CC BY
89
3. Пат. 2325271 Российская Федерация МПК В 27С 1/06. Устройство для калибрования фанерных листов и древесно-стружечных плит / Ермолович А.Г., Ромашенко В.В.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. технол. ун-т. - №2006135921/03; заявл. 10.10.2006; опубл. 2008, Бюл. № 15.
4. Пат. № 2328371 Российская Федерация, МПК В 27в 13/00. Ротационная дереворежущая головка / Ромашенко В.В., Ермолович А.Г.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. технол. ун-т. - № 2006135922/03; заявл. 10.10.2006, опубл. 2008, Бюл. № 19.
УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, С.Н. Селиванов
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ТРАКТОРА
Установлена взаимосвязь параметров энергетических и тягово-сцепных свойств, обоснованы рациональные тягово-скоростные режимы использования при изменении энергонасыщенности колесного 4к4б и гусеничного тракторов в процессе реализации тяговых технологий.
Ключевые слова: трактор, тягово-скоростной режим, сопротивление качению, энергонасыщенность, буксование.
N.I. Selivanov, V.N. Zaprudsky, S.N. Selivanov
CORRELATION BETWEEN THE PARAMETRS OF ENERGETIC AND TRACTOR-COUPLING PROPERTIES
OF TRACTOR
The correlation between the parameters of energetic and tractor-coupling properties is determined and rational traction and speed application modes in the case of changing the energy saturation of wheeled (4w4b) and track tractors in the process of the traction technologies realization are substantiated.
Keywords: traction speed mode, tractor, rolling resistance, energy saturation, skidding.
Анализ технических характеристик новых моделей сельскохозяйственных тракторов показывает, что повышение номинальной эксплуатационной мощности двигателя Иеэ неизменно сопровождается увеличением эксплуатационной массы трактора тъ для сохранения оптимального тягового усилия Ркрор [1]. Указанное
приводит к снижению темпов роста их энергонасыщенности Э=Меэ/тэ, оптимальной рабочей скорости У0р*
и как следствие, потенциальной производительности по сравнению с темпами роста мощности двигателей.
Учитывая постоянную тенденцию повышения энергонасыщенности, обеспечение рационального соотношения энергетических параметров и оптимального скоростного режима тракторов в процессе реализации тяговых технологий является актуальным.
Цель работы - установление взаимосвязи параметров энергетических и тягово-сцепных свойств для обоснования рационального скоростного режима использования и оценки потенциальных возможностей трактора.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
1) обосновать модель, отражающую взаимосвязь энергетических и тягово-сцепных показателей трактора в тяговом режиме;
2) установить количественные характеристики взаимосвязи оптимального тягово-скоростного режима использования колесного 4к4б и гусеничного тракторов с сопротивлением их качению;
3) обосновать рациональные нагрузочно-скоростные режимы использования тракторов с переменной энергонасыщенностью в процессе реализации тяговых технологий.
Решение поставленных задач целесообразно выполнять с использованием обобщенной вероятностной характеристики распределения средних значений нагрузок на основных энергоемких технологических операциях с учетом установленных ограничений и допущений:
1) оптимальный тяговый режим работы трактора соответствует максимальному значению тягового КПД при буксовании движителя 5opt^ и определяется из условия dпт/dфкр=0;
2) взаимосвязь буксования 5 и коэффициента использования сцепного веса фкр для однотипных по движителю тракторов на одноименных почвенных фонах в рабочем диапазоне тяговых нагрузок аппроксимируется формулой д = б(ц - f)/[b - (ц - f)] при цmix = idem;
3) в интервале рабочих скоростей почвообрабатывающих и посевных агрегатов от У ^ до Vmx
коэффициент сопротивления качению трактора в установившемся режиме прямолинейного движения на горизонтальной поверхности аппроксимируется уравнением f=fo+c(V-Vo);
4) коэффициент вариации момента сопротивления на коленчатом валу двигателя Vмс в установившемся режиме остается неизменным для интервала рабочих скоростей.
При повышении энергонасыщенности трактора и условий сохранения тягового усилия Ркрopt, определяющего его тяговый класс, возрастающая тяговая мощность должна реализовываться через увеличение рабочей скорости движения. Однако часть ее затрачивается на преодоление возрастающих с повышением скорости потерь на качение трактора. Указанное приводит к изменению Ркрopt и условия обеспечения основного классификационного параметра трактора.
Влияние энергонасыщенности на рабочую скорость и тягово-сцепные показатели трактора в простом тяговом агрегате может быть с достаточной точностью оценено при анализе составляющих энергетического баланса.
С учетом установленных ограничений и допущений, уравнение энергетического баланса трактора с номинальной мощностью ^э и массой mb для установившегося движения по горизонтальной поверхности в режиме r^max запишется как
* ----------------------------
OnN еэ (з тр здз f )max = (Ркр V)opt. (1)
Выразив составляющие тягового КПД, учитывающие буксование г|5 и потери на качение r|f, через коэффициенты использования сцепного веса фкр и сопротивления качению f при постоянном КПД трансмиссии Птр и учитывая, что Ркрopt=фкрoptmэg, получим [2]
* бцкр ц кр
on33tJ[i-^-K4[-—1^hg^KpVV (2)
b ц кр ц кр + f
*
где о^ - оптимальное значение коэффициента использования мощности двигателя при вероятностной нагрузке.
Тогда оптимальное значение средней скорости движения при установленной энергонасыщенности трактора и вероятностной нагрузке выразится как
V = °нЭзтр ( зд ) (3)
цкр А
При установленных значениях коэффициентов уравнения буксования a и Ь и сопротивления качению f величина фкрopt на режиме Птmax и 5opt определится из условия dПт/dфкр=0.
д/б(1 + б + b/f) (1+б)
ц кр opt 0[1 - /1 , £-\ ], (4)
где о = bf(1 + б)/(f- бЬ + бf) .
Уравнение (3) устанавливает взаимосвязь оптимальной скорости У^ и энергонасыщенности трак-
*
тора Э при неизменных динамических свойствах двигателя о*^ (Км, Vмс) и постоянным коэффициентом сопротивления качению Г
С учетом характера изменения коэффициента сопротивления качению \ при повышении скорости !=1о+с(УоргУо), выражение (3) примет вид
о^Эз трЗ д0р^
opt 8[Ц Kpopt+fo+c(VopfVo)]
opt- V0)
(5)
где Го - коэффициент сопротивления качению при скорости У=1,4-1,5 м/с; с - коэффициент пропорциональности (при движении по стерне) с=0,010-0,013.
В этом случае критерий оптимальности при расчете У<^ можно представить в виде минимизируемой выпуклой функции
F =
°]^Эз трЗ ^opt
gVopt ^[ц Kpopt+fo +c(Vopt-Vo )]
(6)
1
Минимум функции - безразмерная величина, близкая к нулю. Ее минимизируем по переменным Vopt, f и Э . Величину Vopt изменяем с заданным шагом в интервале (Vo-Vmax). Для каждого цикла
определяем значения f, ф^ и r|5opt. Для каждого значения Vopt методом дихотомии находим 3opt.
* -----------------------------
Порядок расчета при заданных о*^, f и Птр: изменяем значение Vopt с шагом AV от минимальной
скорости; f=fo+c( Vopt-Vo); 9iwt по формуле (4); з дopt = [1 - бцкрopt /(b - Цкрopt)]; Функция (6).
Функция (6) взаимосвязи энергонасыщенности и оптимальной рабочей скорости трактора получена
при аппроксимации кривой буксования зависимостью 5=афкр/(Ь-фф) с постоянными коэффициентами а и b
для тракторов с однотипным движителем на одноименных почвенных фонах. Указанное вполне справедливо для рабочего диапазона удельных показателей тяговых нагрузок (ф^ - фкртах).
Увеличение коэффициента сопротивления качению от fo до fi, при повышении скорости движения сопровождается соответствующим смещением кривой тягового КПД и режима Пттах в сторону фкртах с одновременным снижением его величины (рис. 1). Учитывая, что при допустимом буксовании 5д значение максимального коэффициента сцепления фтах=1Сет, на этом режиме должно соблюдаться условие
ц max = ц кр 0max + fo = ц кр1шах + f1, (7)
или
ц кр1тах ц кр 0max+fo-f1. (8)
Обозначив fi-fo=Af, получим
ц кр1тах = ц кр 0шах - Д£. (9)
Выражение (9) показывает, что для режима допустимого буксования при фmax=idem увеличение коэффициента сопротивления качению от Го до \ уменьшает на величину Дf=f-fo максимальный коэффициент использования сцепного веса фф1тах и соответствующее ему тяговое усилие Р Ф1тах трактора с неизменной эксплуатационной массой. Указанное будет справедливым и для режима Пттах в случае фо^Сет.
Рис. 1. Зависимость тягового КПД от удельных показателей трактора
Однако из уравнения (4) следует, что увеличение коэффициента f приводит к практически адекватному повышению и смещению оптимального тягового режима в сторону максимально допустимого по буксованию. При этом возрастающая, с повышением энергонасыщенности, тяговая мощность реализуется одновременно за счет повышения оптимальной рабочей скорости и увеличения Ркрopt без изменения эксплуатационной массы трактора. Это будет иметь место пока оптимальный тяговый режим не достигает допустимого по буксованию при фкрopt=фкрmax.
В общем случае при изменении коэффициента f на величину аппроксимационная зависимость 5(фкр) с постоянными коэффициентами а и Ь приобретает вид
Дор1
б(ц кр + ДО
[Ь-(ц кр + ДОГ
(10)
Тогда
ц
кртах
Дд (Ь- ДО- бда
(б + Ь) '
(11)
Моделирование показателей тягово-сцепных свойств колесного 4к4б и гусеничного тракторов с использованием зависимостей (2-4) позволило определить их значения на оптимальном по тяговому КПД и допустимом по буксованию режимах работы (табл. 1 и 2, рис. 2) при изменении коэффициента сопротивления качению f .
Таблица 1
Рациональные тягово-скоростные режимы работы колесного 4к4б трактора
f (а=0,11, Ь=0,773)
фкрopt 5opt Птmax фкрmax Пт.д.
0,06 0,328 0,081 0,684 0,473 0,672 1,0
0,08 0,355 0,093 0,651 0,453 0,643 0,881
0,10 0,369 0,101 0,623 0,433 0,615 0,809
0,12 0,381 0,107 0,598 0,413 0,586 0,752
Таблица 2
Рациональные тягово-скоростные режимы работы гусеничного трактора
f (а=0,0103, Ь=0,785)
фкрopt бор Пттах фкртах Іт.д. Ч^
0,06 0,562 0,026 0,774 0,690 0,769 1,0
0,08 0,584 0,030 0,751 0,670 0,744 0,936
0,10 0,598 0,033 0,729 0,650 0,724 0,885
0,12 0,610 0,036 0,709 0,630 0,702 0,843
0,45
0,40
0,35
0,30
'Пттах фон-стерня
Ф ОрГ Фкртах
ткрирі.
- 0,64 0,70
0,60 0,65
5,%
9
0,60
0,55
"Птшак
Фкртах Форі
§0^
Фкрорі
0,75
4- 0,73
5,%
X 2
0,06 0.08
0,1
0,06
0,08
0,10
а) б)
Рис. 2.. Влияние коэффициента сопротивления качению на показатели тягово-сцепных свойств колесного 4к4б (а) и гусеничного (б) тракторов
При этом установлено, что сопротивление качению существенно влияет на КПД ходовой системы и тяговые показатели трактора. При увеличении коэффициента f от 0,06 до 0,12 (в 2 раза) максимальные и допустимые по буксованию значения тягового КПД колесного 4к4б и гусеничного тракторов уменьшаются на 14 и 9 % соответственно. Оптимальный тяговый режим смещается в сторону максимальнодопустимого по буксованию и сужает рациональный диапазон использования (ффтах-фФорО за счет увеличения ф^ и снижения фкртах. Реализация энергетического потенциала с повышением энергонасыщенности трактора перераспределяется на увеличение оптимального тягового усилия за счет замедления роста рабочей скорости. Наиболее значительно это проявляется у колесного трактора. При снижении на 25 % прирост ф^ составляет 16 %. У гусеничного трактора снижение Чр на 16 %обеспечивает повышение ф^ на 8,5 % (рис. 3). Сближение оптимального и допустимого тяговых режимов использования колесного и гусеничного тракторов за счет увеличения фф0Р( и снижения ффтах при повышении коэффициента \ практически одинаковое.
1,0
0,9
0,8
0,7
фон-стерня
Фкрс^ _ 2
1
Фкрорї
1,15
1,10
1,05
1,0
0,06
0,08
0,10
0,12
Рис. 3. Зависимость оптимальных тягово-скоростных режимов работы колесного 4к4б (1) и гусеничного (2) тракторов от коэффициента сопротивления качению
Полученные по результатам моделирования зависимости энергетического потенциала колесного 4к4б и гусеничного тракторов от оптимальной скорости движения (рис. 4) показали, что темпы повышения энергонасыщенности превышают темпы роста их оптимальной рабочей скорости. Особенно это характерно для гусеничного трактора. Так, если увеличение оптимальной рабочей скорости колесного трактора на 1,4 м/с (от
I,9 до 3,3 м/с) требует повышения энергонасыщенности от 11,04 до 20,15 Вт/кг (9,11 (Вт/кг), то для такого же увеличения скорости гусеничного трактора (от 1,4 до 2,8 м/с) повышение энергонасыщенности составляет
II,5 Вт/кг (от 10,7 до 22,2 Вт/кг). Для установленных диапазонов изменения энергонасыщенности колесных (13-17 Вт/кг) и гусеничных (12-16 Вт/кг) тракторов общего назначения взаимосвязь ее с оптимальной скоростью рабочего хода на стерне колосовых можно определить по эмпирическим зависимостям
Э0Р46 = Эт;п+6,06(Уор,-2,2);
(12)
5нэ,
Вт/кг
18
16
14
12
10
Фон-стерн ^мс=0,07 [Я /
1 /
2 І.
' №
1,4
2,2
2,6
м/с
3,4
орі
г
0,11
0,10
0,09
0,08
Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления качению / и энергетического потенциала 0*^Э колесного 4к4б (1) и гусеничного (2) тракторов от скоростного режима работы
Выводы
1. Обоснована модель, отражающая взаимосвязь энергетических и тягово-сцепных показателей трактора в тяговом режиме.
2. Определены количественные характеристики показателей тягово-сцепных свойств и скоростных режимов работы колесного и гусеничного тракторов при изменении сопротивления их качению на стерневом фоне.
3. Установлены взаимосвязи энергонасыщенности и оптимальной скорости колесного 4к4б и гусеничного тракторов в процессе реализации тяговых технологий на основной обработке почв.
Литература
1. Кычев В.Н., Бердов Е.И. Взаимосвязь энергетических, тягово-динамических и весовых параметров трактора // Тракторы и с.-х. машины. - 2004. - № 9. - С. 25-27.
2. Селиванов НИ. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов. - Красноярск, 2008. - 231 с.
