Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса, постановка цели и задач исследования 14
1.1. Анализ применяемых технологий для возделывания зерновых культур в РТ, РФ и за рубежом 14
1.2. Проблемы механизации технологических процессов в РФ в условиях ее вступления в ВТО и введения против нее экономических санкций 26 29
1.3. Методы определения основных параметров тракторов и агрегатов и их недостатки 26
1.3.1. Методы определения основных параметров тракторов .
1.3.2. Пути повышения эффективности использования тракторов
1.3.3. Анализ показателей эффективности использовании машинно-тракторных агрегатов и выбор критерия оптимизацииих параметров 31
1.4. Постановка цели и задач исследования Выводы 37
2 Системная энергетическая математическая модель посевного агрегата
2.1. Обоснование пределов изучаемой системы 38
2.2. Построение энергетической математической модели посевных агрегатов для оптимизации основных параметров трактора и посевного агрегата
2.2.1 Определение составляющих суммарных энергетических затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт тракторов и сельскохозяйственных машин
2.2.1.1 Математическое описание подсистемы модели для расчета производительности агрегата
2.2.2 Математическое описание подсистемы модели для расчета энергетических затрат оператора агрегата
2.2.3 Математическое описание подсистемы модели для расчта прямых энергетических затрат через топливо исмазочные материалы
2.2.3.1 Выявление часового расхода топлива двигателя трактора, работающего в составе посевного агрегата
2.2.4 Математическое описание подсистемы модели для расчета энергии урожая, потерянного из-за не оптимально выбранных параметров и режимов работы трактора и агрегата
2.2.4.1 Математическое описание подсистемы модели для расчета энергии урожая, потерянного из-за нарушения агросрока выполнения технологической операции
2.2.4.2 Математическое описание подсистемы модели для расчета энергии урожая, потерянного из-за негативного воздействия движителей трактора на почву
2.2.4.3 Методика расчета максимального давления пневматического колеса на почву с использованием теории подобия
2.2.5 Математическое описание модуля (подсистемы) модели
для расчета параметров колесного движителя в зависимости от массы трактора Выводы
3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.1. Программа экспериментальных исследований
3.2. Агротехническая и энергетическая оценка посевных агрегатов
3.3. Методика эксплуатационно-технологических исследований посевных агрегатов
3.4. Методика многофакторного эксперимента по определению зависимости давления движителей трактора на почву от параметров трактора, движителя и физико-механических свойств почвы
3.5. Методика многофакторного эксперимента по определению влияния параметров трактора и агрегата на потери урожайности
3.6. Методика обработки экспериментальных данных Выводы
4 Результаты экспериментальных исследований 112
4.1 Результаты агротехнической и энергетической оценки посевных агрегатов 112
4.2 Результаты эксплуатационно-технологических исследований посевных агрегатов 115
4.3 Результаты многофакторного эксперимента по определению зависимости максимального давления движителей трактора на почву от параметров трактора, движителя и физико-механических свойств почвы
4.3.1 Статистический анализ данных 117
4.3.2 Анализ уравнений регрессии .
4.4 Результаты экспериментального определения оптимальной ширины захвата агрегата, рабочей скорости и давления в шинах трактора Джон Дир – 9430 на посеве 149
4.5 Проверка системной энергетической математической модели на адекватность .
4.5.1 Проверка на адекватность модуля расчета часового расхода топлива .
4.5.2 Проверка на адекватность модуля расчета часовой производительности посевных МТА .
4.5.3 Проверка на адекватность модуля системной энергетической математической модели посевных МТА для расчета энергии урожая, потерянного от уплотнения почвы 153
Выводы 156
5 Результаты оптимизации параметров и режимов работы трактора и посевного агрегата 159
5.1 Алгоритм и блок-схема алгоритма определения основных параметров трактора и посевного МТА 159
5.2 Оптимизация основных параметров трактора, работающего в составе различных посевных агрегатов
5.2.1 Посевной агрегат с сеялкой типа СЗ-3,6 (двухдисковые сошники) 162
5.2.2 Посевной комплекс типа Lemken Solitair (однодисковый сошник) 167
5.2.3 Посевной комплекс типа DMC (долотообразный сошник).. 173
5.2.4 Посевной комплекс типа Агромастер (культиваторный сошник) 178
5.2.5 Посевной комплекс типа Agrator anker (анкерный сошник) 184
5.3 Обобщенные рекомендации производству .
5.4 Энергетическая и экономическая эффективность реализации результатов исследования
Выводы 196
Выводы и предложения 199
Список использованной литературы
- Методы определения основных параметров тракторов
- Определение составляющих суммарных энергетических затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт тракторов и сельскохозяйственных машин
- Агротехническая и энергетическая оценка посевных агрегатов
- Оптимизация основных параметров трактора, работающего в составе различных посевных агрегатов
Введение к работе
Актуальность темы. Устойчивое развитие сельскохозяйственного производства предполагает, в том числе и непрерывный рост производительности труда. С целью повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве, для нее поставляются все более энергонасыщенные трактора высоких тяговых классов отечественного и иностранного производства. Эффективность использования тракторов и машинно-тракторных агрегатов на их базе зависит от особенностей технологической операции, оптимальности параметров и режимов работы, как трактора, так и машинно-тракторного агрегата в целом. Ряд отечественных и зарубежных ученых отмечали в своих трудах, что при оптимизации параметров сельскохозяйственной техники, в том числе и тракторов, необходимо использовать системный подход, учитывать влияние параметров и режимов работы техники на конечный результат производства – урожайность возделываемой культуры. Также имеется мнение, что для прогнозных расчетов нежелательно использовать критерии оптимизаци и, основанные на денежны х единица х, ибо они сильно подвержены субъективным процессам, присущим финансовой среде.
Поэтому исследования, направленные на оптимизацию параметров и режимов работы тракторов и машинно-тракторных агрегатов на отдельной технологической операции с использованием комплексного, объективного критерия оптимизации – суммарные энергетические затраты, учитывающего влияние параметров трактора на конечный результат производства, является актуальной задачей.
Работа соответствует плану НИР Казанского государственного аграрного университета по теме «Энергосбережение в сельскохозяйственном производстве», выполненному согласно Государственной программе Российской Федерации "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года" (утвержденной распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. N 2446-р) и Республиканской целевой программе "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Республике Татарстан на годы и на перспективу до 2020 года" (с изменениями от 15 декабря 2010 г.) (Постановление Кабинета Министров Республики Татарстан от 29 июля 2010 г. N 604 "Об утверждении долгосрочной целевой программы).
Степень разработанности темы. Повышением эффективности использования тракторов и машинно-тракторных агрегатов занимались большое количество ученых. Созданию и развитию науки эффективной производственной эксплуатации сельскохозяйственной техники посвятили свои труды: Линтварев Б.А., Кацыгин В.В., Болтинский В.Н., Свирщевский Б.С., Трепененков И.И., Барам Х.Г., Завалишин Ф.С., Полканов И.П., Веденяпин Г.В., Киртбая Ю.К., Сергеев М.Н., Орлов Н.М., Зангиев А.А., Иофинов С.А., Хабатов Р.Ш., Ксеневич И.П., Гуськов В.В., Парфенов А.П., Агеев Л.Е., Красовских В.С., Кутьков Н.М., Скойбеда А.Г., Ляско М.И., Мазитов Н.К., Саклаков В.Д., Мухамадьяров Ф.Ф., Хафизов К.А., Шаров Н.М. и многие другие ученые. Однако до сегодняшнего дня отсутствует метод определения основных параметров трактора, учитывающий их влияние на формируемый урожай.
Цель работы. Повышение энергетической эффективности функционирования посевных агрегатов, за счет оптимизации основных параметров трактора, параметров и режимов работы машинно-тракторного агрегата.
Задачи исследования.
1. Разработать системную энергетическую математическую модель посевного
агрегата для оптимизации основных параметров трактора, ширины захвата и скорости перемещения агрегата с учетом их влияния на формируемый урожай;
2. Разработать программу, методику и провести экспериментальные
исследования тракторов и посевных агрегатов для получения недостающих
зависимостей энергетической математической модели посевного агрегата, сбора
данных для проверки модулей математической модели на адекватность;
3. Провести вычислительные эксперименты с целью определения оптимальных
параметров трактора и посевного агрегата в целом, выявить устойчивость
оптимальных параметров при изменении факторов рассматриваемой системы;
4. Составить практические рекомендации по выбору параметров посевных
машинно-тракторных агрегатов, определить эффективность их внедрения в
производство.
Объект исследований. Посевные машинно-тракторные агрегаты.
Предмет исследований. Качественные и количественные взаимосвязи между показателем эффективности – суммарные энергозатраты, параметрами трактора и машинно-тракторного агрегата, урожайностью сельскохозяйственных культур и факторами внешней среды, влияющими на эффективность работы агрегатов.
Методология и методы исследования. Принятая методология проведенных исследований опирается на положения системного анализа. В системном анализе принята концепция построения моделей систем, называемая гомеостатической (подобное состояние). Построение таких моделей опирается на интенсивное развитие информационных технологий. Основным элементом гомеостатической системы является формальная система, которая в отличие от обычных математических моделей – являющихся совокупностью уравнений, часто на основе использования какого-либо математического аппарата, включает в себя различные математические и логические модули, из которых создают алгоритм решения проблемы. Для посевных машинно-тракторных агрегатов, формальная система сложена из эмпирических зависимостей, полученных с использованием теории подобия, методов математической статистики, из прикладного математического аппарата теории двигателей, теории тракторов, эксплуатации машинно-тракторного парка.
Сюда также включаются методики, программы и алгоритмы, позволяющие просчитывать эффективность функционирования системы – допустим, определять энергетические или денежные затраты агрегата на единицу выполненной работы. Оптимизация параметров трактора и посевного агрегата происходит на основе использования численных методов, реализованных через компьютерные программы на базе системы компьютерной математики МАТЛАБ.
Научная новизна:
– метод определения основных параметров трактора (массы трактора и мощности его двигателя) для работы на отдельной технологической операции, с учетом влияния параметров трактора на формируемый урожай, с целью достижения минимальных суммарных энергетических затрат;
– метод определения максимального давления пневматического колеса на почву, разработанный с использованием теории подобия и планирования экспериментов;
– результаты натурных и вычислительных экспериментальных исследований посевных машинно-тракторных агрегатов по выявлению оптимальных параметров трактора и агрегата для посева зерновых культур.
Практическая значимость исследований заключается в том, что разработанный метод оптимизации параметров тракторов, с учетом их влияния на формируемый урожай позволяет использовать его как при проектировании новых конструкций тракторов, так и для подбора посевных агрегатов на базе существующих тракторов. Практическое использование результатов исследования ведет к снижению суммарных энергетических затрат до 16000 МДж/га в зависимости от используемых тракторов, посевных комплексов и свойств почвы. Результаты исследования переданы МСХиП РТ, апробированы в КФХ «Мухаметшин», ООО «Саба» Сабинского района.
Публикации. По результатам исследований опубликованы 45 статей, в том числе 9 – в журналах из перечня ведущих периодических изданий (3 статьи изданы без соавторов), определенных ВАК. Получено 3 свидетельства о гос ударственной регистрации программы для ЭВМ. Материалы исследований отражены в учебном пособии. Общий объем опубликованных работ 12,4 п.л., из них автору принадлежат 6,93.
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований доложены и одобрены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Казанского ГАУ — в 2009 - 2016 гг.; на Международных научно-практических конференциях «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2009 и 2011 гг.); на Международной научно-практической конференции «Образование, наука и производство. Новые технологии как инструмент реализации стратегии развития и модернизации – 2020» (Казань, 2012 г.); «Новации ХХI века: технологии, экономика, творчества» (Тамбов, 2013 г.); на Международной научно-практической конференции «Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники» (Уфа, 2013 г.); на научно-техническом совете Института механизации и технического сервиса Казанского ГАУ в 2016 г.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивалась
применением методологии системного анализа, использованием статистических методов обоснования количества измерений и обработки экспериментальных данных, сравнением значений промежуточных параметров с результатами других исследований, что обеспечило хорошую сходимость расчетных и экспериментальных показателей.
Вклад автора в проведенное исследование. Исследование проведено автором самостоятельно. Им сформулированы цель и задачи исследований, разработаны математические модели подсистем, системной энергетической модели посевных машинно-тракторных агрегатов: математическое описание подсистемы для расчёта прямых энергетических затрат через топливо и смазочные материалы; математическое описание подсистемы для расчета параметров колесного движителя в зависимости от массы трактора; разработана методика расчета максимального давления пневматического колеса на почву с использованием теории подобия, теории планирования многофакторных экспериментов, получены уравнения регрессии.
Лично автором разработана программа и методики экспериментальных исследований, получены необходимые зависимости. На основе многофакторного эксперимента выявлено влияние параметров трактора и посевного агрегата на формируемый урожай и проведена проверка системной энергетической математической модели на адекватность. Разработаны рекомендации производству.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 218 страницах машинописного текста, содержит 51 таблиц, 75 рисунков, список литературы из 135 наименований.
Методы определения основных параметров тракторов
Основным источником энергии, при выполнении полевых технологических операций, являются тракторы. Надо уточнить, что на первых четырех категориях технологий (таблица 1.1) могут использоваться одни и те же тракторы. Только пятая категория технологий накладывает на тракторы особые требования, связанные: с использованием современных информационных технологий; автоматизацией управления трактором и агрегатами в целом; наличием бортовых вычислительных средств и навигационных приборов, оснащенных специальным программным обеспечением (программы обработки информации, цифровые карты полей и др.) и ряда других особенностей в конструкции трактора. Тем не менее, технологии отличаются технологическими операциями, которые в зависимости от своей энергоемкости требуют использования различных тракторов [114].
В СССР с 1941 года учеными во главе с Д.А. Чудаковым в качестве основного признака определяющего типоразмерный ряд тракторов было предложено номинальное тяговое усилие, это сохранилось и на постсоветском пространстве. Типаж тракторов по этому показателю определил НАТИ, в нее входит 10 классов. В международной практике (по ISO 730/1–77; ISO 730/2–79; ISO 730/3– 82) применяется классификация колесных тракторов по конструктивному признаку трактора – категории навесного устройства. Категория навесного устройства устанавливается на тракторе по значению максимальной тяговой мощности. Тракторы делят на четыре категории по максимальной тяговой мощности, полученной при испытаниях трактора на гладкой горизонтальной и сухой бето нированной поверхности или на горизонтальной поверхности, покрытой скошенной или нескошенной травой. Классификации сельскохозяйственных тракторов по тяговому усилию и по тяговой мощности (классификация ISO) могут быть соотнесены между собой (таблица 1.4) [129].
Как видим, в РФ типоразмерный ряд тракторов определяется 10 классами (первый тяговый класс в таблице не приведен). Если учесть, что для каждого класса выпускают несколько марок тракторов, унификация которых оставляет желать лучшего, то ясно, что для держателей техники большой проблемой становится поддержание техники в исправном состоянии. Необходимо большое разнообразие запасных частей, а, как известно, запасные части это «мертвые деньги», выведенные из оборота.
Классификации сельскохозяйственных тракторов по тяговому усилию и по тяговой мощности (классификация ISO) Категория трактора (по ISO 730-1) 1 2 3 4 Максимальная тяговая мощность, кВт 35 30...75 75...135 135... 300 Значение мощности на ВОМ, измеренной по стандарту ИСО, кВт До 48 До 92 80...185 150...350 Тяговый класс 0,6/0,9 0,9/1,4/2 2/3/4 5/6/8 Диапазон тягового усилия, кН 1,8...12,6 12,6...27 27...45 45...108 Диапазон мощности двигателя тракторов РФ, кВт 24.6...33 33... 96 96...154 154...287 (280-335) Масса трактора РФ, т 1,8...2,7 2,7...6,5 6,5...9 9...17,5 Если их нет в запасе предприятия товаропроизводителя, то закономерно будут увеличиваться затраты, связанные с простоем техники и потерями урожая. Динамика изменения тракторного парка РТ приведена в таблице 1.5. Как видно из таблицы количественно парк тракторов в РТ с каждым годом снижается в основном за счет выбывания гусеничных тракторов ДТ, колесных ХТЗ. Стабильно количество тракторов МТЗ при одновременном росте количества тракторов МТЗ-1221 и 1523.
Количество импортных тракторов с 2007 года по 2013 год выросло почти в 3 раза. При этом парк зарубежных тракторов представлен самыми различными марками и их число больше 10. Это вызывает определенную обеспокоенность в связи с тем, что курс доллара в 2015 году вырос почти в два раза, западные страны, поставляющие в Россию свои тракторы и запасные части к ним, объявили экономические санкции.
Поэтому, в сегодняшних условиях, когда Россия находится на начальном этапе становления высокотехнологичного сельскохозяйственного машиностроения и отсутствия эффективной системы технического сервиса сельскохозяйственной техники, первая задача (она определена на интуитивном уровне), которую необходимо решить – снизить количество марок тракторов в сельскохозяйственных предприятиях. Для решения этой проблемы можно разделить технологические операции в сельскохозяйственном производстве на группы с учетом энергоемкости операций, а также других факторов таких как: необходимость механизации личных подворий сельчан, мелких фермерских хозяйств; необходимость использования тракторов на транспортных операциях; необходимость ухода за пропашными культурами.
Приоритетное использование тракторов на различных группах технологических операциях приведено в таблице 1.6.
Из таблицы видно, что если для личного подворья и мелких фермерских хозяйств достаточен трактор тягового класса 9 кН, то для крупного производства нужны более серьезные трактора. Для транспортировки грузов необходимы трактора тягового класса 14-30 кН, такие же нужны для возделывания пропашных культур и ухода за растениями. Для малоэнергоемких операций: закрытие влаги, подготовка поля к посеву и посев на подготовленное к посеву поле подойдут трактора тягового класса 20-40 кН [106].
Для средних по энергоемкости операций, таких как прямой посев, подготовка к посеву культиваторами на глубину до 20 см., обработка почвы тяжелыми дисковыми орудиями, при использовании комбинированных агрегатов по подготовке почвы к посеву – подойдут трактора тягового класса 40-50 кН. Если даже, с точки зрения минимизации обработки почвы и энергосбережения, из производственного процесса исключается вспашка, необходимость периодического использования глубокого рыхления почвы на поле несомненна. Поэтому предполагаем, что для выполнения высокоэнергоемких операций, таких как вспашка, глубокое рыхление почвы, чизелевание, плоскорезно-щелевая обработка необходимы трактора высокого тягового класса 60-80 кН.
В связи с тем, что на одной и той же технологической операции используются трактора различных тяговых классов, возникает вопрос – Трактора с какими основными параметрами эффективнее на отдельных технологических операциях (в нашем случае – на посеве), а какие трактора эффективны для применения на комплексе технологических операций? Диссертационная работа посвящена поиску ответа именно на этот вопрос.
Определение составляющих суммарных энергетических затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт тракторов и сельскохозяйственных машин
До недавнего времени, в период становления науки по эксплуатации сельскохозяйственной техники, тракторы и машинно-тракторные агрегаты на их базе изучались изолированно, как самостоятельные системы. Для этого использовали критерии эффективности, характеризующие лишь техническую систему. Допустим, считалось, что трактор будет работать эффективно, если он будет нагружен тяговым усилием, обеспечивающим его максимальный тяговый коэффициент полезного действия, это усилие обычно равно номинальному тяговому усилию трактора [11] (рисунок 2.1). Однако дальнейшее развитие теории эксплуатации тракторов и сельскохозяйственной техники, показало, что оптимальный скоростной и нагрузочный режим работы трактора и машинно-тракторного агрегата во многом зависит от принятого показателя эффективности и оптимальные значения параметров МТА по различным критериям оптимизации не совпадают [102] (таблица 2.1).
Чтобы обеспечить минимальные эксплуатационные затраты – надо использовать посевные агрегаты с минимальной шириной захвата (допустим с одной сеялкой СЗ – 3,6) и максимально возможной скоростью, а чтобы Система
Номинальные – мощность, крутящий момент, обороты к.в., удельный расход топлива, удельная литровая и массовая мощность, надежность, цена, энергоемкость, КПД, запас крутящего момента и др КПД, число передач, надежность, цена, энергоемкость и др Максимальное давление на почву, КПД, надежность, цена, энергоемкость и др Надежность, цена, КПД, давление в гидросистеме, максимальная сила навески, мощность привода и обороты ВОМ, мощность гидросистемы др Агротехнические показатели качества, удельное сопротивление почвы, надежность, цена, энергоемкость и др Чистая часовая производительность, энергоемкость и др Эксплуатационная производительность, эксплуатационные и приведенные затраты, затраты труда, затраты энергии на 1га Эксплуатационная производительность, затраты труда, интегральные затраты с учетом стоимости потерянного урожая, суммарные энергетические затраты с учетом энергии потерянного урожая Рисунок 2.1 – Возможные варианты изучаемых систем и показатели эффективности систем и их элементов обеспечить минимальный расход топлива на один гектар поля (площадь поля больше 20 га) надо использовать посевные агрегаты с максимально возможной, для используемого трактора, шириной захвата и т.д. [99].
Оптимальная ширина захвата и скорость посевного агрегата с трактором Т-150 по нескольким критериям оптимизации [102] Площадь поля, га Класс длины гона, м Трактор Т-150 + СЗ-3,6 (СЗП-3,6) Экономияпо сравнениюс трех-сеялочнымагрегатом,руб./га состав агрегата и рабочая скорость по критериям значениекритерия(Sэ+Sа+Sу),руб./га Gmin wmax s3min (Sэ+Sа) (Sэ+Sа++Sу ) 1,5 Примечание. G – погектарный расход топлива, кг/га; W – производительность за час времени смены, га/ч; Sэ – прямые эксплуатационные затраты, руб/га; Sэ+Sа – сумма эксплуатационных затрат и стоимости урожая, потерянного от нарушения агросроков сева, руб/га; (Sэ+Sа+Sу) – интегральные затраты, руб/га. в числителе ширина захвата агрегата, м; в знаменателе скорость перемещения в км/ч. цены 1990 года. В методологии системного анализа [70] констатируется, что из большой системы можно вычленять более маленькие системы, для досконального их изучения, однако при этом нельзя отбрасывать связи, существующие между большой и малой системами. Варианты возможных систем при изучении посевных МТА мы свели в единую схему и приводим на рисунке 2.1. Здесь же рассмотрены показатели эффективности работы элементов и подсистем сложной системы, используемые при переходе от одной системы к другой.
В связи с тем, что посевной машинно-тракторный агрегат является сложной системой, входящей как подсистема в еще более сложную систему – комплекс машин на производственном процессе, в модели посевного агрегата необходимо предусмотреть его связь с внешней средой. В рассматриваемом случае необходимо учитывать связь посевного агрегата с параметрами поля, на котором он работает, с параметрами почвы, которую агрегат обрабатывает и связь с урожайностью возделываемой культуры, получаемой в результате производственного процесса, как конечный продукт. Также необходимо учесть, что одно поле могут обрабатывать несколько агрегатов, поэтому необходимо учитывать взаимосвязи агрегатов, влияющие на объем работы каждого агрегата на одном поле или предприятии в целом. Нельзя забывать, что элементами внешней среды по отношению к посевному машинно-тракторному агрегату является система инженерно-технического обслуживания и система материально-технического снабжения.
Возможен другой вариант изучения машинно-тракторных агрегатов, путем расширения границ рассматриваемой системы и доведения его до пределов: МТА – оператор – поле – почва – урожай или: трактор – орудие – оператор – поле – почва – урожай (ТООППУ), рисунок 2.1 [92,102,126].
Мы выдвигаем изначальную научную гипотезу, что включение в систему трактор-орудие-оператор-поле-почва, которая в науке об эксплуатации тракторов традиционно рассматривается и изучается, дополнительного элемента – урожайности, и изучение влияния параметров трактора на формируемый урожай позволит нам получить новые знания об оптимальных параметрах тракторов и агрегатов.
Как видно из рисунка 2.1, чем сложнее рассматриваемая система, тем более комплексным, обобщающим, более системным должен быть показатель эффективности системы, чтобы вобрать в себя все частные показатели эффективности элементов и подсистем сложной системы. Таких показателей всего два – это, либо интегральные затраты (Sэ+Sа+Sу), как сумма эксплуатационных затрат и стоимости урожая, потерянного из-за нарушения агросрока выполнения операции и уплотнения почвы движителями техники, либо суммарные энергетические затраты, включающие энергию урожая, потерянного в связи с выбором не оптимальных параметров трактора и МТА [105,126].
В системном анализе используется способ построения математических моделей систем, называемые гомеостатическими (подобное состояние) [70]. Создание и использование гомеостатических математических моделей опирается на развившиеся в последнее время информационные технологии. Основным элементом гомеостатической системы является формальная система, которая в отличие от обычных математических моделей – являющихся совокупностью уравнений, часто на основе использования какого-либо математического аппарата, включает в себя различные математические и логические модули, из которых создают алгоритм решения проблемы. Для машинно-тракторных агрегатов, формальная система складывается из эмпирических зависимостей, полученных с использованием методов математической статистики, из прикладного математического аппарата теории двигателей, теории тракторов, эксплуатации машинно-тракторного парка.
Агротехническая и энергетическая оценка посевных агрегатов
Энергия, затраченная на управление МТА, определяется эргономикой трактора и агрегата в целом, его приспособленностью к оператору, использованием автоматизированных и автоматических систем управления.
Чем меньше энергозатрат на управление и обслуживание техники, тем техника совершеннее.
Вопросы, связанные с расчетом энергозатрат живого труда на управление посевными и другими агрегатами до конца не решены, т.к. представляют большую сложность в связи с отсутствием метода расчета энергозатрат на воспитание, обучение, социальную и материальную поддержку операторов МТА.
В нашем случае можно подсчитать энергозатраты на управление агрегатом через затраты труда в человеко-часах с использованием коэффициентов перевода затрат труда в энергозатраты [102]: Эупр = ПмкжЖ , (2.23) где п - численность персонала обслуживающего агрегат, чел.; к переводный коэффициент, МДж /чел.-ч.
Энергия, затраченная на разборку и МТА зависит от частоты переездов, определяемой размерами полей, затрат труда на эти работы, ширины захвата посевного агрегата и конструктивных особенностей сельскохозяйственных машин [102]: 3ср = Tжkж-Bp-S0/FП, (2.24) где - энергия, затраченная на сборку и разборку агрегата в зависимости от параметров агрегата в МДж/га; Тж - затраты живого труда на сборку и разборку одного метра агрегата, чел.-ч/м; кж - коэффициент перевода затрат труда в МДж, МДж/чел.ч; SQ– объм работы, приходящийся на один агрегат, га; FП- площадь обрабатываемого поля, гa. Для определения Тж необходимо провести наблюдение в полевых условиях за посевными агрегатами, составленными на базе различных посевных комплексов.
Влияние основных параметров трактора на искомые составляющие суммарных энергетических затрат проявляется через изменение ширины захвата и соответственно производительности посевного МТА.
Математическое описание подсистемы модели для расчта прямых энергетических затрат через топливо и смазочные материалы Для расчета энергии израсходованного топлива, воспользуемся известной формулой [95]: Э ТСМ-_G РTР+G Х Т Х+G О ТO, (225) гг СМ где: GР.GХ GО - значения часового расхода топлива на рабочем ходу, на поворотах и переездах, с поднятыми рабочими органами и на холостом ходу двигателя, кг/ч. GP = (p Ne Mm B V – расход топлива на рабочем ходу зависит от параметров и режимов работы посевного агрегата, кг/ч.
Значения CJХ (JО постоянные величины, обычно приводятся в справочниках [89]. ТР ТХ ТО -составляющие времени смены соответственно на рабочий ход, холостые переезды и холостую работу двигателя на остановках, ч; q энергетический эквивалент (энергоемкость плюс энергосодержание) 1 кг топлива, МДж/кг [66].
Влияние основных параметров трактора на искомую составляющую суммарных энергетических затрат проявляется через изменение значений часового расхода топлива на рабочем ходу, холостых поворотах и переездах и на холостом ходу двигателя, кг/ч, а также через изменение производительности агрегата. В формуле 2.25 неопределенным является часовой расход топлива двигателя трактора на рабочем ходу, не выявлена его связь с основными параметрами трактора.
При составлении энергетической модели машинно-тракторных агрегатов для расчета энергетических затрат, связанных с использованием топлива, необходимо рассчитать часовой расход топлива на рабочих режимах двигателя. В работе [98] для этого предлагается использовать данные тяговой характеристики трактора, снятой на стерне. Однако в Российской Федерации и в Республике Татарстан сегодня широко используются зарубежные тракторы, для которых в литературе отсутствуют тяговые характеристики.
Поэтому нами предлагается методика определения часового расхода топлива, при использовании минимальной информации о характеристиках двигателя, установленного на трактор, обычно приводимых в рекламных брошюрах на трактор и его двигатель. Рассмотрим регуляторную характеристику двигателя, представленную на рисунке 2.3. При оптимизации параметров и режимов работы посевных машинно-тракторных агрегатов нас, в первую очередь, интересует работа двигателя на регуляторной ветви, когда частота вращения двигателя снижается в пределах отії до пен.
Оптимизация основных параметров трактора, работающего в составе различных посевных агрегатов
В основе разработанной методики эксперимента лежат положения требования "Методики полевого опыта" Б.А. Доспехова [29] и теории планирования многофакторных экспериментов [65].
Функцией отклика является урожайность ячменя сорта «Нур». В качестве входных факторов служат скорость агрегата V, ширина захвата агрегата В, и давление в шинах колес трактора w. Запланировано проведение трехфакторного эксперимента для получения модели урожайности с учетом указанных факторов. Использована линейная модель трехфакторного эксперимента и для нее составлен план полного факторного эксперимента 23, таблица 3.14.
Всего запланировано восемь опытов. Каждый опыт проводим в трехкратной повторности, поэтому необходимо 24 делянки. Ширина делянок равна ширине захвата агрегата и составляет 12,5 м. Длина делянок не менее 50 м. Проведена рандомизация и составлена схема размещения учетных делянок. Выбор размера делянок, поля, проведены согласно рекомендаций Б.А. Доспехов «Методика полевого опыта» [29]. Опыты заложены на полях ООО «Саба Агро» Сабинского района республики Татарстан. Почвы серые лесные, среднесуглинистые. Предшественниками в предыдущие годы являлись – рожь, затем пшеница.
Единица величины кгс/см м км /ч ц/га Основной уровень 1,15 8,35 10 ОбозначениестрокматрицыX Интервал варьирования 0,45 4,15 3 Нижний уровень (+) 0,7 4,2 7 Верхний у ровень (–) 1,6 12,5 13 № опыта 1 + + + 1 У1 + + — а У2 + — + в У3 + — — ав У4 — + + с У5 — + ас У6 — — + вс У7 - - - авс У8 При закладке опытов использовался трактор Джон Дир - 9430 с сеялкой Джон Дир 1630. Верхний уровень ширины захвата посевного агрегата и верхний уровень скорости подобраны исходя из тяговых возможностей трактора Джон Дир – 9430, для обеспечения его работоспособности. Скорость при посеве задавалась и поддерживалась с помощью бортового компьютера. Норма высева семян 220 кг/га, определена исходя из всхожести семян. Влажность и тврдость почвы фиксировались по
Перед посевом проведена подготовка почвы к посеву путем обработки дисковым орудием на глубину посева. В ходе опытов контролировались норма и глубина высева семян согласно требованию. Уход за посевами в ходе вегетационного развития растений был идентичный для всех делянок. Учет урожая проводится выборочно по делянкам в трех повторностях. Для обработки результатов многофакторного эксперимента согласно рекомендациям Б.А. Доспехова [29] – производится предварительная обработка данных далее дисперсионный анализ с целью определения точности опытов и подсчета НСР. Также проводится корреляционно -регрессионный анализ [59] – для выявления математической модели зависимости урожая ячменя от скорости посевного агрегата, давления в шинах колес трактора и ширины захвата посевного комплекса [117].
Обработка экспериментальных данных проводится методами математической статистики с использованием компьютерных программ. При обработке результатов агротехнической оценки работы посевных агрегатов вычисляем среднеквадратические отклонения, коэффициенты вариации измеренных показателей, а также рассчитываем их отклонения от заданной величины и сравниваем с нормативными значениями допустимых отклонений. По отклонениям показателей от нормативных значений находим допустимые пределы рабочей скорости агрегатов.
При определении эмпирических зависимостей k от скорости МТА, вначале проводится предварительная обработка экспериментальных данных, включающая: 1) вычисление характеристик эмпирических распределений; 2) проверка гипотезы нормальности распределений; 3) подсчет, по результатам всех повторностей, средних значений измеренных показателей, перевод показателей через масштаб в натуральный вид и подсчет значений к , соответствующих каждому значению скорости и ширины захвата. Только после этого методом наименьших квадратов определяются их корреляционно - регрессионные зависимости. Вычисление эмпирических распределений и проверка гипотезы нормальности производится в следующей последовательности [59]: 1. Определение среднего квадратического X : х1х,; (3.6) П i1 / =1 . (37) 2. Определение дисперсии эмпирического распределения (не смещенная оценка): 2=1f у-у 2 (3.8) 3. Выборочное среднеквадратическое отклонение: s =2 . (3.9) 4. Размах варьирования: R =Xmax-Xmin. (3.10) Так как опытных данных много, то для оценки нормальности распределения использован упрощенный метод, сокращающий время обработки. Подсчитывают отношение R /S и сопоставляют с критическими верхними и нижними границами этого отношения, приведенными в таблицах [59]. Если R S меньше нижней или больше верхней границы, то нормальность распределения под вопросом. Важно, чтобы это условие соблюдалось при р=0,10 (10% уровень значимости). В случае отрицательного результата, гипотезу о нормальности распределения желательно проверить по % - критерию, для которого составлена программа расчта на ЭВМ.
Обработка данных эксплуатационно - технологических исследований агрегатов заключается в обработке наблюдательных листов с целью определения средних значений /пс, Тз, tм по результатам повторностей, а также для подсчета коэффициента использования времени смены и производительности агрегатов за час времени смены согласно требованиям/, приведенным в литературе [57].
Кроме этого необходимо выявить эмпирические зависимости Rп от ширины захвата и скорости поворота агрегата, а также зависимости tпс,Tз, tм от ширины захвата агрегатов методом корреляционно-регрессионного анализа [59].
Обработка экспериментальных данных по определению зависимости давления движителей трактора на почву от параметров трактора, движителя и физико-механических свойств почвы проводилась с использованием пакета прикладной программы «Statistics Toolbox» в системе компьютерной математики МАТЛАБ.
Для обработки результатов многофакторного эксперимента использованы рекомендации «Методика полевого опыта» Б.А. Доспехова [29], а также [93, 59]. Производится предварительная обработка данных, дисперсионный анализ с целью определения точности опытов и подсчета НСР, а также корреляционно - регрессионный анализ - для определения зависимости урожая от ширины захвата, скорости посевного агрегата и давления воздуха в шинах колес трактора.