Основными показателями, характеризующими эксплуатационные свойства тракторных двигателей, являются: эффективная мощность, развиваемая на коленчатом валу, Net кВт; частота вращения коленчатого вала двигателя п, мин-1; часовой расход топлива GT, кг/ч; удельный расход топлива qe, г/экВт-ч; крутящий момент двигателя М е, кН-м. Между эксплуатационными показателями двигателя существуют следующие соотношения: Ne = R M eti (1) (/? = 6,28 при измерении п в с -1, # = 0,105 при п в мин-1), qc = 1000Gt/jVc. (2) Учитывая особенности эксплуатации МТА, для дизеля можно выделить три основных загрузочных режима: при рабочем ходе агрегата во время выполнения конкретной технологической операции; при холостом ходе агрегата (холостые заезды при поворотах на концах загона, переезды с одного загона на другой); работа вхолостую при кратковременной остановке. Помимо этого, двигатель трактора может иметь и другие загрузочные режимы, например при трогании агрегата с места (разгон), при холостом движении трактора (без сельскохозяйственных машин), в случае преодоления кратковременных перегрузок во время рабочего хода. Таким образом, в эксплуатационных условиях двигатель работает на разных режимах; при этом в широких пределах могут изменяться его нагрузка и частота вращения коленчатого вала. Наиболее эффективный и экономичный режим работы двигателя такой, при котором его загрузка оказывается близкой к номинальной. Регуляторная характеристика двигателя. Описанные режимы работы двигателя в различных эксплуатационных условиях легко проследить на регуляторной характеристике, приведенной на рисунке 3 (для ясности чертежа кривая мощности не показана). 19 Участок АВ характеристики называется регуляторной ветвью, а участок ВС — безрегуляторной, или перегрузочной. Характер протекания безрегуляторной ветви определяется особенностями устройства корректора. На характеристике можно выделить характерные точки, соответствующие следующим режимам работы двигателя. Точка А соответствует максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу nmax; точка В на кривой крутящего момента против п„ (номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя) — номинальному крутящему моменту при работе на регуляторе, номинальной мощности и наибольшему часовому расходу топлива; точка С на кривой крутящего момента против птт (минимальная частота вращения коленчатого вала двигателя на безрегуляторной ветви характеристики) — максимальному крутящему моменту. Так как на двигателях современных тракторов установлены всережимные регуляторы, то практически, кроме основного режима, соответствующего полной подаче топлива (участок графика ВА по М к и ED по Qт), можно иметь промежуточные режимы, из которых для примера на графике показано два — по крутящему моменту В'А' и В "А " и по расходу топлива E 'D ' и E "D ". Количество промежуточных режимов определяется числом возможных положений рычага подачи топлива, а при плавном регулировании подачи таких режимов получается множество. Использование всережимного регулятора позволяет экономить топливо, особенно при работе с недогрузкой. Например, если при движении на установленной передаче на каком-то участке загона нагрузка снижается, а повышение скорости ограничено качеством работы, то тракторист переходит на промежуточный режим, добиваясь снижения расхода топлива. Степень неравномерности регулятора можно установить по регуляторной характеристике двигателя: б р = (п тах Пн) / Пер, (3) гДе,!тах — п«— разбег регулятора на основном режиме, мин-1; яср = (лтах+ + '!т т)/2 — средняя частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1. Коэффициент приспособляемости двигателя, характеризующий его способность преодолевать кратковременные перегрузки, определяется следующим образом: Kn = M maJM „. (4) Запас крутящего момента при этом будет, %: З к м = 100 (.Vflmax М н)/У И н. (5) Рис. 3. Регуляторная характеристика двигателя. 20 У современных двигателей степень неравномерности регулятора находится в пределах 0,06...0,1. Более высокие значения приводят к повышенному износу деталей двигателя и увеличенному расходу топлива при работе на холостом ходу. Запас крутящего момента позволяет преодолевать кратковременные увеличения внешних сопротивлений агрегата без перехода на низшую передачу трактора. Для тракторных двигателей запас крутящего момента лежит в пределах 15...25 %. Среднее значение запаса крутящего момента для тракторов составляет: Т-70С, МТЗ-80, МТЗ-82, Т-54В — 12%; К-700, К-701 — 12...18; ДТ-75М, Т-74, Т-4А, Т-150, Т-150К— 15; Т-100М— 10%. Из-за индивидуальных особенностей конкретных двигателей возможны отклонения от средних значений на 2...5 %. Коэффициент приспособляемости двигателя по частоте вращения К*, ч = Нн/Ящт» (6) где и,I. лт |П — частота вращения соответственно номинальная и при максимальном крутящем моменте, мин-1 Для дизелей значения коэффициента приспособляемости по частоте вращения лежат в пределах 1,3...1,6. Чем выше коэффициент, тем лучше двигатель преодолевает перегрузку (большей продолжительности), так как время до достижения Afmax, т. е. момента начала заглохания двигателя (при прочих равных условиях), увеличивается. Наиболее эффективные и экономичные режимы работы двигателя. При движении МТА по полю сопротивление передвижению рабочих машин постоянно изменяется вследствие значительных колебаний физико-механических свойств обрабатываемого материала, неровностей рельефа и других случайных факторов. Из-за этого происходят колебания нагрузки двигателя, передаваемые на него от ведущих колес через трансмиссию в виде переменных моментов сопротивлений. Момент сопротивления на валу двигателя равен сумме моментов от сил сопротивлений, приведенных к валу двигателя, т. е. M c = Mi~\- М кр-\- Mj, (7) где М/ — момент сопротивления передвижению; М нр — момент сопротивления агрегатнруемых машин; М у — момент сопротивления от сил инерции. При возрастании момента сопротивления па валу двигателя его частота вращения начинает снижаться. Тогда регулятор увеличивает подачу топлива, вследствие чего преодолевается возросший момент сопротивлений. Однако это возможно в том случае, когда у двигателя есть резерв на увеличение подачи топлива. Ёсли такого резерва уже нет, то трактор преодолевает возросшее сопротивление за счет кинетической энергии поступательных и вращающихся масс агрегата. При дальнейшем росте сопротивлений двигатель глохнет. Характер изменения момента сопротивления агрегатируемых машин, определяемый в реальных условиях эксплуатации динами21 Рис 4 Изменение тягового усилия. Рис. 5. К оценке коэффициента приспособляемости Д'„ ч. кой тяговых сопротивлений, оказывает наиболее существенное влияние на режим нагрузки двигателя. Если известны закон изменения тягового усилия (рис. 4) в виде кривой распределения (но оси ординат отложена частота появления соответствующего тягового усилия, а по оси абсцисс — ее возможные значения как случайной величины) и тяговое усилие Я Кр. п, которое может преодолеть трактор по запасу крутящего момента (до заглохания двигателя), то для реализации усилий, находящихся на графике правее точки Р кр „, необходимо переходить на низшую передачу. Уменьшения площади графика правее точки Якр п можно достигнуть за счет повышения коэффициента приспособляемости двигателя. При равных значениях коэффициента приспособляемости по крутящему моменту главную роль в преодолении перегрузок играет значение коэффициента приспособляемости по частоте вращения Д'„ ч (рис. 5). Двигатель / заглохнет раньше всех, двигатель 2 способен преодолеть более длительную перегрузку, а двигатель 3 обладает наилучшей приспособляемостью к преодолению перегрузок. Коэффициент преодоления перегрузок позволяет сравнительно оценивать свойства двигателей (различные двигатели имеют разные значения КП и /С„ ч) общим измерителем приспособляемости: А п, п== ДиАп^ч* (8) Наиболее эффективными и экономичными режимами двигателей следует считать такие, которые позволяют преодолевать кратковременные перегрузки (ири работе агрегата) без переключения на низшую передачу, а показатели по часовому и удельному расходу топлива на всех возможных режимах (нормальный, перегрузка, недогрузка) минимальны на I га выполненной операции. Коэффициент загрузки двигателя выражается такой зависимостью: К,. д = А /к ф / / И к (9) 22 н — номинальный крутящий момент двигателя; М к. ф — фактический средний крутящий момент двигателя при работе трактора в поле. Для оценки выгодности применения типа трактора по расходу топлива определяют его удельный расход qt и энергетический коэффициент полезного действия г|э: qe= 1000Gt/jVc, (10) ri, = 860/q tH, (11) где II — удельная теплота сгорания топлива, ккал/кг. § 3. Баланс мощности трактора Составляющие баланса. Не вся мощность, развиваемая тракторным двигателем (и называемая эффективной), расходуется на полезную работу агрегата; значительная ее часть идет на преодоление различных сопротивлений. При равномерном движении трактора (up = const) часть мощности расходуется (рис. 6) на преодоление сил трения в трансмиссии трактора (iVTp), на преодоление подъема (N„0R), на самопередвижение трактора (jVnCp), на буксование движителей (N 6) и т. п. Остальная часть эффективной мощности используется на полезную работу (Л^кр, Л^вом)- Для того чтобы трактор мог выполнять полезную работу, эффективная мощность двигателя должна равняться сумме всех мощностей, идущих на преодоление сопротивления и потерь, т. е. /Ve = Л/тр + Л/б + Л/ пер + Л/под + Л'кр + Л^вом- (1 2) Это уравнение и называется уравнением рабочего баланса мощности при установившемся движении трактора. Остановимся на каждой из составляющих. Потери мощности от сопротивления воздуха мощности на подъем Потери мощности на буксование Потери мощности на самопередвижение Потери мощности на привод гидроусилителя ЛПотери мощности 8 трансмиссии Рис. 6. Баланс мощности трактора. 23. Потери мощности в трансмиссии возникают в результате трения между зубьями шестерен и в подшипниках. Часть энергии расходуется на перемещение масел в картерах, а также на преодо? ление сил трения в механизмах гусеничного хода. Эти потери мощ^ ности можно выразить уравнением Njp = Ne- N 0 = Ne- N c-,hp = Ne (1 -Л тр). (13) где N о — мощность на ободе колес;))тр — коэффициент полезного действия транс миссии. Коэффициент полезного действия трансмиссии определяется так: Лтр = Мк /N t, (14) где N „ — мощность, подводимая к ведущим колесам. Этот коэффициент колеблется для колесных машин в пределах 0,90...0,92, для гусеничных — 0,86...0,88. Потери мощности в трансмиссии зависят от правильности и точности ее сборки, от качества смазки и ее соответствия техническим условиям, от тщательности технического обслуживания и регулировок. Потери мощности на буксование возникают как следствие воздействия шин или звеньев гусениц на почву. При этом происходят почвенные сдвиги, сопровождающиеся буксованием и уменьшением поступательной скорости движения трактора. Коэффициент буксования 6 можно подсчитать по формуле 6 = (яр — лх)/п р, (15) где лр, их — число полных оборотов ведущих колес (правого и левого) соответственно во время движения трактора под нагрузкой и при холостом ходе на определенном пути. Потери мощности на буксование рассчитывают так: N6 = N06 = NeX]Tp6. (16) Пример. Определить мощность, затрачиваемую на буксование трактора Т-150К на культивации, если во время движения агрегата под нагрузкой на пути 300 м колесо сделало 73 оборота, а на холостом ходу — 64 оборота. Определяем коэффициент буксовання 6 = (лр — я,)/л р = (7 3 - 6 4)/7 3 = 0,123. При условии, что механический коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансмиссии трактора равен 0,88, мощность на ободе колес находим из соотношения N0 = /УеПтр =121- 0,88 = 106,5 кВт. Мощность, затрачиваемая на буксование: N 6 = N06= 106,5- 0,123= 13,1 кВт Потери мощности на самопередвижение расходуются на образование колеи ходовым аппаратом, на преодоление сил трения в подшипниках передних колес (гусеницах) трактора, на компенсацию ударов, возникающих в результате тряски трактора, на преодоление сопротивления воздуха (последние два вида потерь для сельскохозяйственных тракторов при скорости до 40 км/ч не имеют существенного значения и поэтому в расчетах их не учитывают). 24 Для определения двух первых потерь считают, что на самопередвижение затрачивается усилие, которое зависит от веса трактора и коэффициента сопротивления качению f. Во время передвижения трактора выполняется работа Л = Р„ер5, (1 7) где Рмр — сила, затрачиваемая на передвижение трактора, кН; S — пройденный путь, м. Известно, что путь при равномерном движении можно определить через скорость ир и время t, т. е. 5 — v pt. (1 8) А мощность — это работа, выполненная за единицу времени: Л^пер = у4 / / ИЛИ А^пер ^пер*Ъ/^ ^ /^пер^р* (19) В итоге (в киловаттах) формула примет вид N nep = P nepVp/3,6. (2 0) Пример. Определить мощность на самопередвижение трактора МТЗ-82 на вспашке стерни озимых зерновых, если коэффициент сопротивления качению / = 0,1, рабочая скорость о р= 1 0 км/ч и вес т рак т ора— GTp = 33,5 кН. Воспользовавшись формулой (20), получим Л/пер = Я перУр/3,6 = GTpfvp/3,6=33,5-0,1 • 1 0 /3,6 = 9,3 кВт, или 15,8% эффективной мощности. Потери мощности на преодоление подъема определяются следующим образом. При движении трактора на подъем возникает сила Р под, которая ему препятствует. Сопротивление подъему на основании известных законов механики может быть выражено формулой Люд= ± GTp sin а, (21) где а — угол подъема, град. Так как при небольших углах подъема практически можно принять sin a = tg а и tg a = h /l = i (т. e. отношению высоты подъема к основанию), то сопротивление подъему удобно представлять упрощенной формулой. 0/ Я п од = ± О тр//Ю О, (22) где I — подъем, %. Углы подъема, выраженные в градусах, переводят в проценты уклона по следующей схеме: Угол, г рад. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 Уклон /, %. 1,75 3,65 5,24 7,0 8,75 10,5 12,3 14,0 15,8 17,5 Если известны сила Р„од и скорость движения трактора, то можно определить мощность на преодоление подъема: Л^ПОД = РподУр/3,6. (2 3) Пример. Определить мощность трактора МТЗ-80 на преодоление подъема / = 3 % при скорости движения 8 км/ч. Подставив данные в формулу (23), получим: Л?под = Я подир/ 3,6 = GTpiyp/3,6 = 33,5-0,03-8/3,6 = 2,2 кВт, или 3 8 % эффективной мощности. 25 Полезная мощность трактора, т. е. мощность, используемая для тяги и привода рабочих органов сельскохозяйственных машин, определяется так: NKp = Ne — (А^тр + Л/б + Л/пер + Л^ под) (24) или Л,кр = ЯкрУр/3,6. (25) Мощность iVKp зависит от условий работы и изменяется в значительных пределах. Общую оценку эффективности использования трактора дает его коэффициент полезного действия: r\ = N Kp/N t. (26) Тяговый к.п.д. для современных колесных тракторов примерно равен 0,65...0,75, для гусеничных — 0,7...0,85. § 4. Силы, действующие на трактор Характеристика сил. На рисунке 7 представлена общ ая схема внешних сил, действующих на агрегат (трактор) при его движении на подъем с углом а. Сила приложена к трактору и вызывает его перемещение. Она представляет собой реакцию почвы на ведущие колеса в направлении движения и равна наименьшей из двух сил: касательной силе тяги Р к или силе сцепления Fmах. Сила сопротивления движению машин — тяговое сопротивление А? = Р кр (Р кр — сила тяги трактора). Сила сопротивления движению трактора Р пср есть следствие деформации почвы ходовым аппаратом и трения в нем. Реакция почвы R оси Н9 ХОДОВОЙ ЗП П Э рЗТ Т р З К Т О р З ВОЭНИК30Т под действием силы тяжести Q Tp трактора. Силы инерции Rt появляются при неравномерном движении Рис. 7. С хем а сил, действующих на гусе- Рис. 8. Зависимость движущей силы ничныи трактор при движении на подъем. трактора от состояния почвы. 26 трактора. Результирующая сила инерции направлена параллельно поверхности пути в сторону, обратную ускорению. Определение движущей силы. Для движения агрегата необходимо наличие внешней силы, направленной в стороку перемещения. Она возникает при взаимодействии ведущих колес или гусениц с почвой и ограничивается, с одной стороны, силой сцепления трактора с почвой Fmax, а с другой — касательной силой Я„, развиваемой двигателем. Реакция почвы при наибольшем допустимом буксовании ходового аппарата называется максимальной силой сцепления Fniax Ее значение зависит от плотности почвы: чем почва плотнее, тем сила больше (рис. 8). Касательная сила равна отношению крутящего момента на оси движителей к радиусу перекатывания, т. е. Р к — М кр/г. (27) Касательная сила, как видно из формулы, зависит лишь от параметров энергетических средств; на нее не влияет состояние почвы. На рисунке 8 она представлена прямой, параллельной осп абсцисс. Таким образом, движущую силу Р д, которая перемещает агрегат, ограничивают две независимые силы: касательная Р к и сила сцепления ведущего аппарата с почвой Fmax. На слабых почвах Рл^ Fmax< Р к, а на плотных — Р к < /-'тах. На графике движущая сила представлена ординатами. Ее ограничивает сила сцепления ходового аппарата с почвой (если агрегат работает на легких почвах) или касательная сила (на плотных почвах). Поэтому при работе агрегата на слабых почвах целесообразно повышать сцепной вес — включать второй ведущий мост, увеличивать при помощи корректора вертикальные нагрузки соответственно движущей силе. Чем больше сцепной вес трактора, тем лучше реализуется касательная сила тяги. На почвах, где /г1Т1ах достаточная, дополнительные устройства, повышающие сцепление, снимают, чтобы ие увеличивать потери мощности на передвижении энергетических средств. Максимальное значение движущей силы трактора в зависимости от его конструкции и условий взаимодействия ходового аппарата с почвой может в одних условиях ограничиваться мощностью двигателя (Л/к или Р к), а в других — пределом горизонтальной реакции почвы т. е. силой сцепления Р т движителей с почвой Предел движущей силы по мощности двигателя P, = P K = M j o4,/rK. (28) Максимальная движущая сила трактора по условиям сцепления движителей с почвой Р д — JlQcu (29) 27 где ц — коэффициент сцепления, зависящий от свойств почвы и конструкции движителя; Qcu — сцепной вес машины, равный нормальной реакции почвы на ведущие органы ходовой части. § 5. Сцепные свойства трактора и пути их улучшения Чтобы установить, достаточно ли сцепление трактора с почвой на той или иной передаче, нужно определить максимальную силу по формуле /3c u = G cuj.i, (30) где С сц — сцепной вес трактора, кН; ц — коэффициент сцепления. Сцепной вес гусеничных и колесных тракторов с четырьмя ведущими колесами в состоянии покоя равен их фактическому весу, т. е. Q tp = С сц. (31) Сцепной вес колесных тракторов с одним ведущим мостом можно определить с точностью, достаточной для практических расчетов, по формуле Gcu— Q Tp (L — a) cos a + M Kp/L ~ 2 /3 Q Tp, (32) где L — продольная база трактора, м; а — расстояние от центра тяжести трактора до вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось ведущих колес, м; М Кр — крутящий момент, передаваемый от двигателя на ведущие колеса, кН-м; a — угол подъема, град. Сцепной вес гусеничных и колесных тракторов с двумя ведущими мостами С Сц = Q Tp c o s a. (33) Чем больше потребная сила тяги, тем массивнее должен быть трактор, чтобы обеспечить достаточную силу сцепления. Проще всего сцепные свойства тракторов определять экспериментальным путем по коэффициенту сцепления ц, который представляет собой отношение наибольшей касательной силы Р к max ПРИ допустимом буксовании к нормальной реакции почвы па ведущий аппарат энергетических средств на горизонтальном участке во время установившейся работы: Ji = /5K.max/Gc, (34) где G ' — нормальная реакция почвы на ведущий аппарат, равная сцепному весу, кП. Коэффициенты сцепления ходового аппарата с почвой зависят от фона почвы и движителя энергетических средств.
§ 6. Уравнение движения агрегата. Тяговый баланс трактора Уравнение движения агрегата.
Машинно-тракторный агрегат в динамическом отношении представляет собой систему твердых тел, связанных между собой жесткими и упругими элементами. 28 Движение и работа агрегата происходят в результате взаимодействия движущей силы Р а; тягового сопротивления Р Кр машин н сил сопротивления движению трактора Р „ер; веса трактора QTp и машины Q„; реакций почвы и реакций между отдельными машинами агрегата и пр. Следовательно, движение и работа МТА возможны лишь при определенном соотношении скорости и сил, действующих на агрегат. Это соотношение выражается уравнением движения dv = Рь-ТРе dt т (35) где ^ — ускорение агрегата, м /с2; Р д — сила, движущ ая агрегат, кН; £ Я С — сумма сил сопротивления движению, кН; т — приведенная масса агрегата, кг. Все величины, входящие в это уравнение, в процессе движения агрегата непрерывно изменяются. На эти параметры влияют и колебания крутящего момента двигателя из-за неравномерности подачи топлива, и изменение свойств основания (почвы), и некоторые другие факторы. Совместное действие указанных факторов приводит к знакопеременным колебаниям ускорений при движении МТА, вызывая колебания его поступательной скорости, отрицательно влияет на работу двигателя и агрегата в целом. При прочих равных условиях агрегаты (тракторы), имеющие большую массу, обладают лучшей способностью сохранять устойчивость поступательного движения. Уравнение движения лежит в основе всех расчетов по составлению агрегатов и режимов их работы. Тяговый баланс трактора. С определенным допущением можно считать, что машинно-тракторные агрегаты при выполнении операций имеют установившееся движение (i'p = const). В этом случае тогда Р к — £ Р С = 0, или Р Д = ХРС. Сумма сил сопротивления движению агрегата (см. рис. 7) может быть выражена формулой Y.Pc — Рпер± Рп0 1± Ра-\- Р кр, (36) где Р„с|) — сопротивление перекатыванию трактора или самоходной машины, кН; Р лол — сопротивление подъему, кН; Р. — сопротивление воздушной среды, кН; Р„р — составляющ ая тягового сопротивления машин, кН. Подставив значение £ Р С в формулу для определения Р д, получим выражение Рл = Ртр ± £*П0Д ± Рв + Рцр, (37) которое и представляет собой уравнение тягового баланса трактора при равномерном движении. 29
2020-05-25
2449
