СПОСОБ НОРМИРОВАНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА МАШИННО-ТРАКТОРНЫМ АГРЕГАТОМ
METHOD OF NORMALIZATION OF FUEL CONSUMPTION RATE BY MACHINE-TRACTOR UNIT

Изобретение относится к эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники и касается нормирования ее работы.
Установление технически обоснованных норм расхода топлива машинно-тракторными агрегатами (МТА) при выполнении ими механизированных полевых работ является одной из важнейших составляющих ресурсосбережения в сельскохозяйственных предприятиях.
Известно, что на расход топлива МТА оказывают влияние различные факторы: технические характеристики энергетического средства (трактора, комбайна и др.), свойства рабочих машин (в частности, тяговое сопротивление), размеры поля, его конфигурация, рельеф, состояние почвы, глубина обработки, урожайность убираемой культуры и др. Такое многообразие и динамичность нормообразующих факторов снижают точность прогнозирования расхода топлива МТА и соответственно объективность его нормирования.
Для анализа уровня техники использованы следующие источники информации:
1. Сергеева З.В., Химченко Г.Т. Справочник нормировщика. М.: Россельхозиздат, 1982. - 368 с.
2. Нормативно-справочные материалы по планированию механизированных работ в сельскохозяйственном производстве: Сборник. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 316 с.
3. Барам Х.Г. Научные основы технического нормирования механизированных полевых работ. - М.: Колос, 1970. - 440 с.
4. Гафуров И.Д. Оперативное нормирование полевых механизированных работ. / Техника в сельском хозяйстве. - М., 2009, №3. - С.26-29.
5. Способ определения предельно допустимого расхода топлива при работе тракторного агрегата. Патент РФ №2263286, G01F 9/00.
6. Способ нормирования выработки машинно-тракторного агрегата. Патент РФ №2450357, G06Q 10/06, G06Q 50/02.
Ввиду упомянутого многообразия нормообразующих факторов основной из известных - традиционный - способ нормирования расхода топлива /1, 2, 3/ предусматривает использование удельных (погектарных) нормативов, дифференцированных по группам природно-производственных условий работы МТА, и реализуется в следующей последовательности:
А) Определяют нормы сменной производительности МТА (в гектарах) при различном сочетании нормообразующих факторов по формуле
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,1</mn><msub><mi>B</mi><mi>р</mi></msub><msub><mi>V</mi><mi>р</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>р</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
р
где В - рабочая ширина захвата агрегата, м;
p
V - средняя рабочая скорость, км/ч;
р
Т - время основной работы (время рабочих ходов) в течение смены, ч.
р
p
р
p
Величину В определяют измерениями при работе агрегата или по справочным таблицам /1, 3/, V - расчетным путем или по результатам наблюдений. Время Т вычисляют с использованием данных фотохронометражных наблюдений с учетом V, а также других элементов времени смены /1/.
см.н
Средние значения W, определенные по формуле (1), сводят в таблицы типовых норм, дифференцированных по группам /2/.
н
Б) Для каждой группы устанавливают норматив расхода топлива q на гектар обработанной площади (л/га) по формулам /1, 3/:
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>н</mi></msub><mi>Q</mi><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Q</mi><mi>р</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>р</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>х</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>х</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>о</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>о</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>н</mi></mrow></msub><mtext>                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
или
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mi>Q</mi><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Q</mi><mi>р</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>р</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>о</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>о</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>н</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
см.н
где Q - расчетный расход топлива на объем работы W,л;
p
x
пов
пер
o
Q, Q, Q, Q и Q - нормативы часового расхода топлива на различных режимах работы агрегата: соответственно на рабочем ходу (т.е. при выполнении основной работы), холостом ходу, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем, л/ч;
р
х
пов
пер
о
Т, Т, Т, Т, Т - соответствующие элементы затрат времени смены: время основной работы (рабочего хода), холостого хода, поворотов, внутрисменных переездов с участка на участок (с поля на поле), остановок с работающим двигателем, ч.
В) Проводят паспортизацию полей сельскохозяйственного предприятия, в результате которой определяют группу норм, к которой может быть отнесено предприятие по своим природно-производственным условиям.
см,н
н
Г) Из справочников типовых норм /2/ с учетом группы выбирают норму выработки W и соответствующий норматив погектарного расхода топлива q.
Д) Норму расхода топлива (в литрах) определяют с учетом планируемой или фактически обработанной площади W (га) как
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>q</mi><mi>н</mi></msub><mi>W</mi><mo>.</mo><mtext>                                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Описанный выше традиционный способ нормирования расхода топлива имеет следующие недостатки.
p
p
x
пов
пер
o
1. Среднюю рабочую скорость V для расчетов по формуле (1), а также нормативы часового расхода топлива на различных режимах работы агрегата Q, Q, Q, Q и Q для формул (2) и (3) определяют (прогнозируют) с использованием типовых тяговых характеристик тракторов и средних значений (математических моделей) тягового сопротивления рабочих машин или по материалам наблюдений за работой агрегатов.
В первом случае существенная погрешность прогноза обусловлена отклонениями мощности двигателя и тяговых возможностей реальных тракторов от типовых характеристик, что особенно сильно проявляется с увеличением срока службы техники, значительной вариацией сопротивления почвообрабатывающих и посевных рабочих машин в зависимости от влажности и твердости почвы, а уборочных машин - от различных характеристик убираемой культуры, состояния самих машин. Кроме того, для большинства современных импортных и отечественных тракторов и других энергетических средств отсутствуют типовые тяговые характеристики, а для рабочих машин - значения тягового сопротивления и модели, описывающие зависимость сопротивления от основных нормообразующих факторов, например глубины обработки почвы, ее влажности.
p
Во втором случае (определение V и значений часового расхода топлива по материалам наблюдений) погрешность обусловлена неизбежным усреднением полученных данных для широкой области варьирования переменных факторов. Для более полного учета нормообразующих факторов и соответствующей дифференциации искомых показателей необходимо проведение большого числа наблюдений в различных условиях, что весьма сложно в организационном плане.
Таким образом, погрешности в определении значений скорости агрегата и нормативов часового расхода топлива существенно снижают точность расчетов по формулам (1), (2), (3) и, как следствие, объективность нормы расхода топлива, определенной по формуле (4).
см.н
см.н
н
н
см.н
н
2. Следующий недостаток традиционного способа нормирования /1, 2, 3/ предопределяется усреднением норм выработки W и, соответственно, зависящих от W нормативов погектарного расхода топлива q (формулы 2 и 3) для всех полей сельскохозяйственного предприятия (подразделения) или для некоторой группы полей. В /4/ показано, что такое усреднение применительно к нормам выработки приводит к ошибкам до 60%. Учитывая зависимость q от W, такая ошибка характерна и для q.
пер
пер
пер
3. При рассматриваемом способе расход топлива на переездах QT учитывается лишь применительно к внутрисменным переездам с участка на участок (с поля на поле). Причем время переездов Т определяется ориентировочно в зависимости от площади поля /1/, что увеличивает погрешность способа. Кроме того, в рекомендациях по применению способа /1, 2, 3/ отмечается, что переезды в начале и конце смены к месту работы и обратно должны нормироваться и оплачиваться отдельно. Между тем, такие переезды (перегоны) техники, особенно высокопроизводительных агрегатов машинно-технологических станций, выполняющих работы по заявкам отдельных сельхозпредприятий, занимают значительное время при существенном расходе топлива, поэтому их расстояние должно определяться с достаточно высокой точностью, что рассматриваемый способ не обеспечивает.
q
э
e
q
э
e
e
Известен также способ определения предельно допустимого расхода топлива Q при работе тракторного агрегата /5/, который предусматривает непрерывное измерение фактических энергозатрат двигателя W (кВт*ч) с последующим умножением полученной величины на норматив удельного расхода топлива двигателем q (кг/кВт*ч), т.е. Q=W q (кг). Реализация такого способа сопряжена с необходимостью установки на каждый агрегат достаточно сложных приборов для определения энергозатрат и сопоставления их с режимами работы трактора. Последнее связано с тем, что удельный расход топлива существенно зависит от нагрузки на двигатель и передачи трактора. Например, расчеты с использованием типовых тяговых характеристик трактора МТЗ-80 на залежи показывают, что при нагрузке 5 кН удельный расход топлива q в зависимости от передачи варьирует в пределах 0,47…0,69 кг/кВт*ч, а при номинальной нагрузке - 0,38…0,49 кг/кВт*ч.
Кроме того, предельно допустимый расход топлива, определяемый этим способом, не может быть использован в качестве нормы, которая должна устанавливаться по средним показателям.
p
р
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ нормирования выработки машинно-тракторного агрегата /6/. Способ не предусматривает нормирование расхода топлива, однако здесь предложены решения, позволяющие использовать возможности систем спутникового мониторинга для объективной оценки таких показателей МТА, как средняя рабочая скорость V и время основной работы (рабочего хода) Т, которые необходимы и для нормирования расхода топлива.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности нормирования расхода топлива машинно-тракторным агрегатом.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем:
- в отличие от известных способов норму расхода топлива устанавливают не до начала работы машинно-тракторного агрегата, а по ее окончании с использованием данных спутникового мониторинга, позволяющего оперативно определить фактические показатели МТА за требуемый период времени и на их основе рассчитать норму посредством прикладной компьютерной программы;
- в базу данных указанной программы вносят предварительно установленные нормативы часового расхода топлива на режиме рабочего хода агрегата, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем, а также виды математических зависимостей, характеризующих влияние различных факторов, например скорости движения на эти нормативы; указанные нормативы и зависимости устанавливают по результатам обработки данных спутникового мониторинга работы контрольного агрегата, оснащенного расходомером топлива;
- проводят фотохронометражные наблюдения за работой контрольного или другого агрегата данного состава, в результате чего определяют и вносят в базу данных программы максимальное время одного поворота агрегата;
- норму расхода топлива за любой требуемый период времени определяют как сумму произведений времени работы агрегата на режиме рабочего хода, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем на соответствующие нормативы часового расхода топлива, причем время работы агрегата на указанных режимах, а также среднюю скорость движения на рабочем ходу и переездах определяют посредством программного обеспечения спутникового мониторинга с использованием сигналов бортового электрооборудования агрегата и/или устанавливаемого на агрегат датчика, фиксирующего моменты перевода рабочей машины из транспортного положения в рабочее и обратно, при этом любой отрезок времени движения агрегата в транспортном (нерабочем) положении, превышающий установленное ранее максимальное время одного поворота, относят к времени переездов, в иных случаях - к времени поворотов, а нормативы часового расхода топлива уточняют для полученных значений средней скорости движения на рабочем ходу и переездах и других факторов с использованием сформированной ранее базы данных.
Способ реализуется следующим образом.
1. Формируют электронную базу данных машинно-тракторных агрегатов, в которую для каждого состава МТА вносят значения указанных ниже параметров.
2. Проводят фотохронометражные наблюдения за работой агрегата данного состава, в результате чего определяют и вносят в базу данных максимальное время одного поворота агрегата.
3. Машинно-тракторные агрегаты оснащают бортовыми терминалами спутникового мониторинга с дополнительными датчиками, позволяющими фиксировать моменты перевода сельскохозяйственной машины из транспортного положения в рабочее и обратно. Если бортовое электрооборудование трактора или другого энергетического средства позволяет определять указанные моменты и передавать соответствующую информацию в систему спутникового мониторинга, дополнительный датчик не устанавливается.
4. На один или несколько контрольных агрегатов данного состава временно устанавливают подключенные к терминалу спутникового мониторинга расходомеры топлива для определения нормативов часового расхода топлива и их зависимости от различных факторов, например скорости движения.
5. В течение некоторого периода отслеживают работу контрольных МТА посредством системы спутникового мониторинга, причем указанный период разбивают на n отрезков, отличающихся условиями работы (например, различные поля или различные агротребования к работе). В результате обработки данных мониторинга:
р i
pi
pi
pi
рi
pi
- определяют время движения при рабочем положении сельскохозяйственной машины, т.е. время рабочего хода Т (ч) в каждый i-й отрезок времени (i=1…n), а также соответствующие значения пройденного пути L (км), рабочей скорости движения V=L/Т (км/ч) и израсходованного топлива G (л);
пов i
пер i
о i
пов i
пер i
o i
пер i
пер i
пер i
пер i
- определяют время движения на поворотах Т, переездах Т, время остановок с работающим двигателем Т и соответствующие значения расхода топлива G, G и G (л), расстояние переездов L, а также скорость на переездах V=L/Т; при этом любой отрезок времени движения агрегата в транспортном (нерабочем) положении, превышающий установленное ранее максимальное время одного поворота, относят к времени переездов, в иных случаях - к времени поворотов;
- устанавливают и вносят в базу данных для агрегата данного состава нормативы часового расхода топлива (л/ч) на различных режимах:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>р</mi><mtext> i</mtext></mrow></msub><mtext>/</mtext><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mtext>T</mtext><mrow><mtext>р i</mtext></mrow></msub><mo>;</mo><mtext>                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
- на рабочем ходу
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mtext> i</mtext></mrow></msub><mtext>/</mtext><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mtext> i</mtext></mrow></msub><mtext>;                                      (6)</mtext></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
- на поворотах
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mtext> i</mtext></mrow></msub><mtext>/</mtext><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mtext>T</mtext><mrow><mtext>пер i</mtext></mrow></msub><mo>;</mo><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
- на переездах
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>о</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>о</mi><mtext> i</mtext></mrow></msub><mtext>/</mtext><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mtext>T</mtext><mrow><mtext>о i</mtext></mrow></msub><mo>;</mo><mtext>                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
- на остановках
p i
p i
пер i
пер i
- если анализ данных мониторинга работы контрольного агрегата показывает существенное влияние скорости движения на часовой расход топлива на рабочем ходу и переездах, то с учетом значений V, G, V, G определяют и вносят в базу данных виды зависимостей
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mi>р</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
p
p
Например, если зависимость имеет вид Q=AV+В, в базу данных вносятся значения А и В. Аналогично может быть учтена и зависимость часового расхода топлива от других факторов (например, от агротехнологических параметров работы, рельефа местности).
6. Программное обеспечение спутникового мониторинга дорабатывают таким образом, чтобы в самой программе или после экспортирования данных в другое приложение (например, 1C или Excel) можно было за произвольный период работы агрегата путем обработки сигналов указанного выше датчика и/или бортового электрооборудования в автоматизированном режиме определить:
р
пов
пер
о
- фактические значения времени работы агрегата на разных режимах: T, T, T и T;
p
пер
p
пер.
- общий рабочий путь L, расстояние переездов L и соответствующие значения средней скорости V и V
7. В диалоговом окне программы спутникового мониторинга выбирают агрегат, для которого необходимо установить норму расхода топлива, а также даты и время начала и окончания требуемого периода, например с 0 ч 00 мин 1 августа до 23 ч 59 мин 31 августа. Если в базу данных внесены виды зависимостей для уточнения нормативов расхода топлива от каких-либо факторов, кроме скорости движения, то в качестве исходных данных для расчета указываются значения этих факторов.
8. С использованием программы спутникового мониторинга и базы данных для указанного периода и агрегата в автоматизированном режиме определяют:
р
пов
пер
о
p
пер
- значения времени Т, Т, Т, Т и скорости V и V;
пов
o
- нормативы часового расхода топлива Q и Q (из базы данных);
p
пер
- нормативы часового расхода топлива Q и Q (из базы данных или по зависимостям от скорости (9) и (10) и/или по аналогичным зависимостям от других факторов, если указанные зависимости внесены в базу данных);
- норму расхода топлива (л) по выражению
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mi>р</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>р</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>о</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>о</mi></msub><mtext>                                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>11</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Примечания
1) При использовании предложенного способа расходомеры топлива применяют лишь на контрольных агрегатах, причем временно для установления нормативов часового расхода топлива на разных режимах работы. Один и тот же расходомер может поочередно устанавливаться на контрольных агрегатах различного состава и назначения.
пов
пов
2) Для агрегатов, обладающих высокой маневренностью, время поворота может быть незначительным. В этих случаях норматив расхода топлива Q и время Т могут отдельно не определяться, а учитываться в составе показателей рабочего хода. Тогда выражение (11) примет вид:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>р</mi><mo>+</mo><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>о</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>о</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>12</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
p+пов
где Q - норматив часового расхода топлива на рабочем ходу, включая повороты;
р+пов
Т - суммарное время рабочего хода и поворотов.
В приложении приведен пример реализации предложенного способа и его сравнение с известным (традиционным) способом.