Reasonable ballasting of wheeled tractors when used in zonal tillage technologies

Cover Page


Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

BACKGROUND: The relevance of reasonable ballasting of a new generation of wheeled 4K4a tractors on single (1k) and dual rear (2k’) wheels with an operating weight adjustable over a wide range when used in zonal tillage technologies is shown.

OBJECTIVE: Justification of levels of reasonable ballasting of the new generation wheeled 4K4a tractors in soil cultivation operations.

METHODS: The specific weight of the tractor is taken as the main adapting parameter, the reference value of which is the ratio of the operating weight with full ballast to the engine power output in the nominal traction mode for operations of the first group (moldboard plowing) at a velocity of 2.50 m/s (9.0 km/h), ensuring full implementation of potential capabilities.

RESULTS: The reference levels of specific gravity based on the results of modeling and experiments are 67.3 (1k) and 70.0 (2k’) kg/kW and determine the maximum value of the operating weight of a tractor of the declared power. For operations with lower energy intensity, the second and third groups, with a nominal velocity of 2.90 and 3.33 m/s, its optimal values are reduced by 16 and 33% respectively, which determines the feasibility of their implementation with minimal ballasting with a specific gravity of 58.0–60.0 kg/kW. At the same time, the reasonable use of a tractor with full ballast is limited to the velocity range of 7.6–10.0 km/h in operations of the first and second groups, and the velocity range of 10.0–13.0 km/h with a minimum ballast when performing operations of the second and third groups. Tractor operation with full ballast during operations of the third group at a velocity of 12–13 km/h is accompanied by an increase in the harmful impact of propulsion on the soil and an increase in fuel consumption to 0.7–0.9 l/h to move each ton of excess mass.

CONCLUSIONS: The proposed ballasting options ensure the implementation of the potential capabilities of the new generation tractors at operational tillage technologies with a minimal increase in operating labor intensity.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Универсальные и общего назначения колёсные улучшенной классической 4к4а компоновки мобильные энергетические средства в растениеводстве Красноярского края составляют свыше 70% (без малогабаритных) от общего состава парка. Свыше 45% из них приходится на тракторы «Беларус» (МТЗ) 1,4–3,0 тяговых классов с номинальной мощностью двигателя от 50 до 200 кВт (80–270 л.с.) [1]. Однако в достигнутом 2022–2023 гг. ежегодном (130 ед.) обновлении парка указанных типоразмеров ведущие позиции заняли китайские тракторы «Lovol» и «Agroapollo» мощностью 66–192 кВт (90–260 л.с.) с регулируемой широком диапазоне массой. В общей структуре обновления парка их продукция достигла 24,9%, а МТЗ снизилась до 15,5% [2]. Основной причиной указанной переориентации рынка является сравнительная оценка сельскими товаропроизводителями показателей технологического уровня, цены и качества поставляемой продукции.

Практика эксплуатации тракторов нового поколения с регулируемой в пределах 18–25% массой за счет съёмного балласта показывает отсутствие рекомендаций официальных дилеров по их адаптации к операционным технологиям почвообработки для наиболее полной реализации потенциальных возможностей, что приводит к повышенному расходу топлива.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Обоснование уровней рационального балластирования колёсных 4к4а тракторов нового поколения на операциях почвообработки.

МЕТОДЫ

В основу решения поставленных задач положены условия и методы многоуровневой системы [1–3] адаптации энергонасыщенных колёсных тракторов к операционным технологиям почвообработки:

  1. По требованиям агротехники и ресурсосбережения зональные технологии основной и предпосевной почвообработки разделены на три группы с обоснованными номинальными значениями и рациональными интервалами (Vн±∆Vmax)* рабочей скорости агрегатов: 1 гр. — отвальная вспашка и глубокое рыхление лемешными плугами общего назначения (подгруппа 1.1) 2,10 ± 0,40 м/с (7,5 ± 1,5) км/ч и скоростными (подгруппа 1.2) 2,50 ± 0,40 м/с (9,0 ± 1,5) км/ч; 2 гр. — безотвальная глубокая обработка, чизелевание и посев 2,90 ± 0,40 м/с (10,5 ± 1,5) км/ч; 3 гр. — поверхностная и предпосевная обработка 3,30 ± 0,40 м/с (12,0 ± 1,5) км/ч.
  2. Номинальное тяговое усилие Pкр н колёсного 4к4а трактора на одинарных (1к) и сдвоенных задних (2к’) колёсах с эксплуатационной массой mэ* по ГОСТ 27021-86 [4] соответствует коэффициенту использования веса φкр н=Pкр нmэ*g=0,40 и тяговому КПД ηтн = 0,660(1к)–0,960(2к’) с ограничением, по условиям ресурсосбережения, рационального диапазона Pкр min÷Pкр max* режимами φкрmin* = 0,35–0,36 при ηт max ≥ ηт и = 0,45–0,47 с допустимым буксованием φкр max* = 0,16 и ηт min = (0,965–0,970) ηтн.
  3. Эталонная энергонасыщенность трактора любой комплектации с установленной эксплуатационной Nеэ или номинальной Nен мощностью двигателя, представляющая отношение их реализуемого значения Nер¯ к весу GЭ*=mЭ*g с полным балластом GБ* в номинальном тягово-скоростном режиме на операциях первой группы (отвальная вспашка) при VН1*¯ = 2,5 м/с (9,0 км/ч) и φкрн = 0,40 [5] определяет эталонный уровень основного параметра-адаптера к операционным технологиям почвообработки — удельной массы mудЭ*=mудН*=mЭ*/Nер¯ (кг/кВт) и соответствующего номинального тягового усилия Pкр н (кН/кВт):

mудЭ*=ηт н/gφкр нVн1*¯103РкрудН*=ηт н/Vн1*¯. (1)

Границы скоростного интервала (VminVmax)Э* и тягового диапазона (Ркр minРкр max)Э* трактора с mуд Э* при использовании в зоне (φкрн min – φкрн max)* соответствует условиям:

Vmin  Э*=ηт min103/gϕкр max*mуд Э*V¯Н1.1*;Vmax  Э*=ηт max103/gϕкр min*mуд Э*V¯Н1.2*;Pкруд  min  Э*=ηТmin/Vmax1*PкрудН2;Pкруд  max  Э*=ηТmax/Vmin1*PкрудН1.1 (2)

Оптимальные значения mуд i* и границы тягово-скоростных диапазонов для операций 2 и 3 гр. определяются по выражениям:

mуд  i*=mудЭ*V¯Н1*/V¯Нi*Vmin  i*=VНi*ληт min/λϕкр max;Vmax  i*=VНi*ληт max/λϕкр min;Pкруд  mini *=mуд  i*gϕкр min;Pкруд  max  i*=mуд  i*gϕкр max (3)

где ληт min = λт minтн; ληт max = λт maxтн; λφкр min = φкр minкрн; λφкр max = φкр maxкрн.

Номинальные mЭН* и минимальные mЭmin*¯ значения эксплуатационной массы трактора с установленной Nез(Nен) мощностью, ограничивающие рациональный диапазон её регулирования съемным балластом, определяются как

mЭ*=mудЭ*N¯ер=m¯удЭ*ξN1¯Nез=mудЭ*ξN1¯ξN2¯Nенm¯Э min*=m¯уд2*N¯ер=m¯уд2*ξN1¯Nез=mуд2*ξN1¯ξN2¯Nен (4)

где ξN1¯=N¯ер/Nез; ξN21¯=Nез/Nен — коэффициенты использования соответственно эксплуатационной и номинальной мощности двигателя.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Эксплуатационная масса mЭ* (вес GЭ*=mЭ*g) с абсциссой центра масс Ац*=ац*/L для операционных технологий установленных групп при снаряженной массе m0 (весе G0=m0g) трактора с колёсной базой L, АП=аП/L и Ац0=ац0/L основной (1к) комплектации достигается за счёт размещения балластных грузов впереди остова GБП* и на дисках задних колёс GБК* (рис. 1), величина которых определяется решением уравнений момента относительно осей передних ОП и задних ОК колёс [6]

 

Рис. 1. Схема балластирования колёсного 4к4а трактора.

Fig. 1. Ballasting scheme for a 4k4a wheeled tractor.

 

УПСТ*=GБП*(L+аП)+G0ац0/LУКСТ*=G0(Lац0)GБП*аП+GБП*L/L (5)

При использовании удельной массы mуд Э* в качестве основного параметра-адаптера трактора и уравнения (4) получим оптимальную развесовку mуд П*/mуд К*УПСТ*/УКСТ* по осям, величину полного балласта mуд Б* и его составляющих mуд БП*/mуд БК* с учетом комплекта сдвоенных задних колес mУД2К' 

Ац*=Ар*+ϕкрн*Нкр+fR¯gmуд  Э*=mуд0*+mудБП*+mудБК*+mуд2к'mуд  П*=mуд  Э*Ац*=mуд0Ац0+mуд БП*(АП+1);mуд К*=mуд  Э*(1Ац*);mуд БП*=mуд  Э*Ац*mуд0Ац0/(АП+1);mуд БК*=mуд  Э*(1Ац*)mуд0(1Ац0)+mуд БП*АП;mуд Б*=mуд БП*+mуд БК* (6)

где Ар*=ар*/L=0,340,36; Нкр = hкр/LR¯g=0,5(ςПg+ςКg)

 — относительные значения абсциссы центра масс в режиме рабочего хода, ордината точки прицепа и среднего радиуса колёс трактора; f — коэффициент сопротивления качению.

При моделировании рациональных уровней балластирования для операций разных групп целесообразно использовать относительные удельные параметры-адаптеры трактора с установленной снаряжённой массой mуд0.

λmуд Э*(λmудi*)=mуд Э*(mудi*)/mуд0 и λАцi*=Ацi*/Ац0.

Тогда оптимальная степень балластирования определяется из условий:

λБП*=mудБП*/mуд0=(λmуд*λАц*1)Ац0/(АП+1)λБК*=mудБК*/mуд0=(λmуд*1)λБП*λБ*=(λБП*+λБК*)=(λmуд*1) (7)

Влияние степени балластирования и абсциссы Ац* на коэффициенты нагрузки передней (λП) и задней (λК) выразится в виде

λП*=УП*/УП0СТ*=(λmуд*λАц*1)Ац0λК*=УК*/УП0СТ*=λmуд*λП*1 (8)

При сдваивании задних колёс с mуд2к' удельная масса трактора возрастает до уровня mуд2к'=mуд Э*(ηТН2К'/ηТН). Тогда относительный уровень переднего балласта вычисляется согласно

λБП2к'*=(λmуд '*λАц'1)Ац0/(АП+1) (9)

где λmуд'=mуд2к'/(mуд0+mуд2к')λАц'=АЦ2К'*/АЦ02К'*

Рациональное балластирование колёсных 4к4а тракторов разной комплектации представлено в табл.1

 

Таблица 1. Рациональное балластирование колёсных 4к4а тракторов разной комплектации (Ац0 = 0,40, АП = 0,40, mуд2к'= 4,50 кг/кВт)

Table 1. Reasonable ballasting of wheeled 4k4a tractors of various configurations (Ац0 = 0,40, АП = 0,40, mуд2к'= 4,50 kg/kW)

Группа операций

Vн*,м/скм/ч

Комплектация

Ац*

mуд0 = 50 кг/кВт

mуд0 = 55 кг/кВт

mуд*, кг/кВт

mудБ*mуд2к'         , кг/кВт

mудБП*mудБК*, кг/кВт

mуд*, кг/кВт

mудБ*mуд2к'         , кг/кВт

mудБП*mудБК*, кг/кВт

1

2,5/

9,0

2к'

0,46

0,45

67,3

70,3

17,3/0

10,8/4,5

7,8/9,5

3,2/7,6

67,3

70,3

12,3/0

10,8/4,5

6,4/5,9

6,9/3,9

2

2,90/

10,5

2к'

0,43

0,42

58,0

60,6

8,0/0

10,6/4,5

4,9/3,1

3,8/2,3

58,0

60,6

3,0/0

1,1/4,5

3,0/0

1,1/0

3

3,33/

12,0

2к'

0,42

0,40

52,0

56,0

2,0/0

1,5/4,5

2,0/0

1,5/0

58,0

60,6

3,0/0

1,1/4,5

3,0/0

1,1/0

 

Установленные по результатам моделирования, с использованием экспериментальных зависимостей ηт=fφкр [7], оптимальные и допустимые значения удельных параметров-адаптеров колёсных 4к4а тракторов на одинарных (1к) и сдвоенных задних (2к') колёсах (табл.) для разных технологий почвообработки позволили обосновать рациональные условия их производственной эксплуатации. Оптимальные (эталонные) значения удельной массы m¯уд э* = 67,3(1к)–70,0(2к') кг/кВт при V¯н1* = 2,50 м/с определяют эксплуатационную массу mэ*, номинальное тяговое усилие Pкрн и класс трактора с полным балластом для выполнения операций 1 гр. в скоростном интервале 7,6–10,4 км/ч при Aц* = 0,46–0,48. Снижение на 16 и 33% удельной массы для операций 2 и 3 гр. достигается за счет частичного балластирования при mуд3*mуд0. Наиболее рациональным вариантом при mуд0mуд3* является ограничение массы полного балласта до mудБ* 0,24mуд0 при m¯уд min*=mуд2* и Aц* = 0,42–0,43 для использования в интервале рабочих скоростей 9,4–13,0 км/ч.

При установленных [8] средних значениях коэффициентов ξN¯1=ξN¯2= 0,960–0,970 современных тракторных дизелей с мехатронными системами управления

mЭ(1К)*=65,0Nез=62,7NенmЭ(2К')*=67,6Nез=65,2Nенm¯Э min(1К)*=55,7Nез=54,0Nенm¯Э min(2К')*=58,2Nез=56,4Nен (10)

Условием перехода трактора в смежный тяговый класс является диапазон регулирования эксплуатационной массы (mэн*mэmin*) ≥ 2293 кг, что достигается при Nен 264 кВт.

ОБСУЖДЕНИЕ

Приведенные соотношения (10) целесообразно использовать при оценке заявленных в технической характеристике параметров и подготовке трактора к эксплуатации.

Эталонные и оптимальные значения удельной массы тракторов разной комплектации должны выдерживаться при использовании на операционных технологиях разных по энергоёмкости групп для полной реализации потенциальных возможностей. Указанное обусловлено необходимостью реализации развиваемой мощности двигателя через силу тяги трактора в рациональном диапазоне и ограниченном агротехническими требованиями скоростном интервале. Если эксплуатационная масса трактора будет превышать эталонную с полным балластом (для 1 гр.) или минимальную для 2 и 3 гр., агрегаты будут работать с пониженными скоростями и производительностью из-за недостаточной мощности двигателя. Выполнение малоэнергоёмких технологических операций 2–3 гр. трактором с полным балластом повышает вредное воздействие движителей на почву и увеличивает до 0,7–0,9 л/ч расход топлива на перемещение одной тонны излишней массы. При недостаточной массе трактора мощность двигателя реализуется не полностью из-за ограничений тягово-скоростного режима по буксованию и технологическим требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выборе и подготовке к эксплуатации колёсных тракторов 4к4а нового поколения на одинарных (1к) и сдвоенных задних (2к') колесах следует руководствоваться правилами:

  • оптимальное значение удельной массы для отвальной вспашки при скорости V¯н1* = 2,50 м/с (9,0 км/ч) составляет 67,3(1к)–70,0(2) кг/кВт и принимается в качестве эталонной, определяющий уровень массы mэ* с полным балластом трактора заявленной эксплуатационной Nеэ или номинальной Nен мощности mэ*= [65,0(1к)–67,6(2к')] Nеэ = [62,7(1к)–65,2(2)]Nен;
  • удельная масса полного балласта, по условию обеспечения  = 58,0(1к)–60,6(2) кг/кВт на операциях 2 и 3 гр. при его снижении до минимального уровня, не должна превышать 0,24mуд0;
  • соотношение переднего и заднего, с учетом комплекта сдваивания колёс, балластных грузов должно обеспечивать рациональное распределение эксплуатационного веса (массы) трактора по осям, определяемое величиной относительной абсциссы центра масс при Aцэ* = 0,45–0,46 и Aц2/3* = 0,42–0,43;
  • рациональное использование трактора с полным балластом и минимальным ограничено интервалами рабочих скоростей 7,6–10,4 км/ч на операциях 1 и 2 гр. соответственно;
  • использование трактора с полным балластом на операциях 3 гр. при скорости V3* 12,0 км/ч сопровождается повышением вредного воздействия движителей на почву и увеличением расхода топлива до 0,7–0,9 л/ч для перемещения каждой тонны лишней массы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Н.И. Селиванов ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; В.Г. Шрам ― редактирование текста рукописи; Н.И. Селиванов ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. N.I. Selivanov — search for publications on the topic of the manuscript, writing the text of the manuscript; V.G. Shram — editing the text of the manuscript; N.I. Selivanov — expert opinion, approval of the final version. The authors confirm that their authorship meets the international criteria of the ICMJE (all authors made a significant contribution to the development of the concept, conduct of the research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. Authors state that this research was not supported by any external sources of funding.

×

About the authors

Nikolay I. Selivanov

Krasnoyarsk State Agrarian University

Email: zaprudskii@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-1595-1266
SPIN-code: 8026-5097

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Tractors and Automobiles Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

Vyacheslav G. Shram

Siberian Federal University

Author for correspondence.
Email: shram18rus@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1415-1737
SPIN-code: 4003-3010

Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor of the Fuel Supply and Fuel, Oil and Lubricants Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

References

  1. Selivanov NI. Formation of an innovative tractor fleet in agriculture of Krasnoyarsk. Krasnoyarsk: KrasSAU; 2020. Accessed: 15.04.2024. (In Russ.) Available from: https://e.lanbook.com/book/187240
  2. Agro-industrial complex of Krasnoyarsk Krai in 2020–2023. Information. analytical material of the Ministry of Agriculture of Krasn. Krai. Krasnoyarsk; 2024. (In Russ.) Accessed: 15.04.2024. Available from: https://www.krsk.kp.ru/daily/27465/4670789
  3. Makeeva YuN. Increasing the efficiency of using tillage units when ballasting energy-saturated wheeled tractors [abstract of dissertation] Barnaul; 2017. (In Russ.)
  4. GOST 27021-86 Agricultural and forestry tractors. Traction classes. Moscow: IPK Izdatelstvo standartov; 1986. (In Russ.)
  5. Kutkov GM, Gribov IV, Perevozchikova NV. Ballasting of tractors. Tractors and agricultural machinery. 2017;84(9):52–60. (In Russ.)
  6. Selivanov NI, Makeeva YuN Ballasting of wheeled tractors during soil cultivation. Bulletin of KrasSAU. 2015;5:77–81. (In Russ.)
  7. Selivanov NI, Averyanov VV, Zaprudskiy VN, et al. Parameters-adapters of wheel tracks. IOP Conf. Ser. : Earth Environ. Sci. 2020;548. doi: 10.1088/1755-1315/548/6/062009
  8. GOST 18509-88. Tractor and combine diesel engines. Bench testing methods. Moscow: IPK Izdatelstvo standartov; 1988. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Ballasting scheme for a 4k4a wheeled tractor.

Download (55KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.