Weight of perspective universal tractor of 4×4 axle configuration for cotton growing

Abstract

The article presents the results of studies for substantiation of operating weight and tractive class of universal wheeled tractor for working in cotton growing with wide-cut seeders and cultivators.

Full Text

Универсально-пропашные тракторы, предназначенные для использования в агропромышленном комплексе (АПК), должны отвечать определенным эксплуатационным требованиям, базирующимся на научно обоснованных показателях. К числу приоритетных требований относятся обеспечение высокой производительности и экономное расходование энергоносителей в процессе выполнения всего комплекса с.-х. работ, для которых предназначен трактор, с соблюдением качества и агротехнических сроков. Важное значение имеют также агроэкологические требования, призванные смягчить неизбежные негативные техногенные последствия от уплотнения почвы ходовыми системами, загрязнения почвы, воды, культивируемых растений, урожая и воздуха выбросами двигателей, протечками топлива, масел и технологических жидкостей. Производительность трактора, работающего в агрегате с сельхозмашинами, зависит от их ширины захвата, мощности тракторного двигателя, тягового сопротивления машин, скорости движения и ряда других организационных, эргономических и эксплуатационно-технологических факторов, включающих конфигурацию полей, длину гонов, способы и схемы движения агрегатов по полю и на разворотных полосах, длину технологических переездов, общую структуру времени рабочей смены, условия труда тракториста и обслуживающего персонала. В общем виде величина сменной производительности Wсм , м2/с, представлена зависимостью: , (1) где Вр - рабочая ширина захвата сельхозмашины, м; Vр - рабочая скорость агрегата, м/с; tсм - коэффициент использования времени смены. Учитывая, что рабочая ширина захвата Вр сельхозмашины ограничивается ее тяговым сопротивлением R и тяговым потенциалом трактора Ркр, , (2) где Ркр - тяговое усилие, развиваемое трактором, Н; R - удельное тяговое сопротивление сельхозмашины, Н/м или Н/рядок. Рабочая скорость зависит от мощности установленного двигателя: , (3) где Nдв - эффективная мощность двигателя, Вт; hт - тяговый КПД трактора. С учетом (2) и (3) сменную производительность машинно-тракторного агрегата (МТА) в м2/с можно записать в виде: , (4) или в га/ч: . (5) Из этих зависимостей следует, что для каждой конкретной механизированной операции при сложившихся условиях ее проведения (hт , tсм и R) увеличение производительности прямо пропорционально мощности двигателя, установленного на тракторе. При этом, в соответствии с (1), производительность агрегата будет изменяться только за счет фактора скорости. С целью выявления резервов увеличения производительности на основных механизированных операциях в хлопководстве за счет скорости значения этого показателя, оговоренные в технических условиях на сельхозмашины, сопоставлены с реальными (табл. 1), установленными при тестировании в Узбекском государственном центре испытаний техники и технологий (УзГЦИТТ). Таблица 1 Рабочие скорости основных хлопководческих МТА по техническим условиям (Tsh) и результатам испытаний в УзГЦИТТ Операция Рабочая скорость, м/с (км/ч) По Tsh По результатам испытаний Сев хлопчатника пневматическими сеялками: Tsh 64-20438566-06:2006 Tsh 23-05.029:2007 1,67-2,78 (6-10) 1,39-2,78 (5-10) 1,97(s=±0,16; u=8,2%) [7,08 (s=±0,58; u=8,2%)] Сев хлопчатника механическими сеялками: Tsh 23-05.033:2009 1,67-2,78 (6-10) 1,91 (6,89) Междурядная обработка хлопчатника: Tsh 23-01.097:2006 1,29-1,71 (4,66-6,14) 1,82 (s=±0,29; u=15,7%) [6,55 (s=±1,03; u=15,7%)] Обработка против вредителей и дефолиация хлопчатника Tsh 23-2.2162:2005 1,75-2,06 (6,3-7,4) 1,62 (s=±0,24; u=14,7%) [5,84 (s=±0,86; u=14,7%)] Приведенные результаты анализа свидетельствуют о том, что скоростной потенциал, заложенный в технических условиях, исчерпан на посеве на 71%, на междурядной обработке - полностью, а на химзащите растений и урожая - на 79%. Необходимо отметить, что как на посеве, так и на химзащите основная причина недоиспользования средств механизации кроется не в дефиците мощности, а в невозможности на заявленных скоростях соответственно 2,78 м/с (10 км/ч) и 2,06 м/с (7,4 км/ч) обеспечить требуемое агротехническое качество работ. Разработка и поставка так называемых скоростных сельхозмашин для АПК Республики Узбекистан позволит только за счет увеличения рабочих скоростей МТА поднять их производительность на 20-30%. С момента зарождения механизации хлопководства и до настоящего времени в республике применяются только 4-рядные сеялки и культиваторы. Учитывая, что хлопчатник относится к высокостебельным пропашным культурам, имеющим определенные проблемы с вертикальной агротехнической проходимостью средств механизации, сельхозмашины должны иметь четное количество рядов, что позволяет избежать совпадения продольных осей трактора и рядка с растениями хлопчатника. Поэтому следующими после традиционных должны быть сеялки и культиваторы с четным количеством рядов - шесть, восемь и т.д. В соответствии с (2), ширина захвата агрегата, работающего в тяговом режиме, определяется тяговыми возможностями трактора и тяговым сопротивлением сельхозмашины, причем основополагающим фактором служит тяговое сопротивление машины, которое в каждом конкретном случае предопределяет необходимый и достаточный тяговый потенциал трактора. Особенность с.-х. производства состоит в том, что в технологически необходимый набор для одного трактора входит большое количество сельхозмашин, имеющих разные тяговые сопротивления, отличающиеся в разы. Известно, что тяговое усилие трактора Ркр - результат реализации крутящего момента Мк , подводимого к оси колеса со стороны двигателя через трансмиссию, в виде касательного усилия Рк , приложенного на плече, равном радиусу колеса rк , за вычетом усилия Pf , затрачиваемого на перемещение самого трактора: , (6) откуда ; (7) . (8) Со стороны контакта почвы с движителями величина касательного тягового усилия зависит от эксплуатационной массы трактора mэ, коэффициента j сцепления движителей с почвенным основанием и коэффициента l использования эксплуатационной массы трактора в качестве сцепной, зависящего от схемы ходовой системы: . (9) Для решения задачи, поставленной в данной статье, ограничимся рассмотрением схемы ходовой системы 4К4, для которой l = 1, как наиболее полно отвечающей требованиям по повышению производительности механизированных с.-х. операций. Величина усилия Pf , необходимого для передвижения самого трактора, зависит от эксплуатационной массы трактора mэ и коэффициента f перекатывания движителей по основанию (почвенным фонам или дорожному полотну): . (10) Таким образом, , (11) откуда определяется эксплуатационная масса трактора из условия сцепления с почвой, необходимая и достаточная для получения требуемого тягового усилия при допустимом по условиям агротехники буксовании движителей j = jдоп : . (12) В формуле (12) показана взаимосвязь основного параметрического показателя трактора - его эксплуатационной массы - и условий агрегатирования (Ркр , jдоп , f ), отражающих затраты тягового усилия на технологический процесс и тягово-сцепные свойства почвенного фона, по которому движется трактор. Тяговые сопротивления основных хлопководческих сельхозмашин (сеялок и культиваторов) при различной ширине захвата по результатам исследований Узбекского НИИ механизации и электрификации [1] приведены в табл. 2. С учетом временных случайных перегрузок касательной силы тяги, неизбежных при выполнении технологических процессов, формула для расчета mэ , кг, запишется как: , (13) где Dlim - коэффициент, характеризующий временные случайные перегрузки касательной силы тяги. Помимо зависимости (12), существует и другой метод определения эксплуатационной массы трактора mэ , изложенный в ГОСТ 27021 «Тракторы сельскохозяйственные. Тяговые классы», в соответствии с которым , где А - коэффициент, устанавливаемый в зависимости от типа трактора и его эксплуатационной массы. Для определения требуемой эксплуатационной массы тракторов приведенная формула не пригодна, так как коэффициент А сам зависит от массы, которую необходимо определить. Применение формулы из ГОСТ 27021 вполне корректно при проверочном расчете принадлежности конкретного трактора к определенному тяговому классу, когда по известной эксплуатационной массе необходимо установить его тяговый потенциал , кН. Результаты расчетов по формуле (13) приведены в табл. 3. Значения коэффициентов Dlim , f и jдоп приняты по первоисточникам [1, 2], посвященным основам теории, расчета и конструирования с.-х. тракторов. Таблица 2 Тяговые сопротивления посевных и пропашных хлопководческих агрегатов [1] Таблица 3 Эксплуатационные массы колесных универсально-пропашных тракторов (4К4) для работы на основных механизированных операциях в хлопководстве Анализ данных табл. 3 показывает, что повсеместно применяемые в настоящее время тракторы ТТЗ-80.11 (mэ = 3585 кг) имеют лишнюю эксплуатационную массу на посеве более 1800 кг, на междурядных обработках - от 150 до 1300 кг. Подсчитано, что на перемещение 1 т собственной массы колесного трактора по агрофонам за сезон расходуется до 800 кг дизельного топлива. Кроме того, почве наносится неоправданный вред из-за повышенного уплотнения движителями. Таким образом, если бы современный фермер, использующий 4-рядные хлопководческие сельхозмашины, мог позволить себе иметь парк тракторов, то он должен был бы с целью только экономии топлива сеять на тракторе тягового класса 0,6, а при обработке междурядий использовать тракторы тяговых классов 0,9 и 1,4. При увеличении ширины захвата хлопководческих агрегатов до 6 рядов для выполнения всего комплекса работ по посеву и возделыванию хлопчатника целесообразно использовать трактор тягового класса 1,4 с исходной эксплуатационной массой 3600 кг. При этом на посеве и неэнергоемких междурядных обработках эта масса будет превышать требуемую до 340 кг, а на энергоемких операциях, связанных с рыхлением почвы в междурядьях после поливов, будет ее дефицит до 1270 кг, который необходимо восполнять балластными грузами, увеличивающими вертикальную нагрузку на ведущие колеса трактора. Для агрегатирования 8-рядных хлопковых сеялок и культиваторов требуемая эксплуатационная масса энергосредства должна соответствовать тяговому классу 2 (mэ = 5200 кг). При этом на посеве и неэнергоемких междурядных обработках она будет излишней до 800 кг, а на энергоемких будет ее дефицит до 1000 кг, т.е. потребуется установка балластных грузов на ведущие колеса. Необходимо отметить, что 6-рядные хлопководческие МТА, более производительные по сравнению с 4-рядными, по необходимой эксплуатационной массе энергосредства формально укладываются в действующий сейчас тяговый класс 1,4 (при условии перехода на колесную схему 4К4). Однако для выполнения тягоемких операций по рыхлению междурядий хлопчатника после поливов требуется достаточно глубокое балластирование трактора (до 1270 кг), в итоге приближающее его по эксплуатационной массе к трактору тягового класса 2. Для более оптимистического прогноза по увеличению производительности хлопководческих МТА за счет внедрения 8-рядных сеялок и культиваторов однозначно необходимо выбрать трактор с исходной массой, соответствующей тяговому классу 2, т.е. с mэ = 5200 кг. Таким образом, для выполнения задачи по увеличению производительности хлопководческих МТА необходим переход в хлопководстве к агрегатам с увеличенной рядностью, что потребует замены парка основных энергосредств на универсально-пропашные тракторы тягового класса 2 с колесной схемой 4К4 с высококлиренсными передним и задним мостами для работы в междурядьях хлопчатника на стадии наивысшего биологического развития растений. Помимо посева и агрегатирования машин для работы в междурядьях, рекомендуемый универсально-пропашной тип трактора можно использовать в составе агрегатов для вспашки, боронования, сплошного рыхления (чизелевания), фрезерования почвы, планировки, нарезки и заравнивания оросительных сооружений, транспортировки грузов и других с.-х. работ с машинами, обеспечивающими по тяге оптимальную загрузку трактора тягового класса 2 на скоростях, заявленных в технических условиях на агрегатируемые сельхозмашины. При этом конструкция трактора должна предусматривать его оперативную переналадку из высококлиренсного варианта в среднеклиренсный и наоборот. Заключение Повышение производительности механизированного труда на основных операциях в хлопководстве невозможно без серьезной модернизации материально-технической базы АПК - как тракторного парка, так и шлейфа сельхозмашин: - необходимо обеспечить фермеров и арендаторов современными скоростными сеялками и культиваторами, имеющими ширину захвата, увеличенную до 6-8 рядов; - для агрегатирования скоростных широкозахватных хлопководческих машин необходимо обеспечить АПК республики современными колесными универсально-пропашными тракторами тягового класса 2.