Удельное и полное сопротивление рабочих машин

Все рабочие машины при выполнении технологических операций требуют определенных энергетических затрат. Одним из важных энергетических показателей эксплутационных свойств рабочих машин являются их тяговые сопротивления и сопротивления приводу рабочих органов через ВОМ трактора. Оцениваются эти показатели тяговым сопротивлением машин R при выполнении технологической операции и мощностью, затрачиваемой на привод рабочих органов N_р. Тяговое сопротивление машин подразделяется на рабочее R и на холостом ходу R_х.

Под рабочим тяговым сопротивлением понимается сопротивление, которое оказывает машина-орудие в рабочем положении.

Тяговое сопротивление на холостом ходу возникает при работе машины с выключенными рабочими органами (в транспортном состоянии).

Сила, необходимая для перемещения рабочей машины, – это полная составляющая всех сил сопротивлений, направленная против движения агрегата и оказывающая силовые воздействия машины на трактор. В общем случае эту силу можно разложить на три составляющие: горизонтальную, вертикальную и поперечную.

Горизонтальная составляющая общей силы тяги и называется тяговым сопротивлением R.

Конечно, и другие составляющие общего силового воздействия рабочей машины на трактор требует определенного расхода энергии, так как они приводят к дополнительным изменениям реакций почвы на движители трактора. При составлении агрегата следует снижать вредные влияния вертикальной и поперечной составляющих полного силового воздействия рабочей машины на трактор.

Величина тяговых сопротивлений рабочих машин зависит от многих факторов:

от вида технологического процесса, выполняемого агрегатом;

от конструкции, технического состояния и настройки машины, условий (состояния почвы, рельефа и другие), эксплуатационного режима работы агрегата (скорости движения, ширины захвата, направления силы тяги). Большинство из этих факторов имеет случайный (в вероятностно-статистическом смысле) характер и в результате чего сопротивление рабочей машины R по своей природе является непрерывно изменяющимся во времени случайным процессом.

Опытное определение тягового сопротивления машин (как и моментов сопротивлений на привод рабочих органов) показывает, что оно определяется динамическими условиями работы машины и не может быть выражено в виде точной математической функции каких-либо параметров (глубины хода, состояния почвы, параметров машины и др.). В связи с этим тяговое сопротивление может быть достаточно полно охарактеризовано оценками статистических характеристик: среднего значения R, средне - квадратического отклонения s_R, корреляционной функцией R_r(τ) или спектральной плотностью S_R(ω).

Экспериментально определить тяговое сопротивление рабочих машин представляет определенные трудности и значительных затрат времени. Поэтому для удобства расчетов тягового сопротивления машины на ровной поверхности введено понятие удельного тягового сопротивления.

Для однотипных машин, различающихся главным образом шириной захвата в_м (бороны, лущильники, сеялки, катки и др.), удельное сопротивление (Н/м) определяют следующим образом:

К=R/в_м. (6.1)

Для машин, у которых тяговое сопротивление существенно зависит как от ширины захвата, так и от глубины обработки h (прежде всего плуги, глубокорыхлители, почвенные фрезы, каналокапатели и др.), удельное сопротивление К_пл (Н/м²) рассчитывают по формуле:

К_пл=R_пл/(в_плh). (6.2)

Для машин, тяговое сопротивление которых пропорционально их силе тяжести (весу) (для транспортных или при холостом передвижении), удельное сопротивление будет безразмерной величиной (соотношение сил) и называется коэффициентом сопротивления передвижению f_м:

f_м=R/(m_мg) (6.3)

Средние значения удельных сопротивлений для различных машин, полученных экспериментальным путем при скорости движения V₀=5км/ч, приводятся в справочной литературе.

Для большинства сельскохозяйственных машин следует отметить общую тенденцию удельного сопротивления - оно растет с увеличением скорости движения.

Удельное сопротивление плуга прямо пропорционально квадрату скорости движения

К_Vпл=К_опл[1+0,006(V²-V₀²)], (6.4)

где К_опл - удельное сопротивление плуга (значения приводятся в справочной литературе) при вспашке со скоростью V₀=5км/ч; V - скорость движения плуга, для которой определяется удельное сопротивление, км/ч.

Для машин, тяговое сопротивление которых зависит, в основном, от ширины захвата, зависимость удельного сопротивления от скорости близка к прямолинейной и с достаточной точностью для практических расчетов выражается уравнением

K_v=K₀[1+Δk(V-V₀)], (6.5)

где К₀ - удельное сопротивление рабочей машины (приводятся в справочной литературе) при скорости движения V₀=5км/ч; Δk - коэффициент, характеризующий темп прироста удельного сопротивления при увеличении скорости движения на 1 км/ч.

Значения коэффициента Δk для различных рабочих машин также приводятся в справочной литературе.

Коэффициент сопротивления передвижению f_м зависит от конструкции ходового аппарата машины (колеса с пневматическими шинами по сравнению с металлическими ободами снижают сопротивление на 20-30%), от вида поверхности, по которой движется агрегат.

Следует также отметить, что удельные сопротивления значительно возрастают с увеличением износов рабочих органов (лемехов, лап, дисков, сегментов, ножей и др.).

Удельные сопротивления имеют энергетическую характеристику. Если в формуле (6.1) числитель и знаменатель умножить на скорость движения V, то получим:

К=RV/в_мV. (6.6)

По выражению (6.6) видно, что удельное сопротивление машины представляется не только как усилие, но и как расход механической энергии на единицу производительности [кВт/м²с^-1].

Аналогично для плугов:

К_пл= R_плV/(в_плhV). (6.7)

Удельное сопротивление плуга представляет собой расход механической энергии на обработку объема почвы, проходящей по отвалу (Дж/м³), или затраты мощности на обработку объема почвы, проходящей по отвалу в единицу времени [кВт/м³с-1].

Для тягово-приводной машины приведение момента на ВОМ к условному удельному сопротивлению не будет корректно, так как тяговый КПД трактора и КПД ВОМ существенно отличаются. Кроме того, при этом будет искажено фактическое тяговое усилие трактора, существенно влияющее на буксование и другие показатели трактора.

Общую эффективную мощность для работы тягово-приводной машины можно определить по выражению:

Ne_мп=(RV/η_тяг)+(N_n/η_вом), (6.8)

где Ne_мп, N_n - мощность общая и на привод через ВОМ, кВт; R - тяговое сопротивление машины, кН; V - скорость движения машины, м/с; η_тяг и η_вом - тяговый КПД трактора и привода вала отбора мощности.

Зная средние значения удельных сопротивлений машин прицепленных к трактору (навешенных на трактор), определяют общее расчетное сопротивление рабочей части агрегата. В агрегате с энергонасыщенными тракторами используются несколько машин (как однородных, так и разнородных) и сцепка. В этом случае общее (среднее) сопротивление рабочей части агрегата при установившемся движении:

Ra= K_i в_мi m_ig _i+mсцg(f_сц i), (6.9)

где К_i - удельное сопротивление i-той машины, Н/м; m_i и m_сц –эксплуатационная масса i-той машины и сцепки, кг; g – ускорение свободного падения; i - величина подъма (спуска) в долях; в_мi – ширина захвата i-той машины, м; f_сц – удельное сопротивление передвижению сцепки.

Общее тяговое сопротивление плуга определяют по упрощенной формуле при приближенных расчетах:

R_пл=К_плn_кв_кh, (6.10)

где К_пл - среднее сопротивление плуга, н/м ; n_к и в_к - количество корпусов плуга и ширина захвата корпуса, м; h - глубина вспашки, м.

При углубленном исследовании тягового сопротивления плуга следует пользоваться формулой В. П. Горячкина, а входящие в нее коэффициенты определяют экспериментально.

В реальной действительности общее сопротивление агрегата не будет простой арифметической суммой сопротивлений отдельных машин, так как с увеличением числа машин в агрегате случайная функция R_а(t) будет иметь меньший размах отклонений за счет несовпадения моментов максимумов и минимумов сопротивлений отдельных машин.

Выражение (6.9) справедливо для установившегося движения агрегата. При трогании агрегата с места общее сопротивление существенно возрастает за счет появления инерционных сил. Общеизвестно, что силы инерции пропорциональны массе и ускорению (P_j=mj), однако точное значение ускорения агрегата в момент трогания его с места неизвестно. Оно зависит от темпа включения муфты сцепления, сцепных свойств движителей трактора с почвой, момента инерции вращающихся частей двигателя и т.д. В среднем, для весьма приближенных расчетов можно примерно удваивать значение коэффициента сопротивления передвижению f_м для определения сопротивления агрегата при трогании с места (или в выражении (6.9) во второй член ввести один раз fm_i и в третьем члене удвоить f_сц).