CC BY
31УДК 656:33
В. В. Щиров (ФГБОУ ВПО «АЧГАА»)
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НОВЫХ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Целью исследований являлась разработка общих аналитических конструкций определения соотношения «мощность - ширина захвата - поступательная скорость» на стадии проектирования машинных агрегатов. Существующий метод расчета производительности машинно-тракторных агрегатов пригоден для использования в науке об эксплуатации машинно-тракторного парка. С целью расширения и применения названного соотношения на стадии проектирования модель производительности улучшена путем разработки системы из двух уравнений, одно из которых нелинейное. Задача решалась графо-аналитическим или численным методом. В результате разработана системная аналитическая модель из нескольких уравнений на основе описания частных закономерностей (сечений) пространства производительности. В частности, построено плоское сечение соотношения «скорость - ширина» в виде гиперболы, на основании синтеза сечений получено численное решение задачи. Такой подход был применен при проектировании многопроцессных агрегатов на базе мобильных энергосредств пятого поколения с бесступенчатым приводом поступательного движения. Для мобильных энергосредств класса 50 кН вычислены параметры для различных агрегатов: для убо-рочно-посевного машинно-тракторного агрегата (прямой посев сидеральных культур) мощность - 220 кВт, ширина захвата (общая для обеих групп машин) - 6 м, поступательная скорость - 10 км/ч; для кормоуборочно-почвообрабатывающего - та же мощность, ширина захвата - 3,2 м, поступательная скорость - 9-10 км/ч. Построенные аналитические модели вычисления производительности машинно-тракторного агрегата при проектировании на основе системы уравнений дают возможность вычислять оптимальные соотношения в системе трех физических параметров машинно-тракторного агрегата на базе мобильных энергосредств пятого поколения.
Ключевые слова: производительность, система уравнений, графический метод, машинно-тракторный агрегат, мобильное энергетическое средство, методика расчета, физический агрегат.
V. V. Shchirov (FSBEE HPE ABSSAEA)
CALCULATING THE PERFORMANCE OF MACHINE-TRACTOR UNITS AT THE DESIGN OF NEW MOBILE POWER
MEANS
The objective of the research was to develop common analytical structures for proportion «power-width-linear velocity» at the design stage of machine units. Existing method for calculating the power of machine-tractor units is suitable for use in science of machine and tractor operation. To widen and implement the above proportion at the design stage, performance model was enhanced by developing a set of two equations one of which is nonlinear. Graphical-analytical and numeric methods were used. As a result, the system analytical model comprising several equations on the basis of describing private laws (sections) of performance space was developed. In particular, the plane section of the relation
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [179-188]
"velocity-width" in the form of hyperbole was plotted, based on the synthesis of cross-sections numerical solution of the problem was obtained. Such approach was implemented at the design of multiprocess units on the basis of the fifth generation of mobile power means equipped by stepless drive of translational motion. For mobile power means of the class 50 kN parameters for different units were calculated: for sowing and harvesting machine-tractor units (direct seeding of green manure crops) power - 220 kW, width (the same for both groups of machines) - 6 m, linear velocity - 10 km/h; for forage and tilling machine-tractor units power is the same, width - 3.2 m, linear velocity - 9-10 km/h. The developed analytical models for calculating the performance of machine-tractor unit at design based on the set of equations enables to calculate optimal ratios in the system of three physical parameters of machine-tractor unit on the basis of the fifth generation of mobile power means.
Keywords: performance, set of equations, graphical method, machine-tractor unit, mobile power means, method for calculation, physical unit.
Проблема вычисления производительности машинно-тракторных агрегатов (МТА) имеет важнейшее значение как при проектировании новой сельхозтехники, так и при ее использовании. Все сравнения и определения уровня новизны создаваемых или приобретаемых технических средств определяются величинами производительности МТА. Привлекательность, реальная для приобретаемого технического средства, определяется двумя параметрами: производительностью и стоимостью. Эти два базовых параметра формируют эффективность машинно-технологического подкомплекса и в АПК в целом, и у каждого сельхозтоваропроизводителя. Поэтому за 80 лет, которые насчитывает индустриализация отечественного сельского хозяйства, проблеме изучения закономерностей формирования величин производительности постоянно уделяется первостепенное внимание.
Основоположником аналитического описания производительности МТА и вообще любых сельскохозяйственных агрегатов является В. П. Го-рячкин, который и вскрыл общие закономерности формирования производительности. Детальной разработке проблемы посвятили свои работы Б. С. Свирщевский, а несколько позднее Ю. К. Киртбая, А. Б. Лурье, С. А. Иофинов, В. Н. Виноградов, А. И. Любимов, М. С. Рунчев, Ю. А. Конкин и многие другие. Часть работ в области науки о механизации сельского хозяйства стала уже канонической. Однако полученные аналитические конструкции относились, в основном, к уже имеющимся или
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [179-188] созданным машинам.
Зависимость приведена в детерминированном виде. Но в реальной действительности параметры В, V и все другие, в том числе и коэффициенты использования времени смены представляются вероятностными процессами, которые аппроксимируются стационарными формами без последействия, а сечения пучков реализации - нормальными законами распределения.
Тогда уже приведенная закономерность записывается в виде математических ожиданий с соответствующими среднеквадратическими отклонениями и дисперсиями. Весьма подробно такая задача решается в работе проф. Л. Е. Агеева [1]. В нашем случае, поскольку мы исследуем качественную сторону закономерностей производительности и ее общую структуру, ограничимся детерминированным описанием.
Итак, продолжая рассмотрение детерминированной задачи, определим Ж - производительность, га/ч, если В - ширина захвата агрегата, м; V - поступательная скорость, м/с; ^ - коэффициенты использования времени смены:
п
= , га/ч (сменного времени).
1
Затрачиваемая энергия на процесс при работе агрегата в тяговом режиме (кВт) составит:
дг Р-У + т-У■/
N =-—,
75
где Р - сила тяги - реакция прицепного (навесного) орудия, кгс или сила сопротивления орудия.
Нетрудно видеть, что в зависимость входят величины поступательной скорости, ширины захвата тяговой мощности.
Такие закономерности могут работать только при известном физически существующем энергосредстве. При проектировании нового трактора или энергосредства задачу решить не представляется возможным. Если же
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [179-188] к этому добавить два независимых навесных устройства, два вала отбора мощности (ВОМ), т. е. выполнять работу в тягово-приводном режиме, да еще с двумя работающими ВОМ, для чего и предназначено техническое средство пятого поколения, то задача не может быть разрешима без дополнительного исследования.
Последующие исследования производительности привели к разработке и использованию численного метода, когда общее уравнение производительности описывается системой из двух уравнений и находится общий корень [2-5]. Графо-аналитический вариант решения представлен на рисунке 1. Названное решение задачи вычисления производительности фактически представляет начало третьего этапа исследований в этой проблеме.
. В 2
г В, /
/ / 1
/ \V2
V3 V2 Vi V=AJC \
В,< В2< Bj; V{> V2> Vj
Рисунок 1 - Графическое решение системы уравнений
Первый этап - это общие закономерности вычислений, которые отрабатывались на детерминированном уровне в период становления механизации сельхозпроизводства; второй этап - введение в конструкции вероятностных методов и отражения внешней среды - внешних сопротивлений - как совокупности стационарных вероятностных процессов; начало третьего этапа - это стремление решить задачу производительности на стадии проектирования новой техники. Сразу же отметим, что необходи-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [179-188] мость такого решения диктуется тем обстоятельством, что начаты работы по проектированию гусеничного мобильного энергетического средства (МЭС) пятого поколения класса тяги 50 кН с двумя навесными системами одинаковой грузоподъемности, двумя независимыми ВОМ, бесступенчатым приводом ходовой части. МЭС нового поколения формирует так называемые многопроцессные МТА, обеспечивающие одновременное выполнение операций одинаковых агросроков и тем самым сокращение количества проездов (проходов) по полю.
МТА на базе МЭС работает, как правило, в тягово-приводном режиме при одинаковой ширине захвата на передней и задней навесных системах. При этом очень важно получить параметры производительности на стадии проектирования новых МЭС.
В основу дальнейшего развития решаемой задачи в аналитическом описании положены работы академика Э. И. Липковича [6].
Запишем энергетическое уравнение для МЭС в общем виде: М ■ / • V + В{Ы/уд + = Ы,
где М - масса агрегата;
/ - коэффициент сопротивления перекатыванию;
V - поступательная скорость;
В - ширина захвата орудий на передней (В') и задней (В") навесных системах (В' = В");
Ыуд, Ыуд - удельная энергоемкость (кВт/м) орудий на передней и задней навесных системах соответственно;
N - общее потребление энергии на приводы рабочих органов.
На рисунке 2 видны соотношения между шириной захвата орудий или машин и общих затрат энергии на их привод.
N
N.
N,
О
J\ В(К, + N1 )
У
->
В,
в,
в
Рисунок 2 - Зависимости ширины захвата орудий в МТА на базе двухблочного технологического комплекса
Рассмотрим несколько случаев соотношений приведенной выше формулы.
Первый случай. N = const, N'vd + N"d = const. Второй случай. В = const, N = const, А = Nvo + Nvo, тогда AB = const.
При постоянных указанных значениях произведение АВ есть гипербола с разными величинами сомножителей N'yd, N'/d.
Рисунок 3 - Соотношения N и В при постоянной величине
произведения АВ = const
N
Третий случай. N vo + N vo = — = const. Вариант, мало
В
отличающийся от предыдущего (в основном, формой кривой).
Рисунок 4 - Соотношения N, В и Nyd при постоянной величине N/В
Итак, нами построены основные соотношения энергетических характеристик трехмашинного агрегата на базе МЭС с двумя навесными системами. Надо отметить свойства данного агрегата.
Во-первых, ширина захвата орудий, навешиваемых на переднюю и заднюю навесные системы, всегда одинакова, так как ведется последовательная обработка одного и того же участка последовательным же воздействием разных рабочих органов одного и того же агрегата.
Во-вторых, энергетическая потребность передней и задней групп рабочих органов, несмотря на одинаковую ширину захвата, как правило, различна. При этом под энергетической потребностью следует понимать сумму тягово-силовых форм подвода энергии в виде крутящих моментов, поскольку группы рабочих органов передней и задней навесных систем могут представлять различную комплектацию.
В-третъих, анализ показывает, что эффективность комбинаций рабочих органов на двух навесных системах возрастает с возрастанием ширины захвата, т. е. влияние ширины захвата на эффективность в трехма-шинном МТА на базе МЭС (пятого поколения) (одно орудие или группа орудий на передней навеске + МЭС-5300 + орудие или группа орудий на задней навеске) выше, чем любая другая комбинация.
В-четвертых, имея равномерную симметричную развесовку (на-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [179-188] грузку от массы МЭС) на гусеничные дорожки, целесообразно обеспечить и равномерную нагрузку от рабочих органов. Это касается навесного исполнения в комплектовании МТА. При прицепном исполнении, по-видимому, более полезным будет так называемое маятниковое прицепное устройство. В условиях использования переднего навесного устройства маятниковый прицепной прибор может оказаться более востребованным, чем в обычных тракторах.
В-пятых, при расчетах нагрузок на обе навесные системы, в том числе использование прицепного варианта рабочих органов, целесообразно производить суммирование по параметру затрат мощности, ибо могут одновременно использоваться две группы рабочих органов: тянущего привода, где используется понятие силы тяги (или силы сопротивления обрабатываемого фона), и силового вращательного движения (жатвенные адаптеры, кормоуборочные адаптеры, адаптеры очесывающие при колосоубор-ке и т. п.).
В-шестых, все навесные орудия, машины и адаптеры, имеющие силовые вращающиеся рабочие органы, требуют высокого уровня балансировки, а элементы рычажных структур навесных систем должны обеспечить весьма жесткую системную конфигурацию.
В последующих исследованиях назначение МЭС при формировании многопроцессного МТА будет, несомненно, расширено.
Но в настоящее время, не имея опытного образца МЭС пятого поколения, можно принять приведенные здесь построения пока достаточными.
Общие выводы
1 Показано, что существующее описание производительности МТА работает применительно к конкретным физическим агрегатам и имеет ограниченное применение при проектировании новой техники.
2 Стремление получить более корректные закономерности расчета производительности МТА привело к описанию закономерности в виде
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [179-188] системы уравнений, которая решается численными или графоаналитическими методами.
3 Дальнейшее совершенствование математических моделей производительности, особенно при проектировании многопроцессных агрегатов на основе МЭС пятого поколения, привело к разработке адекватных систем уравнений в отражении производительности и дало возможность решить поставленную задачу.
Список использованных источников
1 Агеев, Л. Е. Основы расчета оптимальных и допустимых режимов работы МТА / Л. Е. Агеев. - Л.: Колос, 1978. - 296 с.
2 Липкович, И. Э. Сельскохозяйственные машины: теория, расчет, конструкция, использование. Построение человеко-машинных систем: механико-эргономические основы / И. Э. Липкович; под ред. И. П. Ксеневи-ча. - Т. 9. - Ч. 1. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2011. - 448 с.
3 Липкович, И. Э. Сельскохозяйственные машины: теория, расчет, конструкция, использование. Построение человеко-машинных систем: механико-эргономические основы / И. Э. Липкович; под ред. И. П. Ксеневи-ча. - Т. 9. -Ч. 2. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2011. - 384 с.
4 Липкович, Э. И. Сельскохозяйственные машины: теория, расчет, конструкция, использование. Использование сельскохозяйственных машин / Э. И. Липкович; под ред. Э. И. Липковича, Н. В. Краснощекова. - Т. 8. -Ч. 1. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012.- 520 с.
5 Липкович, Э. И. Сельскохозяйственные машины: теория, расчет, конструкция, использование. Использование сельскохозяйственных машин / Э. И. Липкович; под ред. Э. И. Липковича, Н. В. Краснощекова. - Т. 8. -Ч. 2. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012. -624 с.
6 Липкович, Э. И. Многопроцессные агрегаты на базе МЭС пятого поколения / Э. И. Липкович. - Тракторы и сельхозмашины, 2012. - № 12. -С. 3-13.
Щиров Владимир Владимирович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО «АЧГАА»), главный конструктор.
Контактный телефон: 8-(863-59)-34-1-64; 8-(863-59)-43-6-07 E-mail: [email protected]
Shchirov Vladimir Vladimirovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Azov-Black Sea State Agroengineering Academy" (FSBEE HPE ABSSAEA), Chief Designer.
Contact telephone number: 8 (863-59)-34-1-64. ; 8-(863-59)-43-6-07 E-mail: [email protected]
