Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи пообоснованию оптимальных параметров машинно-тракторных агрегатов 7
1.1. Общие понятия о показателях оценки машинно-тракторных агрегатов 7
1.2. Характеристика условий эксплуатации машинно-тракторных агрегатов 13
1.3. Анализ используемых критериев оптимальности при обосновании машинно-тракторных агрегатов 19
1.4. Параметры и факторы, влияющие на производительность машинно-тракторных агрегатов 24
1.5. Выводы, цель и задачи исследований 63
2. Теоретические исследования 66
2.1. Определение производительности культиваторного агрегата 66
2.2. Влияние на производительность машинно-тракторных агрегатов составляющих баланса времени смены при выполнении механизированных процессов 72
2.3. Определение тягового сопротивления культиваторного агрега
та 77
2.4. Определение расхода топлива культиваторного агрегата 81
2.5. Использование теоретических расчетов на практике 85
3. Методика экспериментальных исследований .89
3.1. Общая методика и программа экспериментальных исследований 89
3.2. Природно-климатические условия использования машинно-тракторных агрегатов в Оренбургской области 92
3.3. Условия проведения опытов 94
3.4. Методика проведения агротехнической оценки 96
3.5. Методика проведения эксплуатационно-технологической оценки 99
3.6. Методика проведения энергетической оценки 101
3.7. Определение оптимальных эксплуатационных параметров культиваторного агрегата 103
3.8. Обработка опытных данных и оценка точности измерений 109
4. Результаты экспериментальных исследований 112
4.1. Результаты проведения агротехнической оценки культиваторного агрегата .' 112
4.2. Влияние ширины захвата и скорости движения культиваторного агрегата на энергетические и эксплуатационные показатели 117
4.3. Влияние конструктивно-эксплуатационных параметров культиваторного агрегата на его производительность 121
4.4. Результаты хронометражных работ 126
5. Экономическая эффективность культиваторного агрегата к-701 + кнк-6000 с оптимальными эксплуатационными параметрами 131
Выводы и рекомендации 135
Список использованных источников 137
Приложения 154
- Характеристика условий эксплуатации машинно-тракторных агрегатов
- Влияние на производительность машинно-тракторных агрегатов составляющих баланса времени смены при выполнении механизированных процессов
- Природно-климатические условия использования машинно-тракторных агрегатов в Оренбургской области
- Влияние ширины захвата и скорости движения культиваторного агрегата на энергетические и эксплуатационные показатели
Введение к работе
Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве должен обеспечивать стабильный рост урожайности при снижении затрат труда, энергии и средств, преобладающих в экономике хозяйств возделывающих зерновые культуры. Внедрение в сельскохозяйственном производстве интенсивных технологий предусматривает повышение энерговооруженности, применение новых, более совершенных средств механизации и автоматизации или повышение эффективности старых, находящихся в распоряжении хозяйств, использование передовых новаторских идей, В настоящее время актуальным остается эффективное использование имеющихся в хозяйствах машинно-тракторных агрегатов (МТА).
Одним из важнейших факторов, способствующих быстрому подъему всех отраслей сельскохозяйственного производства, является рациональное использование машинно-тракторного агрегата. МТА должен обеспечивать высокое качество выполнения сельскохозяйственного процесса, наибольшую производительность при минимальных затратах труда и расходе топлива на единицу выполненной работы.
Сельскохозяйственное производство нашей страны развивается в сложных природно-климатических условиях. Преобладание неблагоприятных условий требует больших капитальных вложений в интенсификацию, совершенствование планирования и организацию сельскохозяйственного производства. Даже в настоящее время, как показывает опыт, материально-техническая база сельскохозяйственных предприятий используется недостаточно. Рациональное использование средств механизации позволит успешно внедрить интенсивные технологии производства.
Улучшение использования средств механизации - одно из решающих направлений повышения эффективности сельскохозяйственного производства и его интенсификации. Правильный выбор эксплуатационных параметров, таких как скорость движения, ширина захвата, степень использования мощности двигателя и др., является насущной проблемой эксплуатации машинно-тракторных агрегатов. Особенно остро стоит проблема в данный момент при наличии в хозяйствах новых сельскохозяйственных машин и тракторов отечественного и иностранного производств.
Высокая производительность и экономичность машин достигается при рациональном агрегатировании. Основным критерием является соответствие комплекса машин требованиям интенсивных технологий, достижение максимальной производительности и экономичности.
Большие резервы улучшения использования техники и сокращение сроков работ заложены в совершенствовании организации механизированных работ. Поэтому переход сельскохозяйственного производства на интенсивные технологии требует совершенствования организации механизированных работ, поиск новых форм и использование уже прошедших апробацию.
Организация механизированных работ не в последнюю очередь влияет и на агротехнические показатели выполнения механизированных процессов. Выполнение полевых работ с нарушениями агротехнических сроков является прямой причиной недополучения значительной части потенциального урожая, особое место занимает качество и сроки подготовки почвы. Совершенствование организационных форм использования техники - объективная необходимость современного сельскохозяйственного производства.
В заключение надо отметить, что для достижения эффективного использования МТА необходимо провести оптимизацию его эксплуатационных параметров и тем самым дать рекомендации по использованию отдельных МТА или комплексов машин для отдельных регионов.
Характеристика условий эксплуатации машинно-тракторных агрегатов
Условия эксплуатации имеют большое значение как при проектировании машин, удовлетворяющих агротехническим требованиям в конкретных условиях, так и при установлении дифференцированных норм выработки, расхода топлива, запасных частей и других материалов.
В свое время сельскохозяйственные районы СССР были разбиты по общности технологии возделывания культур, почвенно-климатическим и производственным условиям на 16 зон. Анализируя характеристику зон /ПО/ видно, что материал по зонам систематизирован по- разному и в результате по некоторым зонам нет исчерпывающей информации.
Оценивать условия эксплуатации С.А. Иофинов предложил по обобщенному показателю - условной удельной работе норм где k{ удельное сопротивление сельскохозяйственной машины, Н/м2; Тнорм " нормативный коэффициент. Нормативный коэффициент определяется по выражению тнорм= Р$р5к$п, 0-2) где (р - коэффициент рабочих ходов; р, SK бп - коэффициенты, учитывающие соответственно влияние рельефа, каменистости, влажности почвы и прочие факторы. Я.К. Дубовский /40/ для определения нормативного коэффициента по выражению (1.2) предлагает учитывать и тягово-сцепные свойства трактора, что позволит выражению (1.1) быть более объек 14 тивным, так как позволит учесть условия эксплуатации не только машины, но и трактора тнорм = Р$м SmSp KSn ( 1 3 ) где SM, 8т - коэффициенты, учитывающие соответственно изменение сопротивления машин и влияние почвенных условий на тяговые свойства трактора.
Все факторы, оказывающие влияние на эксплуатационные показатели в условиях работы, Д.Н. Саакян /ПО/ предложил разделить на три основные группы:
1. Почвенно-рельефные.
2. Климатические.
3. Производственные.
Почвенно-рельефные факторы. Основными почвенно-рельефными факторами являются: рельеф местности, тип и состояние почвы, степень засоренности камнями и кустарниками, высота над уровнем моря и размеры полей.
В научной литературе нередко можно встретить такие понятия как микро- и макрорельеф местности. Обычно выделяют три типа макрорельефа: равнинный, холмистый без смены климатических зон по высоте и горный со сменой климатических зон по высоте.
В зависимости от макрорельефа изменяются условия эксплуатации, так на равнинном рельефе лучше плавность хода агрегата, тракторист затрачивает меньше усилий на переключение передач, более постоянная скорость движения и наибольшая производительность за счет лучшего использования ширины захвата МТА и времени смены.
На холмистых участках производительность МТА значительно ниже, так как в этом случае размеры участков уменьшаются (длина гона), что приводит к большому количеству холостых ходов. Работа на горных склонах представляется наиболее трудной, так как требуется постоянное переключение передач, агрегат работает неустойчиво, скорость движения постоянно изменяется, возможны частые остановки и перегрузки двигателя, а в результате того, что часто трактор работает на пониженных передачах, наблюдается перерасход топлива и снижение производительности по сравнению с равнинным и холмистым рельефом. Поэтому в отечественном и зарубежном машиностроении специально для работы на склонах разработаны тракторы и сельскохозяйственные машины.
Также как и макрорельеф, на условия труда механизатора, качество выполняемой работы, плавность хода, расход топлива и производительность агрегата оказывает микрорельеф. А.Б. Лурье /79/ предложил классифицировать участки по микрорельефу на три группы:
- ровные (дисперсия неровностей поля D 2 см2);
- средней выравненности (1)=2...4 см2);
- неровные (»4 см2).
Обработка неровных полей ведет к снижению качества выполняемого процесса, колебанию в большом диапазоне тягового сопротивления машины, что приводит к снижению плавности хода и производительности, перерасходу топлива.
Тип и состояние почвы оказывают определяющее влияние на удельное сопротивление машин и тягово-сцепные свойства тракторов. Рассматривая тяговый баланс трактора, можно констатировать, что чем больше затраты мощности трактора на передвижение, тем меньше крюковая мощность, что приводит к снижению производительности. На рыхлых и влажных почвах трактор затрачивает больше энергии на самопередвижение и буксование, чем на плотных и сухих.
Удельное сопротивление почвы в первую очередь оказывает влияние на сопротивление машины, при этом следует отметить, что для почвообрабатывающих машин большая часть тягового сопротивления затрачивается на выполнение технологического процесса (перемещение и деформация почвы), а для уборочных агрегатов (зерноуборочные, силосоуборочные и т. п.) на взаимодействие с почвой затрачивается незначительная часть тягового сопротивления. По удельному сопротивлению Н.В. Щучкин /139/ предложил классифицировать почвы на пять групп:
- легкие (удельное сопротивление до 3 Н/см );
- средние (3...5 Н/см ),
- среднетяжелые (5...7 Н/см2),
- тяжелые (7..Л2 Н/см2),
- очень тяжелые (более 12 Н/см ).
Влияние на производительность машинно-тракторных агрегатов составляющих баланса времени смены при выполнении механизированных процессов
Фактор времени в сельском хозяйстве имеет очень большое значение, начало многих операций зависит от метеорологических ус 73 ловий, собственно времени года, а продолжительность выполнения операций влияет на качество выполняемого процесса, а также последующих операций, и зависит от агротехнических требований.
У разных исследователей составляющие баланса времени смены несколько отличны друг от друга, хотя фактически все факторы учтены и входят в ту или иную составляющую. С учетом анализа изученных работ /5, 42, 51, 58, 110, 129/ время смены можно выразить
+ Ттн + Тн+Тор+Тм+Тф (2.17)
где Тр - время чистой работы, ч;
Тх - время, затрачиваемое на холостые переезды (повороты, переезд на другой загон и т.д.), ч;
Tm — время, затрачиваемое на технологическое обслуживание агрегата, ч;
Ттй - время, затрачиваемое на техническое обслуживание агрегата, ч;
Ттн - время, затрачиваемое на устранение технологических неисправностей агрегата, ч;
Тн - время, затрачиваемое на устранение технических неисправностей агрегата, ч;
Тор - простои агрегата по организационным причинам, ч;
Тм - простои агрегата по метеорологическим причинам, ч; Тф - время затрачиваемое на физиологические надобности машиниста и обслуживающего персонала, ч.
Составляющие баланса времени смены (2.17) Тр, TXi Tm являются технологическим временем (время затрачиваемое на выполнение технологического процесса), составляющие Ттму Тн, Тор, Тм относятся к простоям агрегата, а составляющие Тто, Тф относятся к группе дополнительного времени (дополнительное время всегда больше нуля). Анализируя выражение (2.17), очевидно, что производитель 74 ность будет тем больше, чем больше время чистой работы. Непроизводительные затраты времени (все остальные составляющие) при работе МТА необходимо уменьшать, что в эксплуатации машинно-тракторного парка выражается общеизвестным коэффициентом использования времени смены
г = - - = 1-2 ,, (2.18)
J СМ 1=1
где Tj - i-ый частный коэффициент использования времени смены; п - количество составляющих баланса времени смены.
Частный коэффициент использования времени смены, определяющий потери времени на холостые переезды
т =b_ = bh Ly (2.19)
Т V т
л см гхАсм
где Lx - длина холостых ходов, км;
k„e =1,09...1,22 - экспериментальный коэффициент, характеризующий потери времени на холостые ходы при использовании гидроподпора;
Vx - скорость движения МТА при холостом ходе, км/ч.
Здесь следует сказать о том, что скорость движения агрегата при рабочем и холостом ходах не всегда одинакова.
Частный коэффициент использования времени смены, характеризующий потери времени на технологическое обслуживание агрегата определяется
где tm - средняя продолжительность одного технологического обслуживания, ч; квл =4,21-10"" w +0,13 - коэффициент, учитывающий увеличение технологических остановок из-за налипания почвы с повышением ее влажности wc 12 до 28%;
Lm - средний путь, проходимый агрегатом между смежными технологическими обслуживаниями, км.
Аналогично можно определить частные коэффициенты использования времени смены, характеризующие потери времени на техническое обслуживание агрегата (2.21) и устранение технологических неисправностей (2.22)
Для определения частного коэффициента использования времени смены, характеризующего простои агрегата при устранении технических неисправностей, пользуются формулой /135/
Природно-климатические условия использования машинно-тракторных агрегатов в Оренбургской области
Для успешного решения задач по увеличению производства сельскохозяйственных продуктов необходимо широко применять достижения науки и передового опыта, а также максимально эффективно использовать местные природно-климатические ресурсы.
Географическое положение. Оренбургская область занимает обширную территорию - 123900 км2 /3/, расположенную на окраине европейской части Российской Федерации (юго-восточная оконечность Русской равнины и юг горного Урала). Западные районы орошаются притоками р. Волги (р. Самара, р. Кинель), восточные - истоками р. Тобола и выходят на Урало-Тобольский водораздел.
Рельеф. Своеобразное месторасположение Оренбургской области позволяет выделить три основных части территории по особенностям рельефа:
- Западная. Эта территория расположена в Южном Приуралье и простирается до долин рек Большого Ика и Урта-Бурти, представляет собой равнину, лежащую на высоте 200...400 м над уровнем моря, расчлененную эрозионными долинами и оврагами. Почти посредине Южного Приуралья проходит возвышенность, представляющая собой систему увалов, достигающих 300...350 м абсолютной высоты. Доли ны везде занимают более значительную площадь по сравнению с раз деляющими их сыртами. Широкие плоские днища сыртов, обычно не равносклонные, простираются на десятки километров.
- Центральная. Расположена между долинами рек Большого Ика и Урта-Бурти на западе и р. Уралом на востоке. Рельеф на этой территории принимает сложный холмистый, сопочный характер, где вдоль уральской долины тянутся короткие гряды и резко обособлен 93 ные сопки (Губерлинские горы - высота над уровнем моря 400 м). Сеть балок и оврагов, рассекая гряды, образует многочисленные вершины.
- Восточная. Расположена к востоку от р. Урала и называется Урало-Тобольским плато. Представляет собой широкую мягковолни-стую возвышенную равнину, с высотой над уровнем моря 300..,350 м, а в некоторых местах до 400 м. Равнинный характер плато нарушается холмистыми грядами, попадаются неглубокие понижения, заполняемые водой, их называют «степными блюдцами».
Почвенный покрое. Оренбургская область относится к черноземной степной зоне, однако неоднородность физико-географических условий обуславливает неоднородность почвенного покрова области.
В северо-западной части области, относящейся к лесостепной зоне» основными компонентами почвенного покрова являются тучные разновидности черноземов, характерной особенностью которых является высокое содержание гумуса (12.,.15%). В лесостепной зоне также встречаются серые лесные и оподзоленные почвы. На всхолмленных и расчлененных участках распространены щебенчатые маломощные почвы. Природной зоной северо-западной части является лесостепь/108/.
Центральная часть области характеризуется присутствием обычных черноземов (черноземная степь) с содержанием гумуса в верхнем слое горизонта 8...10%. В степной зоне развиты обыкновенные и южные черноземы с содержание гумуса 7...8% и мощностью слоя до 70 см. В южных районах с увеличением сухого климата южные черноземы полностью вытесняют черноземы обыкновенные, причем мощность почвенного слоя снижается до 30...40 см, а количество гумуса в нем до 4,5...6%. Кроме этого среди южных черноземов нередко встречаются легкие супесчаные, солончаковые и аллювиальные почвы. Южная оконечность области характеризуется наличием суглинистых темно-каштановых почв мощностью почвенного слоя 20...25 см и содержание гумуса всего 3...4%.
Климат. Значительная удаленность области от морей и океанов, близость к полупустыням Казахстана обуславливает континен-тальность климата, одним из показателей которого является большая годовая амплитуда температуры воздуха, которая составляет 85...87С.
Осадки по области распределяются неравномерно, так на северо-западе области за год выпадает 400...450 мм осадков, а на юге и юго-востоке -250...300 мм. В течение года также наблюдается неравномерность выпадения осадков, максимум в июле, минимум в феврале, а на теплое время года приходится до 75% осадков.
Для всей территории области преобладающим является ветер южной четверти, средняя скорость ветра за год составляет 4...5 м/с, при чем наиболее ветреным месяцем (большее количество дней со скоростью ветра более 15 м/с) является март.
Число ясных дней в году - 43...63, облачных - 164...212, пасмурных - 95...141.
Согласно государственному стандарту /34/ оценку машин и МТА проводят в сельскохозяйственных зонах, для которых они предназначены, с учетом отличительных характеристик зон, условий эксплуатации и правил производства механизированных работ.
Место проведения испытаний должно соответствовать по рельефу, типу почвы и размерам участка среднестатистическим показате 95 лям по области, время проведения должно соответствовать агротехническим требованиям, предъявляемым к сплошной культивации, исходя из этих соображений испытания были проведены в ЗАО им. Калинина Ташлинского р-на, им. Чапаева Илекского р-на Оренбургской области.
Почва на исследуемом участке была однородной и соответствовала по типу южным черноземам, кроме этого предшествующая обработка и предшествующая культура не изменялись в пределах выбранного участка.
Размеры участка выбирались таким образом, чтобы обеспечить выполнение запланированных работ в соответствии с программой экспериментальных исследований, кроме этого необходимо, чтобы участок соответствовал по длине гона среднестатистическому значению этого размера по области.
Технологические настройки культиватора (глубина обработки, заглубление рабочих органов) устанавливаются в соответствии с агротехническими требованиями к обработке. Испытания культиватор-ного агрегата проводились на установленной глубине обработки при подготовке почвы к посеву - 10 см. Время проведения - предпосевная культивация (последняя декада апреля, первая декада мая, середина августа при посеве озимых культур) и уход за парами (май-июль).
Исследуемый МТА состоял из трактора К-701 и навесного комбинированного культиватора КНК-6000. Другие особенности проведения опытов были приняты в соответствии с нормативной документацией, регламентирующей испытания сельскохозяйственной техники, в данном случае культиваторного агрегата /34, 98, 99/.
Влияние ширины захвата и скорости движения культиваторного агрегата на энергетические и эксплуатационные показатели
Энергетические показатели оценки культиваторного агрегата К-701 + КНК-6000, которые были рассмотрены в диссертационной работе — это тяговое сопротивление и буксование. Тяговое сопротивление культиватора при расчете производительности представлено в виде удельного сопротивления, поэтому рассматривать будем оба показателя в зависимости от исследуемого параметра. Методика определения тягового сопротивления изложена в 3.6.
Для оценки влияния ширины захвата на тяговое сопротивление опыты проводились с 13, 12, 11 лапами и 12, 11, 10 дисками, что соответствовало ширине захвата 6; 5,515 и 5,03 м. Возможности изменить ширину захвата катков не имелось, поэтому изначально приняли допущение о незначительном влиянии катков на тяговое сопротивление, что и подтверждается теоретическими расчетами. Для испытаний использовался II диапазон коробки передач, соответственно 2; 3 и 3 передачи. Коэффициент использования тягового усилия в этих опытах составлял 0,81; 0,86 и 0,77 соответственно. Чтобы увеличить этот коэффициент необходимо использовать III диапазон, так при ширине захвата 5,03 м и использовании третьей передачи этого диапазона скорость будет почти 3,9 м/с, что не удовлетворяет агротехническим требованиям. Использование при 6 м ширине захвата передачи ІЇІ/2 также приводит к повышению скорости до 3,1 м/с, поэтому вполне очевидно, что повысить коэффициент использования мощности на передаче П/2 необходимо применять машину с большей шириной захвата. Результаты исследований тягового сопротивления культиватора от ширины захвата представлены на рисунке 4.6.
Теоретическая зависимость (линия 1) получена по выражению (2.63) для ширины захвата 6 м; для ширины захвата 5,515 м коэффициент при а в этом выражении равен 7,39, свободный член 0,05; для ширины захвата 5,03 м соответственно - 6,76 и 0,04. Глубина обработки а=0,1 м. Как видно из графика зависимость теоретическая прямолинейная, а в экспериментальной зависимости (линия 2) существует небольшое отклонение от прямолинейности, что связано с погрешностью опыта и, возможно, разновидностью рабочих органов культиватора. Тяговое сопротивление изменяется от 32,9 до 40,6 кН, удельное тяговое сопротивление составляет 6,6 кН/м. Исходные данные для расчетов и результаты опытов представлены в приложении Г. Допустимый коэффициент использования силы тяги трактора т)и =0,93 /58/, поэтому можно сказать, что тяговое сопротивление на передаче П/2 не должно превышать 45,1 кН. Тогда с учетом удельного сопротивления ширина захвата должна составлять не более 6,8 м.
Влияние скорости движения на тяговое сопротивление осуществляли в диапазоне скоростей, указанном в технической характеристике культиватора, на трех режимах: 1,65; 2,20 и 2,75 м/с. Обеспечение необходимого скоростного режима осуществляли на передаче /2 при 6 м ширине захвата и постоянной глубине обработке. Результаты этой зависимости представлены на рисунке 4.7.
Тяговое сопротивление изменяется от 39,8 кН при скорости 1,65 м/с до 42,5 кН при скорости 2,75 м/с, визуально зависимость можно разделить на две части: более пологая от 1,65 до 2,2 м/с (6...8 км/ч) и более крутая - 2,2...2,75 м/с (8... 10 км/ч). На первом отрезке тяговое сопротивление увеличилось на 0,5 кН, что соответствует росту тягового сопротивления на 2,3% на единицу прироста скорости. На втором отрезке увеличение составляет 9,9% на 1 м/с прироста скорости. Коэффициент использования мощности двигателя при этом увеличивается и составляет - 0,47; 0,63 и 0,83 при скоростях - 1,65; 2,20 и 2,75 м/с.
Исследование рассматриваемых параметров в функции буксования показало, что с ростом ширины захвата буксование увеличивается с 1,25 до 2,12% (рисунок 4.8). Вполне очевидно, что увеличение буксования связано с возрастанием тягового сопротивления, тем не менее даже при скорости 2,75 м/с буксование не превышает 2,5%.
Влияние скорости движения на буксование представлено на рисунке 4.9, и как видно из графика увеличение скорости также приводит к увеличению буксования, но в меньшей степени, чем в зависимости от ширины захвата. Пределы изменения буксования от 2 до 2,3%.
