Обоснование энергосберегающих режимов работы тракторов

1. Выписать из табл. 2.1 исходные данные по соответствующему варианту задания

2. Определить номинальное тяговое усилие заданного трактора Р_КРН и сравнить о значением, соответствующим его тяговому классу.

3. Определить энергосберегающий диапазон изменения тяговых усилий заданного трактора Р_КР = Р_КРО – Р_КРД и рассчитать соответствующие значения тягового КПД _ТО _ТД, а также буксование _о _Д.

4. Определить энергосберегающий диапазон рабочих скорей заданного трактора V_о – V_Д

5. Показать полученные диапазоны Р_КРО – Р_КРД и V_о – V_Д на примерной тяговой характеристике трактора

6. Представить итогове результаты расчетов по каждому пункту в форме таблицы, приведенной в конце задания.

Основные положения

Основной целью задания является получение студентами навыков самостоятельного выбора режимов высокоэффективного использования тракторов в зависимости от условий работы.

Трактор является промежуточным звеном при передаче энергии от двигателя к рабочим органам с.-х. машин. Поэтому одной из целей решения соответствующих задач является обоснование такого оптимального скоростного режима, при котором потери энергии при ее передаче к с.-х. машине будут минимальными с учетом допустимого буксования.

Таким образом, с позиций системного подхода полученный в первом задании оптимальный режим загрузки двигателя дополняется оптимизацией режима работы самого трактора.

Методические указания по выполнению задания 2

Методические указания охватывают все основные типы используемых и перспективных тракторов.

1. Исходные данные из табл. 2.1 выписываются в соответствии с номером варианта задания.

Таблица 2.1

Варианты заданий

№ вар.	Трактор	Колёсная формула	Тяговый класс	Эксплуа- тационная масса, кг	Почвенный фон
1	2	3	4	5	6
1	МТЗ–102	4К4 с колёсами разного размера	1,4	4345	Стерня
2	Т–150К	4К4 с колёсами одинакового размера	3	8092	Стерня
3	Т–4А	гусеничный	4	9010	Стерня
4	ДТ–175С	гусеничный	3	7622	Стерня
5	ЮМЗ–6АКЛ	4К2 с колёсами разного размера	1,4	3500	Поле, подг. под посев
6	Т–142	4К4 с колёсами разного размера	2	4840	Стерня
7	ЛТЗ–55А	4К4 с колёсами разного размера	0,9	3157	Поле, подг. под посев
8	К–701	4К4 с колёсами одинакового размера	5	12900	Стерня
9	ДТ–175С	гусеничный	3	7622	Поле, подг. под посев
10	ДТ–75Т	гусеничный	3	6420	Стерня
11	Т–70СМ	гусеничный пропашной для возделывания сахарной свеклы	2	4444	Поле, подг. под посев
12	Т–150	гусеничный	3	7460	Поле, подг. под посев
13	Т–250	гусеничный	5	12200	Стерня
14	Т–3К	4К2 с колёсами разного размера	2	4720	Поле, подг. под посев
15	ЛТЗ–60АВ	4К4 с колёсами разного размера	1,4	3490	Поле, подг. под посев
16	Т–25А	4К2 с колёсами разного размера	0,6	1885	Поле, подг. под посев
17	Т–30	4К2 с колёсами разного размера	0,6	2370	Поле, подг. под посев
18	Т–30А–80	4К4 с колёсами разного размера	0.6	2430	Стерня
19	Т–40М	4К2 с колёсами разного размера	0,9	2620	Стерня
20	К–701М	4К4 с колёсами одинакового размера	5	13800	Поле, подг. под посев
21	Т–30А–80	4К2 с колёсами разного размера	0,6	2530	Поле, подг. под посев
22	ЛТЗ–155	4К2 с колёсами одинакового размера	2	5610	Поле, подг. под посев
23	Т–40АМ	4К4 с колёсами разного размера	0,9	2880	Поле, подг. под посев
24	К–700А	4К2 с колёсами одинакового размера	5	12200	Стерня
25	Т–25А	4К2 с колёсам разного размера	0,6	1885	Стерня
26	ДТ–75М	гусеничный	3	7205	Поле, подг. под посев
27	МТЗ–80	4К2 с колёсами разного размера	1,4	3486	Стерня
28	МТЗ–82	4К2 с колёсами разного размера	1,4	3780	Поле, подг. под посев
29	МТЗ–100	4К2 с колёсами разного размера	1,4	4125	Поле, подг. под посев
30	ЛТЗ–60АВ	4К2 с колёсами разного размера	1,4	3490	Стерня

2. Номинальным тяговым усилием в соответствий с принятой в нашей стране классификацией тракторов называют тяговое усилие трактора базового типа, реализуемое на стерне колосовых нормальной твердости и влажности на суглинистом черноземе при регламентируемом (допустимом по агротехническим требованиям) уровне буксования: 0,15 – для колесных 4К4; 0,17–0,18 – для колесных 4К2 и 0.05 – для гусеничных тракторов при работе двигателя на регуляторной ветви характеристики.

По указанному показателю принято десять, классов с.-х. тракторов 0,2; 0,6; 0,9; 1,4; 2; 3; 4; 5; 6; 8. Указанные цифры соответствуют значениям номинальных тяговых усилий тракторов в тонно-силах, поскольку тяговые классы тракторов принимались тогда когда инженерные расчеты проводили в технической системе единиц (МкГС), в которой единицами измерения силы являлись килограмм-сила и тонна-сила. Для перехода к современной системе (СИ) значения тяговых классов тракторов переводят килоньютоны (кН) путем умножения на 10. При этом в пределах каждого тягового класса оказываются тракторы определенного диапазона номинальных тяговых усилий Р_КРН. Соответствующие литературные данные приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2.

Тяговые классы тракторов и соответствующие диапазоны номинальных тяговых усилий

Тяговый класс трактора	Диапазоны номинальных тяговых усилий РКРН, кН	Тяговый класс трактора	Диапазоны номинальных тяговых усилий РКРН, кН
0,2	1,8–5,4	3	27–36
0,6	5,4–8,1	4	36–45
0,9	8,1–12,6	5	45–54
1,4	12,6–18	6	57–72
2	18–27	8	72–108

Верхние границы каждого диапазона в табл. 2.2 также относятся к соответствующему классу тяги.

Номинальное тяговое усилие заданного трактора Р_КРН в указанных ранее условиях рассчитывается по формуле (кН)

,

где т – эксплуатационная масса трактора, кг; g = 9,81 – ускорение свободного падения, м/с²; _Д – коэффициент сцепления движителей трактора с почвой при допустимом буксовании;  – доля веса трактора, приходящаяся на движители (коэффициент нагрузки ведущих колес); f – коэффициент сопротивления качению трактора.

При практических расчетах пользуются упрощённым равенством

(2.1)

где G_H – номинальный эксплуатационный вес трактора, соответствующий допустимому (номинальному) буксованию, кН, _KPH – коэффициент использования сцепного веса трактора при допустимом (номинальном) буксовании.

На основании обобщения многочисленных тяговых испытании тракторов по литературным данным рекомендуются следующие значения _KPH для практических расчётов.

_KPH = 0,37–0,39 – для колёсных тракторов 4К2;

_KPH = 0,40–0,45 – для колёсных тракторов 4К4;

_KPH = 0,50–0,60 – для гусеничных тракторов.

Подставив значение _KPH в (2.1), получим расчетное номинальное тяговое усилие трактора Р_КРН, которое следует сопоставить с данными табл. 2.2. Определенное расхождение, естественно, неизбежно, но в целом результаты должны быть близкими.

3. Энергосберегающий диапазон изменения тяговых усилий трактора находится и зоне Р_КР = Р_КРО … Р_КРД – между значениями Р_КРО при максимальном тяговом КПД _Т = _Тт и Р_КРД при допустимом буксовании  = _Д (значения _Д приведены ранее).

Обоснование диапазона изменения Р_КР. При максимуме тягового КПд, когда _Т = _Тт, суммарные непроизводительные потери мощности в самом тракторе на самопередвижение и на буксование будут наименьшими (потери мощности в трансмиссии при установившемся режиме работы можно принять постоянными). Однако трактор используется с с.-х. машинами, тяговое сопротивление большинства которых возрастает с увеличением скорости трактора, соответственно и всего агрегата. Энергосберегающий режим работы при этом смещается в сторону меньших значений рабочей скорости трактора и агрегата тем значительнее, чем больше влияние скорости на тяговое сопротивление с.-х. машины. Такое уменьшение скорости возможно только до значений V_Д и Р_КРД, соответствующих допустимому буксованию  = _Д. Как будет показано в последующих заданиях, в диапазоне Р_КР = Р_КРО … Р_КРД трактор работает в энергосберегающем режиме с большинством с.-х. машин. Если тяговое сопротивление с.-х. машины мало зависит от скорости ТО энергосберегающие режимы трактора и всего агрегата совпадают при Р_КР = Р_КРО.

Для определения Р_КРО необходимо выразить тяговый КПД трактора в функции Р_КР, на основании известного из теории трактора исходного выражения

_Т = _ТP  _f  _ (2.2)

где _Т – тяговый КПД трактора; _ТP ; _f ; _ – КПД, учитывающие потери мощности соответственно в трансмиссии, на самопередвижение трактора и на буксование.

Значение, _ТP для установившегося режима рабочего хода трактора приближенно можно принять постоянным (в расчетах можно принять ус­редненное значение _ТP  0,88).

Для определения _f воспользуемся равенством

(2.3)

где Р_КР, P_K – значения тягового усилия и касательной силы трактора, кН; _кр = Р_КР / 10^-3  mg – коэффициент использования эксплуатационного веса трактора; P_f = 10^-3  mg  f – сила сопротивления качению трактора, кН.

Значение _ зависит от самого буксования .

_ = 1 –  (2.4)

Буксование  при этом также определяется в функции _KP по эмпирической формуле

(2.5)

где а, в - эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам тя­говых испытаний тракторов.

При этом для всех однотипных тракторов на одном и том же поч­венном фоне значения а и в примерно одинаковые, что существенно уп­рощает практические расчеты.

На основании (2.2)–(2.5) получим значение тягового КПД трактора в функции _KP.

(2.6)

По условию d_Т / d_кр = 0 получим оптимальное значение _КРО, обеспечивающее максимум тягового КПД трактора (_Т  max):

(2.7)

где ;

Перед корнем знак «+» при S < 0 и d < 0, а в остальных случаях знак «-».

По значению _KPО определим соответствующее оптимальное тяговое усилие трактора:

(2.8)

Численные значения а, в и f приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Значения a, в, f

Типы тракторов	Стерня			Поле, подготовленное под посев
	а	в	f	а	в	f
4K2 с колесами разного размера	0,141	0,615	0,08–0.10	0,248	0,712	0,16–0,20
4К4 с колесами разного размера	0,193	0,919	0,08–0.10	0,212	0,880	0,16–0,20
4К4 с колесами одинакового раз­мера	0,110	0,773	0,08–0.10	0,0834	0,609	0,16–0,20
Гусеничные	0,0089	0,777	0,06–0,08	0,0441	0,869	0,09–0,12

Значение _KPД при допустимом буксовании получим из (2.5) при  = _Д.

(2.9)

Затем можно рассчитать соответствующее допустимое тяговое уси­лие трактора

(2.10)

На основании (2.8), (2.10) получим искомый энергосберегающий диапазон изменения тяговых усилий трактора:

Р_КР = Р_КРО … Р_КРД, (2.11)

в пределах которого в последующем должны рассчитываться соответст­вующие агрегаты.

Максимальное значение тягового КПД трактора _ТО, соответствую­щий Р_КРО получим из (2.6) при _KP = _KPО, определяемом из (2.7), а значе­ние _ТД при допустимом буксовании – из (2.6) при _KP = _KPД, определяе­мом из (2.9).

При _KP = _KPО можно определить также буксование _о, соответст­вующее максимуму тягового КПД трактора:

(2.12)

4. Для определения энергосберегающего диапазона рабочих скоро­стей трактора V_о и V_Д, соответствующих Р_КРО и Р_КРД, воспользуемся с уче­том (2.3) равенством:

(2.13)

где N_Н – номинальная мощность двигателя трактора (выбирается из табл. 1.2 первого задания), кВт; _N – коэффициент загрузки двигателя; V_T – теоретическая скорость трактора, м/с.

Рабочая V и теоретическая V_T скорости связаны соотношением:

(2.14)

Приближенно, с учетом данных табл. 1.3, из задания 1 для _N можно принять значение _N  0,90.

Значения скоростей V_о и V_Д на основании (2.13), (2.14) определяются из равенств:

(2.15)

(2.16)

где Э = N_H /(10^-3m) – энергонасыщенность трактора, кВт/т.

Энергосберегающий диапазон скоростей при этом составит:

V = V_Д – V_o (2.17)

Из полученных результатов следует, что энергосберегающий диапазон скоростей для однотипных тракторов на одинаковых почвенных фонах и при равных энергонасыщенностях будет один и тот же, что существенно облегчает практические расчеты.

5. Диапазоны энергосберегающих значений тяговых усилий Р_КР = Р_КРО … Р_КРД и рабочих скоростей V= V_Д – V₀ показаны на рис. 2.1 на примерной тяговой характеристике трактора.

Значения Р_КРО и Р_КРД примерно соответствуют передаче, на которой тяговая мощность N_KP имеет наибольшее значение, N_KP = N_KPm, а значение Р_КРД и V_Д определяются при  = _Д, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Примерная тяговая характеристика

Если имеется опытная тяговая характеристика трактора на данном почвенном фоне, то приближенные значения Р_КРО, V_о, _о, и Р_КРД, V_Д, _Д вы­бираются непосредственно по тяговой характеристике, а значения _Т и _ТД рассчитываются по формулам:

; (2.18)

Если описанный, энергосберегающий режим работы трактора в диа­пазоне Р_КР = Р_КРО – Р_КРД не может быть реализован по агротехническим или другим причинам, то за пределы указанного диапазона можно пере­ходить только при значениях Р_КР < Р_КРО и соответственно V > V_o, то есть в сторону повышенных скоростей при обеспечении требуемого качества ра­боты. При необходимости возможен и переход на частичный режим рабо­ты двигателя, описанный в предыдущем задании. Во всех указанных слу­чаях удельный расход энергии и топлива на единицу объема выполненной работы будет больше по сравнению с оптимальным режимом работы дви­гателя и трактора.

При выполнении данного задания на компьютере (исследовательская студенческая работа) следует получить закономерности изменения опре­деляемых параметров и показателей, работы трактора для всего диапазона изменения действующих факторов с последующим научным, анализом, и практическими рекомендациями под руководством преподавателя.

Например, можно проанализировать влияние на показатели работы трактора массы балласта, а также дополнительной нагрузки на ходовую часть трактора, создаваемой устройствами типа гидроувеличителя сцепно­го веса (ГСВ).

Для этого в соответствующих равенствах эксплуатационный вес трактора G = 10^-3mg упрощенно следует представить в виде:

(2.19)

где m_ – общая масса балластных грузов, кг; P_Г – нормальная нагрузка на ходовую часть трактора, создаваемая ГСВ, кН; m_o – эксплуатационная масса трактора без балластных грузов, кг.

Изменяя m_ и Р_Г в соответствующих пределах, можно обосновать желаемый энергосберегающий режим работы трактора.

При более точных расчётах следует учитывать перераспределение веса трактора между осями другие факторы, включая устойчивость и управляемость в соответствии с теорией трактора.

6. Итоговые результаты расчётов по пунктам, включая исходные данные

№ пункта	Наименование и обозначение показателя или параметра	Результат расчёта с указанием размерности
1	Исходные данные
2
3
4
5

Выполнил ________________________ Ф.И.О. студента

подпись

Принял ________________________ Ф.И.О. преподавателя

подпись

ЗАДАНИЕ 3