Задача 3 Определить номинальное тяговое усилие При выполнении технологического процесса мощность от двигателя трактора передается к сельскохозяйственным машинам. В связи с этим одной из основных задач с позиций ресурсосбережения является обоснование такого скоростного режима, при котором потери мощности в самом тракторе будут минимальными с учетом агротехнических ограничений на буксование. Таким образом, с позиций системного подхода полученный в задании 2 оптимальный режим загрузки двигателя дополняется оптимизацией режима работы трактора при ограничении вредного воздействия на почву, связанного с буксованием. Таблица 3.1. Индивидуальные задания Типоразмерный ряд отечественных тракторов определяется номинальным тяговым усилием с учетом возможности агрегатирования с различными сельскохозяйственными машинами. Номинальным называют тяговое усилие трактора базовой модели, реализуемое на стерне колосовых культур нормальной твердости и влажности на суглинистом черноземе при допустимом уровне буксования. По данному показателю принято десять классов сельскохозяйственных тракторов: 0,2; 0,6; 0,9; 1,4; 2; 3; 4; 5; 6; 8. Каждому тяговому классу соответствует определенный диапазон номинальных тяговых усилий Таблица 3.2. Тяговые классы тракторов и диапазоны номинальных тяговых усилий Верхние границы каждого диапазона номинальных тяговых усилий в таблице 3.2 также относятся к соответствующему тяговому классу. Номинальное тяговое усилие трактора рассчитывают по формуле
где m – эксплуатационная масса трактора, т; g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2; При практических расчетах пользуются упрощенным равенством:
где В процессе многочисленных тяговых испытаний тракторов получены следующие значения Подставляя в формулу (3.1) значение Знание номинального тягового усилия трактора и соответствующего тягового класса необходимо для правильного агрегатирования трактора с соответствующими сельскохозяйственными машинами. Обычно в каталогах по сельскохозяйственной технике указывают тяговый класс трактора, с которым следует агрегатировать конкретную машину. Однако следует отметить, что тяговый класс трактора недостаточно полно характеризует его эксплуатационные показатели при работе в составе агрегатов разного назначения. К таким основным показателям относятся производительность соответствующих агрегатов, расход используемых ресурсов, затраты труда и др. Указанные эксплуатационные показатели, как будет показано в последующих заданиях, зависят непосредственно от мощности, поэтому более объективной была бы классификация тракторов по мощности, которая одновременно определяет и возможное тяговое усилие при заданной массе трактора. Оптимальный энергосберегающий режим работы трактора характеризуется наименьшими потерями мощности в самом тракторе при ее передаче к рабочей машине и соответствует максимуму тягового КПД ( Значение тягового КПД трактора можно определить по одной из двух эквивалентных формул
где В последующих расчетах по соображениям удобства и большей наглядности используем формулу (3.3). При установившемся режиме работы можно принять
где Значение
Значения эмпирических коэффициентов, полученных в результате обобщения множества экспериментальных данных, приведены в таблице 3.3. На основании формул (3.3)…(3.6) получим следующее выражение для тягового КПД трактора:
Таблица 3.3. Значения коэффициентов a, b, f для тракторов Из условия
где В формуле (3.8) перед корнем следует принять знак «+» при с<0 и d<0, а в остальных случаях – знак «-». Далее рассчитываем оптимальное тяговое усилие трактора:
Для оптимального режима работы трактора при
Затем рассчитываем оптимальную рабочую скорость трактора:
где Для определения
Откуда
где С учетом формулы (3.13) находим оптимальную рабочую скорость
Значения номинальной мощности двигателей тракторов Таким образом, равенства (3.9), (3.10) и (3.14) позволяют определить основные показатели энергосберегающего режима работы трактора. Однако по заданию преподавателя возможен и расширенный, исследовательский вариант выполнения данного пункта. Тогда эксплуатационный вес трактора следует представить в виде суммы:
где Теоретическую скорость трактора
где r – радиус качения колеса или радиус начальной окружности ведущей звездочки (в гусеничных тракторах), м; Коэффициент использования эксплуатационного веса трактора
Приняв в этом равенстве
Правая часть этого равенства без балластных грузов ( Равенство (3.18) с учетом современных тенденций развития тракторостроения можно выразить и в функции энергонасыщенности трактора:
где На основании равенств (3.17)...(3.19) путем моделирования на ЭВМ можно получить многовариантные оптимальные решения с учетом многообразия работ, выполняемых трактором в составе различных агрегатов в существенно различающихся природно-производственных условиях. Далее необходимо сравнить расчетное значение коэффициента буксования
Откуда найти допустимый коэффициент использования эксплуатационного веса трактора:
Подставив это значение
Затем можно определить соответствующую скорость движения:
Поскольку пока у специалистов нет единого мнения относительно допустимых значений коэффициента буксования, то с учетом конкретных условий работы трактора можно использовать и другие значения На основании равенств (3.2)...(3.23) можно обосновать оптимальный энергосберегающий режим работы трактора с учетом допустимых границ отрицательного воздействия на почву по буксованию. Основные эксплуатационные показатели трактора, соответствующие оптимальному и допускаемому режимам работы, приближенно можно определить и по тяговой характеристике, представленной на рисунке 3.1. Максимум тягового КПД трактора в соответствии с формулой (3.2) имеет место на передаче с наибольшей тяговой мощностью (третья передача). Тяговое усилие |
заданного трактора и сравнить его со значением по тяговому классу. Определить оптимальный по максимуму тягового КПД энергосберегающий режим работы трактора и соответствующие значения тягового усилия Ркр opt, рабочей скорости Vopt и коэффициента буксования 
. Сравнить
и при 
определить допустимые значения тягового усилия трактора 
и рабочей скорости 
. Показать оптимальные и допускаемые по буксованию значения тягового усилия и рабочей скорости на тяговой характеристике трактора.
(табл. 3.2).
- коэффициент сцепления движителей трактора с почвой при допустимом буксовании; 
- доля веса трактора, приходящаяся на движители (коэффициент нагрузки ведущих колес); f- коэффициент сопротивления качению трактора.
- номинальный эксплуатационный вес трактора, соответствующий допустимому (номинальному) буксованию, кН; 
- коэффициент использования сцепного веса трактора при допустимом (номинальном) буксовании.
. Затем по значению 
)
- реализуемая мощность двигателя и соответствующая тяговая мощность трактора, кВт; 
- КПД, учитывающие соответственно потери мощности в трансмиссии, на самопередвижение трактора и на буксование. 
=0,88, а значение 
в соответствии с теорией трактора рассчитать по формуле:
- касательная сила тяги и тяговое усилие трактора, кН; 
- сила сопротивления качению трактора, кН; 
- коэффициент использования эксплуатационного веса трактора, кН; f - коэффициент сопротивления качению трактора (табл. 3.3).
зависит от коэффициента буксования следующим образом: 
.Коэффициент буксования 
с достаточной точностью можно определить по эмпирической формуле:
находим оптимальное значение 
, обеспечивающее максимум тягового КПД трактора:
коэффициент буксования:
- оптимальная теоретическая скорость, м/с.
- оптимальная касательная сила тяги трактора, кН.
указаны в таблице 2.2, а значения коэффициента загрузки двигателя 
и КПД трансмиссии трактора 
(при отсутствии более достоверных данных) можно принять следующими: 
=0,9; 
(3.15)
- базовый эксплуатационный вес трактора, кН; 
- вес балластных грузов, кН; 
- дополнительная нагрузка на ходовую часть трактора, создаваемая гидроувеличителем сцепного веса (ГСВ) или другим догружающим устройством, кН; 
;
- базовая эксплуатационная масса трактора, т.
также целесообразно рассчитывать по формуле:
- угловая скорость вала двигателя, рад/с; 
- передаточное число трансмиссии трактора; n – частота вращения при заданной нагрузке, мин-1. При нормальной загрузке двигателя приближенно можно принять 
.
с учетом формул (3.14), (3.6), (3.15) и (3.16) можно представить и в таком виде: 
с учетом выражения (3.8), получим оптимальное соотношение между основными эксплуатационными параметрами трактора при 
:
) и ГСВ (
) представляют собой приблизительно постоянную величину для однотипных тракторов на одном и том же почвенном фоне. Соответственно для обеспечения максимума тягового КПД фактора соотношение между его эксплуатационными параметрами в левой части равенства (3.18) также должно оставаться постоянным. Поддержание такого постоянства возможно в основном за счет изменения передаточного числа трансмиссии при переключении передач. При наличии балластирования и ГСВ правая часть равенства (3.18) увеличивается в определенном диапазоне. Соответственно при прочих равных условиях необходимо пропорционально увеличить и левую часть за счет увеличения передаточного числа трансмиссии 
, т. е. за счет уменьшения рабочей скорости трактора. Зная диапазон изменения правой части равенства (3.18), можно определить диапазон изменения 
или 
для работы в оптимальном режиме. 
- энергонасыщенность трактора, кВт/т. Из этого равенства видно, что с ростом энергонасыщенности тракторов для обеспечения максимума тягового КПД должна пропорционально возрастать скорость движения. Из равенства (3.19) видно также, что применение балластных грузов и ГСВ снижает скорость движения трактора.
, полученное для оптимального режима работы, с допустимыми значениями: 
=0,15 — для колесных тракторов с формулой 4К4; 
=0,17 — для тракторов с формулой 4К2; 
, то по допустимому буксованию 
, а также допустимую рабочую скорость 
. При этом равенство (3.6) следует представить в виде: 
в формулу (2.9), получим допустимое тяговое усилие трактора по буксованию: 
трактора на этой передаче приближенно можно принять оптимальными. Допустимые значения тягового усилия 
.
