Совершенствование тяговой полевой энергетики на основе эколого-энергетических критериев и оценочных параметров виртуального мобильного энергетического средства

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

энергетических затрат, связанных с уплотняющим воздействием ходовых систем в машинных технологиях растениеводства в условиях Амурской области // Повышение эффективности и экологические аспекты использования ресурсов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. докл. Междунар.науч. конф. (ФГБНУ ВНИИТиН, г. Тамбов, 6-7 октября 2016). Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2016. С. 89-91.

4.Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система-почва-урожай. М.: Агропромиздат, 1985. 304 с.

5.Панасюк А.Н., Кашбулгаянов P.A., Липкань A.B. Методика оценки функционально-экологической эффективности движителей машин в зональных условиях // Итоги координации научно-исследовательских работ по сое за 2011-2014 годы: сб. науч. статей по матер, коорд. совещ. по сое зоны Дальнего Востока и Сибири с междунар. участием (Благовещенск, 9-10 сентября 2015 года). Благовещенск: ФГБНУ ВНИИ сои, ФГБНУ ДальНИИМЭСХ, 2015. С. 21-28.

6. Методика топливно-энергетической оценки производства продукции растениеводства. М.:ВИМ, 2012.

7. Хафизов К.А. Методика расчета МТА по критерию «Совокупные затраты» // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2006. №3. С. 46-51.

УДК 631.172

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЯГОВОЙ ПОЛЕВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ И ОЦЕНОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИРТУАЛЬНОГО МОБИЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СРЕДСТВА

АН. ПАНАСЮК, д-р техн. наук; P.A. КАШБУЛГАЯНОВ, канд. техн. наук; A.B. ЛИПКАНЬ ФГБНУ «Дальневосточный НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства», г. Благовещенск, Россия

В статье представлены новые методические подходы к оценке механического уплотняющего воздействия на почву и критерии экологической оценки, непосредственно характеризующие агрофильность движителей. Эффективность использования почвы в системе «движитель - почва -растение (урожай)» определяется отклонением ее характеристик, возникающим под воздействием движителей, от оптимальных значений. При разработке критериев эффективности виртуального мобильного энергетического средства исследовались технологические процессы возделывания сельскохозяйственных культур в условиях переувлажнения почв с максимальной реализацией тягово-сцепных и динамических свойств технических средств. В результате для совершенствования конструктивно-режимных параметров тяговой полевой энергетики сформулировано понятие виртуального мобильного энергосредства.

В качестве критериев эффективности для виртуального мобильного энергосредства приняты: безопасный предел уплотняющего воздействия; обеспечение проходимости; уровень предельного техногенного механического воздействия; реализация всего комплекса технологических операций; реализация номинального тягового и скоростного диапазона на всех видах полевых и транспортно-технологических работ; отсутствие потерь урожая от техногенного механического воздействия.

Для обоснования перспективных путей, способов и приемов повышения экологической эффективности мобильного энергосредства предложено определение значимости влияния каждого из

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2017. Вып. 91._

конструктивно-режимных параметров на показатель уплотняющего воздействия Uc использованием производной первого порядка. Предложен алгоритм расчета энергоэффективности мобильных энергетических средств.

Предлагаемый подход к выбору параметров движителя и мобильного энергосредства по эколого-энергетическим критериям и оценочным параметрам виртуального мобильного энергосредства позволяет обосновать наиболее рациональные пути, способы и приемы функционально-экологического совершенствования тяговой полевой энергетики.

Ключевые слова: виртуальное мобильное энергетическое средство; движитель; показатель воздействия на почву; конструктивно-режимный параметр; экологическая эффективность; энергетическая эффективность.

IMPROVEMENT OF TRACTIVE FIELD POWER MEANS BY ECOLOGICAL AND ENERGY CRITERIA AND EVALUATION PARAMETERS OF A VIRTUAL MOBILE POWER UNIT

AN. PANASIUK, DSc (Engineering); R.A. KASHBULGAYANOV, Cand. Sc. (Engineering); A.V. LIPKAN'

Federal State Budget Scientific Institution "Far Eastern Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification for Agriculture", Blagoveshchensk, the Russian Federation

The article presents new methodological approaches to assess the mechanical soil compacting effect, and ecological assessment criteria, which directly characterize the running gear friendliness towards the vegetative cover. The efficiency of soil use in the system "running gear - soil - plant (crop)" is determined by the deviation of soil characteristics, caused by the running gear, from the optimal values. Technological processes of farm crops cultivation under conditions of waterlogged soils and the maximum use of roadhold and dynamic properties of machines and equipment were investigated. To improve the design and operating parameters of tractive field power means a concept of a virtual mobile power unit was created. The following performance criteria of the unit were identified: safe limits of soil compaction; cross-country capacity; upper level of mechanical impact; implementation of the whole range of technological operations; implementation of nominal tractive and speed range for all kinds of field and transport and technological operations; and absence of crop loss due to mechanical impact. To substantiate the perspective ways, methods and techniques for the unit's eco-efficiency improvement, the significance of effect of each design and operational parameter on compaction index was estimated using the first-order derivative. The calculation algorithm of energy efficiency of mobile power units was created. The proposed approach to the choice of parameters of the running gear and mobile power units by ecological and energy criteria and evaluation parameters of a virtual mobile power unit allows to justify the most efficient ways, methods and techniques for functional and ecological improvement of tractive field power means.

Keywords: virtual mobile power unit; running gear; soil impact measure; design and mode parameter; ecological performance; energy efficiency.

ВВЕДЕНИЕ

Движитель машины оказывает разрушающее воздействие на почву. Неизбежно происходят образование колеи, срыв и вынос почвы, её истирание и обесструктуривание в зоне контакта.

При этом совершенно отказаться от негативного воздействия на почву при современном развитии тяговой полевой энергетики невозможно. Поэтому при конструировании ходовых систем необходимо стремиться к минимуму ущерба, наносимого агроценозу.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

Применительно к системе «движитель - почва - растение (урожай)» эффективность использования почвы, как системообразующего фактора, определяется отклонением ее характеристик, возникающим под воздействием движителей, от оптимальных значений и влиянием этого отклонения на урожай [1]. Установлено, что при воздействии движителей на почву на предпосевной обработке и посеве, изменения её характеристик сохраняются до уборки культуры. Таким образом, за период вегетации растений почва полностью не самовосстанавливается, её плодородие снижается.

По нашему мнению, для большинства производителей стремление к созданию тяговой полевой энергетики с минимальным уровнем механического воздействия на почву не является определяющим условием соблюдения экологического равновесия, что ограничивает дальнейшие пути к совершенствованию параметров функционирования системы «движитель - почва - растение (урожай)».

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

При разработке понятийного аппарата и критериев эффективности виртуального мобильного энергетического средства исследовались технологические процессы возделывания сельскохозяйственных культур в условиях переувлажнения почв с максимальной реализацией тягово-сцепных и динамических свойств технических средств. Теоретические исследования базируются на методиках математического моделирования, положениях классической механики, механике грунтов, дифференциального и интегрального исчисления^ также использовались современные ГОСТы и исходные требования на базовые процессы и методика топливно-энергетической оценки производства продукции растениеводства (ВИМ).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для совершенствования конструктивных, эксплуатационных и конструктивно-эксплуатационных параметров тяговой полевой энергетики сформулировано понятие виртуального мобильного энергосредства (МЭС).

Виртуальное МЭС - это энергетическое средство, которое не оказывает негативного воздействия на агроэкосистему «движитель - почва - растение (урожай)», то есть виртуальное МЭС не существует, но заложенные в него функции выполняются полностью или выполняются в достаточно близких значениях к заявленным экологическим и энергетическим требованиям.

Например, при минимальной эксплуатационной массе сохраняется желаемый тяговый диапазон с высоким тяговым КПД и КПД движителя, следовательно, меньше затрачивается непроизводительной энергии на грузоперемещение, меньше уплотняющее воздействие и деформация почвы.

Сравнивая существующие (или проектируемые) тяговые энергосредства с виртуальным МЭС, можно говорить об их зонально-агроэкологическом совершенстве, а предлагаемые пути модернизации в части приближения к требованиям экологической и энергетической эффективности - зональным агроэкологическим совершенствованием.

Таким образом, можно сформулировать понятие движителя виртуального МЭС - это совокупность экологически допустимых норм техногенного механического воздействия на почву и растения, частных и интегральных критериев оценки и условий по ограничению его последствий при реализации технологических процессов.

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. НАЭП. 2017. Вып. 91.

Критерии экологической оценки, непосредственно характеризующие агрофильность движителей (плотность и твердость почвы по следу - р^ и Нс:1, глубина следа -йсл), в

большой степени определяются максимальным значением давления в контакте движителя с почвой <7 [1, 2]. Наиболее адекватно вышеупомянутые критерии воздействия движителей на почву и непроизводительные энергозатраты, сопутствующие процессу передвижения тяговых машин на их базе в ходе выполнения технологической операции, определяются с использованием показателя воздействия на почву Ц[3, 4], (рис. 1).

Последовательно раскрывая показатель воздействия на почву и и определяющие его сомножители [5], мы выявили иерархическую структуру конструктивных, конструктивно-эксплуатационных и эксплуатационных параметров движителей (колесных и гусеничных) и машин на их базе, регулирование которых позволяет в той или иной степени изменять показатель С/, характеризующий уровень техногенного силового воздействия на почву со стороны ходовой системы МЭС.

Рис. 1. Модель взаимодействия движителя виртуального МЭС с почвой: параметры МЭС и движителя:даэ - эксплуатационная масса МЭС; Ъ - ширина движителя;

Ь - длина опорной поверхности движителя; с — коэффициент неравномерности распределения давления по длине контакта движителя с почвой;^- коэффициент статической нагрузки от массы МЭС на единичный движитель; ¥р — рабочая скорость; N - кратность проходов по одному следу; Ркр - крюковое усилие;исходные параметры почвы: Ж-абсолютная влажность почвы; р - плотность почвы; Н - твердость почвы; % - коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагружениях; выходные параметры подсистемы «движитель-почва»:*/,,^ - максимальное давление

движителя на почву;г/>- коэффициент сцепления движителей с почвой; ё - буксование движителя;/- коэффициент сопротивления движению; <ркр - коэффициент использования массы МЭС; II- показатель воздействия движителя (МЭС) на почву; результаты воздействия на почву: Ар, АН,АКУд, Исл - прирост плотности, твердости и удельного сопротивления обработке почвы по следу движителя, глубина следа;техногенные энергозатраты :Еду,ЕррЕь,Ещ,д - составляющие непроизводительных энергозатрат,

связанных с рабочим ходом МТА.

В качестве критериев эффективности для виртуального МЭС на первом этапе можно

66

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

принять:

1) безопасный предел уплотняющего воздействия ([£/], кН/м). С показателем воздействия и функционально связаны такие параметры почвы, как скважность, влагоемкость и пористость, а также масса корневой системы и биологическая активность почвенной биоты[3]. При этом, чем больше I/, тем хуже значения названных показателей, следствием этого является снижение урожайности. Существует определенный предел уплотняющего воздействия [6]= 75 кН/м, ниже которого не происходит снижение урожайности культур [3]. При таком допустимом уровне показателя воздействия на почву плотность в следах движителей виртуального МЭС не превосходит оптимального значения для роста и развития культур.

2) обеспечение проходимости. Одним из важных параметров почвенного основания является несущая способность, характеризующая почву с точки зрения сопротивления вдавливанию в нее постороннего тела. Под пределом несущей способности почвы понимается нормальное давление, при котором небольшое приращение нагрузки вызывает быстрый рост деформации. Несущая способность не является константой, определяющей свойства почвы, а представляет собой переменную величину, главным образом, зависящую от физико-механических свойств почвы, от типа движителя, формы и размера его опорной поверхности.

Таким образом, можно сформулировать понятие агротехнической проходимости виртуального МЭС - виртуальное МЭС обладает такой агротехнической проходимостью, которая обеспечивает на пределе несущей способности отсутствие уплотняющего воздействия и колееобразования.

3) уровень предельного техногенного механического воздействия виртуального МЭС. Применительно к системе «движитель-почва-растение» эффективность использования почвы определяется отклонением её физико-механических характеристик, определяемым воздействием движителей, от оптимальных значений (предел способности почвы к самовосстановлению) и влиянием этого отклонения на урожай. Таким образом, важным показателем техногенного механического воздействия реального МЭС на почву будет степень реализации способности к самовосстановлению её физико-механических характеристик, измененных при воздействии движителей МЭС.

4) реализация всего комплекса технологических операцийзаложенных в технологии возделывания культуры при минимальныхэксплуатационной массе и затратах энергии.Виртуальное МЭС обеспечивает возможность агрегатирования со всей номенклатурой сельхозмашин в технологии. Виртуальный движитель МЭС, обеспечивающий номинальное тяговое усилие при допустимом воздействии на почву, характеризуется максимальным коэффициентом сцепления при минимально допустимой массе МЭС (высоким тяговым КПД и КПД движителя).

5) реализация виртуальным МЭС номинального тягового и скоростного диапазона на всех видах полевых и транспортно-технологических работ. Установлено, что при работе энергонасыщенных тракторов правильно выбирают передачу только один -два тракториста из десяти. Пять-семь ошибаются в выборе на одну передачу, два-три на две. Каждый восьмой-десятый агрегат на энергоемких операциях работает с перегрузкой. При этом ошибка только на одну передачу снижает производительность на 8... 15% и повышает расход топлива на 6... 12%.

6) отсутствие для виртуального МЭС потерь урожая от техногенного

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2017. Вып. 91.

механического воздействия. Это означает, что потери урожая от переуплотнения почвы отсутствуют и, следовательно, нет необходимости периодически затрачивать дополнительную энергию на восстановление плодородия уплотненных почвенных слоев.

Таким образом, виртуальное МЭС должно обеспечивать одновременно соблюдение следующих условий:

уровень техногенного механического воздействия ограничивается самовосстановительной способностью почвы;

- полное или максимально возможное выполнение технологических операций производственного цикла (высвобождающееся, универсальное энергосредство);

- отсутствие технических и технологических противоречий;

соответствие принципам техногенно-нормируемой эксплуатации, полное обеспечение принципов экологического земледелия.

Определение влияния конструктивно-режимных параметров движителей (гусеница и колесо) и МЭС на их базе на уровень техногенного механического воздействия на почву предлагается оценивать по степени их значимости на показатель воздействия на почву и.

Выявление значимости влияния каждого из конструктивно-режимных параметров на показатель С/, позволит обосновать перспективные пути, способы и приемы повышения экологической эффективности МЭС. То есть, располагая математическими моделями связи параметра х напрямую или опосредованно с(/и взяв частные производные первого порядка

по каждому из исследуемых параметров х, необходимо и достаточно вычислить

а

дх

градиент - изменение функции и от изменения оцениваемого параметра при неизменных значениях других переменных параметров.

Для сравнительной оценки влияния конструктивно-режимных параметров движителя и машины на показатель ^/используем Кзн (х) - коэффициент значимости градиента параметра х, как отношение соответствующего изменения показателя воздействия движителя на почву и к его допустимому значению [ Щ:

По величине и характеру изменения градиента §гас1 и = ./(-*) и коэффициента значимости градиента частного параметра Кзн (х) можно будет судить о степени значимости того или иного параметра х на показатель воздействия на почву и.

ВЫВОДЫ

Предлагаемый подход к выбору движителя и МЭС по уплотняющему воздействию на почву через его конструктивно-режимные параметры позволяет влиять на величину непроизводительных энергозатрат в машинном земледелии, снижение которых и является одной из задач эколого-функционального совершенствования машин:

1) энергия, потерянная в связи со снижением урожая от уплотнения почвы - Е^ ;

2) энергия, затраченная на самопередвижение (внутренние и внешние потери) - Ер^ ;

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

3) энергия, связанная с буксованием (истиранием почвы) -Е§ ;

4) энергия, связанная с дополнительным сопротивлением почвы при её обработке -

Е

АК,

уд

Алгоритм расчета энергетической эффективности МЭС с допустимым уровнем уплотняющего воздействия показан на рис. 2.

Выбор движителя

Расчет массы, мощности двигателя, тягового диапазона., рабочих скоростей

Определение показателя Ца значимости параметров движителя, определяющих 17:

Сравнение с виртуальным М выбранным I ЭС^ оценка параметров по фитериям

Подбор способа или приема повышения экологической и энерг етической эффективности МЭС

Поиск причин превышения оцениваемого движителя по показателю Ци др. характери стикамп о сравнению с виртуальным МЭС

Замена типа МЭС или модификация движителя и характеристик МЭС

Расчет показателей:

1) Энергия, потерянная в связи со снижением урожая от уплотнения почвы- Еду ;

2)Энергия. потерянная на самопередвижение - Ер^

3) Энергия, потерянная на буксование

4) Энергия, связанная с дополнительным сопротивлением обработке почвы — Е

Энергия. затраченная на рабочий процесс -Еа

Рис. 2. Алгоритм расчета энергетической эффективности в приближении к

виртуальному МЭС

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2017. Вып. 91._

При исследовании и анализе производственных процессов с различными видам МЭС (как колесного, так и гусеничного), их эффективности в конкретных условиях в сравнении с виртуальным МЭС появляется возможность поиска путей снижения составляющих непроизводительных (негативных) техногенных энергозатрат либо за счет подбора способов или приемов повышения экологической и энергетической эффективности МЭС, либо замены МЭС на другое. В любом случае, наметятся направления эффективного применения МЭС в технологиях растениеводства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Русанов В.А. Проблема переуплотнения почв движителями и эффективные пути ее решения // Воздействие движителей на почву: сб. науч. тр. М.: ВИМ, 1988. Т. 118. С. 6-45.

2. ГОСТ 26953-86 Техника сельскохозяйственная мобильная. Методы определения воздействия движителей на почву. Введ. 01.01.87. М.: Изд-во стандартов, 1986.

3.Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система-почва-урожай. М.: Агропромиздат, 1985. 304 с.

4.ПанасюкА.Н., Кашбулгаянов P.A., Липкань P.A. Методика оценки функционально-экологической эффективности движителей машин в зональных условиях // Итоги координации научно-исследовательских работ по сое за 2011-2014 годы. Благовещенск: ФГБНУ ВНИИ сои, ФГБНУ ДальНИИМЭСХ, 2015. С. 21-28.

5. Панасюк А.Н., Липкань A.B., Кашбулгаянов P.A. Разработать методологию энергосбережения и экологической безопасности применения тяговой и мобильной полевой

энергетики в технологиях растениеводства для зоны Дальнего Востока // Отчет о НИР. Благовещенск: ФАНО. 2016. 132 с.

УДК 631.9

АГРОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА СОИ И ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

Г.И. ОРЕХОВ, канд. техн. наук; A.A. ЦЫБАНЬ, канд. техн. наук

ФГБНУ «Дальневосточный НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства», г. Благовещенск, Россия

Органическое производство продукции полеводства предполагает значительное сокращение средств химизации, а также полный отказ от применения минеральных азотных удобрений и гербицидов. При этом применяются внутренние ресурсы агроэкосистемы: максимальное использование естественного почвенного плодородия посредством биологизации системы земледелия, которая предусматривает активацию биологических процессов в почве и замену химического азота на биологический; использование органических удобрений; введение в севооборот бобовых культур; применение сидеральных паров; биологическое рыхление почвы; механические, агротехнические и биологические методы защиты растений. В ДальНИИМЭСХ разработан комплекс

70