Введение к работе
Актуальность исследований. В последнее время тема энергосбережения приобрела большую актуальность, а повышение энергетической эффективности определено Президентом Российской Федерации в качестве одного из приоритетов инновационного развития страны.
Ввиду того, что на обработку почвы в среднем приходится 40% энергетических затрат всего объема полевых работ и до 20% энергии потребляемой в сельском хозяйстве вообще, обеспечение энергосбережения в этом технологическом процессе имеет важнейшее значение.
Традиционно конструкторов при создании почвообрабатывающих машин интересовала возможность снижения материалоемкости, себестоимости, повышения производительности и качества, а вопросы рационального агрегатирования (в том числе достижение максимального КПД трактора) рассматривались мало. Вследствие этого на сегодняшний день около 74% сельскохозяйственных машин загружают двигатель на 34,5-87,5%, а лишь 13% машин - на 95%. В результате, к примеру, колесный трактор типа Т-150К из-за недогрузки двигателя по мощности перерасходует до 3 тонн топлива в год.
С учетом сказанного, повышение энергетической эффективности тракторов посредством агрегатирования с сельскохозяйственными машинами, обеспечивающими их максимальную загрузку - одна из составляющих ресурсосбережения в почвообработке.
Проведенные исследования являются составной частью работ, выполненных в ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии по теме НИОКР на 2006-2010 годы: «Разработать научные основы синтеза высокопроизводительной техники для обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур с прогнозированием эксплуатационных показателей и экспериментальный образец многооперационного агрегата блочно-модульной структуры» (№ гос. per. 01200852548).
Цель и задачи исследований. Цель исследований заключается в обеспечении энергосбережения в технологических процессах обработки почвы путем оптимального проектирования комбинированных агрегатов блочно-модульной структуры. В соответствии с указанной целью было предусмотрено решение следующих основных задач.
Провести анализ и дать классификацию критериев оценки эффективности машинно-тракторных агрегатов (МТА).
Разработать основы выбора критериев оценки эффективности МТА.
Разработать методику расчета конструктивных параметров и прогнозирования эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов.
Разработать программы для ЭВМ по расчету и оптимизации экс-
плуатационных показателей МТА.
Спроектировать экспериментальный образец комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры.
Обосновать оптимальные режимы работы УКПА-2,4-01 в агрегате с тракторами тягового класса 3.
Произвести оценку эффективности УКПА-2,4-01 в агрегате с тракторами тягового класса 3.
Объект исследования. Технологические процессы обработки почвы, осуществляемые комбинированными агрегатами, методы прогнозирования и оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров, а также комбинированный почвообрабатывающий агрегат блочно-модульной структуры УКПА-2,4-01.
Научная новизна. Предложен принцип классификации, и научно обоснован выбор критериев оценки эффективности МТА.
Разработана методика расчета конструктивных параметров и прогнозирования эксплуатационных показателей и программы для ЭВМ, реализующие отдельные элементы этой методики.
Установлены закономерности изменения эксплуатационных показателей почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры УКПА-2,4-01 с тракторами тягового класса 3 т с учетом вероятностного характера внешних возмущающих процессов.
Получены показатели энергетической эффективности использования комбинированного агрегата УКПА-2,4-01 с тракторами класса 3.
Практическая значимость. Методика расчета конструктивных параметров и прогнозирования эксплуатационных показателей может быть использована при создании почвообрабатывающих и посевных агрегатов блочно-модульной структуры и комплексной оценки их эффективности в конкретных условиях функционирования.
Программы для ЭВМ целесообразно использовать в процессе определения энергетических параметров двигателей различных типов, а также оптимизации режимов их работы в составе МТА.
Закономерности изменения и оптимальные значения эксплуатационных показателей комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры УКПА-2,4-01 с тракторами класса 3 можно использовать при разработке научно обоснованных нормативов выработки, расхода топлива и др. видов энергоресурсов на механизированные работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:
на Всероссийской научно-практической конференции «Роль ученых в реализации приоритетного национального проекта «развитие АПК» в ЧГСХА, г. Чебоксары в 2007 году;
на научных конференциях профессорско-преподавательского со-
для данных условий режиме, определенном по разработанной методике. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
На основе проведенного анализа существующих критериев оценки эффективности почвообрабатывающих агрегатов представлена их классификация по степени значимости, отвечающая задаче оптимизации режимов работы МТА. Предложено разделить все критерии на частные (наименьшая степень значимости), интегральные (обобщенные), локальные и глобальные (наибольшая степень значимости). Окончательная оценка результатов проектирования всегда должна осуществляться по глобальным критериям.
Эффективность функционирования МТА определяется экономией денежных средств и энергии, или выполнением технологических процессов в сжатые агротехнические сроки с обеспечением высокого качества. Исходя из этого, за основной критерий оценки эффективности выбирается один из следующих: максимум годового экономического эффекта; минимум энергоемкости технологического процесса; максимум годового энергетического эффекта; максимум производительности МТА. На основе анализа чувствительности основного критерия определяются дополнительные, в результате чего формируется сбалансированная система эксплуатационных показателей, представляющая собой рациональное количество параметров по уровню значимости.
Разработанная методика расчета конструктивных параметров и прогнозирования эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов позволяет проектировать комбинированные сельскохозяйственные машины блочно-модульной структуры, обеспечивающие оптимальную загрузку энергосредств, а также прогнозировать рациональные режимы их работы для конкретных условий функционирования.
Разработанные программы для ЭВМ позволяют устанавливать экстремальные значения критериев и в соответствии с ними прогнозировать и обосновывать оптимальные значения энергетических параметров МТА, оснащенных ДИМ или обычными дизельными двигателями, на стадиях проектирования и эксплуатации. Программы позволяют получить графики зависимостей эффективной мощности, часового расхода топлива и частоты вращения коленчатого вала от крутящего момента на валу двигателя во всем диапазоне его изменения при любом значении вариации нагрузки.
Разработанный по методике расчета конструктивных параметров и прогнозирования эксплуатационных показателей почвообрабатывающий агрегат УКПА-2,4-01 обеспечивает оптимальную загрузку тракторов тягового класса 3, что приводит к повышению их энергетической эффективности и ресурсосбережению в выполняемых технологических процессах.
0,7 \- J —-Я 0,7
о,б \ U—I 1 1 1 I Li—I 1 1 1
0 0,067 0,133 0,200 0,266 vu 0 0,067 0,133 0,200 0,266 vu
a) ^ 6)
Рис. 6. Зависимость уровня загрузки 1-т (а) и уровня использования А,- эффективной мощности (б) двигателя Д-260.482 от коэффициента вариации у нагрузки
Приведенные выше оптимальные параметры и режимы работы предназначены для настройки средств автоматического контроля функционирования МТА, при их установке на тракторах МТЗ 2022 и Т-150К.
В пятой главе приведены результаты оценки энергетической эффективности разработанного комбинированного агрегата УКПА-2,4-01 с трактором МТЗ 2022.
Предварительно, для дальнейшего использования при энергооценке, были получены эмпирические зависимости погектарного расхода топлива от производительности и энергоемкости технологического процесса от КПД для исследуемых МТА при различных значениях установочной глубины обработки почвы (табл. 7).
Таблица 7 - Эмпирические зависимости погектарного расхода Q топлива от
производительности W и энергоемкости 3 от КПД ц для МТА
МТЗ 2022 + УКПА-2,4-01 и T-150K + УКПА-2,4-01 при различных значениях установочной
глубины обработки почвы
В качестве машины-аналога при определении ожидаемого энергетического эффекта от использования разработанной сельхозмашины принят комбинированный почвообрабатывающий агрегат АКП-2,5, Сравнение проводилось при Щм = 15 см и V = 1,93 м/с. Ожидаемый годовой
энергетический эффект от использования агрегата УКПА-2,4-01 в данном случае составляет 35210,96 МДж/агрегат. Он достигается за счет оптимального проектирования, что позволяет максимально загрузить используемый трактор, т.е. повысить его энергетическую эффективность. Дополнительное повышение годового энергетического эффекта может быть достигнуто при использовании спроектированного агрегата в оптимальном
става и аспирантов СПбГАУ, г. Санкт - Петербург - Пушкин в 2008,
2009 и 2010 годах;
на 6-й международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» в ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхо-закадемии, г. Санкт - Петербург - Павловск в 2009 году;
на региональном научно-практическом семинаре «Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии» в КГУ, г. Элиста в 2009 году;
на научной сессии «Проблемы инженерной агроэкологии и пути их решения при машинно-технологической модернизации сельскохозяйственного производства СЗ РФ» в ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакаде-мии, г. Санкт - Петербург - Павловск в 2010 году;
на международной научно-практической конференции посвященной году образования и науки «Профессиональные знания и техническое образование - фактор могущества специалиста», г. Душанбе в
2010 году.
Реализация результатов. Проведенные исследования реализованы в разработанных программах для ЭВМ «Расчет и оптимизация энергетических параметров дизельных двигателей в составе МТА» и «Расчет и оптимизация энергетических параметров МТА, оснащенных ДПМ». Результаты исследований приняты к внедрению в отделе механизации Института земледелия ТАСХН, используются в учебном процессе на инженерном факультете ВГМХА им. Н.В. Верещагина и на кафедре аг-роинженерии КГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ (в том числе: в изданиях, рекомендованных ВАК - 3; свидетельства о регистрации баз данных, программ для ЭВМ, алгоритмов - 4).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 192 наименований и 8 приложений. Она включает 57 рисунков и 26 таблиц. Общий объем работы - 172 страницы машинописного текста.
