Лекция 3.2. Потенциальная тяговая характеристика колёсного трактора и силы сопротивления агрегатируемой машины

3.2.1. Мощность на крюке трактора. Тяговый КПД трактора. Потенциальная тяговая характеристика трактора

Мощность на крюке трактора – это полезная мощность, которая используется для выполнения различных сельскохозяйственных работ с прицепными или навесными орудиями. В соответствии со схемой, изображённой на рисунке 11, мощность на крюке определяется по выражению

.

Важной характеристикой трактора является его тяговый КПД, который определяется отношением

.

При работе трактора без использования ВОМ

, а при стационарной работе .

Тяговый КПД трактора может быть представлен в виде произведения трёх коэффициентов, учитывающих потери, возникающие во время работы.

.

Входящие в это выражение коэффициенты были определены нами в предыдущей лекции.

Все расчёты и опыты, связанные с определением тягового КПД и его составляющих, проводят применительно к установившейся работе на горизонтальном участке пути, когда тяговое сопротивление приложено к прицепному крюку и направлено параллельно поверхности пути, а вал отбора мощности не используется.

Для наглядного представления о тяговом КПД и факторах, на него влияющих, представим мощностной баланс трактора в графической форме (рис. 12). Примем, что трактор имеет бесступенчатую трансмиссию, которая позволяет всегда загружать двигатель на номинальную мощность путём автоматического изменения скорости движения в соответствии с изменением тяговой нагрузки.

На оси абсцисс графика отложим значения тяговых усилий на крюке. Проведём штрихпунктирной линией две вспомогательные кривые, необходимые для дальнейших построений – буксования и коэффициента сопротивления качению. Для этого используем опытные или справочные данные, соответствующие рассматриваемому типу трактора и выбранному почвенному фону.

По оси ординат отложим отрезок, изображающий в выбранном масштабе номинальную мощность двигателя , через его вершину проведём прямую, параллельную оси абсцисс. Согласно принятому условию о сохранении постоянной загрузки двигателя, считаем, что затраты мощности на механические потери в трансмиссии постоянны и равны независимо от того, с какой силой тяги на крюке работает трактор. Отложим вниз от прямой отрезок, изображающий в выбранном масштабе величину , и через его конец проведём вторую прямую, параллельную оси абсцисс. Участок на графике мощностного баланса между обеими параллельными прямыми (он заштрихован вертикальными линиями) показывает потери мощности в трансмиссии.

Разность отрезков и соответствует мощности , передаваемой ведущим колёсам.

Часть мощности затрачивается на буксование ведущих колёс. Значение затрачиваемой мощности пропорционально величине буксования и определяется по формуле .

Используя вспомогательную кривую буксования , определим значения для ряда точек и отложим их в виде соответствующих отрезков вниз по вертикали. Соединим затем концы отрезков кривой, получим второй участок (он заштрихован наклонными линиями), ординаты которого на графике мощностного баланса соответствуют затратам мощности на буксование.

Прежде чем перейти к изображению затрат мощности на преодоление сопротивления качению, построим кривую теоретических скоростей трактора, отражающую зависимость теоретической скорости движения от нагрузки на крюке. Имея в виду, что мощность, подводимая к ведущим органам , получим

.

По этой формуле на графике построена кривая . Она нанесена сплошной тонкой линией.

Мощность, затрачиваемая на качение трактора, определяется по формуле:

,

где - действительная скорость трактора.

Подсчитав значения для ряда точек, отложим их в виде соответствующих отрезков вниз от ранее построенной кривой, отражающей мощность, передаваемую остову трактора , и соединим концы отрезков жирной линией. Получим на графике третий участок (он заштрихован перекрещивающимися наклонными линиями), ординаты которого соответствуют затратам мощности на качение трактора.

Ординаты жирно очерченной кривой соответствуют значениям мощности , остающимся после вычета всех потерь для реализации на крюке. Они изображают также тяговый КПД трактора, если отрезок принять за .

Полученная кривая названа потенциальной тяговой характеристикой трактора, потому что может быть достигнута лишь при выбранных идеальных предпосылках – автоматическом бесступенчатом регулировании скоростей движения и постоянной загрузке двигателя на номинальную мощность .

Из потенциальной тяговой характеристики видно, что трактор может работать с высокими значениями тягового КПД только в определённом диапазоне тяговых усилий на крюке. Чем больше отклоняются тяговые усилия в ту или иную сторону за пределы указанного диапазона, тем интенсивнее снижается тяговый КПД.

В условиях сельскохозяйственного производства с его разнообразными зональными и отраслевыми особенностями приходится выполнять от сравнительно лёгких работ до весьма тяжёлых. Из анализа потенциальной тяговой характеристики следует, что для выполнения этих работ с высоким тяговым КПД необходимо иметь тракторы разных классов, каждому из которых должна быть отведена определённая тяговая зона.

Максимальному значению тягового КПД трактора соответствует точка потенциальной характеристики, в которой сумма мощностей , затрачиваемых на буксование и качение, имеет минимальное значение. Следовательно, в указанной точке произведение коэффициентов полезного действия достигает наибольшего значения. Сила тяги на крюке, соответствующая максимуму тягового КПД, может иметь различные значения в зависимости от почвенных условий.

Рассмотрим изменение кривых тяговых мощностей для тракторов со ступенчатыми трансмиссиями. Для этого построим графики, на которых наряду с потенциальными нанесём тяговые характеристики на отдельных передачах (рис. 13). Потенциальные характеристики изобразим на них штриховой линией, характеристики на отдельных передачах – сплошными, а номера передач укажем арабскими цифрами.

При работе трактора, на какой либо передаче его тяговая мощность растёт по мере увеличения нагрузки на крюке, начиная от нуля при холостом ходе до максимального значения . Если рост тяговой мощности не прекращается преждевременно из-за повышенного буксования движителей, то она достигает максимального значения , когда двигатель развивает номинальную мощность . В этом случае точка лежит на потенциальной тяговой характеристике.

1

Рис. 13. Кривые тяговых мощностей для тракторов со ступенчатыми трансмиссиями

На рисунке 13, а точки на всех передачах расположены указанным образом. При дальнейшем увеличении силы тяги на крюке начинается перегрузка двигателя, мощность его падает, в результате чего снижается также тяговая мощность. Изменение кривых тяговых мощностей, показанное на рисунке 13, а, характерно для работы в условиях достаточного сцепления ведущих колёс трактора с почвой.

При повышенном буксовании ведущих органов тяговая мощность может начинать снижаться ещё до реализации номинальной мощности двигателя. Увеличение силы тяги на крюке приводит к столь значительному падению скорости движения, что тяговая мощность уменьшается, несмотря на продолжающийся рост загрузки двигателя. В этих условиях значение максимальной тяговой мощности располагается ниже потенциальной тяговой характеристики.

На рисунке 13, б из четырёх приведенных кривых только на двух, полученных на третьей и четвёртой передачах, точки максимальных тяговых мощностей лежат на потенциальной характеристике. На остальных двух кривых, полученных на первой и второй передачах, точки максимальных тяговых мощностей расположились под потенциальной характеристикой, так как на этих передачах тяговая мощность начала снижаться ещё до того, как была достигнута полная загрузка двигателя. На первой передаче полностью загрузить двигатель оказалось невозможным. Примерно такое расположение точек характерно для работы колёсных тракторов на мягких почвах.

3.2.2. Силы сопротивления тракторного агрегата. Коэффициент эксплуатационной нагрузки

Сила сопротивления тракторного агрегата зависит от сопротивления качению самого трактора и сил сопротивления прицепного или навесного тракторного инвентаря. Это следует из уравнения тягового баланса, записанного для установившегося движения на горизонтальном участке пути, . Сила сопротивления качению трактора определяется по известной формуле: . Силы сопротивления прицепных или навесных машин определяется в зависимости от вида выполняемой работы.

Сила сопротивления плуга, учитывая узкие пределы изменения скоростей, определяется по формуле:

,

где - глубина пахоты; - ширина захвата плуга; - величина удельного сопротивления почвы, в зависимости от вида почвы изменяется в пределах 0,02…0,1 МПа.

Сила сопротивления прицепа (повозки) определяется в общем случае с учётом угла подъёма пути по формуле: , а при , где - вес прицепа с грузом; - коэффициент, величина которого выбирается в зависимости от качества пути и устройства ходовой части прицепа.

Сила сопротивления почвообрабатывающих, посевных и уборочных машин и орудий определяется по формуле:

,

где - ширина захвата орудия; - удельное сопротивление на единицу захвата орудия, изменяется в пределах 0,5…4,0 кН/м.

Силы сопротивления сельскохозяйственных орудий и машин в процессе работы не остаются постоянными и изменяют свои значения в зависимости от неоднородности почвы, наличия подъёмов и уклонов, неравномерности работы движителей и других факторов.

Эти изменения можно разделить на два класса. К первому классу относятся колебания значений сил сопротивления с относительно небольшой амплитудой. Они повторяются периодически, поэтому их называют периодическими колебаниями. Периодические колебания сопротивления тракторного агрегата преодолеваются путём использования запаса кинетической энергии всех движущихся масс. Их величина оценивается амплитудой колебаний угловой скорости двигателя . Исследованиями установлено, что наибольшее значение величины соответствует номинальной нагрузке двигателя и определяется выражением

,

где - степень неравномерности сопротивлений тракторного агрегата; - номинальная угловая скорость вала двигателя; - угловая частота изменения момента сил сопротивления; - промежуток времени, характеризующий запас кинетической энергии движущихся масс тракторного агрегата при загрузке двигателя на номинальный момент.

Ко второму классу изменений сил сопротивления следует отнести временное увеличение сил сопротивления. Временные перегрузки преодолеваются путём использования запаса крутящего момента двигателя. Продолжительность временного увеличения сопротивления движению измеряется десятками секунд.

Временное увеличение сил сопротивления тракторного агрегата характеризуется отношением среднего значения временно возросшего крутящего момента двигателя к моменту , который двигатель развивал длительное время до начала перегрузки. Отношение называется коэффициентом увеличения момента сопротивления тракторного агрегата.

Наименее благоприятный случай работы тракторного агрегата, когда временные увеличения сопротивления качению трактора, сопротивления орудия и сопротивления ВОМ совпадут по времени, характеризуется коэффициентом возможной перегрузки двигателя , равным отношению предельного значения к значению момента двигателя , соответствующему режиму работы до начала перегрузки, т.е.

.

Условием возможности преодоления временно выросшего сопротивления, если предположить отсутствие периодических колебаний, можно записать

,

где - максимальный крутящий момент по характеристике двигателя.

Теоретически этого условия недостаточно т.к. за счёт периодических колебаний двигатель может и не преодолеть временное увеличение сопротивления, однако практически за счёт неустановившегося режима работы двигателя . Это компенсирует возможное увеличение момента за счёт периодических колебаний нагрузки. Иными словами коэффициент приспособляемости при замедленном движении вала двигателя несколько выше.

Условие возможности преодоления временно возросшего сопротивления можно представить в виде

или ,

где - отношение текущего крутящего момента двигателя при работе тракторного агрегата до начала перегрузки к номинальному моменту двигателя называемое коэффициентом нагрузки двигателя; - коэффициент приспособляемости двигателя.

Предельное значение коэффициента нагрузки тракторного двигателя, при котором условие безостановочной работы тракторного агрегата ещё не нарушается, называется коэффициентом эксплуатационной нагрузки тракторного двигателя. Величина коэффициента определяется по формуле

.

Численное значение коэффициента возможной перегрузки для колёсных машин равно 1,3 и выше. Величина , как правило, меньше единицы.

Другими словами, для безостановочного преодоления временных увеличений сопротивлений тракторного агрегата, необходимо его комплектовать с таким расчётом, чтобы тракторный двигатель при среднем значении момента сопротивлений имел бы некоторую недогрузку.

Наибольший коэффициент эксплуатационной нагрузки зависит от большого числа факторов, характеризующих как условия сельскохозяйственного производства, так и динамические свойства тракторного агрегата. Он зависит от свойства полей, характера выполняемой работы, от динамических свойств тракторного двигателя и агрегата в целом, а также от коэффициента приспособляемости двигателя.