Коэффициент полезного действия трактора и пути его повышения
Различают общий и тяговый КПД. Общий КПД учитывает мощность NKp, преобразуемую в силу тяги, и мощность на ВОМ. Тяговый КПД рассчитывают для двух случаев: трактор работает в тяговом режиме одновременно с приводом через ВОМ (т|общ); только в тяговом режиме (т|т).
Коэффициент полезного действия трактора принято определять при его равномерном движении по горизонтальному участку пути, используя следующие формулы:
где Л^р.вом — мощность механических потерь в приводе ВОМ.
Графическая зависимость тягового КПД трактора в некотором масштабе (численно равном NH э) совпадает с зависимостью мощности NKp по потенциальной тяговой характеристике (см. рис. 47). Это вытекает из выражения (57) вследствие того, что Ne = NH 3 = const.
В литературе можно встретить термин «условный тяговый КПД». Тяговый КПД называют условным потому, что при экспериментальном определении мощностей Ne и NKp [числитель и знаменатель выражения (57)] не учитывают разные режимы нагрузки на двигатель. Эффективную мощность двигателя на номинальном режиме NH 3 определяют в процессе лабораторных тормозных испытаний при нагружении двигателя постоянным моментом сопротивления в каждой точке характеристики, а тяговую мощность NKp — в полевых условиях при нагружении переменным моментом. Работая в разных условиях нагружения, один и тот же двигатель развивает разную номинальную мощность (в разд. 3 этот вопрос рассмотрен более обстоятельно), которую подставляют в формулу (57). Отмеченная методическая некорректность вносит погрешность в измерение, в результате которой получают как бы не действительный КПД, а условный. В соответствии с ГОСТ 30745—2001 он так и называется — условный тяговый КПД трактора.
Тяговый КПД трактора на основании энергетического баланса и потенциальной тяговой характеристики можно выразить в виде произведения четырех КПД:
учитывающих механические потери мощности в трансмиссии, потери на качение трактора и на буксование движителей, а также механические потери в гусеничном движителе. Рассмотрим каждую из составляющих тягового КПД трактора.
КПД трансмиссии г|тр. Механический КПД машин отражает общий технический уровень производства машин, технологию и качество применяемых материалов. По мере повышения технического уровня отрасли, производящей машины, растет их КПД.
Механический КПД зависит от числа пар зубчатых передач, одновременно находящихся в зацеплении, типа шестерен, типа и числа подшипников, уровня и вязкости масла, частоты вращения валов и шестерен, типа и числа уплотнений и т.п.
Момент Мм, расходуемый на трение, составляет небольшую величину в сравнении с номинальным крутящим моментом, передаваемым трансмиссией, и мало зависит от нагрузки в зоне значений, близких к номинальному. Поэтому доля потерь, отражающая зависимость Г|тр от нагрузки, изменяется по закону, представленному на рис. 49.
Рис. 49. Зависимость механического КПД трансмиссии трактора от загрузки ее крутящим моментом
Помимо уровня нагрузки, на величину в эксплуатации влияют техническое состояние и тепловой режим работы трактора и автомобиля, затяжка подшипников, натяжение гусеницы, регулировка тормозов, уровень масла в картере, перекосы валов, вязкость масла.
В тракторах и автомобилях с двумя и более ведущими мостами к колесам каждого моста передается различный момент через разное число пар шестерен. Поэтому потери энергии при ее передаче в каждой ветви трансмиссии будут разными. Общий КПД трансмиссии следует определять как суммарный, состоящий из КПД потоков мощности к каждому мосту:
где г|тр1 и Т)тр2 — КПД трансмиссии привода переднего и заднего моста соответственно; кт — доля мощности, передаваемая передним мостом.
Коэффициент полезного действия одного ведущего моста рассчитывают по формуле
где Г|ц, Г|к — КПД соответственно цилиндрических и конических пар шестерен; тип — число пар цилиндрических и конических шестерен, находящихся одновременно в зацеплении; ?тр — коэффициент, учитывающий потери холостого хода в трансмиссии.
Приведенные в выражениях (59) и (60) коэффициенты имеют следующие значения: г|ц = 0,985…0,990; г|к = 0,975…0,980; ? = 0,03…0,05; кт =0,35…0,4 для тракторов колесной формулы 4К4а и кт =0,5…0,6 — для тракторов 4К46.
Коэффициент кт зависит в основном от распределения веса трактора по осям.
Значения механического КПД автомобильных и тракторных передач шестеренного типа при нагрузках, близких к номинальным, находятся в пределах 0,88…0,93, т.е. 7… 12% энергии двигателя расходуется на преодоление трения, взбалтывание масла и др.
КПД сопротивления качению трактора г|у» Механические потери в гусеничном и гистерезисные — в колесном движителях учитывает КПД rf, который можно определить из мощностного баланса (см. рис. 47):
откуда с учетом того, что
(см. рис. 47),
и в соответствии с (26) и (Э4)
КПД буксования и механических потерь в гусеничном движителе Г|5
и г|г рассмотрены в п. 4.3 (гл. 1) и 2.1 соответственно. К тому, что сказано в этих параграфах, необходимо добавить следующее.
КПД механических потерь в гусеничном движителе со стальной гусеницей зависит от многих конструктивных особенностей, определяемых функциональным назначением машины. Различия в конструкции и режимах работы гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов не так велики, чтобы оказывать существенное влияние на разницу величины КПД. С другой стороны, расчет КПД гусеничного движителя затруднен тем, что необходимо знать численные значения многих конкретных параметров и характеристик движителя, которые трудно найти в общедоступной технической литературе. Поэтому на основании многочисленных измерений КПД гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов со стальной гусеницей принимают его равным 0,97.
Максимальное значение тягового КПД практически не зависит от энергонасыщенности трактора. Это значит, что, например, увеличение номинальной эксплуатационной мощности NH 3 двигателя приведет в соответствии с формулой (57) к такому же увеличению тяговой мощности N и скорости трактора, а величина Г|т не изменится, и наоборот. Чтобы убедиться в этом, достаточно проанализировать составляющие выражения (58) Г|тр, гр г|§, Г|г Условимся, что вес трактора и его номинальное тяговое усилие при изменении NH э сохраняются постоянными.
КПД трансмиссии Г|тр определяется ее типом, конструкцией. Поэтому можно принять, что с увеличением энергонасыщенности трактора при сохранении неизменными параметров трансмиссии ее КПД также не изменится.
КПД буксования движителей г|5 конкретного трактора на данном фоне зависит только от развиваемой им силы тяги. При неизменных весе и номинальном тяговом усилии трактора КПД буксования, соответствующий максимальному тяговому КПД, также будет одинаковым независимо от энергонасыщенности.
КПД сопротивления качению ^определяют из соотношения (61)
По принятому изначально условию номинальная сила тяги Р остается одинаковой при изменении энергонасыщенности. Изменяется только сила сопротивления качению Pp которая зависит от скорости движения машины. Возможности варьирования номинальной скоростью в пределах изменения энергонасыщенности трактора ограничены диапазоном скоростей выполнения технологических операций. Этот диапазон невелик и не зависит от энергонасыщенности. Он определяется агротехническими требованиями к технологическому режиму выполнения сельскохозяйственной операции. В пределах агротехнически допустимых изменений номинальной скорости сила сопротивления качению, а следовательно, и КПД сопротивления качению практически не изменятся.
КПД гусеничного движителя ггсельскохозяйственных тракторов, как отмечено выше, имеет стабильное значение 0,97.
Тяговый КПД не зависит также от тягового класса трактора, а определяется конкретным конструктивным исполнением. Это следует из анализа составляющих выражения (58), аналогичного проведенному выше.
На основании составляющих энергетического баланса тяговый КПД трактора представляет произведение КПД, учитывающих потери мощности в трансмиссии h TP , на качение трактора h f и на буксование
движителей h d
h T = h TР h f h d .
(3.8)
КПД тракторных механических трансмиссий шестеренного типа при нагрузках, близких к номинальным, находится в пределах 0,88-0,93
и зависит от числа пар и типа зубчатых передач, одновременно находящихся в зацеплении и передающих нагрузку, типа и числа подшипников и уплотнений, уровня и вязкости масла, окружной скорости шестерен, и т.п.
Потери в зацеплении шестерен, передающих нагрузку пропорциональны величине передаваемого момента. Остальная часть потерь зависит в основном от окружной скорости вращающихся вхолостую шестерен учитывается КПД холостого хода h Х = (1 – x Х ) .
КПД механической трансмиссии трактора с двумя ведущим осями
h ТР = h ТР 1k N 1 + h ТР2 (1 – k N1 ).
(3.9)
где k N1 = N е1 / N е ; k N2 = N е2 / N е – коэффициенты передачи мощности по
мостам; h ТР 1, h ТР2 – КПД трансмиссии привода соответственно переднего и заднего моста.
КПД трансмиссии привода одного ведущего моста рассчитывается по формуле
| h | TP | = h n h m (1 – x | X | ), | |
| цк |
(3.10)
где η ц =0,985-0,990, η к =0,975-0,980 – КПД соответственно цилиндрических и конических пар шестерен; n, m – число указанных пар шестерен, находящихся одновременно в зацеплении при передаче нагрузки; x X = 0 ,03 – 0 ,05 – коэффициент, учитывающий потери холостого хода в трансмиссии.
6
Коэффициент k N1 зависит в основном от распределения веса трактора по осям k N1 = 0 ,35 – 0 , 45 для тракторов колесной формулы 4К4а
улучшенной классической | компоновки, k N1 = 0 ,50 – 0 ,55 для | тракторов | ||||||
4к4б. | ||||||||
КПД сопротивления качению трактора учитывает потери в | ||||||||
колесном движителе и определяется из мощностного баланса | ||||||||
h f | = | j | кр | . | (3.11) | |||
(j кр | + f) | |||||||
КПД буксования движителей h dконкретного трактора на данномпочвенном фоне зависит только от тягового усилия.
h d = (1 – d ).
(3.12)
Для однотипных тракторов на одноименных почвенных фонах, значение буксования d удобнее определять в функции j KP , используя при обработке результатов тяговых испытаний аппроксимативную модель
d = | а ( j | кр | – d | ) | , | (3.13) | |
( в – j кр | + d | ) | |||||
где а, в и d – коэффициенты, определяемые экспериментально.
Тяговый КПД трактора,с учетом установленных вышезависимостей, определится из выражения
| j | кр | a (j кр – d ) | (3.14) | |||||||
h т = h тр × [ | ] × {1 – [ | ]}. | ||||||||
(j кр + f) | ( в – j кр + d ) | |||||||||
Он имеет максимальное h Тm ax и некоторую зону допустимых по | ||||||||||
| буксованию | значений | h Тm in, | соответствующих | j KPН и диапазоны | ||||||
| j KP m in- j KP m ax, | которые | определяют | величины | номинального и | ||||||
максимального тяговых усилий трактора с эксплуатационной массой
mЭ .
При оценке рационального тягового диапазона выделяют основные режимы работы трактора на потенциальной тяговой
характеристике: j KP m ax | – с максимально допустимым буксованием δ д и | ||
тяговым КПД h T 1 ; | j KPH | – с буксованием d H £ d д и максимальным тяговым | |
| КПД h T m ax > h T 1 | ; | j KP m in | – с минимальным допустимым буксованием |
| d m in <d optи hT d m in | » h T 1 . | ||
В таблице 3.2 приведены полученные по результатам
лабораторно-полевых экспериментов осредненные значения коэффициентов уравнений (3.13) и (3.14), связывающих фактор
7
воздействия
j кр
= ( Р кр
/ G Э
) с буксованием
d
и тяговым
КПД
ηт
при
установленных значениях h и коэффициента сопротивления
TP
перекатыванию f энергонасыщенных колесных тракторов 4к4б серий К-744Р и Versatile 2000 разных типоразмеров, а так же тракторов и 4к4а улучшенной классической компоновки (New Holland T8.390 и Versatile
305) на стерне колосовых с одинарными и сдвоенными колесами.
Таблица 3.2 – Показатели оценки тягово-сцепных свойств колесных тракторов (фон-стерня)
4к4а | 4к4б | ||||||
| Показатель | Одинарные | Сдвоенные | Одинарные | Сдвоенные | |||
| колеса | колеса | колеса | колеса | ||||
| f | 0,06-0,10 | 0,04-0,06 | 0,06-0,08 | 0,04-0,06 | |||
| a | 0,163 | 0,163 | 0,110 | 0,110 | |||
| b | 0,939 | 0,939 | 0,813 | 0,813 | |||
| d | 0 | 0,040 | 0 | 0,040 | |||
| h ТР | 0,88-0,93 | 0,90-0,93 | 0,88-0,92 | 0,88-0,92 | |||
| j КРopt | 0,37-0,38 | 0,36-0,37 | 0,37-0,38 | 0,36-0,38 | |||
| h Т m ax | 0,660-0,690 | 0,690-0,720 | 0,680-0,700 | 0,700-0,725 | |||
| j КР m ax | 0,46-0,48 | 0,48-0,50 | 0,47-0,48 | 0,48-0,50 | |||
| j KP m in | 0,32-0,34 | 0,33-0,35 | 0,32-0,34 | 0,33-0,35 | |||
5 Определение коэффициента сопротивления перекатыванию колесного трактора (задание №1)
Цель работы –определение зависимости коэффициентасопротивления перекатыванию трактора от скорости движения.
Методика выполнения работы:
1. Определить границы мерного горизонтального участка с зачетной длиной L = 50 – 60 м .
2. Между тягачом 1 и испытуемым трактором 2 параллельно поверхности пути установить тяговый динамометр 3 для замера силы
P f(рис.3.3).
3. Установить рекомендуемые для условий движения значения давления в шинах передних PШ1 и задних PШ2 колес.
4. Определить (с двухкратной повторностью) по показаниям динамометра 3 среднее значение силы сопротивления перекатыванию буксируемого (2) трактора P f и продолжительность прохождения
8
мерного участка t (по секундомеру) при движении трактора-тягача (1) на III передаче с n дв = 2000 мин – 1 .
5. Определить средние значения силы P f и продолжительность t при движении трактора-тягача (1) соответственно на V и VI передачах с
n дв » 2000 мин – 1 .
6. Обработать результаты испытаний, заполнить таблицу 3.3, построить график зависимости f (V ) (рис. 3.4) и установить уравнение взаимосвязи коэффициента сопротивления перекатыванию f и
скорости движения V трактора (2).
Коэффициент сопротивления перекатыванию трактора
f = P f / m Э2 × g ,
где m Э2 – эксплуатационная масса буксируемого трактора, т; g = 9 ,81 м / с 2 . Скорость движения трактора, м/с
V = S / t ,
где S – длина мерного участка, м; t – продолжительность прохождения мерного участка, с.
Таблица 3.3 – Результаты испытаний (снежная укатанная дорога)
Передача | Показатели | t , с | V , м / с | f | PШ1 | PШ2 | S , м | ||
динамометра Р f | , кН | ||||||||
III
III
V
V
VI
VI
| V | ||
МТЗ-82 (1) | МТЗ-82 (2) | |
1 | 2 | |
| 3 | P f | |
L
Рисунок 3.3 – Схема замера силы сопротивления перекатыванию трактора
9
f
| f = f 0+ a (V m ax | – V 0 | ) |
| V 0 | V max | |
| V, м/с |
Рисунок 3.4 – Зависимость коэффициента сопротивления качению трактора МТЗ-82.1 на снежной укатанной дороге от скорости движения
Анализ результатов испытаний
Коэффициент сопротивления перекатыванию трактора МТЗ-82.1 на (вид опорной поверхности) изменяется при повышении скорости от V 0 = до V m ax = м/с на величину D f = f – f 0 . Их взаимосвязь определяется уравнением вида
f = f 0+ a (V m ax- V 0).
Контрольные вопросы
1. Назовите составляющие тягового и энергетического баланса колесного трактора при равномерном движении по горизонтальной поверхности.
2. От каких факторов и параметров зависит коэффициент сопротивления перекатыванию колесного трактора?
3. Как влияет характеристика опорной поверхности на коэффициент сопротивления перекатыванию колесного трактора?
4. Назовите основные направления снижения потерь мощности на перекатывание колесного трактора.
10
6 Определение показателей тягово-сцепных свойств трактора (задание №2)
Цель работы –определение зависимости буксования и тяговогоКПД трактора от тягового усилия на крюке.
Методика выполнения работы:
Экспериментальное определение буксования движителей трактора заключается в сопоставлении на мерном участке суммарного числа
оборотов ведущих колес при движении трактора на холостом ходу
и под нагрузкой n K . Нагрузка на крюке задается ступенчато от
минимальной до максимальной, при которой происходит интенсивное буксование колес.
Так как путь во всех случаях одинаковый, буксование определяется из соотношения суммарных чисел оборотов задних ведущих колес при движении трактора без нагрузки и с нагрузкой на крюке, т.е.
d = (1 – n K .Х / n K ) / 100 %.
1. Определить границы мерного горизонтального участка с зачетной длиной L = 50 – 60 м .
2. Установить рекомендуемые для условий движения значения давления в шинах передних PШ1 и задних PШ2 колес испытуемого трактора (1).
3. Сделать мелом на шине заднего колеса испытуемого трактора
(1) две противоположные метки (рис. 3.5).
4. Определить (с двухкратной повторностью) суммарное количество оборотов заднего колеса и продолжительность прохождения трактора в режиме холостого хода на III (V) передаче с n дв»2000 мин -1от начальной до конечной границы мерного участка.
5. Между испытуемым трактором (1) и нагрузочным устройством
(2) параллельно поверхности пути установить тяговый динамометр 3для замера силы P KР (рис. 3.5).
6. Определить суммарное количество оборотов заднего колеса, среднее показание динамометра 3 и время t перемещения испытуемым трактором (1) трактора-буксира на III (V) передаче с n дв » 2000 мин – 1 от
начальной до конечной границы мерного участка. Тяговую нагрузку создавать за счет включения в тракторе-буксире пониженной передачи при n дв » 900 – 1000 мин – 1 . Первую серию опытов (с двухкратной
11
повторностью) провести при включении III (V) передачи в тракторе-буксире. Вторую и третью – соответственно II (IV) и I (III) передач.
7. Обработать результаты испытаний, заполнить таблицу 3.4, построить график зависимости d ( P KP , j KP ) (рис. 3.6), установить уравнение взаимосвязи d (j KP ) с использованием формулы (3.13).
8. Определить и построить зависимость тягового КПД h T (j KP ) по выражению (3.14). Установить границы рационального тягового диапазона трактора P KP m in – P KP m ax (j KP m in – j KP m ax ) (рис. 3.6)
Таблица 3.4 – Результаты экспериментального определения буксования трактора
| Режим | Передача | n | K | , | P g, | d | j | KP | t , | V , | h | T | |||
| движения | тягача | буксира | оборо | кН | с | м/с | |||||||||
т. | |||||||||||||||
| Холостой ход | V | – | n x x | – | d x x | – | |||||||||
| 1 серия | V | IV | n | K 1 | P g 1 | d | 1 | j KP 1 | |||||||
V | IV | ||||||||||||||
n | P g 1 | d | |||||||||||||
K 1 | 1 | ||||||||||||||
| 2 серия | V | III | n | K 2 | P g 2 | d | 2 | j KP 2 | |||||||
V | III | ||||||||||||||
n | P g 2 | d | |||||||||||||
K 2 | 2 | ||||||||||||||
| 3 серия | V | II | n K 3 | P g 3 | d 3 | j KP 3 | |||||||||
| V | II | n K 3 | P g 3 | d 3 | |||||||||||
1 2
3
Рисунок 3.5 – Схема замера силы P K трактора
12
Рисунок 3.6 – Зависимости буксования и тягового КПД от коэффициента использования веса трактора
Анализ результатов испытаний
Коэффициент буксования трактора МТЗ-82.1 на снежной
укатанной дороге (асфальте) достигает величиныdm ax=при j KP m ax | = | ||
и ограничивает рациональный тяговый | диапазон усилием P KP m ax | = | |
| кН. | |||
По характеристике тягового КПД рациональный тяговый диапазон | |||
| трактора ограничен P KP m in = | кН и P KPm a x= | кН. | |
Контрольные вопросы
1. Что такое буксование ведущих колес трактора и его пределы?
2. Назовите составляющие потерь мощности, которые учитывает тяговый КПД колесного трактора?
3. Какие режимы ограничивают рациональный тяговый диапазон трактора?
4. Как определить и рассчитать зависимость буксования и тягового КПД трактора от тяговой нагрузки на крюке?
5. Назовите основные факторы, влияющие на буксование движителей колесного трактора.
13