Ляхов А.П., канд. тех. наук, доцент УО БГАТУ,

Непарко Т.А., канд. тех. наук, доцент УО БГАТУ,

Станкевич А.Ф., ст. преподаватель УО БГАТУ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы влияния колебательного характера нагрузки на тягово-динамические показатели двигателя и эксплуатационные показатели трактора при работе в реальных эксплуатационных условиях с переменной тяговой нагрузкой

Введение

В практике исследования работы машинно-тракторных агрегатов значительное внимание уделяется влиянию характера действующих на трактор и агрегат в целом нагрузок и выходные эксплуатационные показатели (тяговую мощность, скорость движения, буксование движителей, расход топлива, производительность МТА).

В зависимости от условий работы на трактор действуют различные как по величине, так и по характеру изменения нагрузки (по амплитудам и частотам колебаний).

Исследования [1-7] показывают, что переменный (колебательный) характер нагрузок, действующих на трактор, в условиях его рядовой эксплуатации в агрегате с различными сельскохозяйственными машинами в значительной степени ухудшают его тягово-динамические и экономические (по топливу) показатели и вследствие этого снижаются эксплуатационные качества машинно-тракторного агрегата.

Стендовые и тяговые испытания двигателей и тракторов происходят при сравнительно постоянных нагрузках, которые обеспечиваются загрузочными устройствами, что в большинстве случаев не позволяет достоверно оценивать эксплуатационные показатели как трактора, так и машинно-тракторного агрегата.

Рост энергонасыщенности и повышение рабочих скоростей движения МТА приводят к значительному изменению характера нагрузочных режимов, увеличению колебательного характера действующих на трактор и его агрегаты нагрузок и соответствующее увеличение потерь в трансмиссии и ходовой части трактора или недоиспользованную мощность двигателя.

Основная часть

Известно [7], что регуляторная характеристика двигателя, выражающая зависимость крутящего момента мощности, часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала двигателя, снятая при стендовых испытаниях является одной из основных характеристик, определяющих его тягово-динамические свойства. Эта же характеристика, перестроенная в других координатах с учетом буксования движителей наиболее полно отражает тяговые свойства трактора при проведении стандартных тяговых испытаний с загрузкой трактора специальными загрузочными средствами и является его тяговой характеристикой. На рисунке 1 приведен общий вид регуляторной характеристики и действующий колебательный момент М_с от рабочей машины МТА, передающийся на двигатель трактора.

Рисунок 1 – Регуляторная характеристика двигателя трактора:

А – регуляторная ветвь; Б – корректорная ветвь;

линия – постоянная нагрузка;

пунктир – переменная нагрузка.

Как видно из рисунка 1 колебательный характер нагрузки в виде момента сопротивления Мс вызывает переход работы двигателя с регуляторной ветви (зона А) характеристики на корректорную (зона Б).

Из рисунка видно, что при некоторой амплитуде колебания Мс и при приближении среднего уровня моменте Мс к номинальному значению Ме_н двигателя недоиспользование мощности Ne увеличивается. Отсюда следует вывод, что вследствие зависимости Ne от ne при колебаниях нагрузки в зоне Б из-за нелинейности характеристики средняя мощность всегда ниже номинальной и не может принять ее максимального значения. Аналогичный вывод касается и часового расхода топлива, характер изменения которого на ветви А ведет к его увеличению, а ветви Б к уменьшению. Первый случай соответствует работе двигателя с недогрузкой, а второй с перегрузкой. Вследствие того, что у механизатора нет объективных возможностей строго отследить загрузку двигателя, может быть принято ошибочное решение и работа двигателя с перегрузкой будет оценена коэффициентом загрузки по моменту меньшим единицы.

Определение коэффициента загрузки по значению мощности Ne_ср также не дает объективного заключения о режиме работы двигателя.

Проведение тяговых испытаний, так и работа МТА в реальных условиях эксплуатации, сопровождается колебаниями тяговой нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Учитывая, что скорость поступательного движения трактора зависит от частоты вращения коленчатого вала, а её значение влияет на производительность МТА, определяемая по зависимости:

(1)

где B_р – ширина захвата агрегата, м;

υ_р – скорость движения агрегата, м/с;

τ – коэффициент использования времени.

Таким образом разработка конструкции трактора без возможности количественно оценить его тягово-динамические качества может привести к снижению его производительности по сравнению с ожидаемой. Учитывая, что существующие методы исследований не позволяют объективно оценить причины влияния колебательного характера нагрузки на величину потерь вследствие снижения тягово-динамических качеств трактора, необходимы дальнейшие исследования по разработке методик натурных испытаний и использования средств IT технологий.

В связи с тем, что в настоящее время нет достоверных критериев, позволяющих давать количественную оценку тягово-динамических качеств трактора при работе с переменной нагрузкой на крюке, создающие трудности в общей оценке трактора и особенно энергонасыщенного, предлагается ввести коэффициент Кv снижения скорости поступательного движения трактора равный [7].

(2)

где n_ср – полученное при тягово-динамических испытаниях средняя частота вращения коленчатого вала, при которой крутящий момент равен некоторому среднему значению Mecр;

n_д – частота вращения по регуляторной характеристике равная моменту Me_cр.

Следовательно частоты вращения n_ср и n_д соответствуют одному и тому же крутящему моменту Me_cр. Коэффициент Кv является важным параметром тягово-динамических показателей трактора, определяющее такие эксплуатационные показатели, как оптимальный коэффициент загрузки и недоиспользование мощности при данном коэффициенте загрузки. Он определяется по отношению частот вращения вала двигателя или трансмиссии, а не скорости движения трактора, что позволяет исключить влияние его тягово-сцепных свойств и других параметров, учитываемых энергетическим балансом.

Экспериментально установлено [1], что колебательный характер нагрузки может существенно снижать тягово-сцепные показатели трактора, увеличивая буксование и сопротивление качению трактора, которые существенно влияют на его тяговый К.П.Д. В таких случаях ухудшаются и экономические (по расходу топлива) показатели.

На рисунке 2 показаны экспериментальные зависимости буксования трактора Беларус 80.1 при постоянном характере тяговой нагрузки и переменной нагрузке на вспашке плугом ПЛН-3-35 путем изменения глубины вспашки.

Анализ приведенных данных свидетельствуют, что переменный характер нагрузки при среднем значении тяговой нагрузки 10 кН увеличивает буксование движителей до 5%.

Работа машинно-тракторного агрегата (МТА) при переменном характере нагрузки связана с максимальным увеличением крутящих моментов на полуосях ведущих колес до 1,1–1,9 раза. Величина этого отношения зависит от динамической характеристики трактора, скорости нарастания нагрузки, характеристики двигателя, свойств почвы и других факторов. Увеличенные амплитуды динамической нагрузки приводят к превышению силы тяги по сцеплению колес с почвой и их повышенному буксованию.

Рисунок 2 – Зависимость буксования δ трактора Беларус 80.1 от характера изменения нагрузки на крюке P_кр:

1 – стабильная нагрузка;

2 – переменная нагрузка.

Это подтверждается опытами, при мгновенном увеличении тяговой нагрузки с временем нарастания 0,15 с, продолжительность буксования составляла 0,1 с, а его величина достигала 60%.

С увеличением тягового усилия разница в буксовании при различных способах нагружения трактора увеличивается.

Увеличение амплитуды и частоты колебания нагрузки создают условия возрастания динамической составляющей крутящих моментов и соответствующего увеличения буксования ведущих колес (рисунок 3).

Рисунок 3 – Изменения буксования трактора Беларус 80.1 в зависимости от амплитуды и частоты колебаний тяговой нагрузки при различных давлениях воздуха в шинах при работе на поле, подготовленном под посев:

1, 2, 3 – давление в шинах, соответственно равное 80, 100 и 120 кПа;

а – зависимость буксования трактора от амплитуды колебаний нагрузки;

б – от частоты колебаний нагрузки.

Из рисунка 3 следует, что при постоянной частоте колебаний нагрузки для всех заданных величин давлений воздуха в шинах буксование увеличивается с возрастанием амплитуды колебаний (рисунок 3а). Аналогично при постоянной амплитуде колебаний при увеличении частоты колебаний в диапазоне 3–30 Гц, буксование трактора также увеличивается (рисунок 3б).

Опыты показывают, что при увеличении амплитуды колебаний нагрузки в 4 раза буксование возрастает в 3,6 раза. Увеличение частоты колебаний нагрузки с 4 до 24 Гц повышает буксование на 8%. При постоянной частоте колебаний нагрузки для всех заданных величин давлений воздуха в шинах буксование увеличивается с возрастанием амплитуды колебаний. Из рисунка следует, что при малых частотах колебаний до 15 Гц увеличение буксования для всех значений давления воздуха в шинах практически одинаково. С дальнейшим повышением частоты колебаний буксование достигает максимального значения и далее уменьшается.

Зависимость К.П.Д. сопротивления качению от демпфирующих свойств шин представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – Изменение к.п.д. η_f учитывающего потери при преодолении сопротивления качению трактора Беларус 80.1, в зависимости от амплитуды и частоты колебаний тяговой нагрузки при различных давлениях воздуха в шинах при движении по мягкой почве:

1, 2, 3 – давление в шинах, соответственно равное 80, 100 и 120 кПа;

а – зависимость сопротивления качению трактора от амплитуды колебаний нагрузки; б – от частоты колебаний нагрузки.

В связи с повышением энергонасыщенности тракторов и скоростей их движения представляет интерес влияние увеличения скорости движения агрегата на частоту и амплитуду колебаний тягового сопротивления и, следовательно, буксование колесного трактора.

Некоторыми исследователями установлено, что с повышением скорости движения агрегата буксование трактора снижается или увеличивается, или не изменяется [3, 4, 5].

С повышением скорости движения агрегата буксование трактора уменьшается в случае, если период изменения величины касательной силы тяги трактора больше длительности контакта опорного участка колеса с почвой, и амплитуда ее колебаний незначительна

В определенных условиях возможен случай, когда с увеличением скорости движения трактора его буксование не изменяется или меняется несущественно (например, во время работы колесного трактора на культивации [3] или при его тяговых испытаниях на мягкой почве с небольшими нагрузками) [4].

Изменения амплитудно-частотной характеристики колебаний нагрузки на крюке влияют и на величину коэффициента η_f, сопротивления качению колесного трактора [2]. Из рисунка 4 следует, что для выбранных значений амплитуд и частот колебаний нагрузки при работе колесного трактора на мягкой почве величина η_f увеличивается с уменьшением давления воздуха в шинах.

Физическая сущность уменьшения величины η_f при работе колесного трактора на мягкой почве заключается в том, что с возрастанием амплитуды и частоты колебаний тяговой нагрузки из-за изменения механических свойств почвы под действием переменной нагрузки со стороны ведущих колес наряду с повышением буксования увеличивается глубина колеи, что приводит к увеличению силы сопротивления качению трактора. Разумеется, при работе трактора, на стерне или твердой почве (грунте) влияние показателей амплитудно-частотной характеристики тяговой нагрузки на сопротивление качению трактора, как и на его буксование, будет отличаться, и изменение величин буксования и η_f будет определяться иным характером сцепления шин с почвой (грунтом), механическими свойствами почвы и демпфирующими свойствами шин. Появление силы сопротивления качению трактора и соответствующей затраты мощности является результатом вертикальной деформации почвы и деформации шин. При работе трактора на твердых почвах в связи с незначительным увеличением колеи (или ее отсутствием) доля силы сопротивления качению несущественна или практически отсутствует. В этом случае на формирование затрат мощности на качение влияет только деформация шин.

Заключение

1. Переменный (колебательный) характер нагрузки на трактор в условиях эксплуатации ухудшает его тягово-динамические показатели и ухудшает эксплуатационные качества машинно-тракторного агрегата.

2. Переменный характер нагрузки является причиной его повышенного буксования и увеличению сопротивления качению.

3. С повышением энергонасыщенности трактора и ростом скоростей движения колебание тяговой нагрузки увеличивается, что способствует снижению выходной мощности двигателя, увеличение буксования, снижению скорости движения и уменьшению производительности агрегата.

Список использованной литературы

1. Шкарлет А.Ф. О тяговых показателях колесного трактора при неустановившейся нагрузке. «Тракторы и сельхозмашины», 1969, № 7.

2. Тургиев А.К. и др. К вопросу о тяговом К.П.Д. колесного трактора при неустановившемся характере тяговой нагрузки. Труды КубНИТИМ, вып.9, 1972.

3. Тургиев А.К. Влияние скорости на частоту и амплитуду колебаний тягового сопротивления и на буксование ведущих колес трактора. «Вестник сельскохозяйственной науки», 1963, № 4.

4. Миндель Е.М. Влияние скорости на К.П.Д. и мощностные параметры перспективных сельскохозяйственных тракторов. «Тракторы и сельхозмашины», 1962, № 10.

5. Богомолов Л.К., Тургиев А.К. Буксование трактора при повышении скорости. «Механизация и электрофикация социалистического сельского хозяйства», 1968, № 6.

6. Яблонский О.В. Влияние силового воздействия навесных машин на колебания трактора. «Механизация и электрофикация социалистического сельского хозяйства», 1976, № 5.

7. Барский, И. Б. Динамика трактора / И.Б. Барский, В.Я. Анилович, Г.М. Кутьков. — М. : Машиностроение, 1973. — 280 с.