Оптимизация эксплуатационных параметров колесных тракторов общего назначения

УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов, А.В. Шабунько, И.С. Никитин

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Разработан алгоритм многоуровневой системы адаптации мобильных энергетических средств к условиям эксплуатации. Определены оптимальные значения массоэнергетических параметров по показателям чистой производительности и энергетических затрат на операциях основной обработки почвы для полей с разной длиной гона.

Ключевые слова: алгоритм, параметр, тяговый режим, трактор, энергонасыщенность, производительность, энергозатраты.

N.I. Selivanov, A.V. Shabunko, I.S. Nikitin OPERATING PARAMETERS OPTIMIZATION OF THE WHEELED UTILITY TRACTORS

The algorithm for multi-level adaptation system of the mobile power operating devices to the operation conditions is developed. The optimal values of the mass-energy parameters for pure operating rate indicators and energy costs on basic soil cultivation operations for the fields with different run length are determined.

Key words: algorithm, parameter, traction mode, tractor, energy saturation, operating rate, power consumption.

Введение

Основными параметрами мобильных энергетических средств являются эксплуатационные мощность и масса, формирующие важнейшие эксплуатационные качества, определяющие их технический уровень. От них в наибольшей степени зависят основные технико-экономические показатели мобильных сельскохозяйственных агрегатов: производительность, эксплуатационные, топливные и энергетические затраты. Оптимальные параметры и режимы работы трактора в составе агрегата обеспечивают достижение наилучших значений эксплуатационных показателей [1].

Цель работы - обоснование рациональных массоэнергетических параметров колесных тракторов на операциях основной обработки почвы с учетом средней длины гона полей.

Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

1) обосновать алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров трактора и почвообрабатывающих агрегатов;

2) установить потребный диапазон изменения энергетического потенциала тракторов 4к4 для операций основной обработки почвы;

3) определить рациональные параметры тракторов и агрегатов для операций основной обработки почвы на полях с разной длиной гона;

4) дать сравнительную оценку использования тракторов по показателям чистой производительности и топливной экономичности.

Условия и методы исследования

Для определения рациональных параметров тракторов и условий их использования на операциях основной обработки почвы предложен алгоритм многоуровневой системы адаптации мобильных энергетических средств к условиям эксплуатации [1].

Определение параметров оптимизации (адаптеров) производится для установленного типажом каждого типоразмера трактора общего назначения из условий реализации номинального тягового усилия

*

Рщ,щ , определяющего его класс при оптимальной скорости ¥орц основной обработки почвы по соответствующей технологии.

Оптимизация производится на двух тяговых режимах, соответствующих максимальному тяговому КПД Лтшах и допустимому буксованию 8Д соответственно при установленных значениях коэффициентов а и е

уравнения буксования и сопротивления перекатыванию трактора /0 (при К0 = 1,4 м!с) на одинарных и

сдвоенных колесах, удельного сопротивления рабочей машины К() и его приращения АК от скорости движения, неизменном КПД трансмиссии rjTP = const (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Исходные данные для расчета параметров тракторов

Показатель Тип трактора

4к4а 4 к4б

Одинарные колеса Сдвоенные колеса Одинарные колеса Сдвоенные колеса

f 0 0,10 0,05 0,10 0,06

5Д 0,15 0,15 0,14 0,14

а 0,163 0,163 0,110 0,110

в 0,919 0,919 0,773 0,773

Таблица 2

Характеристики удельного сопротивления почвообрабатывающих с.-х. машин и комплексов*

Вид работы К 0, кНм2 АК, с2 /а/2

Отвальная вспашка к =0,21-0,22 м 13,65 0,18

Сплошная культивация к =0,14-0,16 м* 7,75 0,10

Поверхностная обработка к =0,08-0,12 м* 4,0 0,06

При установке сдвоенных колес коэффициент сопротивления качению /0 изменяется на величину А/ и составляет /2 = — А/. В общем случае аппроксимационные зависимости буксования от коэф-

фициента использования веса 84р с одинарными и сдвоенными колесами (рис. 1) имеют вид [2]

\di=a'<Pw/4-<PwZ

[S2 = tr-Af^(pKp/4 + Af-<pKpl

б,

%

Ф

кр

Ф

кр

а б

Рис. 1. Зависимость буксования тракторов 4к4а (а) и 4к4б (б) на одинарных (1) и сдвоенных (2) колесах

от коэффициента использования веса

С учетом изложенного последовательно определяются следующие параметры:

1) оптимальная скорость движения (м/с) = КС  КЕП^т при С е (0,92-0,95);

2) безразмерный коэффициент цк =1 + АК  (V2 -V2);

р .

3) эксплуатационная масса трактора (кг) тэ = Кри при $крнтт-Ркрнтлх \

8'<Ркр

4) коэффициент использования мощности тракторного двигателя при вероятностной тяговой нагрузке ^ выразится в виде произведения двух коэффициентов - ¿;*т , учитывающих потенциальное

. Мк -п ч „

использование мощности (дт =-------------) и недобор мощности из-за снижения средней частоты вращения

Мн-пн

коленчатого вала (£1 = ^1тт + Кт • (1 - ));

5) тяговый КПД трактора пТ = Птр ' Пб ' Пг = Птр ' < “ ^ 9кр / 4>кр + /„I

6) энергетический потенциал (кВт) тракторного двигателя

Ф + о. т (4 -М„) = —1^-2.. Ю-*;

Л ТР ‘ V 8

7\ , 2/ му N. ‘ ИТ

7) чистая производительность (м /с) IV =---------------------;

Ко 'И*

8) максимальная ширина захвата агрегата (м) Втах = И^тах/К0*,;

9) техническая производительность (га/ч), с учетом коэффициента использования времени смены

= 0,36 • Жтях •  т0 при коэффициенте, учитывающем местные условия Коб е С,92 - 0,95 ;

Ъ\т 1 еэ

10) удельные энергозатраты (кДж/м ) Еп =

W

max

11) показатель средней длины гона выбирается по установленным для основных операций значениями чистой производительности Wmx (га/ч) [3].

Обеспечение потребного диапазона изменения энергетического потенциала трактора для операции основной обработки почвы не представляется возможным без создания и использования параметрического ряда мобильных энергосредств с переменными массоэнергетическими параметрами. Наиболее эффективное решение этой задачи достигается на основе комплексного подхода, включающего:

1) кратное изменение эксплуатационной массы трактора балластированием и применением сдвоенных колес;

2) изменение номинальной эксплуатационной мощности Ne3 и динамических свойств Км двигателя

за счет форсирования по среднему эффективному давлению и скоростному режиму;

3) выбор рационального по тяговому КПД режима и использования трактора [2].

Результаты исследования и их анализ

В таблице 2 и на рисунке 2 приведены рациональные массоэнергетические параметры тракторов для операций основной обработки почвы, полученные на основе предлагаемого комплексного решения задачи оптимизации их эксплуатационных показателей по минимуму энергозатрат.

Представленные результаты моделирования массоэнергетических параметров тракторов установленных типажом тяговых классов показали, что на режиме 8Д эксплуатационная масса и энергетический

потенциал трактора имеют линейные зависимости (рис. 2) от тягового усилия Р . При оснащении трактора сдвоенными колесами эксплуатационная масса снижается на 10%. Это связано с тем, что на сдвоенных колесах коэффициент использования веса трактора <р увеличивается с 0,44 до 0,49. Энергетический

потенциал %*nN3 уменьшается при этом в среднем на 10 % за счет повышения тягового КПД.

На режиме г/Ттах эксплуатационная масса и энергетический потенциал трактора с одинарными колесами возрастают соответственно на 19,0 и 1,0 %. Оснащение трактора сдвоенными колесами приводит к смещению режима г/Ттах в сторону меньших нагрузок и буксования (д = 0,08). Поэтому для реализации заданного тягового усилия Р на режиме г/Ттях масса трактора 4к4а должна быть увеличена на

62 %, а трактора 4к4б - на 45 %. Потребная мощность при этом снижается на 2,0 и 1,5 %.

Указанное свидетельствует, что с учетом особенности привода передних ведущих колес тракторов 4к4а эффективное их использование на сдвоенных колесах достигается на тяговом режиме, близком к допустимому буксованию. Это относится и к тракторам 4к4б.

Потенциальная производительность энергетического средства - это производительность с орудием такой ширины захвата, при которой его тяговое сопротивление равно номинальному расчетному тяговому усилию трактора, а скорость движения МТА максимальная при данной мощности двигателя, но не превышает скорости, установленной правилами агротехники.

370 320

*

% N М еэ, 270

кВт

220

170

120

70

27

42

К >

1 -2 - одинарные колеса - сдвоенные колеса дК '1

Д К (1) £ К (1 ) \

\ \ \ \ ч

% N ' N э \ т э

/ \

тэ

57

72 87

Р кр, кН

102

56

46

36

26

16

6

т э, т

а

Р кр, кН

б

Рис. 2. Зависимость энергетического потенциала тракторов 4к4а (а) и 4к4б (б) на одинарных и сдвоенных колесах от тягового усилия на крюке на режиме 8Д

Производительность характеризует потенциальные возможности энергетического средства, которые могут быть использованы в процессе его эксплуатации по-разному: в зависимости от характеристики агрега-тируемой с ним машины, выбора технологического режима и т. д.

т э, т

Таблица 2

Массоэнергетические параметры тракторов на режимах максимального тягового КПД и допустимого

буксования

Массоэнергетические параметры тракторов 4к4а

Режим использования Параметр Одинарные колеса

3 4 5 6 8

27-36 36-45 45-54 54-72 72-108

1 2 3 4 5 6

АК=0,18 с2/м2 Уор=1,8 м/с 5д (0,15) тэ, Т 6,25- 8,33 8,33- 10,42 10,42-12,5 12,5- 16,67 16,67- 25,0

^ Nеэ, кВт 80,32- 107,09 107,09- 133,86 133,86- 160,63 160,63- 214,18 214,18- 321,26

ЦТ тах (5ор=0,11) тэ, Т 7,43- 9,91 9,91- 12,39 12,39-14,87 14,87- 19,82 19,82- 29,73

^N'Nеэ, кВт 79,48- 105,98 105,98- 132,47 132,47- 158,96 158,96- 211,95 211,95- 317,93

АК=0,10 с2/м2 Уор=2,1 м/с 5д (0,15) ^N'Nеэ, кВт 94,22- 125,63 125,63- 157,03 157,03- 188,44 188,44- 251,25 251,25- 376,87

^Т тах (5ор=0,11 & Nеэ, кВт 93,32- 124,42 124,42- 155,53 155,53- 186,63 186,63- 248,84 248,84- 373,26

АК=0,06 с2/м2 УоР=2,83 м/с 5д (0,15) ^N'Nеэ, кВт 128,66- 171,55 171,55- 214,44 214,44- 257,33 257,33- 343,1 343,1- 514,66

ПТ тах (5ор=0,11) ^N'Nеэ, кВт 127,68- 170,24 170,24- 212,79 212,79- 255,35 255,35- 340,47 340,47- 510,7

Сдвоенные колеса

АК=0,18 с2/м2 Уор=1,8 м/с 5д (0,15) тэ, Т 5,61- 7,48 7,48-9,35 9,35-11,22 11,22- 14,97 14,97- 22,45

^N'Nеэ, кВт 72,13- 96,17 96,17- 120,21 120,21- 144,26 144,26- 192,34 192,34- 288,51

ПТ тах (5ор=0,08) тэ, Т 9,1- 12,13 12,13- 15,16 15,16-18,19 18,19- 24,26 24,26- 36,38

^N'Nеэ, кВт 70,74- 94,33 94,33- 117,91 117,91- 141,49 141,49- 188,65 188,65- 282,98

АК=0,10 с2/м2 Уор=2,1 м/с 5д (0,15) ^N'Nеэ, кВт 84,61- 112,82 112,82- 141,02 141,02- 169,22 169,22- 225,63 225,63- 338,45

Пт тах (5ор=0,08) ^N'Nеэ, кВт 83,23- 110,97 110,97- 138,72 138,72- 166,46 166,46- 221,94 221,94- 332,92

АК=0,06 с2/м2 УоР=2,83 м/с 5д (0,15) & Nеэ, кВт 115,55- 154,06 154,06- 192,58 192,58- 231,09 231,09- 308,12 308,12- 462,18

ПТ тах (5ор=0,08) ^N'Nеэ, кВт 114,44- 152,58 152,58- 190,73 190,73- 228,88 228,88- 305,17 305,17- 457,75

АК=0,18 с2/м2 Уор=1,8 м/с 5д (0,14) тэ, Т 6,36- 8,48 8,48-10,6 10,6-12,72 12,72- 16,96 16,96- 25,43

^N'Nеэ, кВт 79,65- 106,2 106,2- 132,74 132,74- 159,29 159,29- 212,39 212,39- 318,59

ПТ тах (5ор=0,11) тэ, Т 7,12- 9,5 9,5-11,87 11,87-14,24 14,24- 19,0 19,0- 28,48

^N'Nеэ, кВт 78,75- 105,0 105,0- 131,25 131,25- 157,5 157,5- 210,0 210,0- 315,0

Окончание табл. 2

1 2 3 4 5 6 7 8

АК=0,10 с2/м2 Vopt=2,1 м/с 5д (0,14) £N Nеэ, кВт 93,44- 124,59 124,59- 155,73 155,73- 186,88 186,88- 249,17 249,17- 373,76

ЦТ max (5opt=0,11) £N'Nеэ, кВт 92,44- 123,25 123,25- 154,06 154,06- 184,88 184,88- 246,5 246,5- 369,75

АК=0,06 с2/м2 Vopi=2,83 м/с 5д (0,14) £N'Nеэ, кВт 127,62- 170,17 170,17- 212,71 212,71- 255,25 255,25- 340,33 340,33- 510,5

ПТ max (5opt=0,11) £N'Nеэ, кВт 126,41- 168,55 168,55- 210,69 210,69- 252,83 252,83- 337,1 337,1- 505,65

Сдвоенные колеса

АК=0,18 с2/м2 Vopt-1,8 м/с 5д (0,14) тэ, Т 5,82- 7,76 7,76-9,7 9,7-11,64 11,64- 15,52 15,52- 23,28

£N'Nеэ, кВт 72,91- 97,21 97,21- 121,52 121,52- 145,82 145,82- 194,42 194,42- 291,64

ПТ max (5opt=0,08) тэ, Т 8,46- 11,26 11,26- 14,09 14,09-16,91 16,91- 22,55 22,55- 33,83

£N'Nеэ, кВт 71,83- 95,78 95,78- 119,72 119,72- 143,67 143,67- 191,56 191,56- 287,34

АК=0,10 с2/м2 Vopt-2,1 м/с 5д (0,14) £N'Nеэ, кВт 85,54- 114,05 114,05- 142,56 142,56- 171,07 171,07- 228,1 228,1- 342,14

пТ max (5opt=0,08) £N Nеэ, кВт 84,45- 112,6 112,6- 140,75 140,75- 168,9 168,9- 225,2 225,2- 337,81

АК-0,06 с2/м2 Vop-2,83 м/с 5д (0,14) £N'Nеэ, кВт 116,83- 155,77 155,77- 194,71 194,71- 233,66 233,66- 311,54 311,54- 467,31

ПТ max (5op=0,08) £N'Nеэ, кВт 115,93- 154,57 154,57- 193,21 193,21- 231,85 231,85- 309,13 309,13- 463,7

Исследованиями [3] установлено, что для всех типов агрегатов значение коэффициента использования времени смены т0, характеризующего природно-производственные условия работы, определяется из обобщенного равенства

h -a W

_ wO wO "max /0\

Tn -----------------,

d+k-W

wO wO ''max

где hw0,aw0,dw0,kw0- коэффициенты, характеризующие природно-производственные условия работы агрегатов каждого типа [4].

Таблица 3

Оптимальные показатели тракторов 4к4а на основной обработке почвы для одинарных

и сдвоенных колес

Параметр Класс тяги Ркрн, кН

3 3 - 4 4 - 5 5 - 6 6 - 8 8

1 2 3 4 5 6 7

Ркрн, кН 27 36 45 54 72 108

Wmax, га/ч 1,04 1,39 1,74 2,08 2,78 4,17

^тех, га/ч 0,78 1,13 1,49 1,83 2,41 3,52

Окончание табл. 3

1 2 3 4 5 6 7

То 0,82 0,89 0,94 0,96 0,94 0,92

Втах, М 1,61 2,14 2,68 3,22 4,29 6,43

1г, М 0 0 2 0 5 0 0 4 0 0 3 600...1000 >1000 >1000 >1000

Еп, кДж/м2 (1к) 27,76 27,76 27,76 27,76 27,76 27,76

Еп, кДж/м2 (2к) 27,21 27,21 27,21 27,21 27,21 27,21

^тах, га/ч 2,12 2,82 3,53 4,23 5,64 8,46

^ТЕХ, га/ч 1,39 1,81 2,30 2,78 4,03 6,43

То 0,71 0,69 0,70 0,71 0,77 0,82

Вmax, м 2,80 3,73 4,66 5,60 7,46 11,19

1г, М 0 0 2 0 5 0 0 4 0 0 3 600.1000 >1000 >1000 >1000

Еп, кДж/м2 (1к) 16,03 16,03 16,03 16,03 16,03 16,03

Еп, кДж/м2 (2к) 15,71 15,71 15,71 15,71 15,71 15,71

^тах, га/ч 5,05 6,73 8,41 10,09 13,46 20,18

^тех, га/ч 2,88 4,37 5,66 7,36 10,03 14,73

То 0,60 0,68 0,71 0,77 0,78 0,77

Вmax, м 4,95 6,60 8,25 9,91 13,21 19,81

1г, м 0 0 2 0 5 0 0 4 0 0 3 600.1000 >1000 >1000 >1000

Еп, кДж/м2 (1к) 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18 9,18

Еп, кДж/м2 (2к) 8,99 8,99 8,99 8,99 8,99 8,99

На эффективность работы трактора существенно влияет показатель длины гона. Длина гона /г, (м) -основной фактор, определяющий производительность трактора на данной операции. Для каждой длины существует производительность, при дальнейшем увеличении которой (т.е. при увеличении мощности трактора) возрастают приведенные затраты и эффективность трактора снижается.

Параметр чистой производительности ^тях (га/ч) определяет оптимальную техническую производительность . Для эффективного использования тракторов на основной обработке почвы необходимо определить оптимальную длину гона. По значению ^тях из таблицы 3.5 [3] находим интервалы /г.

Проведенный расчет позволил определить показатель оптимальной длины гона для каждого тягового класса, который выбирается в функции от ^тях. Он в значительной мере позволяет использовать трактор наиболее эффективно.

Результаты расчета показателей производительности и энергозатрат на основных операциях для одинарных и сдвоенных колес представлены в таблице 3.

Определение рациональных параметров колесных тракторов для их эффективного использования на основной обработке почвы производится аналогично, с использованием рациональных тягово-скоростных режимов тракторов. При этом установлено, что минимальное значение удельных энергозатрат £п у тракторов со сдвоенными колесами на 2,0 % ниже.

Выполненный расчет для сравнительной оценки колесных тракторов зарубежного и отечественного производства на операциях основной обработки почвы представлен в таблице 4.

Таблица 4

Рациональные показатели использования тракторов на основной обработке почвы

Параметр Марка трактора

K744 Р3 "Марс" Buhler 485 Беларус-2522 Беларус-3022

Колесная формула Одинарн. кол. Сдвоен. кол. Одинарн. кол. Сдвоен. кол. Одинарн. кол. Сдвоен. кол. Одинарн. кол. Сдвоен. кол.

тэ, Т 17,5 20,0 16,9 21,9 11,1 14,0 11,5 14,0

Vopt, м/с 2,04 1,79 2,97 2,29 2,23 1,95 2,77 2,51

Ркрн max 91,5 104,58 88,37 114,51 47,91 60,43 49,64 60,43

Ыеэ, кВт 265,0 324,0 184,0 220,6

ДК=0,18 с2/м2; Ко=13,65 кН/м

№'тах, га/ч 2,87 3,28 2,77 3,59 1,85 2,33 1,92 2,33

WтЕx, га/ч 2,49 2,82 2,40 3,07 1,59 2,04 1,68 2,05

То 0,94 0,93 0,94 0,93 0,93 0,95 0,95 0,95

Втах, м 4,42 5,06 4,27 5,54 2,86 3,60 2,96 3,60

Еп, кДж/м2 30,94 27,08 45,07 34,78 33,29 26,40 41,43 34,03

gw , кг/га 20,14 17,63 23,02 17,76 20,93 16,6 28,58 23,47

12, м > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 600.1000 >1000 600...1000 >1000

ДК=0,10 с2/м2; Ко=7,75 кН/м

Wmax, га/ч 5,82 6,65 5,62 7,29 3,76 4,74 3,89 4,74

WтЕx, га/ч 4,48 5,10 4,33 5,57 2,83 3,67 3,02 3,68

То 0,83 0,82 0,83 0,82 0,81 0,83 0,84 0,84

Втах, м 7,70 8,80 7,44 9,64 4,97 6,27 5,15 6,27

Еп, кДж/м2 15,24 13,33 22,20 17,13 16,39 13,00 20,40 16,76

gw , кг/га 9,92 8,68 11,34 8,75 10,31 8,17 14,07 11,56

[я, м > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 600.1000 >1000 600...1000 >1000

ДК=0,06 с2/м2; Ко=4 кН/м

Wmax, га/ч 13,89 15,87 13,41 17,38 8,96 11,30 9,29 11,30

WтЕx, га/ч 10,34 11,74 10,00 12,80 6,57 8,49 7,08 8,61

То 0,78 0,78 0,79 0,78 0,77 0,79 0,80 0,80

Втах, м 13,63 15,58 13,16 17,06 8,80 11,09 9,11 11,09

Еп, кДж/м2 6,39 5,59 9,31 7,18 6,87 5,45 8,55 7,03

gw , кг/га 4,16 3,64 4,76 3,67 4,32 3,43 5,9 4,85

[г, м > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 600.1000 >1000 600...1000 >1000

Анализ показателей производительности и удельных энергозатрат свидетельствует, что на отвальной

вспашке (АК — 0Д8с2/м2), при ограничении ширины захвата рабочего орудия габаритной шириной

трактора, предпочтение следует отдать тракторам К-744РЗ и Беларус-2522 при длине гона соответственно > 1000 м и 600-1000 м.

На глубокой безотвальной (АК - ОДОс2 /м2) и поверхностной (АК - 0,06с2 /м2) обработке почвы лучшие показатели обеспечивают указанные модели тракторов на сдвоенных колесах.

Выводы

1. Определены зависимости буксования колесных 4к4а и 4к4б тракторов на стерне от коэффициента использования веса, разработан алгоритм оптимизации их массоэнергетических параметров на операциях основной обработки почвы.

2. Установлен потребный диапазон изменения массоэнергетических параметров тракторов для операций основной обработки почвы и выявлено, что на режиме 8д для установленного типажа эксплуатационная масса и энергетический потенциал %*nN3 трактора имеют линейные зависимости от номинального

тягового усилия. Их значение при установке сдвоенных колес уменьшаются в среднем на 10 % за счет повышения тягового КПД.

3. Определены оптимальные значения массоэнергетических параметров по показателям чистой производительности и энергетических затрат на операциях основной обработки почвы для полей с разной длиной гона.

4. Сравнительная оценка колесных тракторов показала, что наивысшая эффективность работы на операциях основной обработки почвы при длине гона более 1000 м и 600-1000 м достигается тракторами K744 Р3 "Марс" и Беларус-2522.

Литература

1. Селиванов Н.И. Расчет эксплуатационных параметров сельскохозяйственного трактора: метод указания / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2009. - 22 с.

2. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2008. - 231 с.

3. Самсонов В.А., Зангиев А.А. Основы теории мобильных сельскохозяйственных агрегатов. - М.: Колос, 2000. - 248 с.

4. Зангиев А.А., Лышко Г.П., Скороходов А.Н. Производственная эксплуатации машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1996. - 320 с.

---------♦'----------