Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1. Анализ существующих зарубежных и отечественных конструкций зерновых сеялок и посевных агрегатов 8
1.2. Современные требования к посеву зерновых культур в степной зоне Южного Урала 20
1.3. Тенденция развития и совершенствования посевной техники для условий Южного Урала 23
1.4. Влияние скорости движения агрегата на качество работы 27
1.5. Ширина захвата и оптимальные скоростные режимы работы машинно-тракторных агрегатов. Оптимальные параметры 30
1.6. Выводы, цель и задачи исследований 39
2. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы посевного агрегата 41
2.1. Системный подход к обоснованию параметров посевного агрегата 41
2.2. Оптимизация эксплуатационных параметров посевного агрегата 44
2.2.1 .Обоснование мощности двигателя через управляемые параметры 52
2.2.2. Обоснование параметров буксования трактора при агрегатирование посевного агрегата 54
2.2.3. Исследование функции W в зависимости от аргумента В и V 58
2.3. Выводы 70
3. Методика экспериментальных исследований 72
3.1. Задачи и программа экспериментального исследования 72
3.2. Выбор и подготовка оборудования для проведения экспериментальных работ 75
3.3. Методика замера отдельных величин и определение изучаемых параметров 81
3.4. Агрономическая оценка качества работы посевного агрегата 87
3.5. Условия проведения опытов 92
3.6. Подготовка агрегата к проведению полевых испытаний 94
3.7. Порядок проведения опытов 99
3.8. Методика определения расчетных величин и методы обработки экспериментальных данных 102
3.9. Методика хронометражных наблюдений за работой посевного агрегата
и обработка хронометражных данных 108
3.10. Оценка погрешностей измерения и точности результатов опытов 110
3.11. Выводы 115
4. Результаты экспериментальных исследований 116
4.1. Условия проведения экспериментальных исследований 116
4.2. Агротехнические показатели и их анализ 117
4.3. Погрешность при определении тягового сопротивления посевного агрегата 124
4.4. Анализ влияния скорости движения посевного агрегата на буксование колесного трактора 128
4.5. Анализ энергетических показателей посевного агрегата 134
4.6. Проверка основных выводов теоретической части 137
4.7. Анализ хронометражных наблюдений за работой посевного агрегата с трактором К-744Р2 в производственных условиях 142
4.8. Выводы 143
5. Экономическая эффективность использования посевного агрегата с оптимальными эксплуатационными параметрами 144
Общие выводы и предложения 149
Литература 151
Приложения
- Анализ существующих зарубежных и отечественных конструкций зерновых сеялок и посевных агрегатов
- Оптимизация эксплуатационных параметров посевного агрегата
- Выбор и подготовка оборудования для проведения экспериментальных работ
- Погрешность при определении тягового сопротивления посевного агрегата
Введение к работе
Актуальность темы. В сельском хозяйстве важной технологической операцией является сев.
В настоящее время в сельское хозяйство поставляются новые мощные колесные тракторы К-744Р2 высокой энергонасыщенности. Использование этих тракторов позволяет сократить сроки сева и выполнять его в соответствии с требованиями агротехники, а также значительно повысить производительность труда.
На производительность машинно-тракторного агрегата в основном влияют мощность двигателя трактора, скорость движения и ширина захвата посевного агрегата.
Трактор типа К-744Р является машиной нового поколения. Поэтому исследование вопросов определения оптимальных эксплуатационных параметров МТА для получения максимальной производительности с учетом зональных особенностей является в настоящее время особо актуальным. Эта задача в данной работе рассматривается на примере посевного агрегата с трактором К-744Р2 в условиях зоны Южного Урала.
Цель исследования: Обоснование параметров и режимов работы противоэрозионного посевного агрегата для условий Южного Урала.
Объект исследования: Технологический процесс сева зерновых культур посевным комплексом «Кузбасс» с трактором К-744Р2.
Предмет исследования: Закономерности изменения производительности и режимов работы посевного МТА от скорости движения и ширины захвата.
Научная новизна. Заключается в комплексном подходе к решению задачи оптимизации эксплуатационных параметров посевного агрегата, в результате которых:
S Получены теоретические зависимости, позволяющие определить оптимальные параметры посевных агрегатов.
S Обоснованы аналитические выражения для определения оптимальной скорости, ширины захвата и производительности посевного агрегата.
S Предложено конструктивное решение позволяющие улучшить распределение зерна по сошникам агрегата «Кузбасс». Новизна технического решения подтверждена положительным решением о выдаче патента на изобретение, Федерального института промышленной собственности РФ Xs2004123992/12(025870).
Практическая ценность работы. Использование машинно-тракторного агрегата с оптимальными параметрами и режимами работы, при посеве зерновых культур позволяет увеличить производительность агрегата до 25% и уменьшить расход топлива на 12-18%.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований, полученные в процессе работы, использованы хозяйствами Сакмарского района и Саракташского района.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства ОГАУ (Оренбург, 2002...2006 гг.), на региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Оренбург, 2003 г.), на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК» (Оренбург 2004 г.), международной научно-технической конференции «Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК» (Оренбург 2005 г.).
Результаты научных исследований по диссертации отмечены серебряной медалью и дипломом второй степени Российской Агропромышленной выставки «Золотая осень» (Москва «ВВЦ» 2005 г.), золотой медалью и дипломом шестого Московского международного салона инноваций и инвестиций за лучший инновационный проект (Москва 2006 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, объемом 0,9 печатных листов, в том числе 0,7 печатных листов лично соискателем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, и выводов, изложенных на 181 страницах, списка литературы (137 источников, из них 3 иностранных) и приложений.
Текстовая часть иллюстрирована 57 рисунками и 21 таблицами.
Анализ существующих зарубежных и отечественных конструкций зерновых сеялок и посевных агрегатов
Пневматическая сеялка имеет два бункера, которые можно заполнить семенами и минеральными удобрениями. Каждый бункер имеет свой дозатор.
Семена и удобрения проходят через шлюзовой затвор в скоростной воздушный поток. Привод вентилятора, осуществляется с помощью находящегося в передней части сеялки дизельного двигателя.
Смесь воздуха и семян или удобрений проходит через две распределительные системы, что позволяет разделить их на небольшие потоки для каждой лапы культиватора.
Пневматическая сеялка имеет некоторые функциональные преимущества по сравнению с другими машинами этого типа: глубокое внесение удобрений в почву, повышенную скорость посева, возможность агрегатирования с культиватором с рабочим пролетом более 18 метров. В таком сочетании культиватор и сеялка могут работать на поле со скоростью от 8 до 14 км/час, благодаря чему достигается высокая производительность [73].
Специализированные посевные машины изготавливают зарубежные фирмы Vertiber, Kuhn (Франция), INFOagrar (Германия), Howard (Великобритания) и др. [13]. Фирма Ralewenk (Германия) выпускает комбинированные зерновые агрегаты для различных типов почв.
В качестве посевной части могут применяться навесные сеялки с механическим (фирмы Amazonen-Werke, Hassia) или пневмомеханическим дозированием семян в сошники (фирма Accord). По следу колес трактора установлены два ряда зубовых рыхлителей с поворотными рабочими органами или подпружиненные рыхлители с устройством для автоматического возврата в исходное положение.
Фирма предлагает также варианты комбинированных агрегатов для работы по стерневому фону. Для этого впереди фрезы дополнительно устанавливается ряд подпружиненных рыхлительных стоек со сменными поворотными рабочими органами [6].
Для разбросного посева по стерне фирмой Horsch (Германия) выпускаются 3 варианта агрегата Horsch, различающихся по ширине захвата (2,5 и 4 м). Агрегат предназначен для работы на скоростях от 6 до 10 км/ч, оснащается двумя пневмомеханическими высевающими системами типа Accord, позволяющими производить высев семян после прохода почвофрезы, а также внесение удобрений непосредственно перед проходом почвофрезы. Фирма Vaberstad изготавливает пневматические сеялки «Rapid F Combi», «Rapid F Seed», «Rapid Super XL» самых разнообразных моделей, специально разработанных для возделывания зерновых культур по І стерневому фону. Сеялки Rapid славятся точностью высева, высокой производительностью и экономической эффективностью. Новые флагманы Rapid А 600С и 800С обеспечивают производительность 6-8 га/ч. Бункер этих сеялок оснащен передвижной внутренней стенкой, отделяющей семена от удобрений. Сеялки оснащаются системой Agrilla, что представляет собой два ряда S-образных рыхлителей Agrilla, установленных перед однорядной выравнивающей системой Crossbord, управление осуществляется из кабины трактора [89]. Помимо указанных преимуществ сеялок Rapid существует еще одно t технологическое нововведение - гидравлическое управление глубиной заделки семян, разработанное фирмой Vaberstad. Эта система управления называется «Master and Slave» и предназначена, для контроля за глубиной заделки семян и определения плотности почвы. По своей простоте и эффективности система «Master and Slave» не имеет аналогов, гидроцилиндры действуют синхронно, точность работы достигается современной электроникой, контролирующей работу всех гидроцилиндров. Несмотря на новые технологии фирмы, имеется и ряд недостатков: сеялка предназначена только для высева семян пшеницы и агрегатируется вместе с культиватором, который обрабатывает почву на глубине от 1 до 8 см, при этом измельчая стерню. Такой вид обработки не соответствует условиям Южного Урала, где почвы подвержены ветровой эрозии. В отличие от иностранной сеялки, отечественный посевной агрегат «Кузбасс» предназначен для работы в зонах с повышенной эрозийностью почв. Задача по поиску новой технологии высева, решена при помощи установки стрельчатых лап, подрезающих сорные растения и оставляющих стерню на поверхности поля, в результате чего уменьшается воздействие ветровой эрозии. [6]. К основным недостаткам иностранных сеялок и посевных комплексов можно отнести: і I. Малая рабочая глубина посева до 0,04 м, что при климатических и почвенных условиях Южного Урала не удовлетворительно сказывается на урожайности. 2. Малый запас прочности конструктивных элементов агрегатов, рабочие стойки не выдерживают работы на высоких скоростных режимах при высокой твердости почвы. 3. Отсутствие рекомендаций по режимам работы в условиях Южного Урала. і 4. Сложности в покупке комплектующих для сеялок и посевных комплексов. Зачастую заказанные детали приходится ждать от 1 до 3 недель, что при проведении посевной оказывает решающие значение на сроки посева 5. Несовместимость некоторых сеялок с отечественными тракторами, которые не обеспечивают достаточного давления в гидросистеме для поднятия секции и полноценной работы. В 1990-1992гг. в нашей стране было создано семейство автономных высевающих систем для комбинированных машин с использованием отечественных стерневых культиваторов на предпосевной обработке почвы [8,9,99]. Они отличаются объемом бункера, конструкцией несущей системы и рядностью модулей высевающих систем. Широкозахватная сеялка - культиватор СЗС-12, оснащенная новыми рабочими органами с меньшим тяговым сопротивлением, позволяет повысить производительность труда по сравнению с агрегатом СЗС-2,1 на 31,8% рис. 1.5. [51].
Оптимизация эксплуатационных параметров посевного агрегата
Выявление общих закономерностей изменения параметров посевного комплекса состоит в решении следующих задач: установление зависимостей ширины захвата и скорости движения от агро-производственных условий, от мощности двигателя, типа ходовой системы и выявление пределов использования машин с выбранными параметрами в условиях реальных полей [121].
На основе анализа в первой главы определена рациональная технология посева зерновых культур для условий Южного Урала.
Однако для обоснования оптимальных параметров посевного комплекса необходимо построение общей модели, отражающей влияние среды и объекта, в той мере, которая обеспечивает выбора экономически оправданных технологических схем работы посевного агрегата.
За основу структурной модели формирования оптимальных параметров посевного агрегата взята структурная модель сельскохозяйственного агрегата по совершенствованию работы бахчеуборонного комплекса, предложенная О.Н.Тереховым [120].
Исходя из этого общий процесс формирования оптимальных параметров посевного комплекса может быть представлен структурной моделью рис. 2.1, отражающей взаимодействие отдельных компонентов в системе «обьект-среда-техническая система (посевной агрегат)».
Параметры состояния объекта на поле (травмироваемость семян, форма и размер, влажность, коэффициент трения, коэффициент восстановления, плотность семян) обозначены через ft, f2, ґз, U, fs- Параметры состояния среды поля (твердость, влажность, температура, механический состав почвы, количество сорных растений, рельеф поля) обозначены как bb b2, b3, b4, bs-Параметры требований предъявляемых к настройке агрегата (глубина высева, норма высева, технические требования к трактору (крюковая мощность, мощность двигателя, экологичность работы и тд.), вид посевного комплекса, технические требования к ПК) работы S, S2, S3, S4, S5. F -функция состояния среды и объекта к моменту начала посева. К - преобразующая техническая система на базе посевного комплекса «Кузбасс» - 8,5/9,7/12,2. Предварительные выходные параметры (производительности и агротребований) W, A, Lw, LA - блок сравнений. U, U — блок формирования требований к объекту и среде. Vi, Vj - блок формирования качеств объекта и среды. gKp, Эгод, Гл, Г3, Д, Пс - поток выходных параметров посевного агрегата (удельный часовой расход топлива на один «кВт» крюковой мощности, годовая экономия, зависимость гребнистость почвы, отклонение глубины заделки, отклонение семян пшеницы от центра рядка, количество уничтоженных сорных растений на 1м . Ъ\ , Z2 , 23 - требуемые показатели качества посева зерновых культур.
Анализ системы показывает, что из всего многообразия сигналов поступающих на вход системы можно выделить наиболее значимые которые влияют на состояние преобразующей систем - это длина гона, твердость почвы, скорость движения агрегата, ширина захвата, мощность двигателя, буксование.
Таким образом построение структурной модели и ее анализ позволили сформулировать задачу теоретического исследования в следующем виде: обосновать ширину захвата и скорость движения посевного комплекса типа «Кузбасс» при ограничениях - мощности двигателя, буксования с учетом выполнения агротехнических требований к технологическому процессу.
Тогда посевной комплекс можно представить как преобразующую техническую систему на входе в которую поступают параметры состояния внешней среды, твердость почвы, длина гона, уклон поля, параметры состояния самого объекта МТА (ширина захвата, скорость движения, буксование). На выходе преобразующей системы имеем засеянное поле в соответствии с агротехническими требованиями и параметры агрегата отвечающие максимальной производительности, что тоже самое, что минимальные издержки. Блок сравнения позволяет удерживать качественные агротехнические показатели комплекса в заданных пределах с помощью регулирующих (путем изменения скорости) воздействий, как оператора, так и за счет изменения ширины захвата. 2.2. Оптимизация эксплуатационных параметров посевного агрегата
Взаимосвязь процессов механизации сельскохозяйственного производства с точки зрения инженерных, агротехнических и экономических требований приводит к тому, что принятие какого-либо решения в той или иной операции неизбежно затрагивает большое количество факторов. Вместе с тем и сами решения (технические, экономические) носят все более сложный характер. Все это требует применения в работе специальных научно-обоснованных математических методов, облегчающих принятие решений. В качестве одного из этих методов, как было сказано выше, является метод оптимизации.
В настоящее время проведен ряд исследований по определению оптимальных параметров сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов (МТА). [25,84,116]. В этих задачах, применительно к основным сельскохозяйственным операциям, рассматривается некоторый гипотетический (потенциальный) агрегат, обладающий неограниченной мощностью. Такая постановка задачи и ее решение дает возможность обосновать перспективный тип трактора, определить потребную мощность двигателя при соответствующих операциях и рациональные режимы использования МТА. Однако в практике машиноиспользования обычно приходится решать і иную, не менее сложную задачу-определение эксплуатационных скоростных режимов работы существующего трактора при ограничении мощности двигателя (в пределах номинальной), с возможными значениями параметра ширины захвата МТА.
Выбор и подготовка оборудования для проведения экспериментальных работ
Для проведения экспериментальных исследований разработана специальная методика, в которой учтены основные положения ГОСТ-24055-88 и ГОСТ-5072-79Е ГОСТ-20915-75 [26,27,95].
Правильно выбранный метод измерения и эксплуатации приборов и аппаратуры в процессе проведения экспериментальных работ обеспечивают высокое качество и точность проводимых исследований. Выбор приборов и аппаратуры зависит от цели исследования, требуемой точности, характера эксплуатационных режимов машин, количества измерений и возможности перемещения выбранного прибора на исследуемой детали, а также от количества занятых людей при проведении эксперимента.
При современном уровне механизации сельского хозяйства, оснащенного более сложными машинами, наиболее рациональными методами тензометрирования является синхронная регистрация всех интересующих нас показателей.
На основании изложенного в основу энергетической оценки посевного агрегата был положен электротензометрический метод. При этом была применена низкочастотная тензоустановка, обладающая сложной конструкцией, но надежная в эксплуатации. Те изометрический модуль АЦП с вводом/выводом был смонтирован в кабине трактора К-744Р2 (рис. 3.2.).
Для проведения экспериментальных работ, предусмотренных методикой экспериментального исследования, применялось следующее оборудование и приспособления; 1. Низкочастотная тензоустановка, базирующаяся на использовании тензометрического звена, включающаяся в себя: а) компьютер модельного ряда ноутбук Novia-3012; б) модуль ввода/вывода АЦП для тензометрии, 16 бит, 150 кГц, 4/8 каналов; в) коммутатор-усилитель (32 канала) с выходами до 10 В; г) крейт-контроллер: LPT порт (ЕРР или Bidirectional), 1,5 м, до 800 кБ/сек; д) пакет обработки сигналов. НПП «МЕРА». DOS. типовая версия /ПОС командный; е) блок бесперебойного питания ACFUSE Т4А 250V (модель BNT-600A); ж) агрегат бензоэлектрический АБ-1-0/230; з) прибор измеряющий расход топлива «Импульс-12М»; и) кабели, для соединения приборов, замеряющих обороты коленчатого вала, мерного колеса, расхода топлива, компьютера и питающего кабеля. 2. Тензометрическое звено (1 шт) для соединения посевного агрегата с горизонтальной навеской трактора с целью измерения горизонтальных Р усилий, возникающих в навеске трактора в процессе сева. 3. Контактный прерыватель с микровыключателем для измерения оборотов мерного колеса и копирования поля. 4. Мерный бачок для определения расхода топлива за полуопыт. 5. Ареометр с пределами измерения 0,7-1,0 г/см . 6. Секундомер для измерения продолжительности опыта. 7. Рулетка металлическая на 20м для разбивки участков и измерения ширины захвата агрегата и гребнистость почвы. 8. Глубинограф для замера глубины сева. 9. Металлические стаканчики (бюксы) для взятия проб почвы на влажность. 10.Весы аналитические с разновесом до 0,01 г для определения влажности почвенных проб. 11.Сушильный шкаф. 12.Плотномер Ревякина для определения твердости почвы. 13.Шнур, вешки, колья. 14.Квадратная рамка. Рис. 3.2. Тензометрический модуль АЦП ввода/вывода в кабине трактора К-744Р2 Для получения надежных результатов большое внимание уделялось подготовке, наладке и тарировке измерительной аппаратуры. Как указывалось выше, в качестве силоизмерительного прибора для измерения составляющей тягового сопротивления посевного агрегата было использовано тензометрическое звено к трактору. Тензометрическое звено до и после проведения полевых опытов подвергалось статической тарировке в горизонтальном направлении (приложение 2). Статическая тарировка тензометрического звена проводилась на стационарной установке УМ-5 постепенным нагружением и разгружением через определенные интервалы. Тарировка проводилась с интервалом нагрузки 500 кг. Повторность тарировки трехкратная. По данным тарировки были построены масштабные тарировочные графики (приложение 2) Для записи характера изменения крутящего момента на коленчатом валу двигателя и расхода топлива был установлен прибор, (рис. 3.5) который представляет собой импульсную схему, включающую формирователи сигналов от датчиков, кварцевый генератор временных импульсов, блок вычисления, программный распределитель, реле времени, аналоговый преобразователь, индикатор, блок и схему прибора (рис. 3.6). Индуктивный датчик оборотов (рис. 3.7) через формирователь импульсов подается на реверсивный счетчик в блоке вычисления, который производит их вычисление и сложение. Временный интервал сложения равен временному интервалу вычисления. Разница импульсов запоминается счетчиком, преобразуется в постоянный ток преобразователей и подается на стрелочный индикатор. При измерении оборотов реверсивный счетчик в блоке вычисления суммирует и накапливает импульс за периодически повторяющиеся равные интервалы времени. На выходе в индикатор с аналогового преобразователя поступают пилообразные импульсы, на среднее значение которых реагирует индикатор.
Погрешность при определении тягового сопротивления посевного агрегата
Проведенные теоретические исследования показали, что при оптимальных значениях ширины захвата и скорости движения для конкретных почвенно-климатических условий достигается максимальное значение производительности посевного агрегата. Максимум производительности, не может служить критерием оптимальности, так как не учитывает экономические показатели процесса сева. Более правильным необходимо считать за критерий оптимальности удельные прямые эксплуатационные затраты на единицу выполненной работы. Следовательно, необходимо показать, что в нашей постановке задачи максимальное значение производительности посевного агрегата совпадает с минимумом удельных прямых эксплуатационных затрат.
Согласно исследованию целевой функции максимальное значение производительности получается на границе области определения функции. В свою очередь область определения функции ограничивается мощностью двигателя трактора. Значит, максимальное значение производительности может быть достигнуто только при максимальной загрузке двигателя. В нашей постановке задачи максимальной загрузкой двигателя считается режим номинальной мощности, который, согласно регуляторной характеристике двигателя, является одновременно наиболее экономичным.
Следовательно, для реальной оценки посевной агрегат можно оценить только на эксплуатационных режимах работы, при которых двигатели тяговых средств работают с номинальной мощностью, исключаем при этом работу агрегата с недогрузкой или перегрузкой двигателя.
Необходимо учесть, что загрузку двигателя трактора, равную номинальной, можно получить при различных соотношениях скорости движения «V» и ширины захвата «В» агрегата. В результате решения из всех соотношений скорости движения «V» и ширины захвата «В», обеспечивающих режим номинальной мощности двигателя, выбрано такое, которое обеспечивает получение максимальной производительности посевного агрегата в конкретных условиях.
Экономическая эффективность использования посевных агрегатов с оптимальными эксплуатационными параметрами В и V, как отмечалось выше, в целом определяется путем сопоставления удельных прямых эксплуатационных затрат на единицу выполненной работы с агрегатами, работающими в обычных производственных условиях по данным хронометражных наблюдений [79,83,131].
В связи с тем, что сопоставляемые посевные агрегаты одинаковы (трактор К-744Р2 и посевные комплексы ПК-8,5/9,7/12,2) и отличаются только своими эксплуатационными параметрами В и V, то приведенные затраты для них рассчитывать не нужно, так как стоимость агрегатов в этих случаях будет одинаковой.
Похожие диссертации на Обоснование параметров и режимов работы противоэрозионного посевного агрегата для условий Южного Урала
