CC BY
28
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
УДК 631.36:62-52
АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОРМОУБОРОЧНОГО АГРЕГАТА НА ОСНОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА
С.Н. МАТЕЙЧИК; И.Ф. СЕРЗИН, канд. техн. наук
Себестоимость заготовки собственных кормов из трав зависит от эффективности использования дорогостоящих машин в составе технологических комплексов, которая, в свою очередь, определяется величиной реализации производительности в процессе работы кормоуборочной техники. Реализацию производительности можно оценить путем сравнения текущих значений производительности машин в конкретный момент времени в течение рабочей смены с величинами, характеризующими их предельные возможности. Параметр, выражающий возможности производительности кормоуборочных агрегатов - предельная пропускная способность, которая зависит от конструктивных особенностей рабочих органов, вида убираемой кормовой культуры, влажности травы и ограничена мощностными возможностями энергосредства в составе кормоуборочного агрегата.
В результате исследований был разработан новый способ определения предельной величины пропускной способности кормоуборочного агрегата (ПАТЕНТ РФ №2467551, 27.11.2012). Этот способ позволяет при ограниченном количестве замеров текущих значений показателей использования кормоуборочного агрегата на уборке различных видов кормов из трав, используя закономерности подобия нагрузочных режимов работы кормоуборочного агрегата, определить рациональную величину предельной пропускной способности в конкретных природно-производственных условиях.
В статье приведены блок-схема и алгоритм расчета предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата с использованием оперативных данных. Эти данные получены с помощью навигационных терминалов и системы спутникового мониторинга сельскохозяйственной техники, что позволит применять предложенные способ и расчеты на практике.
Ключевые слова: спутниковый мониторинг; кормоуборочный агрегат; пропускная способность; алгоритм.
CALCULATION ALGORITHM OF ULTIMATE THROUGHPUT OF A FORAGE MAKING UNIT BASED ON SATELLITE MONITORING DATA
S.N. MATEYCHIK; I F. SERZIN, Cand.Sc. (Eng)
The self-cost of farm-produced grass forage depends on the efficient performance of expensive machines within the technological complexes and is determined by this performance implementation during the operation of the forage making machinery. The performance implementation may be estimated by comparing the current values of machinery performance at a specific point of time within the work shift with the values of the ultimate capacity of this machinery. One parameter demonstrating the potential performance of a forage harvesting unit is the ultimate throughput, which depends on specific features of the work tools and the type of harvested forage crop and is limited by the power capacity of the energy device within the forage harvesting unit.
As a result of studies a new method for determining the ultimate value of the throughput of a forage harvesting unit (patent of the Russian Federation №2467551 of 27.11.2012) was designed allowing toproperly determine this parameter under specific climatic and production conditions. The method features the limited number of measurements of the current values of performance indicators of a forage-making unit when harvesting different types of grass forage crops and makes use of similarity patterns of load modes of operation of the unit.
The paper present the flow scheme and calculation algorithm of the ultimate throughput capacity of a forage harvesting unit with the use of real-time data obtained via navigation terminals and the system of satellite monitoring of agricultural machinery. This allows to apply the designed method and calculations in practice.
Key words: satellite monitoring, forage harvesting unit, throughput capacity, algorithm.
ВВЕДЕНИЕ
Практика показывает, что существуют различные способы определения пропускной способности кормоуборочного агрегата. Однако они предполагают определение предельной величины пропускной способности с использованием значений реализации параметров, которые характеризуют работу рабочих органов кормоуборочного агрегата, зафиксированных при испытаниях в условиях, приближенных к идеальным, непосредственно в момент перед забиванием измельчающего аппарата [1,2], что делает эти способы непригодными для определения предельной величины пропускной способности кормоуборочного агрегата при его подготовке к работе и непосредственно при выполнении кормоуборочным агрегатом операций технологического процесса в различных природно -климатических условиях, когда требуется скорректировать режимы его работы, обеспечивая максимальную загрузку рабочих органов. По результатам проведенных исследований [3] разработан способ определения предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата, который в свою очередь был положен в основу предлагаемого алгоритма расчета пропускной способности с использованием данных спутникового мониторинга для последующей автоматизации расчетов в информационных экспертных системах поддержки принятия решений. Это позволит оперативно принимать обоснованные управляющие решения специалистами сельскохозяйственного производства для рационального комплектования и эффективного использования взаимодействующих машин в составе технологических комплексов и минимизировать затраты на производство собственных кормов из трав.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследований были приняты кормоуборочные агрегаты на базе прицепных комбайнов модельного ряда FCT фирмы JF-STOLL на заготовке силоса из провяленных трав. На основании данных, полученных в результате исследований, был разработан способ определения предельной величины пропускной способности кормоуборочного агрегата с учетом, как конструктивных особенностей рабочих органов сельскохозяйственной машины, так и ограниченной величины мощности двигателя, отбираемой на их привод и работу, в различных природно-производственных условиях сельхозтоваропроизводителей [4].
Мониторинг работы сельхозтехники в режиме реального времени с использованием средств спутниковой навигации при условии установки ряда датчиков позволяет оперативно получать информацию, необходимую для определения предельной величины пропускной способности кормоуборочного агрегата при выполнении операций технологического процесса по заготовке кормов. Данные, поступающие от спутникового мониторинга, накапливаются в созданной базе данных [5], что делает их доступными к обработке в режиме реального времени при наличии соответствующего программного обеспечения. Разрабатываемый алгоритм, в свою очередь, послужит основой для создания информационной подсистемы контроля реализации производительности машинно-тракторных агрегатов, выполняющих механизированные операции технологического процесса заготовки кормов из трав, на основе контроля пропускной способности рабочих органов с использованием данных, полученных с использованием спутниковых навигационных систем.
Существует несколько способов описания алгоритмов. В данной статье будут представлены два из них: словесный и в виде блок-схемы. Словесный способ описания алгоритма - наиболее распространенная и доступная форма представления алгоритма, ориентированного на выполнение действий, описанных в нем. Блок-схема позволяет наглядно изобразить алгоритм в графической форме, используя стандарты графических изображений блоков алгоритма [6].
Предполагается, что процесс расчета производительности (текущее значение реализации пропускной способности кормоуборочного агрегата) и величины предельной пропускной способности кормоуборочного комбайна (параметра возможностей кормоуборочного агрегата) при выполнении операций технологического процесса заготовки кормов будет максимально автоматизирован, то есть та часть данных, которая не является оперативной информацией (нормативная, справочная), размещается в созданных для этого таблицах информационной системы. Часть оперативной информации заносится в подобные таблицы вручную, другая часть поступает в базу данных автоматически, благодаря использованию средств спутниковой навигации и информационно-коммуникационных технологий.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Основной режим работы кормоуборочного агрегата на подборе валков предполагает,
что:
- энергосредство (трактор в прицепном кормоуборочном агрегате, двигатель внутреннего сгорания в самоходном комбайне) должно быть исправным, то есть должна быть обеспечена эксплуатационная номинальная мощность двигателя N е н 0 м;
- движение должно быть установившимся. Скорость УаГр движения кормоуборочного агрегата на соответствующей передаче трансмиссии и полевом фоне работ определяется по результатам спутникового мониторинга;
- движение осуществляется при максимальной подаче топлива.
Прежде чем выбрать определенный кормоуборочный агрегат для наблюдения и проведения предусмотренных расчетов, необходимо убедиться, что тракторист получил задание и выписан путевой лист, что обычно и делается на практике. Такая возможность для пользователя информационной системы (специалиста хозяйства) с выводом
соответствующего сообщения на экран монитора обязательно должна быть предусмотрена в разрабатываемой информационной системе, что обеспечивает автоматизацию выбора нормативно - справочной информации, необходимой для расчетов по предлагаемому алгоритму.
Следующий шаг - выбор полевого фона работ. Полевой фон характеризуется рядом показателей, таких как вид кормовой культуры, влажность растительного материала и другими, поэтому мощность, затрачиваемая трактором на перемещение агрегата различная для каждого полевого фона. Затем должен быть осуществлен ввод оперативных данных, необходимых для проведения расчета. К этим данным относятся, в частности, урожайность убираемого поля и значения показателей, характеризующих полевой фон.
Важным звеном алгоритма является считывание данных, полученных в результате мониторинга работы сельхозтехники в режиме реального времени с использованием средств спутниковой навигации и выделение данных, связанных с работой выбранного кормоуборочного агрегата. На основании полученной оперативной информации производится расчет массы 1 м валка растительного материала, подбираемого кормоуборочным агрегатом при выполнении операций технологического процесса заготовки кормов. На этом этапе полученные данные позволяют произвести расчет текущей пропускной способности кормоуборочного агрегата (производительности кормоуборочного агрегата) при выполнении операций технологического процесса по заготовке кормов:
Кт *
* = "=мг- ( »
где - текущая пропускная способность кормоуборочного агрегата (в момент времени ¿), кг/с;
Кагр - скорость движения агрегата, км/ч;
- масса 1 м валка растительного материала, подбираемого кормоуборочным агрегатом при выполнении операций технологического процесса заготовки кормов, кг/м.
В результате проведенных полевых исследований работы кормоуборочных агрегатов накапливаются данные о значениях мощности двигателя, реализуемой на перемещение агрегата, без выполнения рабочей операции при различной скорости движения агрегата. На основании этих данных производится расчет мощности , затрачиваемой на
перемещение кормоуборочного агрегата по полевому фону без выполнения рабочей операции при текущей скорости движения, значения которой в режиме реального времени с установленным интервалом времени поступают в базу данных. С таким же временным интервалом производится расчет всех величин, необходимых для расчета предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата при выполнении им операций технологического процесса заготовки кормов.
Формула изобретения [4] включает в себя текущее значение мощности двигателя, идущей на привод и работу рабочих органов кормоуборочного агрегата , которое
может быть определено двумя методами. Первый метод предполагает непосредственный замер с помощью соответствующих датчиков, что приводит к удорожанию спутникового мониторинга, усложняет конструкцию привода. Этот метод редко применяется на практике и пригоден лишь для исследовательских работ. Согласно второму методу это значение вычисляется как разница между эффективной мощностью двигателя , реализуемой на все
62
энергопоглощающие процессы при выполнении рабочей операции, и мощностью двигателя, затрачиваемой на перемещение кормоуборочного агрегата по полевому фону при текущей скорости без выполнения рабочей операции iVe п е р е м е Щ1 агр i [3]
V р и в Г_ Ve - Ve п е р е м е щ. агр . (2)
Для расчета эффективной мощности VVe, реализуемой двигателем на все энергопотребляющие процессы при работе кормоуборочного агрегата, кроме данных завода-изготовителя о технических характеристиках сельхозтехники, входящей в агрегат, необходимо посредством спутникового мониторинга в режиме реального времени получить данные о расходе топлива и текущих оборотах коленчатого вала двигателя согласно показаниям установленных датчиков, и методом интерполяции по регуляторным характеристикам определить ее значение, реализуемое в момент работы кормоуборочного агрегата.
Для определения текущей и предельной угловой скорости вращения измельчающего барабана в момент времени t необходимо рассчитать /прив - передаточное число трансмиссии привода рабочих органов кормоуборочной машины по формуле:
i при в _ ^дв - при в х i при в - из . в , (3)
где /дв - при в - передаточное число трансмиссии привода ВОМ;
i пр и в - из. в - передаточное число трансмиссии от ВОМ к измельчающему барабану.
Угловая скорость вращения измельчающего барабана агрегата в момент времени t шt (рад/c) определяется по формуле:
ш t= Пдв/ 60 * i при в, (4)
где пдв - текущая частота вращения коленчатого вала в момент времени ^ , согласно показаниям датчика при использовании спутникового мониторинга.
Моделирование нагрузки pS (кг/м) на рабочих органах сельскохозяйственной машины осуществляется изменением потока растительного материала, подаваемого в измельчающий аппарат, который, в свою очередь, формируется за счет подбора агрегатом валка фиксированной массы Мв (кг/м) при различной скорости движения (км/ч) трактора [3]. Данные, полученные экспериментальным путем, накапливаются в соответствующей таблице базы данных. При проведении автоматизированных расчетов рассчитываются значения нагрузки pS (кг/м) на рабочих органах сельскохозяйственной машины при текущей скорости движения трактора.
Значение мощности двигателя, идущей на привод и работу рабочих органов
кормоуборочного агрегата (предельная), JV,
прив.П
и значение предельной величины
пропускной способности q п рассчитываются по формулам, приведенным в [4].
N — N Х (pSт ^П х
N привП — N привТ Х Х
(А X
N.
Чп — qT х
привП
N
привТ
L
х
г г л3
^П х Lpn уфТ Х LpT J
V
'рТ
L
(5)
РП J
х
где NnpuB - мощность двигателя, идущая на привод и работу рабочих органов кормоуборочного агрегата, кВт;
S - площадь приемной горловины питающего аппарата, м2;
р - плотность растительного материала, спрессованного вальцами питающего механизма,
кг/м ;
wi - угловая скорость вращения барабана измельчающего аппарата, рад/с;
Lp - длина резки растительного материала, м;
Т- индекс при текущих параметрах кормоуборочного агрегата, замеренных и определенных в полевых условиях при текущем нагрузочном режиме его работы, значения которых берутся из сформированной базы экспериментальных данных;
П - индекс при параметрах кормоуборочного агрегата, характеризующих предельный нагрузочный режим его функционирования.
Разработанный алгоритм в общем виде представлен в виде блок-схемы на рис. 1.
Выбор полевого фона. (Ввод значений показателей, характеризующих полевой фон: название культуры, влажность и др.)
3
Расчет эффективной (текущей) м ощности , разви ваемой двигателем трактора. Ые
Расчет доли эффективной мощности двигателя реализуемой на привод и работу рабочих органов (текущей) N ,,=N - N
'' прив1 перемещ.агр.
Т
Расчет коэффициента передачи (передаточное число трансмиссии привода рабочих органов)
^прив ^дв-прив х ^прив-из.в
X
Ввод данных об урожайности
поля
1 г
Считывание данных из пакета
АУЬ для выбранного
кормоуборочного агрегата
(спутниковый мониторинг)
Расчет массы 1 м валка
растительного материала в
Расчет текущей пропускной спос обн ости кор моуборочн ого
агрегата
Чт = V * м }'агр 1 1в 3,6 '
Расчет доли эффективной мощ-
ности двигателя , затрачиваемой
на перемещение кормоубороч-
ного агрегата по полевому фону
при текущей скорости движения
N "е перемещ.агр.
Вы бор данных о расходе топли - нет
ва и текущих о боротах колен-
ч атого вала двигателя, согласно
показаниям датчика
( спутн иковы й монитори нг) пд)
ш с= пдв! 60 * п
Расчет предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата
NпривП { ЫТ ^рТ ^
дП = qT х-х I х-I
ХпривТ 1®П ЬРП )
Выход
Расчет текущей угловой скорости вращен ия барабана и зм ельчающего аппарата
Расчет предельной угловой скорости вращения барабана измельчающего аппарата
<рП= пд в 60 * р ри в
Расчет нагрузки pS на рабочих органах сельскохозяйственной машины
1
Расчет доли эффективной двигателя реализуемой н работу рабочих органов(п N = N х )п х " привП = " привТ х , „ - х мощност а привод и редельной ,®П х ЬрП ^ СОт х ЬрТ и ) 3
Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета предельной пропускной способности
кормоуборочного агрегата. 65
ВЫВОДЫ
Алгоритм является основой для разработки информационной подсистемы, связанной с контролем производительности машинно-тракторных агрегатов при выполнении механизированных операций производства сельскохозяйственной продукции в течение смены и, в частности, с расчетом и сопоставлением текущей и предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата в конкретных природно-производственных условиях. Объем данных, который должен быть обработан для принятия обоснованных управленческих решений по комплектованию, изменению эксплуатационных режимов работы, организации взаимодействия машин в составе технологических уборочных комплексов, достаточно большой. Прежде чем специалист сельскохозяйственного производства приступит к анализу данных, он должен провести ряд сложных и объемных вычислений и иметь постоянный доступ к большому количеству нормативно-справочной информации. При ручном расчете этот процесс является очень трудоемким, что не позволяет оперативно принимать решения не только в течение данной смены, но и всего периода заготовки кормов. Использование указанного алгоритма при разработке информационной системы повысит точность расчетов текущей и предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата, и, благодаря использованию системы спутникового мониторинга, позволит получать результаты расчетов в режиме реального времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Schmittman O., Osman A.M., Kromer K.-H. Durchsatzmessung bei Feldhäckslern //Landtechnik. - 2000. -Jg.55, N4. - S.286-287
2. Машиностроение. Энциклопедия. Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др.М.: Машиностроение. Сельскохозяйственные машины и оборудование Т. IV - 16 /И.П.Ксеневич, Г.П. Варламов, Н.Н. Колчин и др.; под ред. И.П. Ксеневича. 1998 - 720 с., ил.
3. Серзин И.Ф. Обеспечение максимальной пропускной способности кормоуборочного агрегата путем согласования работы взаимодействующих машин в составе технологического комплекса. Диссертация канд. техн. наук.- Санкт-Петербург, 2011.- С. 122-124.
4. Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Способ определения предельной пропускной способности кормоуборочного агрегата. // Патент РФ № 2467551, 27.11.2012
5. Валге А.М., Папушин Э.А., Серзин И.Ф. Мониторинг машинно-тракторных агрегатов с использованием спутниковых навигационных систем /А.М. Валге, Э.А. Папушин, И.Ф. Серзин// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. /ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.- Вып.84. - СПб., 2013. С.28-36. - ISSN 0131-5226
6. Библиотека WEB-мастера [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.smti.ru/Sposoby opisanij algoritmov-3.html (дата обращения 21.07.2016)
