Тяговый расчёт трактора. Учебно-методическое пособие

к движителям от двигателя внутреннего сгорания, установленного на наземном транспортно-технологическом средстве.

Примем, что М f 1 M f 2 Yк aк Yн aн , тогда

Дифференциальное уравнение движения наземного транспортнотехнологического средства в общем виде получим после соответствующих подстановок:

Из уравнения движения агрегата получим выражение для тягового баланса наземного транспортно-технологического средства – соотношения движущих сил и сил сопротивления движению:

где Pj вр m j – сила инерции движущихся масс, Н;

j dV / dt – ускорение движущихся масс машины, м/с2.

Полный тяговый баланс наземного транспортно-технологического средства (трактора) будет иметь вид

где Р =Gsin – сила на преодоление подъёмов.

Тяговые испытания тракторов проводятся при установившейся скорости движения (не более 10 м/с) на горизонтальной поверхности (уклон не должен превышать 30). Поэтому расчётный тяговый баланс трактора может быть представлен с достаточной степенью точности в таком виде:

11

1.2. Мощностной баланс трактора

Уравнение энергетического баланса отражает распределение энергии двигателя на выполнение работы в разных механизмах наземного транспортно-технологического средства и взаимодействие его с опорным основанием.

Для получения мощностного баланса необходимо тяговый баланс умножить на действительную скорость движения наземного транспорт- но-технологического средства. После несложных преобразований получим мощностной баланс в общем случае:

Ne Nкр Nтр N f N N N j Nw Nдоп , (1.29)

где N e – эффективная мощность двигателя;

Nкр – тяговая мощность на прицепном устройстве;

N тр , N , N f , N , Nw – затраты мощности, характеризующие расход

энергии на трение в трансмиссии, буксование движителей, преодоление сопротивлений качению, подъёма и воздуха;

N j – затраты мощности на изменение скорости движения НТТС;

– дополнительные затраты мощности на привод вала отбора мощности, недоиспользованная мощность при движении НТТС с переменной нагрузкой, для создания условий водителя, на её рассеивание в упругих элементах конструкции машины.

Мощности N j и N имеют разные знаки в зависимости от НТТС на подъём или под уклон, при разгоне или снижении скорости. При подъёме и разгоне мощности N j и N берут со знаком «плюс», при спуске и замедлении – со знаком «минус».

Степень совершенства трактора как тягача и соответствие его функциональному назначению характеризует изменение отдельных составляющих энергетического баланса в зависимости от тягового усилия на крюке Ркр .

Анализ этих составляющих позволяет определить оптимальный диапазон режима трактора в эксплуатации с наибольшей производительностью и наименьшими энергетическими потерями. Поэтому составляющие уравнения энергетического баланса, не зависящие от тяго-

12

вой нагрузки, обычно не анализируют. Если Nдоп = 0, то с достаточной степенью точности можно мощностной баланс трактора представить в виде

Vт = к∙ rк – теоретическая скорость движения; V = Vт ∙ – скорость буксования движителей;к – частота вращения колеса.

rк – кинематический радиус колеса.

тр – коэффициент полезного действия трансмиссии.

Величина N тр включает два вида потерь: механические и гидрав-

лические.

Механические потери обусловлены трением в зубчатых зацеплениях, карданных шарнирах, подшипниках и т.д. Величина этих потерь зависит главным образом от качества обработки и смазки поверхностей трения.

Гидравлические потери связаны с перемешиванием и разбрызгиванием масла в механизмах трансмиссии. Величина потерь этого вида зависит от вязкости, степени загрязнённости, температуры и уровня масла в механизмах трансмиссии, частоты вращения её деталей.

13

Потери мощности в трансмиссии оценивают с помощью коэффи-

где к , кв , дк , гл – коэффициенты полезного действия соответственно коробки передач, карданной передачи, дополнительной коробки передач и главной передачи.

Коэффициент полезного действия трансмиссии меняется в течение срока эксплуатации наземного транспортно-технологического средства. В начальный период эксплуатации идёт приработка деталей, и коэффициент полезного действия трансмиссии в течение некоторого времени повышается. На протяжении длительного периода он остаётся примерно одинаковым, а затем начинает снижаться вследствие предельного изнашивания деталей. После капитального ремонта наземного транс- портно-технологического средства при приработке деталей коэффициент полезного действия вновь возрастает, но не достигает прежнего значения.

Для наземных транспортно-технологических средств, имеющих в трансмиссии гидравлические передачи (гидротрансформаторы, гидромуфты), коэффициент полезного действия трансмиссии равен:

где м , гид – коэффициент полезного действия механический и гидравлический соответственно.

Гидравлический коэффициент полезного действия зависит от угловой скорости валов и передаваемого момента.

1.3. Потенциальная тяговая характеристика трактора

Рассмотрим статический энергетический баланс трактора при равномерном движении по горизонтальному участку поля:

Ne Nкр Nтр N Nw N f .

Для проведения анализа мощностной баланс трактора изобразим графически, приняв, что трактор имеет бесступенчатую трансмиссию, которая позволяет загружать двигатель на номинальную мощность бла-

14

годаря автоматическому изменению скорости движения в соответствии с изменением тяговой нагрузки.

На оси абсцисс отложим значения тяговых усилий на крюке (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Баланс мощностей и потенциальная тяговая характеристика трактора

Проведём штрихпунктирной линией две вспомогательные кривые: коэффициента буксования и коэффициента сопротивления качению f по опытным или справочным данным, соответствующим рассматриваемому типу трактора и выбранному почвенному фону.

По оси ординат отложим отрезок, изображающий в выбранном масштабе номинальную мощность двигателя Nен, и через его вершину проведём прямую параллельно оси абсцисс. Согласно принятому условию о сохранении постоянной загрузки двигателя затраты мощности на потери в трансмиссии Nтр постоянны и равны независимо от силы тяги. Отложим вниз от прямой Nен отрезок, изображающий в принятом масштабе величину Nтр = Nе (1 ƞтр), и через его конец проведём вторую прямую параллельно оси абсцисс. Участок на графике мощностного баланса между обеими параллельными прямыми адекватен затратам мощности в трансмиссии. Разность отрезков Nен и Nтр = Nе (1 ƞтр) соответствует мощности Nк, передаваемой ведущим органам.

Часть мощности Nк затрачивается на буксование ведущих органов:

15

Используя вспомогательную кривую буксования , построим кривую N , откладывая её значения от прямой, соответствующей Nк , вниз по вертикали. Подсчитав значения N f для ряда точек, отложим их в виде отрезков вниз от ранее построенной кривой N и, соединив концы

стикой трактора (см. рис. 1.2).

Потенциальная тяговая характеристика трактора имеет максимум в определённом диапазоне крюкового усилия Ркр .

Это объясняется тем, что при малых значениях Ркр буксование

движителей невелико, но на самопередвижение расходуется очень высокая мощность N f из-за большой скорости V д . При снижении ско-

рости и повышении Ркр затраты мощности на качение уменьшаются, а

мощность на буксование значительно увеличивается. Максимальное значение тяговой мощности соответствует такому значению Ркр , при

котором сумма N f N достигает минимального значения. Это значение Ркр (или близкое к нему) принято называть номинальным. Оно по-

ложено в основу классификации тракторов по тяговым классам. Согласно этой классификации разработано несколько классов, каждому из которых соответствует определённая сила тяги на крюке. Эту силу тяги трактор должен развивать на невзлущенной стерне нормальной влажности (15…18%) и средней твёрдости (на чернозёме или суглинке) при буксовании движителей не более 14…16% для колёсных и 3% для гусеничных тракторов.

1.4. Тяговый коэффициент полезного действия трактора

Максимальному значению тяговой мощности соответствует максимальный коэффициент (КПД) трактора.

Различают общий и тяговый КПД. Общий КПД учитывает мощность Nкр , преобразуемую в тяговое усилие, и мощность на ВОМ. Тяго-

вый КПД рассчитывают для двух случаев: трактор работает в тяговом режиме одновременно с приводом через ВОМ и только в тяговом режиме.

16

Коэффициент КПД трактора принято определять при равномерном движении его по горизонтальной поверхности, используя следующие

Кривая тягового КПД трактора по потенциальной характеристике в некотором масштабе совпадает с кривой мощности Nкр .

В литературе можно встретить термин «условный тяговый КПД». Тяговый КПД называют условным потому, что при определении мощностей Nкр и Nе условия работы двигателя существенно различаются.

Эффективную мощность двигателя на номинальном режиме Nе определяют в процессе лабораторных тормозных испытаний при нагружении двигателя постоянным моментом сопротивления в каждой точке характеристики, а тяговую мощность Nкр – в полевых условиях при

нагружении переменным моментом.

На основании энергетического баланса и потенциальной тяговой

где тр , f , – составляющие тягового КПД, учитывающие механиче-

ские потери мощности в трансмиссии, потери на качение трактора и на буксование движителей.

Принято, что механические потери в гусеничном и гистерезисные в колёсном движителях входят в состав f .

Механический КПД машин отражает общий технический уровень производства, технологии и применяемых материалов. По мере повышения технического уровня отрасли растёт КПД машин. Так, КПД цилиндрических шестерён тракторных трансмиссий повысился с 0,970 до 0,985. Механический КПД зависит от числа пар зубчатых передач, одновременно находящихся в зацеплении, типа шестерён, числа подшипников, уровня и вязкости масла, частоты вращения валов и шестерён, числа уплотнений и т.п. В механических шестерённых трансмиссиях

17

имеют место потери мощности на трение между зубьями шестерён, в подшипниках и на перемешивание масла. Типичными значениями механических КПД различных составляющих трансмиссии являются следующие: сцепление – 99%; каждая пара шестерён – 95…97%; подшипники и шарниры – 98…99%.

Общий механический КПД трансмиссии от коленчатого вала двигателя до ведущих колёс или звёздочек является произведением КПД всех элементов передачи. В первом приближении можно принять следующие средние значения общего КПД механических шестерёнчатых трансмиссий: на прямой передаче – 90%; на других передачах – 85%; для трансмиссий с большими передаточными отношениями – 75…80%.

Момент М т , расходуемый на трение, составляет небольшую величину в сравнении с крутящим моментом двигателя и мало зависит от нагрузки.

Помимо уровня нагрузки на величину КПД трансмиссии в эксплуатации влияют техническое состояние и тепловой режим работы трактора, затяжка подшипников, натяжение гусеницы, регулировка тормозов, уровень масла в картерах, перекосы валов, вязкость масла и т.д.

В тракторах с двумя и более ведущими мостами колёсам каждого моста передаётся различный момент через разное число пар шестерён. Поэтому следует определять суммарный КПД их трансмиссий, состоящий из КПД потоков мощности к каждому мосту.

Например, общий КПД трансмиссии машины с двумя ведущими мостами можно рассчитать по формуле

18

тр – коэффициент, учитывающий потери холостого хода в трансмиссии ( тр 0,03...0,05);

n , k – количество цилиндрических и конических пар в зацеплении. КПД f , учитывающий потери мощности на качение трактора,

можно определить из мощностного баланса:

Для этого необходимо знать коэффициент буксования ведущих колёс в заданных условиях работы. Теоретически коэффициент буксования можно найти по эмпирическим зависимостям. Но обычно кривую буксования f Pкр строят по имеющимся опытным данным с учётом

тягового класса трактора, типа ходовой системы, фона.

1.5.Тяговая характеристика трактора со ступенчатой трансмиссией

Всвязи с тем, что трансмиссия тракторов сельскохозяйственного назначения в большинстве случаев ступенчатая, тяговая характеристика реального трактора отличается по виду от изображённой на рис. 1.2.

Основной характеристикой трактора, отражающей его функцио-

нальные свойства и соответствие своему назначению, принято считать тяговую характеристику, выражающую зависимость тяговой мощности, тягового КПД, удельного расхода топлива и других показателей от тягового усилия. По существу, тяговая характеристика трактора – это построенная в других координатах регуляторная характеристика двигателя, снятая через трансмиссию с учётом взаимодействия движителей с почвой.

19

При снятии как регуляторной, так и тяговой характеристик последовательно повышают или снижают (от некоторого уровня) нагрузку на двигатель и измеряют его показатели. Если регуляторную характеристику (рис. 1.3, а) двигателя перестроить в координатах, Ne , д f M к , то она примет вид тяговой характеристики (рис. 1.3, б).

Рис. 1.3. Регуляторная характеристика в общепринятых координатах (а) и в координатах Nе, ωд = f(Mк) = f(Ркр) (б)

Тяговая мощность Nкр , тяговое усилие Ркр и скорость V , использу-

емые в качестве координат для построения тяговой характеристики трактора, представляют собой эффективную мощность, крутящий момент и угловую скорость вращения вала двигателя д , изображённые на рис. 1.3, в некоторых масштабах. В масштаб входит передаточное число трансмиссии, имеющее неодинаковые значения для разных передач. Это означает, что каждой передаче соответствуют конкретные зависи-

мости Nкр f Ркр и Vд f Pкр .

На рис. 1.4 изображено семейство кривых тяговой мощности трактора с четырёхступенчатой коробкой передач.

Каждая кривая Nкр из четырёх постоянна как функция Ne = f(Mк) при разных значениях передаточного числа iтр и с учётом других факторов. Максимальное значение мощности на тяговой характеристике (см. рис. 1.3) соответствует точке b!, а на регуляторной – точке b, символизирующей номинальный режим работы двигателя.

20