2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АПК. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 2.1 Энергетические средства АПК Основными энергетическими средствами сельскохозяйственного производства являются двигатели тракторов, комбайнов, автомобилей, мобильных модулей и др. Основные энергетические средства в сельском хозяйстве – это тракторы. Трактор – это мобильное энергетическое средство на колесном или гусеничном ходу, предназначенное для выполнения работ с прицепными, полунавесными и навесными сельскохозяйственными, дорожными, строительными, транспортными, мелиоративными и другими машинами и орудиями. Область применения тракторов чрезвычайно широка. Поэтому для выполнения различного вида работ необходимы трактора разных типов. Современные сельскохозяйственные тракторы классифицируют по следующим основным признакам: ПО НАЗНАЧЕНИЮ: общего назначения– используемые для выполнения основных сельскохозяйственных работ, общих при возделывании большинства культур (вспашки, культивации, боронования, посева и уборки) универсально-пропашные – для междурядной обработки и уборки пропашных культур (сахарная свекла, кукуруза, подсолнечник, хлопок и др.), однако ими можно выполнять и общие работы (универсальные) специализированные –предназначены для выполнения работ в определенных условиях или для возделывания одной культуры, подразделяются на овощеводческие, садоводческие, свекловодческие, рисоводческие, горные, болотоходные и др ПО КОНСТРУКЦИИ ХОДОВОЙ ЧАСТИ: колесные – ходовая часть имеет колесные движетели; гусеничные – ходовая часть имеет гусеничные движетели; полугусеничные – колесные и гусеничные движетели используются одновременно. ПО ТИПУ ОСТОВА (ОСНОВЫ) рамные – остов представляет собой клепанную или сварную раму полурамные – остов образуется корпусом трансмиссии и двумя продольными балками прикрепленными к корпусу безрамные – остов состоит из корпусов отдельных механизмов ПО ТЯГОВОМУ КЛАССУ Типаж тракторов – это минимальный технически обоснованный ряд выпускаемых промышленностью или намеченных к выпуску тракторов. Классификационный показатель типажа тракторов – тяговый класс. Каждый класс содержит одну основную (базовую) модель трактора и несколько ее разновидностей (модификации), которые используют для выполнения специальных работ. Любая модификация представляет собой видоизмененную модель базового трактора, сохраняющую его основные сборочные единицы. Для удовлетворения нужд сельского хозяйства техника производится в десяти тяговых классах. В последнее время стало актуальным применять в описании тракторной техники не только номинальный тяговый класс, но и мощность двигателя. Номинальное тяговое усилие – это усилие, которое трактор развивает на стерне (чернозем или суглинок) нормальной плотности и влажности. Буксование колесных тракторов (4к2) допускается при этом не более 17…18%, а гусеничных – 5%. ТАБЛИЦА 2.1 – ТЯГОВЫЕ КЛАССЫ ТРАКТОРОВ ТЕХНИКА С НОМИНАЛЬНОЙ ТЯГОЙ ПО КЛАССУ 0,2 К данному классу можно отнести мотоблоки и минитракторы. В основном применяются в сельском хозяйстве на небольших участках, в основном для проведения работ с целью выведения новых сортов и отработки новых методов обработки почвы. Широко применяются фермерами на различных участках, в зависимости от имеющегося навесного оборудования. К данному классу можно отнести ХТЗ (Т-012), Гомсельмаш (АМЖК-8), Минский тракторный завод (МТЗ-082, Беларус-132Н) , Алтайский тракторный завод(МТ-15) , Курганский машиностроительный завод (КМЗ-012Ч), ЧТЗ (Т-0,2 Уралец). ТЯГОВЫЙ КЛАСС 0,6 К данному классу можно отнести АГРОМАШ (30ТК) , МТЗ ( «Беларус» 300) ХТЗ ( ХТЗ-2511,Т-30А, Т16МГ ) ВТЗ (ВТЗ-2032А, Т-25) Тракторы, относящиеся к данному классу участвуют в различных технологических процессах: подготовка почвы к посеву культурными злаками, посев, посадка овощей и корнеплодов, посадка декоративных и плодоносных деревьев и кустарников уход за посевами, уход за кустарниками и деревьями сбор урожая работы по подготовке кормов транспортные работы, коммунальные работы ТЯГОВЫЙ КЛАСС 0,9 К данному классу можно отнести МТЗ (Беларус-422), ВТЗ (ВТЗ-2048А, ВТЗ-45АТ) Агромаш (60 ТК, 50 ТК), ТТЗ(Т-28Х4М), ЛТЗ(Т-40М, Т-40, ЛТЗ-60АБ, ЛТЗ-60АБ-10, ЛТЗ-55, ЛТЗ55А, ЛТЗ-55АН) Спектр возможных работ в данном классе немного шире. Могут быть как полно приводные машины, так и тракторы по формуле 4х2. Установлены коробки передач с широким диапазоном переключаемых скоростей. Основным применение данного класса : вспашка легких почв подготовка земли к посеву междурядное окучивание, борьба с вредителями (опрыскивание культур) уборка урожая ,заготовка сена транспортные работы ТЯГОВЫЙ КЛАСС 1,4 К данному классу можно отнести АГРОМАШ( 85ТК), МТЗ(МТЗ-80.1, МТЗ-82, Беларус-923, «Беларус» 900-й серии) ЮМЗ-6АКМ, ЮМЗ-6ДМ, ЛТЗ-60АБ , ЮМЗ-6 С данного класса становится возможным использовать технику в сложных дорожных условиях. Представители данного класса наиболее эффективны при выполнении вышеперечисленных работ предыдущих классов и, учитывая их исключительные свойства, стало возможным их применение для: вспашки легких и средних почв культивации боронования внесения удобрений, гербицидов и т.д ТЯГОВЫЙ КЛАСС 2,0 К данному классу можно отнести АГРОМАШ (160 ТК), ЛТЗ (ЛТЗ-155, ЛТЗ-95), ХТЗ (Т-90С), МТЗ(МТЗ-1221, Беларус 1220-й, ШУ356) КТЗ(Т-54, Т-70, Т70СМ) В данном классе начитают появляться гусеничные тракторы. Связано это и с мощностью агрегатов и с условиями, в которых приходится выполнять поставленные задачи. К данному классу относятся как садовые тракторы, так и сельскохозяйственные общего и специального назначения. К вышеперечисленным видам работ добавились работы по: уходу за виноградниками свекловодческие работы садоводческие работа в горных районах ТЯГОВЫЙ КЛАСС 3,0-5,0 В данных классах появляется возможность применения колесной базы 6к6, применяемой вплоть до 5 класса включительно. С третьего класса появились болотоходные гусеничные машины. Применяются такие высокопроизводительные тракторы в общих сельскохозяйственных целях на больших участках земли различной степени сложности. ТЯГОВЫЙ КЛАСС 3,0 АГРОМАШ (ТГ150, 180ТК, 90ТГ), МТЗ ( «Беларус» 1500, МТЗ 1523), ХТЗ (ХТЗ-150К, ХТЗ-17221, Т-150К, Т-150), ЗАО «Агротехмаш» (АТМ 3180), ОАО «НПК «Уралвагонзавод»» (РТМ-160) ТЯГОВЫЙ КЛАСС 4,0 АТЗ (Т-4А, Т-4 ), ХТЗ (ХТЗ-201), МТЗ (МТЗ 2022, МТЗ-2103, Беларус 2022) ТЯГОВЫЙ КЛАСС 5,0 ПТЗ (К-744Р1, К-700), АТЗ (Т-501) , МТЗ ( Беларус 3023, МТЗ-3022) ТЯГОВЫЕ КЛАССЫ 6,0…8,0 Относятся к наиболее продуктивным машинам сельскохозяйственного назначения. Применяются в наиболее сложный условиях и на наиболее протяженных участках. 6,0 т ПТЗ (К-744Р2), ЧТЗ (Т-170М), АГРОМАШ (Руслан) 7,0 т - ПТЗ (К-744Р3) 8,0 т - ПТЗ (К-744Р4), ООО «КЗ «Ростсельмаш» («Versatile» 535) В зарубежной практике, в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации (ISO), применяют классификацию сельскохозяйственных тракторов по категориям мощности, измеренной на ВОМ трактора при номинальной частоте вращения вала двигателя. Классификации по тяговому усилию (Россия, страны СНГ) и по категориям мощности (ISO) могут быть соотнесены друг с другом, если принять одинаковыми агротехнические и энергетические ограничения по величине рабочих скоростей трактора на энергоемких операциях. 2.2 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДВИГАТЕЛЯ ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ: развиваемой им эффективной мощностью - Nе крутящим моментом - Mе расходом топлива в единицу времени - Gт удельным массовым расходом топлива - qе частотой вращения коленчатого вала двигателя - n ТРАКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ: работа под нагрузкой; работа при холостом ходе агрегата и трактора; при остановках агрегата с работающим двигателем. В особых случаях, при временном увеличении сопротивления машин, двигателю приходится преодолевать перегрузки На всех мобильных энергетических средствах сельскохозяйственного назначения устанавливают дизели с всережимными регуляторами, поэтому методы анализа их эксплуатационных свойств будут общими. Указанный анализ целесообразно проводить на базе регуляторной характеристики двигателя, которая в зависимости от решаемых задач может быть построена в функции частоты вращения коленчатого вала п или крутящего момента Ме Me, кН.м Memax ge=GT /Ne I II Ne,кВт Meн GT,кг/ч ge , г/кВт.ч Neн Mei Ne Nei GТ ge nпр GТн geн nн GТ ХХ ni nxx Рисунок 2.1 - Регуляторная характеристика двигателя в функции п. n, c-1 Характеристика имеет две ветви: I - от nхх до nн – регуляторная (рабочая), II - от nн до nпр – корректорная (перегрузочная). Важнейшим оценочным показателем полноты реализации энергетических возможностей двигателя является коэффициент использования мощности (коэффициент загрузки двигателя) ηз. N з N i е н е где Nеi - мощность, соответствующая заданной нагрузке При эксплуатационных расчетах часто применяют также коэффициент использования номинального крутящего момента i Ме м н Ме где Меi - крутящий момент при заданной нагрузке. При загрузке двигателя до номинальной мощности достигается минимальный удельный расход топлива. Однако такой режим загрузки двигателя при выполнении полевых работ неприемлем из-за изменчивости характера действующих сил сопротивления. Чем больше неравномерность тягового сопротивления машин, входящих в состав агрегата, тем меньше должны быть значения ηз и ηм, чтобы запас мощности двигателя был достаточен для преодоления временных перегрузок. При упрощенных практических расчетах обычно принимают ηз = ηм =0,9 Способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки в значительной степени зависит от характера изменения крутящего момента в корректорной ветви характеристики. Эта способность оценивается коэффициентами приспособляемости двигателя по крутящему моменту Км и по частоте вращения Кп max e н e M KM M , nн Kп nпр max e где M - максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем при предельной частоте вращения nпр коленчатого вала; Mне - номинальный крутящий момент, развиваемый двигателем при номинальной частоте вращения nн коленчатого вала. Для современных тракторных дизелей Км= 1,1... 1,2; Kn= 1,3... 1,6. Все тракторные двигатели имеют всережимный регулятор, который позволяет при плавном изменении подачи топлива получить множество частных регуляторных характеристик, вписывающихся в характеристику при полной подаче топлива. Пониженные скоростные режимы используются в условиях эксплуатации, когда нормальная загрузка двигателя не может быть обеспечена изза агротехнических ограничений рабочей скорости при заданной ширине захвата агрегата. Переход на пониженную подачу топлива обеспечивает повышение экономичности работы двигателя (снижение удельного массового расхода топлива). Для сохранения заданной скорости движения агрегата в этом случае переходят на повышенную передачу. 2.2.1 УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ АГРЕГАТА В динамическом отношении МТА представляет собой систему твердых тел, связанных между собой жесткими и упругими связями. Движение и работа агрегата происходят в результате взаимодействия сил, действующих на него. Тракторный двигатель, преобразуя энергию топлива в механическую, реализует ее в виде крутящего момента на коленчатом вале. Через трансмиссию весь этот момент (для тягового агрегата) или часть его (для тяговоприводного агрегата) предается движителю трактора, где он создает движущую силу Рдв (внешнею по отношению к агрегату). Рw Рf Ркр= Rаг G· cos α Рдв Рδ Rн h Rв α l Рисунок 2.2 - Схема внешних сил, действующих на трактор при его движении вверх по уклону поля Сила Рдв направлена на создание тягового усилия трактора, обеспечивающего преодоление сопротивления прицепной или навесной части агрегата Rаг, а также для преодоления сил сопротивления движению самого энергетического средства Рf , сопротивления воздушной среды Pw и сопротивления подъему (спуску) Pα . Кроме того, при работе трактора в агрегате с сельскохозяйственными машинами возникает буксование движителей, на что затрачивается часть движущей силы Рδ. Общее соотношение сил, действующих на МТА во время его работы, устанавливается уравнением движения, основанном на 2 законе Ньютона: P ΣP dV = дв сс , Ma dt dv где dt - ускорение агрегата, м/с2; Рдв - движущая агрегат сила, кН; ΣРсс - сумма сил сопротивления, кН; Ма - приведенная масса агрегата, кг. dV Pдв Pкр P Pf P Pw , dt Mа Необходимо отметить, что все величины, входящие в уравнение, в процессе выполнения агрегатом работы, непрерывно изменяются. При неустановившемся движении агрегата соответственно v ≠ Const и dV dt = ± j, dV Ma Pj , dt Pдв Pкр P Pf P Pw Pj Рдв - движущая агрегат сила, кН; Ркр - сила тяги на крюке трактора, кН; Рf - сила сопротивления качению трактора, кН; Рα - сила сопротивления движению трактора на подъем, кН; Рδ - усилие, затрачиваемое на допустимое буксование движителей трактора при i-той скорости, кН; Рw – сила, необходимая на преодоление сопротивления воздуха, кН; Рj – сила, необходимая на преодоление инерции агрегата, кН. Вследствие непрерывного изменения условий работы, которые имеют случайный характер, все величины, входящие в уравнение движения, в процессе работы агрегата непрерывно изменяются. Наибольшим изменениям подвергается сила инерции. Максимальные свои значения она приобретает в начале движения агрегата и при его остановках. Поэтому в этих случаях сила инерции должна быть учтена. При установившемся движении агрегата сила инерции способствует стабилизации технологического процесса. Учитывая, что работа с/х агрегатов происходит при относительно малых скоростях движения, в эксплуатационных расчетах силой сопротивления воздушной среды также пренебрегают. ТЯГОВЫЙ БАЛАНС ТРАКТОРА Pдв Pкр P Pf P Pкр Pдв P Pf P 2.2.2 ДВИЖУЩАЯ АГРЕГАТ СИЛА И ЕЕ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ПОЧВЕННЫХ УСЛОВИЙ Рассмотрим от чего зависят силы Рк – касательная сила и Fмах – сила сцепления. Касательная сила, создаваемая двигателем трактора, является активной и при отсутствии контакта ведущего аппарата трактора с почвой не создает движущую силу (внутренняя сила). Как уже отмечалось, движущая сила – это внешняя по отношению к трактору сила, которая образуется в результате взаимодействия с почвой ведущего аппарата (движителя) трактора, получающего крутящий момент Мк от двигателя через передаточные механизмы (трансмиссию). Крутящий момент Мк можно заменить парой сил Рк, одна из которых приложена к оси колеса, другая – к месту контакта колеса с почвой. Плечо пары сил равно радиусу колеса rк. Сцепной вес трактора Gсц вызывает вертикальную составляющую реакции почвы RВ на ведущее колесо (движитель). Благодаря этому, под действием силы Рк (касательной силы), приложенной в зоне контакта колеса с почвой, образуется горизонтальная составляющая реакция почвы F. Рассмотрим это на схеме В условиях достаточного сцепления движителя трактора с почвой Рдв = Рк. н Gсц e T м к н к 0,159 N i P n r Рк= Рдв или N м Pк 3, 6 VТ rк , Рк F Rв Рисунок 2.3- Схема сил, действующих на ведущее колесо (движитель) н е Для колесных тракторов ηм =0,91…0,92 Для гусеничных - ηмг =0,86…0,88 Рк - касательная сила, кН; Nен - номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; iт - передаточное число трансмиссии; η м - механический к.п.д. трансмиссии трактора, nн - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, с-1; rк - динамический радиус качения ведущего колеса или звездочки, м. Если почва, находящаяся в контакте с движителем трактора, неспособна создать ответную реакцию, равную касательной силе (условие недостаточного сцепления движителя с почвой), то движущая сила Рдв ограничивается максимально возможной силой сцепления Fmax При недостаточном сцеплении трактора с почвой Рдв = Fmax. Gсц Fmax Gсц , Рдв= Fmax Gсц G Для гусеничных и полноприводных колесных тракторов - λ=1 Для колесных с формулой 4К2 - λ=0,67 rк Рк движителя Таблица 1.1 Значения коэффициента сцепления μ Агрофон Рк Fmax Сухая грунтовая дорога Залежь Rв Рисунок 2.4- Схема образования движущей силы при недостаточном сцеплении движителя трактора с почвой Колесный трактор Гусеничный трактор 0,6…0,7 0,9 0,8…0,9 1,0 Стерня нормальной влажности 0,7…0,8 Почва, подготовленная под посев, свежевспаханное поле, чистый пар 0,5…0,6 0,9…1,0 0,6...0,7 СРАВНИВ ЗНАЧЕНИЯ КАСАТЕЛЬНОЙ СИЛЫ С МАКСИМАЛЬНОЙ СИЛОЙ СЦЕПЛЕНИЯ ДВИЖИТЕЛЯ С ПОЧВОЙ ВЕЛИЧИНУ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ если Рк Fmax (условие достаточного сцепления движителя с почвой), то Рдв = Рк , РДВ . FMAX, ОПРЕДЕЛЯЮТ если Рк > Fmax (условие недостаточного сцепления движителя с почвой), то Рдв = Fmax Pk Fmax<Pk Fmax>Pk Fmax Pдв=Fmax Pдв=Pk Недостаточное сцепление Достаточное сцепление Pk Fmax Pдв Рисунок 2.5 - Зависимость движущей силы от почвенных условий 2.2.3 ТЯГОВОЕ УСИЛИЕ ТРАКТОРА Тяговые возможности трактора для работы с сельскохозяйственными машинами в заданных условиях определяются тяговым усилием трактора Ркр. Из уравнения тягового баланса трактора видно, что тяговое усилие Ркр будет определяться движущей силой Рдв за вычетом сил, затрачиваемых на буксование движителей Рδ , на самопередвижение трактора Рf и на преодоление подъема Рα (при его наличии) P P P Pf Р , i кр i дв i Воздействие движущей силы на почву вызывает буксование движителей. Затрачиваемая на это сила Рδ определяется по формуле P P , i i дв где δ – коэффициент буксования Коэффициент буксования δ меняется в зависимости от нагрузки на крюке трактора и от почвенных условий, но во всех случаях он ограничен допустимым значением δД В случае недостаточного сцепления движущая сила ограничена сцепными свойствами трактора и допустимым буксованием δД. При достаточном сцеплении движущая сила равна касательной силе трактора. P G , i N м P 3, 6 , i VТ i н е Сила сопротивления передвижению (качению) трактора Рf пропорциональна вертикальной составляющей его веса G cosα и зависит от почвенного фона и конструктивных особенностей движителя, оцениваемых коэффициентом сопротивления качению f. Pf G cos f При малых углах подъема (до 7…10 градусов) можно считать, что cosα ≈ 1. Тогда Pf Gf На величину коэффициента сопротивления качению f влияют тип и состояние почвы, агрофон, распределение веса трактора по ходовому аппарату, тип движителя, скорость движения и т.д. Средние значения коэффициента f приведены в таблице Таблица - Коэффициент сопротивления качению трактора f Агрофон Колесный трактор Гусеничный трактор Сухая грунтовая дорога 0,03…0,05 0,05…0,07 Залежь 0,03…0,06 0,05…0,07 0,06…0,08 0,07…0,09 0,16…0,20 0,10...0,12 Стерня нормальной влажности Почва, подготовленная под посев, свежевспаханное поле, чистый пар Сила, затрачиваемая трактором на преодоление подъема (спуска) Рα зависит лишь от его веса и величины угла подъема, т.е., Р G sin . При малых значениях α можно утверждать, что sinα ≈ tanα = h /l= i . Уклон i принято выражать в процентах, поэтому P G i 100 Знак « + » соответствует подъему, знак « – » – спуску. В сумме Рf и Рα определяются по выражению Pf . G fi i 100 Исходя из уравнения тягового баланса, тяговое усилие трактора определится по формулам: При достаточном сцеплении N м i P 3, 6 1 G f i i 100 VТ i кр н е При недостаточном сцеплении P G 1 G fi i i кр 100 P, кН Fmax<Pk Fmax>Pk Pдв=Fmax Pдв=Pk Недостаточное сцепление Достаточное сцепление Fmax Pкр Pf,α Pδ Рисунок 1.5 - График тягового баланса трактора Pk P, кН 50 Недостаточное сцепление Достаточное сцепление Fmax <Pк Fmax >Pк Fmax 40 30 Pк 20 Pкр 10 Pδ Pf,α 5 6 Vμ =5,8 км/ч 7 8 9 V, км/ч
