CC BY
47
УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов, А.В. Кузнецов
СИСТЕМА АДАПТАЦИИ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ К ЗОНАЛЬНЫМ
ТЕХНОЛОГИЯМ ПОЧВООБРАБОТКИ
Обоснована структурная схема, разработаны модели и алгоритм системной адаптации колесных тракторов высокой мощности к природно-производственным условиям агротехнической зоны эксплуатации.
Ключевые слова: структурная схема, природно-производственные условия, адаптация, операции обработки почвы, параметры-адаптеры, критерии, ограничения.
N.I. Selivanov, A.V. Kuznetsov
THE SYSTEM OF THE HIGH POWER WHEEL TRACTORADAPTATIONTO THE ZONAL SOIL-PROCESSING TECHNOLOGIES
The structure chart is substantiated,the system models and algorithm of the high power wheel tractoradapta-tion to the natural-production conditions of the agrotechnicaloperation zone are developed.
Key words: structure chart, natural-production conditions, adaptation, soil processing operations, parameters adapters, criteria, restrictions.
Введение. В общей структурной схеме многоуровневой системы адаптации мобильных энергетических средств к природно-производственным условиям обоснование энергетического потенциала (£— • Ыеэ)* и эксплуатационной массы Шэ тракторов для установленных групп родственных операций почвообработки с учетом современных тенденций их развития является главной задачей второго уровня [1].
Методология адаптации трактора к условиям режима рабочего хода предусматривает обоснование структурной схемы, разработку математических моделей и алгоритма оптимизации массоэнергетических параметров для совокупности технологий основной обработки почв.
Определение оптимальных параметров (адаптеров) трактора производится на режимах рабочего хода разных групп родственных операций основной обработки почвы при обоснованных значениях номинальной скорости Уш и характеристиках удельного тягового сопротивления (Ко[, ДКШ, уК0() рабочих машин-орудий.
Цель работы. Обоснование структуры и моделей системной адаптации колесного 4К4б трактора с установленной характеристикой двигателя к природно-производственным условиям.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
1) обосновать структурную схему системы адаптации эксплуатационных параметров и режимов рабочего хода трактора к зональным технологиям обработки почвы;
2) разработать модели и алгоритм оптимизации массоэнергетических параметров трактора для операционных технологий основной обработки почвы.
Условия и методы исследования. Эксплуатационные параметры трактора Ыеэ и Шэ определяются тяговым и скоростным режимами в процессе рабочего хода и рассматриваются как результативные признаки функционирования при случайном характере тяговой нагрузки с учётом установленных допущений и ограничений:
а) по энергоёмкости и техническому обеспечению операции основной обработки почвы разделены на три группы, каждую из которых характеризуют удельное тяговое сопротивление К^ при скорости 1/о=1,4 м/с, его приращение от скорости ДК^ коэффициент вариации уК0( и рациональный по энергозатратам и агро-требованиям интервал рабочей скоростиУН( ±ДУг;
б) рациональный тяговый диапазон трактора, ограниченный режимами максимального тягового КПД Цттах(ч>кРор1) и допустимого буксования 5д (фкртах), характеризуется номинальным коэффициентом использования сцепного веса: < < р при р = 0,5 (^р0рг + Фкртах);
кр
в) КПД трансмиссии цтр и коэффициент сопротивления качению [ = + С(ун - У0) в заданных условиях равны средним расчетным значениям без учета мощности двигателя и угла наклона поверхности поля (ст=0).
В основу адаптации современного колесного трактора с установленной характеристикой двигателя (Ыеэ, Км, пн) к режиму рабочего хода отдельных групп родственных операций обработки почвы положено изменение эксплуатационной массы для достижения оптимальных значений показателей технологичности -удельного энергетического потенциала • Э)* и удельной материалоемкости (туд = 103/(^_ • Э)*),
обеспечивающих наиболее эффективное его функционирование в составе почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.
Оптимальные значения эксплуатационных параметров трактора определяются из условия обеспечения чистой производительности И^*, установленной по экономическим критериям оптимальности [2] для каждой технологической операции почвообработки и определенной длины гона ¡п, при функционировании в интервале допустимых значений рабочей скорости У^ ± АУ1 и тяговом диапазоне, соответствующем
<Ркрор1 < Фкрн < Ркр .
Результаты исследования и их анализ. Для повышения эффективности адаптации колёсных 4К4б тракторов с переменными массоэнергетическими параметрами к природно-производственным условиям разработана многоэтапная структурная схема (рис. 1) с обоснованными моделями, критериями оптимальности и ограничениями.
Входными факторами системы на первом этапе адаптации являются рабочая скорость Ут, длина гона ¡г, характеристики удельного сопротивления рабочей машины (К^, АК0Ь уК0() и двигателя (Ыеэ,Км,пн). Оптимизации подлежит номинальный коэффициент использования сцепного веса фкрн, характеризующий устойчивое движение трактора по тягово-сцепным свойствам в номинальном тяговом режиме при ограничении 5 оР1^5н<5д для обобщенной характеристики опорной поверхности.
Критерий оптимальности представляет максимум тягового КПД цттах, определяющий условие функционирования трактора в режиме рабочего хода с наивысшей производительностью и наименьшими энергетическими затратами на конкретном почвенном фоне. Оценки составляющих тягового КПД трактора по результатам стендовых и тяговых испытаний или установленных зависимостей формируют перечень и содержание промежуточных задач на данном этапе.
Режим работы трактора по условиям сцепления считается оптимальным, если целевая функция г/т= А(фкр) ^ тах, поэтому математические модели М 1.1 и М 1.2 представляют одно- и двухмерное уравнения (табл.).
Модели и алгоритм оптимизации массоэнергетических параметров колесного 4К4б трактора
Этап Критерии оптимизации Параметры и модели оптимизации Ограничения
1 2 3 4
1 Пт = Птр -VfVs^ тах _ п2 п3 Цтр = Цхх 'Ли, ' VK ' Vf = фкр/(фкр + f) Vs = 1 - а • Ыр/(в - Ыр) М 1.1. = в- 8*/(а + 3*н) М 12 Чт = Чтр дК1 - а-фкр 1) [(в-Фкр)Л 5аР, <5Н<0,15 Фкрор1 < Фкрн < 0,5{фкрорг + (Ркртах)
2 3,6 • GT • 103 де =-;--> min, еэ г/(кВтч) М 2.1.(— = 0,458 •Км -Умс -м 0,233 М 2.2.(— = -0,964 + 1,80 • N Км - 0,402 • КМ + ^ VМС (- < Км/(1 + ЗУМС) м 1,15<Км<1,50 Метах < -
Окончание табл.
1 2 3 4
3 W =--> max, м2/с К0' Ек Ек = Мк/цт Еп = Ек • К0 ^ min, кДж/м2 М 3.1. Э* = а'(ркРУн, Вт/кг М3.2. т*уд = Цт ■ i>N ¡9 • Фкр ' VH ■ 10-3, кг/кВт Э ■ — Э* — Э ^min — ^ — ^max mydmin — myd — mydmax
4 KFn = ^ min, с/м Ы1 Лт • v М 4.1.ту = Меэ/Э*, т М 4.2. Ny = Э* •m3max, кВт М 4.3.ЩУах = (N -иУэ/Ко^Ек, м2/с тэтЫ — тэ — тэтах Ny — Меэ wmax > жу
5 Ктэ = Vhrn 'Э ^ тт,с2/м М 5 1 у ^эоац+сБ1(ап+^)-СБ2' ak IVI э.1.Упш- ^ ' кН М 5П У Сэо(^-ац)+аБ2(^+ак)-СБ1ап кН Упш = 0,ББ(0,6Б)ту • д у тб1 — т б1тах Укст=0,45(0,35)ту • д у тб2 — т б2тах
6 г К1 \Утр(Ка+Кп) Сэ = П [ ТГ +Зп + Gmp-к • т • (цт + g • ц„)] ^ min, р/га П = 0,36 • fW ^ max, га/ч ' Nеэ ■ Vmp(iSy) М 6.1. ту = ———-—, т М 6.2.i*K = ту'9(а -f+s'y(b+n\ м1 'ПГПтр(Пн+П) N ' НеэУ-Лтн М 6.3.VZ =-, м/с З'Фкрн'тэ тэтт — ту — тэтах Vopt < ^Н — Цпах
На втором этапе решением моделей М 2.1 и М 2.2 определяются оптимальные значения коэффициентов нагрузки = МК/МН и использования мощности = Ые/Ыеэ двигателя при обосновании совмест-м N
ных с механической трансмиссией режимов его работы в условиях вероятностной нагрузки. Критерий оптимальности дет1П определяется из условия йде/йМк = 0. При известных Км и уМС « уК0 экстремальные
значения и учитывают установленные ограничения.
м N
Третий этап связан с оптимизацией показателей технологичности трактора для выполнения определенной группы родственных операций. Математические модели М 3.1 и М 3.2 представляют общие для всех типов энергомашин уравнения взаимосвязи указанных показателей с основными параметрами-адаптерами, установленными на предыдущих этапах первого и второго уровней общей системы оптимизации.
Максимум чистой производительности Штах и минимум удельных энергозатрат Епт1п используются в качестве компромиссных критериев оптимальности. Ограничениями являются пределы регулирования показателей технологичности.
На четвертом этапе решением моделей 4.1-4.3 определяются оптимальные массоэнергетические параметры трактора с установленными показателями технологичности (%—Э)*1 и т*Д1 для выполнения
конкретной группы родственных операций с номинальной рабочей скоростью на длине гона ¡¡¡¡.. Основным критерием оптимальности является минимум эквиваленты энергозатрат на единицу производительности
2
Кн1=КеРр103= [1+АК^2нУО)] /Пг^МПт^тП (1)
где ^еУ^ыэ) ^пТ) - показатель удельных энергозатрат на единицу производительно-
сти.
Оптимальное значение эксплуатационной массы должно соответствовать условию тэт1п < т*1 < тэтах. Однако для современных высокомощных колёсных тракторов это условие на операциях первой группы (отвальная вспашка и глубокое рыхление) не выполняется, поскольку т*э1 > тэтах. Поэтому на родственных операциях с пониженной скоростью Уш двигатель необходимо переводить на частичную нагрузочную характеристику (регулирование цикловой подачи топлива) для получения мощности
(2)
Рис. 1. Структурная схема адаптации эксплуатационных параметров колесного 4К4б трактора
к зональным технологиям почвообработки
Оптимальная длина гона для указанной операционной технологии почвообработки определяются при этом из условия
(3)
Пятый этап предполагает обоснование оптимальных значений массы переднего т*^ и заднего т*21 балластов для данной группы родственных операций. Реакция почвы на передние У^ и задние У^ колеса неподвижного трактора, свободного от тяговой нагрузки (Ркр = 0), в этом случае характеризуется статическими значениями
Уп.ст=тэдац/и Чк.ст=т'эд{1-\)И,
где ац - расстояние от центра масс до оси задних колес; 1_ - продольная база трактора.
Нагруженность колес оценивают по коэффициентам нагрузки передних Лп = Уп.ст/(т* • 9) и задних = Ук.ст/(т1 • 9) колес, отношение которых для тракторов 4К4б, агрегатируемых с прицепными машинами, должно составлять Хп/Хк = 0,55/0,45, а с навесными орудиями - 0,65/0,35 [3]. Под действием тяговой нагрузки при Ркрн = <ркрн • т* • д реакции по осям выравниваются, что соответствует наилучшему использованию сцепного веса трактора.
Для трактора с минимальным эксплуатационным весом Сэо = тэо • <ркрн • д и установленными значениями и ац оптимальные значения массы переднего и заднего балластов определяются решением моделей 5.1 и 5.2, представляющих уравнения моментов относительно осей передних (01) и задних (О2) колес (рис. 2)
У=
п.ст
эо'^ц
У=
к.ст
Сэо(^-Яц)+^Б2 (¿+afc)-GБ1-Дп
(5)
где ап и ак - продольные ординаты центра масс переднего и заднего балласта. Учитывая, что т* = тоэ + тБ1 + т*2, решение уравнений (5) дает
т* (тэГтоэ)(ак+ац); т™~ а+ап+ак) '
(т"эГтоэЖ-ац+а„)
(6)
ты=
Б2' а+ап+ак)
а соотношение Л£г = тви /тв2( выразится как
ац+ак (1+ап-ац)'
(7)
Критерий оптимальности на этом этапе представляет эквивалента эксплуатационной массы Ктэ при установленных ограничениях массы балластных грузов.
Рис. 2. Расчетная схема определения эксплуатационной массы трактора 4К4б при балластировании
На заключительном шестом этапе решением моделей 6.1-6.3 (см. табл.) определяются наиболее рациональные массоэнергетические параметры и передаточные числа ¿тр/га трансмиссии трактора для обобщенных условий отдельных или нескольких групп родственных технологических операций с учетом приведенных ограничений по эксплуатационной массе и номинальной скорости рабочего хода. Удельные эксплуатационные затраты Сэ и техническая производительность П представляют критерии оптимальности.
Технический уровень и эффективность трактора оцениваются на заключительном этапе адаптации с использованием комплексного критерия [4]
Кэ=Кп«ы«т«Е, (8)
представляющего произведение частных критериев эффективности: Кп - по производительности; Км - по часовому расходу топлива (эквивалента Ые); Кт - по эксплуатационной массе; КЕ - по расходу топлива на единицу площади (эквивалента Епр = Еп/Ш), которые рассчитываются по формулам:
' Кп = -
} «« = 1 - « д^вв -
'\Кт = 1 - (лг^-т^/т^;
КЕ = 1 -(Б^-б^/Б^ (9)
В уравнении (9) показатели без (*) берут для конкретного трактора 4К4б, а со знаком (*) для базового варианта при Е*артЫ.
Выводы
1. Предложена структурная схема системной адаптации колесных 4К4б тракторов к совокупности используемых технологических операций основной обработки почвы, позволяющая определить (с учетом возможностей балластирования и регулирования мощности двигателя) число их типоразмеров для превалирующего класса длины гона в агротехнической зоне эксплуатации.
2. Разработанные на основе детерминированно-стохастических связей с использованием обоснованных параметров - адаптеров, критериев эффективности и ограничений - математические модели и алгоритм расчета максимально учитывают и с достаточно высокой точностью отражают влияние природно-производственных факторов на режим рабочего хода и эксплуатационные параметры колесного трактора высокой мощности.
3. Комплексный критерий эффективности может служить базовым для оценки технологического уровня высокомощных тракторов с учетом адаптации к условиям эксплуатации.
Литература
1. Селиванов Н.И. Система адаптации эксплуатационных параметров тракторов для основной обработки почвы // Вестник КрасГАУ. - 2010. - № 7. - С. 127-133.
2. Селиванов Н.И. Эксплуатационные параметры колесных тракторов высокой мощности // Вестник КрасГАУ. - 2014. - № 3. - С. 136-142.
3. Селиванов Н.И. Эксплуатационные свойства сельскохозяйственных тракторов: учеб. пособие / Крас-нояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2010. - 347 с.
4. Самсонов В.А. Расчет показателей трактора с учетом влияния природно-производственных факторов / / Тракторы и с.-х. машины. - 2007. - № 4. - С. 21-25.
