Сельское хозяйство/2. Механизация сельского хозяйства

Д.т.н., профессор Красовских В.С.

Алтайский государственный аграрный университет, Россия

К.т.н., доцент Бережнов Н.Н.

Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, Россия

Снижение энергоемкости технологического процесса посевного агрегата путем оптимизации его компоновочных решений

В новых условиях хозяйствования, применение современных адаптивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур выдвигает особые требования к уровню материально-технического обеспечения аграрных предприятий и, в частности, к технической оснащенности машинно-тракторного парка. Преобладающий в настоящее время подход к повышению производительности посевных машинно-тракторных агрегатов, основан на увеличении ширины захвата и увеличении объема технологических емкостей. На современном этапе вес технологических модулей стал соизмерим с весом энергосредств, а зачастую и значительно превосходит его. Так, при агрегатировании современных широкозахватных посевных комплексов с энергонасыщенными тракторами тягового класса 50-80 кН общая масса агрегатов может достигать 30-40 т.

Увеличение массы агрегатов ведет к повышению техногенной нагрузки на почву деградации земельных угодий и снижению их эффективного плодородия. Кроме того, повышенное буксование движителей тракторов и сопротивление перемещению машин обуславливает снижение эксплуатационных и технико-экономических показателей агрегатов.

Одним из способов улучшения выходных эксплуатационных показателей посевных комплексов является обоснование рациональной ширины захвата агрегата, а также его рационального компоновочного решения, определяющего расположение масс основных элементов с.-х. машины, агрегатируемой с трактором, с учетом распределения его собственного веса [5]. Частичный или полный перенос на шасси энергосредства веса технологических емкостей агрегатируемых сельскохозяйственных машин позволяет расширить тяговый диапазон трактора и улучшить его агротехнические показатели [1, 4, 5].

В условиях эксплуатации машинно-тракторный 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, 3-5].

Разработанная вероятностная математическая модель, описывающая процесс функционирования тяговых и тягово-транспортных агрегатов, 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, 5].

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 административно-хозяйственного подразделения или конкретной природно-климатической зоны – т.н. «группе полей».

По результатам многочисленных исследований [3, 4] установлено, что основными оценочными показателями, характеризующими изменение внешних воздействий на систему «П-М-Дж-Т-Дв», относятся: математическое ожидание приведенного удельного тягового сопротивления агрегата , коэффициент вариации и коэффициент пропорциональности , причем данные показатели рассматриваются как при работе агрегата на отдельном поле, так и на «группе полей».

Рациональная ширина захвата агрегата должна быть подобрана так, чтобы во всем диапазоне изменения математических ожиданий удельных сопротивлений по группе полей конкретной зоны от до максимальная средняя нагрузка на крюке энергосредства не превышала установленный предел по допустимой величине буксования движителей трактора , а средняя скорость движения агрегата находилась в диапазоне от до согласно агротехническим требованиям [3, 4].

Суммарное тяговое сопротивление посевного комплекса складывается из тягового сопротивления почвообрабатывающего посевного орудия и силы сопротивления перекатыванию бункера с технологическим материалом. В зависимости от способа агрегатирования трактора с посевным комплексом, величина догрузки ведущих колес тягача будет изменяться от до . тем самым, влияя на сцепной вес трактора и его тягово-сцепные свойства [1, 4, 5].

Полный перенос веса бункера посевного комплекса на шасси трактора [7] позволяет добиться наиболее полного использования потенциальных возможностей ходовой системы тягача по несущей способности и навесоспособности, однако ужесточает требования к агротехнической проходимости трактора. С целью снижения техногенного влияния движителей агрегата на свойства почвы, ее структуру и уровень энергозатрат предлагается использовать в конструкции посевного комплекса широкопрофильные шины низкого давления оригинальной конструкции, разработанные на кафедре «Тракторы и автомобили» АГАУ [2, 6].

Таким образом, сравнительную оценку основных агротехнических, энергетических и технико-экономических показателей комбинированного посевного агрегата в составе трактора К-744Р2 и посевного комплекса ПК «Кузбасс», на основе разработанной математической модели, проводим для следующих принятых вариантов компоновочной схемы (рис. 1а, б):

1. Трактор (колесная формула 4К4), прицепное почвообрабатывающее посевное орудие (далее - орудие), прицепной бункер (перемещающийся по обработанной поверхности поля) ( (базовый вариант).

2. Трактор со спаренными колесами (8К8) 1 (рис. 1а), бункер 2, установленный на шасси трактора, прицепное орудие 3 [7].

3. Трактор (8К8) 1 (рис. 1б), полунавесное орудие 2, на раму которого установлен бункер 3, а задняя часть рамы опирается на движитель 4 (прикатывающую систему), оборудованный широкопрофильными шинами низкого давления ( =2-4 кПа) [2,6] (рис. 1б) . Величина переноса веса орудия на шасси трактора составляет [1]. Сцепной вес .

а)

б)

Рис. 1 – Предлагаемые компоновочные схемы посевных агрегатов

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

№ варианта компоновки		кН	кН	кН	кН			м/с, км/ч	м^2/с, га/ч	кДж/м^2
1	10,2	157	11,2	38	49,2	0,313	0,10	2,73 (9,8)	27,8 (10)	8,1	1
2	20,7	228	–	69	69	0,30	0,10	2 (7,2)	41,8 (15)	5,4	1,48
3	15,3	180	3,5	46,5	50	0,28	0,08	2,8 (9,7)	42,3 (14,9)	5,3	1,54

- отношение (кратность) чистой часовой производительности агрегата, скомпонованного по i-му варианту, к базовому варианту компоновки

Таблица 2 - Затраты мощности на перекатывание трактора , буксование движителей , перекатывание бункера , на сопротивление машины и, в соответствии с ними, удельные затраты энергии на единицу обработанной площади

№ варианта компоновки	На перекатывание				На буксование трактора		На тяговое сопротивление машины		На тяговое сопротивление агрегата
	трактора		бункера
	кВт	кДж/м^2	кВт	кДж/м^2	кВт	кДж/м^2	кВт	кДж/м^2	кДж/м^2
1	38,6	1,39	30,6	1,10	17,8	0,64	104	3,73	8,1
2	41,0	0,89	–	–	17,8	0,43	138	3,30	5,4
3	45,3	1,06	9,9	0,23	14,3	0,35	130	3,00	5,3

Анализ полученных результатов показал, что рациональная компоновка агрегата позволяет изыскать значительный потенциал в области повышения его эксплуатационных свойств и снижения энергоемкости технологического процесса:

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 , которая ограничивается допустимой величиной буксования движителей ( ) и минимальной скоростью движения ( ) в соответствии с агротехническими требованиями.

2. Для обоих вариантов предлагаемых 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.

3. Полный перенос веса бункера на шасси трактора позволяет увеличить ширину захвата агрегата по сравнению с базовым вариантом более чем в 2 раза, что обеспечивает соответствующее увеличение чистой часовой производительности и 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.

4. Размещение бункера на раме посевного орудия с частичным переносом веса последней на шасси трактора и оснащение ходовой (прикатывающей) системы орудия широкопрофильными шинами низкого давления обеспечивает минимальные показатели по удельным энергозатратам.

Литература:

1. Бережнов Н.Н. Обоснование рациональной компоновки и режимов работы энергонасыщенных почвообрабатывающих посевных комплексов [Текст]: Автореф. дисс… канд. техн. наук: 05.20.01 / Н.Н. Бережнов. – Барнаул, 2007. – 22 с.

2. Колёсный движитель транспортного средства (варианты). Пат. 2378129 Россия, С1 МПК В60С 3/04, В60 С 5/20 [Текст] / Красовских Е.В., Красовских В.С.; Красовских Е.В. - № 2008143030/11: заявл. 29.10.2008; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1. - 11 с.

3. Красовских В.С. Повышение эффективности функционирования тяговых агрегатов за счёт оптимизации параметров и эксплуатационных режимов работы в степных и лесостепных районах Западной Сибири [Текст]: автореф. дисс... докт. техн. наук / В.С. Красовских. – Санкт-Петербург, 1991. – 37 с.

4. Красовских, В.С. Результаты исследования почвообрабатывающего посевного тягово-транспортного агрегата [Текст] / В.С. Красовских, Н.Н. Бережнов // Вестник АГАУ. – Барнаул АГАУ, 2007. – №4 (30). – с.57-62.

5. Красовских В.С. Повышение эффективности использования комбинированных посевных агрегатов за счёт оптимизации их компоновочных решений [Текст] / В.С. Красовских, Н.Н. Бережнов, Ю.В. Рыкова // Вестник АГАУ. – 2013. - № 3(101). – с. 99-102.

6. Красовских В.С. Широкопрофильные шины низкого и сверхнизкого давления [Текст] / В.С. Красовских, В.В. Соколов, Г.В. Павлюченко, В.В. Павленко // Вестник АГАУ. – 2013. - № 2(100). – с. 113-116.

7. Почвообрабатывающий посевной агрегат: Пат. 2414112 Россия, МПК А01В 49/06, А01В 51/00 / Красовских В.С., Бережнов Н.Н., Красовских Е.В.; Красовских В.С. - № 2009135985/21: заявл. 28.09.2009; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8. – 9 с.