CC BY
23
9. ГОСТ 30745-2001. «Тракторы сельскохозяйственные. Определение тяговых показателей».
10.Картошкин А.П., Фомичев А.И. Тракторы и автомобили. Тяговый расчет трактора с механической ступенчатой трансмиссией: учебно-методическое пособие для самостоятельной работы обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов. - СПб.: СПбГАУ, 2018. - 75 с.
Literatura
1 Kartoshkin A.P., Uss I.N., Bobrovnik A.I., Levkov V.G., Varfolomeeva T.A., Fomichev A.I.
Traktory: uchebnoe posobie. - SPb.: Prospekt Nauki, 2018. - 736 s.
2 Polivaev O.I., Kostikov O.M., Vorohobin A.V., Vedrinskij O.S. Konstrukciya traktorov i avtomobilej: uchebnoe posobie / Pod obshch. red. prof. O. I. Polivaeva. - SPb.: Izdatel'stvo «Lan'», 2013. - 288 s.
3 Polivaev O.I., Grebnev V.P., Vorohobin A.V. Teoriya traktora i avtomobilya: uchebnik. - SPb.: Izdatel'stvo «Lan'», 2016. - 232 s.
4 Traktor-REVYU Internet-zhurnal o sel'skohozyajstvennoj spectekhnike. - URL: https://tractorreview.ru (data obrashcheniya: 02.04.2020 g.).
5 Traktory BELARUS 322/422/622. Rukovodstvo po ekspluatacii. - URL: https://traktor-zapchast.ru/rukovodstvo-po-kspluatatcii-belarus-320 (data obrashcheniya: 02.04.2020 g.).
6 Mitraks. Sadovye traktory. - URL: https://mitrax.ru (data obrashcheniya: 02.04.2020 g.).
7 Kartoshkin A.P., Fomichev A.I., Dolgushin V.A. Rezul'taty stendovyh ispytanij traktora «Skaut T-18». // Izvestiya MAAO. - 2018. - Vyp. 41, Tom 1. - S. 66-72.
8 GOST 7057-2001. «Traktory sel'skohozyajstvennye. Metody ispytanij».
9 GOST 30745-2001. «Traktory sel'skohozyajstvennye. Opredelenie tyagovyh pokazatelej».
10 Kartoshkin A.P., Fomichev A.I. Traktory i avtomobili. Tyagovyj raschet traktora s mekhanicheskoj stupenchatoj transmissiej: uchebno-metodicheskoe posobie dlya samostoyatel'noj raboty obuchayushchihsya po napravleniyu podgotovki 23.03.03 Ekspluataciya transportno-tekhnologicheskih mashin i kompleksov. - SPb.: SPbGAU, 2018. - 75 s.
УДК 621.43: 629.366: 631.37 DOI 10.24411/2078-1318-2020-12123
Канд. техн. наук, доцент В.А. РАКОВ (ВоГУ, vyacheslav.rakov@mail.ru) Канд. с.-х. наук, доцент В.И. ЛИТВИНОВ (Вологодская ГМХА, Lit.vinov@mail.ru)
ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИНАХ
Наибольшие затраты при выращивании земляных культур и обслуживании животноводческих ферм отводятся на обеспечение работы машинно-тракторного парка.
Постоянное повышение эффективности производства и высокий уровень конкуренции заставляют искать пути уменьшения снижения затрат. В направлении совершенствования конструкции машин такими путями является: повышение КПД двигателей внутреннего сгорания; изменение конструкции рабочего органа; повышение эффективности трансмиссии; удешевление топлива, применяемого для сельскохозяйственных машин; снижение стоимости самих машин.
Повышение КПД дизельных двигателей в настоящее время осуществляется за счет применения наддува впускного воздуха, улучшения качества распыла топлива форсункой, применением смазок с улучшенными антифрикционными свойствами. В двигателях многих тракторов и комбайнов такие мероприятия уже применяются, и дальнейшее повышение КПД требует кардинального изменения конструкции энергетической установки.
Трансмиссия сельскохозяйственных машин в сочетании с дизельным двигателем сложна и требует широкого диапазона изменяемых передаточных отношений и наличия специальных режимов работы при высоком передаваемом крутящем моменте. В результате она сложна, громоздка, имеет высокую стоимость обслуживания и ремонта.
Вместе с тем многие производители техники, агроинженерные институты готовы предложить нетрадиционные машины с комбинированной энергетической установкой (КЭУ) или полностью электрическим двигателем [1-4]. В автомобилестроении КЭУ помогают значительно снизить расход топлива, поэтому получили широкое распространение. Подобные решения в автомобилестроении не редкость, но в сельском хозяйстве большой популярности пока не получили. У региональных сельскохозяйственных предприятий из-за высоких цен на горюче-смазочные материалы все чаще возникает вопрос о возможности перевода машинно-тракторного парка на электрическую энергию.
Цель исследования - проведение анализа экономической эффективности замены традиционных энергоустановок в сельскохозяйственных машинах на комбинированные и полностью электрические энергетические установки.
Материалы, методы и объекты исследований. В статье представлен сравнительный анализ результатов расчета затрат на эксплуатацию машин с разными типами энергетических установок в течение заданного периода эксплуатации. В качестве базовой машины для сравнения использован трактор МТЗ-82 с дизельным двигателем. Стоимость нового трактора МТЗ-82 без навесного оборудования принята равной 1,4 млн. руб. Его средний расход топлива при выполнении транспортных работ составляет около 6 литров дизельного топлива в час.
Сравниваемый период эксплуатации принят равным 10 годам. К этому периоду, как правило, все инвестиции в сельхозмашины и оборудование должны окупиться, а их ресурс приближается к концу. За это время при условии 8-часового рабочего дня и 20 рабочих днях в месяц общая наработка за весь принятый период составит 19200 часов. Ресурс двигателя МТЗ-82 до капитального ремонта принят равным 8000 моточасам, ресурс топливной аппаратуры -6000 моточасов. Стоимость ремонта топливной аппаратуры и других систем принята на основании усредненных данных специализированных технических центров.
Обоснование стоимости трактора с КЭУ.
Так как трактор МТЗ-82 в серийной модификации имеет только дизельный двигатель, требуется оценить его возможную первоначальную стоимость с КЭУ и электродвигателем. Для этого проанализирована стоимость серийных автомобилей с различными типами энергоустановок [6]. Увеличение стоимости таких машин с КЭУ составляет, как правило, от 35 до 50%.
Также можно оценить стоимость самих элементов энергоустановки. Так, стоимость тягового асинхронного электродвигателя мощностью 25 кВт может составлять 50 тыс. руб. Стоимость тягового накопителя электрической энергии для КЭУ составит 150 тыс. руб. Стоимость силового преобразователя напряжения (инвертора) составит 250 тыс. руб. Еще около 150 тыс. руб. потребуется на адаптацию бортовой системы электрооборудования машины. Таким образом, стоимость комбинированной энергоустановки для трактора с такими же характеристиками, как МТЗ-82, увеличится не менее чем на 600 тыс. руб.
Так как КЭУ имеет в своем составе ДВС, то все эксплуатационные затраты, связанные с его обслуживанием и ремонтом, сохранятся. Расход топлива у машин с КЭУ может быть ниже за счет стабилизации нагрузочного режима в зоне минимального удельного расхода топлива; выключения двигателя на холостом ходу. Однако, как показывают предыдущие результаты исследований [7], эффективность КЭУ может быть и ниже традиционной схемы из-за дополнительного двойного преобразования энергии в электрической передаче [8].
Особенностью последовательной схемы КЭУ является возможность передачи энергии от дизельного двигателя на ведущую ось только электрическим путем (рис. 1,А). При этом энергия преобразуется из одного вида в другой два раза.
Параллельная схема КЭУ почти полностью повторяет традиционную энергоустановку трактора МТЗ-82, но между ДВС и трансмиссией установлен электродвигатель-генератор (рис. 1,Б). Энергия на ведущую ось в этом случае может передаваться и традиционным механическим, и электрическим путем [9].
Опираясь на ранее проведенные исследования [10] и с учетом особенностей цикла работы трактора [6], авторами принят расход топлива последовательной схемы КЭУ таким же - 6,0 л/час, а трактора с параллельной схемой - на 20% ниже.
Генератр ЛКВ
шт-1 ■! И! Эл. двигатель
, -|__[^Трансмиссия
- Инвертор
( )
Вариант А Мотор-генератор
I—--------__¡Трансмиссия
| IWfl --'Km
^^ Инвертор/^ 1 ^
Вариант Б
Рис. 1. Конструктивные схемы рассматриваемых типов КЭУ: вариант А - последовательная схема передачи энергии; вариант Б - параллельная схема передачи энергии
Обоснование стоимости трактора с электродвигателем. В тракторе с электроприводом отсутствует ДВС с сопутствующими системами: охлаждения, запуска, питания и смазки. В трансмиссии не будет сцепления и многоступенчатой трансмиссии. Стоимость всех этих компонентов может составлять около 350 тыс. руб. Эти затраты можно вычесть из стоимости машины.
Электрическая энергоустановка трактора будет состоять из электродвигателя, тягового инвертора и накопителя электрической энергии, состоящего из LiFePO4 аккумуляторов. Основные характеристики энергоустановки трактора были определены авторами ранее [6].
Стоимость тягового электродвигателя может составлять 150 тыс. руб., инвертора - 350 тыс. руб. Тяговый накопитель энергии будет стоить 1500 тыс. руб. При этом в расчете используются характеристики аккумулятора LT-LYP200, емкостью 200 Ач, напряжением 3,2 В и массой около 10 кг. Для трактора потребуется около 100 таких аккумуляторов. Их ресурс составляет не более 2000 циклов (при глубине разряда не более 80%). Максимальная непрерывная выдаваемая мощность всей батареи составит 64 кВт.
Также нужно учесть, что трактор с электроприводом не будет требовать технического обслуживания, капитальных и средних ремонтов. Трансмиссия трактора с электроприводом не будет иметь переменных передач с механизмом переключения и сцепления, поэтому условно не потребует ремонта. Тормозная система трактора с электроприводом будет изнашиваться значительно меньше ввиду очень эффективного торможения тяговым электродвигателем.
Сопутствующие затраты, связанные с ремонтом и обслуживанием ходовой части, рулевого управления и шасси, не учитывались, так как будут для всех машин одинаковыми.
В таблице приведены сравнительные затраты на эксплуатацию машин с различными типами энергетических установок.
Таблица. Сводная таблица затрат на эксплуатацию сельхозмашины с различными типами энергоустановок
Наименование критерия Трактор с ДВС, тыс. руб. Трактор с КСУ, тыс. руб. Трактор с электроприводом, тыс. руб.
последовательная схема (А) параллельная схема (Б)
Начальная стоимость 1400 2000 2000 3000
Расход топлива, вид, энергии за час работы 6 литров диз. топлива 6 литров диз. топлива 5 литров диз. топлива эл. энергия 20 кВт-ч
Расходы на энергоноситель за час 0,276* 0,276* 0,230* 0,120**
Период эксплуатации, лет 10
Наработка за период эксплуатации, моточасов 19200
Затраты на энергоносители за весь срок эксплуатации 19200х0,46 = 5299,2 19200х0,46 = 5299,2 19200х0,368 = 4416 19200х0,12 = 2034
Зарядное устройство - - - 50
Техническое обслуживание каждые 125 моточасов 20 2***
Затраты на ТО всего за период эксплуатации 19200/125*20 = 3072 19200/125*2 = 307,2
Текущий ремонт за период эксплуатации: - ремонт топливной аппаратуры - замена сцепления - ремонт тормозной системы - ремонт КПП 150 80 30 80 15
Капитальный ремонт энергоустановки 120х4=480 200*2+480 = 880 1500х1= 1500****
Всего затрат 1400+5299,2 +3072+150+ 80+30+ 80+480= =10591,2 2000+5299,2+30 72+150+ 80+30+80+ 880=11591,2 2000+4416+ 3072+150+80+ 30+80+880=10 708 3000+2034+ 50+307,2+15+ 1500=6906,2
Приведенные затраты на 1 час работы 10591,2/1920 0=0,55 11591,2/19200= 0,60 10708/19200= 0,56 12206,2/19200 = 0,36
* принята стоимость одного литра дизельного топлива - 46руб. ** принята стоимость электроэнергии - 6руб./кВт -час
*** предусмотрена доливка и замена масла в редукторе ведущего моста, обслуживание ходовой части **** замена комплекта аккумуляторов каждые 2000 циклов разряда-заряда (16000 моточасов работы)
Результаты исследований. Путем суммирования всех затрат на покупку новой машины и ее эксплуатацию в течение 10 лет и приведения к одному часу работы получены удельные экономические затраты на эксплуатацию:
- трактор МТЗ-82 с ДВС - 10591,2 тыс. руб. (0,55 тыс. руб./час);
- трактор с КЭУ (вариант А) - 11591 тыс. руб. (0,64 тыс. руб./час);
- трактор с КЭУ (вариант Б) - 10708 тыс. руб. (0,64 тыс. руб./час);
- трактор с электроприводом - 6906,2 тыс. руб. (0,36 тыс. руб./час).
На графике (рис. 2) представлены сопоставительные затраты при эксплуатации трактора с различными типами энергетических установок.
тыс.руб.
12000
10000 8000 6000 4000 2000
3892
5299,2
1400
3412
5299,2
2000
4265
4416
2000
1822,2
2084
3000
две
□ Затраты на обслуживание и ремонт
КЭУ(А) КВУ(Б)
И Затраты на топливо [электроэнергию)
Эл.при вод I Первоначальная стоимость
Рис. 2. Сравнительные затраты на 10-летний цикл эксплуатации трактора с различными типами энергоустановок
Таким образом, с учетом затрат на покупку нового трактора, топливо (электроэнергию), техническое обслуживание и ремонт трактора при условии восстановления работоспособности в течение всего срока эксплуатации энергетических установок затраты на трактор с КСУ будут на 14% выше, чем у трактора МТЗ-82 с дизельным двигателем. Трактор, работающий на электричестве, с учетом принятых допущений, может быть на 30% экономичнее.
Выводы. Приведенные расчеты показывают, что с учетом особенностей работы трактора использование комбинированной электромеханической энергоустановки экономически нецелесообразно. Полная электрификация трактора такого же типа, как МТЗ-82, может снизить затраты на выполняемые работы на 30% даже с учетом однократной замены аккумуляторной батареи.
Приведенный анализ показывает лишь экономическую сторону электрификации сельхозмашины. Однако при этом нельзя пренебречь рядом особенностей электрификации сельхозмашин. Агрессивные условия эксплуатации, высокая влажность могут повредить высоковольтное оборудование. Время непрерывной работы машины будет ограничено 4-6 часами за смену. Для эксплуатации трактора с электродвигателем и организации его обслуживания потребуется дополнительное обучение машинистов и механиков правилам электробезопасности, которые должны быть разработаны специально для такого типа машин.
Литература
1. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Иволгин В.А. Трактор с комбинированной энергоустановкой // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. - С. 6-7.
2. Ерохин М.Н., Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Иволгин B.C., Хлебанцев А.В.
Использование комбинированной энергоустановки с накопителем энергии на тракторе // Труды НАМИ. - 2009. - № 241. - С. 119-122.
3. Прилуков А.В. Современное состояние сельскохозяйственных мобильных энергетических средств с электроприводом // Инновации в сельском хозяйстве. - 2019. - № 4 (33). - С. 144-153.
4. Kellogg E.; Smith J. Heavy-Duty PHEV Yard Tractor: Controlled Testing and Field Results // World Electr. Veh. J. 2012, 5, 246-253.
5. Pistoia G. (2010). Electric and hybrid vehicles. Power sources, models, sustainability, infrastructure and the market. - Oxford: The Netherlands Linacre House. P.670.
6. Раков В.А., Литвинов В.И. Определение необходимой мощности двигателя комбинированной энергетической установки трактора // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2019. - № 3 (56). - С. 145-151.
7. Капустин А.А., Раков В.А. Перспективы использования различных типов конструкций комбинированных энергетических установок в автомобилях // 8-е Луканинские чтения.
Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: сборник трудов Международной научно-технической конференции. - 2019. - С. 538-550.
8. Александров И.К., Несговоров Е.В., Раков В.А. Тяговый расчет транспортных средств с адаптивным приводным двигателем // Вестник машиностроения. - 2010. - №2. - С. 16-18.
9. Lee D.H., Kim Y.J. Development of a parallel hybrid system for agricultural tractors // Journal of the Faculty of Agriculture. 2017; №1 (62):137-144. DOI: 10.4271/2000-01-1543.
10. Раков В.А., Капустин А.А. Оптимизация параметров энергетической установки гибридного трактора // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГУ, 2017. - С. 108-111.
Literatura
1. Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Ivolgin V.A. Traktor s kombinirovannoj energoustanovkoj // Sel'skij mekhanizator. - 2008. - № 11. - S. 6-7.
2. Erohin M.N., Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Ivolgin B.C., Hlebancev A.V. Ispol'zovanie kombinirovannoj energoustanovki s nakopitelem energii na traktore // Trudy NAMI. - 2009. -№ 241. - S. 119-122.
3. Prilukov A.V. Sovremennoe sostoyanie sel'skohozyajstvennyh mobil'nyh energeticheskih sredstv s elektroprivodom // Innovacii v sel'skom hozyajstve. - 2019. - № 4 (33). - S. 144-153.
4. Kellogg E.; Smith J. Heavy-Duty PHEV Yard Tractor: Controlled Testing and Field Results // World Electr. Veh. J. 2012, 5, 246-253.
5. Pistoia G. (2010). Electric and hybrid vehicles. Power sources, models, sustainability, infrastructure and the market. - Oxford: The Netherlands Linacre House. P.670.
6. Rakov V.A., Litvinov V.I. Opredelenie neobhodimoj moshchnosti dvigatelya kombinirovannoj energeticheskoj ustanovki traktora // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2019. - № 3 (56). - S. 145-151.
7. Kapustin A.A., Rakov V.A. Perspektivy ispol'zovaniya razlichnyh tipov konstrukcij kombinirovannyh energeticheskih ustanovok v avtomobilyah // 8-e Lukaninskie chteniya. Problemy i perspektivy razvitiya avtotransportnogo kompleksa: sbornik trudov Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. - 2019. - S. 538-550.
8. Aleksandrov I.K., Nesgovorov E.V., Rakov V.A. Tyagovyj raschet transportnyh sredstv s adaptivnym privodnym dvigatelem // Vestnik mashinostroeniya. - 2010. - №2. - S. 16-18.
9. Lee D.H., Kim Y.J. Development of a parallel hybrid system for agricultural tractors // Journal of the Faculty of Agriculture. 2017; №1 (62):137-144. DOI: 10.4271/2000-01-1543.
10. Rakov V.A., Kapustin A.A. Optimizaciya parametrov energeticheskoj ustanovki gibridnogo traktora // Avtomatizaciya i energosberezhenie mashinostroitel'nogo i metallurgicheskogo proizvodstv, tekhnologiya i nadezhnost' mashin, priborov i oborudovaniya: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. - Vologda: VoGU, 2017. - S. 108-111.
