Определение сменной производительности тяговых и тягово-приводных сельскохозяйственных агреатов

УДК 631.171:631.153.2

В.М. АНДРИАНОВ, канд. техн. наук

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТЯГОВЫХ И ТЯГОВО-ПРИВОДНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ АГРЕАТОВ

Приведены расчетно-аналитический метод определения технически обоснованной сменной производительности машинно-тракторных агрегатов (МТА) с использованием эмпирической зависимости его оптимальной скорости движения от энергонасыщенности энергосредства и условие проверки на работоспособность тяговых и тягово-приводных сельскохозяйственных агрегатов на конкретных агрофонах

При проектировании агротехнологии на стадии планирования сельскохозяйственного производства показатели её эффективности непосредственно зависят от принятой сменной производительности сельскохозяйственных машин и агрегатов. При этом в технико-экономических расчетах сменную производительность агрегата определяют по данным их натурных испытаний или из нормативно-справочных материалов.

Но при рассмотрении множества вариантов агротехнологий необходимо оценивать множество агрегатов различных типоразмеров и назначения. Не все из них подвергались натурным испытаниям, а определение их производительности из нормативно-справочных материалов затруднено по двум причинам: во-первых, нормативные справочники охватывают далеко не все применяемые в регионе агрегаты, а во-вторых, на новые и перспективные агрегаты таких норм вообще не разрабатывалось.

Поэтому при проектировании агротехнологии на стадии планирования производства для определения технически обоснованной сменной производительности агрегатов наиболее рациональным является расчетно-аналитический метод [1], который позволяет получить сопоставимые исходные данные для определения технико-экономических показателей всего множества агрегатов и вариантов агротехнологий.

Сменная производительность сельскохозяйственных агрегатов зависит от двух групп факторов: определяющих технические возможности технических средств (ТС) и определяющих сменное время работы агрегата [2].

При полном использовании технических возможностей ТС и рациональном использовании фонда времени смены достигается наибольшая технически обоснованная сменная производительность агрегата [3].

Технически обоснованную сменную производительность агрегата можно представить в следующем виде [2]:

нем \^МТСМ,

где \¥см - производительность агрегата за 1 час сменного времени (га/ч,т/ч,шт/ч и т.п.); Тсм - продолжительность времени смены, ч.

Производительность за 1 час сменного времени по ГОСТ 24057 допускается рассчитывать по формуле:

\¥см=\¥о/тсм,

где \¥0 - производительность за 1 час основного (чистого) времени (га/ч, т/ч, шт./ч и т.п.); тсм - удельные затраты сменного времени по ГОСТ 24059.

Производительность за 1 час основного времени на этапе проектирования тяговых и тягово-приводных МТА определяется по формуле [2]:

\¥о=0,1ВрУр,

где Вр - рабочая ширина захвата агрегата, м; Ур - рабочая скорость движения агрегата, км/ч.

Производительность за 1 час основного времени (\¥0) приведена в технической характеристике на конкретную сельскохозяйственную машину. Но при определении этой производительности используются агротехнически допустимые скорости движения агрега-

tob (Vamm - Vamax), причем, как правило, используются ее среднее или наибольшее значения.

При агрегатировании конкретной тяговой или тягово-приводной сельскохозяйственной машины с энергосредством ее агротехнически допустимые скорости движения и тяговое сопротивление в большинстве своем не совпадают с оптимальными (рациональными) тяговыми и скоростными показателями энергосредства [4], что приводит к существенным отклонениям от указанной в технической характеристике на сельскохозяйственную машину производительности Wo и прогнозируемой экономической эффективности МТА.

В связи с этим ГОСТ 24056 на методы эксплуатационно-технологической оценки на этапе их проектирования [2] рекомендует проводить совмещение тяговой характеристики энергосредства и характеристики сопротивления сельскохозяйственной машины и таким образом находить среднюю рабочую скорость движения агрегата.

Однако получение этих характеристик возможно опять-таки путем натурных испытаний энергосредства и сельскохозяйственной машины, что приводит к большим затратам труда и средств, да и не всегда возможно по указанным выше причинам, а моделирование их скоростных и тяговых показателей на ЭВМ затруднено из-за большого количества факторов и неизвестного их взаимодействия.

Проведенные нами исследования [5] позволили получить эмпирическую зависимость оптимальной (рациональной) скорости движения энергосредства от его удельной номинальной мощности и на этой основе определять рабочую скорость движения агрегата, и затем сравнивать ее с агротехнически допустимой скоростью движения рабочей машины.

Эмпирическая зависимость оптимальной скорости движения энергосредства в тяговом агрегате имеет вид [5]:

Уопт=А ,

где А - константа, присущая определенному типу ходовых органов энергосредства; - удельная номинальная мощность

энергосредства, кВт.

Удельная номинальная мощность энергосредства в агрегате представляет собой отношение номинальной мощности, развиваемой двигателем энергосредства, к массе агрегата, приходящейся на ходовые органы энергосредства [6]. Для тяговых агрегатов удельная номинальная мощность энергосредства равна отношению номинальной мощности двигателя энергосредства к эксплуатационной массе энергосредства, а для тягово-приводных агрегатов номинальную мощность двигателя энергосредства необходимо уменьшить на часть номинальной мощности, передаваемой через вал отбора мощности (ВОМ) на привод рабочих органов сельскохозяйственной машины.

Поэтому для энергосредства в тягово-приводном агрегате оптимальная скорость движения будет равна:

Уопт=А

где N" - номинальная эффективная мощность двигателя энергосредства, кВт (берется из технической характеристики энергосредства); iVBH0M - часть номинальной эффективной мощности двигателя энергосредства, передаваемой через ВОМ на привод рабочих органов сельскохозяйственной машины, кВт (принимается при составлении агрегата из технической характеристики машины-орудия); А,б - коэффициент, учитывающий догрузку ведущих органов энергосредства при работе в агрегате; GK - конструкционная масса энергосредства, кг; Кэ - коэффициент увеличения нагрузки на ходовые органы энергосредства от дополнительных грузов и результирующей силы на рабочих органах машины-орудия; для прицепных (тяговых) агрегатов Кэ характеризует увеличение конструкционной массы за счет веса тракториста, инструмента, ГСМ, охлаждающей жидкости и дополнительных балластных грузов [7].

Анализ потенциальных тяговых характеристик различных сельскохозяйственных тракторов показал [4], что скорость движения, тяговое усилие и расход топлива на работу МТА можно рассматривать как рациональные в некотором интервале тяговой мощности, близком к максимальному значению номинальной тяговой мощности энергосредства. Этот интервал можно представить в следующем виде:

NH

тшах

0 95NH <Nk >0 95N"

тшах

тшах

тшах

NH

тшах '

где A''|'max и Ari'iiiax - значения тяговой мощности энергосред-

тпих

тшах

ства до и после максимального его значения на потенциальной тяговой характеристике, кВт; - максимальное значение тяговой

мощности энергосредства на его потенциальной тяговой характеристике, кВт.

Предусмотренный в этом интервале допуск на уменьшение номинальной тяговой мощности всего на 5% несущественно увеличивает денежные затраты на работу МТА [1], но при этом появляется возможность иметь определенный положительный маневр по тяговому усилию энергосредства для составления агрегата.

Известно, что оптимальная скорость движения агрегата соответствует максимальному значению тяговой мощности энергосредства [8]. Поэтому в указанном интервале (6) по тяговой мощности энергосредства его рабочую скорость и тяговое усилие можно рассматривать как рациональные с точки зрения максимального использования номинальной тяговой мощности при наименьшем расходе топлива на его работу [4]. С учетом (5) рабочая (рациональная) скорость движения агрегата будет равна:

где Кп - коэффициент приведения номинальной мощности энергосредства к эксплуатационным условиям работы агрегата; п' и п" - показатели степени приведения оптимальной скорости энергосредства к нижнему или верхнему пределам рациональной тяговой мощности агрегата.

Из анализа проведенных ранее нами тяговых испытаний энергосредств на базе различных тракторов получены значения константы А для верхнего (А' при V') и нижнего (А" при V") пределов рациональной скорости движения и верхнего (Р"тн) и нижнего (Р'тн) пределов рационального тягового усилия энергосредства [5].

Vp=3,6A[Kn( N: 0,95"'- )]№GK0,95n",

Определение номинального (рационального) тягового усилия, развиваемого энергосредством при полученной выше рабочей скорости движения, производится по выражению [6]:

PTH=3,6^TKT[l-aNT(WCM-WHB)]Kn(C0,95n-^BHoM)[(1^BOM)+

+w;bom]/1000Vp,

где X - обобщенный показатель, характеризующий эксплуатационные показатели двигателя при вероятностном характере нагрузки энергосредства и техническом его состоянии в зависимости от срока эксплуатации (при качественном и своевременном обслуживании); г|т - тяговый к.п.д. энергосредства; принимается для благоприятных, неблагоприятных или экстремальных погодных (почвенных) условий работы тягово-приводных агрегатов, если в таковых им приходится работать в агротехнологии; Кт - коэффициент поправки (корректировки) тяговой мощности энергосредства в зависимости от агрофона; aNT - коэффициент, характеризующий относительное уменьшение максимальной тяговой мощности энергосредства при повышении влажности почвы против верхнего предела нормальной, равной 20-22%, на 1%; WCm - средняя многолетняя влажность почвы для периодов и видов работ, %; WHb - оптимальная (нормальная) влажность почвы, на которой работает энергосредство, в зависимости от ее механического состава (берется среднее значение), %; Кп - коэффициент приведения номинальной мощности двигателя энергосредства к эксплуатационной; ^Вом - степень использования номинальной мощности двигателя энергосредства для привода рабочих органов машины-орудия (привода ВОМ); определяется при составлении агрегата: ^Вом = N"; г|ВОм - к. п. д. привода рабочих органов машины-орудия (привода ВОМ) (к. п. д. силовой передачи через вал отбора мощности - ВОМ).

Определение тягового сопротивления агрегата при полученной выше рабочей скорости движения производится в зависимости от его состава и функционального назначения. Так, например, для па-

хотного агрегата его тяговое сопротивление определяется по выражению [10]:

К =[ 1 +е

где е - поправочный коэффициент, учитывающий вид работы в диапазоне рабочих скоростей до 15 км/ч; Ун - нормативная скорость, при которой определяют удельное сопротивление плугов или машин-орудий, км/ч; Ка - удельное сопротивление плуга (в зависимости от аграфона) кгс/см2; Ь - глубина обработки (плугом) (берётся из карты технологического процесса), см; К(1 - коэффициент корректировки удельного сопротивления (плуга) в зависимости от глубины обработки; Вп - конструкционная ширина захвата (плуга) (берется из технической характеристики плуга), м; Квп - коэффициент использования конструкционной ширины захвата (плуга).

Для культиваторного, дисковального, бороновального и других подобных прицепных агрегатов, для которых в справочных материалах приводится удельное сопротивление на 1м захвата, тяговое сопротивление определяется по выражению:

1С =[1+е

где пм - количество рабочих машин в агрегате, шт.; Км - удельное сопротивление машины-орудия, Н/м; Вм - конструкционная ширина захвата машины-орудия (берется из технической характеристики машины-орудия), м; Квм - коэффициент использования конструкционной ширины захвата машины-орудия; КЬм - коэффициент корректировки удельного сопротивления машины-орудия от глубины обработки почвы.

Для дополнительного оборудования (зубовых борон или сцепок, гребенок, баков и т.п.), которое навешивается на энергосредство для выполнения дополнительных операций, но увеличивает тяговое сопротивление агрегата за счет догрузки ходовых органов энергосредства, тяговое сопротивление определяется по выражению:

ОпКдопВдопКвдопКнвдоггКШс) 5

где Пдоп - количество дополнительного оборудования в агрегате сетчатых борон (принимается при составлении агрегата), шт.; Кдоп - удельное сопротивление дополнительного оборудования, Н/м; Вд0|, - конструкционная ширина захвата 1 ед. дополнительного оборудования (берется из технической характеристики доп. оборудования), м; КВдоп - коэффициент использования конструкционной ширины захвата дополнительного оборудования (как правило К|;дО|[=1.0): Кщдоп - коэффициент корректировки удельного сопротивления доп. оборудования в зависимости от глубины обработки; £ - коэффициент сопротивления перекатыванию колёс сцепки или транспортной части агрегата; Сс - конструкционная масса сцепки и (или) транспортной части агрегата с грузом (берется из технической характеристики сцепки и (или) машины), кг.

Для транспортного агрегата тяговое сопротивление определяется по выражению:

К? =птмОм ^м±1п),

где П'[-\| - количество транспортных машин в агрегате, шт.; С„ - масса транспортной машины с грузом, кг; ^ - коэффициент сопротивления перекатыванию колёс транспортной машины; ¿п - продольный уклон дороги (поля).

Тяговое сопротивление машин в агрегате не должно превышать тягового усилия энергосредства, иначе агрегат становится не работоспособным.

Как известно [6], работоспособность тяговых и тягово-приводных агрегатов обеспечивается путем преодоления сопротивления рабочих машин при соответствующей агротехнической скорости движения агрегата с учетом некоторого запаса по тяге энергосредства. Чтобы выполнить это условие, необходимо в расчёте добиваться соответствия рабочей скорости движения агрегата агротехнически допустимой скорости машины-орудия и номинального тягового уси-

лия энергосредства тяговому сопротивлению агрегата. Проверка работоспособности производится расчетным путем по условию:

угшп <у < р^тах . а Р а '

А"'"1" <кс< к;тх.

т/тшп тт-тах

где Ка , Ка - минимальная и максимальная агротехнически допустимые скорости движения машины-орудия, в пределах которых обеспечивается качество работы агрегата при правильно настроенных и отрегулированных рабочих органов; Кс, А\""" ,

т^шах

Ас - номинальное, минимальное и максимальное допустимые соотношения сопротивления агрегата и тягового усилия энергосредства (коэффициенты использования силы тяги энергосредством [6]). Определяются как соотношение тягового сопротивления агрегата и тягового усилия энергосредства - Кс = Я;|/РТ|[.

Если условие (13) выполняется, то агрегат можно считать работоспособным и при определении его производительности для расчета принимать его рабочую (рациональную) скорость движения Ур.

Если условие (13) не выполняется, то нужно изменить (в допустимых пределах) показатели п' или п" в формуле (7) и повторить процедуру определения скорости движения, тягового усилия и тягового сопротивления и снова сравнить их по условию (13).

В результате нескольких итераций можно получить положительный результат, удовлетворяющий условию (13), и только тогда принять значение Ур при расчете производительности тягового или тягово-приводного агрегата.

Но если все же не удастся удовлетворить условию (13), тогда можно считать агрегат неработоспособным в данных почвенных условиях и этот агрегат необходимо исключить из агротехнического множества агрегатов для данной операции, и при формировании технологического комплекса машин он участвовать не должен.

Кроме того , удовлетворяющие условию (13) агрегаты проверяются для работы в благоприятных (оптимальная влажность почвы), не благоприятных (повышенная влажность почвы на +10% против оптимальной) и экстремальных (повышенная влажность почвы на

+22% против оптимальной) условиях, если в таковых условиях приходится работать агрегату для осуществления конкретной агротехно-логии.

Получив рабочую (рациональную) скорость агрегатов с учетом (1) и (2), определяем их технически обоснованную сменную производительность по выражению:

\¥нсм=0,1КвВУртсмТсм,

где Кв - степень использования конструкционной ширины захвата или грузоподъёмности машин; В - конструкционная ширина захвата агрегата (м) или грузоподъёмность машин (т).

Расчетно-аналитический метод определения технически обоснованной сменной производительности сельскохозяйственных агрегатов позволяет получать сопоставимые экономические показатели оценки агрегатов и технологий и отбирать из них наиболее эффективные.

ВЫВОДЫ

1. Для определения технически обоснованной сменной производительности сельскохозяйственных агрегатов на стадии проектирования агротехнологии наиболее рациональным является расчетно-аналитический метод, который позволяет получить сопоставимые исходные данные для определения технико-экономических показателей всего множества агрегатов и вариантов технологий.

2. Технически обоснованная сменная производительность агрегата, работающего с тяговой или тягово-приводной нагрузкой, зависит от оптимальной (рациональной) скорости движения энергосредства и в интервале допуска на уменьшение его номинальной тяговой мощности на 5% не существенно влияет на увеличение денежных затрат на работу МТА.

3. Работоспособность тяговых и тягово-приводных агрегатов обеспечивается путём соответствия рабочей (рациональной) скорости движения агрегата и агротехнически допустимой скорости движения машины-орудия, номинального тягового усилия энергосредства и тя-

гового сопротивления агрегата с учетом запаса по тяге у энергосредства от 3 да 22 % в зависимости от вида работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инженерная методика оперативного выбора высокоэффективных машинно-тракторных агрегатов с учетом зональных условий (на примере Нечерноземной зоны РСФСР): Рекомендации. - М.: Рос-сельхозиздат, 1984. - 44 с.

2. ГОСТ 24055-88 - ГОСТ 24059-88. Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки. - М.: Изд. стандартов, 1988,- 48 с.

3. Методика разработки нормативов сменной производительности сельскохозяйственной техники (для целей планирования). - М.: Тип. ВНИИЭСХ, 1976. - 37 с.

4. Андрианов В.М. Потенциальные тяговые возможности сельскохозяйственных тракторов /Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства: Сб. науч. тр. - СПб.: НИПТИМЭСХНЗ, 1992. - Вып.61. - С. 11-15.

5. Андрианов В.М. Изменение оптимальной скорости тракторов в зависимости от их энергонасыщенности //Совершенствование средств механизации в сельском хозяйстве Нечернозёмной зоны РСФСР: Сб.науч.тр. - Л.: НИПТИМЭСХ ИЗ РСФСР, 1982. - С. 14-20.

6. Иофинов СЛ., Лышко Г.П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1984. - 352 с.

7. ГОСТ 27021-86. Тракторы сельскохозяйственные и лесохо-зяйственные. Тяговые классы. - М.: Изд. стандартов, 1986. - 6 с.

8. Веденяпин Г.В., Киртбая Ю.К., Сергеев М.П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1968. - 344 с.

9. ГОСТ 23728-88 - ГОСТ 23730-88. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. - М.: Изд. стандартов, 1988. - 26 с.

10. Вайнруб В.И., Догановский М.Г. Повышение эффективности использования энергонасыщенных тракторов в Нечерноземной зоне. - Л.: Колос, 1982. - 224 с.

Получено 15.08.02.