Механизация тракторов
Введение
Современная сельскохозяйственная техника широко используется на всех этапах сельскохозяйственного производства: при подготовке и обработке почвы, посеве и сборке урожая, заготовке кормов.
Существует ошибочное мнение, что импортная сельскохозяйственная техника надежнее и экономичнее отечественных моделей именно потому, что она дороже.
Чтобы развеять этот миф, нужно посмотреть в лицо фактам. Производство сельскохозяйственной техники в Европе, связано с высокой себестоимостью и оплатой труда рабочих. Дорогие энергоносители, высокие заработные платы, значительные налоги и, в конце концов, ввозные пошлины и транспортные расходы, выводят на российский рынок сельскохозяйственной техники неимоверно дорогие машины. В то время, как отечественная сельскохозяйственная техника отвечает всем требованиям российских природно-климатических условий, агропромышленных технологий, почвенным особенностям, в 3-6 раз дешевле импортных аналогов и хорошо адаптирована к российским сортам ГСМ.
При этом, отечественная сельскохозяйстве
Кроме этого, выгодные условия
приобретения отечественной
В настоящее время главный акцент делается на поставку сельхозпроизводителям универсальных механизированных комплексов на базе тракторных агрегатов, которые позволяют минимизировать затраты сельскохозяйственного производства, эффективно осуществить полный цикл сельскохозяйственных операций и снизить сроки окупаемости приобретенной техники. Все эти факторы делают сельскохозяйственную технику российского и белорусского производства, несомненно, конкурентоспособной в России и странах СНГ, и сохраняют её доминирующие позиции на внутреннем агропромышленном рынке.
1. Общее устройство
колесного трактора и
Тракторами называют колесные и гусеничные самоходные машины, предназначенные для перемещения и приведения в действие прицепленных к ним или установленных на них машин-орудий для выполнения сельскохозяйственных, дорожных и других работ, а также для буксировки прицепов и привода стационарных установок (молотилок, насосов и др.).
Трактор является сложной машиной, которая состоит из многих частей и механизмов, находящихся между собой в определенном взаимодействии. И хотя устройство и расположение (компоновка) механизмов одинакового назначения у различных тракторов могут несколько различаться, принцип действия их одинаков. Поэтому, зная устройство и работу механизма одного трактора, нетрудно разобраться в устройстве и принципе действия аналогичного механизма другого трактора.
Трактор (рис.1) состоит из следующих основных частей: двигателя 2, силовой передачи 5, ходовой части 1, механизмов управления 6, рабочего 4 и вспомогательного оборудования 3.
Двигатель является
источником механической
Силовая передача
(трансмиссия) предназначается
Ходовая часть служит
для преобразования
возникает сила тяги, которая вызывает передвижение самого трактора и создает тяговое усилие на крюке трактора, необходимое для передвижения рабочих машин и орудий.
Механизмы управления
предназначаются для задания
нужного направления движению
трактора, для его торможения
и удержания в неподвижном
состоянии. Гусеничные
Рабочее оборудование
позволяет осуществлять
Вспомогательное оборудование – кабина с отоплением и вентиляцией, капот, крылья и т.п. Оно предназначено для обеспечения нормальных условий работы тракториста, защиты механизмов от грязи и атмосферных осадков и обеспечения требований техники безопасности при работе.
2. Технико-экономические показатели работы двигателей
Как известно, мощность — это работа, совершенная в единицу времени. Кроме эффективной мощности для оценки технико-экономической эффективности двигателей используют индикаторную мощность Ni.
Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.
Эффективная мощность меньше индикаторной вследствие того, что часть последней затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе:
Ne = Ni—N„ (6.1)
Мощность механических потерь NM учитывает затраты части индикаторной мощности на преодоление сопротивлений трения движущихся деталей и приведение в действие вспомогательных устройств двигателя — масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, топливного насоса и
Др.
Механический коэффициент полезного действия двигателя (КПД) — отношение эффективной мощности к индикаторной:
4M=NJNi
При работе на номинальном режиме, т. е. при полном использовании мощности Ne, КПД автотракторных двигателей составляет 0,75…0,88. У дизелей КПД меньше, чем у карбюраторных двигателей, так как из-за более высокой степени сжатия выше затраты мощности на трение движущихся деталей.
Массу топлива, расходуемую двигателем при определенной загрузке в течение 1 ч, называют часовым расходом топлива GT (кг/ч). Топливную экономичность различных двигателей оценивают по удельному расходу топлива ge |г/(кВт-ч)], под которым подразумевают массу топлива в граммах, расходуемую за 1 ч на создание единицы эффективной мощности:
Ge, (6.2)
Е
Номинальное значение ge современных автотракторных четырехтактных карбюраторных двигателей находится в пределах 280…300 г/(кВт-ч), а у дизелей — в пределах 220…260 г/(кВт-ч), т. е. дизели более экономичные, чем карбюраторные двигатели, за счет более высокой степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем экономичнее двигатель.
Применение на ряде современных
бензиновых двигателей вместо карбюратора
системы с впрыском топлива во
всасывающий коллектор или
Эффективность работы различных двигателей сравнивают не только по топливной экономичности, но и по литровой мощности и удельной массе.
Литровая мощность Nn —
это отношение эффективной
Современная тенденция развития автотракторных двигателей характеризуется увеличением их полной эффективной и литровой мощностей, снижением удельного расхода топлива и масел, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением надежности и долговечности. Этим объясняется широкое применение дизелей с турбонадду — вом, имеющим промежуточное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры, для повышения наполнения их воздухом. Многие зарубежные бензиновые двигатели вместо карбюраторов оснащают системой впрыска топлива, работающей в автоматическом режиме совместно с системой зажигания, что обеспечивает оптимальный режим работы обеих систем, повышение мощности и снижение расхода топлива, а также уменьшение токсичности выбросов отработавших газов. Такие «инжекторные» двигатели устанавливают и на некоторых отечественных легковых автомобилях.
Технико-экономические
показатели двигателей определяют на
специальных обкаточно-
N — ^, (6.3)
Е 9550 V ‘
Технико-экономические показатели при различных режимах работы (частоте вращения и нагрузке) оценивают по характеристикам. Характеристики — это графические выражения зависимости одного или нескольких показателей работы двигателя от другого независимого показателя. Характеристики строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде.
Наиболее эффективно двигатель работает на режиме максимальной мощности. Частоту вращения коленчатого вала и вращающий момент двигателя на этом режиме называют номинальными. Недогрузка двигателя существенно влияет на производительность и топливную экономичность тракторов и автомобилей. Так, удельный расход топлива интенсивно растет при уменьшении Ne от максимального значения до нуля.
3. Принцип районирования тракторов по типу ходовой системы
По типу ходовой системы подразделяются на колесные и гусеничные1.
Колесные подразделяются по «колесной формуле», отражающей общее число колес, число ведущих колес и их размеры. Так, «классический» четырехколесный трактор с передними управляемыми колесами меньшего диаметра и задними ведущими большего диаметра имеет колесную формулу 4К2. Здесь первая цифра «4» показывает общее число колес, а вторая цифра «2» - число ведущих колес. Если при тех же данных и передние колеса ведущие, но меньшего диаметра, то трактор имеет колесную формулу 4К4а, где вторая цифра «4» показывает, что трактор имеет четыре ведущих колеса (все колеса ведущие), а буква «а» - указывает на меньший диаметр передних ведущих колес. Тракторы со всеми четырьмя ведущими колесами одного диаметра имеют колесную формулу 4К46, где буква «б» указывает на равенство диаметров передних и задних колес. Встречаются тракторы с большим числом ведущих колес, особенно среди лесотехнических и лесохозяйственных (6К6, 8К8). Трактор с одним или двумя сближенными передними управляемыми колесами имеет колесную формулу ЗК2.
Кроме того, тракторы бывают полугусеничные и колесно-гусеничные. В первом случае трактор имеет два движителя (колесный передний управляемый и гусеничный задний ведущий), а во втором - они оба ведущие, но используется только один из движителей в зависимости от условий работы.
4. Цели повышения энергонасыщенности и рабочих скоростей тракторов.
Увеличение энергонасыщенности является одним из важнейших средств повышения производительности тракторов. За последние 20 лет была значительно увеличена энергонасыщенность сельскохозяйственных тракторов, вызванная увеличением рабочих скоростей МТА, при этом удельная мощность увеличилась более чем в 2,5 раза. Удельная мощность промышленных тракторов также ежегодно увеличивается со средним темпом 0,5 % в год. Энергонасыщенность современных гусеничных промышленных тракторов составляет 5,9—11 кВт на 1 т конструктивной массы трактора.
При известных тяговых усилиях энергонасыщенность является функцией рабочей скорости. И, наоборот, при заданном уровне энергонасыщенности рабочая скорость есть случайная функция от тягового усилия, характеризуемая принятыми в теории вероятностей параметрами.
Рабочие скорости не эквивалентны кинематическим, указываемым в технических характеристиках тракторов. Так, для трактора с МТ принято указывать скорость при максимальной мощности двигателя, поскольку трактор работает большую часть времени с такой скоростью. Для трактора с ГМТ в характеристиках указывается скорость холостого хода, т. е. скорость при Рк = Р/ или Ркр = 0. При этом скорости распределяются от 0 до кинематически предельной скорости по одномодальному асимметричному закону
Снижение скорости по
отношению к кинематически
Математическое ожидание ид в свою очередь является случайной величиной, распределенной по одномодальному асимметричному полигону, построенному по результатам более 100 испытаний различных моделей отечественных и зарубежных тракторов
Параметры полигонов Kv для тракторов с МТ и ГМТ значительно отличаются. Дополнительные испытания показали, что тракторы с МТ и ДПМ по параметрам полигонов Kv приближаются к тракторам с ГМТ. Средние скорости тракторов с МТ на 17 % ниже, чем кинематические при Ыл = max, или на 25—35 % ниже, чем кинематические при Рк = 0. Разброс этих параметров незначителен.
Уменьшение скорости тракторов с ГМТ по сравнению с кинематической при Рк = 0 составляет около 60 % и имеет значительные колебания (от 20 до 80 % с практически равной вероятностью).
Таким образом, если для тракторов с МТ и двигателями, имеющими малый Кю кинематически заложенная скорость может, хотя и не в полной мере, характеризовать математическое ожидание реальной скорости, связанное с энергонасыщенностью, то для тракторов с ДПМ, ГМТ, ЭЛ такая характеристика не отражает реальной скорости. С учетом изложенного для оценки МТУ различных типов целесообразно использовать математическое ожидание действительной скорости рабочего хода.
Выполненные с использованием математических моделей расчеты показывают, что
В связи с изложенным
выше необходимо обратить внимание на
часто встречающиеся заблуждени
Анализируя эффективность от увеличения энергонасыщенности, необходимо использовать еще один удельный показатель qn (отношение массы агрегата к ЭПП). Показатель qn с увеличением энергонасыщенности снижается обратно пропорционально росту Рут с таким же темпом, т. е. с ростом энергонасыщенности в 2 раза расход металла на единицу ЭПП снижается в 1,5 раза.
Расчеты показывают более значительные влияния qn по сравнению с другими на экономические показатели, чем и объясняется рост энергонасыщенности тракторов.
Однако на пути реализации расчетных показателей имеется ряд трудностей, из которых выделим две главных: технологические ограничения по скорости рабочего хода вследствие того, что невозможно обеспечить управление оборудованием, и повышенную нагруженность узлов и деталей агрегата.
Ограничение предельной скорости по технологии работ обусловливает различную рациональную энергонасыщенность для грунтов различных видов. В связи с этим, кроме поиска предельной скорости, необходимо определять рациональные мощности, учитывая вероятности изменения грунтовых условий.
Для обеспечения одной и той же энергонасыщенности агрегата при различном агрегатировании требуется различная мощность двигателя вследствие различных масс агрегата при постоянной массе трактора. И это также необходимо учитывать при расчетах.
Определять значения предельной технологической скорости можно только при условии оптимальности тягового фактора. Совершенно ошибочными являются исследования, в которых ее пытаются определять на тракторе с заданной мощностью двигателя, используя, например, более высокую передачу, и делают заключения о том, что при таких скоростях вообще невозможно работать. Очевидно, что в данном случае наряду с повышенной рабочей скоростью имеет место недостаточное тяговое усилие. Поэтому при дальнейшем анализе будем подразумевать, что во всех рассматриваемых случаях выбран оптимальный тяговый фактор.
Определению технологически
предельных скоростей предшествовали
исследования сопротивления грунта
копанию при различных
Полученные результаты не противоречат выводам, сделанным другими авторами [9, 14] при специальных исследованиях по изучению сопротивления грунта резанию на различных скоростях. Таким образом, сопротивления копанию позволяют увеличить рабочие скорости до 8 км/ч.
Рассмотрим, как изменялись ЭПП и производительность с увеличением рабочей скорости на тракторах ТЭМП-1 и ТЭМП-2.
Трактор ТЭМП-1. Результаты испытаний показывают, что рост производительности значительно замедлился при увеличении удельной мощности более 8,9 кВт на 1 т массы агрегата и средней скорости более 3 км/ч
Визуальные наблюдения при испытаниях трактора показали, что трудности в управлении отвалом наблюдались не при 3 км/ч, а при возрастании мгновенной скорости до 4—4,5 км/ч, и именно это явилось основной причиной снижения темпа роста производительности. Водитель ошибался, терял призму, натыкался на стенки траншеи, снижалось среднее тяговое усилие, увеличивалось среднее буксование, рос отбор мощности на гидропривод бульдозерного оборудования.
Трактор ТЭМП-2. Экспериментальные исследования проводили при следующих вариантах управления двигателем и бульдозером: первый — мощность 150 кВт, полная подача топлива, стандартная система управления (дискретная); второй — мощность 243 кВт, полная подача топлива, стандартная система управления; третий — мощность 243 кВт, работа с акселератором, стандартная система управления; четвертый — мощность 350 кВт, полная подача топлива,, система управления позиционная (следящая); пятый — мощность 350 кВт, работа с акселератором, стандартная система управления.
При испытаниях трактора ТЭМП-2 мощностью 150 кВт действительная скорость изменялась от 0 до 4 км/ч для трактора с МТ и от 0 до 6 км/ч для трактора с ГМТ при средней скорости соответственно 3,04 и 3,23 км/ч. С ростом мощности увеличиваются скорости и их дисперсия. При этом рост средней скорости несколько отстает от роста мощности. Однако это отставание незначительно. Так, для трактора с ГМТ при Ne = 150; 243; 350 кВт скорость ад = 3,23; 5,46; 7,37 км/ч; для трактора с МТ при Ne = 150; 243; 350 кВт скорость уд = 3,04; 4,83; 6,58 км/ч.
Таким образом, на наивысшей мощности основное время трактор работал в диапазоне скоростей 7—10 км/ч при средней скорости 6,58 и 7,37 км/ч, что в 2,5 раза выше скорости при работе бульдозера с обычным уровнем энергонасыщенности.
При увеличении мощности двигателя со 150 кВт до 243 кВт, т. е. в 1,65 раза, техническая производительность возросла в 1,47 раза, ЭПП — в 1,30 раза; дальнейшее увеличение мощности до 350 кВт, или в 1,45 раза, вызывает рост технической производительности в 1,22 раза и ЭПП — в 1,2 раза
Таким образом, при работе двигателя с полной подачей топлива рост производительности отстает от роста мощности примерно в соответствии с теоретической зависимостью.
Как показали испытания, до мощности 243 кВт возможна работа с обычной системой управления отвалом (при соответствующем увеличении подачи насосов и скорости подъема и опускания отвала). Однако использование акселератора значительно облегчает работу водителя, дает ему возможность уменьшать скорость при необходимости (например, в период манипулирования отвалом) и увеличивать ее на тех участках, где это целесообразно (например, при транспортировании грунта на кавальер). Таким образом, появляется вторая степень свободы (помимо управления бульдозером), которая компенсирует неточности при управлении бульдозером. Это особенно заметно при мощности 350 кВт, когда при работе с акселератором можно использовать обычную систему управления.
Как влияет работа с акселератором на производительность трактора? Облегчая для водителя управление агрегатом (при мощности 243 кВт) и делая возможным работу с обычной системой управления, использование акселератора снижает среднюю скорость и, соответственно, производительность (при этом сменная производительность может увеличиться в результате уменьшения утомляемости водителя при работе с акселератором). Техническая производительность и ЭПП трактора мощностью 243 кВт при наличии акселератора соответственно меньше на 4 и 7,5 %, чем при полной подаче топлива. Скорость при этом ниже на 6,5 %. Практически квалифицированный водитель все время работает при полной подаче топлива, пользуясь акселератором только в период заглубления отвала.
Несколько иное положение при работе трактора на мощности 350 кВт. Техническая производительность и ЭПП трактора при наличии акселератора на 8,5 и 27 % меньше, чем при полной подаче топлива. Скорость движения при работе с акселератором на 17 % ниже, чем при полной подаче топлива, т. е. водитель пользуется акселератором значительно чаще, поскольку работать на скорости, соответствующей мощности 350 кВт, труднее
На основании проведенных на тракторах ТЭМП-1 и ТЭМП-2 исследований, обеспечивающих изучение зоны удельных мощностей от 8 до 20 кВт на 1 т массы агрегата, а также результатов испытаний ряда тракторов с меньшей энергонасыщенностью были выполнены определенные обобщения. Для этого выбирали данные по испытаниям тракторов одной конструкции с различной удельной мощностью,, испытания которых были проведены в рамках одной серии опытов (один грунт, один водитель, одна методика, одна длина разработки)..
Для того, чтобы проанализировать всю совокупность данных, необходимо выразить производительность через какие-либо относительные величины. В нашем случае необходимо определить, с каким темпом увеличивается производительность при росте удельной мощности во всем исследуемом диапазоне? Поэтому будем выражать удельную мощность в абсолютных единицах, а производительность для каждой серии испытаний разделим на производительность при; наименьшей энергонасыщенности и обозначим это отношение коэффициентом /Сп.уд- Таким образом, производительность при наименьшей энергонасыщенности в каждой серии испытаний будет равна единице.
Полученные таким образом зависимости в совокупности представляют собой семейство линий, показывающих относительное увеличение производительности при различной удельной мощности. Так, например, зависимость для тракторов Т-100М, Т-130 показывает, что при росте удельной мощности с 4,8 до 5,9 кВт/т, т. е. в 1,3 раза, производительность увеличилась в 1,35 раза. На тракторе ДЭТ-250 увеличение удельной мощности с 7 до 10 кВт/т, т. е. в 1,45 раза (изменение было достигнуто вследствие увеличения мощ-ности^двигателя и уменьшения массы трактора при замене электрической трансмиссии на гидромеханическую), привело к увеличению производительности в 1,5 раза. В зоне свыше 8,8 кВт/т темп роста производительности замедлился. При переходе к другим системам управления и подвескам темп роста производительности снова возрастает. В результате выполненного обобщения установлено, что в зоне до 8 кВт на 1 т массы агрегата экспериментальный темп роста производительности опережает расчетный. Это объясняется тем, что при исследованиях изменялись условия эксперимента и некоторые конструктивные особенности тракторов. Во всяком случае, в этой зоне обеспечивается рост производительности не менее расчетного.
При энергонасыщенности от 8 до 9 кВт/т происходит резкое уменьшение темпа роста производительности и он уже начинает отставать от расчетного. Таким образом, энергонасыщенность 7,5— 8,5 кВт/т, соответствующую примерно математическому ожиданию скорости 2,7—3,5 км/ч, можно считать предельно целесообразной для тракторов с полужесткой подвеской и традиционными системами управления орудием и двигателем.
Для того, чтобы при дальнейшем повышении энергонасыщенности расчетные и экспериментальные результаты совпадали, необходимо использовать новые следящие или автоматические системы управления, а также более прогрессивные типы подвесок. Это позволяет увеличить ограниченную по технологии работ предельную скорость до 7 км/ч и соответствующую энергонасыщенность до 20—25 кВт/т. С увеличением энергонасыщенности увеличивается удельный расход топлива (на 1 м3 грунта), причем с ростом энергонасыщенности темп увеличения расхода замедляется. Увеличение удельного расхода топлива (на 1 м3 грунта) при росте энергонасыщенности вызывается в основном повышенными потерями мощности на передвижение трактора и не прямо пропорциональным увеличением производительности. Настоящие исследования базировались на работе трактора на типичных грунтах с фктах = 0,9-М,0, а именно для этих грунтов справедливы рассмотренные зависимости энергонасыщенности и рабочей скорости. Для других грунтов предельная рабочая скорость (ограничения по технологии работ) будет соответствовать другой энергонасыщенности трактора. Принимая технологически предельное значение математического ожидания скорости равным 3,5 км/ч, будем иметь для типичного грунта предельную энергонасыщенность, равную 8,5 кВт/т, для грунта с фктах = 1,2—10 КВТ/Т, а для грунта, например, с фктах = 0,6, до 4,0 КВТ/Т. Различие, как мы видим, существенное, и тут легко впасть в ошибку, приняв предельную энергонасыщенность на каком-либо грунте за абсолютное предельное значение Муд для всей совокупности грунтовых условий (такие ошибки часто совершаются при анализе результатов каких-либо конкретных испытаний). Предельной энергонасыщенности для каждого грунта будет соответствовать свое предельное значение энергетического потенциала производительности, выше которого при работе на данном грунте невозможно подняться, сколько бы мы не увеличивали энергонасыщенность.
Очевидно, что приняв для трактора энергонасыщенность , соответствующую грунту с большими значениями <рКтах> мы на слабых грунтах будем недоиспользовать мощность двигателя, работая на предельных скоростях, соответствующих меньшей мощности. С другой стороны, приняв энергонасыщенность, предельную для грунтов с малыми фктах» мы будем недоиспользовать потенциальные возможности трактора, т. е. недоиспользовать единицу массы конструкции. С возрастанием фКШах абсолютный ЭПП увеличивается, поэтому плотные грунты влияют на значения ПЭПП больше, чем легкие при равной вероятности.