технологического обору-

дования тяговое усилие Рф opt должно находиться в диапазоне варьирования номинального тягового усилия трактора смежного повышенного класса (i+1) (Ркрнтm—Ркрopt—Ркрнтax) i+1 при эксплуатационной массе Тэтах = m3(i+1) и Э — 3opti

б) на вспашке с ограничением ширины захвата навесного плуга по колее и навесоспособности энергетического средства тяговое усилие Ркр opt следует ограничивать диапазоном изменения номинального тягового усилия трактора основного класса (i) (Ркр н Tin — Ркр opt — Ркр н max)i при Тэт1п=Тэ1 и 3 « 3opt;

в) на предпосевной, междурядной обработке почвы и посеве широкозахватными агрегатами (до 20-22 м), а также на транспортно-технологических и уборочных операциях со значительным отбором мощности трактор следует использовать в диапазоне номинального тягового усилия предшествующего класса

(Р крн™<Р крор^Р крнтах) 1-1 с Тэтт= Тэ1 и 3opt<3—3 Tax;

г) при выполнении мелиоративных работ тягово-приводными агрегатами и глубокой ярусной обработке почвы с ограничением технологической скорости и ширины захвата навесного орудия наиболее рациональным является соотношение (Ркрнтт—Ркро^—Ркрнтах)| при Тэ min—Тэ1 3min—3<3opt.

Математические модели данного этапа основываются на уравнениях тягового и энергетического баланса трактора, оценка составляющих которого, с учетом условий функционирования, определяет перечень и содержание промежуточных задач.

Заключительный пятый этап предусматривает определение наиболее рациональных массоэнергетических параметров трактора и регуляторной характеристики дизеля для обобщенных условий отдельных групп родственных технологических операций. При этом следует учитывать занятость трактора в характерных для конкретной операции производственных условиях. Параметры оптимизации представляют средне-

взвешанные для группы работ значения тэор1 и Ne30pt трактора с обоснованной по коэффициенту приспособляемости Км характеристикой дизеля.

По результатам оптимизации устанавливаются наиболее рациональные соотношения массоэнергетических параметров трактора для каждой из основных групп родственных технологических операций с обоснованием методов и технических решений их практической реализации. Предлагаемые варианты изменения Иеэ и Тэ должны основываться на реализации тягово-энергетической концепции трактора, обеспечивающей его эффективное функционирование в тяговых диапазонах двух-трех смежных классов.

Критерием оптимизации на этом этапе целесообразно использовать минимум удельного расхода топ-

П

лива с учетом занятости ф на разных по группам технологических операциях g = Xg ; ^ ^ min.

i=1

Математическая модель решения задачи идентична модели предыдущего этапа с учетом выполненных ранее результатов оптимизации и установленных ограничений.

Обоснование режима рабочего хода МТА конкретного технологического назначения на третьем уровне ресурсосбережения, при установленных рациональных эксплуатационных параметрах М3С

(тэ, Ne3 )opt, сводится к оптимизации рабочей скорости (выбору основной передачи у и ширины захвата агрегата Вр для обеспечения рациональной степени загрузки двигателя ) и использования тягового усилия -) [2]. При этом следует различать условия определения оптимальных режимов работы:

а) для скомплектованного агрегата в составе трактора и рабочей машины с установленными параметрами тэ, Ne3, Вр;

б) для трактора с постоянными тэ и Ne3, у которого изменение скорости (переход на повышенную или пониженную передачу) сопровождается изменением числа машин и ширины захвата (Вр = var) при рациональной загрузке двигателя (^ ) и трактора (£ -);

в) для агрегата с трактором повышенной мощности {Ne— Чеэ + \ геэ) при ширине захвата (Вк«

Вр), соответствующей силе тяги трактора данного класса.

В первом случае необходимо определить: оптимальную рабочую скорость движения Vopt (передачу

iw) и степень загрузки ^ (£ )—»^ {£ во втором - оптимальную по производительности ско-

рость движения агрегата Vopt и оптимальную ширину захвата Вр opt; в третьем - оптимальные параметры машины и агрегата, для которых выясняются Ne3 t и Kavopt.

Структурная схема решения задачи оптимизации на третьем уровне ресурсосбережения независимо от указанных выше условий включает три этапа (рис. 2).

На первом этапе устанавливается оптимальный тягово-скоростной режим работы трактора с эксплуатационными параметрами тэ t и Ne30Bt при выполнении конкретной технологической операции для

обоснования ,t и F . Критерии ресурсосбережения представляют экстремальные по потенциальной

кр opt1 opt

тяговой характеристике значения g

кршш и N кр max

при Лттах. В основу моделирования Мз.1 и решения

промежуточных задач следует положить методику расчета и построения теоретической и динамическом тяговых характеристик.

Рис. 2. Структурная схема системы поэтапной оптимизации эксплуатационных параметров

и режимов рабочего хода МТА

Задача второго этапа предусматривает обоснование оптимальной загрузки двигателя ) и трактора (£ -) по показателям его технологических свойств (производительности W и эксплуатационных затрат

Иэу), экстремальные значения которых выступают в качестве критериев ресурсосбережения. Математические модели Мз.2 представляют систему нелинейных уравнений взаимосвязи потенциальных показателей работы трактора с удельным сопротивлением ^(V) машины-орудия. Их решение определяет перечень и содержание промежуточных задач.

Третий этап завершает решение задачи оптимизации режима рабочего хода агрегата обоснованием,

в зависимости от указанных выше условий, рациональных параметров: рабочей скорости движения F f и

.* . * соответствующей ей передачи і ; ширины захвата Вр opt и скорости Vovt (1то); характеристики удельного

Т Т • *

тягового сопротивления Кауо^ и скорости Уор( (1 ). Промежуточные задачи направлены на оценку величины

и характера изменения тяговой нагрузки Ра(У), решение которых определяют математические модели Мз.з заключительного этапа формирования МТА. Критерии ресурсосбережения представлены экстремальными значениями технико-экономических показателей агрегата.

Выводы

1. Предложена структура системы поэтапной оптимизации эксплуатационных параметров энергонасыщенных тракторов, обеспечивающая наименьший расход энергоресурсов в режиме рабочего хода агрегатов разного технологического назначения.

2. Обоснованы критерии поэтапного прогнозирования рациональных энергетических характеристик двигателя, преобразующих свойств трансмиссии, массоэнергетических параметров и режимом рабочего хода энергонасыщенных тракторов при выполнении различных по энергоемкости и назначению технологических операций.

3. Определено содержание промежуточных и сопряженных задач, установлены экстремальные значения параметров оптимизации и налагаемые ограничения на основных этапах системы ресурсосбережения.

Литература

1. Селиванов, Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов / Н.И. Селиванов; Крас-ГАУ. - Красноярск, 2008. - 228 с.

2. Иофинов, С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка / С.А. Иофинов, Г.П. Лышко. - М.: Колос, 1984. - 351 с.

'--------♦------------

УДК 630.37:001.891 В.Н. Холопов, В.А. Лабзин

ПУТИ МОДИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА

Предлагается на основе одного моторно-трансмиссионного блока сельскохозяйственного колесного трактора создавать колесный, гусеничный, сочлененный колесный и сочлененный гусеничный тракторы. Описаны конструктивные варианты гусеничных машин на уровне изобретений.

Ключевые слова: трактор, модификация, сочлененный, моторно-трансмиссионный блок, модуль, компоновка, управление, надежность.

V.N. Kholopow, V.A. Labzin WAYS OF MODIFICATION OF AN AGRICULTURAL TRACTOR

The article gives the idea to create wheel, track, coupled wheel and coupled track tractors on the basis of one motor-transmission block of the agricultural wheel tractor. Constructive variants of track machines as inventions are given.

Key words: tractor, modification, coupled, motor-transmission block, module, configuration, management, reliability.

К эксплуатационным свойствам трактора, определяемым при его неподвижном состоянии, относятся компоновочные характеристики, оказывающие влияние и на те эксплуатационные свойства, которые характеризуют подвижность машины. Ученые Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии с целью повышения эксплуатационных свойств лесных машин и достижения высокой их унификации обосновали возможность компоновки лесных колесных машин на базе колесного сельскохозяйственного трактора и предложили соответствующие технические решения [1]. Известно, что высокая степень унификации машин позволяет организовать их производство без значительных материальных затрат и упростить техническую эксплуатацию. Степень унификации лесохозяйственных и сельскохозяйственных транспортно-тяговых машин повысится, если колесные и гусеничные машины создавать на основе сельскохозяйственного трактора, образовав семейство блочно-модульных унифицированных колесных и гусеничных сельскохозяйственных и лесохозяйственных тракторов. Структура такого семейства может иметь вид, представленный на рисунке 1.