Experimental study of comparative indicators of agricultural tractors caterpillar drive

Full Text

Введение В настоящее время в России и за рубежом большое внимание уделяется разработке резиноармированных гусениц (РАГ) для тракторов, комбайнов и военных гусеничных машин [1-8]. Их применение позволяет в сравнении с колесной техникой снизить вредное воздействие на почву, повысить тяговые характеристики, проходимость и экономичность машин, а также обеспечить эффективную работу на тяжелых, переувлажненных и слабонесущих почвах. По сравнению с движителями на гусеницах с металлическими шарнирами и звеньями применение РАГ обеспечивает [1]: · снижение уплотняющего воздействия на почву на 25-30%; · движение по дорогам с асфальтовым покрытием без его разрушения; · повышение транспортных скоростей машины до 40…50 км/ч; · снижение уровня шума и улучшение условий труда тракториста; · повышение надежности. За рубежом сравнение тяговых показателей тракторов с колесным и гусеничным движителем с РАГ выполняется на специально подготовленной опорной поверхности в виде резинового полотна [3]. Использование такого полотна не позволяет сравнить тяговые показатели тракторов с металлическими гусеницами и РАГ. Цель исследования Учитывая актуальность данного вопроса, необходимо проведение сравнительных экспериментальных исследований тяговых показателей тракторов с металлическими гусеницами и РАГ на реальных фонах опорных поверхностей сельскохозяйственного назначения. Объект исследования и методика испытаний В качестве объекта исследования выбраны серийная металлическая гусеница с открытым металлическим шарниром (МГ с ОМШ) и РАГ с металлотросовым армирующим сердечником. Ими был укомплектован трактор ВТ-150 производства Волгоградского тракторного завода. Общий вид трактора ВТ-150 с различными типами гусениц представлен на рис. 1. а) б) Рис. 1. Трактор ВТ-150 с различными типами гусениц: а - МГ с ОМШ; б - РАГ РАГ разработана ОАО «НИИ стали» совместно с ОАО «ЦНИИСМ» и ООО «НТЦ НИИШП». Для сравнительной оценки эффективности применения гусениц различных конструкций была разработана программа-методика испытаний. Для повышения объективности оценки результатов испытаний в программе было предусмотрено проведение всего комплекса испытаний на одной машине, в одинаковых почвенно-климатических условиях, с применением единого комплекса контрольно-измерительной аппаратуры, с привлечением единого состава квалифицированных испытателей. Задачей испытаний, предусмотренных программой-методикой, являлось: · определение тяговых показателей трактора в соответствии с требованиями ГОСТ 30745-2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Определение тяговых показателей»; · оценка условий труда тракториста [9, 10]; · определение параметров воздействия движителей на почву в соответствии с требованиями ГОСТ 26955-86 «Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву». Результаты исследований и их обсуждение Испытания сравниваемых конструкций гусениц проводились «Северо-Кавказской МИС» и Северокавказской опытной станции Краснодарского НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии РФ. Тяговые испытания трактора ВТ-150 с различными типами гусениц проводились на стерневом фоне по ГОСТ 30745 с помощью тяговой лаборатории ТДТ-60 и измерительной информационной системы ИП-256М. Измерения расхода топлива осуществлялись с помощью расходомера ЕДМ - 1404. Почвенно-климатические условия при проведении тяговых испытаний трактора ВТ-150 и их результаты приведены, соответственно, в табл. 1 и 2. Трактор ВТ-150 на РАГ в процессе тяговых испытаний представлен на рис. 2. Тяговые характеристики трактора с различными типами гусениц представлены на рис. 3 и рис. 4. Трактор ВТ-150 с МГ с ОМШ относится к классу 4 (по весу) с максимальной тяговой мощностью 92,7 кВт, развиваемой при работе на 2 передаче со скоростью движения 7,3 км/ч, тяговым усилием 45,2 кН, тяговым КПД - 0,801 и удельным расходом топлива 251 г/(кВт·ч). Таблица 1 Почвенно-климатические условия при тяговых испытаниях трактора Показатель Тип гусениц МГ с ОМШ РАГ Тип почвенного фона стерня озимой пшеницы стерня озимой пшеницы Влажность в слое 0…0,15 м, % 9,4…13,5 18,2…21,3 Твердость в слое 0…0,15 м, МПа 1,18…3,66 1,14…2,41 Высота стерни, м 0, 136 0, 141 Температура воздуха, ˚С 23 25 Относительная влажность, % 70 80 Давление, кПа 100 101 Таблица 2 Тяговые показатели трактора ВТ-150 с различными типами гусениц Передача Тяговое усилие, кН Скорость, км/ч Мощность, кВт Частота вращения вала двигателя, мин-1 Буксование, % Удельный расход топлива, г/(кВт∙ч) Тяговый КПД Максимальное тяговое усилие, кН Буксование при максимальном тяговом усилии, % МГ с ОМШ 1 55,6 5,4 83,5 1687 7,4 277 0,729 62,5 12,9 2 45,2 7,3 92,7 1663 3,4 251 0,801 52,6 5,9 3 37,3 8,8 91,2 1599 1,9 253 0,797 39,7 2,2 4 30,4 10,5 88,7 1565 1,2 259 0,775 30,4 1,2 5 23,3 12,7 82,2 1478 0,7 274 0,718 23,3 0,7 РАГ 1 47,9 5,9 78,5 1828 9,5 296 0,686 54,5 16,5 2 46 6,9 88,2 1675 8,1 261 0,770 52,7 14,2 3 40,2 8,1 90,5 1557 5,1 257 0,791 42,4 6 4 30,5 10,2 86,4 1570 2,3 267 0,755 32,9 2,8 5 23,4 13,2 85,8 1577 1,3 268 0,749 24,2 1,3 Рис. 2. Трактор ВТ-150 на РАГ в процессе тяговых испытаний ВТ-150 с РАГ относится к тракторам тягового класса 4 (по весу) с максимальной тяговой мощностью 90,5 кВт, развиваемой при работе на 3 передаче со скоростью движения 8,1 км/ч, тяговым усилием 40,2 кН, тяговым КПД - 0,791 и удельным расходом топлива 257 г/(кВт·ч). В зоне номинальных тяговых усилий (36…45 кН) для тракторов класса 4 различие в тяговых мощностях незначительное и составляет 0,7...1,3%. Снижение величин тяговых усилий при максимальных тяговых мощностях в сравнении с МГ с ОМШ составляет для РАГ 0,5 кН. Топливная экономичность трактора при работе в режиме максимальных тяговых мощностей, при тяговом усилии порядка 30 кН практически одинакова для всех типов гусениц. При тяговых усилиях порядка 40…50 кН у трактора с РАГ установлено увеличение удельного расхода топлива на 10…35 г/(кВт·ч). Рис. 3. Тяговая характеристика трактора ВТ-150 на стерне озимой пшеницы при комплектации МГ с ОМШ При работе трактора на второй передаче (основная передача для выполнения пахотных работ) с тяговым усилием до 45 кН и работе двигателя при рекомендуемой частоте вращения коленчатого вала 1700…1900 мин-1 топливная экономичность трактора с РАГ в сравнении с МГ с ОМШ ухудшается на 21,5% - удельный расход топлива увеличивается на 54 г/(кВт·ч). Рис. 4. Тяговая характеристика трактора ВТ-150 на стерне озимой пшеницы при комплектации РАГ Указанное увеличение удельного расхода топлива трактора с РАГ в диапазоне тяговых усилий выше номинального обусловлено проведением тяговых испытаний в условиях повышенной влажности почвы (практически в 2 раза выше, чем при испытаниях трактора с МГ с ОМШ). Как показывают результаты ранее проведенных тяговых испытаний трактора Т-250 с гусеницами с РМШ и опытными РАГ на стерне колосовых при одинаковой влажности почвы (8,90…9,45%) трактор с РАГ имеет высокие тяговые показатели, сопоставимые с аналогичными показателями для трактора с гусеницами с РМШ. Так значения удельной силы тяги на крюке и буксования для трактора Т-250 с РАГ составляют, соответственно, φкр = 0,210…0,706 и δ = 0,26…6,96%, а для трактора Т-250 с РМШ - φкр = 0,179…0,690 и δ = 0,077…6,83%. Сравнение тяговых показателей трактора с различными типами гусениц наиболее корректно проводить при работе в режиме номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя (или в указанном диапазоне частот вращения) в диапазоне тяговых усилий, соответствующих классу тяги трактора. Таким образом, трактор ВТ-150 с РАГ в зоне номинальных тяговых усилий 36…45 кН для тракторов класса 3 развивает максимальную тяговую мощность 90,5 кВт при скорости движения 8,1 км/ч, тяговом усилии 40,2 кН и буксовании 5,1%, что находится на уровне соответствующих показателей трактора с МГ с ОМШ, приведенных в табл. 2. Оценка уровней шума на рабочем месте оператора проводилась во время выполнения основной операции по обработке почвы - при вспашке зяби по стерне колосовых. Вспашка зяби производилась трактором ВТ-150 в агрегате с плугом ПЛН-5-35 на глубину 0,2…0,22 м при твердости почвы до 3,8 МПа. Пахота выполнялась на второй передаче. Измерения проводились с помощью шумомера-анализатора «Октава-101АМ». В результате установлено, что применение РАГ позволяет снизить уровни звукового давления в сравнении с МГ с ОМШ в октавных полосах частот 31,5 Гц на 7 дБ, 63 Гц - 8 дБ, 125 Гц - 5 дБ, 1000 Гц - 3 дБ, 2000 Гц - 5 дБ, 4000 Гц - 7 дБ и 8000 Гц на 9 дБ. Применение РАГ позволяет снизить уровень шума в кабине трактора на 2…3 дБ по характеристике А. Измерения внешнего шума проводились в открытом поле при движении трактора по уплотненному участку поля после тяговых испытаний. Измерения проводились согласно методике, предусмотренной требованиями ГОСТ Р 51920-2002. При этом снижение уровней звукового давления при работе с РАГ наблюдалось во всех полосах частот. Измерения параметров общей вибрации на рабочем месте оператора проводились при выполнении основной технологической операции по обработке почвы - вспышке зяби. Пахота производилась трактором ВТ-150 в агрегате с плугом ПЛН-5-35. Условия работы агрегата при разных типах гусениц были одинаковыми. При этом твердость почвы достигала 3,8 МПа. В результате установлено, что в октавных полосах частот 2…31,5 Гц по ГОСТ 12.2.019-86 корректированный уровень виброускорений на сиденье оператора при МГ с ОМШ составляет 0,399 м/с2, а при РАГ - 0,210 м/с2. Вибронагруженность в вертикальном направлении для трактора с РАГ в сравнении с МГ с ОМШ снижается в 1,86 раза. В горизонтальном направлении уровни виброускорений в октавных полосах частот и корректированные уровни виброускорений соответствуют требованиям санитарных норм. При измерении параметров вибрации на сиденье оператора трактора ВТ-150 в реальных условиях пахоты трудно обеспечить равные условия его загрузки и достоверно провести оценку уровня снижения вибронагруженности при применении РАГ. Поэтому дополнительно к программе испытаний для обеспечения сравнимости условий измерений вибрации проведено измерение уровней виброускорений на постаменте сиденья, при работе трактора на второй передаче при загрузке тяговой лабораторией. Измерения уровней вибрации постамента сиденья оператора трактора проведены при работе трактора на второй передаче под нагрузкой, создаваемой тяговой лабораторией. Вторая передача выбрана как основная передача при выполнении основной технологической операции - пахоты стерни колосовых. Точка измерения вибрации - место крепления постамента сиденья к полу кабины выбрана для того, чтобы получить исходные уровни вибрации, передаваемые при различных движителях на кабину трактора, и исключить сиденье как дополнительный элемент, изменяющий уровни виброускорений. Анализ данных измерений представлен только по уровням виброускорений в октавной полосе частот 16 Гц, в которой вибрация на сиденье трактора существенно превышает допустимые значения. Испытаниями установлено, что при применении РАГ максимальное снижение вибронагруженности кабины наблюдается при нагрузке на крюке трактора 20 кН и скорости движения 8…8,5 км/ч и составляет 10 дБ (в 3 раза), а минимальное снижение вибрации 6 дБ (в 2 раза) - при нагрузке порядка 42…50 кН и скорости движения 7,3…6,5 км/ч. Таблица 3 Техническая характеристика трактора ВТ-150 с различными типами гусениц Показатель Значение МГ с ОМШ РАГ Масса машины эксплуатационная с балластом, кг 8265 8238 Распределение массы по бортам машины (левый/правый), кг 4200/4065 4205/4033 Число траков, шт 44 61 Шаг гусеницы, мм 170 126 Ширина гусеницы, мм 470 470 Масса комплекта гусениц, кг 1138 1111 Максимальное давление на почву (ГОСТ 26955-86), кПа 150,07 допускается работа при влажности 0,6 НВ в весенний и летний периоды 102,78 обеспечивает работу при влажности 0,7 НВ в весенний и при НВ св. 0,9 в летний период Среднее давление на почву (ГОСТ 26955-86), кПа 52,42 46,14 УВП, макс. нормальное напряжение в почве σh на глубине 0,5 м (ГОСТ 26955-86), кПа 22,93 соответствует нормативу 23,67 соответствует нормативу Возможность движения по дорогам с искусственным покрытием не допускается допускается Ресурс работы, моточасы 1000-3000 с заменой 2-3 комплектов пальцев 2500-3000 без ремонта (на основании испытаний РАГ Bridgestone) Корректированный уровень виброускорений на сиденье оператора (ГОСТ 12.2.019-86), м/с2 0,399 0,210 Уровень шума в кабине на пахоте в октавных полосах частот по сравнению со стоянкой при работе двигателя на холостых оборотах, дБ увеличение шума от 4 до 16 дБ уровень шума не изменился Уровень шума вне кабины на транспортных работах, дБА не допускается движение по дорогам с искусственным покрытием 87,9 снижение во всех октавных полосах частот в среднем на 4,7 дБА Забиваемость гусеницы отсутствует отсутствует Возможность реализации тягового усилия в условиях повышенной влажности при промокании почвы - сохраняется способность реализации тягового усилия в рабочем режиме Габаритные размеры машины (ширина и высота), мм 1790 3090 1790 3090 Отработанность конструкции и компоновки гусеницы на машине - отработана Оценка параметров воздействия движителей с различными типами гусениц на почву проведена на Северокавказской опытной станции Краснодарского НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии РФ в крытом песчаном канале. РАГ обеспечивают работу трактора при влажности почвы до 0,7 НВ в весенний период и до 0,9 НВ - в летне-осенний. Основные характеристики трактора ВТ-150 с различными типами гусениц и результаты испытаний приведены в табл. 3. Выводы Анализ результатов испытаний трактора ВТ-150 с различными конструкциями гусениц показал, что применение РАГ на машине обеспечивает: · равенство тяговых показателей, в том числе КПД машины на РАГ и на МГ с ОМШ в зоне номинальных тяговых усилий для тракторов класса 3; · снижение уровня виброускорений на сиденье тракториста в 1,86 раза по сравнению с МГ с ОМШ; · снижение вибронагруженности кабины при работе с тягой на крюке в сравнении с МГ с ОМШ более чем в 2…3 раза; · снижение уровня шума в кабине в октавных полосах частот по сравнению с МГ с ОМШ на 4…16 дБА, что соответствует уровню шума трактора на стоянке; · снижение уровня шума вне кабины во всех октавных полосах частот; · возможность выхода машины в поле в условиях повышенной влажности; · возможность движения машины по дорогам с твердым и усовершенствованным покрытиями без их разрушения в сравнении с МГ с ОМШ. Следовательно, разработанные отечественные конструкции и технологии изготовления РАГ для сельскохозяйственных тракторов обеспечивают равенство тяговых показателей трактора с серийной МГ с ОМШ и РАГ в зоне номинальных тяговых усилий для тракторов класса 3. По комплексу технических показателей ходовые системы с РАГ превосходят ходовые системы с МГ с ОМШ (по показателям вибронагруженности, уровня шума и проходимости).

About the authors

D. G. Kupryunin

NII STALI research institute

Email: mail@niistali.ru

N. A. Shchelnitsyn

NII STALI research institute

Email: schelt@mail.ru
Ph.D.

V. D. Beyinenson

NII STALI research institute

Email: mail@niistali.ru
Ph.D.

R. S. Fedotkin

NII STALI research institute

Email: frs89@bk.ru
Ph.D.

I. F. Belyi

North-Caucasian state zonal vehicle testing station

Email: mis1@mail.ru
Ph.D.

V. Y. Revenko

State Scientific Institution North-Caucasian experimental station of Krasnodar research and scientific institute of agriculture n.a. P.P. Lukianenko of Russian academy for agricultural sciences

Email: skskniish@rambler.ru
Ph.D.

References

Supplementary files