CC BY
46
ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 631.3.06.001.66
В.С. Красовских, Н.Н. Бережнов, О.В. Крылов, В.В. Лакшинский
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОСЕВНОГО КОМПЛЕКСА ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ КОМПОНОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ АГРЕГАТА
Ключевые слова: трактор, посевной
комплекс, бункер, сцепной вес, ходовая система, тяговое сопротивление, производительность, компоновочная схема,
буксование, плодородие.
Введение
На сегодняшний день отечественными и зарубежными производителями с.-х. техники выпускается широкий ассортимент посевных почвообрабатывающих комплексов, предназначенных для реализации технологий почвозащитного и ресурсосберегающего
земледелия.
В этих условиях актуальной задачей внедрения систем сберегающего земледелия становится разработка комплексов научно обоснованных рекомендаций по рациональному агрегатированию имеющихся в хозяйствах тракторов с современными энергоемкими машинами и орудиями. Отсутствие
подобных рекомендаций может привести к полному взаимному несоответствию технических характеристик трактора и рабочей машины и стать причиной повышения непроизводительных энергозатрат при эксплуатации агрегата, росту себестоимости продукции, а также деградации почвы и снижению её эффективного плодородия.
Применение широкозахватных комбинированных почвообрабатывающих посевных комплексов обуславливает рост эксплуатационной массы трактора и повышение единичной мощности его двигателя. Так, ОАО «Кировский завод» планирует расширение линейки сельскохозяйственных тракторов
серии К-9000 с мощностью двигателя от 354 до 516 л.с. В настоящее время в сельскохозяйственном производстве нашли широкое применение тракторы К-744Р2 с номинальной эксплуатационной мощностью 350 л.с. (257 кВт), что на 70 л.с. превышает мощность двигателя, устанавливаемого на трактор К-701.
Исследования показали, что возросшую мощность энергосредства наиболее целесообразно реализовать за счет увеличения ширины захвата агрегата, а это неизбежно ставит вопросы о его рациональном комплектовании, энергоемкости технологического процесса и уровне техногенного воздействия на почву [1-3].
Одним из способов улучшения выходных эксплуатационных показателей посевных комплексов является обоснование рационального компоновочного решения агрегата, определяющего расположение масс основных элементов с.-х. машины, агрегати-руемой с трактором, с учетом его собственного распределения веса в условиях эксплуатации и особенностей компоновки [5].
В условиях эксплуатации машиннотракторный агрегат подвергается воздействию множества внешних и внутренних факторов, многие из которых имеют случайный характер. Поэтому для описания процесса функционирования и определения выходных показателей агрегата целесообразно использовать методы математического моделирования, основанные на применении теории вероятностей [1-5].
Разработанная вероятностная математическая модель, описывающая процесс функционирования тягового агрегата как системы «почва-с.-х. машина-движитель-трансмиссия-двигатель» (далее — «П-М-Дж-Т-Дв»), позволяет оценивать агротехнические, энергетические и технико-экономические показатели комбинированных почвообрабатывающих посевных агрегатов при неустановившемся характере внешних воздействий [1-4].
Для обеспечения высокой степени достоверности аналитического моделирования работы агрегата необходимо обосновать его состав и эксплуатационные режимы работы не только на отдельном поле, но и на совокупности полей административнохозяйственного подразделения или конкретной природно-климатической зоны.
По результатам многочисленных исследований установлено, что к основным оценочным критериями, характеризующим изменение внешних воздействий на систему «П-М-Дж-Т-Дв», относятся математическое ожидание приведенного удельного тягового сопротивления агрегата Кпр, коэффициент вариации 1/пр и коэффициент пропорциональности £пр на отдельном поле; математическое ожидание приведенных средних удельных сопротивлений М(Кпр), приведенный коэффициент вариации приведенных средних удельных тяговых сопротивлений
агрегата Угп (далее — коэффициент вариации по группе полей), приведенный коэффициент пропорциональности М(гп р) по группе полей, а также математическое ожидание приведенных коэффициентов вариации удельного тягового сопротивления
по отдельным полям М(упр) [1-3].
Рациональная ширина захвата агрегата В должна быть подобрана так, чтобы во всем диапазоне изменения математических ожиданий удельных сопротивлений по группе
полей конкретной зоны от Кт1П до Ктах максимальная средняя нагрузка на крюке
энергосредства Р^тах не превышала установленный предел по допустимой величине буксования движителей трактора 8тах < <5Д, а средняя скорость движения агрегата V находилась в диапазоне от Ут1П до Утах согласно агротехническим требованиям.
Объекты и методы
Суммарное тяговое сопротивление посевного комплекса складывается из тягового сопротивления комбинированного почвообрабатывающего посевного орудия и силы сопротивления перекатыванию бункера с
технологическим материалом (семена, удобрения и другие компоненты). Исходя из этого, максимально допустимую ширину захвата агрегата следует определять по формуле, м:
(^кр тах' ~РГб)
В =
ъ (1)
[^пр тпал:(і"*"^(£пр))(^тоіп ^іф)] где РКртах — максимально допустимая нагрузка на крюке по буксованию движителей трактора, кН;
— сила сопротивления перекатыванию бункера с технологическим материалом, кН
Рб = Ґб’ &б> (2)
где — коэффициент сопротивления перекатыванию бункера;
Gg — вес бункера, кН;
Кцр.тах — среднее приведенное максимальное удельное сопротивление на отдельном поле, которое с определенной вероятностью может встретиться на группе полей, кН/м;
Утіп — скорость движения агрегата, соответствующая Р^тах, м/с:
— Мен'А.це'Т1тяг ^ ^
гкр тах
где — соответственно, номинальная
эксплуатационная мощность двигателя (кВт) и коэффициент ее использования при неус-тановившейся нагрузке на крюке трактора
[1, 4];
7/тяг — тяговый КПД трактора;
^7тяг ^7тяг * Лб ‘ V/’ (4)
где 'ПтріЛб/Л/ - соответственно, КПД
трансмиссии, буксования и перекатывания трактора;
Л = 1-5д, (5)
где 5Д — максимально допустимая величина буксования движителей;
„ гкр тах
ї1ґ= --------------
кр тах
+Т-с’
(6)
где f — коэффициент сопротивления перекатывания трактора; бт — вес трактора, кН:
Максимально допустимую нагрузку на крюке трактора при заданной максимальной
величине буксования движителей 5Д можно определить по формуле, кН:
Ркртах=Фкр ' ^сц» (7)
где (рк р — допустимая величина коэффициента использования сцепного веса трактора
г .
11 сц-
*Ркр АеХр( В • (8)
где (рм,А,В — коэффициенты, аппроксимирующие зависимость [6];
5 = /(Ркр; Ссц = С + ДСб), (9)
где Дб^ — часть веса бункера, перенесенная на шасси трактора, кН.
В зависимости от способа агрегатирования трактора с посевным комплексом, величина догрузки ведущих колес будет изменяться от Дб^ =0 до Дб^ =
Кпр.тах М(Кпр) • (1 + £у1/гп), (10)
где ty — отклонения от м(л„ р) с заданной
вероятностью у и определенной долей признака, выраженные в среднеквадратических
отклонениях а = УГПМ (Л'пр).
Математическое ожидание скорости
движения агрегата по группе полей М(К) можно определить по выражению, м/с:
_ (11) где М(Л^кр),М(Ркр) - соответственно, математические ожидания тяговой мощности (кВт) и нагрузки на крюке (кН) по группе полей;
М(Йкр) = Ли • М(Л„е) • М(ч„,.), (12)
где Ыеи — номинальная мощность двигателя трактора, кВт;
— математическое ожидание коэффициента использования номинальной мощности для группы полей;
М(г] ) — математическое ожидание тягового кпд по группе полей, соответствующее м( Ркр).
М(Ркр) = В • М(Кпр) [1 + М(ё) ((М(Ю)2 - К,р)]. (1 3)
С достаточной степенью точности значение М(г]тяг^ можно определить по выражениям (4), (5) и (6), подставив вместо Ркр
значение М(РКр).
С целью снижения техногенного влияния движителей агрегата на свойства почвы, ее структуру и уровень энергозатрат, предлагается оснастить ходовую систему орудия широкопрофильными шинами низкого давления оригинальной конструкции, разработанными на кафедре «Тракторы и автомобили» АГАУ [7, 8].
Результаты и их обсуждение
Проведем сравнительную оценку основных агротехнических, энергетических и технико-экономических показателей комбинированного посевного агрегата в составе трактора К-744Р2 и посевного комплекса ПК «Кузбасс» в зависимости от следующих принятых вариантов компоновочной схемы:
1. Трактор (колесная формула 4К4),
почвообрабатывающее посевное орудие (далее — орудие), прицепной бункер (перемещающийся по обработанной поверхности поля) (/ = 0,09; /б = 0,16; Ссц =
157 кН) (базовый вариант).
2. Трактор со спаренными колесами (колесная формула 8К8), орудие, прицепной бункер (Ссц = 167 кН). В этом случае Ссц
увеличивается на * 10 кН за счет 4 дополнительных колес трактора.
3. Трактор (8К8), прицепной бункер (перемещающийся по необработанной поверхности поля), орудие
(Ссц = 167кН; /б = 0,09).
4. Трактор (8К8), полунавесной бункер, орудие (Ссц = 180 кН). Сцепной вес трактора увеличен за счет переноса на его шасси части веса бункера Дбб = 13 кН.
5. Трактор (8К8), полунавесное орудие,
на раму которого установлен бункер, а задняя часть рамы опирается на движитель (прикатывающую систему), оборудованный широкопрофильными шинами низкого давления ^^=2-4 кПа) (/б = 0,075). Величина переноса веса орудия на шасси трактора такая же, что и в варианте № 4 [7, 8] (рис. 1). _
6. Трактор (8К8), бункер, установленный
на шасси трактора, орудие
(Ссц = 228 кН; Р/б = 0 кН).
7. То же, что и вариант № 5, но с шири-
ной захвата орудия, равной ширине захвата серийного образца посевного комплекса ПК-12,2 «Кузбасс», производства
ООО «Агро» (г. Кемерово), В = 12,2 М
[5]. „
8. Трактор (8К8), полунавесной бункер, орудие. Часть веса бункера, перенесенная на шасси трактора, составляет ДСб = 50 кН, а ширина захвата агрегата соответствует тяговой нагрузке, максимально допустимой по буксованию трактора (8Д = 0,12). Сцепной вес трактора Ссц = 217 кН, при коэффициенте его использования (рк р = 0,33.
Чистая производительность посевного агрегата для группы полей М(И^) (среднее её значение) определялась по выражению, м2/с:
М(ш) = В-М(У), (14)
где В — ширина захвата агрегата, м.
Удельные затраты энергии Э оценивались по элементам на основании мощностного баланса агрегата, кДж/м2: п _ мрур ° м(Щ’
(15)
где м(Я,) — затраты мощности по і-м затратам, кВт;
м(ш) — производительность за единицу времени, м2/с.
На основании данных таблицы 1 ниже приведен рисунок 2, построенный по вариантам компоновок № 3*, 4* и 6*.
Щ/Щ — отношение (кратность) чистой часовой производительности агрегата, скомпонованного по нму варианту к базовому варианту компоновки.
Рис. 1. Компоновочная схема посевного агрегата по варианту № 5
Таблица 1
Основные показатели посевного агрегата в составе трактора К-744Р2 и ПК «Кузбасс» в зависимости от его компоновки, сцепного веса и рациональной ширины захвата
№ вари- анта В, м ®ец, кН Рів, кН М(Рм), кН (^кр)) кН <Ркр 8 *<У). 7 о М( ]/\Г), м2 (?) Э, кДж м2 Щ
1 10,2 157 11, 2 38 49,2 0,313 0,10 2,73 (9,8) 27,8 (10) 8,1 1
2 11,4 167 11, 2 41,2 52,6 0,315 0,10 2,6 (9,3) 12 о , 7) 6 7,6 1,06
3* 13,8 167 6,3 50,2 56,5 0,314 0,10 2,5 (9,0) 5 4) 31 6,5 1,20
4* 15,3 180 5,1 3 53,5 58,6 0,326 0,11 2,33 (8,4) 6 8) ип <№ 31 6,3 1,28
5 15,3 180 3,5 46,5 50 0,28 0,08 2,8 (9,7) 3 9) 41 5,3 1,54
6* 20,7 228 - 69 69 0,30 0,10 2 (7,2) 41,8 (15) 5,4 1,48
7 12,2 180 3,5 41,1 44,6 0,25 0,07 3,1 (11,1) 38,2 (14,1) 5,9 1,37
8 19,5 217 4,5 67,5 72 0,33 0,11 2,05 (7,2) 39,2 (14,1) 5,7 1,41
Выводы
Анализ полученных результатов показал, что на эффективность использования энергонасыщенного трактора и посевного агрегата в целом существенное влияние оказывают компоновка агрегата, а также нагрузочные и скоростные режимы его работы:
1. Во всех рассмотренных вариантах компоновки посевного агрегата, максимальная чистая производительность агрегата и наименьшие энергозатраты на единицу обработанной площади достигаются при предельно допустимой загрузке трактора
по тяге РКртах, которая ограничивается допустимой величиной буксования движителей (5Д = 12%) и минимальной скоростью движения (^т£П = 1,4 м/с) в соответствии с агротехническими требованиями.
2. Для всех вариантов компоновочных схем спаривание ведущих колес трактора является целесообразным с точки зрения повышения его тягово-сцепных свойств, увеличения максимальной ширины захвата и, как следствие, снижения удельных энергозатрат на самоперемещение трактора (до 36%), бункера (до 79%) и буксование трактора (до 45,3%) в сравнении с базовым вариантом.
3. Наиболее рациональными являются варианты компоновочных схем агрегата, предусматривающих перемещение бункера по необработанному фону с переносом его веса (частично или полностью) на шасси трактора. В рассматриваемых вариантах, в зависимости от величины догрузки ходовой части трактора, приращение его сцепного
веса находится в пределах А С?сц= 10-71 кН. Улучшение тягово-сцепных показателей трактора обеспечивает соответствующее увеличение ширины захвата агрегата до 11,4 и 20,7 м (на 10,5 и 50,7%), что позволяет, в сравнении с базовым вариантом, повысить чистую часовую производительность на 6 и 48% соответственно.
4. Увеличение ширины захвата агрегата по сравнению с базовым вариантом более чем в 2 раза при варианте компоновки № 6 позволяет сократить относительную площадь следов его ходовых систем (трактора и бункера) на 15%. Это обеспечивает снижение непроизводительных удельных затрат
энергии на вертикальную деформацию почвы ходовыми системами трактора, бункера и орудия, соответственно, в 1,6; 3 и
1,26 раза, а на буксование движителей трактора — в 1,8 раза.
5. Минимальные показатели по удельным энергозатратам соответствуют 5-му варианту компоновки агрегата (ниже на 34% по сравнению с базовым вариантом): часть веса бункера (Дбб 13 кН), установленного
на раму орудия, используется для догрузки ведущих колёс трактора, а ходовая (прикатывающая) система орудия оборудована широкопрофильными шинами низкого давления.
— — 3-й вариант — - —4-й вариант ■'■■■■ • б йвариант
Рис. 2. Влияние сцепного веса Ссц на показатели агрегата при рациональной загрузке:
В — рабочая ширина захвата агрегата (В = Вдоп = Втах), м; V/ — часовая производительность, га/ж; Э — удельные затраты энергии, кДж/м2; V — скорость движения, м/с
Таблица 2
Затраты мощности на перекатывание трактора буксование движителей перекатывание бункера на сопротивление машины ІУМ и в соответствии с ними удельные затраты энергии на единицу обработанной площади Э
№ вари- анта На перекатывание На буксование трактора На тяговое сопротивление машины На тяговое сопротивление агрегата
трактора бункера
кВт Э/. кДж м2 кВт Э/б, кДж м2 щ, кВт э6, кДж м2 К. кВт ‘-'м.» кДж м2 э, кДж м2
1 38,6 1,39 30,6 1,10 17,8 0,64 104 3,73 8,1
2 39,0 1,32 29 0,98 17,8 0,60 107 3,62 7,6
3 37,5 1,09 15,8 0,46 17,8 0,52 125 3,60 6,5
4 37,7 1,06 12,3 0,35 19,6 0,55 125 3,50 6,3
5 45,3 1,06 9,9 0,23 14,3 0,35 130 3,00 5,3
6 41,0 0,89 - - 17,8 0,43 138 3,30 5,4
7 50 1,30 10,9 0,28 14,2 0,37 126 3,30 5,9
8 40 1,02 9,2 0,23 22,3 0,57 135 3,43 5,7
Рис. 3. Удельные непроизводительные затраты энергии на перекатывание трактора Э^, бункера Э/б
и буксование движителей трактора Эб:
1-8 — варианты компоновочных схем агрегата
Библиографический список
1. Красовских В.С. Повышение эффективности функционирования тяговых агрегатов за счёт оптимизации параметров и эксплуатационных режимов работы в степных и лесостепных районах Западной Сибири: ав-тореф. дис. ... докт. техн. наук. — СПб., 1991. - 37 с.
2. Бережнов Н.Н. Обоснование рацио-
нальной компоновки и режимов работы энергонасыщенных почвообрабатывающих посевных комплексов: автореф. дис. ...
канд. техн. наук: 05.20.01. — Барнаул, 2007.
- 22 с.
3. Красовских В.С., Бережнов Н.Н. Результаты исследования почвообрабатывающего посевного тягово-транспортного агрегата // Вестник АГАУ. — 2007. — № 4 (30).
— С. 57-62.
4. Красовских В.С. Обоснование рационального почвообрабатывающего агрегата // Обоснование рациональных параметров сельскохозяйственных тракторов и режимов работы машинно-тракторных агрегатов в
условиях Западной Сибири: сб. науч. тр. / Алт. с.-х. ин-т. — Новосибирск, 1982. — С. 3-22.
5. Красовских В.С., Бережнов Н.Н., Рыкова Ю.В. Повышение эффективности использования комбинированных посевных агрегатов за счёт оптимизации их компоновочных решений // Вестник АГАУ. — 2013.
- № 3(101). - С. 99-102.
6. Колобов Г.Г., Парфенов А.П. Тяговые характеристики тракторов. — М.: Машиностроение, 1972. — 153 с.
7. Красовских В.С., Соколов В.В., Павлюченко Г.В., Павленко В.В. Широкопрофильные шины низкого и сверхнизкого давления // Вестник АГАУ. — 2013. — № 2 (100). — С. 113-116.
8. Колёсный движитель транспортного средства (варианты). Пат. 2378129 Россия, С1 МПК В60С 3/04, В60 С 5/20 / Красовских Е.В., Красовских В.С.; Красовских Е.В.
— № 2008143030/11: заявл. 29.10.2008; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1. — 11 с.
+ + +
