Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1 Природно-климатические особенности региона эксплуатации 8
1.2 Технологии основной обработки почвы 12
1.3 Агротехнические требования к вспашке 14
1.4 Технологические и конструктивные схемы плугов 15
1.5 Анализ исследований по оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы МТА 20
1.6 Согласование энергетических характеристик и скоростных диапазонов орудия и трактора 23
1.7 Постановка цели и задач исследований 28
2. Теоретические предпосылки к определению эксплуатационных параметров и режимов работы пахотного агрегата
2.1 Вероятностная математическая модель пахотного агрегата 29
2.2 Оценка энергетических и технико-экономических показателей работы МТА на отдельном поле и их совокупности региона эксплуатации 35
2.3 Рабочий диапазон тяговых усилий трактора 43
2.4 Зависимость тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата от скорости движения 48
2.5 Выбор критерия оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы агрегата 52
2.6 Методы расчета составов
и режимов работы тяговых агрегатов 58
3. Методика экспериментальных исследований
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 73
3.2 Оборудование и измерительная аппаратура, применяемая в исследованиях 74
3.3 Тарировка приборов 79
3.4 Методика определения характера и структуры статистических оценок системы «почва-орудие-движитель-трансмиссия-двигатель» 80
3.5 Методика лабораторных испытаний двигателей и лабораторно-полевых испытаний тракторов 87
3.5.1 Методика определения зависимости тягового сопротивления агрегата от скорости движения 90
3.5.2 Определение влияния параметров машин-орудий и режимов их работы на эффективность использования МТА 91
3.6 Определение влияния способа основной обработки почвы на урожайность зерновых культур 93
4.Результаты исследовании
4.1 Тормозные испытания двигателей и тяговые испытания тракторов 97
4.2 Влияние скорости движения на тяговое сопротивление агрегата 101
4.3 Влияние вида основной обработки почвы на урожайность зерновых культур 103
4.4 Качественные показатели работы основных типов корпусов плуга 105
4.5 Влияние состава и режимов работы МТА на выходные показатели при выполнении основной отвальной обработки почвы 108
4.6 Оценка влияния допускаемых скоростных и нагрузочных режимов на эксплуатационные показатели работы пахотных агрегатов 117
5. Оценка технико-экономических показателей работы
Машинно-тракторного агрегата 124
Общие выводы и рекомендации 126
Список использованной литературы 127
Приложения
- Технологические и конструктивные схемы плугов
- Рабочий диапазон тяговых усилий трактора
- Оборудование и измерительная аппаратура, применяемая в исследованиях
- Качественные показатели работы основных типов корпусов плуга
Технологические и конструктивные схемы плугов
При определении оптимальных параметров и режимов работы агрегатов (по экстремуму целевой функции), как правило, основными критериями эффективности принимаются максимум производительности, минимум расхода топлива на единицу выработки или удельных затрат средств на единицу обработанной площади при соблюдении агротехнических требований.
Большой вклад в решение вопросов оптимизации параметров режимов работы МТА в разное время внесли Агеев Л.Е., Болтинский В.Н., Гудков А.Н., Гуськов В.В, Завалишин Ф.С., Иофинов С.А., Киртбая Ю.К., Мацепуро М.Е., Поликер Б.Е., Трепененков И.И., и другие [16,18,42,43,54,68-71,92,122].
В начальный период внедрения в сельскохозяйственное производство тяговых агрегатов оптимизация осуществлялась по тяговому к.п.д. трактора, как основному параметру, характеризующему эффективность использования мощности двигателя.
Первые теоретические предпосылки построения типажа тракторов были разработаны в начале 40-х годов И.И. Трепенковым и Д.А. Чудаковым [127]. В основу построения типажа был положен параметрический ряд тракторов в виде геометрической прогрессии их тяговых усилий и мощностей двигателей. Предложенный типаж тракторов был подобран таким образом, чтобы обеспечить их высокие технико-экономические показатели при выполнении всего комплекса работ в различных почвенно-климатических зонах.
Использование тягового к.п.д., как критерия оптимизации позволяет оценить минимум потерь энергии только в самом тракторе и при взаимодействии его движителя с почвой. В то же время уровень энергозатрат с/х машин и орудий при неизменной конструкции их рабочих органов с увеличением скорости движения агрегата существенно возрастает и наивысшая чистая производительность агрегата не соответствует максимальному тяговому к.п.д. трактора.
В качестве критериев оптимизации в работах С.А. Иофинова, Ю.К. Киртбая, И.И. Киселева [62-64,68-71] приняты максимум производительности, минимумы расхода топлива, затрат механической энергии и труда.
Начиная с 70-х годов в качестве основного критерия оптимизации широко используются приведенные затраты средств [2] или приведенные затраты средств с учетом потерь урожая в зависимости от скорости движения агрегата и взаимодействия различных типов движителей с почвой [103].
Влиянию параметров и режимов работы агрегатов на уплотнение почвы движителями и снижение урожая возделываемых культур посвящены исследования А.Г. Бондарева, И.П. Ксеневича, В.А. Скотникова и др. [20,106 и др.].
В последние годы в качестве критерия оптимизации параметров МТА принимались дифференцированные затраты, которые учитывают ограниченность трудовых ресурсов, уровень технической оснащенности производства и потери урожая от несвоевременности выполнения работ или максимум эффективности труда, затраченного на получение продукции.
Определенного внимания заслуживают исследования А.А. Зангиева [102], где широко использован многоуровневый системный подход обобщенных методов оптимизации состава и режимов работы агрегатов на базе критерия ресурсосбережения.
Аналогичные направления по оптимизации параметров и режимов работы МТА характерны для зарубежных авторов. Отдельные исследования посвящены оптимизации эксплуатационной массы тракторов с использованием критерия его тягового к.п.д., другие -экономии топливно-энергетических ресурсов. Ряд исследователей предлагают осуществлять выбор машин и агрегатов по стоимостным критериям. Определенное внимание в работах уделяется выбору мощности тракторного двигателя и способу ее реализации [140-142].
Существующие различия в подходах в основном сводятся к использованию разных критериев оптимизации. Единый критерий при оценке эффективности средств механизации отсутствует это связано с тем, что в каждом случае, в зависимости от целей и задач исследования, производственных условий используется наиболее важный из них. Так профессор Мацепуро М.Е. [92] считает, что основным критерием выбора рациональных параметров машин должны являться агротехнические требования и величина тягового сопротивления агрегата при выполнении данного вида работ. В.И. Фортуна предлагает величину оптимальной скорости определять исходя из качества работы и экономических соображений.
Ф.С. Завалишин для этих целей в своей работе [54] использует качественные показатели работы почвообрабатывающих агрегатов: копирование рельефа поля, удельный вес и конструктивные особенности машин. В.В. Кацыгин использует минимум удельных затрат средств [70].
Таким образом, анализ рассмотренных выше подходов показывает, что приведенные затраты средств на единицу работы до настоящего времени являются одним из основных критериев оценки эффективности использования МТА. Однако необходимо учитывать, что современное сельскохозяйственное производство является одной из развитых форм воздействия на природу. Научно-технический прогресс здесь сопровождается не только благоприятными, рациональными изменениями, но и отрицательными - возникает и усиливается эрозия почв, почва чрезмерно уплотняется, уменьшается содержание гумуса, ухудшается качество работ. В рамках рассматриваемых в данной работе вопросов это связано с увеличением рабочих скоростей движения, массы машин, параметрами рабочих органов машин-орудий и пр. Кроме этого введение интенсивного земледелия породило проблему переуплотнения почв движителями машин, заставляющую проводить комплексные исследования в различных почвенно-климатических зонах страны. При этом объектом исследований является система «движитель-почва-урожай».
Совершенствуя методику прогнозирования параметров МТА, в работе в качестве основного критерия оптимизации используется максимум эффективности труда при выполнении определенного объема конечной продукции. Основным из путей решения этой задачи является системный метод, который заключается в учете и анализе многообразия среды функционирования машины, технологических и агротехнических сроков выполняемого процесса, условий труда и его затрат, а также стоимости конечного продукта.
Рабочий диапазон тяговых усилий трактора
Задаться реальной шириной захвата агрегата В; и для каждого принятого в распределении Kjnp определить соответствующее тяговое сопротивление агрегата Ру по формуле (2.84). Необходимо оценить эффективность использования того или иного состава агрегата по принятому критерию оптимизации. Для этого необходимо определить следующие показатели:
На рис.2.10 приведена схема графического метода определения выходных показателей на примере трактора Т-250 в составе с плугом ПТК-12-35 с рабочей шириной захвата от 3-х до 5-ти метров, а на рис.2.11 - обобщенная характеристика агрегатов с указанными составами для группы полей. Задавшись і-той рабочей шириной захвата и удельным сопротивлением почвы Kjnp можно определить соответствующие показатели пахотного агрегата: тяговое сопротивление Рц , скорость движения Vjj, чистую производительность Wy, расход топлива на единицу обработанной площади gWy, и величину буксования движителей бу.
При определении составов и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов для группы полей и оценке их выходных показателей целесообразно выделить следующие наиболее характерные варианты эксплуатации МТА.
Для первого варианта характерно то, что ввиду относительно небольшого изменения математических ожидании удельного тягового сопротивления агрегата по отдельным полям Kjnp и рационального согласования по параметрам машин и орудий с трактором, при одном составе агрегата, с определенной вероятностью на всех полях рассматриваемой группы, не будут нарушаться агротехнические требования и полностью будут использованы потенциальные возможности трактора (рис.2.12).
Для второго варианта (рис.2.13) характерно то, что трактор во всех случаях работает с нагрузкой, меньшей Рдтах, а на полях с небольшим удельным сопротивлением почвы и полной загрузкой двигателя скорость агрегата Vy, превысит максимально допустимую агротехническими требованиями Vamax. Поэтому на тех полях, где Pk Pamin, необходимо включать такую передачу трактора, которая обеспечила бы работу двигателя с минимальным удельным расходом топлива, а скорость движения агрегата не превышала бы максимально допустимую по агротехническим требованиям. Работа двигателя с недогрузкой снижает производительность агрегата и, как правило, увеличивает затраты средств на единицу обработанной площади. Поэтому на полях с небольшим удельным сопротивлением почвы наиболее целесообразно использовать трактор того же тягового класса, но с меньшим уровнем энергонасыщенности, или трактор предшествующего тягового класса.
Для третьего варианта характерно то, что на полях с повышенным удельным сопротивлением почвы загрузка трактора превышает номинальную Ру Рн. Если по техническим условиям допускается указанная перегрузка трактора по тяге и выполняется условие Pij =Pamax;P8, (2-91) Рис. 2.13. Схема к определению обобщенной эксплуатационной тяговой характеристики агрегата для группы полей этот состав можно рекомендовать для эксплуатации. При невыполнении этих условий необходимо использовать трактор большего тягового класса. При значительных изменениях физико-механических свойств почвы на отдельных полях и узком рабочем диапазоне тяговых нагрузок на полях с малым удельным сопротивлением почвы возникает необходимость использовать трактор с недогрузкой двигателя, а на полях с повышенным удельным сопротивлением почвы - с перегрузкой трактора по тяге. Все это снижает эффективность использования почвообрабатывающих агрегатов. Для устранения указанных недостатков необходимо перекомплектовывать агрегаты.
При ступенчатом изменении ширины захвата агрегата возникает необходимость в определении наиболее рациональных составов для отдельных групп полей. Приняв за основу допустимый диапазон тяговых сопротивлений агрегата (Рдтіп— Рдтах) и соответствующие ему границы скорости движения (Удтід... Уцтах) необходимо определить диапазон изменения ширины захвата агрегата, который бы с заданной вероятностью обеспечил работу агрегата в принятом нагрузочном и скоростном режиме с полным использованием потенциальных возможностей трактора. Диапазон изменения ширины захвата определяем по формулам (1.2 и 1.3).
Приняв за основу полученный диапазон теоретически возможного изменения ширины захвата агрегата и, учитывая конструктивные и эксплуатационные особенности машин и орудий, необходимо подобрать реальные составы агрегатов.
Для каждого из принятых составов агрегатов допустимый диапазон изменения удельных сопротивлений почвы определяется по формулам (1.4 и 1.5).
Полученный диапазон изменения удельных сопротивлений почвы позволяет определять те поля, на которых может работать агрегат с принятым составом. На отдельных полях возможна эксплуатация агрегата с различной шириной захвата. В этом случае предпочтение следует отдавать такому составу, который обеспечивает лучшее качество обработки почвы, наибольшую производительность, наименьший расход топлива и затраты средств на единицу обработанной площади.
По мере увеличения числа агрегатов, имеющих различную ширину захвата, рабочий диапазон тягового сопротивления будет уменьшаться (рис.2.14), а при бесступенчатом ее изменении можно подобрать такие режимы работы агрегата, когда при всех встречающихся значениях удельного сопротивления почвы по отдельным полям, тяговое сопротивление и скорость движения агрегата останутся неизменными. Р,кН Рис. 2.14. Схема к определению выходных показателей тягового агрегата при различных вариантах комплектования агрегата: работа с нарушением агротехнических требований по скорости или при превышении максимально допустимой силы тяги 20 30 40 50 60 70 80 Р, кН Универсальная обобщенная эксплуатационная тяговая характеристика агрегата для группы полей в составе трактора Т-250 и плуга ПТК-12-35: работа с нарушением агротехнических требований или превышением номинальной силы тяги В качестве примера на рис.2.15 приведена универсальная вероятностно-статистическая тяговая характеристика агрегата в составе трактора Т-250 и плуга ПТК 12-35. Она позволяет определить основные технико-экономические показатели агрегатов как при ступенчатом, так и бесступенчатом изменении их ширины захвата.
Из характера протекания графиков следует, что при ступенчатом изменении ширины захвата плугов от 8 до 12-ти корпусов технико-экономические показатели агрегатов улучшаются. Однако ни один из применяемых в настоящее время плугов для агрегатирования с тракторами класса 5 на большинстве полей не позволит полностью использовать потенциальные возможности трактора Т-250 без нарушения агротехнических требований по скорости движения.
Если не учитывать перегрузку трактора по тяге, то наиболее рациональным по агротехническим и технико-экономическим показателям следует считать агрегат в составе с ПТК-12-3 5 Вр=4,41 м. При этом математическое ожидание тягового сопротивления агрегата по отдельным полям будет изменяться в пределах от 40 до 62 кН.
Оборудование и измерительная аппаратура, применяемая в исследованиях
Нагрузочный и скоростной режим работы трактора, зависимость тягового сопротивления машин-орудий от скорости движения оказывают определяющее влияние на величину энергетических и технико-экономических показателей работы МТА.
Экспериментальное определение влияния скорости движения, ширины захвата агрегата и глубины обработки почвы на его тяговое сопротивление производилось по методике представленной в р.3.5.1. С целью сокращения объема эксперимента и стабилизации условий испытаний использованы методы активного планирования.
В качестве объектов исследования приняты агрегаты для основой отвальной обработки почвы на базе тракторов Т-402, Т-404 и Т-250 с опытным плугом. Выбор орудия объясняется возможностью изменения ширины захвата от 2,1 до 4,2 м за счет изменения количества корпусов. Глубина обработки почвы изменялась (от 0,20...0,22 до 0,25...0,27 м).
Перед проведением опытов разметка поля проводилась таким образом, чтобы длина рабочих ходов трактора составляла не менее 400м, что обеспечивает согласно ранее проведенным исследованиям [71] получение достоверной статистической оценки вероятно-статистических характеристик исследуемых процессов.
Для исследования изменения технико-экономических показателей агрегатов в рабочем диапазоне тяговых усилий тракторов в качестве варьируемых факторов приняты ширина захвата Вр и глубина обработки почвы h (табл. 3.2). В ходе проведения экспериментальных исследовании и в результате обработки опытных данных определялись средние значения ведущего момента на коленчатом валу двигателя, часовой расход топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя, скорость движения агрегата, тяговое усилие трактора, чистая производительность агрегата и погектарный расход топлива (рис. 3.1).
При каждом сочетании варьируемых факторов опыты проводились в трехкратной повторности согласно предварительно проведенной рандомизации плана.
Для каждого состава агрегата определялось усилие на его передвижение при холостом проходе по необработанному участку поля с выглубленными рабочими органами. Заданные уровни глубины обработки почвы устанавливались по заранее нанесенным меткам и количеству оборотов регулировочных винтов плуга ПТК-12-35. Проводился регулярный контроль глубины обработки почвы.
Скоростной режим работы тракторов выбирался таким образом чтобы обеспечить максимальную рабочую скорость движения агрегата, то есть принималась такая рабочая передача, чтобы трактор устойчиво без остановки двигателя, мог двигаться в течение опыта. Таблица 3.2. Факторы и их уровни Факторы Уровни варьирования факторов 2 3 Ширина захвата агрегата В,м 2,1 3,15 4,2 Глубина обработки h, м 0,25-0,27 0,23-0,25 0,20-0,22 По результатам экспериментальных исследований устанавливались регрессионные зависимости энергетических v. технико-экономических показателей от варьируемых факторов. Для этого использовалась программа расчетов, основанная на методе наименьших квадратов. Оценка адекватности моделей и значимости коэффициентов регрессии производилась по методикам, изложенным в [41, 43].
Результаты исследований и обработки опытных данных приведены в прил. IV.
Возделывание зерновых культур на территории степных и лесостепных районов Алтайского края связано с некоторыми трудностями, определяемыми природными условиями. Среди факторов, оказывающих влияние на их урожайность, одно из ведущих мест принадлежит обработке почвы. В связи с этим возникает необходимость реализации дифференцированного, с учетом зональных особенностей, подхода к решению этого вопроса.
Для количественной оценки влияния вида основной обработки почвы и применяемых орудий по специально разработанной методике проведены экспериментальные исследования. В течение трех лет трехкратной повторности исследовались: отвальная обработка почвы плугом ПТК-12-3 ; плоскорезная глубокая обработка почвы плоскорезом-глуборыхлителем ПГ-3- -7; плоскорезная мелкая обработка почвы культиватором плоскорезом КПШ-11. Исследования проводились в совхозе «Обь» Калманского района Алтайского края на черноземах обыкновенных среднесуглинистогс состава. Опытное поле разбивалось на 9 зачетных делянок площадьк по 5 га каждая (число делянок соответствует количеству опытов). Для каждого из вариантов обработки почвы случайным образом определялся зачетный участок (табл. 3.3).
Последующая обработка и сев зерновых в весенний период осуществлялась одинаково для всех зачетных участков.
В ходе эксперимента, начиная с осенней обработки почвы и заканчивая уборкой урожая, проводилась оценка следующих показателей: объемной массы, агрегатного состава почвы, запасов продуктивной влаги, засоренности поля и урожайности зерновых. С целью обеспечения одинакового влияния лесозащитных полос на накопление влаги в зимний период, расположение зачетных делянок осуществлялось согласно схеме приведенной на рис. 3.5.
Качественные показатели работы основных типов корпусов плуга
При определении составов и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов для группы полей и оценке их выходных показателей целесообразно выделить следующие наиболее характерные варианты эксплуатации МТА.
Для первого варианта характерно то, что ввиду относительно небольшого изменения математических ожидании удельного тягового сопротивления агрегата по отдельным полям Kjnp и рационального согласования по параметрам машин и орудий с трактором, при одном составе агрегата, с определенной вероятностью на всех полях рассматриваемой группы, не будут нарушаться агротехнические требования и полностью будут использованы потенциальные возможности трактора (рис.2.12).
Для второго варианта (рис.2.13) характерно то, что трактор во всех случаях работает с нагрузкой, меньшей Рдтах, а на полях с небольшим удельным сопротивлением почвы и полной загрузкой двигателя скорость агрегата Vy, превысит максимально допустимую агротехническими требованиями Vamax. Поэтому на тех полях, где Pk Pamin, необходимо включать такую передачу трактора, которая обеспечила бы работу двигателя с минимальным удельным расходом топлива, а скорость движения агрегата не превышала бы максимально допустимую по агротехническим требованиям. Работа двигателя с недогрузкой снижает производительность агрегата и, как правило, увеличивает затраты средств на единицу обработанной площади. Поэтому на полях с небольшим удельным сопротивлением почвы наиболее целесообразно использовать трактор того же тягового класса, но с меньшим уровнем энергонасыщенности, или трактор предшествующего тягового класса.
Для третьего варианта характерно то, что на полях с повышенным удельным сопротивлением почвы загрузка трактора превышает номинальную Ру Рн. Если по техническим условиям допускается указанная перегрузка трактора по тяге и выполняется условие Pij =Pamax;P8, (2-91) Рис. 2.13. Схема к определению обобщенной эксплуатационной тяговой характеристики агрегата для группы полей этот состав можно рекомендовать для эксплуатации. При невыполнении этих условий необходимо использовать трактор большего тягового класса. При значительных изменениях физико-механических свойств почвы на отдельных полях и узком рабочем диапазоне тяговых нагрузок на полях с малым удельным сопротивлением почвы возникает необходимость использовать трактор с недогрузкой двигателя, а на полях с повышенным удельным сопротивлением почвы - с перегрузкой трактора по тяге. Все это снижает эффективность использования почвообрабатывающих агрегатов. Для устранения указанных недостатков необходимо перекомплектовывать агрегаты.
При ступенчатом изменении ширины захвата агрегата возникает необходимость в определении наиболее рациональных составов для отдельных групп полей. Приняв за основу допустимый диапазон тяговых сопротивлений агрегата (Рдтіп— Рдтах) и соответствующие ему границы скорости движения (Удтід... Уцтах) необходимо определить диапазон изменения ширины захвата агрегата, который бы с заданной вероятностью обеспечил работу агрегата в принятом нагрузочном и скоростном режиме с полным использованием потенциальных возможностей трактора. Диапазон изменения ширины захвата определяем по формулам (1.2 и 1.3).
Приняв за основу полученный диапазон теоретически возможного изменения ширины захвата агрегата и, учитывая конструктивные и эксплуатационные особенности машин и орудий, необходимо подобрать реальные составы агрегатов.
Для каждого из принятых составов агрегатов допустимый диапазон изменения удельных сопротивлений почвы определяется по формулам (1.4 и 1.5).
Полученный диапазон изменения удельных сопротивлений почвы позволяет определять те поля, на которых может работать агрегат с принятым составом. На отдельных полях возможна эксплуатация агрегата с различной шириной захвата. В этом случае предпочтение следует отдавать такому составу, который обеспечивает лучшее качество обработки почвы, наибольшую производительность, наименьший расход топлива и затраты средств на единицу обработанной площади.
По мере увеличения числа агрегатов, имеющих различную ширину захвата, рабочий диапазон тягового сопротивления будет уменьшаться (рис.2.14), а при бесступенчатом ее изменении можно подобрать такие режимы работы агрегата, когда при всех встречающихся значениях удельного сопротивления почвы по отдельным полям, тяговое сопротивление и скорость движения агрегата останутся неизменными.
Универсальная обобщенная эксплуатационная тяговая характеристика агрегата для группы полей в составе трактора Т-250 и плуга ПТК-12-35: работа с нарушением агротехнических требований или превышением номинальной силы тяги В качестве примера на рис.2.15 приведена универсальная вероятностно-статистическая тяговая характеристика агрегата в составе трактора Т-250 и плуга ПТК 12-35. Она позволяет определить основные технико-экономические показатели агрегатов как при ступенчатом, так и бесступенчатом изменении их ширины захвата.
Из характера протекания графиков следует, что при ступенчатом изменении ширины захвата плугов от 8 до 12-ти корпусов технико-экономические показатели агрегатов улучшаются. Однако ни один из применяемых в настоящее время плугов для агрегатирования с тракторами класса 5 на большинстве полей не позволит полностью использовать потенциальные возможности трактора Т-250 без нарушения агротехнических требований по скорости движения.
Если не учитывать перегрузку трактора по тяге, то наиболее рациональным по агротехническим и технико-экономическим показателям следует считать агрегат в составе с ПТК-12-3 5 Вр=4,41 м. При этом математическое ожидание тягового сопротивления агрегата по отдельным полям будет изменяться в пределах от 40 до 62 кН.
Похожие диссертации на Обоснование рациональных параметров и режимов работы пахотных агрегатов
