Раздел I. Методика тягового расчета трактора и теоретической тяговой характеристик трактора и тягово-энергетической коцепции

Часть 1. Теоретические основы методики расчета тяговой характеристики трактора тягово-энергетической коцепции

1.1. Общие сведения

Развитие технической концепции сельскохозяйственного трактора опирается на развитии технологий сельскохозяйственного производства и МТА в целом.

На первом этапе применения трактора соотношение между энергетической (трактор) и технологической (сельскохозяйственная машина) частями масс машинно-тракторного агрегата характеризовалось значительно большей массой трактора. По мере развития машинных технологий возделывания сельскохозяйственных культур рост массы технологической части МТА опережал рост массы трактора. С применением комбинированных агрегатов масса навешиваемой на трактор технологической части агрегата сравнялась с массой энергетической части. Экстраполируя эту зависимость, можно предположить, что в будущем масса технологической части агрегата будет превосходить массу энергетической.

Если условиться, что на всех трех перечисленных этапах масса МТА сохраняется постоянной, то соотношение энергетической и технологической его частей можно представить в виде прямоугольников (рис. 1).

Рис.1. Изменение соотношения между массой энергетического средства (M_э.с) и массой технологической части МТА (М_т.с): а – в начале применения трактора вместо живой тяговой силы; б – в настоящее время; в – в перспективе

Анализ технологических, агротехнических и других факторов, определяющих концепцию трактора, показывает, что их требования противоречивы, поэтому стремление повысить одни свойства приводит к снижению других. Так, основные требования – повышение производительности МТА, энерговооруженности механизаторов и сокращение их численности – могут быть реализованы только в результате повышения мощности двигателя и увеличения тягового усилия, т. е. веса трактора. Химизация и применение навесных комбинированных агрегатов также ведут к увеличению веса агрегата и нагрузки на колеса трактора.

Агротехнические требования заключаются, прежде всего, в снижении давления движителей на почву, применении узких колес, хорошо вписывающихся в междурядья пропашных культур, уменьшении числа проходов по полю.

Противоречие требований агротехники и развития функциональных свойств трактора тяговой концепции достигло критического состояния и создает объективные трудности в дальнейшем совершенствовании их параметров, так как нельзя поступиться одними требованиями в пользу других.

Тяговая концепция трактора предусматривает согласование мощности двигателя и его массы таким образом, что первая может быть полностью реализована через тяговое усилие трактора и в ограниченном (агротехническими требованиями) диапазоне скоростей. Поэтому увеличение мощности двигателя в целях повышения производительности МТА, приводит к значительному увеличению общего веса трактора тяговой концепции и увеличивает потери на его передвижение.

Для реализации мощности двигателей энергонасыщенных тракторов широкое применение, особенно за рубежом, получило балластирование, применение которого позволяет реализовать "избыточную" мощность двигателя через увеличение тягового усилия трактора. Так, например трактор Fend-936 с двигателем мощностью 260 кВт, обладая эксплуатационным весом без балласта 105 кН, догружается до веса 150 кН [Кутьков Г.М. Энергонасыщенность и классификация тракторов // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2009, №5 С.11-14]. Повышенная энергонасышенность в сочетании с соответствующей степенью балластирования позволяет агрегатировать трактор с сельхозмашинами более точно по признаку соответствия тягового усилия трактора тяговому сопротивлению орудия. Трактор без балласта используется на малоэнергоемких операциях (когда не требуется высокая сила тяги) и балластируется при работе с орудиями, обладающими высоким тяговым сопротивлением. Возможность изменения балластированием веса трактора в соответствии с требуемым тяговым сопротивлением орудия исключает необходимость вынужденною перемещения по полю излишней массы, затрат энергии и топлива.

Следует подчеркнуть, что балластирование может быть осуществлено путем навешивания не только балластных грузов, но и нескольких орудий, а также емкостей с технологическим материалом при формировании комбинированных навесных агрегатов.

Возможности эффективного использования трактора высокой энергонасыщенности только балластированием не ограничиваются. Радикальный способ увеличения относительной доли сцепного веса в агрегате, или активизации веса МТА, – оснащение его технологической части ведущими колесами, приводимыми от системы отбора мощности трактора. В этом случае только часть мощности двигателя реализуется через ходовую систему трактора, поэтому его удельная материальность может быть снижена еще больше, чем при пассивных опорных колесах сцепки.

Наиболее целесообразно дополнить энергонасыщенный трактор технологической тележкой с активно приводными колесами, которую при необходимости можно было бы балластировать. В зависимости от соотношения сцепных весов трактора и тележки активно приводные колеса последней могут обеспечить прирост тягового усилия от 50 до 100 %. Энергонасыщенность тракторов в таком агрегате можно повысить в 1,5...2 раза в сравнении с современными тракторами тяговой концепции. Столь существенное изменение энергонасыщенности переводит трактор в другую техническую концепцию, потому что при таком соотношении между весом и мощностью он уже не может быть тягачом.

В нашей стране в 70—80-е гг. прошлого столетия проведены НИОКР по преобразованию излишка мощности двигателя в силу тяги применением третьего (подкатного) моста с активным приво­дом его колес от ВОМ трактора, оснащенного гидравлическим навесным, седельным и прицепным устройствами, ВОМ и другим оборудованием, необходимым для выполнения полевых и транспортных операций. Поткатной мост можно было балластировать. Трактор высокой энергонасыщенности назвали энергетическим модулем (ЭМ). третий (подкатной) мост, оснащенный необходимым технологическим оборудованием. — транспортно-технологическим модулем (ТТМ). а совокупность ЭМ и ТТМ — модульным энерготехнологическим средством — МЭС (рис. 2). Соединение ЭМ и ТТМ осуществляется с помощью штатного навесного устройства. Энергетический модуль имел энергонасыщенность 2,58 кВт/кН. а МЭС — 1,65 кВт/кН, что сопоставимо с энергонасышенностыо трактора Fendt-936 без балласта и с балластом — 2.61 и 1,73.

Рис. 2. Модульное энерготехнологическое средство (МЭС-200):

1- энергетический модуль (ЭМ): 2 - тяги навесного устройства; 3 - согласующий редуктор: 4 - транспортно-технологический модуль (ТТМ): 5 - навесное устройство ТТМ: 6 - вал привода колес ТТМ от согласующего редуктора; 7 - шарнирное сочленение ЭМ и ТТМ; 8 - ват от ВОМ ЭМ.

Применяемый энергетический модуль назвали "трактором тягово-энергетической концепции". Такое название мотивировано тем, что, во-первых, трактор несет на себе "излишек" энергии, а во-вторых, потому, что этот "излишек" реализовываеися в технологическом процессе помимо ходовой системы энергетического модуля (трактора) через его ВОМ - механизм, предназначенный для для передачи энергии на привод рабочих органов агрегатируемых с трактором машин. Особенность состоит в том, что на некоторых технологических режимах (при отсутствии балласта или при работе без ТТМ) трактор тягово-энергетической концепции , работая в качестве тягача и не может реализовать полную мощность двигателя (из-за недостаточного эксплуатационного веса трактора или отсутствия ТТМ в составе агрегата).

Современный трактор-тягач (тяговой концепции) характеризуется жесткой параметрической зависимостью между его весом G_тр и мощностью двигателяN_e

.

Строгость этой зависимости обусловлена необходимостью реализации мощности двигателя только через тяговое усилие и в ограниченном (агротехническими требованиями) диапазоне скоростей. Если мощность двигателя будет превышать соответствующее ей значение веса трактора, то она не будет использована на большинстве сельскохозяйственных операций из-за ограничений по технологическим скоростям. При отклонении мощности в другую сторону трактор будет работать с пониженными скоростями из-за ее недостатка и МТА не будет развивать потенциально возможную производительность.

При модульном построении агрегата устраняется требование соответствия между весом энергетического модуля и мощностью двигателя, свойственное тяговой концепции трактора. Технологическую и энергетическую части МТА можно совершенствовать в соответствии с требованиями, предъявляемыми к каждой из них, избегая противоречия между ними и улучшая общие показатели трактора и МТА. Металл можно «перемещать» из непроизводительной части агрегата, которой является; трактор, в производительную технологическую часть при сохранении баланса массы МТА, обеспечивающей необходимые его тяговые свойства. При тяговой концепции трактора рост массы технологической части неизменно вызывает увеличение массы трактора, а следовательно, и массы всего МТА.

При модульной системе построения агрегата теоретически можно неограниченно повышать массу технологической части агрегата и снижать массу энергетической части при одновременном повышении мощности двигателя. Практически вес и энергонасыщенность ЭМ, с одной стороны, и вес ТТМ, с другой стороны, следует выбирать такими чтобы отдельно взятый ЭМ и ЭМ в сочетании с ТТМ (МЭС) соответствовали по весу тракторам смежных тяговых классов по действующему в нашей стране типажу.

На рисунке 3 показано изменение тягово-скоростной характеристики исходной модели трактора тяговой концепции тягового класса 2 (1), при повышении его энергонасыщенности до уровня энергетического модуля (2) и с последующим подсоединением к нему ТТМ (3). Тягово-скоростная характеристика представляет собой огибающую графиков скоростей по передачам тяговой характеристики, для перечисленных энергетических средств: аb – исходная модель трактора тяговой концепции; а'b΄ – ЭМ на основе трактора тяговой концепции, полученный в результате форсирования двигателя по мощности и сохранения неизменной массы трактора; а"b" – МЭС на основе ЭМ. На всех трех графиках точки с, с΄ и с˝ соответствуют номинальному тяговому усилию и номинальной скорости. Диапазон технологических скоростей обозначен интервалом vа–vb.

Рис. 3. Тягово-скоростные характеристики тракторов разной энергонасыщенности и разного тягового класса: 1-исходной модели тягового класса 2; 2-энергонасыщенного трактора (энергетического модуля); 3-энергетического модуля с технологическим модулем.

Из рисунка видно, что с увеличением энергонасыщенности трактора до уровня энергетического модуля его тяговый класс не изменился, а номинальная скорость, а следовательно и весь рабочий диапазон, существенно (пропорционально повышению мощности) увеличились.

В соответствии с исходными соображениями масса МЭС (вес ЭМ плюс вес ТТМ) должна быть равна массе трактора тяговой концепции очередного, более высокого, чем масса ЭМ, тягового класса. Тогда и зависимость а"b" скорости от тягового усилия для МЭС займет положение в диапазоне более высоких тяговых усилий . При этом номинальное тяговое усилие МЭС должно соответствовать тяговому классу 3, а номинальная скорость с˝ и весь диапазон рабочих скоростей будут такими же, у исходного варианта – vа–vb.

Исходя из этих зависимостей, можно найти выражение для определения энергонасыщенности ЭМ или трактора тягово-энергетической концепции по формуле

где N_е.т — эксплуатационная мощность двигателя трактора тяговой концепции одинакового с МЭС (ЭМ+ТТМ) тягового класса;m_э.м — эксплуатационная масса ЭМ.

По этому выражению можно определить энергонасыщенность трактора тягово-энергетической концепции, исходя из внедрения его в существующую классификацию тракторов по тяговому усилию. Для этого эксплуатационную мощность двигателя трактора более высокого тягового класса необходимо отнести к массе трактора предыдущего тягового класса.

Как следует из рисунка 3, скоростной диапазон передач ЭМ vа'vb′ не согласуется с тяговым диапазоном. Вследствие повышения мощности двигателя и сохранения массы трактора вся тягово-скоростная потенциальная характеристика переместилась из положения аb в положение а'b΄ в том же диапазоне тяговых усилий .В результате этого скорости ЭМ на участке тягового диапазона. оказались выше (заштрихованная зона) достигнутых технологических скоростей. Это означает, что эксплуатация ЭМ в этом диапазоне тяговых сопротивлений с допустимыми технологическими скоростями будет сопровождаться повышенным расходом топлива по сравнению с режимом работы, когда тяговая нагрузка трактора и номинальная мощность двигателя согласованы между собой.

Таким образом, в рабочем диапазоне тяговых усилий полная мощность двигателя ЭМ не может быть использована. Это означает, что при решении проблемы снижения материалоемкости МТА за счет активизации сцепного веса технологической части агрегата возникла другая проблема – недоиспользование мощности двигателя трактора высокой энергонасыщенности при применении его без ТТМ.

На рисунке 4 представлена матрица возможного типоразмерного ряда колесных МЭС в диапазоне тяговых усилий 6...50 кН. По оси абсцисс отложено тяговое усилие технологических модулей трех типоразмеров, а по оси ординат – тяговое усилие энергетических модулей. Заштрихованные квадраты отражают суммарное тяговое усилие ТТМ и ЭМ, т. е. номинальное тяговое усилие МЭС.

Рис. 4. Матрица типоразмерного ряда модульных

энерготехнологических средств

Из рис. 4 видно, что МЭС каждого типоразмера ха­рактеризуется не одним значением силы тяги, а "вилкой", диапазон которой равен ступеньке между смежными тя­говыми классами тракторов: 9—15; 20—30; 30—50 кН. что соответствует классам тяги [0,9—1,5]; [2—3]; [3—5]. Нижняя граница диапазона (0,9; 2; 3) соответствует номинальному тяговому усилию ЭМ (трактор без балласта), а верхняя (1,5; 3; 5) — номинальному тяговому усилию МЭС (трактор с балластом).

Матрицу, аналогичную приведенной на рис. 4, можно построить и для трактора тягово-энергетической концепции, используемого только с балластом. Для этого по оси абсцисс необходимо отложить дополнительную силу тяги, создаваемую за счет применения балласта вместо силы тяги ТТМ.

Учитывая, что у трактора появился достаточно широкий диапазон тяговых усилий, зависящий от возможного уровня балластирования трактора или использования ТТМ представляется целесообразным ввести для тракторов тягово-энергетической концепции понятие "номинальное тяговое усилие трактора с балластом" и обозначить весь диапазон тяговых усилий "вилкой", т. е. двумя номинальными тяговыми усилиями — верхним и нижним. И условиться, что верхний предел номинального тягового усилия соответствует эксплуатационному весу трактора с полным балластом или в комплекте ЭМ +ТТМ, а нижний — эксплуатационному весу трактора — без балласта или ЭМ без ТТМ. Тогда классификационный параметр будет следующим — "трактор тягового класса [2—3]", или — "трактор тягового класса [3—5]" и т. д. При этом сохраняется классификационный параметр для тракторов тяговой концепции — одно, фиксированное значение номинального тягового усилия.

Пример обозначения типоразмерного ряда тракторов концепции:

тягово-энергетической тяговой

"трактор тягового класса "трактор тягового

[0,9-1,5]" класса 0,9"

"трактор тягового класса "трактор тягового

[2-3]" класса 1,5"

"трактор тягового класса "трактор тягового

[3-5]" класса 2"

"трактор тягового класса "трактор тягового

[5-7]" класса 3"

Достоинство данной системы классификации сельскохозяйственных тракторов состоит в том. что ее основу составляет стандартный, общепринятый показатель — номинальное тяговое усилие трактора. Это придает предлагаемой системе классификации преемственность. Классификация тракторов разной технической концепции одним и тем же показателем, но по-разному не только корректна, но и практична, потому что она дает полное представление, без дополнительных сведений о различии технологических свойств тракторов в зависимости от того, каким классификационным параметром обозначен трактор. В настоящее время ни отечественная, ни международная классификации не позволяют сделать это.