Обоснование состава и рабочей скорости ресурсосберегающих МТА

1.Выписать из табл. 4.1 исходные данные по соответствующему ва­рианту задания.

2.Определить для заданной операции потребный ресурсосберегаю­щий диапазон мощностей и выбрать соответствующий условиям работы трактор.

3.Определить оптимальную энергосберегающую рабочую скорость и соответствующее тяговое усилие трактора Р_КРО.

4.Рассчитать оптимальную ширину захвата МТА и определить чис­ло машин в агрегате.

5.Рассчитать потребный фронт сцепки и выбрать соответствующую марку сцепки.

6.Определить фактическую загрузку трактора по тяге и дать соот­ветствующее заключение.

7.Представить основные результаты расчетов в форме таблицы, приведенной в конце задания.

Основные положения

Основной целью данного задания является получение студентами навыков самостоятельного составления агрегатов, отвечающих в макси­мальной степени требованиям ресурсосбережения и высокой производи­тельности с учетом агротехнических требовании и природно-производственных условий работы.

Машинно-тракторный агрегат, как известно, представляет собой совокупность источника энергии (двигателя), передаточного механизма (трактора с трансмиссией), вспомогательных устройств (навесного, а так­же прицепного механизмов и сцепки) и рабочих машин.

В предыдущих заданиях были рассмотрены методы выбора энергосберегающих режимов двигателя, трактора и рабочей машины, однако эти частные решения не могут обеспечить ресурсосберегающую работу всего агрегата в целом.

В связи с этим в пределах данного задания с учетом ранее получен­ных результатов излагаются современные методы расчета оптимального ресурсосберегающего состава и скоростного, режима МТА.

Таблица 4.1

Варианты заданий

Примечание:

СП - сложные погодные условия; НМ - не хватает механизаторов: ПП - почвы переуплотнены: УПТ - применить универсально-пропашной трактор; А1 - агрегат одномашинный.

Методические указания по выполнению задания 4

1.Данные по варианту задания выписываются табл. 4.1.

2.Потребный ресурсосберегающий диапазон мощности трактора выбирается по данным табл. 4.2, полученным на основании следующих научных фактов.

Исследованиями установлено, что каждому сочетанию природно-производственных условий, включая длину гона L и другие, соответствует такая оптимальная мощность трактора N_НО, при которой основной показа­тель ресурсосбережения – приведенные затраты С_П (р/га) – принимает минимальное значение С_П = С_ПМ. Если оптимальная мощность N_HO, соот­ветствующая критерию С_П ® min, недостаточно удовлетворяет конкрет­ным местным условиям, то возможно определение соответствующей ком­промиссной мощности N_НК. Например, при недостатке механизаторских кадров или при неустойчивых погодных условиях желательно иметь агре­гаты более высокой производительности при компромиссном контроли­руемом уровне приведенных затрат С_ПК, чтобы выполнить работы в установленные агротехнические сроки с соблюдением требований ресурсос­бережения.

Схема такого компромиссного решения показана на рис. 4.1. При­нимая допустимые увеличения Δ С_П минимальных приведенных затрат С_ПМ получаем компромиссную мощность N_НК, которая, значительно боль­ше оптимальной N_HО, и соответствующий существенный прирост Δ W производительности по сравнению с оптимальным решением. Практические расчеты показали, что увеличение минимальных, затрат С_ПМ всего на 5 % (Δ С_П = 0,05 Δ С_ПМ) обеспечивают прирост производительности Δ W до 35...40 %, что объясняется пологим характером графика зависимости С_П = f (N_H) в области минимума.

Рис. 4.1. Зависимость С_П и W от мощности N_H

Такие пределы компромиссного решения в достаточной степени удовлетворяют современным требованиям ресурсосбережения и высокой производительности.

Исходя из этого, в табл. 4.2 приведены диапазоны ресурсосберегаю­щих мощностей трактора N_O.. .N_К, при Δ С_П = 0,05Δ С_ПМ для заданных опе­раций в зависимости от основных классов длины гона L, принятых при нормировании полевых механизированных работ. При этом для других факторов приняты усредненные значения, которые уточняются на после­дующих этапах расчета.

Глубина вспашки для тяжелых и средних, почв – 0,22 м, для лёг­ких –0,25 м.

На основании данных табл. 4.2 выбирается ресурсосберегающий диапазон мощности для выполнения заданной операции с учётом особых условий указанных в задании (табл. 4.1). Например, при сложных погодных условиях (в графах СП и НМ знак «+») мощность трактора выбирается в правой половине диапазона указанного в табл. 4.2. При отсутствии знака «+» в указанных графах мощность выбирается в левой половине диапазона. В пределах соответствующего диапазона выбирается трактор требуемого типа и требуемой мощности.

Таблица 4.2

Рекомендуемые диапазоны ресурсосберегающих потребных мощностей двигателей тракторов для выполнения заданных операций

При переуплотненных почвах (в графе ПП знак «+») предпочтение дается гусеничным тракторам, однако это не исключает использование лесного трактора, если он больше отвечает требованиям, ресурсосбережения, а также требованиям лучшего агрегатирования с соответствующей с.-х. машиной. Следует учесть также, что междурядная культивация может выполняться только универсально-пропашным трактором (в графе УПТ «+»). Для одномашинных агрегатов (в графе А1 знак «+») при выборе трактора следует учесть возможность обеспечения нормальной загрузки двигателя. Соответствующие данные по современным и перспективным тракторам приведены в табл. 4.3. Тракторы общего назначения не могут выполнять работы по уходу за пропашными с.-х. культурами в междурядьях. Универсально-пропашные тракторы могут выполнять все виды работ, включая уход за пропашными с.-х. культурами в междурядьях. С учётом изложенных соображений из табл. 4.3 выбирается соответствующий ресурсосберегающий трактор с мощностью N_H, эксплуатационной массой m.

Таблица 4.3.

Основные данные по тракторам

Примечание:

РР - колеса разного размера; ОР - колеса одинакового размера и энергонасыщенностью Э = NH / m (10^-3) кВт/т.

Если в последующем при определении рабочей скорости и ширины захвата агрегата загрузки двигателя окажется недостаточной, то возможен и повторный выбор трактора меньшей мощности в соответствующем диа­пазоне табл. 4.2.

3. Оптимальная энергосберегающая скорость V_o и соответствующее тяговое усилие трактора Р_КРО определяются по минимуму удельных энер­гозатрат при рабочем ходе агрегата:

(4.1)

где Е_Р – удельные энергозатраты при рабочем ходе агрегата, кДж/м²; N_H – номинальная мощность двигателя, кВт; В – ширина захвата агрегата; м; e _N – коэффициент загрузки двигателя; V – скорость движения при рабо­чем ходе, м/с.

Этот критерий эквивалентен минимуму удельного расхода топлива в расчете на 1 м² обработанной площади при рабочем ходе агрегата:

(4.2)

где θ _Р – удельный расход топлива при рабочем ходе агрегата, кг/м²; g_e – соответствующий удельный расход топлива двигателем, кг/кВт-с; G_T – расход топлива двигателем за единицу времени, кг/с.

Поскольку значение g_e при нормальной загрузке двигателя можно принять постоянным (g_е» const), то соответственно критерии (4,1) и (4.2) будут эквивалентными.

Исходя из этого, последующее решение для удобства выполнено, на основе более простого критерия (4.1).

Решение поставленной задачи в пределах данного задания осуществляется применительно к тяговым агрегатам, для которых имеется более широкий выбор вариантов, что является необходимым условием для полноценной оптимизации.

Составы тягово-приводных агрегатов ограничиваются одним-двум вариантами, которые известны заранее. В связи с этим для выбранного на основании табл. 4.2 ресурсосберегающего трактора практически извести и соответствующая тягово-приводная машина.

При установившемся рабочем ходе тягового агрегата ширину захвата В можно представить в виде частного:

В = Р_КР / К_а,

критерий оптимальности (4.1) соответственно, примет вид:

(4.3)

где – развиваемая двигателем мощность при данной загрузке,кВт; Р_КРН – номинальное тяговое усилие трактора, кН; N_KP – тяговая мощ­ность трактора, кВт: К_а – удельное тяговое сопротивление рабочих мащин и сцепки, кН/м; e_n - коэффициент использования номинального тягового усилия; h _Т – тяговый КПД трактора.

Значение К_а определяется из равенства (3.9) предыдущего задания, а для e _N принимается усреднённое значение e _N» 0,9. Оптимальные значе­ния скорости V₀ и соответствующего тягового усилия трактора Р_КРО покритерию (4.3) можно определить нa основе соответствующей типовой тя­говой характеристики трактора или аналитическим путем.

При наличии тяговой характеристики трактора для соответствующе­го почвенного фона в равенство (4.3) подставляем последовательные взаимосвязанные значения Р_КРН, V, К_а из (3.9). С учетом влияния скорости на разных передачах и численным решением, при Е_Р = Е_{P min} получим и

Однако тяговые характеристики с требуемой точностью чаще отсут­ствуют, особенно для новых и перспективных тракторов.

Исходя из этого, оптимальные значения Р_КРО и V₀ рекомендуется определить изложенным ниже упрощенным аналитическим методом (без тяговой характеристики трактора).

На основании равенства (2.6) и других данных из второго задания ложно заключить, что тяговый КПД трактора h _Т в конечном итоге является функцией энергонасыщенности Э и теоретической скорости:

(4.4)

где – энергонасыщенность трактора, кВт/т.

Соответствующее развернутое выражение функции (4.4) приведено в учебнике.

Значение К_а в (4.3) в общем случае определяется из равенства (3.9) предыдущего задания и также является функцией энергонасыщенности трактора Э и теоретической скорости V_Т.

(4.5)

Справедливость этой зависимости следует из равенств (3.4), (3.5), в которых можно принять

V = V_T (1–d) (4.6)

где d – буксование движителей трактора.

Из данных второго задания следует, что d является функцией Э и V, что подтверждает справедливость равенства (4.5).

Таким образом, критерий оптимальности (4.3) получим в виде функ­ций

(4.7)

Значения Э для всех используемых тракторов приведены в табл. 4.3.

Таким образом, оптимальную теоретическую скорость V_TO получим на основании (4.7) по условию dE_P / dV_T = 0. Соответствующее разверну­тое решение приведено в учебнике. При этом выделено, что V_ТО зависит в основном не от абсолютного Значения удельного сопротивления, а от со­отношения

m _K = Δ K / (1 – Δ K×V₀) (4.8)

Значения Δ K для рассматриваемых операций приведены в табл. 3.2 предыдущего задания.

Результаты практических расчетов по критерию оптимальности (4.7) показали, что с ростом энергонасыщенности трактора Э оптимальная тео­ретическая скорость V_TO и соответствующее ей буксование d _О возрастают.

При этом чем больше m _K, тем меньше V_TO и больше d _О при равных значениях энергонасыщенности трактора Э. Наибольшие значения V_T0 и наименьшие значения d _О при равных, энергонасыщенностях имеют место при m _K = 0; что соответствует максимуму тягового КПД трактора h _Т ® max.

Однако, как следует из табл. (3.2) предыдущего задания, значения m _K в соответствии с равенством (4.8) изменяются в широком диапазоне от m _K» 0,08 (для боронования зубовыми боронами) до m _K» 0,31 (для вспашки тяжелых почв).

Значение буксования d _О, соответствующего оптимальному энерго­сберегающему режиму работы по критерию (4.7), при этом часто выходит за допустимые пределы d _Д, приведенное во втором задании: d _Д = 0,15 – для колесных тракторов 4К4; d _Д = 0,17–0,18 – для колесных тракторов 4К2 (в расчетах принять d _Д = 0,18); d _Д = 0,05 – для гусеничных тракторов.

Таким образом, искомые значения оптимальной теоретической ско­рости V_TO должны определяться в диапазоне буксований:

d _О = d _О… d _Д (4.9)

В пределах указанного диапазона буксований на основании многовариантных практических расчетов установлены соотношения между d _О и d _Д.

d _О = g × d _Д (4.10)

Значения поправочного коэффициента для возможных вариантов решения приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Значения поправочных коэффициентов g

OP - с колесами одного размера;

РР - с колесами разного размера.

Из полученных результатов наглядно видно, что для современных энергонасыщенных тракторов при оптимальном энергосберегающем ре­жиме работы по критерию (4.7) буксование d _О в большинстве случаев вы­ходит за допустимые пределы. При этом с ростом энергонасыщенности существенно увеличиваются и минимальные удельные энергозатраты. Для уменьшения этого роста необходимо обеспечить значение m _K» 0 при Δ K» 0.

Критерий (4.7) при этом соответствует максимуму тягового КПД трактора h _Т ® max, при котором, как показывают расчеты, буксование поч­ти всех тракторов остается в допустимых границах при всех реальных значениях энергонасыщенности.

Однако современные с.-х. машины, как видно из табл. 3.2 третьего задания, пока не удовлетворяют этому требованию, что необходимо учи­тывать при создании новых конструкций тракторов.

Последующие упрощенные расчеты по определению оптимальных значений V_TO, V_O и Р_КРО с учетом данных табл. 4.4 выполняются в приве­денной ниже последовательности.

Для заданной операции с учетом данных табл. 3.2 третьего задания рассчитывается значение m _K по формуле (4.8). Затем по значениям m _K и энергонасыщенности выбранного трактора Э из табл. 4.4 принимается со­ответствующее значение поправочного коэффициента g (для операций вспашки и лущения стерни почвенным фоном считается стерня, а для всех других операций - поле, подготовленное под посев). После этого на осно­вании (4.10) и формулы (2.5) второго задания получим выражение для буксования в оптимальном режиме:

(4.11)

Соответствующий оптимальный коэффициент использования экс­плуатационного веса трактора j _КРО с учетом данных второго задания по­лучим в виде

(4.12)

Численные значения эмпирических коэффициентов а, в приведены в табл. 2.3 второго задания.

Из этого равенства получим значение искомой оптимальной силы тяги трактора:

(4.13)

Соответствующую оптимальную (теоретическую скорость V_TO опре­делим на основании (2.13) второго задания:

(4.14)

Значения коэффициента сопротивления качению трактора на соответствующем почвенном фоне приведены в табл. 2.3 второго задания, а для e _N и h _ТР принимаем усредненные значения e _N = 0,90 и h _ТР = 0,88.

Искомую оптимальную рабочую скорость агрегата V_o получим на основании (4.6):

(4.15)

4. Расчетная оптимальная ширина захвата агрегата определяется по формуле

(4.16)

Значение полного удельного сопротивления агрегата К_а рассчитывается по формуле (3.9) третьего задания, а вместо Р_КРО подставляется значение, полученное в (4.13).

В случае решения данной задачи на основе тяговой характеристики трактора следует в равенство (4.16) подставить значение Р_КРО = Р_КРНО × e _КР с учетом выбранного из тяговой характеристики оптимального номиналь­ного тягового усилия Р_КРНО и допустимого коэффициента e _КР его исполь­зования.

По значению В_РО рассчитывается потребное расчётное число машин:

(4.17)

где. в_м – ширина захвата одной машины (значения в_м выбираются из табл. 3.1 третьего задания).

Фактическое число машин в составе агрегата лм получим путем округления значения п_МРО в наименьшую сторону по условию

п_М £ п_МРО (4.18)

Для одномашинных агрегатов (в табл. 3.2 третьего задания т_СУ = 0) следует выбрать машину с такой шириной захвата в_м из табл. 3.1, при ко­торой в равенстве (4.17) обеспечивается условие

п_МРО ³ 1 (4.19)

При этом из (4.18) округленно получим п_м = 1. Для пахотных агрега­тов необходимо учесть также возможность агрегатирования выбранного плуга с трактором с учетом его класса в соответствии с данными табл. 3.1.

5. Потребный расчетный фронт сцепки для многомашинных агрега­тов (п_м ³ 2) определяется по формуле

(4.20)

По значению Ф_СР подбирается сцепка с фактическим фронтом Ф_С по условию

Ф_С ³ Ф_СР (4.21)

Соответствующие данные для наиболее распространенных сцепок приведены в табл.4.5

Таблица 4.5

Основные данные по сцепкам

6. Фактическая загрузка трактора в составе тяговых агрегатов опре­деляется по фактическому значению тягового сопротивления выбранной сцепки и всех рабочих машин:

, (4.22)

где m_М, m_С – соответственно масса одной машины и сцепки, кг; f_С – коэф­фициент сопротивления качению сцепки.

В табл. 3.1 предыдущего задания приведены значения т_М и классы тракторов, с которыми могут агрегатироваться соответствующие плуги и некоторые другие машины. Ранее для/г было принято усредненное значение f = 0,16, Значения К_V были определены выше по формулам (3.4), (3.5) предыдущего задания при расчете К_а.

Фактическая загрузка трактора в данном случае с учетом (4.16) оце­нивается коэффициентом использования оптимальной силы тяги:

(4.23)

Желательно получить значение e _KP0 в диапазоне e _КРО» 0,85... 1.

Приемлемость значения e _КР = 1 обусловлена тем, что ранее при оп­ределении Р_КРО был учтён допустимый коэффициент загрузки двигателя по мощности e _N» 0,9. Если e _КР0 < 0,80, то следует выявить возможность работы на более высокой скорости, подставить в (4.14) вместо Р_КРО значе­ние R_аФ. Если расчет агрегата производился на основе тяговой характери­стики, то в (4.23) следует вместо Р_КРО подставить соответствующее номи­нальное тяговое усилие трактора Р_КРНО

При этом для e _КР0 желательно иметь значение e _КР0» 0,85...0,95.

Завершается задание формулой полученного агрегата (например Т–150 + СП–11А + 2КПС–4).

При компьютерном варианте выполнения задания следует получить многовариантные зависимости для всего диапазона изменения соответст­вующих факторов.

7. Итоговые результаты расчетов по пунктам, включая исходные данные.

Выполнил ________________________ Ф.И.О. студента

подпись

Принял ________________________ Ф.И.О. преподавателя

подпись

ЗАДАНИЕ 5