Оценка влияния оптимальных показателей работы машинно-тракторных агрегатов на энергозатраты технологического процесса

УДК 631.3.004.67 Н.В. Цугленок, С.Ю. Журавлев

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ НА ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В статье рассматривается проблема снижения энергозатрат при производстве продукции растениеводства за счет использования оптимальных параметров и режимов работы машиннотракторных агрегатов (МТА). Представлены основные составляющие энергозатрат при использовании сельскохозяйственных агрегатов для выполнения различных технологических операций, а также общая методика оценки влияния оптимальных режимов работы МТА на уровень энергетических затрат технологического процесса.

Ключевые слова: снижение энергозатрат, оптимальные параметры, режим работы МТА, оценка.

N.V. Tsuglenok, S.Yu. Zhuravlyov

EFFECT ESTIMATION OF THE OPTIMUM INDICES OF MACHINE-TRACTOR UNIT OPERATION ON TECHNOLOGICAL PROCESS POWER INPUTS

The issue of power input decrease in the process of plant growing product manufacturing due to the use of the optimum parameters and operating modes of machine-tractor units (МЩ is considered in the article. The basic components of power inputs in the process of agricultural unit use for various technological operation realization, and the general technique for estimation of МW optimal operating mode influence on the level of technological process power expenditures are given.

Key words: power input decrease, optimum parameters, МW operating mode, estimation.

Анализ тенденций развития производства продукции растениеводства в России показывает, что рост затрат энергетических и материальных ресурсов опережает рост количества конечной продукции, т.е. рост урожайности.

Концепция повышения производительности труда в агропромышленном комплексе, основанная на использовании интенсивных машинных технологий с применением мощной материалоёмкой техники в современных условиях, показала свою несостоятельность [1].

Проблемная ситуация, обусловленная противоречием между необходимостью повышения урожайности с.-х. культур и необходимостью снижения энергоматериальных затрат на их производство, приводит к постановке весьма актуальной проблемы интенсификации процессов растениеводства при снижении затрат энергоматериальных ресурсов [1].

Целью исследований, результаты которых представлены в статье, является разработка методики снижения энергозатрат при использовании машинно-тракторных агрегатов (МТА) за счет оптимизации параметров и режимов их работы.

Для этого необходимо решить ряд задач:

1. Провести анализ структуры энергозатрат технологического процесса.

2. Рассмотреть современные методики определения совокупных энергозатрат при использовании

МТА.

3. Разработать рекомендации по оценке влияния оптимальных показателей работы МТА на энергетические затраты.

Анализ структуры энергозатрат на производство продукции растениеводства показывает, что она имеет три основных составляющих [1]:

- экологическая энергия Еэ ;

- антропогенная энергия Еан ;

- энергия питания почвы Еп .

Эффективное использование системы машин при выполнении технологических операций относится к второй составляющей энергозатрат на производство продукции растениеводства Еан .

Энергозатраты при использовании МТА для выполнения различных технологических операций в составе машинных комплексов по возделыванию сельскохозяйственных культур определяются двумя основными составляющими:

- основные прямые топливно-энергетические затраты;

- энергозатраты, обусловленные несоблюдением оптимальных параметров и режимов работы агрегатов.

Работа МТА с отклонением от оптимума загрузки двигателя трактора, установленного с учётом влияния случайных внешних факторов, приводит к снижению производительности, удлинению времени выполнения операций технологического процесса и, следовательно, к нарушению агросроков возделывания сельскохозяйственных культур. Нарушение агросроков отрицательно влияет на урожайность, т.е. увеличиваются потери энергии урожая и общее количество энергозатрат процесса производства сельскохозяйственной продукции. Поэтому при повышении эффективности использования МТА с учётом энергозатрат технологического процесса необходимо учитывать спектр факторов, влияющих на обе составляющие процесса, и разработать обобщающий критерий, который объединяет и прямые затраты и потери энергии урожая Епот.

Энергия, потерянная через урожай, может быть определена следующим образом [2]:

Епот-Ед+Еу,

где Ед - энергия, потерянная при нарушении агросроков выполнения операций, МДж/га;

Еу - энергия, потерянная в связи с уплотнением почвы, мДж/га.

Суммарные энергозатраты при использовании МТА можно определить по формуле:

Емта-ЕоПР+Ед,

где Емта - энергозатраты при использовании МТА, мДж/га;

Еопр - основные прямые топливно-энергетические затраты, мДж/га;

Еа - энергозатраты, обусловленные несоблюдением оптимальных параметров и режимов работы агрегатов.

Основные прямые энергозатраты определяются по следующему соотношению [3]:

— _СЕ-От

-Ь опр — ---

Ие

где Е,

опр

математическое ожидание основных прямых топливно-энергетических энергозатрат;

СЕ = (ат  Ка) /(0,3б77г -г) - коэффициент;

ССТ - энергетический эквивалент дизельного топлива, мДж/кг;

Ка - удельное тяговое сопротивление рабочих машин, кН/м; г/т - тяговый КПД трактора на рабочем режиме; т - коэффициент использования времени смены;

N е - математическое ожидание эффективной мощности дизеля, кВт [6]:

N е=С-

0,5-

I

М К + в -М К

2

К -V,

* * * *

где С = 9554й; а ,в ,ах ,вх - коэффициенты, определяемые при аппроксимации стендовой характе-

ристики двигателя;

М к - среднее значение крутящего момента на коленчатом валу, Н'м; ум - коэффициент вариации крутящего момента;

-i/S t2'

ф(0 = {2тт)/2 j- еА -dt

функция Лапласа;

о

-V 7

ф(0 = (2л) /2екр(-0,51н)~ плотность распределения вероятностей аргумента^, tн=(Mн -Мк)!стн-

Мн - номинальный крутящий момент, Н'м;

сгн - стандарт крутящего момента;

- средний часовой расход топлива, кг/ч [6]:

<ЭТ = 0,5

а , й , а1, ^ - коэффициенты, определяемые при аппроксимации стендовой характеристики двигателя;

ам - среднеквадратическое отклонение крутящего момента.

Нарушение агросроков выполнения операций по возделыванию культур происходит, как отмечалось ранее, при несоблюдении оптимальных параметров и режимов работы МТА и является предметом более детального изучения.

Для определения Еа в работе [2] предлагается использовать выражение:

N,

T^n-rW-TCM-nCMyNl-i-Cn-W-TCM-nCM

Ел = ^--------------- ---------------------------------,

So

где Сп - коэффициент потерь урожая, мДж/га^день;

Сл =У-Ау-д/ЮО,

где Y - планируемая урожайность, кг/га;

Ау - потери урожая в % на 1 день увеличения агросроков выполнения операций,;

N - число целых дней в 1\11;

5о - объем работы на данной операции, га;

Ж - производительность агрегата, га/ч;

«=----------^-------,

Ж  Т -п

' см см

где N - число дней, необходимых для выполнения объёма Эо;

Псм - число смен в одном рабочем дне;

Тем - продолжительность смены, ч.

Значения Ау устанавливаются с учётом условий природно-климатических зон, либо могут быть приняты по табл. 1 [4-5]:

Таблица 1

Уменьшение потерь урожая йу на 1 день сокращения периода полевых работ, %

Вид работы Ау Культура Ау

Посев Уборка

Лущение стерни 0,80 Колосовые 0,9 3,00

Безотвальная обработка 0,50 Кукуруза на силос 0,6 0,80

Культивация 0,30 Подсолнечник 0,8 3,60

Дискование 0,05 Горох 1,5 0,60

Боронование 1,20 Свекла 1,6 0,02

Вспашка зяби 0,50 Картофель 1,8 1,50

Определение величины потерь энергии Еа с использованием выражения (6) необходимо осуществлять путем сравнения базового значения производительности Wб, которое соответствует номинальному режиму работы МТА и оптимального значения Wопт, которое соответствует оптимальному режиму работы агрегата с учетом негативного влияния колебаний внешней погрузки.

Базовое значение производительности МТА Wб и оптимальное значение Wопт. необходимо в данном случае определять по выражению [6-7]:

^ч=С„-#в.

где С№ = 0,36 -Т)т-Т- К

-і. а ’

N е - среднее значение мощности дизеля, кВт.

Коэффициент, учитывающий степень влияния переменного крутящего момента на производительность МТА, определяется по формуле:

*

ч 1 ^ ч„,

где Жч - среднее значение часовой производительности, соответствующее оптимальному нагрузочному режиму двигателя, га/ч;

Ж чн среднее значение часовой производительности агрегата в области номинального режима.

Оптимальное и базовое значение топливно-энергетических затрат ^тпт и с учетом переменных внешних воздействий на агрегат определяются по выражению [6]:

Ёе = 0Т1Ые>

где %е - среднее значение удельного расхода топлива, г/кВгч;

- средний часовой расход топлива, кг/ч;

N е - среднее значение мощности дизеля, кВт.

*

Коэффициент, учитывающий степень влияния переменного крутящего момента на удельный расход топлива , определяется по формуле:

^ / —

=&е02)

_*

где §е - среднее значение удельного расхода топлива, соответствующее оптимальному нагрузочному

режиму двигателя, г/кВгч;

§ен - среднее значение удельного расхода топлива в области номинального режима, г/кВгч. Обобщающий критерий оценки влияния оптимальных параметров и режимов работы МТА на энергозатраты технологического процесса ЕША определяется по соотношению:

^ ЁМТА ~ ЕША / ЕШАб ,

где кЁМТА - оптимальное значение коэффициента оценки величины энергозатрат при использовании

МТА;

Емта - среднее значение энергозатрат при использовании МТА в области оптимального нагрузочного режима работы двигателя, мДж/га;

ЕША6 - базовое значение энергозатрат при использовании агрегата в области номинального режима работы двигателя, мДж/га.

Общая энергопродуктивность урожая Еи определяется с помощью следующего выражения [1]:

Е„=Еэ-Пэ+АЕ„п

где ЕЭ - экологическая энергия, мДж;

Лэ - биоэнергетический КПД растений;

- прибавка энергопродуктивности при энерготехнологических воздействиях .

и

АЕ . = У Е .77

ш аг / с

/=1

где ^]а1 - биоэнергетический КПД оценки антропогенных воздействий. Из выражения (15) получаем [1]:

л =ае ./Те ..

/си ш / * ш

/=1

АЯ

В табл. 2 представлены значения Для одной из природно-климатических зон Красноярского

края [1].

Таблица 2

Чувствительность энергопродуктивности АЕп1 яровой пшеницы к энерготехнологическим воздействиям Еа.в Восточной Сибири при средней урожайности 32 ц/га

№ п/п Вид энергетического воздействия Еа, Прибавка, % При- бавка, ц/га Энергосодержащие прибавки, МДж/га Энергозатраты, МДж/га Чувствительность энергосопряжения

1 Обработка почвы под пар с внесением удобрений 20 6,40 8192 6067 1,36

2 Посев с внесением минеральных удобрений 6 2,88 3686 2514 1,46

3 Зяблевая вспашка 5 1,60 2048 1557-вспашки 1,32

4 Подготовка семян к посеву 3,5 1,12 1434 263 5,46

5 Лущение 4 1,28 1638 554 2,96

6 Предпосевная культивация 4 1,28 1638 246 6,66

7 Химпрополка 4 1,28 1638 255 6,42

8 Обработка ядами 4 1,28 1638 255 6,42

9 Закрытие влаги 3 0,96 1228 199 6,18

10 Боронование всходов 2 0,64 820 199 4,12

Энергозатраты антропогенных воздействий Еа, формируются, прежде всего, из затрат на семена и удобрения, на горюче-смазочные материалы, а также из энергии, затраченной при использовании техники.

Поэтому коэффициент Пш с учетом эффективности использования оптимальных режимов работы МТА можно рассчитать по формуле:

П

'Пт ~ / 2] Еа1 Л^мта

/=1

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Результаты анализа энергозатрат позволяют утверждать, что основу энергозатрат при использовании МТА составляют прямые топливно-энергетические затраты и потери энергии урожая по причине нарушения агросроков выполнения технологических операций.

2. Изучение современных методик определения величины энергозатрат при использовании МТА позволило определить основные пути оценки влияния оптимальных параметров и режимов на уровень энергозатрат технологического процесса.

Литература

1. Цугленок Н.В. Энерготехнологическое прогнозирование: учеб. пособие; Краснояр. гос. аграр. ун-т. -

Красноярск, 2004. - 276 с.

2. Хафизов К.А. Структура энергетических затрат на технологических операциях в растениеводстве //

Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: тр. 3-й Междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 14-15 мая 2003 года). - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. - С. 9-13.

3. Агеев Л.Е., Джабборов Н.И., Эвиев В.А. Оптимизация энергетических параметров МТА // Тракторы и

сельскохозяйственные машины. - 2004. - № 2. - С. 19-20.

4. Киртбая Ю.К. Резервы в использовании машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1982. - 329 с.

5. Проектирование технологических процессов в растениеводстве / А.А. Зангиев [и др.]. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2004. - 96 с.

6. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов. - Л.: Колос, 1978..

7. Зангиев А.А., Лышко Г.П., Скороходов А.Н. Производственная эксплуатация машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1996. - 320 с.

--------♦-----------

УДК 630 Е.В. Палкин, В.Н. Курицын

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕПОВОЙ ОКОРКИ С ПРОМЫШЛЕННЫМИ СКОРОСТЯМИ ПОДАЧИ

В статье приводятся результаты исследований окорки бревен цеповым органом. Полученные данные показывают, что окорка цеповым способом по сравнению с традиционными является более эффективной не только по своей производительности, но и с точки зрения энергетических затрат.

Ключевые слова: окорка бревен, цеповой орган, удельная работа, кора, скорость подачи.

E.V. Palkin, V.N. Kuritsin RESEARCH RESULTS OF FLAIL BARKING WITH INDUSTRIAL FEED RATES

The research results of log barking by the flail element are given in the article. The obtained data show that flail barking in comparison with traditional is more effective not only on the productivity, but also from the point of view of power expenditures.

Key words: log barking, flail element, specific work, bark, feed rate.

В условиях рыночной экономики важнейшим источником улучшения хозяйственной деятельности предприятий лесной отрасли является глубокая переработка древесины и комплексное использование всей биомассы дерева. Одним из путей решения этой задачи является качественная окорка бревен.

Окорка сортиментов непосредственно перед распиловкой дает возможность использовать отходы для производства чистой технологической щепы, высвободив и направив на другие цели значительное количество круглых лесоматериалов, которые в настоящее время расходуются в качестве сырья в целлюлознобумажной промышленности.

Окорка пиловочника улучшает эффективность использования применяемого оборудования: производительность головных лесопильных станков увеличивается в среднем на 4%; уменьшается интенсивность затупления и износа режущего инструмента на 25%; улучшается качество обработки материалов на 9%, а точность их размеров на 22-24%; экономия электроэнергии при распиловке каждой тысячи кубометров сырья достигает 300 кВгч. Благодаря окорке повышается культура лесопильного производства и имеется возможность использовать измельченную до нужной фракции кору, которая составляет 7-25% от объема древесины. Дополнительно окорка улучшает обзор и оценку боковой части ствола, обеспечивает его быстрое базирование, способствует сушке древесины, защищает ее от поражений вредителями [1].

Разнообразные условия применения окорочного оборудования, связанные с большой изменчивостью размерных и физико-механических свойств древесины, а также с различными требованиями производства к качеству окорки лесоматериалов, заставляют разработчиков искать новые конструктивные решения для улучшения качества окоренной древесины.

В последние годы появился принципиально новый способ окорки - воздействие на кору вращающимися отрезками цепей, закрепленных в определенном порядке по образующей на поверхности приводного вала. В некоторых источниках он называется цепным, в других - цеповым. Мы склоняемся к последней формулировке, так как она наиболее точно отображает сущность технологического процесса, напоминающего обработку снопов цепами.

Суть процесса заключается в том, что хлысты (а то и деревья) перемещают в осевом направлении через систему горизонтальных и вертикальных вращающихся валов, на которых прикреплены отрезки обыкновенных цепей. За счет центробежной силы цепи приобретают определенную жесткость, и, воздействуя на кору, сбивают ее с поверхности ствола. Это воздействие может быть настолько мощным, что способно удалить не только кору, но и сучья. Это подтверждает опыт эксплуатации зарубежных установок производства фирм «Manitowoc», «Morbark», «Husky Brute» и других [2-3]. В этих установках подкупает крайняя простота технологии и конструкции, что, очевидно, сказывается и на себестоимости продукции. К сожалению, как все-