Потенциальные возможности повышения технологического уровня колесных тракторов высокой мощности
- Авторы: Селиванов Н.И.1, Кузнецов А.В.1,2, Кузьмин Н.В.1, Шрам В.Г.2, Кайзер Ю.Ф.1,2
-
Учреждения:
- Красноярский государственный аграрный университет
- Сибирский федеральный университет
- Выпуск: Том 90, № 4 (2023)
- Страницы: 351-359
- Раздел: Теория, конструирование, испытания
- Статья получена: 30.03.2023
- Статья одобрена: 30.07.2023
- Статья опубликована: 07.10.2023
- URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/321774
- DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-321774
- ID: 321774
Цитировать
Аннотация
Обоснование. Решение проблемы эффективного использования энергонасыщенных колесных 4к4б тракторов высокой мощности (235–350 кВт) российского производства, представляющих основу формирования инновационного парка мобильных энергетических средств регионов Сибирского федерального округа, в зональных технологиях почвообработки с ограниченными по требованиям агротехники и ресурсосбережения скоростными диапазонами, является актуальной задачей.
Цель работы ― определение условий рациональной комплектации колесных 4к4б тракторов для операционных технологий почвообработки.
Материалы и методы. В основу решения поставленных задач для достижения заявленной цели положены условия и методы многоуровневой системы технологической адаптации колесных тракторов.
Результаты. По результатам моделирования и эксперимента определено, что наиболее рациональным по минимуму трудозатрат и уровню реализации потенциальных возможностей методом адаптации тракторов к технологиям почвообработки является формирование эксплуатационной массы базовой комплектации в номинальном режиме, соответствующей оптимальным значениям удельной массы при и м/с на одинарных кг/кВт и сдвоенных кг/кВт колесах, с регулируемым распределением по осям. Научная новизна исследования заключается в построении модели, позволяющую установить рациональный тяговый диапазон трактора разной комплектации для операционных технологий почвообработки с интервалом номинальных рабочих скоростей 2,5–3,3 м/с, ограниченный по условиям ресурсосбережения режимами максимального тягового КПД и допустимого буксования.
Заключение. Практическая ценность исследования заключается в возможности использования разработанных рекомендаций по рациональной комплектации тракторов на операциях почвообработки.
Ключевые слова
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Формирование инновационного тракторного парка в сельском хозяйстве основных товаропроизводителей продукции растениеводства страны предусматривает переход на новые и модернизированные существующие модели энергонасыщенных колесных тракторов, адаптированные к природно-производственным условиям регионов. С учетом природных и производственно-экономических факторов [1] основу переоснащения тракторного парка в Красноярском крае и других регионах Сибирского федерального округа (СФО) для зональных технологий возделывания зерновых представляют модельные ряды колесных 4к4б тракторов высокой (235–350 кВт) мощности российского производства К7–Кировец ЗАО «ПТЗ» и РСМ ООО «Ростсельмаш» с мехатронными системами управления и навигации [2, 3].
Определяющим параметром трактора тяговой концепции является номинальное тяговое усилие Ркр н, в соответствии с которым формируется набор рабочих машин и состав агрегатов для операционных технологий почвообработки разных по энергоемкости групп. Стабильность этого показателя, не зависимо от уровня энергонасыщенности и комплектации, является основополагающей в существующей и перспективной системах построения типажа и агрегатирования тракторов. С ростом энергонасыщенности трактора тяговой концепции условие реализации Ркр н и эксплуатационной мощности Nвэ смещается в зону более высоких скоростей с одновременным возрастанием скоростного диапазона при неполном использовании мощности двигателя, в котором тяговые показатели ограничены по сцеплению.
Проблема эффективного использования энергонасыщенных тракторов разной базовой комплектации на одинарных (1к) и сдвоенных (2к) колесах в технологиях почвообработки с ограниченными по требованиям агротехники и ресурсосбережения скоростными диапазонами, приобрела в настоящее время особую актуальность и требует решения с учетом возможности реализации разработанных изготовителями рекомендаций в условиях производственной эксплуатации.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель работы — определение условий рациональной комплектации колесных 4к4б тракторов для операционных технологий почвообработки.
Объект исследования — процесс формирования параметров-адаптеров колесных тракторов к операционным технологиям почвообработки.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
- установить условия реализации потенциальных возможностей тракторов в технологиях почвообработки;
- дать сравнительную оценку эффективности используемых методов адаптации тракторов к операционным технологиям почвообработки;
- разработать рекомендации по рациональной комплектации тракторов на операциях почвообработки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В основу решения задач для достижения поставленной цели положены условия и методы [4–6] многоуровневой системы технологической адаптации колесных тракторов:
- Рациональный по агротребованиям и ресурсосбережению скоростной диапазон современных и перспективных почвообрабатывающих агрегатов находится в пределах = 2,0–3,9 м/с (7–14 км/ч) при номинальных значениях рабочей скорости для установленных групп операций: м/с (9,0 км/ч); м/с (10,5 км/ч); м/с (12,0 км/ч).
- Зона максимального тягового КПД на потенциальной тяговой характеристике колесного 4к4 трактора в стандартных условиях, не зависимо от комплектации и уровня энергонасыщенности, ограничена режимом максимального значения (1к)–0,715 (2к) при и предельно-допустимым буксование , соответствующим режиму (1к)–0,49 (2к) и по условиям сцепления движителя.
- Номинальный тяговый режим трактора при определяет значение основного классификационного показателя (кН) и является базовым для оптимизации главного параметра–адаптера к операционным технологиям ― удельной массы (кг/кВт) в рациональном тяговом диапазоне, ограниченном и при и .
Условием полной реализации мощности трактора любой комплектации в рациональном тяговом диапазоне и интервале номинальных значений является равенство соотношений [7]:
, (1)
где , м/с, ― показатели при ; ― минимальная рабочая скорость на операциях первой группы при и .
Применительно к единичной мощности кВт и выражение (1) примет вид:
. (2)
При установленных значениях и зависимостях оптимальные уровни удельных параметров–адаптеров (кг/кВт) и (кН/кВт) для каждой группы операций:
(3)
Приняв номинальный тяговый режим с на операциях первой группы за базовый, оптимальные соотношения удельных параметров для разных групп операций и комплектаций соответственно примут вид:
(4)
Превышение фактического значения удельной массы оптимального приводит к смещению тягового режима , соответствующего , в зону и наоборот, при .
Степень реализации потенциальных возможностей трактора любой комплектации в технологиях почвообработки при установленных значениях , и характеризует комплексный показатель KЭ [5], представляющий произведение частных критериев эффективности по производительности , эксплуатационной массе и расходу топлива :
. (5)
Из условия, что , при и приняты ограничения .
Для сравнительной оценки технологического уровня трактора на сдвоенных и одинарных колесах выражение (5) имеет вид
. (6)
Базовая комплектация колёсных 4к4б тракторов характеризуется оснащением одинарными (1к) или сдвоенными (2к) колесами. Установка сдвоенных колес является достаточно простым и эффективным способом решения задачи реализации мощности энергонасыщенных тракторов путем существенного повышения и регулирования эксплуатационной массы с одновременным увеличением навесоспособности и снижением удельного давления на почву. Применительно к модельным рядам тракторов «Кировец» и РСМ [2–5] повышение за счёт комплекта шин 800/65R32 и 710/70R38 массой кг достигает 13–14% при одновременном снижении удельного давления на 43% и потерь на перекатывание до 27% с незначительным (1,5–2,0%) уменьшением абсциссы центра масс.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам моделирования, с использованием уравнений (4) и экспериментальных зависимостей указанных тракторов разной комплектации (табл. 1) [5], установлены номинальные для каждой группы операций значения удельных параметров и при и допустимые интервалы их изменения в предела рационального тягового диапазона .
Таблица 1. Удельные параметры-адаптеры колёсных 4к4б тракторов разной комплектации к технологиям почвообработки
Table 1. Specific parameters-adapters of the 4K4b wheeled tractors of various configurations to tillage technologies
Тяговый режим (усилие) | Комплектация | , кг/кВт | ||||||
VН1=2,50 м/с | VН2=2,90 м/с | VН3=3,33 м/с | Vmin=2,20 м/с | Vδ=2,0 м/с | ||||
1 к | 0,360 | 0,665 | 75,3 | 64,9 | 56,5 | 85,5 | 94,1 | |
2 к | 0,360 | 0,715 | 81,0 | 69,8 | 60,8 | 92,1 | 101,3 | |
1 к | 0,400 | 0,660 | 67,3 | 58,0 | 50,5 | 76,5 | 84,1 | |
2 к | 0,400 | 0,710 | 72,4 | 62,4 | 54,3 | 82,3 | 90,5 | |
1 к | 0,450 | 0,640 | 58,0 | 50,2 | 43,5 | 66,4 | 73,1 | |
2 к | 0,450 | 0,690 | 62,3 | 53,7 | 46,8 | 71,4 | 78,5 | |
1 к | 0,470 | 0,633 | 54,9 | 47,3 | 41,2 | 62,4 | 68,6 | |
2 к | 0,490 | 0,683 | 56,8 | 49,0 | 42,7 | 64,3 | 70,7 |
Полученные зависимости позволили дать сравнительную оценку эффективности и целесообразности наиболее применяемых способов реализации потенциальных возможностей указанных тракторов (табл. 2) в операционных технологиях почвообработки.
Таблица 2. Показатели технологического уровня колёсных 4к4б тракторов разной комплектации
Table 2. Indicators of the technological level of the 4K4b wheeled tractors of various configurations
Комплектация (эксплуатационная масса) | Параметры | Значения параметров (1к/2к) | ||||
VН1=2,50 м/с | VН2=2,90 м/с | VН3=3,33 м/с | Vmin=2,20 м/с | Vδ=2,0 м/с | ||
Постоянная , кг | , кг/кВт | |||||
0,400 | 0,347 | 0,296 | 0,444 | |||
, кН/кВт | ||||||
0,59/0,58 | 0,59/0,58 | 0,59/0,58 | 0,59/0,58 | 0,59/0,58 | ||
1,0 | 1,0 | 0,985 | 0,977 | 0,960 | ||
1,0 | 1,0 | 0,970 | 0,953 | 0,920 | ||
1,0 | 0,840 | 0,667 | 1,0 | 1,0 | ||
1,0 | 0,840 | 0,637 | 0,931 | 0,887 | ||
1,128 | 1,128 | 1,130 | 1,127 | 1,109 | ||
Регулируемая съемным балластом | , кг/кВт | |||||
0,40 | 0,40 | 0,40 | 0,444 | |||
, кН/кВт | ||||||
1,0 | 1,0 | 1,0 | 0,931 | 0,882 | ||
1,128 | 1,128 | 1,130 | 1,127 | 1,110 |
Комплектация (эксплуатационная масса) | Параметры | Значения параметров (1к/2к) | ||||
VН1=2,50 м/с | VН2=2,90 м/с | VН3=3,33 м/с | Vmin=2,20 м/с | Vδ=2,0 м/с | ||
Постоянная с регулируемым распределением по осям съемным балластом | , кг/кВт | |||||
0,450 | 0,400 | 0,350 | ||||
, кН/кВт | ||||||
0,61/0,60 | 0,57/0,56 | 0,57/0,56 | 0,61/0,60 | 0,61/0,60 | ||
0,977 | 1,0 | 1,0 | 0,961 | 0,961 | ||
0,952 | 1,0 | 1,0 | 0,917 | 0,917 | ||
1,0 | 1,0 | 0,852 | 1,0 | 1,0 | ||
0,930 | 1,0 | 0,852 | 0,881 | 0,881 | ||
1,128 | 1,128 | 1,130 | 1,110 | 1,110 |
Первый вариант характеризует трактор с постоянной удельной массой для одинарных 67,3* кг/кВт и сдвоенных 72,4* кг/кВт колес при и номинальной скорости м/с на операциях первой группы, соответствующей (кН) и (1к)/0,56 (2к). Указанная комплектация обеспечивает функционирование трактора в тяговом диапазоне с интервалом рабочих скоростей (2,0–2,8) м/с, соответствующим операциям 1–2 групп скоростных ( м/с) и специальных ( м/с) агрегатов при . На операциях 2 и 3 групп, за счёт смещения тягового режима в зону , что является нерациональным из-за превышения до 33%. Комплектация сдвоенными колесами на всех тягово-скоростных режимах, кроме , обеспечивает повышение технологического уровня трактора до . К указанной категории следует отнести тракторы К-730 и К-735 серии К-7 c одинарными колесами в базовой комплектации [8].
Второй вариант представляет трактор с широким диапазоном регулирования удельной массы за счёт съёмного балласта от (1к)–54,3 (2к) кг/кВт при до (1к)–72,4 (2к) кг/кВт с полным балластом кг/кВт для использования на операциях почвообработки разных групп в зоне при и стабильности показателя . Для работы в составе навесных агрегатов при V=2,0-3,0 м/с изменение абсциссы центра масс до достигается за счет перемещения части балластных грузов с учетом их расположения при сохранении величины . При этом, трактор мощностью кВт с полным балластом независимо от комплектации переходит в повышенный тяговый класс. Указанный вариант является наиболее оптимальным для реализации потенциальных возможностей трактора в технологиях почвообработки, однако требует дополнительных затрат и квалификации механизатора для его адаптации к условиям эксплуатации. Эта категория представлена тракторами РСМ 2 и 3 серий на сдвоенных колесах в базовой комплектации при максимальной массе съемного балласта .
Сдваивание колес полной массой [2–3] обеспечивает во всех вариантах увеличение номинального тягового усилия на 8,63 кН, что является определяющим для перехода трактора в смежный повышенный (до 6) тяговый класс. Переход трактора из 6-го тягового класса в 8-ой при сдваивании колес возможен за счет установки дополнительного балласта массой не менее 2400 кг.
В качестве третьего варианта рассмотрен трактор любой базовой комплектации с постоянной величиной и регулируемым распределением по осям удельной массы (1к) – 62,4 (2к) кг/кВт за счет перемещаемого съемного балласта при номинальном тягово-скоростном режиме, соответствующем и м/с. Установленные значения обеспечивает функционирование трактора на операциях всех групп в тяговом диапазоне при . Увеличение абсциссы центра масс до на операциях первой группы достигается перемещением части заднего балласта в зону переднего. Для реализации потенциальных возможностей в интервале м/с при используется ГСВ из условия . Этот вариант адаптации трактора к производственным условиям имеет существенные преимущества перед рассмотренными выше по показателям технологического уровня и необходимых для реализации затрат. В несколько упрощенном виде он применяется при настройке тракторов К-739, К-740 и К-742 для выполнения конкретных операций на сдвоенных колесах.
Приведенные результаты моделирования показывают, что использование потенциальных возможностей повышения технологического уровня колесных тракторов высокой мощности при достигнутых скоростных интервалах выполнения операций почвообработки и посева по агротехническим требованиям и энергозатратам невозможны без регулирования эксплуатационной массы установкой балласта и сдвоенных колес. Выполнение этих операций существенно повышает трудоемкость эксплуатации тракторов, требует более высокого профессионального уровня механизаторов и применения дополнительных технических средств для подготовительных работ по регулированию параметров — адаптеров до начала технологического процесса. С учетом оценочных показателей эффективности основных методов и уровня балластирования в основу адаптации следует положить последний вариант с использованием в качестве базовой комплектации трактора сдвоенные колеса с регулируемой установкой съемного балласта .
ВЫВОДЫ
- Рациональный тяговый диапазон трактора 4к4б разной комплектации для операционных технологий почвообработки с интервалом номинальных рабочих скоростей 2,5–3,3 м/с по условиям ресурсосбережения ограничен в пределах зоны максимального тягового КПД режимами при допустимом снижении комплексного показателя технологичности .
- Наиболее эффективным по минимуму трудозатрат и уровню реализации потенциальных возможностей методом адаптации трактора к технологиям почвообработки является формирование эксплуатационной массы базовой комплектации при и м/с с регулируемым распределением по осям входящей в неё массы съёмного балласта, соответствующей оптимальным значением удельного параметра-адаптера на одинарных кг/кВт и сдвоенных кг/кВт колёсах при и обеспечивающей .
- С учетом тенденций развития и ограниченных скоростных интервалов операционных технологии почвообработки в основу базовый комплектации колесных 4к4б тракторов следует положить удельную массу кг/кВт на сдвоенных колёсах, включающую съёмный балласт кг/кВт с регулируемым распределением по осям и использование при м/с с навесным оборудованием гидроувеличителя сцепного веса (ГСВ) из расчёта .
ДОПОЛНИТЕЛЬНО
Вклад авторов. Н.И. Селиванов, А.В. Кузнецов, Н.В. Кузьмин ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; В.Г. Шрам, Ю.Ф. Кайзер ― редактирование текста рукописи, создание изображений; 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 публикацией настоящей статьи.
Источник финансирования. Исследование выполнены при финансовой поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» в ходе выполнения проекта «Разработка рекомендаций по устойчивому развитию технической оснащенности растениеводства в сельском хозяйстве Красноярского края».
Об авторах
Николай Иванович Селиванов
Красноярский государственный аграрный университет
Email: zaprudskii@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-1595-1266
профессор, д-р техн. наук, профессор кафедры «Тракторы и автомобили»
Россия, КрасноярскАлександр Вадимович Кузнецов
Красноярский государственный аграрный университет; Сибирский федеральный университет
Email: kuznetsov1223@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6252-1464
доцент, канд. техн. наук, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили»
Россия, Красноярск; КрасноярскНиколай Владимирович Кузьмин
Красноярский государственный аграрный университет
Email: kusmin_nikolai@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8877-7409
доцент, канд. техн. наук, директор института инженерных систем и энергетики
Россия, КрасноярскВячеслав Геннадьевич Шрам
Сибирский федеральный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: shram18rus@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1415-1737
доцент, канд. техн. наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов
Россия, КрасноярскЮрий Филиппович Кайзер
Красноярский государственный аграрный университет; Сибирский федеральный университет
Email: kaiser170174@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2552-1884
доцент, канд. техн. наук, заведующий кафедрой авиационных горюче-смазочных материалов
Россия, Красноярск; КрасноярскСписок литературы
- Селиванов Н.И., Кузнецов А.В., Кузьмин Н.В. Типоразмеры колесных тракторов и состав почвообрабатывающих агрегатов для Восточно-Сибирской агрозоны // Вестник АГАУ. 2022. № 3 (209). C. 94–101. doi: 10.53083/1996-4277-2022-209-3-94-101
- Тракторы «Кировец» К-744Р, К-744Р1, К-744Р2, К-744Р3. Инструкция по эксплуатации 744Р-0000010. ИЭ. ЗАО «Петербургский тракторный завод». Санкт-Петербург. [дата обращения: 21.03.2023] Режим доступа: https://zinref.ru/000_uchebniki/05300_traktora/004_00_00_Kirovec_k_744_r_rukovodstvo/000.htm.
- Инструкция по эксплуатации Versatile 435, 485, 535 -89002113. Buhler Versatile Inc. Виннипег, Манитоба, Канада, 2009. [дата обращения: 21.03.2023] Режим доступа: https://hostozavr.com/files/traktora/rukovodstvo-po-jekspluatacii-traktorov-versatile-435-485-535.pdf.
- ГОСТ 27021-86 Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные. Тяговые классы. М: ИПК Издательство стандартов, 1986. [дата обращения: 21.03.2023] Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200009845
- Запрудский В.Н., Макеева Ю.Н. Оценка эффективности использования колесных тракторов высокой мощности на основной обработке почвы // Вестник КрасГАУ. 2016. № 5. С. 117–122. [дата обращения: 21.03.2023] Режим доступа: http://www.kgau.ru/vestnik/2016_5/content/18.pdf
- Селиванов Н.И., Запрудский В.Н., Макеева Ю.Н., и др. Рациональный тяговый диапазон использования колесных тракторов // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ. Часть 2. Наука: опыт, проблемы, перспективы развития. Красноярск: КрасГАУ, 2022. С. 115–119.
- Либцис С.Е. Потенциальные возможности использования мощности энергонасыщенных тракторов // Тракторы и сельхозмашины. 1986. № 9. С. 8–16.
- Глушков Р.В., Крылов А.В., Кузнецова П.А. Методика определения энергозатрат опытного образца культиватора // Ресурсосберегающие технологии в агропромышленном комплексе России. Материалы III Международной научной конференции. Красноярск, 2022. С. 319–323.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)