Обоснование и расчет энергетических параметров мта на основе МЭС пятого поколения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 621.315.019

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МТА НА ОСНОВЕ МЭС ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

© 2019 г. Ю.Г. Кормильцев

Целью исследования является разработка обобщенных моделей энергопотребления МТА на основе МЭС пятого поколения классов 3, 5-6 и 8, которые работают в тягово-приводном режиме с использованием бесступенчатого гидропривода, и с помощью установленных закономерностей вычисление основных энергетических параметров МТА нового поколения. По результатам испытаний и лабораторно-полевых исследований определены удельные нагрузки на наиболее загруженные входящие в составы МТА рабочие органы и разработана общая аналитическая конструкция для вычисления потребляемой этими МТА энергии в детерминированном виде, применение которой к вычислительным процедурам каждого МТА позволило определить величины общих затрат энергии. Разработанная математическая модель устанавливает аналитическую связь между механическими, технологическими параметрами и параметрами силового гидропривода: расходом рабочей жидкости в гидросистеме, её давлением, КПД гидропривода, эффективной и потребляемой мощностью, эффективным моментом привода и т.д. Приведены некоторые аналитические соотношения для вычисления потребной мощности МЭС трех классов в наиболее трудоемких МТА в детерминированном виде. В решаемой задаче удалось объединить систему аналитических конструкций, описывающих динамические параметры в многопроцессных МТА в детерминированной и вероятностной формах с детерминированными уравнениями гидропривода, и получить на этой основе закономерности расчета математического ожидания общей потребной мощности гидромеханического привода МЭС, которую он затрачивает в том числе и на работу МТА в целом; при этом рассматривался тягово-приводной режим. В результате построены аналитические конструкции, позволяющие вычислять технологические, динамические и кинематические характеристики рабочих органов в многопроцессных МТА в целом для классов тяги 3, 5-6 и 8 тс.

Ключевые слова: энергетические параметры, мощность, полевые испытания, рабочие органы, потребляемая энергия, гидромеханический привод, тягово-приводной режим.

The aim of the research is to develop generalized models of machine-tractor aggregates (MTA) energy consumption based on fifth-generation mobile power means (MPM) of classes 3, 5-6 and 8, which operate in a traction-drive mode using a stepless hydraulic drive, and by using established patterns to calculate the main energy parameters of a new generation of MTA. Based on the results of tests and laboratory field studies, the specific loads on the most loaded working bodies of MTAs were determined and a general analytical design was developed to calculate the energy consumed by these MTAs in a deterministic form, the application of which to the computational procedures of each MTA made it possible to determine the total energy costs. The developed mathematical model establishes an analytical relationship between the mechanical, technological parameters and the parameters of the power hydraulic drive: flow rate of the working fluid in the hydraulic system, its pressure, hydraulic drive efficiency, effective and consumed power, effective drive moment, etc. Some analytical correlations are presented for calculating the required power of MES of three classes in the most labor-intensive MTA in a deterministic form. In the solving problem, it have been combined a system of analytical constructions that describe dynamic parameters in multiprocess MTAs in deterministic and probabilistic forms with deterministic hydraulic drive equations. On this basis, it have been obtained the laws of calculating the mathematical expectation of the total required power of a hydromecha-nical MPM drive, which it expends, including the work of MTA generally. In this case, the traction-drive mode was considered. As a result, analytical constructions were constructed that made it possible to calculate the technological, dynamic, and kinematic characteristics of the working bodies in multiprocess MTAs as a whole for thrust classes of 3, 5-6, and 8 tf.

Keywords: energy parameters, power, field tests, working bodies, energy consumption, hydromechanical drive, traction drive

mode.

Постановка задачи. Обобщение эксперимен- разработки АЧИИ и ООО «TAGSMA») и других тальных исследований и полевых испытаний рабочих МИС позволило уточнить значения удельных затрат органов и машин на Северо-Кавказской (совместные энергии на рабочие процессы - в размерностях

кг

л.с.(кВт) кгс л.с.(кВт)

- основных

м

м

кг; т

машин и орудии, которые вводились в состав инновационных МТА с использованием МЭС классов 3, 5-6 и 8. Значения этих параметров положены в основу аналитических конструкции по обоснованию характеристик МТА: частот вращения вала приводных ДВС, потребляемой энергии на максимально трудоемких процессах для каждой группы комплексных операций (многопроцессные МТА), рабочих часовых производительностей в детерминированном и вероятностном (стохастическом) видах, в том числе на уровне математических ожиданий. Это в конечном счете определило параметры мощности ДВС и расчет систем приводов ходовой

части и ВОМ в тяговом и тягово-приводном режимах работы мобильных энергосредств указанных классов.

Цель исследования: разработать обобщенные модели энергопотребления МТА на основе МЭС пятого поколения классов 3, 5-6 и 8, работающих в тягово-приводном режиме с использованием бесступенчатого гидропривода, и с помощью установленных закономерностей вычислить основные энергетические параметры МТА нового поколения.

Общая модель энергопотребления. Структуру аналитической модели энергопотребления МТА с различными рабочими органами на переднем и заднем навесных устройствах будем записывать для МЭС, работающих при тягово-приводном режиме. Вариант такого МТА представлен на рисунке 1.

с

Рисунок 1 - Схема МТА с безмоторным прицепным зерноуборочным комбайном и навесным почвообрабатывающим адаптером для одновременного с уборкой закрытия влаги

Математические конструкции такого рода должны иметь связь с гидроприводом МЭС как передаточной функцией энергетического воздействия от источника - ДВС - на технологические рабочие органы, вхо-

дящие в состав МТА: трансмиссию ходовой части и ВОМ (привод рабочих органов).

Общую модель сложного (многопроцессного) МТА выразим следующим соотношением:

а а

N = (т ^ + т ^ )• пост + т ^ • пост +

iv эфДВС \ МЭС ^ перМЭС комб*/ пер комб у ^ ^ ~ перзерн ^^ ~

З З (1)

+^Ркомб • В • + АРкульт • В • ^,

где NэфдJ]c - эффективная мощность, которую выдает ДВС с гидроприводом соответствующего МЭС;

Nр ^ Ыэф, определится выражением

т

МЭС

- масса МЭС;

перМЭС

- коэффициент перекатывания МЭС;

ткомб - масса зерноуборочного комбайна

безмоторного, без ведущего моста, без кабины, без зернового бункера (по существу, МСУ на транспортной платформе);

тз - масса прицепного бункера, заполненного

зерном;

Аркомв - удельная сила, воздействующая на рабочие органы под полной их нагрузкой на 1 м ширины захвата жатки;

Аркульт - удельное сопротивление работе культиватора навесного, кгс/м;

В - ширина захвата рабочих органов;

ОПост - поступательная рабочая скорость, м/с

- одинаковая, как и ширина захвата для всех рабочих органов.

з

Одно из слагаемых в (1) - Аркомб^В^ ^ -

представляет собой величину энергии, которую потребляет зерноуборочный комбайн (т.е. фактически МСУ) на рабочий процесс.

Энергетика МТА тогда определится следующим образом.

Положим, что эффективная мощность Ыэф гидропривода, которая затрачивается на рабочий процесс МТА полностью, корректно определена правой частью приведенной зависимости. По известным соотношени-

ям [1] Мэф =

О-АР• п 612

, где 0 - подача рабочей

жидкости, л/мин; Ар - разность давлений рабочей жидкости, создаваемая гидронасосом, кгс/см2; п - полный КПД гидропривода.

612#,

Отсюда О = ■

эф

АР •п

, и величина приводной

N

пр

тогда О =

У0 гм ' Пгм ' п 1000

О-Ар 612 • п

(здесь Пгм - частота вра-

мощности Ыпр, потребляемой гидронасосом при

щения ротора гидронасоса с объемом Уо ).

о гм

Таким образом, задача по определению затрат энергии на работу многопроцессного МТА (как мы здесь и далее будем называть подобные МТА) разрешима в детерминированном виде.

Математические модели энергозатрат многопроцессными МТА: детерминированный вариант.

С помощью технико-эксплуатационного исследования и синтеза были определены структура и состав многопроцессных МТА на базе МЭС классов 3, 56 и 8 применительно к условиям их работы: зональным севооборотам для КФХ и СХО, организациям технологического сервиса типа МТС - для МТА на базе МЭС-8470 (класс 8). По результатам испытаний и лабора-торно-полевых исследований были определены удельные нагрузки на наиболее трудоемкие входящие в состав МТА рабочие органы. Наконец, разработана общая аналитическая конструкция для вычисления потребляемой этими МТА энергии в детерминированном виде, применение которой к вычислительным процедурам каждого МТА позволило определить величины общих затрат энергии. Следует отметить, что разработанная математическая модель устанавливает аналитическую связь между механическими, технологическими параметрами и параметрами силового гидропривода: расходом рабочей жидкости в гидросистеме, её давлением, КПД гидропривода, эффективной и потребляемой мощностью, эффективным моментом привода и т.д.

Построим расчетные модели затрат энергии МТА на основе МЭС разрабатываемых классов.

МТА с МЭС-3200 (класс 3)

N

эф1.1

АР1.1 • В1.1

75

+ т

МЭС1

• г

1 ^ пер

О

75

+ АРос1.Г В1.Г В'

О

75

(2)

где Дрц - удельное сопротивление навесному культиватору для подготовки почвы под посев озимых;

61.1 - ширина захвата рабочих органов (всюду одинакова для всех орудий и машин в этой операции на этом агрегате);

Потребляемая МТА мощность Wnp, т.е. эксплуатационная мощность ДВС, установленого на МЭС-3200, определяется соотношением

Q-Ар

N

пр

т

МЭС1Л

■ масса МЭС-3200;

612

(3)

fn

пер

коэффициент перекатывания МЭС в гу-

где

сеничном исполнении;

АРпос1Л - удельное сопротивление (вместе

с затратами энерги и на рабочий процесс) посевного комплекса - сцепки;

3 - скорость рабочая поступательная,

пост 11 J

одинаковая для всех составляющих машин и орудий данного МТА;

Q = 612N*

АР -п,

Теперь при наличии значений удельных сопротивлений, полученных при экспериментальных исследованиях машин и орудий, входящих в состав многопроцессного МТА, нетрудно вычислить значения Nnp.

МТА с МЭС-3200 в варианте силосоуборочно-почвообрабатывающего прицепного орудия:

N.

эф1.1

N.

эффективная мощность гидропривода МЭС-3200.

эф1.3

Арк B

75

+ т

МЭС

f

3

+ АР АКМ •B•

3

(4)

где Дрк - удельное сопротивление навесному адаптеру для уборки кукурузы;

61.3 - ширина захвата рабочих машин и орудий всюду одинаковая для навесного кормоуборочного адаптера шестирядного шириной захвата 4,2 м;

3

Ьрк -Ви- - величина, представляющая собой

затраты энергии (мощности) на про-

75

цесс скашивания, измельчения и выброса измельченной массы в транспортную емкость, и её - мощность -можно определить по величине чистой производитель-

3

пер г^ ^ ± ЛКУ1 75

ности и удельным затратам энергии на 1 т силосной массы;

ДРакм - удельное сопротивление на подготовку почвы под посев озимых по непаровым предшественникам на прицепном многооперационном орудии АКМ-4.

Далее используются приведенные выше соотношения для вычисления Nпр.

МТА с МЭС-32001.5 в варианте навесного дис-катора и глубокорыхлителя прицепного [2]:

'МЭС

• АР д

эф1.5 15

удельное сопротивление при работе

гус

f

3..

пеРгус

+ Аргр- B1

3

(5)

где НР1. 5

дискатора;

61.5 - ширина захвата агрегатов (2,1 м); 1пергус - коэффициент перекатывания МЭС3200 в гусеничном варианте;

N

эф 2.1

+ тк-

АР 2 .1 ' B2.1 3

fпер ' — + т

3

75 15 75

Дргр - удельное сопротивление при работе глубокорыхлителя навесного на заднюю навесную систему.

Для МТА на базе МЭС-5400 (класс 5) рассмотрим наиболее сложные и энергоемкие агрегаты.

МТА с МЭС-5400 в варианте безмоторного прицепного комбайна с прицепным бункером [3] (см. соотношение (1)):

3

75

75 f

J пер

+ т

f

пе

3

75

МЭС5400 J пеРгус

+ АРк- B2.1

75

+

(6)

3

75

f

J пе

где J пеРгус

гусеничного МЭС;

коэффициент перекатывания для

тк - масса прицепного безмоторного зерноуборочного комбайна с прицепным бункером;

тз - масса зерна в прицепном бункере;

3

Дрк - удельное сопротивление работе безмоторного прицепного комбайна.

Произведение Ар^ • В2 . 1 • -Птт- представляет

75

выражение затрат энергии (мощности) на технологический процесс в МСУ комбайна; вычисления могут быть ограничены удельной мощностью на единицу подачи -

пропускной способности растительной массы с приня-

—

тыми для расчетов параметрами (соотношение зерна и НЧУ 1:1,5); допустимая пропускная способность д (кг/с) МСУ определяется урожайностью и площадью уборки в 1 с по соотношению

Вм • Япост (м/с) • у (кг/м2) • 1,5 = д (кг/с). МТА с МЭС-8470 (класс 8)

КЭф = Ару Б-

75

+ т

-мэсх

Гп

—

пеРг

+ АР^ ^ Б ^

—

(7)

где В = 4,2 м (ширина захвата почвообрабатывающего орудия).

Таким образом, приведены некоторые аналитические соотношения для вычисления потребной мощности МЭС трех классов в наиболее трудоемких МТА в детерминированном виде. В реальной действительности все участвующие в расчетах характеристики, в том числе (и прежде всего) характеристики выходные, представляют собой вероятностные процессы, которые с приемлемой для практического использования точностью аппроксимируются эргодичными стационарными вероятностными процессами с соответствующими математическими ожиданиями случайных величин.

Поэтому целесообразно представить построение энергетических моделей с использованием аппарата теории случайных процессов.

Модель аналитического обоснования энергопотребления: стохастический вариант.

Как доказано научными исследованиями [4, 5, 6, а также 10, 11], основные параметры реакций внешней среды на работающий в поле МТА носят вероятностный характер. Для решения проблемы в условиях переменного характера внешней среды была раз-

75 "12 75

работана в рамках земледельческой механики специальная наука под названием статистическая динамика*. Разрабатывала эту подотрасль земледельческой механики В.П. Горячкина Санкт-Петербургская научная школа во главе с профессорами А.Б. Лурье, С.А. Иофиновым, Л.Е. Агеевым, Е.И. Девидсоном, к ним примыкали профессора С.А. Алферов (б. РИСХМ), А.И. Любимов (б. ЧИМЭСХ), Я.И. Заяц (б. НАТИ) и некоторые другие специалисты. Трудами этих ученых мы и воспользовались в исследовании энергетических параметров многопроцессных МТА.

Ещё раз было показано, что вариабельность почв в агроландшафте по своим физико-механическим характеристикам носит вероятностный характер, и закономерности изменения этих характеристик могут быть аппроксимированы нормальным законом без значительных погрешностей.

Перейдем к конкретным определениям основных характеристик. При этом здесь и далее будем использовать материалы фундаментальной работы профессора Л.Е. Агеева [7].

Математическое ожидание эффективной мощности ДВС определяется выражением

М (N) =

с

а

м

л

М

|(Д-Мс + В •М*)• е

*ч -(Мс -Мс )2/(аМ)

•¿М +

(8)

+ | (4-Мс + В2-Мс2)-е

2\ л-(Мс -Мс )2/(аМ)

•М

М„

Г

где с - коэффициент пропорциональности с =

V9554,

где

Для номинального нагрузочного режима Мс = Мн получим

М (Мт) = N + АЫен,

Кен = [о,5(я • мн + Ь* -Мн2)] •

АМен = (0,4Ь* • Мн ам + 0,5Ь*аМ)• -1

(9)

9554

*Мы вынуждены напомнить об этом хотя бы коротко, ибо интерес к использованию статистической механики незаслуженно упал, тем самым снизив качество исследований и точность результатов реальных процессов.

—гс

гс

(10)

где

Коэффициент, учитывающий изменение эффективной мощности, описывается выражением

2

V '

Исследованиями установлено, что математическое ожидание М{^) в зависимости от величины км имеет максимум, изменяющийся в пределах, зависящих от меры рассеяния внешней нагрузки. После ряда преобразований имеем

р-2b

5п

Х -Х -1 + (AN /N )-1 + в-а:

Ne Me \ ен ен J г v

0,5b*

7-

мн

пн - номинальная частота вращения вала ДВС.

М (N) - с- М (х)- М (у) + К у J,

где М(х) - математическое ожидание;

К - ахс |*е-0,5,2 dF (t)

- корреляционный момент величин, входящих в зависимость [7]:

М (N) - N + AN + N + c-[(b*- Хна/42^) + 0,5b* - а

(11)

(12)

Xn - 1 +

AN

N..

(13)

где N = 0,5с • (а* • Хн + Ь* • Хн2) - номинальные значения параметра (тяговой мощности или эффективной мощности);

^ = 0,9 [7].

Отсюда

N - 0,89 - N.

N - N*

0,89

эф, (14)

для ЯМЗ-238НС. (15)

Оценка потребления энергии МТА при тя-гово-приводном режиме МЭС.

Энергетические параметры МЭС, работающих в тягово-приводном режиме, зависят от моментов сопротивления: тягового Мс.т и на валу ВОМ - Мс.п., сумма которых равна моменту сопротивления Мс на валу ДВС. При вероятностном характере внешних воздействий Мс, Мс.т, Мс.п. представляют собой случайные величины.

Частота вращения вала ДВС определится выражением [7]

М(пд) - 0,5(a + b -Мс)-(а* + b* -Mc)0(z) + b*-p(z)(aM +aM )

0,5

1д

м - M

где z = —

а + а

с

2

■ аргумент функции Лапласа;

Х -1 +

'Mc.

; ; 7 ; 7 *

{ » Л

А^

V пн у

(16) (17)

* * и* ъ/*

a , a1 , b , b1 - величины, определяемые по типовым характеристикам двигателя (коэффициенты из таблиц [7]);

Mc -Mcm + Mcn- математическое ожидание момента сопротивления на валу ДВС.

Вероятностный коэффициент hv, учитывающий изменение частоты вращения вала ДВС при колебаниях моментов Мс.т и Мс.п. при Mc - MH составит:

где

Ап,.

п

л/2^"1 -b* (aM +aM )0,5;

А - J.VJ. г J.VJ. г „

0,5 - (а* + b* -Мн)

0,5

Математическое ожидание эффективной мощности ДВС в тягово-приводном режиме после многочисленных преобразований, приведенных проф. Л.Е. Агеевым, отразится соотношением:

0,5(aMc + b*M 'с + b* (аа* _ +а<) -[а*Мс + Ь*М2 + b* (а

М (Nе ) - И

М

+ а

м„

)J>

X ф( z) + bXH +al)

0,5

(18)

где

а, - (а* + b*M )0,

jvt J.VJ. г J.VJ. г у.

0,5

Таким образом, для определения эффективной

среднее квадрати-

с m с n мощности ДВС, работающего на МЭС в тягово-

ческое отклонение момента сопротивления на валу приводном режиме при вероятностном характере на-ДВС при независимых случайных величинах Мс.т. и грузки, можно воспользоваться расчетной формулой

Мс.п., сумма которых равна Мс.

(применительно к ДВС типа ЯМЗ-238):

2

М * (N) = ^ {Й*М * п) + [5,00 • Щ) - 2,68] • }.

9554 I

Наконец, М (Ие) = с • \Мс-М (пд ) + Кмп ] здесь корреляционный момент Кмп тягово-приводного режима МЭС составит величину

Кмп = (<т. + < п.) • {в [0,5 + Ф(*)] + Б2 [0,5 - Ф(7)]}

при 2 = [Мп - (Мс.т. + Мс.п)\• + амс^ )0,5 - аргумент функции Ф(4

И тогда можно записать для тягово-приводного режима:

[7] (19)

(20)

М (Ме) = с^ [Мс-М (Пд ) + К мп ]

Расчет энергетических параметров МТА как стохастических систем.

Установим некоторые допущения, которые будут использованы при аналитическом исследовании или - уже - при обосновании базовых энергетических параметров МЭС и синтезируемых МТА.

1. Современные аналитические построения расчетных моделей по качеству описания и численным значениям определяемых параметров достаточны для практической работы по проектированию новых МЭС и МТА в целом на их основе.

2. Специально разработанные инновационные рабочие органы почвообрабатывающих и посевных технических средств, которые адаптированы к предполагаемым новым МЭС и одновременно обеспечивающие создание новой почвообрабатывающей и посевной сельхозтехники и которые уже производятся нами серийно и реализуются на рынке (прошли испытания на Северо-Кавказской МИС в течение ряда лет), обеспечивают достаточным статистическим материалом расчетно-конструкторские работы при проектировании нового поколения семейства МЭС. Иными словами, это означает, что принимаем выходные параметры новой разработанной и созданной нами - АЧИИ и «TAGSMA» - сельхозтехники достаточно надежными для проведения синтеза многопроцессных МТА и энергетических средств к ним - МЭС пятого поколения классов 3, 5 и 8.

—

3. Для МТА на основе новых МЭС тягово-приводные режимы работы являются наиболее энергоемкими; поэтому синтез модели производительности будем выполнять, по крайней мере, вычислять энергоемкие параметры МЭС - только для этих режимов, а не для всех, реализуемых в севооборотах.

4. Для аналитических построений будут использованы, как и прежде, фундаментальные результаты исследований проф. Л.Е. Агеева и научные основы статистической динамики проф. А.Б. Лурье.

5. При разработке вероятностных моделей выходных параметров будем полагать, что МТА работает в номинальном режиме.

Вероятностная модель силосоуборочно-почвообрабатывающего МТА на основе МЭС-3200 (класс 3).

Многопроцессный МТА представляет собой комплекс из энергомашины класса 3,0 в колесном (или гусеничном) исполнении МЭС-3200, навесного силосоуборочного адаптера и прицепного многоцелевого агрегата для подготовки почвы под посев озимых по непаровым предшественникам типа АКМ-4, к которым относится и силосная кукуруза. Общая схема МТА представлена на рисунке 2.

Детерминированная модель для расчета мощности была представлена соотношениями этого МТА:

—

Мф = АР1.4 • Б1.4 • + тз200 • /пры • + АРаКМ • Б1.4

75

75

Б

—, 75'

Тогда

М() = М(Ар1,) • Б1.5 •М{—ост) +

+ т

3200

7П

пеРМ

75

М— ) М (—

У^пост/ , д^/д^ \ и х > --+ М (АРакм ) • Б1.4--

75

75

(21)

)

Сразу же отметим, что принимаем ширину МТА В1.4 постоянной и одинаковой для уборочного адаптера и прицепного агрегата АКМ-4; скорость поступательную оцениваем математическим ожиданием М(6 пост) одинаковой для всех звеньев МТА (агрегата в целом).

Математическое ожидание эффективной мощности ДВС для МЭС-3200 составит сумму:

М (N.) = Мен + Мм ;

1

Ме = [0,5(а Мн + ЬМ2)]'

9554

(22) (23)

Агрегат транспортный

Адаптер кормоуборочный

I uiUUUb

II till I

МЭС 5400К

АКМ-4

•.фу .'^•у

№> <4* 4*> <

шшяшштт

Рисунок 2 - Почвообрабатывающе-силосоуборочный МТА на основе МЭС-3200 в колесном исполнении

АМ(Ме) = (0,4Ь*Мяам + 0^) • —. (24)

Определим Мн. шин, обеспечивающих высококачественное измельче-

1. На уборке силоса кукурузного. ние силосной массы в соответствии с зоотребования-

При ширине захвата МТА В=4 м и урожайности ми и регламентами кормления молочного стада

силосной массы 40 т/га при поступательной скорости КРС, удельное потребление энергии составляет

МТА 7 км/ч («2 м/с) пропускная способность составит 3,0-3,6 л.с./кг/с; примем это значение 3,5 л.с./кг/с. То-

32 кгс/с; по данным испытаний силосоуборочных ма- гда

N = 3,5 • 32 = 112 л.с. или 82,3 кВт.

(25)

Отсюда значение части крутящего момента Мсил, приведенное к валу ДВС, составит:

112

Мл = 716,2--= 42,24 кгсм или 422,4 Нм. (26)

еж 1900

2. Энергия на перекатывание при рабочей (экс- Усилие на перекатывание - 1200 кгс.

плуатационной) массе МЭС-3200 и коэффициенте пе- Энергия на перекатывание

рекатывания /пер=0,15 (колесный вариант МЭС):

1200^2

N =-= 32 л.с. или 23,5 кВт;

епер

(27)

32

М = 716,2--= 12,0 кгсм или 120 Нм.

пер , 1900 ,

(28)

3. Энергия на работу прицепного орудия много- удельное тяговое усилие по результатам

целевого АКМ-4 (ширина 4 м) для подготовки почвы многолетних испытаний - до 680 кгс/м; принимаем

под посев озимых по непаровым предшественникам в нашем исследовании удельное тяговое усилие в

одновременно с уборкой кукурузы на силос; 600 кгс/м; тогда

2400•2

Млти л = 716,2--75— = 24 кгсм или 240 Нм. (29)

АКМ-4 1900

Номинальный момент сопротивления, приведенный к валу ДВС, составит:

М = 422,4 +120 + 240 = 782,4 Нм.

сопр ' '

Имея в виду, что активный момент Макт ^ Мсопр, получим

N >-ст^-= 207 л.с. или 152,6 кВт.

акт 716,2/1900

Вычислим теперь параметры гидропривода МЭС [1]:

М •п 782,44900 ЛССГ1 „

N , =-=---= 155,7 кВт

(30)

(31)

, =- = - = 155,/ кВт. (32)

эф о^/т о^/т ' (32)

9549 9549

Вычислим потребную мощность на гидропривод МЭС:

N = О^АР; пр 612;;, '

величину расхода (подачи) рабочей жидкости 0 определим, используя уравнение приводного момента, Мэф:

1,56 V •Ар ^0,95

(33)

Мэф =-Т00-; (34)

тогда рабочий объем приводного гидромотора V составит:

100 •782,4 3

V =---= 150,8 см3, (35)

^ 1,56 • 350^0,95

и расход рабочей жидкости при приведении частоты вращения ротора гидромотора к частоте вращения вала ДВС окажется равным:

V 4900

Q = -^гн-= 300 л/мин.

Отсюда

1000-0,9

= 300 - Ар = 190,6 кВт или 259,2 л.с. пр 612-0,9

Вычислим математическое ожидание М( Ые ) = Ыен + ЫеЫ; здесь принимаем Мн = Мсопр.

N = [0,5(7830 • 782,4 - 5,362 • 782,42]

1

9554

= 148,3 кВт;

АЫ = (-0,4 • 4,998 • 782,4 • 50 - 0,5 • 5,362 • 2500)

9554

= 8,18.

{36) {37)

{38) {39)

Тогда

М(Ые) = Мен -А^ен = 148,3-8,13 = 140 кВт или 190 л.с. {40)

Однако более близко к реальному вычисление М(Ые ) по упрощенной зависимости

ЛЫ =

М (Ые)

N :

здесь Л^ = 0,89 - коэффициент [7],

отсюда М(Ые) = 0,89• Ыпр = 0,89490 = 169 кВт или 230 л.с.

{41)

{42)

Тогда выбираем ДВС мощностью 250 л.с. -ближайший к определенному.

Энергетическая модель зерноуборочно-почвообрабатывающего МТА на базе МЭС-5400 (класс 5) в гусеничном варианте.

МТА представляется как комплекс с навесным орудием - дискатором, обеспечивающим подготовку

3

почвы под посев и послеуборочное закрытие влаги, и полуприцепным безмоторным зерноуборочным комбайном с поперечным расположением МСУ и прицепным бункером большой емкости.

Зависимость мощности от входных параметров в детерминированном виде примет развернутый вид:

Ыэф =АР2.Г В

2.1

75

+ т

5400

/

3

пергус у^

+т

комб

/п

3

пер

75

+ тз-/п

3

пер

+ Ар]

комб

В

3

{43)

Здесь первый одночлен - слагаемое составляет мощность, затрачиваемую дискатором шириной захвата 6 м на технологический процесс (6пост - поступательная скорость, одинаковая для всего МТА; 6 - ширина захвата, также постоянная для всего МТА);

второе слагаемое определяет затраты энергии на перекатывание гусеничного МЭС массой 11500 кг с коэффициентом перекатывания / = 0,08 ввиду

движения опорных катков по стальной ленте;

третий член определяет затраты энергии безмоторного прицепного комбайна с жаткой (хедером) шириной захвата 6 м и массой всего комбайна (вместе с прицепным бункером) 12000 кг и / = 0,12;

четвертый член соответствует величине затрат энергии на перекатывание бункерного зерна примерно

75 комб 75

на 1 час работы (14-15 т);

наконец, последний член соответствует затратам энергии на технологический процесс зерноуборочного комбайна в целом. Определим Nопр.

МСУ в прицепном безмоторном комбайне имеет номинальную пропускную способность д = 6 кг/с: q = 'впост • 6 • у; с площади 1 м2 при урожайности 40 ц/га, т.е. 0,4 кг/м2 зерна и при отношении зерна и НЧУ 1:1,5 получим ун = 1,0 кг/м2, тогда при {¡пост = 1,33 м/с или 4,8 км/ч.

д = 1,33 • 5 • 1 = 6,65 кг/с. {44) Имея в виду, что удельные затраты энергии на единицу пропускной способности составляют 23 л.с./кг/с (из многочисленных практических исследований и наблюдений), номинальные затраты энергии

1

на работу МСУ составят 23 л.с.- 6,65 кг/с = 152,9 л.с. При номинальном удельном сопротивлении

или 112,4 кВт. дискатора Др2.1«400 кг/м получим

1 33 1 33 1 33 1 33

N = 400 • 5 • — +11500 • 0,08 • ^— +12000 • 0,12 • — +14000 • 0,12 • — +152,9 = сопр 75 75 75 75 (45)

= 35,4 +15,9 + 25,5 + 29,7 +152,9 = 259,4 л.с. или 190,7 кВт.

Следует полагать, что Ыэф ^ Ысопр. Тогда (для гидропривода)

N -9449 190 7-9449

Мэф = -соппр-= 190,7 9449 = 948,4 Нм. (46)

эф 1900 1900 ()

Отсюда

948,4 400

V = — = 182,8 см3

*гм 1,56 • 350 • 0,95

(47)

объем гидромоторов привода ходовой части МЭС и рабочих органов в тяговом и приводном режиме. Определим расход рабочей жидкости при давлении (Др) в 350 кг/см2:

V •п

О = —^ = 365,6 л/мин. (48)

1000-0,95

Определим потребную приводную мощность:

О • Ар 365,6-350 ____ 0

NnР =——— =-'-= 232,3 кВт. (49)

пр 612 • 0,9 612 • 0,9 (49)

Вычислим теперь математические ожидания приводной мощности на основе [7].

Имеем соотношения: —е = —e + 3аN ; —е. = —e - 3а- ; ^ = ———;

етах е "е етт е "е « N

отсюда математическое ожидание мощности Подготовка почвы под пар после подсолнечни-

М(N ) = Я- • N ' Я- = 0 89 ка: измельчение пожнивных остатков (передняя навес-

^ е' N е' — , , ка 4,2 м) и вспашка отвальная на глубину 20 см

232 3-0 2 46 46 12-корпусным оборотным плугом при скорости 10 км/ч

аN =---— = —-— = 15,5 кВт; и сопротивлении почвы 0,9 кг/см2.

е 3 3 Тогда мощность на навесной измельчитель

тогда 232,3 • 0,89 + 46,4 = 206,5 + 46,46 = 252 кВт пожнивных остатков подсолнечника Ыпожн = 80 л.с.;

или 342,7 л.с. мощность на перекатывание МЭС-8470 при массе

Принимаем ДВС мощностью 360 л.с. 14500 кг и 1 = 0,08 (гусеничные машины на стальных Энергетическая модель почвообрабаты- гусеницах) отставит: Рс = 14500 • 0,08 = 1160 кгс. вающего МТА на базе МЭС-8470 (класс 8). Общая мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления:

2 8 2 8 N = 1160-2,8 + (20 • 35 • 0,9 • 12) • = 43,4 + 282,24 = 325,5 л.с. (50) е 75 75 ()

Определим эффективный момент гидропривода:

N^•9549 325,5-9549 1900

Отсюда объем гидромоторов приводных

Мэф = -= ' = 1202,6 Нм. (51)

эф 1900 1900 ()

1202,6400 3

V =-= 231,8 см

1,56-350-0,95

(52)

и получим

V -п 242 4900 О = гм = 242 1900 = 463,6 л/мин. (53)

1000- 0,95 1000- 0,95

N = 463,6 350 = 294,5 кВт или 400,5 л.с. {54)

пр 612^0,9 { )

Снизим поступательную скорость до 8 км/ч или 2,2 м/с.

^ = Ы + ; ^ = Ы - ; Лы = ; М(ые) = л + N.

е

Принимаем Л = 0,89;

294,5 • 0,2 у = 58,3 СГые =---=---19,6 кВт. {55)

Тогда

М(Ые) = 294,5^0,89 + 58,3 = 262 + 58,3 = 320,3 кВт или 435,6 л.с. {56)

М (Ые) = 435,6 л.с.

Математическое ожидание производи- т - степень использования времени работы МТА;

тельности МТА как функция мощности ДВС. ка - удельное сопротивление МТА, кН/м.

Общую зависимость математического ожидания Вычислим М^ч) для рассматриваемых МЭС.

производительности МТА, предложенную проф. МЭС-3200.

Л.Е. Агеевым, представим в следующем виде: Принимаем Пт = 0,6; т 0,7; ка = 11 кН/м (по

М(Ж ) = с • М(N ) /су\ данным экспериментальных исследований и энергети-

4 1 е ческим параметрам, а также на основании комплекто-

где с = 0 36^ • х • к 1 вания многопроцессных МТА).

здесь Пт - тяговый КПД МЭС;

„ 0, 36^0,6^0,7 • 169 „„

М(Ые) = 169 кВт; М(Жч) = —--= 2,3 га / 4.

МЭС-5400.

1 1

Принимаем те же составляющие коэффициента с и значение — =-;

ка 12 кН / м

0,36 • 0,6 •0,7^252

М(Ж ) = —-----= 3,17 га / 4.

4 12

МЭС-8470.

0,36 • 0,65^0,7^320

М(Ж) = —-'-'-= 3,94 га / 4.

4 13,3

Результаты расчета сведены в таблицу.

Математические ожидания часовой производительности многопроцессных МТА на базе МЭС пятого поколения

МЭС Т Пт ка М(Ме), кВт М(М), га/ч

МЭС-3200 0,7 0,6 11,0 169,0 2,3

МЭС-5400 12,0 252,0 3,17

МЭС-8470 0,7 0,65 13,3 320,0 3,94

Полученные значения математических ожиданий часовой производительности, в общем, близки к действительности, если при работе МТА встроенный в него МЭС выдает практически полный свой энергетический ресурс: ведь вычисления проводились при загрузке ДВС в 0,89. Но в рабочих режимах производительность многопроцессного МТА может быть несколько меньше. И дело здесь не только в том, что трудно поддерживать высокие коэффициенты производительности (составляющие величины с1), хотя в организаци-

онном смысле это действительно довольно сложно. Здесь важно поддерживать наиболее высокий уровень загрузки ДВС. И одна из новых возможностей бесступенчатой гидрообъемной трансмиссии как раз и состоит в том, что эта проблема относительно легко может быть решена на уровне автоматизации привода [9].

Заключение. Материал посвящен вычислению энергетических характеристик мобильных энергосредств для технологических операций с максимальными параметрами сопротивления внешним воздейст-

виям (обрабатываемой среды) МТА на основе МЭС в колесном и гусеничном исполнении. Аналитическое описание выполнено в детерминированном и вероятностном вариантах; при этом последнее опирается на разработки проф. Л.Е. Агеева в аналитических конструкциях.

В решаемой задаче удалось объединить систему аналитических конструкций, описывающих динамические параметры в многопроцессных МТА в детерминированной и вероятностной формах с детерминированными уравнениями гидропривода и получить на этой основе закономерности расчета математического ожидания общей потребной мощности гидромеханического привода МЭС, которую он затрачивает в том числе и на работу МТА в целом; при этом рассматривался тягово-приводной режим. В результате построены аналитические конструкции, позволяющие вычислять технологические, динамические и кинематические характеристики рабочих органов в многопроцессных МТА в целом для классов тяги 3, 5-6 и 8 тс. Полученные соотношения позволили устанавливать характеристики силовых аксиально-поршневых гидронасосов и приводных гидромоторов, обеспечивающих поступательное рабочее движение МТА, тяговое усилие, соответствующее тяговому классу во всем спектре технологических рабочих и транспортных скоростей МТА с одновременными затратами энергии на силовую работу ВОМ.

Приведенный материал позволяет выполнить системный расчет технико-экономической эффективности многопроцессных МТА, синтезированных на основе МЭС пятого поколения классов 3, 5-6 и 8.

Литература

1. Каталог гидравлики. ОАО «Пневмостроймашина». - Изд. 2-е. - Екатеринбург, 2005.

2. Протокол № 11-42-14 (1010042) от 16.12. 2014 г. приемочных испытаний плуга-глубокорыхлителя РВН-3. -Зерноград: Северо-Кавказская МИС, 2014.

3. Пат. 2649626 Р11, МПК А0Ю 41/04 С 1. Зерноуборочный агрегат / Липкович Э.И., Кормильцев Ю.Г., Черноиванов В.И., Несмиян А.Ю., Щиров В.В. -№ 2017126014; заявл. 19.07.2017; опубл. 04.04.2018, Бюл. № 10.

4. Лурье, А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов / А.Б. Лурье. - М.: Колос, 1981. - 382 с.

5. Иофинов, С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка / С.А. Иофинов. - М., 1974.

6. Алферов, С.А. Динамика зерноуборочного комбайна / С.А. Алферов. - М., 1974.

7. Агеев, Л.Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов / Л.Е. Агеев. - Л.: Колос, 1978.

8. Агеев, Л.Е. Энергетические показатели тягово-приводного агрегата при вероятностном характере нагрузки / Л.Е. Агеев // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. - 1974. - № 6.

9. Пат. 2480352 РФ, МПК В 60К 31/02. Система привода мобильного энергетического средства сельхозназначения / Липкович Э.И.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА. - № 2011138662/11; заявл. 20.09.2011; опубл. 27.04.2013, Бюл. № 12. - 7 с.: ил.

10. Шеповалов, В.Д. Автоматизация уборочных процессов / В.Д. Шеповалов. - М., 1978.

11. Болтинский, В.Н. Работа тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке / В.Н. Болтинский. - М., 1949.

References

1. Katalog gidravliki [Hydraulics Catalog, OAO «Pnev-mostrajmashina», Izd. 2-e, Ekaterinburg, 2005. (In Russian)

2. Protokol № 11-42-14 (1010042) ot 16.12. 2014 g. priemochnykh ispytanij pluga-glubokorykhlitelya RVN-3 [Report No 11-42-14 (1010042) dated 16.12. 2014 acceptance tests of the RVN-3 plow deep-ripper], Zernograd: Severo-Kavkazskaya MIS, 2014. (In Russian)

3. Lipkovich E.I., Kormilcev Yu.G., Chernoivanov V.I., Nesmiyan A.Yu., Shhirov V.V. Zernouborochnyj agregat [Combine harvesting unit. Combine harvester], pat. 2649626 RU, MPK A01D 41/04 C 1, No 2017126014, zayavl. 19.07.2017, opubl. 04.04.2018, Byul. No 10.

4. Lur e A.B. Statisticheskaya dinamika sel skokho-zyajstvennykh agregatov [Statistical dynamics of agricultural aggregates], M.: Kolos, 1981, 382 p. (In Russian)

5. Iofinov S.A. Ekspluataciya mashinno-traktornogo parka [Operation of the machine and tractor fleet], M., 1974. (In Russian)

6. Alferov S.A. Dinamika zernouborochnogo kombajna [Combine Harvester Dynamics], M., 1974. (In Russian)

7. Ageev L.E. Osnovy rascheta optimal nykh i do-puskaemykh rezhimov raboty mashinno-traktornykh agregatov [Basics of calculating the optimal and permissible operating modes of machine-tractor units], L.: Kolos, 1978. (In Russian)

8. Ageev L.E. Energeticheskie pokazateli tyagovo-privodnogo agregata pri veroyatnostnom kharaktere nagruzki [Energy indicators of the traction drive unit with the probabilistic nature of the load], Mekhanizaciya i elektrifikaciya socialisti-cheskogo sel'skogo khozyajstva, 1974, No 6. (In Russian)

9. Lipkovich E.I. Sistema privoda mobilnogo energeti-cheskogo sredstva selkhoznaznacheniya [Drive system for mobile energy agricultural equipment], pat. 2480352 RF, MPK V 60K 31/02, zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO AChGAA, No 2011138662/11, zayavl. 20.09.2011, opubl. 27.04.2013, Byul. No 12, 7 p.: il. (In Russian)

10. Shepovalov V.D. Avtomatizaciya uborochnykh pro-cessov [Automation of harvesting processes], M., 1978. (In Russian)

11. Boltinskij V.N. Rabota traktornogo dvigatelya pri neustanovivshejsya nagruzke [Tractor engine operation under unsteady load], M., 1949. (In Russian)

Сведения об авторе

Кормильцев Юрий Геннадьевич - генеральный директор ООО «НИПФ «Тензор» (г. Таганрог, Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: (8634) 64-06-18. E-mail: [email protected].

Information about the author Kormiltsev Yurii Gennadievich - General Director «NIPFP Tensor» (Taganrog, Rostov region, Russian Federation). Phone: (8634) 64-06-18. E-mail: [email protected].

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The author declares no conflict of interest.