авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Обоснование рациональной компоновки и режимов работы энергонасыщенных почвообрабатывающих посевных комплексов

1

На правах рукописи

БЕРЕЖНОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОМПОНОВКИ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПОСЕВНЫХ КОМПЛЕКСОВ Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2007 2

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном уч реждении высшего профессионального образования ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Красовских Виталий Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Павлюк Александр Сергеевич кандидат технических наук, доцент Соколов Валерий Викторович

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Кемеров ский научно-исследовательский институт Сибирского отделения РАСХН (ГНУ КемНИИ СО РАСХН), Кемеровская область, Кемеровский район, п.

Новостройка

Защита состоится 24 мая 2007 г. в 1300 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 при Алтайском государственном техническом университе те им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ле нина, 46, АлГТУ;

тел/факс: (8-385-2) 36-71- http:\\www.astu.alt.ru;

e-mail: ntsc@desert.secna.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государ ственного технического университета.

Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета Л.В. Куликова д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, в ряде регионов Западной Си бири, в рамках единой концепции повышения производительности труда в рас тениеводстве и минимизации энерго- и ресурсозатрат, ведущая роль отводится техническому перевооружению земледелия в соответствии с требованиями со временных зональных технологических систем возделывания сельскохозяйст венных культур. В условиях аграрных предприятий, все большее распростране ние получают сберегающие технологии, основанные на применении почвооб рабатывающих посевных комплексов, как отечественного (ПК «Кузбасс», ППК), так и зарубежного («Tor Master», «Flexi-Coil», «John Deere» и др.) произ водства.

Однако, отсутствие системы научно обоснованных рекомендаций по ра циональному агрегатированию имеющихся на сельскохозяйственных предпри ятиях тяговых средств с современными энергоемкими машинами и орудиями, иногда приводит к полному взаимному несоответствию технических характе ристик трактора и рабочей машины, что становится причиной повышения не производительных энергозатрат при эксплуатации агрегата, роста себестоимо сти производимой продукции, а также деградации земельных угодий и сниже нию их эффективного плодородия.

В этих условиях реализация компоновочных решений на основе совре менной концепции, рассматривающей трактор в составе агрегата как тягово несущую энергетическую единицу, позволит решить ряд актуальных задач, свя занных с повышением эксплуатационных и агротехнических показателей оте чественных тракторов при агрегатировании с современными посевными ком плексами.

Цель исследования – повышение эффективности использования энерго насыщенных почвообрабатывающих посевных комплексов в условиях степных районов Юго-Западной Сибири за счет обоснования рациональной компоновки и режимов работы (на примере посевного комплекса «Кузбасс» в агрегате с трактором «Кировец» К-701).

Объект исследования – процесс функционирования агрегата с учетом вероятностного характера изменения внешних факторов в условиях эксплуата ции.

Предмет исследования – закономерности изменения основных агротех нических, энергетических и технико-экономических показателей агрегата, при рассмотрении его в качестве тягово-транспортного технологического комплек са.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- усовершенствована вероятностная математическая модель, описываю щая процесс функционирования агрегата как системы «почва-орудие-трактор», учитывающая изменение массы бункера и сцепного веса трактора для различ ных вариантов компоновочных схем агрегата, при работе на отдельном поле и на множестве полей;

- рассмотрена методика многокритериальной оценки агрегатов, основан ная на выявлении закономерностей изменения энергетических и технико экономических показателей в условиях эксплуатации в зависимости от компо новочной схемы при вероятностном характере внешних воздействий, с учетом технических и агроэкологических норм и ограничений;

- в качестве комплексного критерия оптимизации при обосновании пара метров и режимов работы агрегатов, рассматриваются совокупные затраты средств, учитывающие степень агротехнического воздействия на почву движи телей машинно-тракторных агрегатов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработка рекомендаций по повышению технических и эксплуатацион ных характеристик агрегатов в условиях Юго-Западной Сибири;

- снижение эксплуатационных затрат за счет обоснования рациональных параметров и режимов работы агрегатов;

- снижение потерь урожая сельскохозяйственных культур, за счет повы шения агротехнических показателей агрегатов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использу ются предприятием ООО «Агро» (г. Кемерово), при совершенствовании почво обрабатывающего посевного комплекса «Кузбасс» и режимов его работы.





Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований Ал тайского государственного аграрного университета по темам «Обоснование эксплуатационных требований к параметрам и режимам работы машинно тракторных агрегатов» (№ 13) и «Оптимизация параметров и совершенствова ние конструкций перспективных машинно-тракторных агрегатов» (№ 14), а также Кемеровского государственного сельскохозяйственного института по те ме «Повышение производительности машинно-тракторных агрегатов в сель скохозяйственном производстве Кузбасса» (№ 01200104944).

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладыва лись и обсуждались на ежегодных научных конференциях профессорско преподавательского состава КемГСХИ в период 2004-06 гг., на юбилейной на учно-технической конференции «Сельскому хозяйству – эффективные техноло гии и средства механизации» (г. Барнаул, 2005 г.), на областной научно практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения» (г. Кемерово, 2006 г.), на на учной конференции студентов и аспирантов инженерного факультета КемГС ХИ (г. Кемерово, 2006 г.), на II международной научно-практической конфе ренции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2007 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 на учных статьях общим объемом 1,76 усл. п.л.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста и включает в себя введение, пять глав, общие выводы и рекомендации и библиографический список из 134 наименований, а также со держит 45 рисунков, 3 таблицы и 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение отражает актуальность темы диссертационной работы. В нем сформулирована цель работы, определена научная новизна и практическая цен ность результатов исследований.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена анализу тенденций развития и внедрения современных средств механизации почвообработки и посева в сельскохозяйственное производство Юго-Западной Сибири.

В настоящее время, аграрный сектор Алтайского края и других регионов Западной Сибири насыщается современной техникой для почвообработки и по сева, как зарубежного, так и отечественного производства. Высокопроизводи тельные посевные комплексы и машины создаются на основе широкозахватных почвообрабатывающих посевных модулей и оснащаются технологическими емкостями повышенной вместимости. Это обусловливает высокую энергоем кость рабочего процесса и необходимость в обеспечении тяговыми средствами соответствующей степени энергонасыщенности, что на фоне низкого уровня технической оснащенности машинно-тракторных парков аграрных предпри ятий не позволяет реализовать потенциальные возможности современных ма шин и орудий, тем самым, снижая их технико-экономические показатели.

Проблемами ресурсосберегающего агрегатирования энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов и повышения производительности машинно тракторных агрегатов в разное время занимались такие отечественные ученые как Ю.К. Киртбая, В.В. Гуськов, В.И. Анохин, И.П. Ксеневич, Л.Е. Агеев, И.А.

Долгов, А.А. Зангиев, В.С. Красовских, В.И. Беляев и др.

Одним из способов решения задачи энергообеспечения посевных ком плексов, является применение в сельскохозяйственном производстве края тяго во-транспортных средств на базе специализированных гусеничных машин, с компоновкой, предусматривающей расположение технологических емкостей на шасси энергосредства. С точки зрения повышения уровня технологической универсальности и загрузки сельскохозяйственных тракторов, большой интерес представляет возможность использования в качестве несущего шасси энергона сыщенных колесных машин. В этом случае приоритетной становится задача повышения их тягово-сцепных свойств и улучшения агротехнической прохо димости.

Вопросам снижения уровня техногенного воздействия на почву ходовых систем сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов посвящены тру ды таких ученых как В.А. Маслова, Д.И. Золотаревской, А.Г. Бондарева, И.Б.

Ревут, А.М. Кононова, А.С. Кушнарева, М.Х. Пигулевского, С.В. Носова, В.А.

Русанова, В.А. Скотникова, Н.А. Качинского, И.П. Ксеневича и др.

Особенностью работы машинно-тракторных агрегатов является случай ный характер внешних воздействий, из которых в качестве основного выступа ет 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 реше ния задач оптимизации параметров и режимов работы агрегатов, необходимо привлечение методов моделирования на основе аппарата теории вероятностей и математической статистики. Применение вероятностно-статистических мето дов оценки нагрузочных режимов работы машинно-тракторных агрегатов рас сматривалось в трудах С.А. Иофинова, А.Б. Лурье, Б.Г. Волкова, Л.Е. Агеева, В.С. Красовских, В.В. Соколова, В.Ф. Коновалова, А.Х. Морозова, В.Д. Шепо валова, В.П. Рослякова, И.П. Полканова, Г.М. Кутькова, Р.Г. Мэнли и других исследователей.

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

Вопрос влияния компоновки на выходные показатели работы агрегата, остается недостаточно изученным, что требует усовершенствования сущест вующей вероятностной модели функционирования почвообрабатывающих по севных комплексов за счет учета в ней изменения сцепного веса трактора в ус ловиях эксплуатации, при различных вариантах размещения технологических емкостей в составе агрегата.



На основании проведенного анализа состояния вопроса и в соответствии с поставленной целью, предусмотрено решение следующих основных задач:

1. Усовершенствовать математическую модель, описывающую процесс функционирования агрегата как системы «почва-орудие-трактор», учитываю щую изменение массы бункера и сцепного веса трактора.

2. Провести полевые испытания посевного комплекса ПК «Кузбасс» в аг регате с трактором «Кировец» К-701 с целью подтверждения основных теоре тических положений и получения исходной информации для расчета выходных показателей работы агрегатов.

3. Обосновать рациональную компоновку, определить состав и режимы работы агрегата с учетом требований энерго- и ресурсосбережения;

определить влияние параметров и режимов работы агрегата на агрофизические свойства почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.

4. Дать технико-экономическую оценку результатов проведенных иссле дований.

Вторая глава «Теоретические предпосылки к определению параметров и режимов работы почвообрабатывающего посевного агрегата» посвящена мате матическому моделированию процесса функционирования агрегата как много мерной динамической системы «почва-орудие-трактор» с учетом совместного воздействия тягового сопротивления и веса бункера комплекса на сцепной вес трактора. Предложенная модель позволяет по вероятностным характеристикам тягового сопротивления культиватора определить выходные эксплуатационные показатели трактора и агрегата в целом, в зависимости от компоновочной схе мы. За основу принята дискретная математическая модель, разработанная на кафедре «Тракторы и автомобили» АГАУ под руководством д.т.н., профессора Красовских В.С.

Входными воздействиями в системе являются: тяговое сопротивление аг регата, вес бункера комплекса и догрузка ходовой части трактора весом бунке ра.

Для машинно-тракторного агрегата в качестве выходных рассматривают ся следующие показатели:

- для тягового энергосредства (трактора): скорость движения, тяговая мощность, буксование движителей, удельный тяговый расход топлива;

- для рабочей машины (орудия): тяговое сопротивление, скорость движе ния, 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 со противление рабочей машины или орудия, зависимость которого от скорости движения определяется выражением, кН/м k = k o [1 + o (V p2 Vo2 )], (1) где k o, o - удельное тяговое сопротивление и коэффициент, учитывающий его зависимость от скорости движения, определенные при постоянной скорости движения – скорости приведения Vo, кН/м и с2/м2;

V p - рабочая скорость движе ния, м/с.

Тяговое сопротивление почвообрабатывающего посевного комплекса представляет собой сумму тяговых сопротивлений культиватора Ркт и бункера высевающей системы Р б Р = Ркт + Рб = k окт [1 + окт (V p2 Vo2 )]B + f б (Gбп + Gтм ), (2) где k окт, окт - соответственно приведенные значения удельного тягового сопро тивления и коэффициента пропорциональности для культиватора, кН/м и с2/м2;

В - ширина захвата агрегата, м;

f б - коэффициент сопротивления перекатыва нию бункера;

Gбп, Gтм - соответственно вес пустого бункера и технологическо го материала в бункере, кН.

Представление о влиянии компоновочной схемы агрегата на тяговое со противление почвообрабатывающего посевного комплекса позволяют получить уравнения тягового баланса агрегата (рисунок 1, формулы (4)-(6)).

Тяговая динамика трактора в составе агрегата определяется не только его собственным весом, но и силовым воздействием агрегатируемых с ним машин и орудий. Для учета этого воздействия, в модели вес трактора рассматривается как сумма нормальных реакций опорной поверхности на его ходовую часть, кН Gтр = Yп + Yк, (3) где Yк и Yп - нормальные реакции опорной поверхности соответственно на пе редний и задний мосты трактора, кН.

Рк1 = Р fтр1 + Р1 = f тр (Yп1 + Yк1 ) + f б.пп (Gбп + Gтм ) + Ркт, а) (4) Рк 2 = Р fтр 2 + Р2 = f тр (Yп 2 + Yк 2 ) + f б.сз (Gбп + Gтм ) + Ркт, б) (5) Рк 3 = Р fтр 3 + Р3 = f тр (Yп 3 + Yк 3 ) + f б.сз [(Gбп + Gтм ) G ] + Ркт, в) (6) Рисунок 1 - Компоновочные схемы машинно-тракторного агрегата на ба зе колесного трактора общего назначения (1) и почвообрабатывающего посев ного комплекса (2, 3, 4) и уравнения тягового баланса агрегатов (при Ркт const ): а - «трактор - культиватор - прицепной бункер»;

б - «трактор - при цепной бункер - культиватор»;

в - «трактор - полунавесной бункер - культива тор»;

f б.пп, f б.сз - коэффициенты сопротивления перекатыванию бункера соот ветственно по почве подготовленной под посев и по стерне зерновых;

Р fтр, f тр соответственно сила и коэффициент сопротивления перекатыванию трактора.

Значения нормальных реакций основания Yп и Yк на колеса трактора по стоянно изменяются в зависимости от внешних сил и моментов, действующих на машину в условиях эксплуатации. Для их определения исключаем посевной комплекс, заменив его воздействие на трактор составляющими силы тягового сопротивления Р и нагрузкой G (рисунок 2).

Для полунавесного бункера, воздействие на трактор, выражается не толь ко в перераспределении нагрузки на оси за счет крюкового усилия Р, но и пе реносе на его задний мост части своего веса G. Исходя из этого, сила сопро тивления перекатыванию бункера будет определяться выражением, кН Рб = f б [(Gбп + Gтм ) G ], (7) где G - часть веса бункера, приходящаяся на задний мост трактора, кН.

Рисунок 2 - Схема к определению опорных реакций на колеса трактора Значения опорных реакций на колеса трактора, кН ' hкр ;

(8) Yп = Yп.ст Yп = Yп.ст Р Lтр hкр ' Yк = Yк.ст + Yк = Yк.ст + Р + sin + G, (9) Lтр где Yп.ст, Yк.ст - статические опорные реакции соответственно под передним и задним мостом трактора, кН;

Yп, Yк - изменение нагрузки соответственно на передний и задний мост трактора, кН.

Для представления о перераспределении нормальных реакций между мостами трактора с учетом изменения нагрузки, вводится удельный измеритель значений Yп и Yк – коэффициент динамического перераспределения веса трак тора дин Yп дин =. (10) Yк В рассматриваемой модели принято допущение, что реализация приве денного тягового сопротивления агрегата (как на отдельном поле, так и на множестве полей) может рассматриваться как стационарный и эргодический случайный процесс.

Распределение приведенного тягового сопротивления посевного ком плекса, представляя собой композицию законов нормального (для культивато ра) и равномерного (для бункера) распределений, не является нормальным, од нако с незначительной погрешностью может быть им заменено.

Числовые характеристики данного распределения определяются следую щим образом - математическое ожидание М (Ро ) = М (Рокт ) + М (Рб ) = М (Рокт ) + f б (Gбп + 0,5G тм )(1 k G ) ;

(11) н - среднее квадратическое отклонение f G н (1 k G ) (Ро ) = (Рокт ), (12) + б тм где Gтм - вес технологического материала, соответствующий номинальной за н грузке бункера, кН;

k G - относительная догрузка заднего моста трактора весом бункера (вероятность нахождения значений нагрузки G в пределах диапазона изменения веса бункера Gб ) Gmax Gmin р (Gmin G Gmax ) = = kG, (13) н Gтм где Gmin, Gmax - соответственно минимальное и максимальное значения на грузки G, кН.

Возможные значения приведенного тягового сопротивления комплекса при работе на множестве полей, ограничиваются в модели допустимыми (толе рантными) пределами Рo min = М (Рo )[1 (Ро )t 1 ] ;

Рo max = М (Рo )[1 + (Рo )t 2 ], (14) где (Рo ), Рo min и Рo max - соответственно коэффициент вариации, минимальное и максимальное значения среднего приведенного тягового сопротивления ком плекса на множестве полей, кН;

t, t - отклонение от М (Рo ), выраженное в 1 средних квадратических отклонениях (Рo ) при заданной доверительной веро ятности и доле признака.

Полученный диапазон разбивается на n интервалов и для каждого из них определяются граничные и среднее (опорное) значения Po 1 (Ро )(n + 1)t 1 + t 2 ] М (Po ) [ Рoi min = М (Po ) + (t 1 + t 2 ) (Po ) i ;

(15) n n 1 (Ро )(2n + 1)t 1 + t 2 ] М (Po ) [ Рoi = М (Po ) + (t 1 + t 2 ) (Po ) i ;

(16) 2n n М (Po ) Рoi max = М (Po )(1 (Po )t 1 ) + (t 1 + t 2 ) (Po ) i. (17) n Вероятность попадания случайной величины Рo в пределы i(j)-го интер вала равна приращению функции распределения вероятностей на интервале (рисунок 3) t i max pi = р ( Рoi min Poi Poi max ) = (t i ), (18) t i min где (t ) - функция центрированного и нормированного нормального распреде ления приведенного тягового сопротивления комплекса;

t - аргумент Рo М (Рo ). (19) t= (Ро ) На основе опорных значений приведенного тягового сопротивления для каждого i(j)-го интервала, по формулам (20)-(28), а также (8), (9) и (3) методом итераций определяются выходные эксплуатационные показатели агрегата y (на схеме показаны условно) Рi = Рoi [1 + o (V pi Vo2 )];

(20) М (y) y yj yi (Р ) ptj pti (Р ) (Р ) Рmin P Рmin Р j Рi Рmax М (Р ) (Po ) Рmax (Po ) psj (Po ) psi Po min Po M (Po ) Po min Poj Poi Po max Po max Рисунок 3 - Схема к определению выходных показателей трактора и агре гата на отдельном поле и на множестве полей: y i, y j, М ( y ) - соответственно те кущее значение выходного параметра, его среднее значение на отдельном поле и на множестве полей;

p si ( j ), pti ( j ) - вероятности попадания дискретных случай ных величин в пределы i(j)-го интервала при реализации соответственно по пу ти и по времени.

N крi ;

(21) V pi = Рi N крi = N н NTi ;

(22) Тi = тр fii ;

(23) Pfтрi fi = 1 ;

(24) Р fтрi + Рi i = 1 i ;

(25) Р fтрi = f тр (Yпi + Yкi ) ;

(26) A i = В ln ;

(27) Р max i Gi Gi = к (Yпi + Yкi ), (28) где N кр - тяговая мощность, кВт;

Т - тяговый к.п.д. трактора;

тр, f, - к.п.д.

соответственно механических потерь в трансмиссии, сопротивления перекаты ванию и буксования движителей трактора;

- буксование, %;

к - коэффици ент нагрузки ведущих колес трактора;

В, А, max - коэффициенты аппроксима ции кривой буксования;

G - сцепной вес трактора, кН.

Остальные выходные показатели работы трактора и агрегата определяют ся по формулам GT ;

(29) g кр = N кр GT = Gн GT ;

(30) Wч = 0,36 ВV p ;

(31) GT, (32) gw = Wч где g кр - удельный тяговый расход топлива, г/кВт·ч;

Wч, g w - соответственно производительность и погектарный расход топлива за час основного времени, га/ч и кг/га;

B - ширина захвата агрегата, м;

GT - расход топлива за час основ ного времени, кг/ч;

N, G - коэффициенты использования соответственно но T минальной мощности N н и часового расхода топлива Gн двигателя трактора.

По результатам испытаний, на кафедре «Тракторы и автомобили» АГАУ получены высокозначимые регрессионные зависимости для определения коэф фициентов N и G T N = 114 13,85q + 8,43 o + 157,3 (Рo ) 161,3q (Рo ) 162,7 (Рo )2 ;

(33) G = 99,1 4,02q 3,24 o 192,6 (Рo ) 154,2q (Рo ) 233,7 (Рo )2, (34) T где q - среднее значение знаменателя геометрического ряда основного диапа зона передач трактора Производительность агрегата и погектарный расход топлива за час смен ного времени, га/ч и кг/га Wчсм = Wч см ;

(35) см GT, (36) = см g w Wч где GTсм - расход топлива за час сменного времени, кг/ч;

см - коэффициент ис пользования основного времени смены То см =, (37) Т см где Т см - время смены, ч;

Т о - время основной (чистой) работы агрегата, ч.

Баланс времени смены агрегата Т см = Т о + Т х + Т загр + Т обс + Т олн + Т пз + Т пер, (38) где Т х - время холостого движения агрегата, ч;

Т загр - время технологического обслуживания агрегата, ч;

Т обс - время организационно-технического обслужи вания агрегата, ч;

Т олн - время на отдых и личные надобности, ч;

Т пз - время на подготовительно-заключительные операции, ч;

Т пер - время на переезды агрега та, ч.

Время основной работы агрегата, ч Т см (Т обс + Т олн + Т пз + Т запр ), (39) То = 1 + х + пер где х, пер - коэффициенты использования сменного времени на холостой ход и переезды агрегата.

Расход топлива за час сменного времени, кг/ч GT = 10 3 g н N н + 10 3 g н N н (G см + в в + G х + G пер + дв дв ), (40) см пр пр х пер G G Т Т Т Т Т где N нпр, g н - номинальные значения соответственно мощности и удельного пр расхода топлива двигателя привода вентилятора высевающей системы ком плекса, кВт и г/кВт·ч;

g н - номинальный удельный расход топлива двигателем трактора, г/кВт·ч;

G, в, G, G, дв - коэффициенты использования часового х пер G G Т Т Т Т Т расхода топлива, соответственно на рабочем ходу агрегата, заездах и поворотах агрегата, холостом ходу трактора, транспортных переездах, при холостой рабо те двигателя;

см, в, х, пер, дв - коэффициенты использования времени работы двигателя в течение смены по элементам его затрат.

По полученным дискретным законам распределения параметров агрегата, рассчитываются их числовые характеристики на отдельном поле и множестве полей (см. рисунок 3) М ( y ) = f (x j )p j ;

n (41) j = ( y )2 = [y j M ( y )]2 p j ;

n (42) j = (y) (y) =, (43) M (y) где х, f (х ) - соответственно дискретная случайная величина и функциональная зависимость выходного параметра y от x.

Достижение высоких технико-экономических показателей в пределах ра ционального диапазона тяговых нагрузок и рабочих скоростей трактора, обес печивается за счет ступенчатого изменения ширины захвата агрегата. Значение i-й ширины захвата при ее изменении по геометрическому ряду [Р ] Вi = q(B ) i, (44) окт max k oкт max где q(B ) - знаменатель геометрического ряда значений ширины захвата агрега та;

[Poкт ]max - максимальное приведенное тяговое сопротивление культиватора, кН.

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 ] 60 кН);

- нагрузка на единичный движитель трактора [Q ] 45,5 кН.

2. По агротехническим требованиям:

- буксование движителей трактора [ ] 12 %;

- рабочая скорость агрегата 1,94 [V p ] 3,61 м/с (7…13 км/ч);

- коэффициент динамического перераспределения веса трактора 0, [дин ] 1,1.

При совместном воздействии на ходовую часть трактора тяговая и транс портная нагрузки взаимно ограничиваются по данным условиям.

Алгоритм расчета реализован в виде программы на ПК с помощью про граммного статистического пакета «Excel 2003».

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» рассмат ривается программа, общие и частные методики экспериментальных исследо ваний, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось сле дующее:

1. Тяговые испытания агрегатов для определения вероятностных характе ристик тягового сопротивления культиватора, бункера и посевного комплекса в целом.

2. Хронометражные наблюдения для составления баланса сменного вре мени по элементам его затрат.

3. Полевой опыт, с целью установления влияния ходовых систем и режи мов работы агрегата при компоновке по различным схемам, на агрофизические свойства почвы и формирование урожая сельскохозяйственных культур.

Исследования проводились по стандартным и частным методикам. Тяго вые испытания проводились в условиях типичных для степной зоны Алтайско го края на черноземах среднесуглинистых, составляющих около 70 % почв края. В ходе тяговых испытаний измерялись значения тягового усилия трактора и тягового сопротивления культиватора, бункера и комплекса в целом, ход рей ки топливного насоса, количество оборотов ведущих колес трактора и путеиз мерительного колеса, время опыта.

В ходе хронометража определялись затраты сменного времени на холо стой ход, подготовительно-заключительные операции, организационно техническое и технологическое обслуживание при работе посевных агрегатов различных компоновочных схем.

При закладке полевого опыта по оценке воздействия ходовых систем аг регатов на урожайность сельскохозяйственных культур, определялись физико механические свойства почвы: плотность, твердость, влажность и грануломет рический состав. Анализировалась динамика показателей фазового развития растений: всхожесть, сохранность к уборке и продуктивная кустистость, а так же составляющие структуры урожая.

Погрешности результатов измерений при тяговых испытаниях агрегатов находились в пределах 2…5 %, при исследовании урожайности – 5…8 %. Об работка опытных данных проводилась с помощью ПК.

В четвертой главе приведены результаты исследований почвообрабаты вающих посевных агрегатов на базе ПК «Кузбасс» и тракторов «Кировец» К 701 класса тяги 50 кН и их анализ.

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

Культиватор. При работе на отдельном поле коэффициент вариации удельного тягового сопротивления (k окт ) = 0,10. Среднее значение на множест ве полей составляет M (k окт ) = 3,1 кН/м, среднее квадратическое отклонение (k окт ) = 0,4 кН, коэффициент вариации (k окт ) = 0,14, пределы изменения (то лерантные) 2,2 k окт 3,9 кН/м (при доверительной вероятности = 0,95 и до ле признака = 0,95;

t 1 t 2 = t = 1,96). Приведенный коэффициент, учи тывающий зависимость тягового сопротивления от скорости движения равен окт = 0,042±0,02 с /м (при Vo = 1,39 м/с = 5 км/ч).

Бункер высевающей системы. Вес бункера Gб изменяется от 32 до кН. Тяговое сопротивление бункера как случайная величина на множестве по лей, в зависимости от агрофона, имеет следующие характеристики: поле под посев ( f б.пп = 0,16) – М (Рб ) = 9,5 кН, (Рб ) = 2,5 кН, пределы изменения 4, Рб 14,4 кН;

стерня зерновых ( f б.сз = 0,09) – М (Рб ) = 5,4 кН, (Рб ) = 1,4 кН, пределы изменения 2,6 Рб 8,2 кН. Коэффициент вариации (Рб ) = 0,27. Свя зи тягового сопротивления бункера со скоростью движения не установлено.

Посевной комплекс. Среднее значение приведенного удельного тягового сопротивления посевного комплекса на множестве полей М (k о ) = 3,9 кН/м, ко эффициент вариации (k о ) = 0,13. Пределы изменения 2,9 k о 4,9 кН/м. Ко эффициент пропорциональности о = 0,036±0,004 с2/м2.

Хронометраж агрегатов позволил определить составляющие затрат смен ного времени. Использование времени смены на технологическое обслужива ние агрегата составило запр = 0,11, подготовительно-заключительные операции пз = 0,03, организационно-техническое обслуживание обс = 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 (по вороты), определяемые маневровыми свойствами агрегата, на 25 % ниже ( х = 0,12) по сравнению с агрегатом, скомпонованным по схеме а ( х = 0,16).

Агротехническая оценка агрегатов, в ходе полевого опыта, позволила ус тановить, что у агрегата компоновки в (см. рисунок 1), по сравнению с агрега том компоновки а, уплотнение почвы по следам движителей снизилось на 12, %, потери влаги на 5,8 %, коэффициент структурности почвы и полевая всхо жесть 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 %.

На основе расчета получены обобщенные эксплуатационные тяговые ха рактеристики трактора «Кировец» К-701, представленные в виде поверхностей отклика (рисунок 4-7).

М (V p ), М (дин ) м/с М (Р ), М (Р ), G, G, кН кН кН кН Рисунок 5 - Рабочая скорость Рисунок 4 - Коэффициент трактора К-701 в составе тягово динамического перераспределения транспортного агрегата в зависимо веса трактора К-701 в составе тяго сти от тяговой нагрузки М (Р ) и во-транспортного агрегата в зави симости от тяговой нагрузки М (Р ) догрузки ходовой части G и догрузки ходовой части G М (Qк ), М ( ), кН % М (Р ), G, М (Р ), G, кН кН кН кН Рисунок 7 - Вертикальная на Рисунок 6 - Буксование трак грузка на единичный движитель тора К-701 в составе тягово заднего моста трактора К-701 в со транспортного агрегата в зависи ставе тягово-транспортного агрега мости от тяговой нагрузки М (Р ) и та в зависимости от тяговой на догрузки ходовой части G грузки М (Р ) и догрузки ходовой части G Поверхности аппроксимировались выражениями вида M ( y ) = b0 + b1 M (Р ) + b2 G + b3 М (Р ) + b4 G 2 + b5 M (P )G, (45) где b0,…, b5 - коэффициенты регрессии.

Сильная корреляционная зависимость (0,90…0,94) между результатами теоретических расчетов и результатами, полученными на основе экспери ментальных данных, подтверждает адекватность модели.

Совмещением поверхностей отклика (см. рисунок 4-7), получена обобщенная область допустимых значений тяговых усилий трактора и транспортной нагрузки (рисунок 8) при соблюдении установленных ограни чений.

Допустимые значения G, догрузки заднего моста трак кН [дин ]max тора К-701 находятся в пре делах G = 14,1…38,3 кН.

[Qк ] Gmax Учитывая изменение веса бункера в процессе работы, данная нагрузка обеспечива ется за счет относительного переноса его веса на ходовую [дин ]min часть трактора k G = 0,44.

Gmin [ ] Изменение коэффици [Vp ]max [Р ]max [V p ]min (регулирование сцепного ве ента k G пределах 0,30…0, [Р ]min са), в зависимости от веса М (Р ), кН бункера, позволило бы до Рисунок 8 - График для определения биться стабилизации транс диапазона догрузки G ходовой части трак- портной нагрузки в условиях тора К-701 эксплуатации ( G = 26,2 кН) и реализации максимальных возможностей трактора по тягово-сцепным свойствам.

Выходные эксплуатационные и технико-экономические показатели тя гово-транспортного агрегата в виде обобщенной эксплуатационной тяговой характеристики, представлены на рисунке 9. Ряд значений ширины захвата при ее ступенчатом регулировании приведен в таблице 1.

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 четырехступенча тый – на 5,0 и 6,2 %. Бесступенчатое изменение ширины захвата агрегата по зволило бы добиться увеличения производительности и снижения расхода топлива соответственно на 8,2 и 7,8 %. Дополнительное увеличение показа телей 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 не целесообразно, поэтому для условий расчета достаточно ограничиться двух ступенчатыми агрегатами.

М (СС ), М (Wч ) ;

М (Wч ) руб/га ( ), ( ) М Wч см М Wч см М (g w ) ;

га/ч ( ), см М gw кг/га М (g w ) М (V p ), М (СС ) м/с () см М gw [V ]p min В,м М (V p ) [V ]p max М (В ) М ( ), М (СУ ), % руб/га [ ] М ( ) М ( ) М (СУ ) М (дин ) [Р]max = РG min РV max М (Р ), Рmin кН [Р]min = РG min Рmax = РV min Р Рисунок 9 - Обобщенная эксплуатационная тяговая характеристика почвообрабатывающего посевного тягово-транспортного агрегата К-701 + ПК «Кузбасс» на множестве полей при работе с двумя значениями ширины захвата (почва – чернозем среднесуглинистый выщелоченный, агрофон – стерня зерновых, k G = 0,44, М (k окт ) = 3,1 кН/м, (k oкт ) = 0,14, окт = 0, с2/м2, Vо = 1,39 м/с, f б.сз = 0,09) - рабочий диапазон;

- работа с нарушением ограничений;

- расширение диапазона тяговых усилий при регулировании сцепного веса трактора 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 ) q (B ) В3, м В5, м ( Вn +1 ), м В1, м В2, м В4, м n 5 1,121 12,07 13,53 15,18 17,02 19,09 21, Двухступенчатый агрегат, имея ширину захвата первой ступени В1 = 12,1 м будет работать в диапазоне средних тяговых сопротивлений Р1 = 47,2…56,7 кН и рабочих скоростей V p1 = 2,10…2,48 м/с. При работе с шири ной захвата В2 = 16,1 м (вторая ступень) – с тяговым сопротивлением Р2 = 46,3…54,8 кН и скоростью V p 2 = 2,13…2,49 м/с. При использовании двух значений ширины захвата, агрегат будет работать в диапазоне средних тяго вых сопротивлений Р12 = 46,9…55,8 кН и скоростей движения V p12 = 2,12…2,49 м/с.

Средние значения сцепного веса трактора в составе тягово транспортного агрегата, по отдельным полям находятся в пределах G = 151,5…175,8 кН, а коэффициента динамического перераспределения веса трактора дин = 0,86…1,17.

Средние значения выходных показателей почвообрабатывающих по севных агрегатов на множестве полей при компоновке по различным схемам представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Средние выходные эксплуатационные и технико-экономические показатели агрегатов различных компоновок при работе на множестве полей Компоновочная схема МТА а б в в' Показатели В1 В1 В1 + В2 В В (8,3 м) (9,7 м) (12,1 м) (12,1+16,1 м) (13,5 м) Транспортная нагрузка, кН - - 14,1…38,3 26, Тяговое сопротивление, кН 43,2 43,3 47,2 52,7 51, Рабочая скорость, м/с 2,76 2,75 2,49 2,25 2, Тяговая мощность, кВт 116,0 116,1 114,9 116,1 115, Буксование, % 9,5 9,5 8,5 9,8 9, Коэффициент динамического 1,62 1,62 0,99 0,96 0, перераспределения веса Удельный тяговый расход топ 421 421 425 421 лива, г/кВт·ч Производительность за 1 час, га/ч - основного времени 8,25 9,62 10,84 11,43 11, - сменного времени 4,60 5,23 5,97 6,23 6, Удельный расход топлива, кг/га - за час основного времени 6,00 5,14 4,55 4,32 4, - за час сменного времени 4,26 3,49 3,00 2,83 2, Совокупные затраты, руб/га 712 647 603 593 Для агрегата с компоновкой а (см. рисунок 1) принятый к использова нию с тракторами тягового класса 50 кН состав (8,5 м), является рациональ ным. Компоновка агрегата по схеме б позволяет снизить удельное тяговое сопротивление комплекса на 14,2 % и за счет этого увеличить рабочую ши рину захвата на 16,7 %, повысить производительность на 13,7 % и снизить расход топлива на 18,1 %.

Использование тягово-транспортного агрегата (схема в) за счет сниже ния удельного тягового сопротивления комплекса на 25,0 % и расширения диапазона допустимых тяговых усилий трактора (в 1,3 раза), дает возмож ность увеличить рабочую ширину захвата на 45,8 %, повысить производи тельность 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 за грузки на 14,3 %, увеличить ширину захвата на 62,7 %, повысить производи тельность на 33,9 % и снизить расход топлива на 32,4 % т.е. эффективность его применения практически равна эффективности двухступенчатого агрега та.

В пятой главе «Экономическая эффективность результатов исследо ваний» приводится сравнительная оценка экономической эффективности реа лизации предлагаемых решений на основе обобщенного критерия – средних совокупных затрат при работе агрегата на множестве полей, руб/га М (СС ) = М (СЭ ) + М (СУ ), (46) где М (СЭ ), М (СУ ) - математические ожидания соответственно средних экс плуатационных затрат и затрат, связанных с потерями урожая возделываемой культуры из-за уплотняющего воздействия движителей агрегата, руб/га.

Использование агрегата с рациональной компоновкой на посеве пше ницы 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 агрега та 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 затра там на один агрегат составляет около 249 тыс. руб.

Общие выводы и рекомендации 1. Усовершенствованная дискретная математическая модель позволяет по вероятностным характеристикам приведенного тягового сопротивления культиватора определить выходные показатели почвообрабатывающего по севного машинно-тракторного агрегата с переменными значениями веса по севного комплекса и сцепного веса трактора при работе на отдельном поле и множестве полей с учетом требований агротехники и ограничений по техни ческим характеристикам.

2. Среднее значение приведенного удельного тягового сопротивления культиватора (для ПК «Кузбасс») на множестве полей составило М (kокт ) = 3, кН/м при коэффициенте вариации (k oкт ) = 0,14. Пределы его изменения по отдельным полям 2,2 kокт 3,9 кН/м. Коэффициент, учитывающий зависи мость тягового сопротивления от скорости движения равен окт = 0,042 с2/м2.

3. Компоновка агрегата по схеме «трактор - полунавесной бункер культиватор» при коэффициенте переноса веса бункера на ходовую часть трактора k G = 0,44, снижает удельное тяговое сопротивление комплекса на 25,0 %, расширяет диапазон допустимых тяговых усилий трактора в 1,3 раза.

Это позволяет, в сравнении с традиционно используемым с трактором К- комплексом ПК-8,5, увеличить рабочую ширину захвата агрегата на 42,6 %, повысить производительность на 28,4 % и снизить удельный расход топлива на 28,6 %, сократить энергозатраты, связанные с перемещением агрегата на 42,6 % и буксованием движителей трактора на 32,9 %, уменьшить долю пло щади следов агрегата на ширину захвата на 43,0 %. Снижение общего нега тивного воздействия ходовых систем агрегата на агрофизические свойства почвы и урожайность зерновых культур позволяет сократить потери урожая на 9,2 %.

4. Применение двухступенчатых агрегатов позволяет повысить произ водительность в среднем на 3,4 % и снизить удельный расход топлива на 4, % в сравнении с одноступенчатыми. Трех- и четырехступенчатые агрегаты позволяют дополнительно увеличить показатели не более чем на 1,2 и 0,4 % соответственно, поэтому для условий расчета достаточно ограничиться двух ступенчатыми агрегатами.

5. Использование агрегата с рациональной компоновкой на посеве пше ницы, ведет к снижению удельных совокупных затрат на 14,7 %, что позво ляет получить годовую экономию в размере около 251 тыс. руб. на один аг регат, в том числе около 84 тыс. руб. за счет снижения потерь урожая куль туры из-за уплотняющего воздействия на почву его ходовых систем (в ценах 2007 года).

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

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

С целью достижения одинаково высоких тягово-сцепных показателей трактора за счет стабилизации нагрузки на его ходовую часть, рекомендуется оснащение агрегата автоматическим устройством для поддержания постоян ного перераспределения веса в системе «трактор - бункер» в зависимости от расхода технологического материала в процессе работы.

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, реко мендуется установка опорно-сцепного устройства седельного типа, а также спаривание колес трактора.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в сле дующих работах:

1. Беляев В.И. Результаты тяговых испытаний посевных комплексов «Кузбасс» в Алтайском крае / В.И. Беляев, Н.Н. Бережнов, Д.В. Тюрин // Вестник АГАУ. – Барнаул: АГАУ, 2005. – №4. – с.44-47.

2. Бережнов Н.Н. Выбор рациональной компоновки почвообрабаты вающего посевного агрегата на базе тягово-транспортного энергосредства // Материалы областной научно-практической конференции «Исследователь ская и инновационная деятельность молодежи: проблемы, поиски, решения», посвященной 50-летию Сибирского отделения РАН;

Сборник научных тру дов, Т.1. – Кемерово: ИУУ СО РАН, 2006. – с.72-75.

3. Бережнов Н.Н. К вопросу влияния компоновки на агротехническую проходимость почвообрабатывающего посевного МТА // Вестник КрасГАУ.

– Красноярск: КрасГАУ, 2007. – №2. – с.50-54.

4. Красовских В.С. Повышение эффективности работы почвообрабаты вающего посевного комплекса за счет выбора рациональной компоновки, па раметров и режимов работы / В.С. Красовских, Н.Н. Бережнов // Вестник АГАУ. – Барнаул: АГАУ, 2006. – №2. – с.55-58.

5. Красовских В.С. Обобщенная эксплуатационная характеристика тя гово-транспортного энергосредства / В.С. Красовских, Н.Н. Бережнов // Вест ник АГАУ. – Барнаул: АГАУ, 2005. – №1. – с.108-115.

6. Красовских В.С. Обобщенная эксплуатационная характеристика поч вообрабатывающего посевного агрегата на базе тягово-транспортного энер госредства / В.С. Красовских, Н.Н. Бережнов // Вестник АГАУ. – Барнаул:

АГАУ, 2005. – №1. – с.115-121.

Подписано к печати 18.04.2007 г. Формат 6084 1/16.

Бумага офсетная №1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4.

Тираж 100 экз. Заказ № _.

Издательство «Кузбассвузидат». 650043, г. Кемерово, ул. Ермака, 7.

Тел. 58-34-

 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.