Баланс мощности и потенциальная

Тракторы и автомобили. Учебное пособие по выполнению курсовой работы по тяговому расчету трактора, предназначенное для студентов специальностей:

Учебно-методическое пособие написано в соответствии с программой дисциплины «Тракторы и автомобили», раздел «Основы теории и расчета трактора и автомобиля». Оно включает методику тягового расчета трактора, расчета и построения потенциальной тяговой характеристики трактора, регуляторной характеристики двигателя и тяговой характеристики трактора.

Целью курсовой работы является закрепление и углубление знаний по основам теории и расчета тракторов, необходимых для их эффективного использования в сельскохозяйственном производстве.

Тяговые показатели трактора и эффективность его использования в сельскохозяйственном производстве в соответствии с назначением и условиями эксплуатации зависят от правильного выбора основных параметров: веса (массы), мощности и типа регуляторной характеристики двигателя, передаточных чисел трансмиссии.

При выполнении тягового расчета трактора производятся: расчет основных параметров трактора; расчет и построение регуляторной характеристики двигателя, потенциальной и теоретической тяговых характеристик трактора; анализ его основных эксплуатационных свойств.

Все расчеты проводятся в Международной системе единиц (СИ) измерения физических величин.

Курсовую работу выполняют по индивидуальному заданию в виде расчетно-пояснительной записки с графиками, оформленными в соответствии с ЕСКД и ГОСТ 2.319-81.

Расчетно-пояснительная записка должна начинаться с введения, содержащего цель и задачи работы, краткое описание трактора-прототипа.

После введения приводятся исходные данные к курсовой работе и все этапы расчета в соответствии с методическими указаниями.

Расчетные формулы сопровождаются необходимыми пояснениями, расшифровкой входящих в них составляющих.

Содержание записки должно обеспечивать возможность проверки правильности расчета любого значения показателя или параметра. Основные результаты расчетов и графики сопровождаются анализом с принятием решений и выводами. В конце записки помещается список использованной литературы (в тексте должны быть ссылки на неё) и оглавление. Оформленные с нарушениями предъявляемых требований расчетно-пояснительные записки к рассмотрению не принимаются.

К основным исходным данным на проектируемый трактор относятся:

1. Тип (прототип) трактора - гусеничный, колесный (колесная формула).

2. Тяговый класс и номинальное тяговое усилие. Сельскохозяйственные тракторы разделены на тяговые классы по величине номинального тягового усилия Р_н, выраженной в тоннах силы (1 тс = 1_*g кН @ 9,81 кН @ 10 кН, где g - ускорение свободного падения). Например, к тяговому классу 3 относится трактор ДТ-75М, номинальное тяговое усилие у которого равно Р_н = 3 тс @ 30 кН. Номинальное тяговое усилие трактора - это такое максимальное тяговое усилие, при котором движущийся по стерне зерновых культур (при нормальной плотности и влажности почвы) трактор имеет наибольший или близкий к нему тяговый к.п.д. при условии, что потери на буксование движителя d (коэффициент буксования) не превышают допустимых по агротехническим требованиям пределов d_н.доп (тракторы: гусеничные – 3...5 %; колесные 4К4 – 12 %, 4К2 – 16...18 %). Номинальное тяговое усилие Р_н является правой границей рабочего интервала тяговых усилий трактора.

3. Номинальная скорость движения V_н. Это скорость движения трактора, соответствующая номинальному тяговому усилию Р_н.

На первом этапе развития тракторостроения номинальные скорости движения составляли для гусеничных тракторов 1,0 м/с (3,5 км/ч), для колесных 1,1 м/с (4,0 км/ч). В 1961...1965 гг. выпускались тракторы со скоростью движения 1,4 м/с (5 км/ч) и 1,7 м/с (6,0 км/ч), соответственно. С 1965 г. ряд заводов начал выпускать тракторы с номинальной скоростью движения 2,5 м/с (9,0 км/ч).

6. Фон поля - для расчета потенциальной и теоретической тяговых характеристик трактора.

7. Максимальная транспортная скорость движения трактора V_макс.

8. Номинальная частота вращения вала двигателя n_н.

9. Номинальный удельный расход топлива двигателем g_ен.

Принято различать следующие значения веса трактора.

Конструктивный (сухой) вес G_о - вес трактора в не заправленном состоянии, без тракториста, инструмента, дополнительного оборудования и балласта.

Эксплуатационный вес G – это вес трактора в условиях эксплуатации, то есть при использовании его по прямому назначению.

Минимальный эксплуатационный вес G_мин, равный конструктивному весу плюс вес заправочных материалов, инструментов и тракториста. Минимальный эксплуатационный вес G_мин в среднем на 7...11 % больше конструктивного G_о:

Максимальный эксплуатационный вес G_макс, равный минимальному эксплуатационному весу плюс вес балласта G_б:

Балласт применяется для увеличения сцепного веса (нагрузки на ведущие колеса, движитель) G_сц тракторов с целью повышения их тягово-сцепных свойств (уменьшения коэффициента буксования d и увеличения силы сцепления Р_j). При установке балласта на ведущих колесах его вес можно определить по формуле:

где l_к - коэффициент нагрузки ведущих колес:

Конструктивный вес трактора G_о надо стремиться снижать до минимума реализацией технических возможностей, но с учетом экономической целесообразности. С уменьшением конструктивного веса снижается металлоемкость, затраты мощности на передвижение трактора, особенно на транспортных работах. Однако с уменьшением конструктивного веса возрастает стоимость трактора в связи с применением более прочных материалов и совершенных технологий. Более или менее точно конструктивный вес может быть определен только при реальном проектировании. При выполнении курсовой работы величину его следует принимать, ориентируясь на тракторы того же класса и уровень их энергонасыщенности.

Расчетный максимальный эксплуатационный вес G_макс.р трактора определяют исходя их того, чтобы при работе на стерне зерновых культур при нормальной влажности и плотности почвы с номинальной нагрузкой на крюке Р_н он обеспечивал не превышение допустимого уровня буксования движителей d_доп (см. раздел 1, п. 2). Для аппроксимации зависимости коэффициента буксования трактора от развиваемого им тягового усилия можно использовать следующую, полученную на основании обработки большого количества опытных данных, зависимость:

где j_m, А, B - коэффициенты, полученные при математической обработке опытных данных - таблица 1;

j_кр - коэффициент использования сцепного веса трактора:

Коэффициенты: сопротивления качению тракторов и функции

аппроксимации кривой буксования d= ln{[A/(j_m- j_кр)]}/B

Решение выражения (4) относительно j_кр позволяет задавшись допустимой величиной коэффициента буксования d_доп определить соответствующее ему значение коэффициента использования сцепного веса j_кр.н трактора:

По полученному значению j_кр.н и известному значению номинального тягового усилия трактора P_н в соответствии с (5) можно определить требуемое значение сцепного веса трактора G_сц и его расчетный максимальный эксплуатационный вес G_макс.р.

Для колесных с колесной формулой 4К4 и гусеничных тракторов сцепной вес равен эксплуатационному весу G_сц= G, поэтому получим:

Для колесных тракторов с колесной формулой 4К2 сцепной вес примерно равен

и тогда расчетный максимальный эксплуатационный вес

где L, а^*⁾ - соответственно, продольная база и продольная координата центра тяжести трактора, м;

…^*⁾ - значения параметров L, а и h_кр могут быть приняты по трактору-прототипу или другим тракторам соответствующего типа, тягового класса и назначения.

Если эксплуатационный вес трактора G меньше, чем расчетный максимальный эксплуатационный вес G_макс.р, то буксование при номинальном тяговом усилии будет превышать допустимый уровень d_доп, что недопустимо.

После определения G_макс.р следует произвести предварительную оценку значений конструктивных веса G_о^* и массы m_к^* трактора по формулам (см. (1)):

Окончательное решение о величине веса трактора принимается после определения номинальной мощности двигателя.

Значения веса на этом этапе следует определять в следующей последовательности:

1. Рассчитать допустимую величину коэффициента использования сцепного веса j_н при номинальной загрузке трактора по тяге по формуле (6).

2. Определить расчетный максимальный эксплуатационный вес G_макс.рпо формулам (7) или (8).

3. Высчитать предварительные значения конструктивных веса G_о^* и массы m_к^* трактора.

Номинальная (максимальная) мощность двигателя находится из условия реализации заданной номинальной скорости движения V_н при номинальном тяговом усилии Р_н трактора по формуле:

где Р_f_р - сила сопротивления качению при G = G_макс.р:

h_тр - механический к.п.д. силовой передачи (трансмиссии);

h_ву - к.п.д. ведущего участка движителя гусеничного трактора, следует принимать h_ву. = 0,96…0,98;

h_d - коэффициент, учитывающий потери от буксования движителя (для гусеничных тракторов h_d = 0,95…0,97, d = 3…5 %; для колесных тракторов общего назначения h_d = 0,82; d = 12 % и универсально-пропашных h_d = 0,82…0,84; d =16…18 %);

h_им - коэффициент использования номинальной мощности двигателя, учитывающий резервирование мощности на трогание с места и преодоление дополнительных сил сопротивления движению, h_им= 0,90…0,95.

При определении к.п.д. трансмиссии следует использовать эмпириоаналитическую формулу:

где h_х - к.п.д. «холостого хода» трансмиссии, h_х= 0,95…0,97;

h₁, h₂ - к.п.д. соответственно цилиндрической и конической пар шестерен: h₁= 0,985; h₂= 0,975;

n₁, n₂ - число пар соответственно цилиндрических и конических шестерен, работающих в трансмиссии на данной передаче. Для приведенных в приложении тракторов и автомобилей n₂ = 1.

Номинальную мощность двигателя, определенную по формуле (9) округляют в б о льшую сторону для тракторов с N_н< 30 кВт (40 л.с.) до последней четной цифры, при N_н= 30…200 кВт (40…270 л.с.) до цифры 5 или 0 и свыше 200 кВт (270 л.с.) - до 0.

Далее оценивают удельную массу трактора по формуле:

Затем следует проанализировать и при необходимости скорректировать полученное значение удельной массы m_уд^* в зависимости от номинальной скорости движения V_н (см. табл. 2) или конструктивной m_к^* массы в зависимости от полученного значения номинальной мощности двигателя N_н (9) (см. рис. 1 и 2 приложения) с учетом уровня этих показателей у трактора-прототипа, других тракторов, тенденций развития тракторостроения. Или, другими словами, на этом этапе следует принять «волевое решение» о значении удельной m_уд или конструктивной m_к массы трактора. Здесь m_уд и m_к - принятые после корректировки значение масс.

После этого следует рассчитать значения конструктивного G_о, кН

и минимального эксплуатационного веса G_мин (1) трактора.

в зависимости от номинальной скорости движения, кг/кВт

Если G_мин< G_макс.р, то необходим балласт G_б (3) и для трактора рассматриваются как минимум два значения эксплуатационного веса: минимальный G_мин (1) и максимальный G_макс (2).

Если G_мин³ G_макс.р, то эксплуатационный вес трактора принимают равным G = G_мин.

Для современных гусеничных тракторов требуемая величина G_макс.р в большинстве случаев получается меньше значения минимального эксплуатационного веса G_мин.

Принимаемое в дальнейших расчетах значение эксплуатационного веса трактора для упрощения записей будем обозначать G.

3. Баланс мощности и потенциальная тяговая характеристика

При расчете баланса мощности принимают идеальные предпосылки в использовании трактора:

- автоматическое и бесступенчатое изменение передаточного числа трансмиссии, и, следовательно, тягового усилия и скорости движения;

- загрузка двигателя постоянна, не зависит от тягового усилия и соответствует номинальному режиму;

- к.п.д. трансмиссий и сила сопротивления перекатывания остаются постоянными и не зависят от нагрузочного и скоростного режима работы трактора;

- трактор движется равномерно по горизонтальному участку.

При принятых условиях уравнение баланса мощности имеет вид:

N_d - мощность, затрачиваемая на буксование движителей:

N_f - мощность, затрачиваемая на перекатывание трактора:

V - рабочая (действительная) скорость движения трактора:

V_т - теоретическая (без учета буксования) скорость движения трактора:

Р_кр - тяговое усилие, развиваемое трактором;

N_кр - тяговая мощность (мощность на крюке) трактора:

Для определения коэффициента буксования движителя следует использовать зависимость (4), которая имеет физический смысл при j_кр< j_m, d£ 1.

В графическом виде решение уравнения баланса мощности представлено на рис. 1. Оно показывает, как изменяются все составляющие баланса мощности трактора (7) в зависимости от развиваемого тягового усилия Р_кр при изменении его от нуля Р_кр= 0 (холостой ход) до максимально возможного по сцеплению движителя с почвой Р_кр._j. На Рис. 1 приводятся также кривые изменения коэффициента буксования d, теоретической V_т и рабочей V скоростей движения, удельного тягового расхода топлива g_кр:

где G_тн - номинальный часовой расход топлива двигателем;

График, показывающий изменения мощности на крюке трактора (тяговой мощности) N_кр в зависимости от нагрузки на крюке (тягового усилия) Р_кр, называют потенциальной тяговой характеристикой трактора N_кр = f(Р_кр).

представляет собой кривую изменения тягового к.п.д. h_т трактора:

Последовательность расчета потенциальной тяговой характеристики и форма записи представлены в таблице 3.

В начале расчета в качестве исходных данных принимаются значения j_кр, а затем по ним рассчитываются остальные показатели.

Тяговое усилие Р_кр, развиваемое трактором для гусеничных тракторов и колесных тракторов с колесной формулой 4К4, рассчитывается по формуле:

Для колесных тракторов с колесной формулой 4К2 тяговое усилие Р_кр следует определять по формуле:

Остальные показатели рассчитываются по приведенным выше формулам.

Из графика баланса мощности и потенциальной тяговой характеристики следует, что трактор может работать с высокой степенью использования мощности двигателя на крюке, с высокими значениями тягового к.п.д., низким удельным тяговым расходом топлива только в определенном интервале тяговых усилий. Чем больше отклонения от этого интервала, тем больше суммарные непроизводительные затраты мощности на механические потери в трансмиссии, перекатывание и буксование движителей трактора.