Статьи

Актуальность темы. В настоящее время, в ряде регионов Западной Сибири, в рамках единой концепции повышения производительности труда в растениеводстве и минимизации энерго - и ресурсозатрат, ведущая роль отводится техническому перевооружению земледелия в соответствии с требованиями современных зональных технологических систем возделывания сельскохозяйственных культур. В условиях аграрных предприятий, все большее распространение получают сберегающие технологии, основанные на применении почвообрабатывающих посевных комплексов, как отечественного (ПК «Кузбасс», ППК), так и зарубежного («Tor Master», «Flexi-Coil», «John Deere» и др.) производства.

Однако, отсутствие системы научно обоснованных рекомендаций по рациональному агрегатированию имеющихся на сельскохозяйственных предприятиях тяговых средств с современными энергоемкими машинами и орудиями, иногда приводит к полному взаимному несоответствию технических характеристик трактора и рабочей машины, что становится причиной повышения непроизводительных энергозатрат при эксплуатации агрегата, роста себестоимости производимой продукции, а также деградации земельных угодий и снижению их эффективного плодородия.

Цель исследования – повышение эффективности использования энергонасыщенных почвообрабатывающих посевных комплексов за счет обоснования рациональной компоновки и режимов работы (на примере посевного комплекса «Кузбасс» в агрегате с трактором «Кировец» К-701).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Высокопроизводительные посевные комплексы и машины создаются на основе широкозахватных почвообрабатывающих посевных модулей и оснащаются технологическими емкостями повышенной вместимости. Это обусловливает высокую энергоемкость рабочего процесса и необходимость в обеспечении тяговыми средствами соответствующей степени энергонасыщенности, что на фоне низкого уровня технической оснащенности машинно-тракторных парков аграрных предприятий не позволяет реализовать потенциальные возможности современных машин и орудий, тем самым, снижая их технико-экономические показатели.

С точки зрения повышения уровня технологической универсальности и загрузки сельскохозяйственных тракторов, большой интерес представляет возможность использования в качестве несущего шасси энергонасыщенных колесных машин. В этом случае приоритетной становится задача повышения их тягово-сцепных свойств и улучшения агротехнической проходимости.

Особенностью работы машинно-тракторных агрегатов является случайный характер внешних воздействий, из которых в качестве основного выступает тяговое сопротивление сельскохозяйственной машины или орудия. Характер изменения тягового сопротивления обусловлен его зависимостью от множества случайных факторов, которые весьма сложно учитываются и регулируются. Поэтому для прогнозирования и оценки выходных показателей, а также решения задач оптимизации параметров и режимов работы агрегатов, необходимо привлечение методов моделирования на основе аппарата теории вероятностей и математической статистики.

Специфика работы современных почвообрабатывающих посевных комплексов обуславливает широкий диапазон изменения тягового сопротивления и его связь с изменением веса технологических емкостей, вследствие расхода материалов. При агрегатировании комплексов с полным или частичным переносом веса технологических емкостей на шасси энергосредства, переменным становится не только вес самого комплекса, но и вес трактора, определяющий его тягово-сцепные свойства.

Входными воздействиями в системе являются: тяговое сопротивление агрегата, вес бункера комплекса и догрузка ходовой части трактора весом бункера.

Для машинно-тракторного агрегата в качестве выходных рассматриваются следующие показатели:

• для тягового энергосредства (трактора): скорость движения, тяговая мощность, буксование движителей, удельный тяговый расход топлива;
• для рабочей машины (орудия): тяговое сопротивление, скорость движения, производительность и расход топлива на единицу обработанной площади за час основного и сменного времени, совокупные затраты средств.

Одним из важнейших внешних факторов, определяющих энергоемкость технологического процесса тяговых агрегатов, является удельное тяговое сопротивление рабочей машины или орудия в зависимости от скорости движения.

Тяговое сопротивление почвообрабатывающего посевного комплекса представляет собой сумму тяговых сопротивлений культиватора и бункера высевающей системы.

Тяговая динамика трактора в составе агрегата определяется не только его собственным весом, но и силовым воздействием агрегатируемых с ним машин и орудий.

Рисунок 1 - Компоновочные схемы машинно-тракторного агрегата на базе колесного трактора общего назначения (1) и почвообрабатывающего посевного комплекса (2, 3, 4) (при Ркм = const): «а» - «трактор - культиватор - прицепной бункер»; «б» - «трактор - прицепной бункер - культиватор»; «в» - «трактор - полунавесной бункер - культиватор»)

Для полунавесного бункера, воздействие на трактор, выражается не только в перераспределении нагрузки на оси за счет крюкового усилия, но и переносе на его задний мост части своего веса.

Достижение высоких технико-экономических показателей в пределах рационального диапазона тяговых нагрузок и рабочих скоростей трактора, обеспечивается за счет ступенчатого изменения ширины захвата агрегата.

При расчете и обосновании параметров и режимов работы тягово-транспортного агрегата учитывались ограничения.

1.По техническим характеристикам:

• диапазон загрузки трактора по тяге в соответствии с тяговым классом (для трактора К-701 - 25,5 ≤ [Р] ≤ 60кН);
• нагрузка на единичный движитель трактора [Q] ≤ 45,5кН.

2.По агротехническим требованиям:

• буксование движителей трактора [δ] ≤ 12%;
• рабочая скорость агрегата 1,94 ≤ [Vр] ≤ 3,61м/с (7…13км/ч);
• коэффициент динамического перераспределения веса трактора 0,9 ≤ [λдин] ≤ 1,1.

По результатам тензометрирования получены основные вероятностные характеристики тягового сопротивления агрегата при посеве зерновых по стерневым фонам в условиях степной зоны Алтайского края при глубине обработки почвы и посева 5…7см.

Культиватор. Среднее значение тягового сопротивления на множестве полей составляет M (kокт) = 3,1кН/м, пределы изменения (толерантные) 2,2 ≤ kокт ≤ 3,9кН/м.

Бункер высевающей системы. Вес бункера Gб изменяется от 32 до 87кН. Тяговое сопротивление бункера как случайная величина на множестве полей, в зависимости от агрофона, имеет следующие характеристики: поле под посев М (Рб) = 9,5кН, пределы изменения 4,6 ≤ Рб ≤ 14,4кН; стерня зерновых М (Рб) = 5,4кН, пределы изменения 2,6 ≤ Рб ≤ 8,2кН. Связи тягового сопротивления бункера со скоростью движения не установлено.

Посевной комплекс. Среднее значение приведенного удельного тягового сопротивления посевного комплекса на множестве полей М (kо) = 3,9кН/м. Пределы изменения 2,9 ≤ kо ≤ 4,9кН/м.

Хронометраж агрегатов позволил определить составляющие затрат сменного времени. Использование времени смены на технологическое обслуживание агрегата составило Тзапр = 0,11, подготовительно-заключительные операции Тпз = 0,03, организационно-техническое обслуживание Тобс = 0,08. Установлено, что при прочих неизменных параметрах, у агрегата с компоновкой по схеме «в» (см. рисунок 1) затраты сменного времени на холостое движение в загоне (повороты), определяемые маневровыми свойствами агрегата, на 25% ниже (Тх = 0,12) по сравнению с агрегатом, скомпонованным по схеме «а» (Тх = 0,16).

Агротехническая оценка агрегатов, в ходе полевого опыта, позволила установить, что у агрегата компоновки «в» (см. рисунок 1), по сравнению с агрегатом компоновки «а», уплотнение почвы по следам движителей снизилось на 12,4%, потери влаги на 5,8%, коэффициент структурности почвы и полевая всхожесть оказались выше на 8,5 и 25,4% соответственно, а масса тысячи зерен и количество зерен в колосе увеличились на 6,6 и 4,1% соответственно. В итоге, средние потери урожая сократились на 9,2%.

Допустимые значения догрузки заднего моста трактора К-701 находятся в пределах ∆G = 14,1…38,3кН.

Двухступенчатый агрегат в сравнении с одноступенчатым позволяет увеличить производительность на 3,4% и снизить удельный расход топлива на 4,1%, трехступенчатый соответственно на 4,5 и 5,2%, а четырехступенчатый – на 5,0 и 6,2%. Бесступенчатое изменение ширины захвата агрегата позволило бы добиться увеличения производительности и снижения расхода топлива соответственно на 8,2 и 7,8%. Дополнительное увеличение показателей при использовании агрегатов с тремя и четырьмя ступенями ширины захвата составляет соответственно около 1,2 и 0,4%. Дальнейшее увеличение количества ступеней агрегата и использование бесступенчатых агрегатов нецелесообразно, поэтому для условий расчета достаточно ограничиться двухступенчатыми агрегатами.

Таблица 1 - Геометрический ряд значений ширины захвата тягово-транспортного агрегата при ступенчатом регулировании (В1, В2, В3 , В4 , В5) и диапазон ее бесступенчатого изменения (В1 – Вn+1)

Двухступенчатый агрегат, имея ширину захвата первой ступени В1 = 12,1м будет работать в диапазоне средних тяговых сопротивлений Р1 = 47,2…56,7кН и рабочих скоростей Vр1 = 2,10…2,48м/с. При работе с шириной захвата В2 = 16,1м (вторая ступень) – с тяговым сопротивлением Р2 = 46,3…54,8кН и скоростью Vр2 = 2,13…2,49м/с. При использовании двух значений ширины захвата, агрегат будет работать в диапазоне средних тяговых сопротивлений Р12 = 46,9…55,8кН и скоростей движения Vр12 = 2,12…2,49м/с.

Средние значения сцепного веса трактора в составе тягово-транспортного агрегата, по отдельным полям находятся в пределах G = 151,5…175,8кН.

Таблица 2 - Средние выходные эксплуатационные и технико-экономические показатели агрегатов различных компоновок при работе на множестве полей

Для агрегата с компоновкой «а» (см. рисунок 1) принятый к использованию с тракторами тягового класса 50кН состав (8,5м), является рациональным. Компоновка агрегата по схеме «б» позволяет снизить удельное тяговое сопротивление комплекса на 14,2% и за счет этого увеличить рабочую ширину захвата на 16,7%, повысить производительность на 13,7% и снизить расход топлива на 18,1%.

Использование тягово-транспортного агрегата (схема «в») за счет снижения удельного тягового сопротивления комплекса на 25,0% и расширения диапазона допустимых тяговых усилий трактора (в 1,3 раза), дает возможность увеличить рабочую ширину захвата на 45,8%, повысить производительность на 29,8% и снизить расход топлива на 29,6%. Двухступенчатый агрегат позволяет увеличить производительность на 34,2% и снизить расход топлива на 32,6%.

Агрегат с регулируемым сцепным весом трактора (схема «в'») позволил бы за счет дополнительного увеличения его допустимой средней тяговой загрузки на 14,3%, увеличить ширину захвата на 62,7%, повысить производительность на 33,9% и снизить расход топлива на 32,4% т.е. эффективность его применения практически равна эффективности двухступенчатого агрегата.

Использование агрегата с рациональной компоновкой на посеве пшеницы ведет к снижению эксплуатационных затрат на обработанный гектар на 11,7%, что позволяет получить годовую экономию, в размере около 165 тыс. руб. на один агрегат. Кроме того, снижение уровня техногенного воздействия на почву сокращает затраты, связанные с потерями урожая по следам агрегата на гектар обработанной площади на 30,4%. Таким образом, повышение агротехнических показателей агрегата, позволяет получить дополнительную годовую экономию в размере около 84 тыс. руб.

В итоге, ожидаемая суммарная годовая экономия по совокупным затратам на один агрегат составляет около 249 тыс. руб.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Предприятию-изготовителю, для агрегата, скомпонованного по схеме «трактор - культиватор - прицепной бункер» в качестве рациональной следует принять ширину выпускаемого комплекса 8,5м (больше расчетного состава (8,3м) на 2,3%), для схемы «трактор - прицепной бункер - культиватор» рекомендуется использование ширины захвата 9,7м (совпадает с расчетным составом)

При проектировании почвообрабатывающих посевных агрегатов на базе посевных комплексов «Кузбасс» и колесных тракторов общего назначения, рекомендуется использование компоновочной схемы «трактор - полунавесной бункер - культиватор». При неизменных параметрах бункера, коэффициент переноса его веса на задний мост трактора «Кировец» К-701 следует принять 0,44. Для расчетных условий, в качестве ширины захвата первой ступени принять 12,2м (разница с расчетным составом менее 1%), а второй ступени 16,1м. В этом случае, трактор будет работать в диапазоне средних тяговых усилий 46,9…55,8кН, при скоростях движения 2,12…2,49м/с (7,7…9,0км/ч).

Для возможности наиболее полной реализации потенциала по несущей способности ходовой части трактора и снижения уровня его уплотняющего воздействия на почву, с учетом конструктивных особенностей К-701, рекомендуется установка опорно-сцепного устройства седельного типа, а также спаривание колес трактора.

БЕРЕЖНОВ Н.Н.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет». Барнаул 2007г.
С полным текстом диссертации можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.