Тяговый расчет трактора

В процессе выполнения тягового расчета трактора определяются основные его параметры: масса трактора, мощность двигателя, расчетные скорости движения и тяговые показатели на передачах основного ряда и показатели топливной экономичности трактора, которые обеспечивают ему необходимые тяговые свойства в условиях эксплуатации.

Трактор рассчитывается на выполнение работ, соответствующих его тяговому классу. Класс трактора характеризуется величиной номинальной силы Р_Н, которую он должен развивать на крюке, работая с заданной скоростью V_T1 на стерне нормальной влажности (W=15-18%) и плотности при допустимом буксовании и достаточно высоком тяговом КПД. Буксование у колесных тракторов не должно превышать 15-18%, у гусеничных 3-5%. Тяговый КПД колесных тракторов типа 4К2 должен быть не ниже 60-64%, колесных 4К4 не ниже 65-68% и гусеничных не ниже 70-74%.

2.1. Определение номинальной эксплуатационной массы трактора

Различают конструктивную (сухую) m_K и эксплуатационную m_Э (полную) массу трактора. Эксплутационная масса включает в себя конструктивную массу трактора, массу заправочных материалов, инструмента, водителя и балласта, который может применяться для увеличения сцепной массы колесных тракторов схемы 4К2.

Номинальная эксплуатационная масса (кг) трактора определяется по формуле [2,4]

, (2.1)

где Р_Н – номинальное тяговое усилие трактора, заданное классом тяги, Н;

q – ускорение свободного падения, м/с²;

λ_К – коэффициент нагрузки ведущих колес, принимается равным 0,7 – 0,8 для колесных тракторов 4К2 и единице – для гусеничных и колесных тракторов 4К4;

f - коэффициент сопротивления качению, выбирается по данным табл.1 приложения;

- допустимая величина коэффициента использования сцепной массы при допустимом буксовании и номинальной нагрузки на крюке (для колесных 0,5…0,65, для гусеничных – 0,6…0,65, принимается по данным приложения А).

2.2. Определение номинальной мощности двигателя

Номинальная мощность двигателя (кВт) определяется из условия реализации номинального тягового усилия на крюке Р_Н (Н), заданного тяговым классом трактора, при равномерном движении на горизонтальном участке стерневого поля с заданной скоростью движения V_T1 на первой передаче основного ряда. Подсчет номинальной мощности двигателя производится по формуле [2,4]

, (2.2)

где V_T1 – скорость трактора, соответствующая номинальному тяговому усилию, км/ч (по заданию);

Z_Э – коэффициент эксплуатационной нагрузки двигателя, принимается равным 0,85…0,9;

- КПД трансмиссии.

Механический КПД трансмиссии определяется на первой передаче основного ряда по заданой кинематической схеме прототипа трансмиссии с учетом типа движителя, потерь, возникающих при передаче нагрузки и потерь холостого хода.

Для колесных тракторов КПД трансмиссии определяется по формуле

(2.3)

для гусеничных тракторов

, (2.4)

где - КПД цилиндрической и конической пар шестерен;

n1, n2 – число пар цилиндрических и конических шестерен трансмиссии, передающих крутящий момент;

ζ – коэффициент, учитывающий потери на холостое прокручивание трансмиссии;

- КПД ведущего участка гусеницы;

_ПМП - КПД планетарного механизма поворота.

Значение коэффициентов принимаем =0,98…0,99 =0,97…0,98; =0,95…0,97. Для колесных тракторов с двумя ведущими колесами ζ=0,03…0,075. _ПМП = - принимать для гусеничных тракторов с планетарным механизмом поворота. Значение n1, n2 определить по кинематической схеме прототипа трансмиссии на одной из передач основного ряда.

При разветвлении мощности на два потока две пары аналогичных шестерен (например, конечных) считают за одну пару.

Подставляя в формулу (2.2) известные, рассчитанные и принятые значения параметров, определить необходимую номинальную мощность двигателя.

2.3. Расчет показателей двигателя по внешней регуляторной характеристике.

Исходными данными для расчета являются – номинальная мощность двигателя N_H и соответствующая ей частота вращения n_H в следующей последовательности.

2.3.1. Максимальная частота вращения коленвала на холостом ходу определяется как n_xx =(1,07…1,1)n_H.

2.3.2. Частота вращения, соответствующая максимуму крутящего момента двигателя, определяется как n_M=0,75n_H.

2.3.3. Текущее значения мощности на перегрузочной ветви регуляторной характеристики определяются по формуле

, (2.5)

где N_H, n_H – номинальная эффективная мощность (кВт) и частота вращения мин^-1;

N_е, n_е – эффективная мощность (кВт) и частота вращения мин^-1 в искомой точке перегрузочной ветви характеристики;

С1, С2, С3 – коэффициенты 1,4; -0,25; 0,15 соответственно для дизелей с непосредственным впрыском топлива;

С₁ =0,7, С₂ =1,3, С₃ = 1 – для дизелей с вихрекамерным смесеобразованием;

С₁ =С₂ =С₃ = 1 – для карбюраторных двигателей.

Частота вращения вала двигателя на перегрузочной (корректурной) ветви характеристики задается от 0,4 до 1,0 n_H по табл.2.1.

При расчете на ЭВМ текущее значение частоты вращения на перегрузочной ветви от n_M до n_T задается с шагом 50 мин^-1.

2.3.4. Крутящий момент двигателя (Н∙м) определяется по формуле

М_К=9550N_e / n_e. (2.6)

2.3.5. Текущее значение часового расхода топлива (кг/ч) на перегрузочной корректорной ветви регуляторной характеристики определяется по формуле

(2.7)

2.3.6. Удельный расход топлива (г/кВт∙ч) подсчитывается по формуле

(2.8)

2.3.7. На регуляторной ветви характеристики, при уменьшении нагрузки двигателя, частота коленвала двигателя повышается от номинальной n_M до максимальной холостого хода n_xx. При этом мощность N_e и крутящий момент М_К уменьшаются до нуля при n_xx по линейному закону (рис.2.1). Часовой расход топлива при этом уменьшается также по линейному закону от номинального значения до расхода на холостом ходу G_TX.

Часовой расход топлива (кг/ч) на холостом ходу определяется как G_TX =(0,25) G_TН. При ручном счете все расчеты, необходимые для построения регуляторной характеристики, заносятся в табл.2.1.. По часовому расходу топлива и мощности двигателя подсчитывается удельный расход топлива на регуляторной ветви характеристики в искомых точках по формуле (2.8).

Таблица 2.1

Внешняя регуляторная характеристика дизеля

	ne/nH	nH	1.25n	1,05n	1,075	nXX
0,4	0,6	0,7	0,8	0,9
ne, мин^-1
Ne кВт						NH
MK Н∙м						MH
GT кг/ч						GTH				GTX
qe г/кВт∙ч						qeн				∞

2.4. Построение внешней регуляторной характеристики дизеля и ее анализа

По данным таблицы 2.1 или результатам расчетов на компьютере строится регуляторная характеристика в трех видах:

Рис. 2.1. Регуляторная характеристика дизеля в зависимости от частоты вращения коленвала. Используется для анализа работы двигателя на перегрузочной, корректорной ветви характеристики. Хорошо согласуется с работой топливного насоса.

Рис. 2.2. Регуляторная характеристика дизеля в зависимости от эффективной мощности. Является основной по ГОСТ и используется для анализа топливной экономичности на регуляторной ветви характеристики.

Рис. 2.3. Регуляторная характеристика дизеля в зависимости от крутящего момента. Используется для анализа регуляторной ветви, хорошо согласуется с показателями трактора по тяговой характеристике.

На ЭВМ, компьютере текущие значения мощности (кВт) на регуляторной ветви характеристики с учетом линейной зависимости от частоты вращения определяется по формуле

, (2.9)

где - текущее значение частоты вращения на регуляторной ветви характеристики от номинальной частоты до максимальной на холостом ходу задается с шагом 20мин^-1.

Текущее значение часового расхода топлива (кг/ч) на регуляторной ветви характеристики в зависимости от частоты вращения задается с тем же шагом 20мин^-1 и определяется по формуле

. (2.10)

При анализе регуляторной характеристики дизеля необходимо определить и сравнить с прототипом по типажу:

а) удельный расход топлива на номинальном режиме и сравнить его с прототипом

б) коэффициент запаса крутящего момента двигателя [4, с.23];

в) коэффициент приспособляемости двигателя по крутящему моменту;

г) коэффициент приспособляемости двигателя по частоте вращения;

д) коэффициент неравномерности регулятора.

2.5. Построение кривой буксования

Для построения кривой буксования колесных и гусеничных тракторов на стерне нормальной плотности и влажности можно использовать среднестатистические данные буксования в зависимости от относительной величины силы на крюке, т.е. от коэффициента использования сцепной силы тяжести трактора.

, (2.11)

где c,d – коэффициенты, S – показатель степени

С d S

Колесные тракторы 0,246 3,06 3

Гусеничные тракторы 0,0333 1,377 2

φ_КР – коэффициент использования сцепного веса

, (2.12)

Р_КР – тяговое усилие на крюке, Н

Значение коэффициента буксования заносится в табл.2.2.

Таблица 2.2

Кривая буксования

φКР		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9
δ
РКР

По данным табл.2.2 строится кривая буксования в зависимости от силы тяги на крюке Р_КР, которая приводится на рис.2.4.

2.6. Определение диапазона номинальных основных скоростей трактора

Диапазон номинальных основных скоростей определяется по формуле [2,4]

, (2.13)

в зависимости от силы тяги на крюке .

где - тяговый диапазон трактора;

- номинальная сила тяги на крюке, кН;

- номинальное тяговое усилие для тракторов предыдущего класса, кН;

ε = 1,15…1,25 – коэффициент расширения тяговой зоны, перекрытия смежных тяговых зон.

Тяговый диапазон тракторов класса 6 кН, не имеющих предыдущих тягового класса, можно принимать равным δ_Т = 1,8…2.

Определение знаменателя геометрической прогрессии ряда основных передач.

Структура ряда передаточных чисел трансмиссии для основных рабочих передач принимается по геометрической прогрессии и основана на стремлении обеспечить изменение крутящего момента двигателя в одинаковых пределах на всех передачах.

При z ступенях коробки передач знаменатель геометрической прогрессии определяется по формуле [2,4].

. (2.14)

2.7. Определение теоретических скоростей трактора, касательных сил тяги и тяговых усилий на крюке на всех передачах основного ряда

Теоретические значения указанных показателей трактора определяются из условия работы двигателя на номинальном режиме:

а) теоретические скорости движения трактора на всех передачах основного ряда: V_T1 – дана в задании; ; и т.д.;

б) касательные силы тяги на всех передачах основного ряда

; ; и т.д;

в) тяговые усилия на крюке на всех передачах основного ряда: - по заданию: и т.д.

2.8. Определение радиуса ведущих колес

Расчет радиуса ведущих колес гусеничного трактора определяется по формуле [2,4]

, (2.15)

где - шаг звена гусеницы, м

- число звеньев гусеницы, перематываемых за один оборот ведущей звездочки

, - принимаются в соответствии с классом тяги тракторов по аналогии с существующими моделями тракторов по данным приложения Г.

Для определения расчетного радиуса r_K колесных тракторов необходимо предварительно произвести выбор шин ведущих колес по их грузоподъемности. Шины подбираются по нагрузке на одно колесо.

Для тракторов колесных схемы 4К2 нагрузка на одно колесо (Н)

, (2.16)

где - коэффициент нагрузки ведущих колес, 0,7…0,8.

Для тракторов К-700 и Т-150К колесной схемы 4К4 нагрузка на одно ведущее колесо равна

По ГОСТ 7364-80 выбираются шины по грузоподъемности. Расчетный радиус ведущего колеса определяется по формуле

, (2.17)

где d – внутренний диаметр шины, дюйм;

в – высота профиля шины, дюйм.

Если размер шин дан в мм, то вместо коэффициента 0,0254 берется 0,0001.

2.9. Определение передаточных чисел трансмиссии основного ряда

Передаточное число трансмиссии на первой передаче основного ряда определяется по заданной теоретической скорости трактора V_T1 по формуле [2,4].

. (2.18)

Передаточные числа трансмиссии на остальных передачах основного ряда определяется через знаменатель геометрической прогрессии и т.д.

2.10. Расчет и построение теоретической тяговой характеристики трактора

Исходными данными для тягового расчета трактора являются текущее значение крутящего момента М_К, частоты вращения n_e и часового расхода топлива G_T при работе дизеля по внешней регуляторной характеристике от режима максимума крутящего момента до холостого хода (табл. 2.1).

Касательная сила тяги на колесе определяется по крутящему моменту двигателя и передаточному числу трансмиссии по формуле

, (2.19)

сила сопротивления качению

(2.20)

тяговое усилие на крюке (Н)

. (2.21)

Текущие значения коэффициента буксования снимаются с кривой буксования (рис. 2.4).

Текущие значения теоретической скорости (км/ч) по передачам подсчитываются по формуле [2]

(2.22)

Действительная скорость трактора (км/ч) определяется по формуле

. (2.23)

Мощность на крюке (кВт) подсчитывается как

. (2.24)

Удельный крюковой расход топлива (г/кВтч) подсчитывается по формуле

. (2.25)

Тяговый КПД трактора определяется как

. (2.26)

По приведенному алгоритму производится расчет показателей трактора по всем передачам основного ряда. Результаты расчетов заносятся в табл.2.3.1

Таблица 2.3.1

Показатели двигателя по внешней регуляторной характеристике

Таблица 2.3.2

Расчет показателей трактора по тяговой характеристике на первой передаче,

Pк, kH
Рf, kH
Pкр,кH
δ	(по табл. 2.2 или по кривой буксования рис. 2.4.)
VT,км/ч
V,км/ч
NKP кВт
qKP, г/кВтч
ηтяг

Таблица 2.3.3

Расчет показателей трактора на второй передаче,

Pк, kH
Рf, kH
Pкр,кH
…	и т.д. для всех передач основного ряда

По данным расчетов табл.2.3.1; 2.3.2… и т.д. строится тяговая характеристика трактора, вид которой приведен на рис. 2.4.

При построении характеристики необходимо:

- шкалы P_KP, N_KP, δ начинать с нуля;

- шкалы G_T, q_KP, V – с минимальных значений по результатам расчетов;

- шкалу G_T располагать так, чтобы кривые G_T не накладывались на кривые N_KP, V.

Рис.2.4. Тяговая характеристика трактора на почвенном фоне (стерня, поле под посев, залежь)

2.11. Анализ тяговой характеристики трактора

По тяговой характеристике трактора необходимо:

а) определить величину буксования при номинальной силе тяги на крюке и сравнить с допустимыми значениями, сделать вывод, правильно ли определена масса трактора;

б) определить рациональный диапазон загрузки трактора тяговым усилием на каждой передаче;

в) определить рациональный тяговый диапазон трактора от низшей до высшей передачи;

г) определить удельный и часовой расход топлива при номинальной силе тяги на крюке.

2.12. Расчет и построение потенциальной

тяговой характеристики трактора

Потенциальная тяговая характеристика трактора показывает возможную, идеальную зависимость при автоматическом бесступенчатом регулировании скорости трактора, обеспечивающем загрузку двигателя постоянно на номинальную мощность при изменении тягового усилия на крюке.

Расчет потенциальной тяговой характеристики производится в следующей последовательности:

- номинальная мощность двигателя (кВт) определяется по формуле 2.2;

- мощность (кВт), теряемая в трансмиссии

; (2.27)

- максимальное тяговое усилие на крюке по сцеплению движителей с почвой (Н)

; (2.28)

- текущее значение относительной величины тягового усилия на крюке принять с шагом

; (2.29)

- текущее значение тягового усилия на крюке (Н)

; (2.30)

- коэффициент буксования снимается с кривой буксования рис.2.4.

- текущее значение касательной силы тяги (Н)

; (2.31)

- текущее значение теоретической скорости трактора (км/ч)

V_T = 3600·N_К / P_K; (2.32)

- текущее значение действительной скорости определяется по формуле (2.23)

- мощность (кВт), подводимая к ведущим колесам:

; (2.33)

- мощность (кВт), теряемая на буксование:

; (2.34)

- мощность (кВт), теряемая на качение:

; (2.35)

- мощность на крюке определяется по формуле 2.24;

- тяговый КПД трактора рассчитывается по формуле 2.26;

- необходимое передаточное число трансмиссии определяется по формуле

. (2.36)

По приведенному алгоритму результаты расчетов заносятся в табл. 2.4.

По данным табл.2.4 строится потенциальная тяговая характеристика трактора, которая приводится на рис.2.5.

На графике потенциальной тяговой характеристики контурными линиями вычерчиваются только кривые Nн, N_K, N_KP, (N_K - N_δ). Все остальные кривые вычерчиваются тонкими линиями. Тонкими линиями на график потенциальной тяговой характеристики наносятся также N_KP, V по передачам, полученные ранее при построении теоретической тяговой характеристики трактора со ступенчатой трансмиссией.

При построении кривых δ и η_ТЯГ желательно использовать одну масштабную шкалу, при этом единица δ и η_ТЯГ должна совпадать с номинальной мощностью двигателя N_Н. В этом случае кривая крюковой мощности N_кр будет являться и кривой тягового КПД η тяг.

Таблица 2.4.

Расчет потенциальной тяговой характеристики трактора

φкр		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Pкр, kH
Рк, kH
δ	(по табл. 2.2 или по кривой буксования рис.2.4)
VT,км/ч
V,км/ч
NTP,кВт
Nδ,кВт
Nf,кВт
NKP кВт
ηтяг
iTP

2.13. Анализ потенциальной тяговой характеристики

Обоснуйте преимущества трактора с бесступенчатой трансмиссией в сравнении с тракторами со ступенчатыми трансмиссиями. Как можно обеспечить постоянство загрузки двигателя на номинальный режим при изменении тягового усилия на крюке?

Определить рациональный диапазон загрузки трактора тяговым усилием. Объяснить, почему при увеличении Р_кр, V_T и V падают. Объяснить причины падения η_тяг до нуля при увеличении или уменьшении тягового усилия от номинального значения.

Как изменяется часовой и удельный расход топлива при изменении тягового усилия на крюке?

Рис.2.5. Потенциальная тяговая характеристика трактора

Дата добавления: 2014-12-25