Определение номинальной мощности двигателя трактора

Требуемая мощность тракторного двигателя определяется исходя из заданных номинальной силы тяги на крюке, соответствующей этому тяговому усилию рабочей скорости движения и установленными предыдущими расчетами веса трактора и буксования его движителей. При определении потребной мощности тракторного двигателя необходимо резервировать некоторую часть мощности для преодолевания систематически возникающих пиковых сопротивлений движению. Чем больше может быть перегрузка двигателя во время работы, тем больше должен быть резерв мощности.

Рис. 1. Кривые буксования на различных почвенных фонах:

а) – колесные тракторы; б) – гусеничные тракторы: 1 – поле, подготовленное под посев; 2 – стерня; 3 – залежь

При определении потребной мощности двигателя резерв учитывается введением коэффициента эксплуатационной нагрузки тракторного двигателя =0,85...0,90.

, кВт, (5)

где и - заданные номинальное тяговое усилие в кН и рабочая скорость движения трактора при номинальной силе тяги в км/ч;

- коэффициент эксплуатационной нагрузки тракторного двигателя =0,85...0,90;

- тяговый коэффициент полезного действия, который можно предоставить в следующем виде

, (6)

где - КПД, учитывающий механические потери в трансмиссии;

- КПД, учитывающий потери на буксование ведущих колес (гусениц);

- КПД, учитывающий потери на качение трактора;

- КПД, учитывающий внутренние механические потери гусеничного движителя.

Механический КПД трансмиссии может быть определен по формуле

, (7)

где - КПД цилиндрической пары шестерен,

- КПД конической пары шестерен;

и - количество пар шестерен, работающих в трансмиссии на данной передаче, соответственно, цилиндрических и конических.

=0,985...0,990; =0,975...0,980.

- КПД, учитывающий потери холостого хода трансмиссии. На основе имеющихся опытных данных можно принимать, что при достаточно прогретом масле в механизмах трансмиссии =0,95...0,97.

Коэффициент определяют из выражения

=1- . (8)

Для этого необходимо знать коэффициент буксования ведущих колес в заданных условиях работы. Зависимость буксования от тягового усилия рассчитана выше. В формулу (8) подставляется в долях единицы, т.к. = 1,0= 100%.

Коэффициент , учитывающий потери на качение трактора, определяется из выражения

, (9)

где - сила сопротивления качения, кН;

- касательная сила тяги, равная при установившемся движении трактора по горизонтальному участку

, кН. (10)

При расчете сопротивления качению используют уравнение

, кН, (11)

где - коэффициент сопротивления качению (табл. 5);

- эксплуатационный вес трактора, кН.

Коэффициент , учитывающий внутренние потери в гусеничном движителе, определяется из эмпирической формулы

, (12)

где - рабочая скорость трактора, м/с.

5. Расчет и построение регуляторной характеристики дизельного двигателя

Регуляторная характеристика дизельного двигателя показывает изменение эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, крутящего момента, удельного и часового расходов топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов при работе двигателя на регуляторе.

Расчет и построение регуляторной характеристики двигателя в функции частоты вращения коленчатого вала выполняется в следующем порядке.

1. Рассчитывается регуляторная ветвь характеристики в диапазоне частот вращения от холостого хода до номинального режима.

Частота вращения холостого хода двигателя определяется по формуле

, об/мин, (13)

где - коэффициент неравномерности регулятора, для современных тракторных дизелей =0,07...0,08;

- номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя (по заданию), об/мин.

На регуляторной ветви характеристики принимают изменение мощности и крутящего момента двигателя по закону прямой линии от =0 до и =0 до .

Крутящий момент определяется по формуле

, кНм

или

, кНм,

где - эффективная мощность, кВт;

- угловая скорость, рад/с;

n - частота вращения, об/мин.

По удельному расходу топлива при номинальной мощности двигателя определяют максимальный часовой расход топлива по формуле

, кг/ч. (15)

Для холостого хода принимают

, кг/ч.

Промежуточные точки часового расхода топлива на регуляторной ветви принимают по закону прямой линии. По часовому расходу топлива и соответствующей мощности двигателя на регуляторной ветви определяют удельный расход топлива по формуле

, г/кВтч. (16)

Кривая удельного расхода топлива по мере снижения мощности (нагрузки) двигателя поднимается вверх.

2. Рассчитывается безрегуляторная (перегрузочная) ветвь характеристики в диапазоне частот вращения от номинального режима до режима максимального крутящего момента . При перегрузках крутящий момент двигателя продолжает несколько возрастать, главным образом за счет корректора, увеличивающего цикловую подачу топлива в цилиндры двигателя. При частоте вращения крутящий момент двигателя достигает максимального значения . При дальнейшем снижении частоты вращения крутящий момент уменьшается из-за ухудшения условий протекания рабочего процесса.

На участках характеристики с частотами вращения ниже двигатель работает неустойчиво и при малейшей дополнительной перегрузке может заглохнуть.

На режиме максимального крутящего момента двигателя трактор развивает максимальные касательные силы тяги и тяговые усилия на крюке. В диапазоне частот вращения от до текущие значения эффективной мощности двигателя определяют по эмпирической формуле

, кВт, (17)

где и - текущее и номинальное значения частот вращения коленчато-

го вала, об/мин;

=0,5; =1,5 - для дизелей с непосредственным впрыском топлива,

=0,7; =1,3 - для дизелей с вихрекамерным смесеобразованием.

Задаваясь значениями частот вращения коленчатого вала двигателя, определяют текущие значения и крутящего момента . Шаг изменения частот вращения от до принимают равным 50...100 об/мин.

Расчеты с изменяющейся частотой вращения коленчатого вала двигателя производят до определения максимального крутящего момента и соответствующей ему частоты вращения.

Удельный расход топлива на безрегуляторной ветви при максимальном крутящем моменте двигателя принимают равным

, г/кВтч. (18)

Зная удельный расход топлива на безрегуляторной ветви, определяют соответствующий часовой расход топлива по формуле

кг/ч.

Результаты расчетов показателей работы двигателя заносят в сводную таблицу для построения регуляторной характеристики.

Таблица 2

Параметры регуляторной скоростной характеристики

N, об/мин	, кВт	, кНм	, кг/ч	, г/кВтч
... ... ...

Пользуясь полученными расчетными данными, строят график регуляторной скоростной характеристики тракторного дизельного двигателя в функции частоты вращения коленчатого вала (формат А4 миллиметровой бумаги) (рис.2).

Рис. 2. Скоростная характеристика дизельного двигателя

6. Расчет касательных сил тяги, передаточных чисел трансмиссии, теоретических (расчетных) скоростей движения трактора.

Разнообразие работ, выполняемых тракторами, вызывает необходимость иметь у них соответствующий набор различных передач. В задании представлены три группы передач:

а) основные передачи, на которых производятся большинство сельскохозяйственных операций;

б) транспортные передачи, применяемые для перевозки грузов и для холостых переездов;

в) технологические передачи для работ, при производстве которых допускаемые скорости движения ограничиваются по условиям выполняемого технологического процесса.

Число основных рабочих передач Z для современных сельскохозяйственных тракторов равно 3...4. Обычно в основу построения ряда основных передач трактора закладывается принцип геометрической прогрессии. Такой ряд передач называется геометрическим и имеет вид

, (19)

где - номинальные или расчетные скорости, индексы при номинальных скоростях обозначают порядковый номер передачи,

q - знаменатель геометрической прогрессии.

Номинальными или расчетными скоростями трактора называются его теоретические скорости при номинальной частоте вращения коленчатого вала.

Так как между номинальными скоростями и соответствующими им передаточными числами трансмиссии имеется обратно пропорциональная зависимость, то уравнение геометрического ряда передач может быть записано как

, (20)

где и индексы при них указывают значения передаточных чисел и порядковые номера передач.

Аналогично можно записать геометрический ряд и для касательных сил тяги, имеющих прямо пропорциональную зависимость от передаточных чисел

, (21)

где и индексы при них указывают значения касательных сил тяги и порядковые номера передач.

Знаменатель геометрической прогрессии

, (22)

где z - число передач основного ряда.

(23)

Здесь - номинальная сила тяги на первой основной передаче (согласно заданию), кН;

- сила тяги на крюке трактора на высшей рабочей передаче, кН.

(24)

Передаточное число трансмиссии колесного трактора на первой передаче определяется по формуле

, (25)

где - теоретический радиус качения ведущих колес, м;

- номинальный крутящий момент двигателя, кНм,

- коэффициент эксплуатационной нагрузки.

Теоретический радиус качения ведущих колес подсчитывается по формуле

, м (26)

где d - посадочный диаметр шины в дюймах;

b - ширина профиля шины в дюймах;

(0,80...0,85) - коэффициент деформации (усадки) шины ведущих колес.

Размеры шин подбираются по таблице 6 в зависимости от нагрузки на одно ведущее колесо трактора

, кН, (27)

где - количество ведущих колес.

Для гусеничного трактора передаточное число на первой передаче определяется по формуле

, (28)

где - радиус начальной окружности ведущей звездочки, м; который можно принять: = 0,320 м для тракторов с £ 20 кН; = 0,355 м для тракторов с = 30 кН; = 0,385 м для тракторов с = 40 кН; = 0,420 м для тракторов с ³ 50 кН.

Остальные передаточные числа основного ряда передач подсчитываются по формуле

; ; . (29)

Номинальная расчетная скорость движения определяется по формуле

, км/ч (30)

или

, м/с, (31)

где - номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин.

С целью проверки правильности предыдущих расчетов целесообразно сравнить величины расчетных скоростей, полученных по формуле (30) и рассчитанных из выражения

, (32)

где - рабочая скорость движения на первой передаче при номинальной силе тяги на крюке;

- КПД буксования при номинальной силе тяги.

Ошибка расчетов должна быть не более .

Остальные расчетные (номинальные) скорости движения на передачах основного ряда определяются по формуле

; ; . (33)

Высшая транспортная скорость принимается согласно заданию. При наличии двух транспортных скоростей (передач) по заданию, промежуточную транспортную скорость определяют как среднегеометрическую величину между высшей транспортной и высшей скоростью основного ряда по формуле

. (34)

Для известных значений и определяют передаточные числа трансмиссии и касательные силы тяги на транспортных передачах, используя формулы

, (35)

, кН. (36)

Для расчета передаточного числа трансмиссии и касательной силы тяги на технологической (замедленной) передаче необходимо выбрать скорость движения.

Допустимая скорость движения при выполнении посадочных работ ограничивается, с одной стороны, агротехническими условиями возделывания данной культуры, диктующими величину шага посадки, а с другой - техническими возможностями, определяющими пропускную способность посадочной машины. На некоторых посадочных работах скорость движения должна быть меньше 0,28 м/с или 1 км/ч. В некоторых случаях применяют также диапазон скоростей 0,5...1,0 м/с (1,8...3,6 км/ч).

Для принятой скорости движения на технологической передаче определяют передаточное число трансмиссии и касательную силу тяги по формулам

, км/ч (35)

и

, кН. (36)

При расчете и за расчетную частоту вращения коленчатого вала принимается

, об/мин,

а

, кНм,

где и - частоты вращения коленчатого вала двигателя соответственно холостого хода и номинальная, об/мин;

- номинальный крутящий момент двигателя, кН м (согласно регуляторной скоростной характеристике).

Так как на технологической передаче используется ходоуменьшитель, то КПД трансмиссии на технологической передаче

.

Результаты расчетов касательных сил тяги, передаточных чисел и теоретических скоростей движения заносят в сводную таблицу 3.

Таблица 3

Расчетные значения Р_к, i_тр и V_Т

7. Расчет и построение теоретической тяговой характеристики трактора.

Определив основные конструктивные параметры тракторного двигателя и трактора в целом, приступают к аналитическому расчету и построению теоретической тяговой характеристики. Тяговая характеристика строится в функции силы тяги на крюке применительно к установившейся работе на горизонтальном участке. Характеристика рассчитывается и строится для заданного агрофона на основных и технологической передаче. Для транспортных передач в качестве агрофона принимается гравийное шоссе или сухая грунтовая дорога.

На каждой передаче основного и транспортного рядов трактора расчеты выполняются для четырех расчетных режимов: номинальный режим работы двигателя и , режим максимального крутящего момента и , режим крутящего момента , а также режим холостого хода трактора (, ).

На технологической передаче расчеты выполняют для расчетного режима работы двигателя и холостого хода трактора (, ).

Для построения теоретической тяговой характеристики трактора расчетные тяговые показатели для каждой передачи заносятся в таблицу 4 параметров тяговой характеристики.

Основные расчетные зависимости для определения и приведены выше.

Для конкретных значений крюкового усилия буксование d определяется из графика , построенного по результатам таблицы 1, (стр. 7).

Теоретическая скорость определяется из выражения

, км/ч.

Зная величину буксования d и теоретическую скорость движения, рабочие скорости подсчитываются по формуле

.

Мощность на крюке для каждой передачи и каждой расчетной точки определяют по формуле

, кВт.

Для оценки топливной экономичности трактора определяется удельный расход топлива по формуле

, г/кВтч.

где - соответствующий часовой расход топлива по регуляторной скоростной характеристике, кг/ч.

Тяговый КПД трактора подсчитывается по формуле

.

Проверку производят по формуле

.

Если расчет по двум формулам для произведен правильно, то результаты расчетов должны совпадать или быть близкими.

Выполнив расчеты параметров теоретической тяговой характеристики, приступают к построению теоретической тяговой характеристики.

Теоретическая тяговая характеристика представляет из себя график, состоящий из четырех частей - квадрантов, выполненный на миллиметровой бумаге формата А1 (рис. 3).

В левом нижнем квадранте строится регуляторная скоростная характеристика двигателя: , , , .

В левом верхнем квадранте наносится лучевая диаграмма теоретических скоростей движения .

В правом нижнем квадранте строится лучевая диаграмма .

В правом верхнем квадранте наносятся основные эксплуатационные показатели: буксование ведущих органов ; рабочие скорости

Таблица 4

Параметры тяговой характеристики

Рис. 3. Тяговая характеристика трактора

, тяговая мощность ; удельный расход топлива и тяговый КПД трактора.

После построения графика тяговой характеристики трактора составляется баланс мощности для установившегося движения. В заключение данного раздела курсовой работы следует проанализировать расчетные показатели трактора в целом и сделать краткие выводы по эффективным режимам его работы.

Таблица 5

Коэффициенты сопротивления качению f и коэффициенты сцепления j тракторов

Таблица 6

Справочные данные по тракторным шинам