Выбор и обоснование параметров трактора при агрегатировании с машиной для полосового рыхления почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор и обоснование параметров трактора при агрегатировании с машиной для полосового рыхления почвы

Бережнов Н.Н.

Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт

Аннотация

В статье рассматриваются результаты исследований, проведенных с целью определения соответствия тягово-скоростных показателей трактора в составе машинно-тракторного агрегата (МТА) требованиям агрегатирования, с учетом случайного характера изменения внешних эксплуатационных факторов. Работу проводили на примере МТА Fendt 936 Vario + АВА-12,6 «Агропитатель» в Ленинск-Кузнецком районе Кемеровской области в 2017 г. Методом контрольного динамометрирования определяли вероятностные характеристики тягового сопротивления сельскохозяйственной машины, его зависимость от скорости движения на операции основной обработки почвы. Исследования осуществляли на среднегумусных оподзоленных черноземах по стерневому фону при глубине обработки почвы 16 и 21 см и средней длине гона 1130,2 м. Приведенные (к 5 км/ч) значения удельного тягового сопротивления агрегата при глубине обработки почвы 16 и 21 см составили 2,99 и 5,04 кН/м соответственно коэффициента пропорциональности - 0,057 с²/м² и 0,034 с²/м², вариация - 10,5 и 2,1 % (р<0,05). Трактор Fendt 936 Vario не обеспечивает выполнения требований по буксованию движителей при работе в пределах диапазона средних приведенных удельных тяговых сопротивлений 2,38?M(k₀)?5,25 кН/м. Расчетное среднее значение требуемой номинальной мощности двигателя агрегатируемого энергосредства составляет 350,5 кВт (476 л.с.), а требуемый максимальный эксплуатационный вес - 201,8 кН. Энергосредство с расчетными параметрами обеспечит повышение тягового коэффициента полезного действия на 4,4%, в сравнении с трактором Fendt 936 Vario, что будет способствовать увеличению среднего рабочего тягового усилия на крюке, реализуемого без нарушения установленных требований, на 10,5%. Следствием будет увеличение средних рабочих скоростей движения МТА на 20% и рост его чистой часовой производительности на 18,4%.

Ключевые слова: ТРАКТОР, РЫХЛИТЕЛЬ, ДИНАМОМЕТРИРОВАНИЕ, АГРЕГАТ, ТЯГОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, БУКСОВАНИЕ, ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ЭНЕРГОНАСЫЩЕННОСТЬ, ПАРАМЕТР, СТАТИСТИЧЕСКИЙ

трактор тяговый скоростной агрегатирование

Применение современных адаптивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур выдвигает особые требования к уровню материально-технического обеспечения аграрных предприятий, в частности, к технической оснащенности машинно-тракторного парка.

Отсутствие научно обоснованных рекомендаций по рациональному агрегатированию имеющихся в наличии на сельскохозяйственных предприятиях тракторов с современными энергоемкими машинами и орудиями приводит к взаимному несоответствию их технических характеристик и становится причиной повышения непроизводительных энергозатрат при эксплуатации агрегата, роста себестоимости производимой продукции, а также деградации земельных угодий и снижения их эффективного плодородия [1].

Таким образом, обеспечение высоких эксплуатационных показателей агрегата возможно при научно обоснованном подходе к оценке и обоснованию тягово-сцепных показателей энергосредства при агрегатировании с современными энергоемкими сельскохозяйственными машинами и орудиями [2-5]. Такой подход должен опираться на результаты экспериментальных исследований [6] и приемы математического моделирования с привлечением элементов теории вероятностей, позволяющие с высокой степенью достоверности учесть и оценить то множество внешних факторов, которым подвергается агрегат в условиях эксплуатации [7, 8].

Цель исследования - определение соответствия тягово-сцепных показателей трактора в составе агрегата для внесения безводного аммиака при использовании его в качестве рыхлителя, требованиям агрегатирования, применительно к конкретным природно-производственным условиям его использования, с учетом случайного характера изменения внешних эксплуатационных факторов.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

- провести контрольное динамометрирование агрегата для внесения безводного аммиака при работе в режиме рыхлителя и определить статистические оценки для основных тягово-энергетических и агротехнических показателей МТА и трактора;

- выявить влияние скоростных и нагрузочных режимов работы МТА на изменение тягового сопротивления сельскохозяйственной машины с использованием основных теоретических положений, сформулированных на основе математической модели функционирования МТА как системы «почва - сельскохозяйственная машина - движитель - трансмиссия - двигатель» («П-М-Дж-Т-Дв») [7, 9, 10 ].

- определить рациональные значения эксплуатационного веса и мощности двигателя трактора для агрегатирования с испытываемой сельскохозяйственной машиной применительно к условиям проведения эксперимента.

Полевые испытания Fendt 936 Vario+АВА-12,6 «Агропитатель» проводили на полях КФХ «Печерин С.В.» Ленинск-Кузнецкого района Кемеровской области в 2017 г. (рис. 1).

Рис. 1. Агрегат для внесения безводного аммиака Fendt 936 Vario+АВА-12,6 на полевых испытаниях в режиме рыхлителя почвы

Программа экспериментальных исследований была разработана в соответствии с требованиями действующих нормативных документов (ГОСТ Р 52777-2007, ГОСТ 7057-2001) и предусматривала проведение контрольного динамометрирования испытуемой сельскохозяйственной машины в составе МТА для определения влияния рабочей скорости движения на тяговое сопротивление рабочей машины и динамику его изменения, оценки соответствия буксования движителей установленным требованиям, а также определения статистических характеристик изучаемых показателей [11].

Энергетическую оценку агрегата проводили с использованием контрольно-измерительного и регистрирующего оборудования, которое включало в себя измерительную информационную систему СИ-302 c комплектом первичных преобразователей сигнала (датчиков) (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид датчиков, установленных на агрегат: А - датчик пройденного пути ИП-266; Б - датчик оборотов ведущих колес трактора ИП-268; В - датчик тензорезисторный для измерения тягового усилия К-Р-20Г-20-С1

В процессе испытаний агрегата проводили регистрацию и измерение следующих эксплуатационных показателей: тяговое сопротивление сельскохозяйственной машины (усилие на крюке трактора) (P, кН), рабочая скорость движения (V_p, м/с), буксование ведущих колес трактора (д, %).

Для установки контрольно-измерительной аппаратуры и датчиков на МТА были специально разработаны и изготовлены приспособления, позволяющие надежно фиксировать датчики на время проведения измерения, а также оперативно менять их положение в зависимости от конструктивных особенностей и компоновки конкретного энергосредства, работающего в составе МТА [12].

Условия испытания агрегата были следующими: агрофон - пар чистый (стерня зерновых), предшествующая обработка - культивация ПК-8,5 «Кузбасс» (5…8 см), тип и механический состав почвы - чернозем среднегумусный оподзоленный, средняя длина гона - 1130,2 м, глубина обработки почвы - 16 и 21 см, средняя абсолютная влажность почвы в горизонте 0…30 см - 37,5%.

Динамометрирование агрегата проводили при движении в пределах диапазона агротехнически допустимых рабочих скоростей - 7…10 км/ч.

Опыты были реализованы в виде отдельных блочных планов, где в качестве варьируемого фактора выступала рабочая скорость движения агрегата [13]. Измерения проводили при рабочем и холостом движении агрегата в загоне (табл. 1).

Таблица 1. Параметры проведения опытов

Результаты измерений для расчета таких статистических оценочных характеристик, как математическое ожидание M(x), максимальное x_max и минимальное x_min значения, среднее квадратическое отклонение у(x) и вариация н(x), обрабатывали методом дисперсионного анализа (табл. 2) [11].

Таблица 2. Описательная статистика эксплуатационных показателей агрегата, определяемых в ходе динамометрирования

Определены средние значения эксплуатационных показателей агрегата в зависимости от глубины обработки (h) почвы (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость средних эксплуатационных показателей АВА-12,6 в режиме рыхлителя от глубины обработки почвы

Полученные данные (табл. 2 и рис. 3) указывают на несоответствие тягово-сцепных показателей трактора Fendt 936 Vario условиям агрегатирования с испытуемой с.-х. машиной в пределах исследуемого диапазона тяговых сопротивлений при максимальной глубине хода рабочих органов по условиям испытаний. Буксование движителей трактора превышает допустимый уровень в среднем на 8,8%, средние скорости движения агрегата находятся чуть выше нижнего порога диапазона, рекомендованного агротехникой, что не позволит обеспечить высокие значения производительности на выполнении технологической операции.

Обработка экспериментальных данных (см. табл. 2) позволила получить графические зависимости (рис. 4), а также уравнения связи среднего тягового сопротивления агрегата (P, кН) с рабочей скоростью движения (V_p, м/с):

- при h=16 см:

- при h=21 см:

Рис. 4. Зависимость средней рабочей скорости движения и буксования движителей трактора от тягового сопротивления агрегата Fendt 936 Vario+АВА-12,6 (в режиме рыхлителя): а - при h=16 см, б - при h=21 см.

После преобразования уравнения для среднего удельного тягового сопротивления агрегата (k, кН/м) имеем следующие зависимости:

- при h=16 см:

- при h=21 см:

На основании уравнений регрессии (1)…(4) были определены приведенные к эталонной скорости движения (V₀=1,39 м/с = 5 км/ч) значения коэффициента пропорциональности е₀ и удельного тягового сопротивления агрегата k₀, а также описательная статистика их изменения (табл. 3).

Таблица 3. Описательная статистика приведенных (к V₀ = 1,39 м/с) энергетических показателей работы агрегата в режиме рыхлителя

Полученные обобщенные данные по энергетическим показателям агрегата позволили, используя разработанную вероятностную модель функционирования МТА как системы «П-М-Дж-Т-Дв» [7, 9, 10], с расчетной вероятностью прогнозировать значения параметров и выходных эксплуатационных показателей ЭС для конкретной почвенно-климатической зоны в условиях неустановившихся внешних воздействий.

Эксплуатационный вес трактора, необходимый для обеспечения выполнения агротехнических требований по буксованию движителей:

где: P_max - максимальное значение среднего тягового усилия трактора (тягового сопротивления агрегата), установленное в условиях проведения испытаний, кН; [д]_max - максимально допустимая, по агротехническим требованиям, величина буксования ведущих колес трактора, %; л - коэффициент перераспределения эксплуатационного веса трактора между его осями; A, B, ?_max - коэффициенты функции, аппроксимирующей кривую буксования движителей при тяговых испытаниях трактора.

Максимальное значение среднего тягового сопротивления агрегата определяли по формуле:

где: k_0max - приведенное значение максимального среднего удельного тягового сопротивления агрегата, кН/м; [V_p]_max - максимальная рабочая скорость агрегата в соответствии с установленными требованиями агротехники, м/с; B - рабочая ширина захвата агрегата, м.

Возможные значения приведенного удельного тягового сопротивления сельскохозяйственной машины при работе на отдельном поле ограничены допустимыми (толерантными) пределами:

где: M(k₀), н(k₀) - соответственно, математическое ожидание (кН) и коэффициент вариации среднего приведенного удельного тягового сопротивления сельскохозяйственной машины; t_б1, t_б2 - отклонение от M(k₀), выраженное в средних квадратических отклонениях у(k₀) при заданной доверительной вероятности б и доле признака Д.

На основании эксплуатационных показателей агрегата, установленных в ходе динамометрирования (см. табл. 2), по формулам (7) и (8) был определен расчетный диапазон среднего приведенного удельного тягового сопротивления k₀ применительно к почвенным условиям проведения испытаний (табл. 4). Данные указывают на увеличение среднего приведенного тягового сопротивления на 40,7% и сужение диапазона его изменения на 65,6% при увеличении глубины обработки почвы на 5 см, а также позволяют в дальнейшем оценить с заданной вероятностью на основании расчета потенциальный диапазон изменения эксплуатационных показателей агрегата.

С учетом верхнего граничного значения диапазона изменения среднего удельного приведенного тягового сопротивления агрегата k_0max, по формуле (8) определено действительное тяговое сопротивление P_max при максимальной рабочей скорости в соответствии с требованиями агротехники по формуле (6).

Таблица 4. Расчетный диапазон среднего приведенного удельного тягового сопротивления агрегата при работе на отдельном поле (при б=0,95 и Д=0,05)

По формуле (5) рассчитана средняя величина эксплуатационного веса трактора , необходимая для выполнения установленных агротехнических требований по буксованию его движителей (табл. 5).

Таблица 5. Расчет величины требуемого эксплуатационного веса трактора при агрегатировании с АВА-12,6 в режиме рыхлителя

При работе в пределах диапазона допустимых по агротехнике скоростей движения МТА минимальное значение эксплуатационного веса энергосредства должно составлять 153,7 кН, что на 6,3% превышает вес трактора Fendt 936 Vario (144 кН) в комплектации, представленной на испытаниях. Увеличение же глубины хода рабочих органов до максимальной, по причине более высоких тяговых сопротивлений, требует дополнительного увеличения веса трактора на 57,8 кН (60%).

Согласно [6, 7], для определения тяговой мощности агрегата (крюковой мощности трактора) использовали следующую формулу:

где: N_н - номинальная мощность двигателя трактора, кВт; л_N - коэффициент использования номинальной мощности двигателя трактора.

Коэффициент л_N, в зависимости от технических характеристик трактора, условий проведения испытаний агрегата и статистических характеристик тягового сопротивления рабочей сельскохозяйственной машины, может быть определен с использованием высокозначимой регрессионной зависимости, установленной ученым Алтайского ГАУ Беляевым В.И. по результатам испытаний [8]:

где: q - среднее значение знаменателя геометрического ряда основного диапазона передач трактора; е₀ - коэффициент пропорциональности, с²/м²; н(P₀) - коэффициент вариации среднего приведенного тягового сопротивления агрегата.

Тяговый КПД трактора:

где: з_тр, з_f, з_д - КПД механических потерь в трансмиссии трактора, потерь на перекатывание трактора и буксование его движителей, соответственно.

КПД потерь на перекатывание трактора:

КПД потерь на буксование движителей трактора:

где д - буксование ведущих колес трактора.

Расчетное значение буксования движителей трактора с эксплуатационным весом получено выражением его из формулы (5):

Сила сопротивления перекатыванию трактора

где f - коэффициент сопротивления качению колес трактора.

Коэффициент сопротивления перекатыванию трактора характеризует состояние агрофона и определяется на основании данных, полученных при проведении динамометрирования агрегата на холостом ходу (табл. 6):

где: P_xx - тяговое сопротивление агрегата при выполнении холостых проходов, кН; G_м - вес испытуемой сельскохозяйственной машины.

Таблица 6. Описательная статистика энергетических показателей работы агрегата при выполнении холостых проходов

Поскольку по результатам исследований [7, 8, 14] не установлено наличия зависимости между холостым тяговым сопротивлением сельскохозяйственной машины и скоростью движения агрегата, приведенные значения энергетических показателей не определяли.

Тяговая мощность агрегата, по результатам контрольного динамометрирования, также может быть рассчитана по формуле:

Путем подстановки выражения (17) в формулу (9) и решения ее c учетом формул (10)…(15) относительно N_н был определен расчетный диапазон средних значений номинальной мощности двигателя энергосредства, необходимой для использования его в составе агрегата применительно к конкретным условиям проведения испытаний, характеризуемым пределами изменения приведенного удельного тягового сопротивления почвы k_0min-k_0max (7)…(8) без нарушения установленных требований по рабочей скорости и буксованию движителей [10] (табл. 7).

С помощью зависимостей (9)…(18), а также основных положений вероятностной математической модели функционирования МТА как системы «П-М-Дж-Т-Дв», была проведена сравнительная оценка средних выходных показателей ЭС [при M(k₀)] с расчетными параметрами , и трактора, проходившего испытания в составе агрегата (рис. 5).

Таблица 7. Расчет диапазона средних значений номинальной мощности двигателя энергосредства при агрегатировании с АВА-12,6 в режиме рыхлителя

Производительность агрегата за час основного времени оценивали по формуле:

Из представленных зависимостей видно, что при глубине обработки 16 см используемый в агрегате трактор Fendt 936 Vario почти не уступает энергосредству с оптимизированными параметрами по эксплуатационным показателям, проигрывая только в буксовании (выше на 11%), однако превосходя его по рабочей скорости (на 8,1%), тяговой мощности (на 11,8%) и чистой часовой производительности (на 8,8%).

Однако при глубине обработки почвы 21 см в зоне высоких тяговых нагрузок энергосредство с расчетными параметрами обеспечивает снижение буксования движителей в среднем на 34,2% и увеличение тягового КПД на 4,4%, в сравнении с трактором Fendt 936 Vario, что ведет к увеличению среднего рабочего тягового усилия на крюке, реализуемого без нарушения установленных требований, на 10,5%.

Использование энергосредства с рациональными параметрами в составе агрегата при его максимальной тяговой загрузке по условиям испытаний, благодаря увеличению его средних рабочих скоростей движения на 20%, обеспечивает рост чистой часовой производительности до 18,4%.

Рис. 5. Сравнение средних энергетических и эксплуатационных показателей МТА на базе ЭС с расчетными параметрами и трактора Fendt 936 Vario при работе на отдельном поле (в режиме рыхлителя): а - при h=16 см, б - при h=21 см.

Выводы

Трактор Fendt 936 Vario в комплектации, представленной на испытаниях, по своим тягово-скоростным свойствам не соответствует условиям агрегатирования с испытуемой сельскохозяйственной машиной по рабочей скорости движения и буксованию движителей.

Расчетное среднее значение требуемой номинальной мощности двигателя ЭС составляет 350,5 кВт (476 л.с.). Требуемый эксплуатационный вес ЭС для выполнения агрегатом операции рыхления равен 201,8 кН при работе в зоне высоких удельных тяговых сопротивлений почвы - 4,83…5,25 кН/м. Энергосредство при этом будет демонстрировать стабильно высокие эксплуатационные показатели в пределах всего диапазона средних приведенных удельных тяговых сопротивлений агрегата - 2,38?M(k₀)?5,25 кН/м, с учетом ограничений, накладываемых требованиями технологии и агротехническими нормативами.

Список использованных источников

1. Schwehn J., Haberle S., Boettinger S. Development of energy requirements of tractors and implements // 75-th Conference LAND, TECHNIK. - Hannover, GERMANY. - 2017, vol. 2300. - P. 237-244.

2. Кутьков Г.М., Сидоров В.Н., Сидоров М.В. Расчет мощности двигателя и веса трактора тягово-энергетической концепции [Электронный ресурс] // Электронный журнал: наука, техника и образование. - 2016, №2(6). - С. 37-46. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_26847518_45990884.PDF (дата обращения: 18.02.2019 г.).

3. Кутьков Г.М., Грибов И.В., Перевозчикова Н.В. Балластирование тракторов // Тракторы и сельхозмашины. - 2017, №9. - С. 52-60.

4. Power performance of farm tractor in field operations [Electronic resource] / Koniuszy A., Kostencki P., Berger A., Golimowski W. // Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability. - 2017, 19(1). - Р. 43-47. URL: http://www.ein.org.pl/sites/default/files/2017-01-06.pdf (accessed: Feb. 17, 2019).

5. Development and evaluation of power consumption model for no-till planter based on working parameters [Electronic resource] / Gao D.M., Li L.H., Qiao X.D., Sarker K.K. // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. Vol. 10. No. 1. - P. 80-87. URL: https://ijabe.org/index.php/ijabe/article/view/2310/pdf (accessed: Feb. 17, 2019).

6. Russini A., Schlosser J.F., de Farias M.S. Estimation of the traction power of agricultural tractors from dynamometric tests [Electronic resource] // Ciкncia Rural. 2018. Vol. 48. No. 4. URL: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-84782018000400351&lng=en&tlng=en. (accessed: Feb. 16, 2019).

7. Красовских В.С. Повышение эффективности функционирования тяговых агрегатов за счёт оптимизации параметров и эксплуатационных режимов работы в степных и лесостепных районах Западной Сибири: Дисс. … д-ра техн. наук: 05.20.01 / В.С. Красовских. - Санкт-Петербург. - 1991. - 460 с.

8. Беляев В.И. Повышение эффективности обработки почвы и посева зерновых культур при использовании перспективных машинно-тракторных агрегатов: Дисс. ... д-ра техн. наук: 05.20.01 / В.И. Беляев. - Барнаул. - 2000. - 411 с.

9. Бережнов Н.Н., Сырбаков А.П. Обоснование параметров и режимов работы посевного почвообрабатывающего комплекса на примере ПК «Кузбасс-Т» [Электронный ресурс] // АгроЭкоИнфо. 2017. №1(27). URL: http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/1/st_101.doc (дата обращения: 16.02.2019 г.).

10. Бережнов Н.Н. Обоснование номинальной мощности энергосредства при агрегатировании с дисковым почвообрабатывающим орудием по результатам динамометрирования агрегата // Вестник АГАУ. - Барнаул: АГАУ. - 2017, №5(151). - С. 163-170.

11. Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных. - М.: Колос. - 1994. - 169 с.

12. Видикер А.А., Бережнов Н.Н. Адаптация аппаратных средств измерительно-информационного комплекса для проведения контрольного динамометрирования энергонасыщенных МТА [Электронный ресурс] // Материалы VIII региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию НГАУ-НСХИ. Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. - Новосибирск. - 2016. - С. 52-58. URL: http://www.mechfac.ru/files/lks/konf_nirm/sbornik_tehservis_2016.pdf (дата обращения: 16.02.2019 г.).

13. Беляев В.И., Бауэр И.И., Зыга Ю.С. Тяговые испытания и агротехническая оценка посевных машин при различных скоростных режимах работы // Вестник АГАУ. - Барнаул: АГАУ. - 2008, №3(41). - С. 50-54.

14. Беляев В.И., Бережнов Н.Н., Тюрин Д.В. Результаты тяговых испытаний посевных комплексов «Кузбасс» в Алтайском крае // Вестник АГАУ. - Барнаул: АГАУ. - 2005, №4(20). - С. 44-47.

Размещено на Allbest.ru