Строительная техника

Промышленные тракторы

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Увеличение энергонасыщенности является одним из важнейших средств повышения производительности тракторов. За последние 20 лет была значительно увеличена энергонасыщенность сельскохозяйственных тракторов, вызванная увеличением рабочих скоростей МТА, при этом удельная мощность увеличилась более чем в 2,5 раза. Удельная мощность промышленных тракторов также ежегодно увеличивается со средним темпом 0,5 % в год. Энергонасыщенность современных гусеничных промышленных тракторов составляет 5,9—11 кВт на 1 т конструктивной массы трактора.

При известных тяговых усилиях энергонасыщенность является функцией рабочей скорости. И, наоборот, при заданном уровне энергонасыщенности рабочая скорость есть случайная функция от тягового усилия, характеризуемая принятыми в теории вероятностей параметрами.

Рабочие скорости не эквивалентны кинематическим, указываемым в технических характеристиках тракторов. Так, для трактора с МТ принято указывать скорость при максимальной мощности двигателя, поскольку трактор работает большую часть времени с такой скоростью. Для трактора с ГМТ в характеристиках указывается скорость холостого хода, т. е. скорость при Рк = Р/ или Ркр = 0. При этом скорости распределяются от 0 до кинематически предельной скорости по одномодальному асимметричному закону

Снижение скорости по отношению к кинематически заложенной происходит в основном в результате буксования трактора и изменения частоты вращения выходного вала МТБ (увеличивается нагрузка). Буксование тракторов с МТ и ГМТ примерно одинаково. Уменьшение частоты вращения выходного вала МТБ для трактора с МТ сводится к минимуму, у тракторов с ГМТ это уменьшение ГТ больше в связи с использованием преобразующих свойств. Условимся оценивать рассмотренное снижение частоты вращения выходного вала коэффициентом Kv = бд/ик, представляющим отношение математического ожидания действительной скорости vh и кинематической скорости ик, под которой для МТ будем понимать скорость при #д = max, а для ГМТ — скорость при Рк = 0.

Математическое ожидание ид в свою очередь является случайной величиной, распределенной по одномодальному асимметричному полигону, построенному по результатам более 100 испытаний различных моделей отечественных и зарубежных тракторов

Параметры полигонов Kv для тракторов с МТ и ГМТ значительно отличаются. Дополнительные испытания показали, что тракторы с МТ и ДПМ по параметрам полигонов Kv приближаются к тракторам с ГМТ. Средние скорости тракторов с МТ на 17 % ниже, чем кинематические при Ыл = max, или на 25—35 % ниже, чем кинематические при Рк = 0. Разброс этих параметров незначителен.

Уменьшение скорости тракторов с ГМТ по сравнению с кинематической при Рк = 0 составляет около 60 % и имеет значительные колебания  (от 20 до 80 %  с практически равной вероятностью).

Таким образом, если для тракторов с МТ и двигателями, имеющими малый Кю кинематически заложенная скорость может, хотя и не в полной мере, характеризовать математическое ожидание реальной скорости, связанное с энергонасыщенностью, то для тракторов с ДПМ, ГМТ, ЭЛ такая характеристика не отражает реальной скорости. С учетом изложенного для оценки МТУ различных типов целесообразно использовать математическое ожидание действительной скорости рабочего хода.

Выполненные с использованием математических моделей расчеты показывают, что

В связи с изложенным выше необходимо обратить внимание на часто встречающиеся заблуждения и ошибки, когда трактор меньшей энергонасыщенности объявляется более совершенным вследствие того, что его удельная производительность на 1 кВт мощности двигателя больше, чем у аналога.

Анализируя эффективность от увеличения энергонасыщенности, необходимо использовать еще один удельный показатель qn (отношение массы агрегата к ЭПП). Показатель qn с увеличением энергонасыщенности снижается обратно пропорционально росту Рут с таким же темпом, т. е. с ростом энергонасыщенности в 2 раза расход металла на единицу ЭПП снижается в 1,5 раза.

Расчеты показывают более значительные влияния qn по сравнению с другими на экономические показатели, чем и объясняется рост энергонасыщенности тракторов.

Однако на пути реализации расчетных показателей имеется ряд трудностей, из которых выделим две главных: технологические ограничения по скорости рабочего хода вследствие того, что невозможно обеспечить управление оборудованием, и повышенную нагруженность узлов  и деталей  агрегата.

Ограничение предельной скорости по технологии работ обусловливает различную рациональную энергонасыщенность для грунтов различных видов. В связи с этим, кроме поиска предельной скорости, необходимо определять рациональные мощности, учитывая вероятности изменения грунтовых условий.

Для обеспечения одной и той же энергонасыщенности агрегата при различном агрегатировании требуется различная мощность двигателя вследствие различных масс агрегата при постоянной массе трактора. И это также необходимо учитывать при расчетах.

Определять значения предельной технологической скорости можно только при условии оптимальности тягового фактора. Совершенно ошибочными являются исследования, в которых ее пытаются определять на тракторе с заданной мощностью двигателя, используя, например, более высокую передачу, и делают заключения о том, что при таких скоростях вообще невозможно работать. Очевидно, что в данном случае наряду с повышенной рабочей скоростью имеет место недостаточное тяговое усилие. Поэтому при дальнейшем анализе будем подразумевать, что во всех рассматриваемых случаях выбран оптимальный тяговый фактор.

Определению технологически предельных скоростей предшествовали исследования сопротивления грунта копанию при различных скоростях, в результате которых было установлено, что с ростом скоростей до 6—8 км/ч увеличения сопротивления копанию не наблюдалось.

Полученные результаты не противоречат выводам, сделанным другими авторами [9, 14] при специальных исследованиях по изучению сопротивления грунта резанию на различных скоростях. Таким образом, сопротивления копанию позволяют увеличить рабочие скорости до 8 км/ч.

Рассмотрим, как изменялись ЭПП и производительность с увеличением рабочей скорости на тракторах ТЭМП-1  и ТЭМП-2.

Трактор ТЭМП-1. Результаты испытаний показывают, что рост производительности значительно замедлился при увеличении удельной мощности более 8,9 кВт на 1 т массы агрегата и средней скорости более 3 км/ч

Визуальные наблюдения при испытаниях трактора показали, что трудности в управлении отвалом наблюдались не при 3 км/ч, а при возрастании мгновенной скорости до 4—4,5 км/ч, и именно это явилось основной причиной снижения темпа роста производительности. Водитель ошибался, терял призму, натыкался на стенки траншеи, снижалось среднее тяговое усилие, увеличивалось среднее буксование, рос отбор мощности на гидропривод бульдозерного оборудования.

Трактор ТЭМП-2. Экспериментальные исследования проводили при следующих вариантах управления двигателем и бульдозером: первый — мощность 150 кВт, полная подача топлива, стандартная система управления (дискретная); второй — мощность 243 кВт, полная подача топлива, стандартная система управления; третий — мощность 243 кВт, работа с акселератором, стандартная система управления; четвертый — мощность 350 кВт, полная подача топлива,, система управления позиционная (следящая); пятый — мощность 350 кВт, работа с акселератором, стандартная система управления.

При испытаниях трактора ТЭМП-2 мощностью 150 кВт действительная скорость изменялась от 0 до 4 км/ч для трактора с МТ и от 0 до 6 км/ч для трактора с ГМТ при средней скорости соответственно 3,04 и 3,23 км/ч. С ростом мощности увеличиваются скорости и их дисперсия. При этом рост средней скорости несколько отстает от роста мощности. Однако это отставание незначительно. Так, для трактора с ГМТ при Ne = 150; 243; 350 кВт скорость ад = 3,23; 5,46; 7,37 км/ч; для трактора с МТ при Ne = 150; 243; 350 кВт скорость уд = 3,04; 4,83; 6,58 км/ч.

Таким образом, на наивысшей мощности основное время трактор работал в диапазоне скоростей 7—10 км/ч при средней скорости 6,58 и 7,37 км/ч, что в 2,5 раза выше скорости при работе бульдозера с обычным уровнем энергонасыщенности.

При увеличении мощности двигателя со 150 кВт до 243 кВт, т. е. в 1,65 раза, техническая производительность возросла в 1,47 раза, ЭПП — в 1,30 раза; дальнейшее увеличение мощности до 350 кВт, или в 1,45 раза, вызывает рост технической производительности в 1,22 раза и ЭПП — в 1,2 раза

Таким образом, при работе двигателя с полной подачей топлива рост производительности отстает от роста мощности примерно в соответствии с теоретической зависимостью.

Как показали испытания, до мощности 243 кВт возможна работа с обычной системой управления отвалом (при соответствующем увеличении подачи насосов и скорости подъема и опускания отвала). Однако использование акселератора значительно облегчает работу водителя, дает ему возможность уменьшать скорость при необходимости (например, в период манипулирования отвалом) и увеличивать ее на тех участках, где это целесообразно (например, при транспортировании грунта на кавальер). Таким образом, появляется вторая степень свободы (помимо управления бульдозером), которая компенсирует неточности при управлении бульдозером. Это особенно заметно при мощности 350 кВт, когда при работе с акселератором можно использовать обычную систему управления.

Как влияет работа с акселератором на производительность трактора? Облегчая для водителя управление агрегатом (при мощности 243 кВт) и делая возможным работу с обычной системой управления, использование акселератора снижает среднюю скорость и, соответственно, производительность (при этом сменная производительность может увеличиться в результате уменьшения утомляемости водителя при работе с акселератором). Техническая производительность и ЭПП трактора мощностью 243 кВт при наличии акселератора соответственно меньше на 4 и 7,5 %, чем при полной подаче топлива. Скорость при этом ниже на 6,5 %. Практически квалифицированный водитель все время работает при полной подаче топлива, пользуясь акселератором только в период заглубления отвала.

Несколько иное положение при работе трактора на мощности 350 кВт. Техническая производительность и ЭПП трактора при наличии акселератора на 8,5 и 27 % меньше, чем при полной подаче топлива. Скорость движения при работе с акселератором на 17 % ниже, чем при полной подаче топлива, т. е. водитель пользуется акселератором значительно чаще, поскольку работать на скорости, соответствующей мощности 350 кВт, труднее

На основании проведенных на тракторах ТЭМП-1 и ТЭМП-2 исследований, обеспечивающих изучение зоны удельных мощностей от 8 до 20 кВт на 1 т массы агрегата, а также результатов испытаний ряда тракторов с меньшей энергонасыщенностью были выполнены определенные обобщения. Для этого выбирали данные по испытаниям тракторов одной конструкции с различной удельной мощностью,, испытания которых были проведены в рамках одной серии опытов (один грунт, один водитель, одна методика, одна длина разработки)..

Для того, чтобы проанализировать всю совокупность данных, необходимо выразить производительность через какие-либо относительные величины. В нашем случае необходимо определить, с каким темпом увеличивается производительность при росте удельной мощности во всем исследуемом диапазоне? Поэтому будем выражать удельную мощность в абсолютных единицах, а производительность для каждой серии испытаний разделим на производительность при; наименьшей энергонасыщенности и обозначим это отношение коэффициентом /Сп.уд- Таким образом, производительность при наименьшей энергонасыщенности в каждой серии испытаний будет равна  единице.

Полученные таким образом зависимости в совокупности представляют собой семейство линий, показывающих относительное увеличение производительности при различной удельной мощности. Так, например, зависимость для тракторов Т-100М, Т-130 показывает, что при росте удельной мощности с 4,8 до 5,9 кВт/т, т. е. в 1,3 раза, производительность увеличилась в 1,35 раза. На тракторе ДЭТ-250 увеличение удельной мощности с 7 до 10 кВт/т, т. е. в 1,45 раза (изменение было достигнуто вследствие увеличения мощ-ности^двигателя и уменьшения массы трактора при замене электрической трансмиссии на гидромеханическую), привело к увеличению производительности в 1,5 раза. В зоне свыше 8,8 кВт/т темп роста производительности замедлился. При переходе к другим системам управления и подвескам темп роста производительности снова возрастает. В результате выполненного обобщения установлено, что в зоне до 8 кВт на 1 т массы агрегата экспериментальный темп роста производительности опережает расчетный. Это объясняется тем, что при исследованиях изменялись условия эксперимента и некоторые конструктивные особенности тракторов. Во всяком случае, в этой зоне обеспечивается рост производительности не менее расчетного.

При энергонасыщенности от 8 до 9 кВт/т происходит резкое уменьшение темпа роста производительности и он уже начинает отставать от расчетного. Таким образом, энергонасыщенность 7,5— 8,5 кВт/т, соответствующую примерно математическому ожиданию скорости 2,7—3,5 км/ч, можно считать предельно целесообразной для тракторов с полужесткой подвеской и традиционными системами управления орудием и двигателем.

Для того, чтобы при дальнейшем повышении энергонасыщенности расчетные и экспериментальные результаты совпадали, необходимо использовать новые следящие или автоматические системы управления, а также более прогрессивные типы подвесок. Это позволяет увеличить ограниченную по технологии работ предельную скорость до 7 км/ч и соответствующую энергонасыщенность до 20—25 кВт/т. С увеличением энергонасыщенности увеличивается удельный расход топлива (на 1 м3 грунта), причем с ростом энергонасыщенности темп увеличения расхода замедляется. Увеличение удельного расхода топлива (на 1 м3 грунта) при росте энергонасыщенности вызывается в основном повышенными потерями мощности на передвижение трактора и не прямо пропорциональным увеличением производительности. Настоящие исследования базировались на работе трактора на типичных грунтах с фктах = 0,9-М,0, а именно для этих грунтов справедливы рассмотренные зависимости энергонасыщенности и рабочей скорости. Для других грунтов предельная рабочая скорость (ограничения по технологии работ) будет соответствовать другой энергонасыщенности трактора. Принимая технологически предельное значение математического ожидания скорости равным 3,5 км/ч, будем иметь для типичного грунта предельную энергонасыщенность, равную 8,5 кВт/т, для грунта с фктах = 1,2—10 КВТ/Т, а для грунта, например, с фктах = 0,6, до 4,0 КВТ/Т. Различие, как мы видим, существенное, и тут легко впасть в ошибку, приняв предельную энергонасыщенность на каком-либо грунте за абсолютное предельное значение Муд для всей совокупности грунтовых условий (такие ошибки часто совершаются при анализе результатов каких-либо конкретных испытаний). Предельной энергонасыщенности для каждого  грунта  будет  соответствовать  свое  предельное  значение энергетического потенциала производительности, выше которого при работе на данном грунте невозможно подняться, сколько бы мы не увеличивали энергонасыщенность.

Очевидно, что приняв для трактора энергонасыщенность , соответствующую грунту с большими значениями <рКтах> мы на слабых грунтах будем недоиспользовать мощность двигателя, работая на предельных скоростях, соответствующих меньшей мощности. С другой стороны, приняв энергонасыщенность, предельную для грунтов с малыми фктах» мы будем недоиспользовать потенциальные возможности трактора, т. е. недоиспользовать единицу массы конструкции. С возрастанием фКШах абсолютный ЭПП увеличивается, поэтому плотные грунты влияют на значения ПЭПП больше, чем легкие при равной вероятности.

Общая задача может быть решена только на базе математической модели, алгоритм которой в общем виде описывается выражением. Вычисляя по выражению средний для всего грунтового диапазона удельный энергетический потенциал производительности при различных значениях энергонасыщенности и учитывая технологические ограничения по скорости, получим зависимость ПЭПП от предельной энергонасыщенности.

Необходимо отметить, что указанные рекомендации даны только для повышения ЭПП и технической производительности трактора. При достижении указанных показателей необходимо обеспечивать требуемую нормативную надежность, что связано с уровнем технологии производства, с необходимостью применения более дорогих материалов и т. п. Поэтому выбор энергонасыщенности промышленного трактора перерастает из технической в технико-экономическую задачу, а энергонасыщенность является обобщенным показателем параметров трактора, уровня технологии производства и эксплуатации   промышленных   тракторов.