CC BY
78
ВестникКрасГАУ. 2016. №8
УДК 629.114.2 НИ Селиванов
РАЦИОНАЛЬНОЕ БАЛЛАСТИРОВАНИЕ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ
РАЗНОЙ КОМПЛЕКТАЦИИ
N.I. Selivanov
RATIONAL BALLASTING OF POWER SATURATED WHEEL TRACTORS OF VARIOUS MODELS
Селиванов Н.И. - д-р техн. наук, проф., зав. каф. тракторов и автомобилей Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск. E-mail: [email protected]
Проведен анализ российского рынка сельскохозяйственных тракторов, основу которого составляют модельные ряды энергонасыщенных мобильных энергосредств колесной формулы 4к4а улучшенной классической компоновки с увеличенным диаметром управляемых колес, построенные по номинальной эксплуатационной мощности двигателя. Для эффективного использования таких тракторов в современных технологиях почвообра-ботки и посева показана необходимость регулирования и рационального распределения эксплуатационной массы по ведущим мостам. Обоснованы основные принципы и методы рационального балластирования тракторов для адаптации к операционным технологиям поч-вообработки на основе сформированных моделей и разработанного алгоритма с использованием в качестве параметра оптимизации основного показателя технологичности -удельной материалоемкости (массы). На основании результатов эксперимента и моделирования определена удельная материалоемкость трактора разной комплектации и обосновано ее рациональное распределение по ведущим мостам для каждой группы родственных операций почвообработки. Исходной для балластирования принята базовая комплектация трактора с установленной мощностью на одинарных колесах и минимальной удельной массой 51,5 кг/кВт без съемного балласта для выполнения малоэнергоемких операций поверхностной обработки почвы и прямого посева с максимальной рабочей скоростью 3,33 м/с (12,0 км/ч), отнесенных к
Selivanov N.I. - Dr. Tech. Sci., Prof., Head, Chair of Tractors and Cars, Krasnoyarsk State Agrarian U n i versity, Krasnoyarsk. E-mail: [email protected]
третьей группе. Приведены варианты размещения балластных грузов впереди остова, на передних и задних колесах, которые обеспечивают адаптацию трактора базовой комплектации и на сдвоенных колесах к более энергоемким родственным операциям почво-обработки первой и второй групп при значениях номинальной скорости 2,20 и 2,70 м/с. Методика определения и рационального распределения удельной массы по осям за счет балластирования для разных технологий поч-вообработки рекомендована при использовании тракторов мощностью 140-280 кВт.
Ключевые слова: адаптация, алгоритм, балластирование, комплектация трактора, модели, удельная материалоемкость, технология.
The analysis of the Russian market of agricultural tractors which basis is made by the model ranges of power saturated mobile power means of the wheel formula 4k4a of the improved classical configuration with the increased diameter of the operated wheels constructed on nominal operational engine capacity was carried out. For effective use of such tractors in modern technologies of tillage and seeding the need of regulation and rational distribution of operational weight on leading bridges was shown. The basic principles and methods of rational ballasting of tractors for adaptation to operational technologies of tillage on the basis of created models and the developed algorithm with the use of the main indicator of technological effectiveness, i.e. specific material capacity (weight) as the parameter of optimization were proved. On the ba-
sis of the results of the experiment and modeling specific material capacity of the tractors of different complete sets was defined and its rational distribution on the leading bridges for each group of related operations of tillage was proved. Initial for ballasting the basic complete set of the tractor with rated capacity on unary wheels and with a minimum specific weight of 51.5 kg/kW without removable ballast for the performance of low-power-intensive operations of the surface treatment of the soil and direct crops with the maximum working speed of 3.33 m/s (12.0 km/h) referred to the third group was accepted. The options of placement of ballast freights ahead of the skeleton were given in lobbies and back wheels which provide the tractor with basic complete set adaptation and on dual wheels to more power-intensive related operations of tillage of the first and second groups at values of rated speed of 2.20 and 2.70 m/s. The technique of definition and rational distribution of specific weight on axes due to ballasting for different technologies of tillage was recommended when using tractors with a power of 140-280 kW.
Keywords: adaptation, algorithm, ballasting, complete set of a tractor, models, specific material capacity, technology
Введение. Российский рынок сельскохозяйственных тракторов в последние годы широко представлен продукцией ведущих иностранных и отечественных производителей с построенными по номинальной эксплуатационной мощности двигателя модельными рядами. Наиболее распространены модельные ряды тракторов колесной формулы 4к4а улучшенной классической компоновки с передним мостом автомобильного типа и существенно увеличенным диаметром управляемых колес, которые воспринимают 40-45 % веса трактора [1]. Основу трансмиссии составляют, как правило, ступенчатые диапазонные механические коробки передач. Доля этих тракторов на российском рынке за последнее десятилетие достигла 93 % при повышении верхней границы мощности до 280300 кВт (380-400 л.с.).
Адаптация энергонасыщенных колесных тракторов с установленной мощностью к при-родно-производственным условиям для улучшения эксплуатационных свойств предусматривает регулирование сцепного веса путем ис-
пользования съемных балластных грузов, применения системы автоматического позиционно-силового регулирования заднего навесного устройства, сдваивания задних и передних колес с изменением давления в шинах.
Практически на всех новых моделях колесных 4к4а тракторов иностранного и отечественного производства [2, 3] применяется регулирование степени балластирования установкой разного количества неподвижных грузов, как в передней части остова, так и на дисках задних и передних колес. Для эффективного использования таких тракторов в разных технологиях поч-вообработки и посева, а также на транспортных операциях необходимо выполнить два условия:
- обеспечение оптимальной эксплуатационной массы при выполнении определенной группы родственных операций [4];
- рациональное распределение эксплуатационной массы по ведущим мостам.
Неоднозначность рекомендаций в инструкциях по эксплуатации изготовителей тракторной техники, ограниченный опыт ее практического использования и испытания в производственных условиях не позволяют установить общие принципы балластирования энергонасыщенных колесных тракторов.
Цель работы. Обоснование основополагающих принципов и методов рационального балластирования колесных 4к4а тракторов высокой мощности для адаптации к технологиям почво-обработки.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
1) сформировать модели и разработать алгоритм рационального балластирования трактора;
2) обосновать удельные параметры и размещение съемного балласта для адаптации трактора разной комплектации к технологиям почвообработки.
Материалы и методы исследования. Решение поставленных задач выполнялось с учетом ранее установленных показателей, рекомендаций, допущений и ограничений по использованию и балластированию колесных тракторов высокой мощности [2-4, 7]:
- основной показатель технологичности трактора по ГОСТ 4.40-84 - удельная материалоемкость ш* 103 / g ■ фкрн ■ VН для разных
Вестник.'КрасГЯУ 2016. №8
групп операционных технологий основной обработки почвы, определяется номинальными значениями рабочей скорости V* и тягового режима рКРШ использования без учета паразитной мощности при блокировке ведущих мостов;
- базовой комплектации трактора с установленной мощностью Меэ соответствует эксплуатационная масса на одинарных колесах, без съемного балласта и с наполовину заполненным топливным баком
тэБ = тЭз = т*удз ■ ^еэ ■ 4 для выполнения наименее энергоемких операций почвообработ-
тл*
ки третьей группы при Vяз и рКРт , равная или
превышающая, в зависимости от условий поставки, минимальную транспортировочную мас-
* ^
су тэБ > т 0;
- распределение эксплуатационного веса Оэ = т • g энергонасыщенных колесных 4к4а тракторов по осям для обеспечения наилучших показателей тягово-сцепных свойств, управляемости и продольной устойчивости в режиме рабочего хода, характеризуется следующим соотношением реакций почвы на передние и задние колеса
Удр / у^ = (0,30 - 0,40)/(0,60 - 0,70) [5, 6];
- при балластировании трактора для операций почвообработки 1-й и 2-й групп реакция почвы на задние колеса в режиме рабочего хода должна соответствовать условию у > у > у
у К1р > у К 2 р > у КБР
Результаты исследования и их обсуждение. Общая схема балластирования колесного 4к4а трактора базовой комплектации с эксплуатационным весом Оэг; = Оэо , продольной базой Ь и абсциссой центра масс а 0 съемными грузами, установленными впереди остова 0Б1 , на дисках передних 0БК и задних 0Б2 колес, представлена на рисунке 1. Массы передних тБ1 и тБК и заднего тБ2 балластов для получения рекомендуемого (оптимального*) распределения веса трактора в статике определяются решением уравнений моментов относительно осей передних О1 и задних О2 колес:
\УПСГ • Ь = вЭ0 • ац0 + вБК • Ь + 0Б1 (Ь + ап); \УКСГ •Ь = Сэс( Ь - ац0) + вБ2 • Ь - вБ1 • ап ■
(1)
вБ1 вБК вЭ0 = вЭБ
О1 , ( О21
УПСТ ац 0 1
ап УКСТ
Ь
О
Б 2
Рис. 1. Схема балластирования колесного 4к4а трактора
Обозначив относительные величины абсцисс центра масс трактора и переднего балласта как
А0 = ац0/Ь , Ац = ац /Ь , Ап = ап /Ь, из уравнений (1) получим:
УПСТ = вЭ0 • Ац0 + вБК + вБ1(1 + АП); I УКСТ = 0 (1 - Ац0 ) + 0б2 - Об
• А
Б1 АП ■
(2)
Из уравнений (2) следует, что колесные балласты 0БК и Об2 увеличивают нагрузку только на соответствующую ось трактора. Передний балласт 0Б1 обеспечивает дополнительную нагрузку передней оси АУПСТ = 0Б1(1 + АП) с одновременной разгрузкой задней оси
ЛУ = -0 ■ А
¡-и кст .
Оптимальное распределение удельной массы трактора туд по осям, в соответствии с уравнением (2), выразится как:
1т'удПСТ = туд ■ Ац = туд04,0 + тБКуд + тБ1уд С1 + АП X (3)
\тудКСТ = т'уд(1 - Ац ) = туд0 ■ (1 - Ац0) + тБ2уд - тБ1уд ■ АП■
В режиме рабочего хода на горизонтальном участке с номинальной тяговой нагрузкой Ркрн = тэ ■ £ у происходит перераспределение веса и соответственно - удельной массы трактора по осям [5] в направлении разгрузки передних и догрузки задних колес за счет сме-
А
щения абсциссы центра масс ЦР на величину
ЛА = А - Д^ = [ЬКР ' УкРИ + 0,5 ■ /(Гд1 + Гд2)] (4)
где ккР - ордината точки прицепа; / - средний
коэффициент сопротивления качению; гй1 , г 2
- динамические радиусы качения передних и задних колес.
Величину ЛА, необходимо учитывать при определении рациональных абсцисс центра масс Ац и Ац0 , характеризующих распределение веса трактора по осям в статике. При известной удельной массе общего балласта тБуд = (т 1 - туд0) оптимальные значения
тБ1уд основного переднего и тБ2уд заднего
балластных грузов определятся по зависимостям:
Б1уд
_ тудАц - туд0Ац0 - тБкуд .
(1 + Ап ) '
(5)
тБ2уд = [т уд (1 - Ац ) - туд0 (1 - Ац0)] + тБ1уд ■ АП ■
Уравнения (5) позволяют определить значе-
* * * *
ния тт д, тБ2уд и соответственно тБ1 , тБ2. Алгоритм балластирования трактора при известных Ыеэ , тЭБ > тЭ0 , Ькр , Ь , / , гд1 ,
<2,
ц 0
<п и тБкуд: определение т^ и
уд0
т*уд1 для технологических операций почвообра-ботки разных групп и основных комплектаций
т1д = Лти ■1031£■ Укри -К ; расчет тБуд = (туд - туд0); определение ЛАЦ по (4); выбор А с учетом рекомендаций и ограниче-
ний по Ацр = 0,30 - 0,40 ; определение тБ1уд и по (5); расчет массы балластов
т
Б 2 уд
тБ! = Щлуд ■ • Меэ , тБК = тБКуд ' ' Меэ и
тБ2 = тБ2уд ■Ыеэ при установленном значении коэффициента использования эксплуатационной мощности двигателя [2]; комплектование и установка соответствующих балластных грузов.
Сформированные модели и разработанный алгоритм балластирования можно использовать для разных вариантов комплектации ходовой системы трактора на основной обработке почвы:
1) одинарные передние и задние колеса;
2) сдвоенные передние и задние колеса;
3) сдвоенные задние колеса.
В основу рационального балластирования следует положить, в первую очередь, определение удельной материалоемкости (массы) трактора любой из указанных комплектаций на установленных тягово-скоростных режимах использования при реализации разных групп родственных операций основной обработки почвы. За базовый вариант принимается комплектация трактора на одинарных колесах без съемного балласта с удельной массой туд0 = т*уд3 для операций почвообработки третьей группы при УИ3 и укрн3. Соотношение туд0 и удельной
* V
массы туд1 для других групп операций и вариантов комплектации трактора выразится как
лтуд = т'уд,1 туд0 =^Пт 1 урн ■ Жи ■ (6)
Удельная масса трактора на одинарных
* *
туд, сдвоенных передних и задних тудК, и
сдвоенных задних т колесах для разных
технологий почвообработки в общем случае содержит следующие элементы:
туд = туд0 + тБ 1уд + тБ 2 уд + тБКуд ;
т'уд = туд0 + тК1уд + тк 2 уд + т*Б1уд + Щ 2 уд + тБКуд1 тудК 2 = туд0 + тк 2 уд + тБ1 уд + тБ 2 уд + тБКуд ■
■ (7)
Удельные массы дополнительного комплекта передних тК1уд и задних тК2уд колес с простав-
ками входят соответственно в тБКд и тБ2уд
*
*
г
Вестник^КрасТЯУ. 2016. №8
выражений (5), существенно влияя на их величину и положение абсциссы центра масс Ач.
Для формирования общей системы рационального балластирования трактора при сдваивании колес целесообразно принять для третьей группы операций почвообработки:
I туд^ = туд0 + тК1уд + тК2уд; I туд^0 = туд0 + тК2уд.
(8)
В этом случае, при соблюдении условий
* *
туж0 * mудк0 и ^20 * mудк2» количественные и качественные (распределение по осям) характеристики съемного балласта для операций почвообработки разных групп на одинарных и сдвоенных колесах остаются неизменными.
Увеличение тудК0 и т*удК20 при сдваивании
колес обусловлено в основном повышением тягового кПд за счет снижения потерь на перекатывание трактора. Условием неизменности
* *
тБ1уд и тБ2уд, установленных для разных
групп операций при балластировании трактора с одинарными колесами, является равенство
тКуд = тК1уд + тК 2 уд = mудK 0 туд0
или
^mудK = туЖ /туд0 = (1 + туд0). (9)
Для обеспечения равенства абсцисс центра масс Ац0 = А^ 0 на одинарных и сдвоенных передних и задних колесах трактора без съемного балласта, при решении уравнений (2), установлена взаимосвязь
^ 0 = Ац0 \тК1уд - (тК1уд + тК 2 уд ) • Ац 0 ]■ (10)
mудK 0
плекта передних и задних колес составляет [3, 5] тКд = 4,0 - 6,5кг/ кВт при соотношениях
тШуд = (0,38 - 0,42)туй и тК 2уд = (0,58 - 0,62^.
Поэтому оснащение сдвоенными передними и задними колесами практически не изменяет абсциссу центра масс Ац0 трактора базовой комплектации. При сдваивании только задних колес абсцисса Ац0 смещается в сторону оси задних
колес на 4-5 %.
По результатам моделирования получены
зависимости mБlуд, тБ 2 уд = / (Ац0, А, АП) для операций почвообработки 1 -й и 2-й групп
при оптимальных значениях удельной материа-
* *
лоемкости трактора туд0, туд2 и туд1 с одинарными колесами (рис. 2). Характер этих зависимостей определяется соотношением указан-
ных параметров в уравнениях (5) при т
БКуд
■ 0.
Смещение центра масс в сторону оси передних или задних колес пропорционально удельной массе соответствующих колесных балластов тБКуд и тБ2уд. Установка балласта впереди
остова трактора изменяет нагруженность передних и задних колес на величину
АтудП = тБ1уд(1 + ап ) и Атудк =-тБ1уд • АП
К1уд \"'К1уд ' К 2 уд' Ац 0
Тогда условие Ацк0 = Ац0 выполняется при
тК1уд = тКуд • Ац0 .
Аналогично, при сдваивании только задних колес, получим
^ 20 = Ац0 (1 - тК2уд / mудK20 )■ (11)
Из равенства (11) следует, что сдваивание только задних колес трактора приводит к уменьшению абсциссы центра масс на величину
ААц 0 = тК 2уд / mудK 20 .
У колесных 4к4а тракторов мощностью 140280 кВт удельная масса дополнительного ком-
соответственно.
В таблице приведены варианты рационального балластирования колесного трактора мощностью = 140 -280 кВт и т^0 = 51,5 кг/кВт на операциях 1-й и 2-й групп при ь = 3,05 м , Ая = 0,45, ккр = 0,40 м, / = 0,10 и 0,5(гд1 + гд2) = 0,80 м. При таком соотношении
значений удельной массы переднего и колес* *
ных балластов т,^, > т^2 > mудк0 и
удK1
А..„ = 0,324 - 0,415, что соответствует указан-
V
ным выше ограничениям.
Для адаптации трактора любой комплектации к технологиям почвообработки второй и первой групп удельная масса съемного балласта составляет 7,0-7,7 и 13,0-13,9 кг/кВт соответственно, или 13,5-15,0 и 25-27 % от удельной массы трактора базовой комплектации. С учетом комплекта передних и задних колес максимальное увеличение массы трактора базовой комплектации при балластировании для операций почвообработки первой группы достигает 39-40 %.
1bí4¡ / Í .-П/,П
ни Ч 1 *=0,3.
fl / i /1 )
/
Л Т
\ \
^ \
\ ____
/ 1 ц á л
\\
Рис. 2. Распределение удельной массы переднего тБ1уд и заднего тБ2уд
балластов на операциях почвообработки: а - первой группы; б - второй группы;--Ац=ац/L=0,50; ------- Ац=ац/L=0,45
Предлагаемые удельные параметры и размещение балластных грузов обеспечивают адаптацию трактора любой комплектации к разным технологиям почвообработки (табл.). Практическая реализация значений тБХуд, тБКуд и
тЕ1уд зависит от конкретного оформления и
массы составляющих съемный балласт элементов.
Рациональное балластирование колесного 4к4а трактора разной комплектации
Группа операций V* V Hi, м/с Vkph K л Лтв * туд, кг/кВт Щуд, кг/кВт * тКуд , кг/кВт * тБ1уд> кг/кВт * тБ 2 уд, кг/кВт тБКуд, кг/кВт
1/1 0,50 0,626 64,5 13,0 0 6,83 4,42 1,75
7,95 5,05 0
1 2,20 0,45 2/1 0,48 0,665 68,6 13,6 3,5 7,40 4,45 1,75
8,30 5,30 0
2/2 0,50 0,693 71,4 13,9 6,0 7,75 4,60 1,75
8,75 5,15 0
1/1 0,47 0,635 58,5 7,0 0 4,75 2,75 0
2 2,70 0,41 2/1 0,45 0,677 62,4 7,4 3,5 51,0 2,30 0
2/2 0,47 0,710 65,2 7,7 6,0 5,27 2,43 0
1/1 0,40 0,639 51,5 0 0 0 0 0
3 3,33 0,38 2/1 0,38 0,681 54,9 0 3,5 0 0 0
2/2 0,40 0,713 57,5 0 6,0 0 0 0
Примечание. Комплектация 1/1 - одинарные колеса; 2/1 - сдвоенные задние колеса; 2/2 - сдво-
Вестник.'КрасГЯУ 2016. №8
енные задние и передние колеса; * - оптимальн Выводы
1. Обоснованы модели и алгоритм балластирования колесного 4к4а трактора для адаптации к современным технологиям почвообработки с использованием основного, по ГОСТ 4.40-84, показателя технологичности - удельной материалоемкости (массы).
2. Определены рациональные соотношения удельной массы трактора разной комплектации мощностью 140-280 кВт и съемных балластных грузов для адаптации к зональным технологиям почвообработки.
Литература
1. Парфенов А.П. Тенденции развития конструкций сельскохозяйственных тракторов // Тракторы и сельхозмашины. - 2015. - № 5. - С. 42-47.
2. Селиванов Н.И. Технологические свойства мощных тракторов / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2015. - 202 с.
3. Селиванов Н.И., Макеева Ю.Н. Балластирование колесных тракторов на обработке почвы // Вестник. КрасГАУ. - 2015. - № 5. -С. 77-81.
4. Селиванов Н.И, Макеева Ю.Н. Эффективность использования колесных тракторов в технологиях почвообработки // Вестник КрасГАУ. - 2015. - № 6. - С. 49-57.
5. Селиванов Н.И, Макеева Ю.Н. Удельная материалоемкость колесных тракторов при балластировании для технологий почвооб-работки // Вестник КрасГАУ. - 2015. - № 10. - С. 65-70.
6. Селиванов Н.И, Макеева Ю.Н. Эксплуата-
значение параметра.
ционные параметры колесных тракторов для зональных технологий почвообработки // Вестник КрасГАУ. - 2015. - № 2. -С. 56-63.
7. ГОСТ 4.40-84. Система показателей качества продукции. Тракторы сельскохозяйственные. Номенклатура показателей. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 8 с.
Literatura
1. Parfenov A.P. Tendencii razvitija konstrukcij sel'skohozjajstvennyh traktorov // Traktory i sel'hozmashiny. - 2015. - № 5. - S. 42-47.
2. Selivanov N.I. Tehnologicheskie svojstva moshhnyh traktorov / Krasnojar. gos. agrar. un-t. - Krasnojarsk, 2015. - 202 s.
3. Selivanov N.I., Makeeva Ju.N. Ballasti-rovanie kolesnyh traktorov na obrabotke pochvy // Vestnik. KrasGAU. - 2015. - № 5. - S. 77-81.
4. Selivanov N.I., Makeeva Ju.N. Jeffektivnost' ispol'zovanija kolesnyh traktorov v tehnologi-jah pochvoobrabotki // Vestnik KrasGAU. -2015. - № 6. - S. 49-57.
5. Selivanov N.I., Makeeva Ju.N. Udel'naja mate-rialoemkost' kolesnyh traktorov pri ballastiro-vanii dlja tehnologij pochvoob-rabotki // Vestnik KrasGAU. - 2015. - № 10. - S. 65-70.
6. Selivanov N.I., Makeeva Ju.N. Jekspluata-cionnye parametry kolesnyh traktorov dlja zonal'nyh tehnologij pochvoobrabotki // Vestnik KrasGAU. - 2015. - № 2. - S. 56-63.
7. GOST 4.40-84. Sistema pokazatelej kache-stva produkcii. Traktory sel'skohozjajst-vennye. Nomenklatura pokazatelej. - M.: Izd-vo standartov, 1984. - 8 s.
