Potential productivity of the tractor

Full Text

Введение Сельскохозяйственный трактор создан на замену живой тягловой силы с главной целью -повысить производительность труда земледельца. С тех пор разработано много показателей, характеризующих технический уровень трактора. Но среди них нет показателя производительности, характеризующего главное свойство, по которому можно было бы проводить сравнительную оценку тракторов разных моделей. Сложившуюся ситуацию можно объяснить тем, что сам по себе трактор не может развивать производительность, потому что не обладает рабочими органами, осуществляющими технологический процесс. Тем не менее, такая характеристика необходима, поскольку именно она служит главной для машины, предназначенной выполнять технологический процесс, участвуя в этом напрямую или косвенно, в составе агрегата. Необходимость введения показателя производительности трактора возросла в последнее время в связи с существенно повысившейся их энергонасыщенностью. Такое повышение энергонасыщенности носит хаотический характер и сопровождается разным по величине рассогласованием мощности двигателя и веса трактора. Возникает «излишек» мощности двигателя, который не может быть использован, потому что сила тяги трактора ограничена его весом, а скорость движения - агротехническими требованиями. Поэтому международная практика классификации тракторов по мощности (см. табл. 1) не отвечает своим требованиям, а отечественная -по силе тяги - требует уточнения (см. табл. 2). В этих условиях введение показателя производительности трактора в число показателей технического и технологического уровня трактора преобретает еще большую актуальность. Цель исследования Обоснование принятия потенциальной производительности сельскохозяйственного трактора в качестве одного из базовых его показателей технической и технологической характеристики дополнительно к существующим. Материалы, результаты исследования и их обсуждение В статье определено понятие потенциальной производительности и приведен расчет значения ее величины. Предлагается принять этот показатель наряду с другими общепринятыми, такими как потенциальная тяговая характеристика, номинальное тяговое усилие, тяговый КПД трактора и др. Под потенциальной будем понимать сменную расчетную производительность трактора с ору(1) дием такой ширины захвата бзах, при которой его тяговое сопротивление Рор равно номинальному расчетному тяговому усилию трактора Ркр.н, а скорость движения машинно-тракторного агрегата (МТА) v - максимальная при данной мощности двигателя, но не превышает скорости удоп, установленной правилами агротехники. При этом: где k тр доп удельное сопротивление орудия, кН/м. При расчете потенциальной производительности трактора в качестве номинального принимаем тяговое усилие трактора, полученное расчетом по формуле ГОСТ 27021-86 [1] с учетом размерности: P = Ф G , (2) кр.н т кр тр' где Фкр - коэффициент использования веса трактора по ГОСТ; G - эксплуатационный вес трактора. Потенциальная производительность характеризует потенциальные возможности трактора. Она не зависит от конкретных условий его работы - внешних факторов, характеристики с.-х машины, используемой с трактором, отклонений параметров технологического режима от номинального и т.д. Именно поэтому потенциальная производительность может служить базовым показателем, по отношению к которому следует оценивать реальную производительность, развиваемую трактором в конкретных условиях с учетом всех эксплуатационных факторов, способных оказывать на нее влияние. Рассмотрим взаимосвязь между потенциальной сменной производительностью и основными параметрами и характеристиками трак- (3) тора. Для этого используем хорошо известную зависимость [2]: • v • т зах тр см ' где W см - потенциальная сменная производительность; тсм - коэффициент использования времени смены. Если, как условились, тяговое сопротивление орудия равно номинальному тяговому усилию трактора Рор = Ркрн, то, используя выражения (1) и (2), можно записать: Бзах = Рор/ кор = Ркр.н / кор = Фкр ^ Стр / кор . (4) Из выражения (4) следует, что максимальная ширина захвата конкретного орудия при обработке почвы с данным удельным сопротивлением кор зависит от веса трактора и коэффициента использования веса, соответствующего номинальному тяговому усилию. Коэффициент сопротивления орудия кор зависит от типа орудия и скорости его движения. В качестве типовой примем общепринятую операцию - пахоту, выполняемую плугом. При сравнительной оценке тракторов в одинаковых почвенных условиях, с одинаковой характеристикой механических свойств почвы кор для всех сравниваемых вариантов будет разным в зависимости от действительной скорости движения МТА с данным трактором: номинальному значению крутящего момента дизеля Мн; kN - коэффициент возможного использования мощности двигателя, зависящий от интенсивности колебаний М и значения с корректорного запаса крутящего момента; ^ - эксплуатационная мощность двигателя. Подставив выражения (4) и (6) в (3), получим: фкр.н Стр Пт Хд kNN™ Tc Рк кр.н ор Подставив в полученное выражение для W вместо номинального тягового усилия п.см Ркр н его выражение (2), получим: Стр Этр Гт Хд kN Tcм (7) (8) (9) При этом: Э < Э , тр тр.э ' Э < Э тр.б тр.э ' энергонасыщенность трактора тр.б где Этр - энергонасыщенность трактора без балласта; Э эталонная энерс весом балласта, установленным заводом-изготовителем трактора; Эт гонасыщенность трактора. Вместо ограничения по скорости, когда v < v^, введем ограничение по энергонасыщенности (8), (9). Энергонасыщенность трактора Этр рассчитывают по известной формуле: кор = кмо [1 + Лкор Ч^.т - V0)] (5) где кмо = к0 • d - удельное сопротивление при скорости до v0 = 1,4 м/с (5 км/ч), кН/м; к0 -удельное тяговое сопротивление, приходящееся на 1 м2 сечения пласта, кН/м2 (на вспашке k0 = 50 кН/м2); d - глубина обработки почвы (на вспашке принимаем d = 0,22 м), м; Лкор -относительное приращение удельного сопротивления при увеличении скорости на 0,28 м/с; v - действительная скорость движения трактора при номинальном тяговом усилии, м/с. Выражение для расчета скорости трактора можно найти, используя зависимость крюковой мощности N = Р v . В составе машинкр кр тр но-тракторного агрегата скорость трактора следует определять с учетом влияния на нее эксплуатационных факторов: N.. (6) тр P Р кр.н кр.н где г|т - тяговый КПД трактора; Хд - коэффициент возможной загрузки двигателя моментом сопротивления М по отношению к а эталонная энергонасыщенность Э - по вы- 1 тр.э ражению [3]: ф^ v Этрэ = , (10) где | т - максимальный тяговый КПД трактора. Расчитанная по выражению (10) эталонная энергонасыщенность сельскохозяйственного колесного трактора равна 1,5 кВт/кН и, гусеничного - 1,4 кВт/Н. Как было условлено ранее, при расчете кор (5), расчет Этрэ также выполнен при условии, что трактор занят на пахоте. При расчете использовано общепринятое номинальное значение скорости v на операции пахоты - 9 км/ч для колесного и 8 км/ч для гусеничного трактора. Значение коэффициента использования веса трактора при номинальном тяговом усилии фкр регламентируется постоянным ГОСТ 27021-86. (В настоящее время нет данных о том, что он изменился.) Тяговый КПД тракторов т также продолжительное время сохраняет неизменным свое значение, хотя можно отметить некоторые колебания. В целом следует отметить, что полученные значения эталонной энергонасыщенности для колесного и гусеничного тракторов достаточно консервативны. Их стабильность объясняется тем, что значения параметров (1), влияющих на эталонное значение энергонасыщенности, уже многие годы сохраняется неизменным и на обозримый период не просматривается их изменение. Однако, если это произойдет, значение Этрэ без труда можно откорректировать. Как уже отмечалось выше, в последние годы проявилась тенденция резкого повышения энергонасыщенности тракторов и появления сельскохозяйственных тракторов новой, тягово-энергетической концепции [4], способных выполнять технологические операции со скоростью, превышающей требования агротехники. Неравенства (8) и (9) учитывают агротехнические ограничения выполнения операции по скорости v < v , как мы условились ранее (1). Это означает, что потенциальная производительность сравниваемого трактора более высокой энергонасыщенности, чем эталонная, должна рассчитываться как трактора эталонной энергонасыщенности Э (1,5 кВт/кН для колесного и 1,4 кВт/кН для гусеничного трактора), т.е. с искусственно заниженной мощностью его двигателя, равной ЛЭ = Этрэ Отр для небалластируемого трактора и ЛЭ = Этрэ G б - для балластируемого. Если это ограничение не учитывать, то по расчетам можно получить завышенную, нереализуемую и поэтому ложную производительность трактора с двигателем чрезмерно высокой мощности. Рассмотрим коэффициенты г|т и тсм выражения (7). Коэффициент г|т может быть представлен при расчетах в виде произведения [5]: Цт =Г|тр ц f ц5 Цг, где цтр - КПД трансмиссии трактора; ц - КПД сопротивления качению трактора; ц5 - КПД буксования трактора; тц - КПД гусеничного движителя. Коэффициенты | тр и | f могут быть рассчитаны по известным зависимостям для конкретного конструктивного исполнения агрегатов трактора. КПД буксования |5 при номинальном тяговом усилии трактора регламентирован ГОСТ 27021-86 в зависимости от типа ходовой системы и колесной формулы, а КПД гусеничного движителя сельскохозяйственного трактора принято считать равным | г = 0,97. Коэффициент возможной нагрузки дизеля Хд (7) представляет собой отношение момента сопротивления Мс на валу двигателя к номинальному крутящему моменту дизеля Мн. Он ограничивает тяговую нагрузку при выборе орудия для агрегатирования с трактором и зависит от корректорного запаса крутящего момента дизеля и типа трансмиссии. При запасе крутящего момента дизеля, равном £ = 1,4-1,45, применении гидротрансформатора и бесступенчатой автоматически регулируемой трансмиссии коэффициент возможной загрузки дизеля близок или равен единице хд = 1. В остальных случаях принято агрегатировать трактор из условий загрузки дизеля не более, чем М = (0,85-0,9) Мн. Коэффициент возможного использования мощности двигателя (7) kN, зависит [5] от корректорного запаса крутящего момента дизеля и от интенсивности колебаний момента сопротивления на валу двигателя Мс, т.е. от демпфирующих свойств трансмиссии. При применении гидротрансформатора, обладающего высокими демпфирующими свойствами, или дизеля с коэффициентом корректорного запаса крутящего момента £з = 1,35-1,45 коэффициент kN близок к единице. Чем меньше запас крутящего момента дизеля, тем ниже значение kN. Коэффициент использования времени смены т рассчитывают по известной зависимости: см i =n Хсм = 1 i , i=1 где ■ сумма коэффициентов времени смены, отражающих потери времени смены: на подготовительные операции по агрегатированию энергетического средства с с.-х. машинами хп; технологическое обслуживание агрегата хт; устранение неисправностей хн; проведение ежесменного технического обслуживания энергетического средства ху; холостые переезды хх; n - число коэффициентов х. При сравнении между собой мобильных энергетических средств по показателям технологических свойств из рассмотрения исключаются составляющие времени смены, не зависящие от свойств энергетического средства: потери времени смены по организационным причинам, метеорологическим условиям, физиологическим потребностям механизаторов, нарушению технологического процесса. Конструктивные параметры и технические характеристики трактора, влияющие на перечисленные выше коэффициенты, составляющие ^т,., известны. Однако эти параметры и характеристики применительно к тракторам высокой энергонасыщенности и интегральным требуют дополнительного анализа. Так, по сравнению с тракторами тяговой концепции подготовка МТА к работе трактора высокой энергонасыщенности, учитываемая коэффициентом тп, требует дополнительных затрат времени на установку балласта или дополнительных колес, на соединение и разъединение трактора с технологическим модулем, если он применяется вместо балласта. При этом повышается также трудоемкость выполнения дополнительных операций, в том числе включая привлечение второго работника и дополнительного оборудования. Время технологического обслуживания МТА, учитываемое коэффициентом тт, наиболее существенно зависит от наличия у энергетического средства площадки для размещения емкости с технологическим материалом, так как запас технологического материала позволяет снизить время на заправки агрегата за счет сокращения их количества. Примером может служить тракторное самоходное шасси или трактор с кабиной, расположенной в межосевом пространстве. Площадка за кабиной трактора может служить местом для размещения емкости с технологическим материалом. Коэффициент тх, учитывающий время на холостые переезды, зависит в основном от состава агрегата и в меньшей мере от параметров энергетического средства. Тем не менее, например, трактор с подрессоренным передним мостом, оснащенный демпфером продольно-угловых колебаний (что особенно важно при движении с вывешенной навесной машиной), способен перемещаться в составе МТА при холостом переезде с более высокой средней скоростью по сравнению с трактором, технически менее совершенным. Время, затрачиваемое на ежесменное техническое обслуживание ту и учитываемое коэффициентом тн на устранение неисправностей, определяется степенью технического совершенства энергетического средства, его техническим уровнем. Заключение Строго говоря, термин «производительность трактора» некорректен, так как сам по себе, без орудия, он не может выполнять сельскохозяйственную операцию и, следовательно, не может развивать производительность. Однако, если рассматривать использование трактора с сельскохозяйственной машиной, обладающей конкретной характеристикой, согласованной с номинальными значениями его параметров, а также обоснованно принять скоростной режим работы агрегата, то предложенный показатель - потенциальная производительность трактора - можно признать вполне корректным и не менее важным по сравнению с уже используемыми показателями. Предлагается принять потенциальную производительность сельскохозяйственного трактора в качестве одного из его базовых показателей технической и технологической характеристики дополнительно к существующим, а также указывать в перечне технических параметров трактора.

About the authors

G. M Kut'kov

Russian State Agrarian University - Moscow K.A. Timiryazev Agricultural Academy

Email: gkutkow@yandex.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files