сотрудник
сотрудник
сотрудник
, Россия
сотрудник
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Для выявления основных параметров трактора – его массы, мощности двигателя, диаметра колеса и ширины его профиля (четырехпараметрическая оптимизация) с использованием критерия оптимизации – суммарные энергетические затраты (учитывающего энергию урожая, теряемого из-за не оптимальности названных параметров), необходимо иметь математическую модель для расчета мощности двигателя через тяговый коэффициент полезного действия (КПД) трактора. Тяговый КПД трактора рассчитывается через f – коэффициент сопротивления перекатыванию колеса трактора и d – коэффициент буксования колеса трактора. Анализ прикладной теории, наработанной предыдущими исследователями, показал, что величины f и d зависят от веса трактора, приходящего на одно колесо G, диаметра D и ширины профиля колеса B, давления в ее шинах ρw, твердости почвы H, усилия на крюке трактора Pkp и его скорости V. В ходе анализа установлено, что чем больше диаметр колеса, ширина профиля шины, меньше вертикальная нагрузка на колесо и давление в шинах, тем меньше сопротивление перекатыванию колеса по уплотняемому грунту. Сделан вывод, что изучение характера изменения коэффициента сопротивления перекатыванию колес f и их буксования d от перечисленных факторов необходимо проводить совместно, т.к. они взаимовлияют друг на друга. Отсутствие приемлемых математических зависимостей для расчета указанных коэффициентов, при одновременном действии всех выявленных факторов, приводит к необходимости проведения семифакторного эксперимента с целью выявления зависимостей – f =j (G, D, b, ρw, H, Ркр, V) и δ =ψ (G, D, b, ρw, H, Ркр, V), что весьма затруднительно в условиях эксплуатации, поэтому с использованием теории подобия необходимо уменьшить число факторов в эксперименте до четырех.
математическая модель, тяговый КПД, трактор, параметры колеса, коэффициент сопротивления перекатыванию, коэффициент буксования, твердость почвы, скорость агрегата, тяговое усилие
Уравнение для расчета мощности двигателя трактора, необходимой для работы агрегата с шириной захвата Вр и с рабочей скоростью Vр, известно из работы [1]:
, (1)
где N – требуемая эффективная мощность двигателя, кВт; кV – удельное сопротивление орудия в функции от рабочей скорости, кН/м; hf – коэффициент полезного действия (КПД), учитывающий потери на самопередвижение трактора; hб – КПД, учитывающий потери мощности на буксование; hтр – КПД трансмиссии трактора; x – обобщенный коэффициент, определяющий необходимость увеличения требуемой мощности из-за вероятностного характера нагрузки.
Через параметры hf , hб, hтр определяется тяговый коэффициент полезного действия трактора.
Тяговый КПД трактора рассчитывают по формуле:
, (2)
где Ni – мощность двигателя, соответствующая тяговой мощности трактора Nкр.
Существует понятие «условный тяговый КПД» трактора:
, (3)
где Nен – номинальная мощность двигателя.
Между действительным и условным тяговым КПД трактора существует зависимость:
, (4)
где hим — коэффициент использования мощности двигателя.
Тяговый КПД трактора является одним из основных показателей его тяговых свойств. Он показывает, какая доля развиваемой двигателем мощности идет на совершение полезной работы. Тяговые качества трактора проявляются в результате взаимодействия его движителей с опорной поверхностью, поэтому физико-механические свойства опорной поверхности в значительной степени определяют его тягово-сцепные и технико-экономические показатели.
Цель исследования – выявление влияния на тяговый КПД трактора параметров трактора, агрегата и внешней среды. Необходимо раскрыть зависимость каждого элемента формулы (2) для расчета тягового КПД трактора – от массы трактора, диаметра и ширины профиля колеса трактора и его внутреннего давления, ширины захвата, рабочей скорости машинно-тракторного агрегата (МТА) и физико-механических свойств почвы.
Условия, материалы и методы. Для выявления искомых зависимостей необходимо проанализировать известные методы расчета составляющих формулы (2).
Коэффициент полезной тяги трактора и его зависимость от параметров МТА. Коэффициент полезной тяги hf определяет потери мощности на самопередвижение, которые зависят от массы трактора, свойств и состояния поверхности основания, по которой движется
трактор, от устройства и параметров ходовой части и их регулировки. Эти потери состоят из потерь на трение в подшипниках колес, на смятие пневматических шин, деформацию почвы с образованием колеи, учитываемых коэффициентом сопротивления передвижению f. Коэффициент полезной тяги можно определить по формуле:
,(5)
где Ркр – сила тяги на крюке трактора, кН; Ркас – касательная сила тяги на ободе ведущего колеса, кН; Рf – сила сопротивления самопередвижению трактора, кН; gТ – эксплуатационный вес трактора на единицу захвата агрегата, кН/м; f – коэффициент сопротивления перекатыванию колеса трактора; kV – удельное тяговое сопротивление сельскохозяйственной машины, кН/м.
В эксплуатационных расчетах обычно принимают f = const для определенных условий работы и типа трактора. Однако на самом деле по результатам многих исследований установлено [2-8], что коэффициент сопротивления перекатыванию изменчив. Нас, при прочих равных условиях, интересует влияние на f параметров колеса (диаметра колеса, ширины его профиля, давления в шинах), скорости и ширины захвата МТА и физико-механических свойств почвы (твердости почвы Н – как информативного и быстро измеряемого параметра). Это связано с необходимостью оптимизации основных параметров трактора (массы трактора и мощности его двигателя), параметров движителя (диаметра колеса, ширины его профиля, давления в шинах), а также скорости и ширины захвата МТА с использованием энергетического критерия оптимизации, учитывающего влияние указанных параметров на формируемый урожай [9-12].
Для выявления зависимости коэффициента сопротивления перекатыванию f от параметров колеса предлагаются различные зависимости. В частности, Гуськов В.В. [3] предлагает заменить эластичное колесо жестким и использовать (на это указывают и зарубежные исследователи, в частности, М. Беккер, [2]) следующие зависимости для расчета f.
(6)
где G – вес трактора, приходящийся на одно колесо, кН; k1– приведенный коэффициент объемного смятия почвы, кН/м3; b – ширина профиля шины, м; D – диаметр эластичного колеса, м.
В данной формуле диаметр эластичного колеса D заменяем диаметром жесткого колеса DS, работающего подобно эластичному колесу, используя зависимость:
(7)
где hw – высота деформации шины, м; hs – глубина деформации почвы под колесом, м.
Расчет k1 производим по формуле:
(8)
где k – табличное значение коэффициента объемного смятия испытательным штампом для разных грунтов, кН/м2.
Для расчета деформации шины воспользуемся формулой Хейдекеля:
1. Киртбая Ю.К. Элементы теории оптимальных параметров мобильных сельскохозяйственных агрегатов // Тракторы и сельхозмашины.–1966.–№2.–С.19–22.
2. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность–машина / Пер. с англ. В.В. Гуськова. – М.: Машиностроение, 1973. – 519 с.
3. Тракторы: теория / Под общ. ред. В.В. Гуськова – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.
4. Гуськов А.В. Тягово-сцепные свойства и проходимость колесного движителя по грунтам со слабой несущей способностью. / Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. – 2008. – №2. – С.63-75.
5. Скотников В.А., Пономарев А. В., Климанов А. В. Проходимость машин. – Минск.: Наука и техника, 1982. – 328 с.
6. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система–почва–урожай. – М.: Агропромиздат, 1985. – 304 с.
7. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. – М.: Машиностроение, 1982. – 282 с.
8. Bekker M.G. Off-the-Road Locomotion. Ann arbor the university of Michigan press, 1960. – 218 p.
9. Хафизов К.А. Пути снижения энергетических затрат на производственных процессах в сельском хозяйстве – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2007. – 272 с.
10. Camill Khafizov, Azat Nurmiev, Ramil Khafizov, Nail Adigamov. Method of justification for parameters of tractor-implement unit with regards to their impact on crop productivity / Contents of Proceedings of 17th International Scientific Conference Engineering for rural development. Jelgava 2018, c. 161-167 (Scopus, Web of Science).
11. Ramil Khafizov, Camill Khafizov, Azat Nurmiev, Ilgiz Galiev. Optimization of main parameters of tractor and unit for seeding cereal crops with regards to their impact on crop productivity / Contents of Proceedings of 17th International Scientific Conference Engineering for rural development. Jelgava 2018, c.176-185 (Scopus, Web of Science).
12. Azat Nurmiev, Camill Khafizov, Ramil Khafizov, Bulat Ziganshin. Optimization of main parameters of tractor working With soil-processing implement / Contents of Proceedings of 17th International Scientific Conference Engineering for rural development. Jelgava 2018, c.168-175 (Scopus, Web of Science).
13. Полканов И.П. Теория и расчет машинно-тракторных агрегатов.– М.: Машиностроение, 1964.–255 с.
14. Киртбая Ю.К. Резервы в использовании машинно-тракторного парка. – М.: Колос, 1982.–329 с.
15. Завалишин Ф.С. Основы расчета механизированных процессов в растениеводстве. – М.: Колос, 1973.–319 c.
16. Трепененков И.И. Эксплуатационные показатели сельскохозяйственных тракторов. – М.: Машгиз, 1963.–271 c.
17. Болтинский В.Н. Результаты НИР по проблеме «Научные основы повышения рабочих скоростей движения машинно-тракторных агрегатов, выполненных в 1961 г. в ВИМе» // Повышение скорости машинно-тракторных агрегатов. – М.: БТИ ГОСНИТИ, 1962.– С.7–23.
18. Кальянов Ф.В. Исследование влияния скорости движения трактора на его тяговые показатели // Повышение рабочих скоростей тракторов и сельскохозяйственных машин. – М.: ЦИНТИАМ, 1963.– С.40–46.
19. Кашпура Б.И. Исследование влияния скорости движения на динамические показатели работы тракторов // Научные основы повышения рабочих скоростей машинно-тракторных агрегатов. – М.: Колос, 1968.– С.182–185.
20. Свирщевский Б.С. Эксплуатация машинно-тракторного парка.– М.: Сельхозгиз, 1954.– 325 с.
21. Евстратов А.Н. Обоснование и разработка индикатора буксования ходовой части трактора К-701 // Автоматизация технологических процессов в полеводстве: Труды/ ВИМ.–1985.-Т.104.– C.47–51.
22. Тургиев А.К., Карапетян М.А., Мочунова Н.А. Касательная сила тяги колесного трактора // Тракторы и сельхозмашины. – 2010. – № 11. – С. 17–18.
23. Тургиев А.К. Повышение эффективности технологических процессов на основе улучшения тягово-сцепных свойств колесных процессов при колебательной тяговой нагрузке: дис. д-ра техн. наук. – Рязань: Рязанская СХА, 1999. – 86 с.
24. Шрайбер М., Кутбаш H.Д. (2007): Сравнение различных определений нулевого скольжения и предложения стандартизировать рабочие характеристики сцепления шины с поверхностью дороги // Журнал Terramechanics, 44: 75–79.
25. Галиев И.Г., Хусаинов Р.К. Определение весомости технологических операций и уровня расхода ресурса агрегатов и систем трактора //Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2012. – Т. 7. – № 3 (25). – С. 74-77.
26. Галиев И.Г., Хусаинов Р.К. Оценка условий функционирования тракторов в аграрном производстве // Техника и оборудование для села. – 2015. – № 10. – С. 13-15.
