Лекция 3.3. Тяговый расчёт колёсного трактора

3.3.1. Определение тягового диапазона. Определение весовых параметров трактора

Необходимые тяговые показатели трактора могут быть достигнуты и эффективно использованы только в том случае, если будут правильно подобраны основные его параметры: вес трактора, скорости движения (передаточные числа трансмиссии) и мощность двигателя. Эти параметры определяют при тяговом расчёте трактора.

Тяговый расчёт и построение теоретической тяговой характеристики производят в двух случаях: при проектировании нового трактора и при оценке тяговых и экономических свойств существующего или модернизированного трактора.

Исходные данные к тяговому расчёту выбирают с учётом места, занимаемого рассматриваемым трактором в типаже. Типаж тракторов включает в себя десять классов с номинальными тяговыми усилиями 2, 6 ,9, 14, 20, 30, 40, 50, 60, 80 кН. Трактор должен быть рассчитан на выполнение всех работ, соответствующих его тяговому классу, и некоторой части работ, относящихся к тяговой зоне соседнего с ним класса. Перекрытие тяговых зон позволяет выполнять некоторые работы тракторами смежных классов, что расширяет сферу применения имеющихся в хозяйстве тракторов каждого класса.

Назовём отношение расчётной силы тяги на крюке к минимальной силе тяги на крюке, на которую он должен быть рассчитан, расчётным тяговым диапазоном трактора и обозначим его через .

Тяговый диапазон определяют по формуле

,

где - номинальная сила тяги на крюке, установленная для трактора данного класса; - коэффициент перегрузки по тяге (коэффициент расширения тяговой зоны), рекомендуемые значения ; - минимальное рабочее тяговое усилие, определяемое по лёгким работам исходя из усилия трактора предыдущего класса. Для уменьшения числа тракторов в хозяйствах принимают, т.е. равным номинальному тяговому усилию трактора предыдущего класса.

Для тракторов, не имеющих общую тяговую зону с тракторами других классов, обычно принимают .

Дальнейший этап тягового расчёта – выбор весовых параметров трактора. Следует различать конструктивный (сухой) вес трактора и эксплуатационный вес. Под конструктивным весом трактора понимается вес трактора в незаправленном состоянии, без тракториста, инструментов, дополнительного оборудования и балласта.

Эксплуатационный вес трактора в работе , всегда больше его конструктивного веса . Для большинства тракторов .

Эксплуатационный вес колёсных тракторов часто специально увеличивают, чтобы улучшить их тягово-сцепные свойства. Для этого на ведущие колёса навешивают балластные грузы, в шины заливают жидкость, регулируют силовое воздействие, оказываемое на трактор навесными машинами, применяют одноосные прицепы и т.д.

Расчётная величина эксплуатационного веса должна быть выбрана таким образом, чтобы при работе трактора в соответствующих условиях с расчётной силой тяги на крюке буксование ведущих органов не превышало допустимых в этом случае пределов . Указанное требование при работе трактора на горизонтальном участке пути в установившемся режиме движения выражается следующим уравнением

или ,

где - величина коэффициента использования сцепного веса, которую можно достигнуть в данных почвенных условиях при допускаемой величине буксования ведущих колёс. Для колёсных тракторов ; - коэффициент нагрузки ведущих колёс. Для колёсных тракторов колёсной формулы 4К2 , а для колёсных тракторов колёсной формулы 4К4 ; - коэффициент сопротивления качению трактора, соответствующий принятым почвенным условиям.

Из этого уравнения можно записать

.

При расчётах следует учитывать, что в качестве основного почвенного фона для сельскохозяйственных тракторов общего назначения принят почвенный фон – стерня. Для пропашных сельскохозяйственных тракторов следует в качестве основного почвенного фона принимать слежавшуюся пахоту. Для тракторов специального назначения (промышленные, дорожно-строительные, коммунальные и др.) необходимо принимать тип фона, на котором выполняется соответствующие работы.

Существующие методики выбора весовых параметров трактора при выполнении тягового расчёта позволяют подобрать вес трактора таким образом, чтобы тяговый КПД трактора, работающего с номинальной силой тяги на крюке при установившемся движении на горизонтальном участке пути в определённых почвенных условиях, находился в зоне, близкой к его максимальной величине. В условиях эксплуатации трактору приходится работать на различных почвенных фонах, поэтому подобранный вес может оказаться неоптимальным, если трактор будет работать на другом почвенном фоне. Кроме того расчётные значения величины колеблются в довольно широких пределах, что затрудняет её выбор.

В связи с этим возникает необходимость многофакторного подхода к решению задачи выбора весовых параметров трактора при выполнении тягового расчёта.

Как известно тяговый КПД зависит от величины буксования и силы сопротивления качению , которые при эксплуатации трактора с номинальной силой тяги на крюке на данном почвенном фоне зависят только от веса трактора . Задавая различные значения эксплуатационного веса трактора, находим значение , при котором тяговый КПД будет максимальным при работе трактора на данном почвенном фоне.

Таким образом, можно найти значение эксплуатационного веса на каждом почвенном фоне, на котором будет работать проектируемый трактор. Количество почвенных фонов и вероятность работы на них можно определить исходя из условий эксплуатации трактора-прототипа или изучив соответствующую литературу по использованию тракторов.

Рассчитав, таким образом, эксплуатационные веса трактора в различных почвенных условиях и определив вероятность работы на них , определяют оптимальный расчётный эксплуатационный вес трактора по формуле:

, где - количество почвенных фонов, на которых эксплуатируется проектируемый трактор.

3.3.2. Основные, технологические и транспортные скорости. Определение рабочих скоростей и передаточных чисел трансмиссии трактора

Выбор рабочих скоростей трактора должен быть увязан с принятым диапазоном тяговых усилий на крюке и с требованиями агротехники в отношении допускаемых скоростей работы на различных сельскохозяйственных операциях.

Разнообразие работ, выполняемых тракторами, вызывает необходимость иметь у них три группы передач:

- вспомогательные (технологические) передачи для получения особо низких скоростей движения, которые обусловливаются операциями технологического процесса;

- основные рабочие скорости, на которых выполняется большинство сельскохозяйственных операций;

- транспортные скорости, применяемые для перевозки грузов и холостых переездов.

Требования, предъявляемые к выбору значений скоростей первой группы передач весьма разнообразны. В зависимости от тягового класса трактора диапазон расчётных значений особо низких скоростей должен быть в пределах 0,25…1,0 м/с. Эта группа скоростей чаще всего получается за счёт установки в трансмиссии трактора специальных ходоуменьшителей. Тяговый расчёт для этих скоростей не выполняется.

Число транспортных передач и их номинальные скорости выбирают в зависимости от типа ходовой части и подрессоренности трактора. Для колёсных тракторов сельскохозяйственного назначения их должно быть не менее двух. Чем лучше подрессорен трактор и чем более благоприятные условия созданы для работы водителя, тем больше может быть высшая транспортная скорость.

Промежуточную транспортную скорость можно выбирать как среднюю геометрическую, или арифметическую, величину между заданной максимальной транспортной скоростью и высшей основной рабочей скоростью , т.е.

или .

В целях повышения производительности тракторных агрегатов основные рабочие скорости трактора должны иметь максимальные значения, допустимые при современном уровне агротехники и сельскохозяйственного машиностроения.

Номинальными или расчётными скоростями трактора называются значения его теоретических скоростей при номинальной частоте вращения вала двигателя. Примем число основных передач равным . Обозначим расчётное значение высшей основной рабочей скорости через , а низшей основной рабочей скорости через . Отношение назовём диапазоном номинальных основных рабочих скоростей и обозначим его через .

Скорость, при которой трактор должен работать с расчётной силой тяги на крюке и с полной загрузкой двигателя по номинальной величине крутящего момента, назовём первой расчётной основной рабочей скоростью .

Максимальная (высшая) основная рабочая скорость должна применяться при работе трактора с минимальной силой тяги на крюке, на которую рассчитан трактор. При этом допускается некоторая недогрузка двигателя.

Изложенные выше соображения можно выразить следующими уравнениями:

;

,

где и - передаточные числа трансмиссии соответственно на первой и высшей основных передачах; - минимально допустимый коэффициент загрузки двигателя (следует принимать ); - КПД трансмиссии трактора.

Разделив первое уравнение на второе, и имея в виду, что , получим

.

Как показывают расчёты с достаточной степенью точности можно принять

.

При проектировании новых колёсных тракторов в зависимости от их типа, назначения и системы подрессоривания первая основная рабочая скорость принимается в пределах 2,2…2,8 м/с. Максимальная основная рабочая скорость лежит в пределах 4,2…4,7 м/с. Величина одной из этих скоростей может быть задана и в исходных данных для выполнения тягового расчёта.

Число основных рабочих передач выбирают в зависимости от требуемого диапазона основных рабочих скоростей . Поскольку у сельскохозяйственных тракторов этот диапазон невелик, то при применении коробок обычного типа с передвижными шестернями практически нецелесообразно иметь в группе основных рабочих передач больше четырёх-пяти ступеней. Обычно к ним добавляют ещё одну более низкую резервную передачу, которая позволяет получать на крюке тяговое усилие, несколько большее расчётного, при соответственно повышенном буксовании ведущих колёс.

Вследствие усовершенствования конструкций коробок передач, в частности создания коробок с переключением передач на ходу, возникают более широкие возможности увеличивать число основных рабочих скоростей.

Определим рациональные соотношения между отдельными передачами, т.е. выберем структуру ряда основных рабочих передач. На практике существуют несколько вариантов построения ряда передач: разбивка передач по арифметической прогрессии, геометрической прогрессии и смешанному варианту.

Обычно ряд основных рабочих передач трактора строят по принципу геометрической прогрессии и называют геометрическим. Он имеет следующий вид:

,

где индексы при номинальных скоростях - порядковые номера передач; - знаменатель геометрической прогрессии.

Перемножив приведённые отношения и учитывая, что получим

, откуда .

Определив знаменатель геометрической ряда, и выбрав номинальную скорость трактора на первой основной рабочей передаче , определяем значения номинальных скоростей на остальных основных рабочих передачах:

;

и т.д.

Совершенно аналогично у геометрического ряда передач

;

и т.д.

Намеченный ряд приходится корректировать в соответствии с практическими возможностями подбора чисел зубьев шестерён.

3.3.3. Выбор шин ведущих колёс. Определение потребной мощности двигателя

Для определения значений передаточных чисел трансмиссии необходимо знать динамический (теоретический) радиус ведущих колёс , который зависит от геометрических размеров обода колеса и пневматической шины.

Шины ведущих колёс выбирают по их грузоподъёмности. Для тракторов колёсной формулы 4К2 нагрузка на одно колесо определяется

,

где - коэффициент, учитывающий перераспределение эксплуатационного веса между осями, его величина лежит в пределах 0,75…0,8.

Для тракторов со всеми ведущими колёсами одинакового размера в статическом состоянии 60% веса приходится на передние колёса, а при работе с максимальной тягой одинаковая нагрузка приходится и на задние и на передние колёса. Поэтому в этом случае рекомендуется определять нагрузку на каждое колесо по формуле:

.

По определённой радиальной нагрузке, исходя из принятого давления воздуха в шине и конструктивных особенностей трактора, выбирают шину. В имеющихся таблицах размеры шин даны при внутреннем давлении воздуха в шине, соответствующем максимальной нагрузке.

Нагрузки на шину, указанные в этих таблицах, допускается увеличивать до 20%, не увеличивая при этом давление воздуха в шине.

Для тракторов общего назначения со всеми ведущими колёсами одинакового размера применение шин большого диаметра ограничено возможностью поворота управляемых колёс, увеличением высоты центра тяжести трактора и ухудшением его устойчивости от опрокидывания.

При проведении тягового расчёта обычно выбирают шины, ориентируясь на тракторы аналогичной конструктивной схемы в данном классе.

Динамический (теоретический) радиус ведущих колёс в нагруженном состоянии колеса может быть ориентировочно определён по формуле:

,

где - диаметр обода колеса; - ширина профиля шины на стандартном ободе.

Так, например, в обозначении шины 12-38 – диаметр обода равен 38 дюймов, а ширина профиля шины – 12 дюймов.

Требуемую мощность тракторного двигателя определяют исходя из установленных тяговых и скоростных параметров трактора. При этом следует учитывать следующую особенность тягового режима: силы сопротивления движению тракторного агрегата имеют неустановившийся характер и во время работы непрерывно колеблются в широких пределах.

Вследствие колебательного характера нагрузки необходимо резервировать некоторую часть мощности тракторного двигателя для преодоления систематически возникающих пиковых значений сопротивления движению. Некоторый резерв мощности может также потребоваться для обеспечения разгона тракторного агрегата. С этой целью вводится коэффициент эксплуатационной нагрузки (лекция 3.2). Величина его принимается в пределах 0,8…0,85.

Требуемая номинальная мощность тракторного двигателя определяется по формуле:

.

Полученное значение округляют до ближайшего большего, так как в условиях неустановившейся нагрузки, с которой обычно работает трактор, двигатель несколько снижает развиваемую им мощность по сравнению с мощностью, получаемой при стационарном режиме.

Важным параметром, характеризующим металлоёмкость трактора, является удельный вес трактора. Под удельным весом трактора понимается отношение его конструктивного веса к номинальной мощности, установленного на нём двигателя

.

Для колёсных тракторов величина удельного веса колеблется в пределах

.

Величина обратная удельному весу называется удельной мощностью трактора и определяется по формуле:

.

Удельная мощность трактора является важным параметром, характеризующим энергонасыщенность трактора. Повышение удельной мощности трактора позволяет соответственно повысить его основные рабочие скорости.

Для построения теоретической тяговой характеристики необходимо иметь кроме значения номинальной мощности и полную регуляторную или скоростную характеристику двигателя. Если при проектировании трактора двигатель подбирается из числа выпускаемых промышленностью, то его регуляторная характеристика строится по результатам испытаний или выбирается из справочной литературы. Если подобрать двигатель невозможно, то требуемую теоретическую скоростную характеристику можно построить по эмпирическим зависимостям.