Тягово-экономический баланс трактора


  1. ИСХОДНЫЕ  ДАННЫЕ

 

1.1. Исходные данные  для расчета трактора:

    • тип движителей, колесная формула – гусеничный;
    • номинальное тяговое усилие – 40 кН;
    • диапазон рабочих скоростей движения – 5…30 км/ч;
    • почвенный агрофон – целина;
    • число передач: четыре;
    • частота вращения к.в. двигателя n=2000мин-1;

1.2. Исходные данные  для расчета автомобиля:

    •   тип автомобиля – ограниченной проходимости;
    •   номинальная грузоподъемность – 6 т;
    •   скорость движения на прямой передаче – 95 км/ч;
    •   коэффициент суммарного сопротивления дороги – 0,02
    •   число передач: пять;
    •   номинальная частота вращения к.в. двигателя n=3100 мин-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2  ТЯГОВЫЙ  РАСЧЕТ  ТРАКТОРА

 

2.1  Определение  максимальной эксплуатационной массы трактора

Максимальная эксплуатационная масса mmax (кг) трактора определяется по формуле:

     (1)

где Рн  - номинальная сила тяги на первой рабочей передаче, Н;

jк.доп - коэффициент использования массы;

для гусеничного  трактора jк.доп =0,55-0,65; /3/, стр. 5.

принимаем jк.доп =0,6;

lк - коэффициент нагрузки ведущих колес (для гусеничного трактора   lк =1);

f - коэффициент сопротивления качению колесного и гусеничного движителя

(принимается по заданному агрофону)

g - ускорение свободного падения (9.81 м/с2).

Рн=40 кН (по заданию),

Коэффициент λк учитывает преобразование в тяговое усилие той части веса трактора, которая приходится на ведущие колеса (движители). В случае гусеничного движителя λк=1, т.к. вся масса трактора приходится на гусеничные движители и будет преобразована в тяговое усилие.

Для заданного агрофона (целина) f=0.06..0.07. /3/, стр. 5.

Принимаем f=0,06.

     Подставляем исходные данные в формулу (1):

 кг

     В качестве  прототипа принимаем трактор марки Т-4А (4 тяговый класс и гусеничный тип движителя), который является наиболее близким к проектируемому трактору.

2.2   Определение  номинальной мощности двигателя

     Номинальная мощность двигателя Nн (кВт) выбирается исходя из скорости движения трактора на первой передаче соответствующей номинальному тяговому усилию и условию движения агрегата на заданном почвенном фоне:

     (2)

где k з -  коэффициент запаса мощности (k з = 1,05...1,1 );

      V1 - первая основная скорость, м/с;

      hтр - к.п.д. трансмиссии.

Коэффициент запаса мощности принимаем кз=1,05;.   


V1=5 км/ч=1,39 м/с (по заданию),

КПД трансмиссии для первой передачи находится по формуле :

     (3)

     где - к.п.д. соответственно учитывающие потери холостого хода (0,96), цилиндрической пары шестерен (0,985...0,99), конической пары шестерен (0,975...0,98), карданных шарниров (0,985...0,99);

l1 и l2 - коэффициенты перераспределения массы на соответственно переднюю и заднюю ведущие оси ( в данном случае l1=1 и l2=0);

а1, в1, с1 - соответственно число пар цилиндрических и конических шестерен и число карданных шарниров, находящихся в зацеплении при передаче Мкр к передней оси;

а, в, с - соответственно число  пар цилиндрических и конических шестерен и число  карданных  шарниров, находящихся в зацеплении при передаче Мкр к задней оси.

 

 

Рисунок 1. Схема трансмиссии  проектируемого трактора.


     Для данной схемы трансмиссии а =2, в =1, с =0,

     Принимаем ήц=0.985, ήк=0.975, ήш=0.985

   Подставляем исходные данные в формулу (3):

 

      Подставляем исходные данные в формулу (2):

 кВт


В качестве прототипа двигателя  принимаем дизельный двигатель А-01М. (мощность 99 кВт, число цилиндров - 6, расположение – рядное, рабочий объем- 11150, частота вращения 1700 мин-1, удельный расход топлива gен=231 г/кВт∙ч).

2.3  Построение нагрузочной  характеристики двигателя

     Предварительно определяются параметры ниже перечисленных характерных точек режимов работы двигателя:

2.3.1  Номинальный режим:

     Угловая скорость коленчатого вала (с -1):

,     (4)

где nн=2000 мин-1 (по заданию).

 с-1

     Крутящий момент двигателя при номинальной мощности  (кН×м):

     (5)

 кНм

     Часовой расход топлива:

Gт = gе×Nн×10-3,    (6)

 

 кг/ч

 

где gе - удельный расход топлива(gе=220 г/кВт·ч по выбранному прототипу).

2.3.2  Режим  холостого хода  (регуляторная  ветвь):

     Угловая скорость холостого хода зависит от степени  неравномерности регулятора dр (у современных тракторов dр =0,07...0,08): 

wхх = (1 + dр)× wн,     (7)

Степень неравномерности регулятора зависит от агрофона. Чем тяжелее условия: подъемы, спуски, тяжелые условия пахоты), тем шире должен быть диапазон регуляторной ветви. Целина – сложнопахотные условия. Исходя из этого, принимаем наибольшее значение δр=0,08.

Подставляю исходные значения в  формулу (7):

 с-1

     Эффективная мощность и крутящий момент при этом равны нулю.

     Часовой расход топлива на холостом режиме работе зависит от механического КПД двигателя и находится в пределах:

Gт хх =(0,25...0,3) × Gт.     (8)

На холостом режиме двигатель расходует свою мощность на проворачивание деталей и узлов КШМ, а так же вспомогательных систем и механизмов. У выбранного прототипа двигателя 6 цилиндра расположенных рядно и достаточно небольшие размеры цилиндров. Поэтому будут присутствовать большие инерционные силы, что приведет к повышенному расходу топлива. Исходя из этого, принимаю коэффициент, равным 0,3.

     Подставляем данные в формулу (8):


 кг/ч.

2.3.3  Корректорная ветвь:

     Расчет эффективной мощности производится по формуле С.Р. Лейдермана:

     (9)

где wе и wн - соответственно текущее значение угловой скорости вращения       коленчатого вала (задаются 5...6 значениями wе в пределах от wмин до wн) и   значение при номинальной мощности двигателя, с-1;

С1 и С2 - коэффициенты, зависящие от типа двигателя и способа смесеобразования:  (С1 = 0,87 и С2 =1,13 - для дизелей с неразделенными камерами сгорания).       /2, страница 24/

Исходный прототип двигателя имеет  неразделенные камеры сгорания, которые отличаются простотой своего изготовления и наибольшей экономичностью.

     При расчетах минимальная угловая скорость для дизелей принимается в пределе wмин = 40...80 с-1

     Принимаю wмин =70 с-1

     Крутящий момент двигателя:

,     (10)

     Удельный расход топлива для дизелей в г/(кВт×ч):

     (11)

где geн - удельный расход топлива при номинальной мощности.

     Часовой расход топлива  в  кг/ч:

Gт = Nе × ge ×10-3.     (12)

     Подставляем исходные данные в формулы (9, 10, 11 и 12):

 

1) ω=70 с-1

     кВт

   кНм

   г/(кВт*ч)

    кг/ч


     Аналогично  находим остальные точки корректорной ветви, результаты расчетов заносим в таблицу 1:

Таблица 1 Регуляторная характеристика двигателя

№

n, мин-1

ω, рад/с

Nе, кВт

Мк, кНм

gе, г/(кВт*ч)

GТ, кг/ч

1

668,79

70

27,68

0,396

264,14

7,312

2

1050,96

110

45,486

0,414

233,68

10,629

3

1242,04

130

53,686

0,413

224,76

12,066

4

1433,12

150

60,930

0,406

219,98

13,403

5

1719,74

180

69,077

0,384

220,97

15,264

6

2000,00

209,33

72,880

0,348

231,00

16,835


2.4  Определение размеров ведущей звездочки.

Для гусеничного трактора динамический радиус звездочки:

    

где Lзв  и   zзв – шаг звена(м) и число зубьев ведущей звездочки.

     Принимаем Lзв=0,176 м  и   zзв=14.

     Подставляем значения в формулу:

2.5 Определение передаточных чисел трансмиссии.

     Передаточные числа трансмиссии:

для первой передачи:

     (13)

     Подставляем  данные в формулу (13):

для последней передачи (в данном случае 4-ая):

     (14)

где V4=30 км/ч=8,33 м/с (по заданию).


     Подставляем данные в формулу (14):

     Для промежуточных  передач вначале определяется  знаменатель геометричес-

кой прогрессии:

     (15)

где z=4 – количество передач.

     Находим  знаменатель геометрической прогрессии:

     Затем находятся передаточные числа:

iz= q· iz-1,     (16)

i2=q· i1=0,5505·60,239=33,16

i3=q· i2=0,5505·33,16=18,26

2.6. Определение касательной силы тяги, крюковой силы и скорости движения на всех передачах.

     Касательная сила тяги в кН:

,     (17)

Рк -  определяется для первой передачи и при различных значениях Мк . Значение Мк  принимается из регуляторной характеристики (таблица 1).

1) кН

     Аналогично определяем остальные значения:

№

n, мин-1

ω, рад/с

Мк, кНм

Рк, кН

1

668,79

70

0,396

53,07

2

1050,96

110

0,414

55,48

3

1242,04

130

0,413

55,35

4

1433,12

150

0,406

54,41

5

1719,74

180

0,384

51,46

6

2000,00

209,33

0,348

46,64


    Крюковое усилие в кН :

Ркр =Рк - Рf,     (18)

где  Рf - сила сопротивления качению трактора (кН):

     (19)

 кН

     Подставляю  исходные данные в формулу  (18):

1) Ркр =53,07- 4,44=48,63 кН

     Аналогично  находятся остальные значения  крюкового усилия:

№

Ркр, кН

1

48,63

2

51,04

3

50,91

4

49,97

5

47,02

6

42,20


 

 

     Теоретическая скорость движения при данной передаче (м/с):


,     (20)

     Находим  теоретическую скорость движения  на первой передаче:

1) м/с,

     Аналогично  находятся остальные значения  скорости, при изменении угловой скорости;

№

Vт, м/с

1

0,465

2

0,730

3

0,863

4

0,996

5

1,195

6

1,389


 

     Действительная скорость движения:

Vp =  Vт·(1-d),     (21)

где  d - буксование движителя.

Для определения буксования пользуюсь методом профессора Б.Я. Гинцбурга.

Для этого определяем отношение крюкового усилия Ркр к произведению сцепного веса  Gсц  и коэффициента сцепления j, т.е. Ркр/(Gсц × j),где коэффициент φ=1,0-1,1.                                                                                  /2, страница 4/

Качество сцепления  движителя с почвой оценивают  коэффициентом сцепления φ, который  определяют как отношение касательной силы к нормальной нагрузке на движитель φ=Рк/Gн. Чем больше коэффициент сцепления, тем большую силу тяги может реализовать движитель. Целина отличается большой механической прочностью почвы. Поэтому вероятность срыва почвы минимален. Исходя из этого принимаю наибольший коэффициент сцепления φ=1,1.

Для гусеничных и колесных тракторов со всеми ведущими колесами:

     (22)

     Нахожу  величину сцепного веса:

 кН

         Определяю искомые отношения:

1) Ркр/(Gсц × j)=48,63/(74,15*1,1)=0,596

     Аналогично  определяем остальные значения отношения;

№

Ркр/(Gсц × j)

1

0,596

2

0,625

3

0,624

4

0,613

5

0,576

6

0,517


     Для каждого найденного отношения по приложению Б методического указания находим значения буксования. При этом пользуемся методом интерполяции:

Ркр/(Gсц × j)

δ

0,596

0,028

0,625

0,029

0,624

0,029

0,613

0,028

0,576

0,023

0,517

0,018


     Балласт  на ведущую ось добавляют в том случае, если буксование d при Ркр = Рн превышает допустимые пределы,  рекомендуемые для данного типа трактора ( на плотных грунтах для  гусеничных тракторов  d до 4 %). В данном случае величина буксования лежит в допустимых пределах, поэтому не требуется добавлять балласт.                                                             /3, страница 10/

Подставляем исходные значения в формулу (21):

1) Vp =  0,465·(1-0,028)=0,45 м/с,

Аналогично определяются остальные значения:

№

Vт, м/с

δ

Vp, м/с

1

0,465

0,028

0,45

2

0,730

0,029

0,70

3

0,863

0,029

0,83

4

0,996

0,028

0,97

5

1,195

0,023

1,17

6

1,389

0,018

1,27


 

 

2.7  Определение тягового к.п.д. и оценка топливной экономичности.

     По Ркр для первой передачи определяю тяговую  мощность, а затем удельный расход топлива и тяговый КПД.

     Тяговая мощность в кВт:

Nкр = Ркр×Vp,     (23)

1) Nкр =48,63*0,45=21,88 кВт,

     Аналогично определяю остальные значения Nкр :

№

Nкр, кВт

1

21,88

2

35,73

3

41,47

4

48,47

5

55,01

6

53,59


     Крюковой удельный расход топлива в г/(кВт×ч):

,     (24)

     Определяю  крюковой удельный расход топлива:

1) г/кВт·ч,

     Аналогично  остальные значения:

№

gкр, г/(кВт*ч)

1

0,334

2

0,297

3

0,290

4

0,276

5

0,277

6

0,314


 

     Тяговый КПД:


 

     (25)

     (26)

Тяговые КПД определяем для nmin=429,94 мин-1 и nн=1800 мин-1.

- для nmin=429,94 мин-1:

     Полученные значения   и сравниваем  между собой:

     (27)

 

- для nн=2000 мин-1:

     В данном  случае отклонения тяговых КПД  не превышают допустимого предела(5%)® расчеты выполнены правильно.

     Расчет тяговой характеристики на последующих  передачах  производим на ЭВМ по программе " TRAKTOR-2005 ", для чего подготавливаем к вводу в ЭВМ параметры и принятые коэффициенты проектируемого трактора(таблица 2).


              Таблица 2  Вводимые в ЭВМ параметры

Названия

Значения

Тип двигателя трактора

Дизель

Тяговое усилие Рн, кН

40

Рабочая скорость на первой передаче V1, км/ч

5

Максимальная скорость V, км/ч

30

Число передач z

4

Длина звена гусеницы Lзв, м

0,176

Число зубьев звездочки zзв

14

Коэффициент  нагрузки ведущих колес lк

1

Коэффициент сопротивления качению f

0,06

Коэффициент  сцепления j

1,1

Коэффициент использования  массы jк.доп

0,6

к.п.д.  трансмиссии hтр

0.89

Коэффициент  запаса мощности kз

1,05

Номинальный удельный расход топлива gен, г/(кВт×ч)

231

Частота вращения к.в. двигателя

(5...6 точек от nмин до nн), мин-1

668,79; 1050,96; 1242,04; 1433,12; 1719,74; 2000,0;

Масса балласта mбал, т

0

Тяговый к.п.д. на 1-ой передаче при nмин   hтяг, %

79,0

Тяговый к.п.д. на 1-ой передаче при nн    hтяг, %

73,5

   

 

 

 

 

№ передачи

№

n

ω

Мк

Рк

Рf

Ркр, кН

Nкр, кВт

gкр, г/(кВт*ч)

d

Vт, м/с

Vp

GТ

hтяг, %

1

1

429,94

45

0,219

26,5

2,22

24,2

7,9

342

2

0,33

0,32

2,687

79,6

1

2

812,10

85

0,238

28,8

2,22

26,5

16,1

292

3

0,63

0,61

4,699

79,5

1

3

955,41

100

0,241

29,0

2,22

26,8

19,1

280

3

0,74

0,72

5,345

79,4

1

4

1337,58

140

0,235

28,3

2,22

26,1

26,1

263

3

1,03

1,00

6,866

79,5

1

5

1719,75

180

0,210

25,3

2,22

23,1

30

272

2

1,33

1,30

8,170

79,5

1

6

1800,00

188,4

0,203

24,4

2,22

22,2

30,3

277

2

1,39

1,36

8,400

79,4

                             

2

1

429,94

45

0,219

16,7

2,22

14,5

7,5

356

1

0,53

0,52

2,687

76,4

2

2

812,1

85

0,238

18,1

2,22

15,9

15,6

300

1

1,00

0,99

4,699

77,3

2

3

955,41

100

0,241

18,3

2,22

16,1

18,6

287

1

1,17

1,16

5,345

77,3

2

4

1337,58

140

0,235

17,8

2,22

15,6

25,3

271

1

1,64

1,62

6,866

77,1

2

5

1719,75

180

0,210

16,0

2,22

13,7

28,7

284

1

2,11

2,09

8,170

75,9

2

6

1800

188,4

0,203

15,4

2,22

13,2

28,8

291

1

2,21

2,18

8,400

75,5

                             

3

1

429,94

45

0,219

10,5

2,22

8,3

6,9

390

1

0,84

0,83

2,687

69,8

3

2

812,1

85

0,238

11,4

2,22

9,2

14,4

325

1

1,58

1,56

4,699

71,3

3

3

955,41

100

0,241

11,5

2,22

9,3

17,2

311

1

1,86

1,84

5,345

71,4

3

4

1337,58

140

0,235

11,2

2,22

9

23,3

295

1

2,60

2,58

6,866

71,0

3

5

1719,75

180

0,210

10,1

2,22

7,8

26,1

313

0

3,35

3,35

8,170

69,0

3

6

1800

188,4

0,203

9,7

2,22

7,5

26,1

322

0

3,50

3,50

8,400

68,3

                             

4

1

429,94

45

0,219

6,6

2,22

4,4

5,8

462

0

1,33

1,33

2,687

59,0

4

2

812,1

85

0,238

7,2

2,22

5

12,4

378

0

2,50

2,50

4,699

61,3

4

3

955,41

100

0,241

7,3

2,22

5

14,8

361

0

2,95

2,95

5,345

61,6

4

4

1337,58

140

0,235

7,1

2,22

4,9

20

344

0

4,12

4,12

6,866

60,9

4

5

1719,75

180

0,210

6,3

2,22

4,1

21,8

375

0

5,30

5,30

8,170

57,6

4

6

1800

188,4

0,203

6,1

2,22

3,9

21,6

389

0

5,55

5,55

8,400

56,5




Таблица 3. Теоретическая  тяговая характеристика трактора.

2.9 Анализ тягового  расчета трактора.

     Спроектированный  трактор имеет следующие показатели.

Тяговый класс - 2

Рабочие скорости – 5…30 км/ч

Тип движителя – гусеничный  

Количество рабочих  передач при движении вперед – 4

Рабочий агрофон - целина

Рабочие скорости на первой передаче – 1,19 …5 км/ч

Тип двигателя - дизель

Номинальная мощность двигателя – 38,18 кВт

Номинальный удельный расход топлива – 231 г/кВт∙ч

Число цилиндров - 6

Расположение цилиндров - рядное

Тип камеры сгорания - неразделенная

Проанализировав тяговую  характеристику трактора, можно сделать  следующие выводы:

Трактор развивает максимальную тяговую мощность 19.91 кВт. При этом усилие на крюке составит 55.5 кН, а тяговый КПД – 81.2 %.

Диапазон Ркр для различных передач:

1 передача: 9.5…11,5 кН

2 передача: 6.1…7.4 кН

3 передача: 3.7…4.6 кН

4 передача: 2.2…2.8 кН

5 передача: 1.2…1.6 кН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3 ТЯГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ   РАСЧЕТ  АВТОМОБИЛЯ С МЕХАНИЧЕСКОЙ  ТРАНСМИССИЕЙ

 

 

3.1  Определение массы автомобиля.

     Собственная масса автомобиля  m0 (т) в снаряженном состоянии:

m0 = mг × kг,     (28)

где mг - номинальная грузоподъемность, т (по заданию);

       kг - коэффициент снаряженной массы (принимается по рисунку 1 методического указания).     /2, страница 6/

       mг=8 т; принимаем kг=0,8.

     Подставляем исходные данные в формулу (28):

m0 =6·0,8=4,8 т

     Полная масса автомобиля m (т):

m = m0 + mг,     (29)

     По формуле  (29) нахожу полную массу автомобиля:

m =4,8+6=10,8 т.

 

3.2 Определение мощности  двигателя

     Мощность двигателя Nн (кВт)  должна быть достаточной для обеспечения движения с максимальной скоростью V (м/с) по дороге с заданным коэффициентом сопротивления движению при полном использовании грузоподъемности  автомобиля:

     (30)

     (31)

где   Nп- потребная мощность;

        kз - коэффициент запаса мощности (kз = 1,05...1,1);

         F - площадь лобовой поверхности  автомобиля, м2;

         V –максимальная скорость автомобиля, по заданию Vmax=95 км/ч=26,39 м/с.

         k – коэффициент обтекаемости;