Оценка энергетических и агротехнологических показателей глубокорыхлителя с использованием обобщённого показателя эффективности

ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 631.312

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГЛУБОКОРЫХЛИТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБОБЩЁННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

© 2014 г. В.Н. Щиров, Г.Г. Пархоменко

Приведены исследования по обоснованию показателя, определяющего взаимосвязь качества рыхления, затрат энергии и режимов работы машин для глубокой обработки почвы.

Ключевые слова: глубокорыхлитель, энергетические показатели, агротехнические показатели, удельное тяговое сопротивление, обобщённый показатель, физико-механические свойства почвы, режимы работы чизеля, качество рыхления почвы.

In article researches on a substantiation of the indicator defining interrelation of quality of loosening, expenses of energy and operating modes of cars for deep processing of soil are resulted.

Key words: ^izel, power indicators, agro technical indicators, the specific traction resistance, the generalised indicator, physic mechanical properties of soil, operating modes chizel, quality of loosening of soil.

При разработке новых и совершенствовании существующих почвообрабатывающих машин основной целью является улучшение качественных и энергетических показателей технологического процесса и повышение экономической эффективности их использования в сельскохозяйственном производстве. Улучшение качественных показателей в пределах агротребований способствует повышению благоприятности биологических условий развития растений, а также качества уборки и хранения сельскохозяйственной продукции. Улучшение энергетических показателей технологического процесса обработки почвы при прочих равных условиях должно способствовать снижению затрат и повышению эффективности машин.

Повышение эффективности связано с необходимостью научного обоснования наиболее рациональных режимов почвообрабатывающих машин. При этом в процессе исследования учитывается влияние свойств среды, в которой функционирует машина. Исследования заключаются в определении взаимосвязи режимов машины, свойств обрабатываемой среды с конечными результатами, к которым относятся качественные и энергетические показатели технологического процесса.

Исходным пунктом формирования показателя оценки эффективности является установление связи между показателем, характеризующим результат, и условиями функционирования объекта.

При оценке эффективности машин решения приходится принимать в условиях

некоторой неопределенности, обусловленной наличием факторов, не поддающихся количественной оценке.

Так, качество выполнения технологического процесса обработки почвы количественно оценить затруднительно, так как необходимо рассматривать одновременно несколько показателей, поэтому вводится обобщенный показатель, устанавливающий соответствие результата воздействия рабочих органов на пласт агротехническим требованиям и учитывающий при этом количество затраченной энергии.

Часто в литературе показатель эффективности является эквивалентом энергоемкости или металлоемкости. Синтез его с коэффициентом качества позволяет получить обобщенный показатель эффективности технологического процесса.

Качественные и энергетические показатели технологического процесса обработки почвы активными рабочими органами оцениваются по критерию, представляющему отношение энергии, затраченной на рыхление пласта к коэффициенту, определяющему качество [2, 3]. Мы используем этот подход при оценке пассивных рабочих органов почвообрабатывающих машин для глубокой безотвальной обработки почвы, характерной особенностью которых является недорез пласта по ширине захвата и образование неразрушенных гребней под дном борозды.

Обобщенный показатель должен характеризовать влияние параметров, режимов работы и условий функционирования на эффективность машины.

Помимо этого обобщенный показатель эффективности должен иметь иерархическую структуру, то есть включать частные показатели в более общие.

Согласно определению [4], показателем является признак, по значению которого можно судить о протекании технологического процесса (в данном случае - глубокой обработки почвы) или количественно оценить выходные параметры технического средства.

Количественно оценить затраты энергии на рыхление пласта почвы можно по удельной энергоемкости технологического

процесса (удельной работе) А, представляющей произведение удельного тягового сопротивления р и скорости агрегата V:

о

А = р  v, Вт/см .

Обобщенный показатель эффективности технологического процесса глубокой обработки почвы П определим по формуле

П =

а

к

П ^ min, Вт/см

где К - коэффициент качества.

Смысл обобщенного показателя заключается в том, что при оценке эффективности учитываются не только затраты энергии на рыхление пласта, но и качество работы машины. Чем меньше показатель эффективности, тем меньше затраты энергии и лучше качество обработки почвы, то есть П ^ min .

При этом целесообразно составляющие коэффициента качества представить в виде процента той величины, которая предусмотрена агротребованиями по данному показателю. Таким образом, составляющие коэффициента качества К зависят от агротребований на технологическую операцию (чизелевание):

- равномерность глубины с отклонением до 10%;

- количество фракций размером до 50 мм - более 50%;

- высота гребней - до 30% от глубины;

- количество не заделанных растительных остатков - не менее 60%.

В соответствии с вышеизложенным, рассмотрим коэффициент качества в виде суммы четырех составляющих:

- коэффициента равномерности по

глубине Кр;

- коэффициента крошения Кк;

- коэффициента гребнистости Кг;

- коэффициента сохранения растительных остатков (стерни) К С .

К = Кр + Кк + КГ + КС.

К —^ max.

Равномерность глубины принято оценивать коэффициентом вариации

(kvar), поэтому коэффициент Кр

определится по формуле

кр= г" - 1

kvar

Коэффициент крошения КК определится количеством фракций по формуле

Кк= 0,01 -п,50

где П<50 - количество фракций

размером менее 50 мм. Гребнистость представляет собой косвенный показатель качества крошения, отчасти показатель равномерности глубины обработки [4]. С учетом агро-

требований Кг определится по формуле:

кг= 30 -1

Г Г

где Г - процент гребнистости

от глубины обработки, %.

Коэффициент сохранения стерни Кс определится количеством растительных остатков С (%) на поверхности поля после обработки:

Кс = 0,01С.

Составляющие коэффициента качества (формулы 4-7) определены нами с учетом агротехнических требований к технологическом процессу глубокой обработки почвы (чизелеванию).

Коэффициент качества дает количественную оценку агротехнической эффективности технологического процесса: чем он меньше, тем хуже качество глубокой обработки почвы, то есть К — max.

Известен метод количественной оценки агротехнической эффективности по анализу кривых распределения частот измеренных качественных показателей технологического процесса. Недостатком этого метода является большая трудоемкость и невозможность оценки качества несколькими показателями технологического процесса одновременно.

С помощью предлагаемого обобщенного показателя эффективности можно достаточно быстро и без громоздких расчетов оценить по всем требуемым показателям качество работы машины с учетом затраченной энергии на осуществление технологического процесса глубокой обработки почвы.

В качестве примера рассчитаем обобщенный показатель эффективности по результатам экспериментальных исследований глубокорыхлителей, разработанных в Северо-Кавказском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (СКНИИМЭСХ).

Полученные нами результаты агротехнической и энергетической оценки различных рабочих органов чизелей [5, 6, 7] и рассчитанные по ним коэффициенты и показатели сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Исходные данные и результаты расчета обобщенного показателя эффективности рабочих органов для глубокого рыхления

Наименование

показателя, коэффициента

Значение для рабочих органов

Самоустанавливающихся

Послойных

Разуплотняющих

Кротователей

Скорость, м/с

1,69

1,82

2,33

1,80

2,16

2,40

1,91

2,07

1,64

1,80

2,58

Глубина, см

27,0

27,0

27,0

34,2

25,0

29,7

44,1

43,3

44,1

28,1

28,3

27,3

Коэффициент вариации глубины, %

5,0

5,9

9,1

3,0

3,4

3,6

5,4

5,1

3,5

Гребнистость от глубины, %

20,6

20,6

20,6

14,6

22,0

19,7

20,2

20,6

20,2

27,1

26,9

27,9

Количество фракций до 50 мм, %

65

65

65

80

61

87

60

60

60

64

64

64

Сохранение стерни, %

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

Удельное тяговое сопротивление, Н/см2

6,55

6,74

6,86

5,40

4,90

5,17

5,65

6,30

6,75

4,73

5,0

5,20

Коэффициент крошения

0,65

0,65

0,65

0,80

0,61

0,87

0,6

0,60

0,60

0,64

0,64

0,64

Коэффицент равномерности

0,25

0,25

0,25

1,0

0,69

0,10

2,33

1,94

1,78

0,85

0,96

1,86

Коэффициент гребнистости

0,46

0,46

0,46

1,05

0,36

0,52

0,49

0,46

0,49

0,11

0,12

0,08

Коэффициент

сохранения

стерни

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

0,60

Удельная энергоемкость, Вт/см2

11,07

12,27

15,98

9,72

10,6

12,4

10,

13,0

19,4

7,76

9,0

13,4

Коэффициент качества

1,96

1,96

1,96

3,45

2,26

2,09

4,02

3,80

3,47

2,20

2,32

3,18

Показатель эффективности, Вт/см2

5,65

6,26

8,15

2,82

4,68

5,94

2,68

3,43

5,02

3,53

4,22

Полученные данные обобщенных рабочими органами представлены графи-показателей технологического процесса чески на рисунке 1. глубокой обработки почвы различными

8,5

7.5

8 5,5

* # 4-5

3*5

2 5

«г ЧСВ -3,6

у

* / у КАО-Ю (послойны ! И

/ у у у УНС 5

У -Т. ^ У 1С-3

-- 'V '-я г ;-Г -1

1,6 1,8 2.0 2.2 2Л

Скорость, м с

2,6

2,5

3.0

Рисунок 1 - Влияние режимов работы чизелей на обобщенный показатель эффективности технологического процесса глубокой обработки почвы

Анализируя полученные графики, следует отметить тенденцию в сторону увеличения показателя эффективности с повышением скорости, что свидетельствует об ухудшении качества обработки почвы и увеличении энергоемкости. Однако эта тенденция проявляется не одинаково у разных чизелей (рисунок). Так у самоустанавливающихся (ЧСВ-3,6) и послойных (КАО-10) рабочих органов с увеличением скорости показатель эффективности возрастает (ухудшается) в среднем на 3 Вт/см2, у разуплотняющих (УНС-5) - несколько меньше, а у кротователей (УНС-3) остается примерно на том же уровне (3,534,22 Вт/см2),

что объясняется повышением качества работы кротователей на более высокой скорости.

Сравнительный анализ разных рабочих органов чизелей позволяет выделить УНС-3 и УНС-5, КАО-10 (на средней ско-

рости) как наиболее эффективные и низкозатратные (рисунок 1 , таблица 1).

В таблице 2 представлены результаты расчета обобщенного показателя эффективности некоторых чизелей, прошедших испытания на Сев.-Кав. МИС [8, 9, 10].

Анализ данных таблицы 2 позволяет оценить эффективность применения не только рабочих органов для глубокого рыхления, но и чизеля в целом, содержащего также приспособление для крошения глыб и выравнивания поверхности почвы (каток).

Сравнение показывает, что обобщенный показатель эффективности у чизелей (таблица 2) несколько меньше (лучше), чем у рабочих органов для глубокой обработки почвы (таблица 1), что свидетельствует о целесообразности применения катков для улучшения качества рыхления.

Таблица 2 - Исходные данные и результаты расчета обобщенного показателя

эффективности чизелей

Наименование показателя, коэффициента Значение для чизелей

ПЧН [-4,0 ПЧС-10-40 ПУН [-08

Скорость, м/с 1,42 1,72 2,0 2,39 2,33 2,56

Глубина, см 39,91 43,21 42,19 43,12 39,0 4,35

Коэффициент вариации глубины, % 4,61 5,07 4,88 5,10 4,97 4,57

Гребнистость от глубины, % 12,90 14,97 15,64 15,54 8,62 7,31

Количество фракций до 50 мм, % 79,10 53,0 76,18 75,23 69,70 69,55

Сохранение стерни, % 60 60 60 60 77 76

Удельное тяговое сопротивление, Н/см2 3,91 4,76 3,65 3,09 3,65 3,85

Коэффициент качества 3,89 3,10 3,33 3,29 4,98 5,75

Показатель эффективности, Вт/см2 1,43 2,64 2,19 2,21 1,71 1,71

Это выражение позволяет определить Заметно влияние качественных показателей технологического процесса глубокой обработки почвы на показатель эффективности (таблица 2). Так, у чизеля ПЧН-4,0 при худших крошении и гребнистости, а также более высоком удельном тяговом сопротивлении показатель эффективности при увеличении скорости возрастает (ухудшается) почти в 2 раза. У чизеля ПУН-08, напротив, показатель эффективности при увеличении скорости, несмотря на некоторое увеличение коэффициента качества, остается постоянным за счет увеличения удельного тягового сопротивления.

Вышеизложенное подтверждает адекватность предлагаемого обобщенного показателя эффективности, оценивающего качество выполнения и энергоемкость реального технологического процесса глубокой обработки почвы.

По данным таблиц можно определить затраты энергии на оптимальный (по качественным показателям) технологический процесс глубокой обработки почвы и выбрать рациональные режимы работы чизеля для его осуществления. Это легко осуществить путем выбора скорости чизеля при минимальной энергоемкости и максимально возможном коэффициенте качества.

Обобщенный показатель эффективности не только раскрывает взаимосвязь режимов работы машины с агротехниче-

скими и энергетическими показателями технологического процесса, но и учитывает физико-механические свойства почвы, оказавшие непосредственное влияние на величину тягового сопротивления и качество рыхления пласта.

Литература

1. Ловкис, З.В. Определение обобщенного показателя качества работы активных рабочих органов / З.В. Ловкис // Техника в сельском хозяйстве. - 1989. -№ 1. - С. 18.

2. May, W.D. Rolling friction of a hard cylinder over a viscoelastic material / W.D. May, E.L. Morris, D. Atack // J. Appl. Rhys, 1959. - 30. - Р. 1713.

3. Radok, J.R.M. Viscoelastic stress analysis // Quart. Appl. Math., 1957. - 15. -Р. 198.

4. Саакян, Д.Н. Система показателей комплексной оценки мобильных машин / Д.Н. Саакян. - Москва: Агропромиздат, 1988. - 415 с.

5. Пархоменко, Г.Г. Снижение тягового сопротивления глубокорыхлителей / Г.Г. Пархоменко, В.А. Максименко, В.Н. Щиров // Сельский механизатор. -2010. - № 8. - С. 10-11.

6. Исследование универсального чизеля в полевых условиях / Г.Г. Пархоменко, С.И. Камбулов, В.Б. Рыков, С.А. Твер-дохлебов // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. - № 5. - С. 8-12.

7. Щиров, В.Н. Проектирование глу-бокорыхлителей с учётом физико-механических свойств почвы / В.Н. Щиров, Г.Г. Пархоменко // Ресурсосберегающие технологии и установки: материалы научн. конф. фак. механизации. - Краснодар, КубГАУ, 2011. - С. 80-84.

8. Протокол №11-21-05 (2010012) периодических испытаний плуга глубокорых-лителя чизельного навесного ПЧН-4,0 // Северо-Кавказская государственная зональная машиноиспытательная станция. -Зерноград, 2005. - 38 с.

9. Протокол №11-27-03 (4010252) приёмочных испытаний орудия основной обработки почвы ПЧС-10-40 // СевероКавказская государственная зональная машиноиспытательная станция. - Зерноград, 2003. - 41 с.

10. Протокол №11-30-01 (10103292) приёмочных испытаний сменных рабочих органов типа «пара-плау» к плугу ПУН 8-40 (глубокорыхлитель ПУН-08) // СевероКавказская государственная зональная машиноиспытательная станция. - Зерноград, 2001. - 40 с.

Сведения об авторах Щиров Владимир Николаевич - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Сервис и эксплуатация автомобильного транспорта», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8-903-432-67-29; 8(86359)43-3-80. E-mail: 1956shirovv@mail.ru

Пархоменко Галина Геннадьевна - ст. научн. сотр. отдела механизации полеводства, канд. техн. наук ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, г. Зерноград).

Information about the authors Shchirov Vladimir Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zerno-grad. Phone: 8-903-432-67-29; 8(86359)43-3-80. E-mail: 1956shirovv@mail.ru.

Parkhomenko Galina Gennadievna - senior research worker of the Jield husbandry mechanization department, North Caucasian Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture (Zernograd).