автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технологическое и техническое обеспечение возделывания и уборки картофеля в условиях переувлажнения почв

На правах рукописи

ПАНАСЮК Александр Николаевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ И УБОРКИ КАРТОФЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА)

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

7 АВГ 2014

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 2014

005551582

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Дальневосточный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор,

Емельянов Александр Михайлович

Официальные оппоненты: . Мяленко Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ректор

Горбачев Иван Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, • член-корреспондент РАН,

ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА, заведующий кафедрой сельскохозяйственных машин

Константинов Михаил Маерович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет,

заведующий кафедрой механизации технологических процессов в АПК

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Приморская ГСХА)

Защита состоится 2 октября 2014г. в 9 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии) по адресу 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р.п. Краснообск, а/я 460, телефон, факс (383)348-12-09; email: sibime@ngs.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, автореферат размещен на сайте www.vak2.ed.gov.ru.. автореферат и диссертация размещены на сайте: wvvw.sibime-raschn.ru. Автореферат разослан « 25 » июля 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технически наук

В.В. Коротких

Актуальность работы: Товарное производство картофеля на Дальнем Востоке в структуре посевных площадей по сравнению с 1990 годом упало с 42,2 % до 10,3% (в 4,2 раза) и сосредоточено в КФХ и ЛПХ (65-78 %). В то же время увеличение объемов производства картофеля решает несколько проблем: продовольственного обеспечения населения, в том числе продуктами длительного хранения; производства высокоэнергетических продуктов - крахмала и патоки; создает предпосылки использования картофеля как источника сырья для производства биотоплива второго поколения - биобутанола.

Применяемые технологии и комплексы машин не в полной мере отвечают зональным почвенно-климатическим условиям: систематическое переувлажнение почв значительно затрудняет использование колесных самоходных машин, усложняет использование прицепных и полунавесных сельскохозяйственных машин, снижает их проходимость, приводит к существенному сокращению количества рабочих дней за календарный срок, вследствие чего потери урожая достигают тридцати и более процентов.

Следовательно, совершенствование технологических процессов и машин в технологии возделывания и уборки картофеля, обеспечивающих агротехническую и опорно-сцепную проходимость, соответствие технологических приемов фазам развития растений, снижение уплотняющего воздействия на почву, непроизводительных энергетических в специфических условиях переувлажнения почв является важной народно-хозяйственной проблемой.

Цель исследований: повышение эффективности возделывания и уборки картофеля в условиях систематического переувлажнения почв за счет совершенствования технологических процессов и конструктивно-режимных параметров машин по критериям тягово-сцепной и энергетической эффективности.

Научно-техническая проблема заключается в изыскании путей, методов и технических решений, обеспечивающих своевременное и качественное выполнение технологических процессов возделывания и уборки картофеля с наименьшими удельными затратами технологических и энергетических ресурсов в условиях переувлажнения почв, способствующих росту объемов производства картофеля.

Объект исследований: технологические процессы возделывания и уборки картофеля в условиях переувлажнения почв с максимальной реализацией тягово-сцепных и динамических свойств технических средств.

Предмет исследований: закономерности изменения тягово-сцепных свойств движителей, тяговой динамики и энергетической эффективности агрегатов, от физико-механических характеристик почвы и конструктивно-режимных

параметров машин.

Методология и методы исследований: теоретические исследования базируются на методике многоуровневого системного анализа, экономико-математического моделирования, линейного программирования, положениях

классической механики, механики грунтов, дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятности и случайных процессов.

Экспериментальные исследования и обработка результатов выполнены с использованием методики многофакторного эксперимента, математической статистики дисперсионного и регрессионного анализа с использованием прикладных программ для ПК.

Научную новизну исследований представляют:

- математические модели оценки эффективности исследуемых технологических процессов возделывания и уборки картофеля как сложной многоуровневой системы;

- методика энергетического моделирования агрегатов в технологических процессах по удельным затратам мощности при рабочем ходе агрегата;

- методика расчета тягово-сцепных и опорно-сцепных свойств гусеничных движителей машин на основе экспериментальных эпюр нормальных напряжений в почве;

- методика расчета скоростного ряда передач технических средств на уборочно-транспортных работах;

- технологические схемы и параметры технических средств;

- закономерности изменения тягово-сцепных свойств движителей машин от физико-механического состояния почвы.

Новизна технических решений подтверждается авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации на изобретения.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- математические модели и система измерителей для энергетической оценки мобильных сельскохозяйственных агрегатов и комплексной оценки технологических процессов и машин в технологии возделывания и уборки картофеля;

- методика энергетического моделирования агрегатов в технологических процессах по удельным затратам мощности при рабочем ходе агрегата; методика расчета скоростного ряда передач по критерию энергосбережения;

- аналитические зависимости определения касательной силы тяги, силы сопротивления движению по характеру распределения нормальных напряжений под опорной поверхностью гусеничного движителя; аналитические зависимости определения профиля почвозацепа, обеспечивающего самоочищение гусеницы;

- рациональные технологические схемы и конструктивно-режимные параметры технических средств для энергосберегающей технологии возделывания и уборки картофеля на переувлажненных почвах.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследований: На основе системного подхода установлены закономерности накопления энергетических затрат в технологических процессах возделывания и уборки картофеля; разработана экономико-математическая модель и новые критерии сравнительной

оценки технологии; получены теоретические зависимости, уточняющие закономерности образования касательной силы тяги и силы сопротивления движению гусеничного движителя. Усовершенствованы агротехнологические приемы, технологические схемы и конструктивно-режимные параметры машин, которые сохраняют плодородие почв за счет снижения техногенного механического воздействия движителей и рабочих органов, сокращают номенклатуру энергетических средств («один трактор, один комбайн»). Результаты исследований использовались ГСКБ ЗАО «Дальсельмаш» при изготовлении образцов самоходного картофелеуборочного комбайна (КПСГ-1,4.), тракторов класса 1,4; 3 на полугусеничном ходу (2009 г.), роторного плуга и фронтального гидронавесного устройства (ГНУ ДальНИИМЭСХ 2009-2012 гг.), а также используются конструкторскими организациями и заводами-изготовителями сельскохозяйственной техники (картофелеуборочные и кормоуборочные комбайны на гусеничном ходу, колесные тракторы с опцией полугусеничного хода и т.д.).

Степень достоверности и апробация результатов исследований: Работа выполнялась в соответствии с «Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 -2012 гг.» (постановление Правительства Российской Федерации №446 от 14.07.2007 г.), планом научных исследований ФГОУ ВПО ДальГАУ: проблема 11.8.; тема 15 «Перспективная система технологий и машин для сельскохозяйственного производства Дальнего Востока России» и Государственным заданием 09.01. «Разработать интенсивные зонально-адаптивные экологически безопасные машинные технологии и новую энергонасыщенную технику блочно-модульного исполнения для производства основных групп продовольствия» (темы 09.01.01.; 09.01.02. плана НИОКР ГНУ ДальНИИМЭСХ). Достоверность результатов исследований подтверждается полевыми исследованиями и высокой степенью сходимости теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований. Основные положения диссертационной работы рассмотрены и одобрены на научно-технических конференциях ДальГАУ (1994-2013 гг.), ДальНИИМЭСХ (2007 - 2013 гг.), ВИЭСХ (2008 г.), ВНИИ сои (2009 г.), ПримНИИСХ (2011 г.), БГСХА (г. Улан-Удэ, 2011 г.), ВИМ (2010 - 2012 гг.). СибИМЭ (2013 г.). Материалы исследований в виде рекомендаций вошли в издания Системы технологий и машин для комплексной механизации растениеводства Дальнего Востока на 2001-2005 гг. (изд. 2002 г.), на 20062015 гг. (изд. 2005 г.) и Амурской области на 2001-2005 гг. (изд. 2001 г.), на 2006-2010 гг. (изд. 2006 г.), на 2011-2015 гг. (изд. 2010 г.), рекомендованы к внедрению экспертной комиссией по внедрению в агропромышленное производство научно-технических разработок и передового опыта Министерства сельского хозяйства Амурской области, научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства Хабаровского края, Департаментом сельского хозяйства и продоволь-

ствия Приморского края. Технология и опытные образцы машины прошли хозяйственную проверку и испытания в Амурской Государственной МИС, внедрены в ОПХ ДальНИИСХ «Комсомольский» Хабаровского края, колхозе «Луч» Амурской области.

Публикации. По теме исследований опубликовано 69 печатных работ, в том числе 49 статей в сборниках научных трудов, 18 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, одна - в зарубежном издании (КНР).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы 309 наименований, в том числе 14 на иностранных языках и приложений на 9 листах. Работа изложена на 340 листах и включает 34 таблицы и 114 рисунков.

Основное содержание работы:

Во введении приводится краткая характеристика изучаемой проблемы, ее актуальность и степень разработанности; сформулированы цели и задачи исследований; научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы; методология и методы исследований; положения, выносимые на защиту; степень достоверности и апробация результатов исследований.

Глава 1. Состояние научной проблемы, ее актуальность, постановка цели и задач исследований Дана характеристика особенностей почвенно-климатических и других системообразующих факторов производства картофеля на Дальнем Востоке, влияния мобильных сельскохозяйственных агрегатов на плодородие почв и урожайность культур. По оценкам Б.Д. Докина, Ф.С. Завалишина, А.И. Иофинова, Б.И. Ка-шпуры, Е.П. Камчадалова, В.В. Кацыгина, Ю.К. Киртбая, A.M. Кононова, И.П. Ксеневича, Н.В. Краснощекова, Э.И. Липковича, Л.М. Пилюгина и др., почвенно-климатические особенности, продолжительность периода полевых работ оказывают существенное влияние на тип и количество технических средств, их способность качественно выполнять технологические операции; на реализацию тягово-сцепных и динамических свойств энергетических средств, агротехническую и общую проходимость движителей машин. Из-за особенных климатических условий зональная система технологий и машин, по мнению дальневосточных ученых В .А. Воронина, A.M. Емельянова, А.Б. Жирнова, Б.И. Кашпуры, C.B. Щитова и др., должна включать машины на гусеничном и полугусеничном ходу, а машины с колесными движителями должны обладать высокими тягово-сцепными свойствами и проходимостью.

Закономерности изменения эксплуатационно-технологических показателей агрегатов от характера взаимодействия движителей и рабочих органов машин, основные требования по допустимому воздействию ходовых систем на почву обоснованы Л.Е. Агеевым, В.В. Гуськовым, В.В. Кацыгиным, И.П. Ксеневичем, А.М Кононовым, Г.М. Кутьковым, М.И. Ляско, В.А. Русановым, В.А. Скотниковым и

др. Дальнейшее развитие теория и практика комплексной механизации, методология обоснования и оценки эффективности использования МТА получили в трудах В.М. Бейлиса, О.Н. Дидманидзе, В.П. Елизарова, А.А. Зангиева, Ю.Ф. Лачуги, М.Е. Мацепуро, А.Н. Скороходова, В.А. Самсонова и др., которые рассматривали машинную технологию как сложную многоуровневую систему с учетом вероятностного характера нагрузки и других возмущающих факторов на уровне взаимодействующих подсистем.

Проведенный анализ трудов позволил сделать вывод о разработанной, безусловно, важной теоретической базе оценки технологий и машин в растениеводстве. Однако в ней не нашло достаточного отражения влияние специфических зональных почвенно-климатических условий, связанных с переувлажнением почв, на эффективность применяемых технологий и агрегатов.

Структурная схема типизированного технологического процесса производства картофеля представлена пятью технологическими адаптерами (рис.1.), непосредственно связанными с полевыми работами, четыре из которых на Дальнем Востоке по агротехническим срокам выполнения совпадают с периодом максимального выпадения осадков и переувлажнения почвы и составляют 80-85 % энергетических затрат в общем объеме полевых работ. Это технологические адаптеры: Р-АТП-3.1 «Обработка почвы при возделывании картофеля», Р-АТП-3.3 «Применение органических и минеральных удобрений под картофель», Р-АТП-3.5 «Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков», Р-АТП-3.6 «Уборка карто-

феля». Выполнение каждого из них необходимо обеспечить в короткие сроки, соответствующие фазам развития растений, с учетом сохранения плодородия почвы.

Проведенный сопоставительный анализ применяемых технологий позволил сформулировать народно-хозяйственную и научно-техническую проблемы, выдвинуть рабочую гипотезу, определить цель и задачи исследований. Задачи исследований:

1. Усовершенствовать технологию и комплекс машин для возделывания и уборки картофеля в условиях систематического переувлажнения почв.

2. Разработать методические основы и математические модели оценки энергетической эффективности технологических процессов и мобильных сельскохозяйственных агрегатов в технологии возделывания и уборки картофеля.

3. Разработать технологические схемы и обосновать конструктивно-режимные параметры мобильных сельскохозяйственных агрегатов, позволяющие повысить их эксплуатационно-технологическую эффективность в условиях переувлажнения почв.

4. Выявить закономерности изменения тягово-сцепных свойств и динамических показателей от конструктивно-эксплуатационных параметров движителей мобильных сельскохозяйственных агрегатов и провести их расчетно-экспериментальную оценку.

5. Дать оценку эффективности основных результатов исследований.

Глава 2. Теоретические предпосылки по обоснованию технологии и технических средств для возделывания и уборки картофеля 2.1. Обоснование методологии, методов моделирования и оценки эффективности технологии и технических средств Технология возделывания и уборки картофеля обладает характерными чертами сложного объекта: наличием цели и назначения, определенного количества составных элементов и сопутствующих им «входов» и «выходов».

Ъх" Хл'." ЪХГ Xх'

Рис. 2. Блок-схема технологических модулей возделывания и уборки картофеля Постановка задачи моделирования системы заключается в том, что требуется опреде-

лить конечные приращения системы урожая (ит) и затрат энергии (Ет) по окончании работ в технологических модулях, как следствие выполнения технологических воздействий на почву и растения мобильными сельскохозяйственными агрегатами (управляющие факторы (ГУ;) и воздействия почвенно-климатических и других случайных возмущающих факторов (ЕХ,) (рис. 2).

Все технологические модули имеют схожие признаки: направлены на создание и поддержание условий для накопления урожая, состоят из определенного количества технологических операций и машин, выполняются в агротехнические сроки, соответствующие фазам развития картофеля. Поэтому для решения поставленной задачи технология представлена в виде цепи марковского случайного процесса с интенсивностью перехода и ограниченным числом состояний (Б) 0<А'(0^«: с допущением, что единичные потоки являются пуассоновскими с ин-тенсивностями, имеющими одинаковый порядок.

Ра Ра Ръ р« Pi.il.-

Лы

¿0 До ->1 Л К

Исходя из этого, интенсивность процесса в технологическом модуле Л,м)и, соответственно, интенсивность технологии Л(пс учетом случайных факторов определится выражением:

N ЛГ

V) (1)

11 1-1

где Л,- интенсивность выполнения технологической операции, рг вероятность параметра интенсивности. Интенсивность процесса (Л,.) оценивается показателем удельной чистотой производительности на единицу мощности или расходуемой энергии:

ХтП'"Тя (£}'" (2)

Вектор-функция случайных (возмущающих) факторов включает в себя суммы отклонений: £х?(Т) - почвенно-климатических факторов; " агротехнических факторов; £х?(Г) - технических факторов, отражающих степень надежности агрегата в определенный период времени (Т). Рассматривая всю совокупность случайных возмущающих факторов как систему независимых событий, которые могут произойти в любых исходах, определение вероятности их влияния на технологический процесс сводится к выражению:

^« = ¿№¿ + <7.) , (3)

<=1

где Г - время выполнения технологических операций в модуле, д;?,- прямая и обратная вероятности события

Тогда П(Р,£ + д,) = ръ(0)£° + р3(1)£1 + р3(2)<?2 + Рг(З)£3. (4)

где ^ — вспомогательная величина.

В силу независимости событий, вероятности Р,(1) могут быть получены как коэффициенты при ^ в формуле (4). При оценке эффективности выполнения технологического процесса принято условие, что появление одного из событий (или группы событий) может привести к частичному снижению качества работ, но не приведет к его остановке. Для проверки разработанной модели рассчитаны вероятности безотказного выполнения технологического процесса в условном временном интервале 100 часов.

\

\

\ ч

20 40 60 80 Ю01|ча<

Рис. 3. Изменение вероятности безотказного Рис 4- изменение коэффициента эффектавно-выполнения технологического процесса сти технологического процесса

Из анализа графиков следует, что увеличение временного интервала ведет к экспоненциальному снижению вероятности безотказного выполнения технологического процесса и коэффициента эффективности. Таким образом, чем больше в технологии принимается технологических и технических управляющих решений на уровнях технологических процессов, направленных на увеличение удельной чистотой производительности, тем интенсивнее снижается влияние случайных факторов на эффективность их выполнения.

5

3 /

■5,

/

Рис. 5. Графическая модель роста энергозатрат в технологии

Для оптимизации энергетических затрат разработана методика энергетического моделирования агрегатов в технологических модулях по удельным затратам мощности при рабочем ходе агрегата. Каждое из состояний системы Б; характеризуется случайной величиной энергетических затрат Е^ (рис.5), где интервалы времени ^ - 12 - - ^ представляют собой агротехничес-

кие сроки выполнения технологических модулей, а ть т2;...т; - интервалы времени между выполнением последовательности модулей. Для формализации процесса принято, что накопление энергозатрат за время (Ч^; происходит по закону: У= а+ 1Л. Так как «воздействие» на среду и, соответственно, «накопление» зависит от законов распределения случайных (возмущающих) факторов, то для оценки эффекта влияния интенсификации на продукционный процесс воспользуемся предельным законом нормального распределения.

Тогда плотности распределения энергозатрат после первого и последнего техно-лого-технического воздействия запишутся:

,, Л 1 2 а0 [ Л,3 -к}, )-А?*!! )]

/(*.) =-пг=е ' (5)

о-0л/ 2л

[хо-и(Ц))] _

/(*„) =-' ' ' '

сг0Ч2л- (6)

Из сравнительного анализа последних формул следует, что скорость роста функции плотности распределения энергозатрат зависит от уровня интенсификации производственных процессов (£,),и параметра роста энергетических затрат^)- Уменьшение количества технологических элементов в модуле (совмещение операций), а также повышение конструктивно-режимных параметров агрегатов повышает энергетическую эффективность технологии.

Для решения задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров агрегатов и, соответственно, энергозатрат разработана модель по типу закрытой распределительной задачи линейного программирования.

Хц +Хп + — + _ Л

■^21 +-^23 Х2п = ¿2

Xmi+X'm2 + X'm}+...+ X'm -А„

••(I)

Xn + X2i+X^+...+ X'ml=Ut Хи + А';, + Хи +...+ Х-, = М,

Xln+X2n+X3„+...+Xmn=M„ Ml+M2 +... + М„ =У* Aj

..(2)

(7)

Система уравнений (1) представляет собой удельные затраты энергии по агрегатам (Aj), применяемым в технологическом модуле, система уравнений (2), соответственно, затраты энергии по составляющим энергетической модели агрегатов (М;) (на преодоление сил сопротивления движению, тягового сопротивления, привода рабочих органов от ВОМ и т.д.).3адача оптимизации энергозатрат сводится к формализации моде-

ли в общепринятую систему и отысканию решения XtJ ^ 0 при минимизации линейной функции:

У = CnXll+CnXl2+...Cm„X,la, ->min (8)

При ограничениях; Gea -> min; ijMep -»■ max;

С правомерным допущением считаем, что затраты топлива (ge) прямо пропорциональны затратам энергии.

k'n=TZ' kc*=JZ; ; (9)

« ' ж

Тогда решение задачи сводится к оптимальному распределению мощности энергосредства по составляющим энергетической модели агрегатов.

г = 10'

1 "«(о ««о) 1

——+—1—к., + ... + ——

N N N

-»min (10)

Для формализации комплексной оценки технологии как многоуровневой системы разработана общая структура ее оптимизации, и рассмотрены методы подхода на каждом этапе.

В качестве управляющих факторов совершенствования технологии приняты: Сое - способы обработки почвы (растений) и дополнительные агромелиоративные приемы; Тм — конструктивно-технологические схемы машин и агрегатов; Э„ - конструктивно-режимные параметры энергосредств; Км - количество применяемых машин; Nm - количество заменяемых (совмещаемых операций). Почвен-но-климатические условия оцениваются влажностью, плотностью и удельным тяговым сопротивлением почвы. Качественные показатели обработки почвы и растений характеризуются допусками на отклонения от агротехнических требований

Технологическое воздействие движителей машин и агрегатов оценивается величиной буксования (S), рабочей скоростью (и) и нормальным давлением на почву (q). Группа основных и достаточных измерителей качеств и свойств агрегатов, влияющих на выбор различных конструктивно-технологических схем и конструктивно-режимных параметров, объединяет в себе: тяговый диапазон (5Т); коэффициент сцепления (ср); коэффициент использования веса энергетического модуля (<PV)\ коэффициент сопротивления качению (/); (коэффициент нагрузки колес (Хк); максимальное нормальное давление движителя на почву (сгтах).

В качестве обобщенной оценки технологического процесса принят максимум эксплуатационной производительности при минимуме расхода топлива:

W3K -> шах; G^-^-rnin; В качестве критерия эффективности агрегатов на уровне технологического процесса принят индекс технологической адаптивности агрегата, который при

равной весомости факторов определяется:

Уи=рА-У,-Уэ-Ус-УЕ-Уз, (И)

где^ - уровень обеспечения оптимальных агросроков; у, - уровень качества выполненных работ; уэ- уровень эксплуатационной эффективности; ус - уровень агрегатной функциональности; уг - уровень энергетической эффективности; уж-уровень экологичности технологических процессов.

Рис. 6. Структурно-информационная модель оценки технологических процессов в технологии возделывания и уборки картофеля

Для комплексной оценки технологии приняты четыре группы интегральных показателей: ТЕ - по критерию удельных энергетических затрат; Тэк- по критерию удельной эффективности энергетических и иных ресурсов; Ти -по критерию воспроизводства плодородия почвы; Тм - по критерию механизации технологических процессов. Для каждой группы общий индекс находится:

где:/я - индекс ресурсной эффективности, рубУДж.;/£ - индекс энергетической эффективности технологии, руб./Дж.; 7ГД - индекс обеспеченности трудовыми ресурсами продукционного процесса (чел./час.)/Дж;/огд- индекс удельной обеспеченности труда технологическими ресурсами, руб. (челУчас,); Jэ • индекс

удельной эффективности труда прй выполнении работ в технологии; индекс трансфертной интенсивности технологии. Эффективность предпринятых путей интенсификации оценивает индекс трансфертной адаптивности:

•41=ПУ'>1^тах (13)

1

Разработанная система оценки технологии, ее адаптивности к зональным условиям, наряду с общепринятыми критериями оптимизации, позволяет более полно оценить предпринятые приемы и способы технической и технологической интенсификации. В частности, при обосновании перспективных технологических схем агрегатов, совершенствовании конструктивно-режимных параметров машин: полугусеничного хода для тяговых агрегатов, агрегата с фронтальным гидронавесным устройством, совмещающего операции по уходу за растениями, самоходного копателя погрузчика на гусеничном ходу, транспортных и транспортно-технологических агрегатов с повышенными тягово-динамическими свойствами; замене горизонтальной обработки почвы на вертикальную на основной обработке и подготовке гряд для посадки картофеля, дополнительных операций по ее обработке, снижающих переувлажнение и повышающих несущую способность почвы.

Новые приемы и технические средства совершенствования технологии возделывания и уборки картофеля на переувлажняемых почвах представлены структурными схемами на примере технологического адаптера Р-АТП-3.1 «Обработка почвы при возделывании картофеля».

Усовершенствованная технология обработки почвы содержит в себе только машины с дисковыми рабочими органами в агрегате с трактором 14-20 кН (с опцией полугусеничного хода), оснащенном СР8-навигатором, что позволяет устранить образование плужной подошвы и впоследствии нарезать гряды с дренажной щелью от почвоуглубителя по центру ее основания. Для устранения за-плывания почвы при оттаивании гряды и предупреждения подтягивания влаги из

подгумусового горизонта предусмотрены дополнительные операции по фрезерованию поверхности гряды и щелеванию междугрядий комбинированным агрегатом с фронтальным гидронавесным устройством, выполняемые за один проход.

Рис. 7. Усовершенствованные приемы основной обработки почвы

Рис. 8. Усовершенствованные приемы предпосадочной обработки почвы

2.2. Совершенствование технических средств для возделывания и уборки картофеля в условиях переувлажнения почв

Комплекс машин основан на принципе «один трактор - один уборочный комбайн». В качестве тягового энергосредства применяется колесный трактор с заменой задних ведущих колес на полугусеничный ход. В условиях переувлажнения его применение увеличивает тяговый диапазон и тяговый к.п.д. Разработана методика расчета касательной силы тяги по эпюре напряжений и буксования по отдельным опорно-сцепным участкам гусеницы (рис. 9). За исходное принято выражение: Рк (14) ( о

Рис. 9. Распределение нормального давления по опорно-сцепному участку полугусеничного движителя

где с - сцепление, нI мг-ур- угол внутреннего трения почвы; д - буксование движителя; q . нормальное давление под движителем, Па; L — длина опорно-сцепного участка - гусеницы, м. С использованием программ Advanced grapher и Matead получена формула для расчета среднего нормального давления под гусеницей.

Ч'сР =-V,-Cosy/ е х

- ( ЛХ ) -

е

Л

_ ^ч ) _

(15)

где х, длина отрезка и ордината эпюры нормальных напряжений масштабные коэффициенты В результате суммарная касательная сила тяги определяется:

е " -1

+ (<

" -1

Y т f Y

+{c + 4lptgp. 5 e* -1

J,

(16)

где: цср; дср; дср - соответственно, среднее нормальное давление на опорно-сцепных участках гусеницы АВ; ВС; СД .

Отличием усовершенствованной технологии является замена горизонтальной основной обработки почвы на вертикальную роторным плугом. Предельное состояние устойчивости тракторного агрегата с (рис. 10.) описывается системой уравнений возмущенного движения (без свободных членов).

ор vp

к,. шо-к„ ■b

■Vi_О ^

k„ ■а2-к„ ■Ь2 . Ущм +—---/* + (*„-а-кп -¿)/? = 0.

(17)

+ + кп ) - ^ + ^ - (Р, - ^ ) - ^ ] • /7 = 0 -^к^-а-кп -Ь . , кп -а2 -куь

где — коэффициенты сопротивления боковому уводу переднего и заднего

мостов.

Раскрывая определитель системы, получим характеристическое уравнение:

Л(а0Л3 + ^Я2 + а2Л-а3Л) = 0 (18)

где X — какое-то постоянное число.

Необходимым и достаточным условием устойчивого движения трактора является: а0 >0; а1 > 0; а2> 0; а3 > 0.: и

ак -Ьк._

но ак^-Ьк^ <0

(19)

Рис. 10. Схема к определению курсовой устойчивости агрегата с роторным плугом

В режиме ускорения и, что более важно, при установившемся режиме работы квадратная скобка либо положительна, либо равна нулю, то есть а3 < 0. Таким образом, при работе с роторным плугом трактор теряет курсовую устойчивость, и необходима постоянная коррекция направления движения. Для достижения курсовой устойчивости агрегата разработана комбинированная поч-

вообрабатывающая машина с активными (ротор) и пассивными рабочими органами (почвоуглубители по следам ведущих колес). Для устойчивого прямолинейного движения агрегата необходимо выполнение условия:

В В

-^-^-КЛУ^-^Кр + Мсп = 0,

(20)

С учетом, что:

Клг ■

найдено соотношение глубины хода левого и правого почвоуглубителей для стабилизирующего эффекта: Л, =К +ксВротИро^у

21..

Ва^.6

(21)

где И - глубина хода почвоуглубителя, м ; (гсж- напряжение сжатия почвы в зоне почвоуглубителя, н/м2; Ь - ширина почвоуглубителя, м; к„ - удельное сопротивление, н/м ; В^И^,, - ширина захвата и глубина обработки роторным плугом, м.

Для совмещения операций и сокращения технологических проходов по полю на предпосадочной обработке почвы и обработке почвы во время ухода за картофелем обоснованы параметры агрегата с фронтальным гидронавесным устройством. Рассматривая агрегат как двухмассовую сочлененную систему, часть А (рис. 11), состоящую из фронтальной навески и рабочей машины, и часть Б - трактора (рис. 12) получено выражение для предельного угла наклона (а) стрелы фронтального гидронавесного устройства по условиям управляемости и продольной устойчивости, связывающее его конструктивные размеры, силовые параметры энергосредства и сопротивление почвы обработке.

а = агс^—^-

к + М„д-МГсуи).с1 + (Лу.с + Си-Ь-11г-а)1

где Ом - вес навесной машины, Н; М^г- ведущий момент на колесах трактора, Н-м;^-суммарный момент сопротивления качению Н.м; горизонталь-

ная и вертикальная составляющие сопротивления почвы на рабочие органы культиватора, Н.

Рис. 11. Двухмассовая сочленённая система - часть А

6%

\ л. ч

\

'Щ,

а Ш- «.ь

2,0 2.2 2,4 2,(1 тш 2,8 р,0

0,4

20

£Й> 10

Тзз 0,3 ¿25) !й <ш

► оал)

Рис. 13. Предельные значения угла наклона навески по условиям управляемости

Условие сохранения управляемости и курсовой устойчивости (при условии малых угловых перемещений заднего моста):

Рис. 12. Двухмассовая сочлененная система-часть Б

Предельные значения угла наклона, который позволяет сохранить высокий тяговый к.п.д. и управляемость трактора, при перераспределении сцепного веса на задние ведущие колеса находятся в пределах 7-15°.

Угол поперечной устойчивости агрегата определяется из условия бокового скольжения задних ведущих колес, когда сила сопротивления рабочих органов достигает такого значения, что сцепление ведущих колес с почвой не обеспечивает курсовой устойчивости.

В Я I £ Отсюда угол курсовой устойчивости агрегата:

Р = аггаш X к г-__

а + ^р+М^ 0

(25)

(26)

где Mj =

Gv2g

J + ^a2

ß - нормальная составляющая силы инерции,

8

связанной с потерей скорости агрегатом, Н; Мш -момент сопротивления повороту Н.м; J - приведенный момент инерции агрегата, Н.м.

Основное влияние на курсовую устойчивость агрегата оказывает рабочая скорость движения и касательная силы тяги по сцеплению, зависящая от нагрузки на ведущие колеса (У„) и их сцепления с почвой ).

Картофелеуборочная машина в

условиях переувлажнения должна

вести механизированную уборку

с минимальным техногенным

механическим воздействием на

почву и минимумом затрат

мощности на самопередвижение.

Переувлажнение оказывает

существенное влияние на

„ , „ т я несущую способность почвы и

Рис. 14. Теоретические эпюры глубины погружения

гусеничного движителя в почву в зависимости от ее глубину колеи (рис. 14). В свою влажности очередь, сила сопротивления дви-

жению от внешних факторов зависит от деформации и липкости почвы.

Рг = Рт + Р» ■ (27)

где Р/„- сила сопротивления движению вследствие смятия почвы, Н; Рр - сила сопротивления движению за счет липкости почвы, Н.

Деформация почвы под гусеницами складывается из деформации лобовым , участком hl и деформации

—|2 h2 по длине опорного

участка L (рис. 15.): Рис. 15. Деформация почвы гусеничным движителем

| L

pfn = P'fn+ p"ß,=2-b-\q-Sinal ■ dl + 2- b ■ j q-Sina2 ■ dL ; (28)

о о

где b - ширина гусеницы, м; q - нормальное давление, Н/мг; / - длина лобового участка AB, м; L - длина опорного участка ВС, м.

После ряда преобразований получено выражение для определения силы сопротивления движению вследствие смятия почвы:

Р _ '

{п~ к

о

Где

\1'?2б-2ЧбС05а1+1 - приведенный к.п.д. буксования;

^Г_ Чтак ЯЩЦ1

(30)

(31)

- коэффициент неравномерности распределения давления по активно-опорному участку.

Для устранения силы Р/хи) обоснован угол профиля почвозацепа гусеничного звена, обеспечивающий его скольжение без прилипания при выходе из почвы (самоочищение гусеницы), (рис. 16.) из условия:

(32)

(33)

Р ^ Р', 2 1'

где /г-сила сопротивления скольжению почвы по звену гусеницы: Р - сила сопротивления скольжению почвы по почве:

(34)

где 5 - площадь гусеничного звена, м2, д - нормальное давление, Па; с - сцеп-

Р'. ление почвы, Н/м2; р - липкость почвы, т Н/м2; /с - коэффициент трения почвы о Га сталь; /„ - коэффициент трения почвы _2г_ по почве. После ряда преобразований угол профиля почвозацепа определится:

. -АВ±2Ывг+С2-А2 .... огйагсвт-———--се0 (35)

В2+С2

Рис. 16.Схема сил, действующих на профильное звено

где — ~ ^ г ^ Jc, - «л ~ ■ > - I 2"

Гусеничный движитель с опорными плитами, угол профиля которых удовлетворяет неравенству (35), обеспечивает условие самоочищения звеньев гусеницы от налипшей почвы.

Как одно из решений повышения тягово-сцепных свойств и динамических показателей транспортно-технологических агрегатов предложен способ уменьшения тягового сопротивления в момент трогания с места и разгоне за счет вынуждающей силы дебалансов (рис. 17.).

-4

1 1

1 1 /

•--

VJ ) -f" V

......J<jj /W J

Рис. 17. Схема сил, действующих натранспорт-но-технологический агрегат с центробежными дебалансами. 1 - трактор; 2 - привод редуктора; 3 - прицепное устройство; 4 -муфта; 5 - редуктор; 6 - инерционные дебалансы; 7- прицеп 18. Изменение динамического фактора

при разгоне агрегата

Уравнение для случая разгона ТГА с вынуждающей силой дебалансов на горизонтальном участке ( цг = / ):

G_„

(36)

Рг+тга)* =G

S g Г r__ r

где Pg=m_

усо2 - вынуждающая сила дебалансов, mg - масса дебалансов, кг; г -

эксцентриситет (расстояние от оси вращения дебалансов до центра масс) м-

а - угловая частота, с . '

Выражение, стоящее в скобках по физическому смыслу представляет собой массу агрегата с учетом инерционной составляющей от угловых ускорений (»«'). Тогда динамический фактор при разгоне агрегата с дебалансами определится:

G

(38)

Отношение -¿г представляет собой коэффициент нагрузки Ар. Отсюда ускорение агрегата при работе дебалансов определяется:

}-'-;--—+—1-.

т' т'

Таким образом, динамика разгона (ускорение) зависит от сопротивления движению агрофона, грузоподъемности прицепа, и.энергонасыщенности, определяемой через удельную силу тяги по сцеплению. Наиболее трудные условия разгона создаются на первом этапе за счет преодоления сил инерции движущихся масс агрегата. Далее влияние инерционных сил на динамику разгона ослабевает (рис. 18).

Для повышения тягово-сцепных и динамических свойств транспортных тракторных агрегатов используется один из мостов прицепа в качестве ведущего через дополнительные элементы трансмиссии. Рассматривая уравнения равновесия агрегата как двухмассовой системы: «трактор-прицеп» (рис. 19), получены выражения для толкающих реакций на ведущих колесах трактора(Х,),прицепа(А'т)

Рис. 19. Схема сил и реакции, действующих в агрегате с ведущим мостом прицепа

Т;7=уя+У2-О>=О

■с.г

Хк

кч

, 0.«г

к^Ь.-Ьт)

А'„,

Ач,

0,5£„

А„(1„-£г) кч{Ь,~Ьт)

Ог(а + У)

__(¿„-¿г)'

И^Ь.'Ьт)

и суммарной толкающей реакции агрегата с ведущим мостом:

Лт + Ь.

(40)

(41)

Х*лр (Н 25 ■

20 •

15 •

10 -

5

+ 0,5-

(42)

.2, 2 "X \

\ ;—

0,«|

0.18 ' «1>

Таким образом, толкающая реакция агрегата зависит от сцепного веса трактора^), коэффициента нагрузки прицепа Ц,) и физико-механического состояния почвы. На рис. 20 приведены границы эффективной работы ведущего моста прицепа: при ?.р =2 мост подключается приД, ¿0,08; приЛ„=1; /^>0,12.

Рис. 20. Изменение толкающей реакции агрегата. Ограничения по глубине колеи

1 - коэффициент нагрузки равен единице;

2- коэффициент нагрузки равен 1,5;

3- коэффициент нагрузки равен двум;

4 - изменение толкающей реакции трактора, работающего в тяговом режиме

(Л, ¿0,15м.) для Л, =2; /^¿О.П.для ¿,=1 «0,155.

При эксплуатации автотранспортных средств максимальная реализация динамического фактора достигается энергосберегающим рядом передач. Эмпирическое распределение дорожных сопротивлений для дорог равниной местности сельскохозяйственного назначения (по данным Амурупрадор на 01.01.2010 г.) аппроксимировано программой Sigma Plot V.II.0 методом наименьших квадратов).

ФМ-'IW / У\ / у

/ А / У

1 / X I / '

\

«X,

Рис. 21. Закон изменения длины дорожный участков от величины дорожных сопротивлений

1

0,2 Рис. 22. Лучевая диаграмма использования

ах -Ьх + с

мощности в зависимости от закона распределения дорожных сопротивлений

(43)

при значимости коэффициентов: а=243,013; Ь=13,б43; с=0,303 (рис. 21). При ступенчатой трансмиссии потери энергии за пройденный путь определяются по выражению: Е = (дг I.,

ь

("— ¡«emu.

Ne -N.

ПШХ

где N

En=(Ne -N,

\ "тли "Листал.

.....N.

к

= ЕГ

(44)

в - величина используемои мощности двигателя при движении с включением соответствующих (1,2,...,п) передач; Г,,^,...,^ - соответственно, время движения на передачах. Элементарная величина недоиспользованной энергии на /-ой передаче при преодолении сопротивления дороги в

пределахх,>х> хм,(рис.22) dE = AN, ■ dt, = I 1--- Nk

■dt

(45)

где

dt =

f{x)x,-dx

K-N*

Подставляя в выражение (45) вместо /(*) закон распределения удельных

(2ах( + eX*/-i ~ х, )У, н — 2ак - Уш.

сил сопротивления дороги, получим: =

, (46)

ЛЯ г 50 1 25

\ 'Л

V

\ \

у ч \ N \ч

4 V

- Л

ж]

По формуле (46) проведены о.о8 расчеты величины недоиспользованной энергии в зависимости от количества передач, а также

0.06

относительные потери энергии по передачам (рис.23): ом R,=-r~-100%; и ДR = Ri-Ri+l;

Полученные теоретические зависимости позволяют рассчитать число передач и рацио-

п „ нальный скоростной ряд пере-

Рис. 23. Суммарные и относительные потери г г

энергии транспортного средства с различным числом Даточных чисел трансмиссии

передач трансмиссии автотранспортных средств

с максимальным использованием эффективной мощности.

Из анализа кривых следует, что увеличение числа передач больше шести не приводит к эффективному снижению потерь энергии (ДR ~ const).

Глава 3. Программа и основные методические положения экспериментальных исследований В программе исследований приведены общие методические положения и частные методики экспериментальных исследований и обработки данных, тарировки тензометрических узлов, измерительных и регистрирующих приборов, расчета прямых и косвенных ошибок измерений.

В планировании, проведении и обработке результатов испытаний применялись многофакторный эксперимент, методы вариационной статистики, дисперсионного и регрессионного анализа. Обработка тензометрических показаний осуществлялась с использованием прикладных программ к ПК. В качестве регистрирующей аппаратуры использована измерительная информационная система ИП 264, предназначенная для многоканальной автоматизированной системы контроля и регистрации параметров в полевых условиях.

Предметом тяговых, полевых и хозяйственных испытаний служили: тяговый агрегат на полугусеничном ходу; тягово-приводной агрегат с роторным плугом; комбинированный агрегат с фронтальным гидронавесным устройством; на базе трактора класса 1,4; самоходный гусеничный копатель-погрузчик для гряд 1,4 метра (КПСГ-1,4); транспортно-технологический агрегат с центробежными дебалансами; транспортный агрегат с ведущим мостом модернизированного прицепа 2ПТС-6; на базе трактора класса 1,4; автомобиль ГАЭ-3308 с энергосберегающим скоростным рядом передач.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и сравнительных

испытаний агрегатов

Для сравнительной оценки достоверности теоретических предпосылок по определению касательной силы тяги построены зависимости изменения касательной силы тяги гусеничного движителя копателя-погрузчика и полугусеничного хода трактора класса 1,4. Из анализа (рис. 24. и рис. 25.) следует, что теоретические кривые расположены в пределах- доверительного интервала, но предложенная методика повышает достоверность расчетов до 96-98 %. Р„ кН

>>

Л

У

-ж

2 у

//

у

11 12 13 14 и ' 6 9 12 6(%)

Рис.24. Зависимость касательной силы тяги Рис.25.3ависимость касательной силы тяги

полугусеничного движителя от буксования гусеничного движителя от буксования

1. Касательная сила тяги, рассчитанная по классической зависимости.

2. Касательная сила тяги, рассчитанная по предлагаемой методике.

3. Экспериментальная кривая изменения касательной силы тяги.

По результатам исследований опорно-сцепных свойств гусеничного движителя копателя-погрузчика КПСГ-1.4 получены уравнения регрессии для коэффициента сцепления и коэффициента сопротивления движению от влажности почвы, угла профиля почвозацепа и среднего нормального давления:

Рис. 26.Самоходный копатель-погрузчик на гусеничном ходу (КПСГ-1,4)

<р = -0,012 + 0,0013-а + 0,0044-^-0,000014-а2-0,00005 •И'2 +0,00004-<?2

/ = 0,3755 + 0,0056-а — 0,0007 ■ IV - 0,000052 а2-0,000001 • IV2 + 0,000024• 92

(47)

(48)

В качестве результирующих функций приняты обобщенный коэффициент проходимости (Я = ?>-/) и к.п.д. движителя (г|дв = (1-^)(1-б).

Уравнения регрессии в раскодированном виде для обобщенного коэффициента проходимости: Л = 5,267+0,022РГ+0,02а-0,345?+0,00548?2. (49)

для к.п.д. движителя; ^ = 0,303 + 0,0- 0,001ог - 0,0001 б?2 + 0,000016а2. (50)

Рис. 28. Поверхность отклика к.п.д. движителя от угла профиля гусеничного звена и влажности почвы

Рис. 27. Поверхность отклика обобщенного коэффициента проходимости от угла профиля гусеничного звена и влажности почвы В результате решения компромиссной задачи с применением программ «SigmaPlot 11.0» и «Компас 3D V10» получены оптимальные значения угла профиля гусеничного в пределах 26- 28 градусов, при которых происходит самоочищение гусениц от липкой почвы (рис. 29).

Л 0,12

Чср.кП»

___..

35 IО (5 50

Вглхнаапь почйц %

Рис. 29. Сечение поверхностей откликов обобщенного коэффициента проходимости ного движителядля инженерных расчетов и к.п.д. движителя

Рис. 30. Номограмма определения Р/ гусенич-

К моменту уборки на торфяно-глеевых, лугово-черноземовидных и лугово-глеевых почвах профиль гряды аппроксимируется уравнением:

У=25,77+0,05/х/-0,008/х/2; (51)

Таким образом, выбранный движитель удовлетворительно вписывается в междурядья и обеспечивает возможность транзитного прохода комбайна по неубранному полю для выгрузки бункера на краю загона (рис. 32). Экспериментально определены агротехнические показатели уборки картофеля на различных видах почвы, различной влажности, и установлен диапазон рабочих скоростей (2,5^4,5км/час) копателя-погрузчика (рис.31) и затраты мощности на технологический процесс уборки в зависимости от влажности почвы (коэффициент загрузки двигателя по номинальной мощности£= 66,8-94,8%).

Для сравнительной оценки тягово-сцепных свойств трактора с полугусеничным ходом с трактором 4К2 принят к.п.д. движителя. Трактор с полугусеничным движителем работает с максимальными значениями к.п.д. движителя г]ы =0,65-0,75 в тяговом диапазоне от 7 до 16,5 кН при коэффициенте использования Рис. 33. Трактор класса 1,4 с опцией веса (р^ =0,18-0,41 Трактор классической ком-полугусеничного хода

Как показывают тяговые испытания, при этих значениях угла профиля гусеничного звена максимальное значение принимают обобщенный коэффициент проходимости и к.п.д. движителя.По результатам испытаний построена номограмма для определения силы сопротивления движению, которая учитывает условия эксплуатации и используется в инженерных расчетах (рис. 30).

Агрчдм.ед

Рис. 32. Размещение гусеничного движителя в профиле поля с агротехническим допуском. 1. Зона размещения гнезда клубней куста картофеля. 2. Зона следа гусеничного движителя.

Рис. 31. Зависимость чистоты и потерь клубней от скорости копателя.

1- влажность гряды в слое 0-20 см = 17-18%

2- влажность гряды в слое 0-20 см =13-15%

поновки, соответственно, от 7 до 12 кН. при Фщ, =0,22-0,40. Таким образом, трактор с полугусеничным ходом превосходит колёсный по силе тяги в 1,38 раза.

Рис. 34. Тяговая характеристика колесного трактора класса 1,4

о.1 си ад о.* оз Рис. 35. Тяговая характеристика трактора класса 1,4 с полугусеничным ходом

Расчётные значения рабочих скоростей для трактора с полугусеничным ходом, соответственно, колеблются от 2,2 м/с до 4,2 м/с, что отвечает современным требованиям, предъявляемым к тракторным агрегатам при выполнении полевых работ. При этом к.п.д. буксования составляет 0,95- 0,8.

По результатам полевых испытаний агрегата для основной обработке почвы (роторный плуг) определен тяговый диапазон, при котором трактор работает с максимальным тяговым к.пд. (7,5-11,5 кН).

Рис. 37. Тяговая характеристика трактора в агрегате с роторным плугом

При рабочих скоростях 2,5...3,5 м/с угол курсовой устойчивости находится в пределах 0...2 градуса при разнице заглубления правого и левого почвоуглубителей /1/7=9...12 см.

Результаты экспериментальных исследований (рис. 38) показали, что использование трактора с фронтальным гидронавесным устройством на междурядных обработках за счет перераспределения весовой нагрузки на задние ведущие колеса трактора снижает буксование при тяговом сопротивлении до 10 кН. - на 20-30%, при сопротивлении 13-15 кН. - на 25-45 %.

6,

Рис.39. Комбинированный агрегат на обработке посадок картофеля

0 2 4 6 8 тттт* « г«*«»

Рис. 38. Зависимость буксования от силы тяги на крюке серийного и экспериментального тракторов

1-серийный трактор;

2-экспериментальный при а =

1 ли

Установлены пределы рационального угла наклона направляющей

фронтального гидронавесного устройства (а = 7°-15°) и оптимальный угол для условий испытаний при скорости 2,5 м/с (пятая передача), который позволяет сохранить управляемость трактора при перераспределении сцепного веса в пределах 0,55-0,75кН.(а = 12,25°).

3- экспериментальный при а =5°-10°

4- экспериментальный при а=10°-15о

5- экспериментальный при а =15° -20°.

»ш$т

Рис. 40. Тяговая характеристика транспортно-технологических агрегатов

1. Базовый агрегат МТЗ-80+2ПТС-4 (Баз).

2. Агрегат с инерционными дебалансами (Р„„).

3. Агрегат с коррекцией сцепного веса (О).

4. Агрегат с ведущим мостом прицепа (ам).

Рис. 41. Динамическая характеристика агрегатов в первый момент разгона

1. Базовый агрегат МТЗ-80+2ПТС-4.

2. Агрегат с инерционными дебалансами.

3. Агрегат с ведущим мостом прицепа 2ПТС-6.

Для сравнительной оценки тягово-сцепных свойств транспортно-технологических агрегатов использовались базовый агрегат МТЗ-80+2ПТС-4; агрегат с механизмом коррекции сцепного веса; агрегат с инерционными дебалан-сами; агрегат с ведущим мостом прицепа. По результатам испытаний в тяговой зоне =0,3-0,4; по к.п.д. движителя усовершенствованные агрегаты превышают базовый в 1,2- 1,1 раза, с буксованием 12-15% против 15- 22%. Исследования динамики разгона показали очевидное преимущество транспортных агрегатов с инерционными дебалансами и ведущим передним мостом прицепа над базовым агрегатом: динамический фактор увеличивается в 1,2- 1,3 раза.

Рис. 42. Ведущий мост прицепа 2.ПТС-6

Рис. 43. Привод центробежных дебалансов (редуктор и полуоси)

На работах, связанных с технологическими переездами по полю, преимущество имеет агрегат с возможностью подключения инерционных дебалансов на период трогания и разгона. На транспортных работах, например, сопровождение картофелеуборочного комбайна при разгрузке бункера на переувлажненных почвах предпочтительно использовать агрегат с ведущим мостом прицепа.

По результатам эксперимента получены зависимости изменения производительности, расхода топлива и затрачиваемой энергии на перевозку груза от числа передач трансмиссии. Установлено (рис. 44), что при выполнении транспортных работ увеличение числа основных передач до шести ведет к равенству недоиспользованной энергии по передачам, увеличению

производительности на 14,5-(С. 44. Изменение эксплуатационно-технических показате- , „ г-п,

:й транспортного средства от числа передач трансмиссии 18>5%' Уменьшению расхода

I---1 Экспериментальная кривая топлива на 14-17%. С ростом

1 I Теоретическая зависимость.

числа передач растет и средняя техническая скорость транспортного средства (на 8%), по сравнению с базовым вариантом (четыре передачи трансмиссии). Таким образом, энергосберегающий скоростной передаточный ряд трансмиссии обеспечивает транспортному средству более высокие эксплуатационно-технические и тягово-динамические качеств.

Глава 5. Оценка результатов исследований, энергетической и экономической эффективности Хозяйственные сравнительные испытания на основной обработке почвы агрегатов МТЭ-80(ПГХ)+БДТ-3(трактор на полугусеничном ходу) и ДТ75М+БДТ-3 показали рост производительности в час основного времени в 1,15 раза, расход топлива уменьшился на 0,4 кг/га. Производительность в час основного времени трактора МТЗ - 80 в агрегате с роторным плугом (МТЗ-80+ПРН-2,4), по сравнению с агрегата ДТ-75М+ПЛН5-35, увеличилась в 1,33 раза, рабочая скорость в 1,53 раза, расход топлива на единицу обработанной площади снизился в 3,4раза. Хозяйственные испытания агрегата с фронтальным гидронавесным устройством на культивации гряд при угле наклона стрелы навески а = 12,5° и а = 0° показали рост производительности в час основного времени в 1,12 раза, рабочей скорости - с 2,27 до 2,35 м/с, коэффициента использования рабочего хода - с 0,70 до 0,82, расход топлива снизился с 5,75 до 5,5 кг/га. Сравнительная эксплуатационно-технологическая оценка копателя-погрузчика КПСГ-1,4, с базовым уборочным агрегатом МТЗ - 82+ ККУ-2А-4, показала рост производительности в час основного времени в 1,7-3,1 раза, рабочей скорости с 1,4+1,5 км/час до 2,5+4,5 км/час. Производительность в час основного времени транспортных агрегатов, по сравнению с базовым МТЗ-80+ПТС-4, увеличилась в 1,06 - 1,16 раза, средняя рабочая скорость движения в 1,08-1,18 раза, коэффициент использования времени движения увеличился с 0,89 до 0,92-0,93.

Для энергетической и экономической оценки усовершенствованной технологии в качестве базовой выбрана технология производства картофеля на грядах 1,4 метра, рекомендованная системой технологий и машин для комплексной механизации растениеводства Амурской области на 2011-2015 гг. Применение конструктивно-технологических схем агрегатов позволяет снизить количество проходов по полю на 23,1% (13 и 16, соответственно), на 41% расход топлива, на 28% затраты живого труда и на 13% материалоемкость. Энергетическая эффективность новых агротехнических приемов и средств механизации в технологии оценивается по максимуму соотношений энергетического потенциала, аккумулированного в основной продукции, и топливно-энергетических затрат на ее производство. Рассчитаны коэффициенты прямой энергетической эффективности Яп(бш)=1,88; и Лп(у)=2,76; соответственно, комплексный индекс прямой энергетической эффективности усовершенствованной технологии /п=46%. Экономия

энергозатрат от снижения расходов топлива ДЕ^ составляет 43700МДж., от снижения трудовых затрат Д29125МДж. Потенциал прямого энергосбережения Щеп) - 24%. Уровень обеспечения оптимальных агротехнических сроков увеличился на 15%; уровень качества выполненных работ - на 17%; уровень агрегатной функциональности - на 31 %; техногенная нагрузка снизилась на 15%. Для комплексной оценки усовершенствованной технологии и комплекса машин приняты четыре группы измерителей: ТЕ — по критерию удельных энергетических затрат; ТЭя - по критерию удельной эффективности энергетических и иных ресурсов; Тц- по критерию воспроизводства плодородия почвы; Тм- по критерию механизации технологических процессов. Для каждой группы измерителей рассчитаны частные индексы: ЛТЕ =1,17; ЛТЭк=1,25; ЛГщ =1,23;_ХГм=1,44; интегральный показатель - индекс трансфертной адаптивности, 1Та =1,27.

При прогнозируемом росте объемов производства картофеля на Дальнем Востоке внедрение усовершенствованной технологии с комплексом машин для возделывания и уборки картофеля позволит получить расчетный дисконтированный экономический эффект 124,8 миллиона рублей.

Общие выводы и рекомендации

1. Усовершенствованная технология и комплекс машин для возделывания и уборки картофеля в условиях периодического переувлажнения почв обеспечивают условия роста и соответствуют фазам развития культуры, ориентированы на наращивание объемов производства, снижение трудоемкости и повышение энергетической эффективности. Применение усовершенствованной технологии позволяет снизить количество технологических проходов по полю на 23,1% (13 и 16, соответственно), на 46% расход топлива, на 28% затраты живого труда и на 13% материалоемкость. Уровень рентабельности увеличился в 1,25 раза, индекс прямой энергетической эффективности усовершенствованной технологии /п=46%. Экономия энергозатрат от снижения расходов топлива АЕ^ составляет 43700МДж., от снижения трудовых затрат АЕ^ с - 29125МДж.

2. Разработаны математическая модель технологии возделывания и уборки картофеля и структурно-информационная модель оценки и контроля технологических процессов, которые позволяют учитывать стохастический характер поч-венно-климатических и технолого-технических факторов. Разработанные критерии позволяют оценить эффективность технологических процессов на всем протяжении полевых работ. В результате уровень обеспеченности оптимальных агротехнических сроков увеличился на 15%, уровень качества работ - на 17%, уровень энергетической эффективности технологических процессов - в 1,1 раза; уровень техногенной нагрузки снизился на 15%.

3. Разработаны методические основы и математическая модель оценки энергетической эффективности агрегатов на принципах линейного программирования,

которые позволяют одновременно оценивать и оптимизировать энергетические затраты, как в технологических процессах, так и в агрегатах, за счет уменьшения непроизводительных затрат энергии по составляющим мощностного баланса в агрегате. В результате к.п.д.движителя тяговых агрегатов вырос в 1,23 раза (с 0,61 до 0,75 ), транспортных агрегатов - в 1,15 раза (с 0,61 до 0,70), производительность на операциях по обработке почвы увеличилась в 1,13- 1,33, на транспортных работах - в 1,06 - 1,16 раза. ■

4. Выявлены теоретические зависимости, уточняющие закономерности образования касательной силы тяги и силы сопротивления движению по эпюре распределения нормальных напряжений под активно-опорным участком гусеничного движителя и угла профиля гусеничного звена, обеспечивающего самоочищение гусеницы, достоверность которых подтверждается экспериментальными данными. Анализ результатов исследований показывает, что при угле профиля гусеничного звена в пределах 26 - 28 град, обобщенный показатель проходимости увеличивается в 1,5-1,29, к.п.д. движителя - в 1,33-1,41 раза (при влажности почвы 34 -62%); уменьшение коэффициента неравномерности распределения давления ведёт к снижению силы сопротивления движению в 1,2-1,25 раза.

5. Разработаны методика и алгоритм расчета скоростного ряда основных передач с учетом закона распределения дорожных сопротивлений. Эффективность использования энергосбергающего ряда передаточных чисел трансмиссии подтверждается расчетными, и экспериментальными данными: ведет к увеличению производительности на внутрихозяйственных перевозках на 14,5 - 18,5%, средней технической скорости - на 8-10%, уменьшению расхода топлива - на 14-17%.

6. Разработаны технологические схемы агрегатов для выполнения технологических процессов возделывания и уборки картофеля: для основной обработки почвы, исключающей образование плужной подошвы, с одновременным разуплотнением почвы по следу движителя; совмещения операций предпосадочной обработки почвы и обработки почвы во время ухода за посадками; механизированной уборки картофеля; уборочно-транспортных работ; обеспечивающие снижение техногенного механического воздействия на почву и повышение технологической адаптивности к условиям переувлажнения почвы. Эффективность решений подтверждается снижением буксования на 25-46%; коэффициента уплотнения в слое почвы 0- 0,2 м (Ц,) на 9-14%, коэффициента увеличения твердости почвы (кн) на 6-17%; удельные энергетические затраты (МДжУм2) технических средств снизились в 1,32 раза; живого труда - в 1,5 раза. В целом, эффективность средств механизации в технологических процессах увеличилась в 1,44 раза.

7. Обоснованы конструктивные схемы полугусеничного хода и движителя копателя-погрузчика; фронтального гидронавесного устройства и роторного плуга; привода центробежных дебалансов и ведущего моста прицепа и конструктивно-режимные параметры агрегатов: управляемости и курсовой устойчивости, тя-

говый диапазон и диапазон основных рабочих скоростей, которые снижают непроизводительные затраты мощности в 1,15- 1,31 раза; увеличивают тяговый к.п.д. в 1,2-1,3 раза, динамический фактор - в 1,1-1,3 раза; производительность - в 1,15-3,1 раза.

8. Установлено влияние полугусеничного хода на тяговую динамику колесного трактора класса 1,4: тяговый диапазон модернизированного трактора составляет 7,0 - 16,5 кН., с к.п.д. движителя 0,65-0,75 и тяговым к.п.д. 0,54 - 0,60. Снижение величины буксования и рост тягового усилия ведёт к увеличению тяговой мощности в 1,38 раза. Расширение тягового диапазона за счет использования треугольного полугусеничного хода позволяет сократить в технологии типоразмеры энергосредств на принципах «один трактор - один комбайн», снизить энергоемкость машин на 750,4 МДж/га, расход топлива - на 44,8 кг/га.

9. Применение гусеничного движителя в схеме картофелеуборочной машины и способ движения по переувлажненному полю повышают агротехническую проходимость, увеличивают, по сравнению с базовым агрегатом, рабочую скорость в 1,8-3 раза (до 2,5+4,5 км/час), производительность в час основного времени в 1,73,1 раза, коэффициент загрузки двигателя по номинальной мощности в зависимости от влажности почвы £ = 66,8-94,8%.

10. Выявлены закономерности изменения тягово-сцепных свойств и динамических показателей тракторных транспортных и транспортно-технологических агрегатов от конструктивных и кинематических параметров, повышающие динамику разгона в 1,2 - 1,Зраза при среднем коэффициенте буксования 21,3 - 16,8%, среднюю рабочую скорость - в 1,08 - 1,18 раза, коэффициент использования времени движения увеличился с 0,89 до 0,92-0,93.

11. Предложены четыре группы измерителей: ТЕ — по критерию удельных энергетических затрат; Тэк - по критерию удельной эффективности энергетических и иных ресурсов; Ти - по критерию воспроизводства плодородия почвы; Тм - по критерию механизации технологических процессов и безразмерные индексы удельной эффективности (ТТе ; ЛТЭК ; .ГГ^ХГм ), которые характеризуют уровни ресурсной, технологической и энергетической эффективности технологии. Эффективность усовершенствованной технологии и комплекса машин по критерию удельных энергетических затрат превышает базовую на 17% (ЛТЕ=1,17), по критерию удельной эффективности энергетических и иных ресурсов - на 25% (ХГэк=1,25), по критерию воспроизводства плодородия - на 23% (Л"и=1ДЗ), по критерию механизации технологических процессов - на 44% («ГГм =1,44). Общий интегральный показатель - индекс трансфертной эффективности (ЛТА) - превышает базовый на 27% (.Гга =1,27). При прогнозируемом росте объемов производства картофеля на Дальнем Востоке расчетный дисконтированный экономический эффект составит 124,8 миллиона рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: список работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах

и изданиях ВАК России:

1. Панасюк А.Н. Механизированная уборка картофеля на широких грядах [Текст]/А.Н. Панасюк// Техника в сельском хозяйстве. - 2001. - №5. - С.5-6.

2. Панасюк А.Н. Влияние технико-эксплуатационных показателей на производительность и топливную экономичность автотранспортных средств [Текст]/А.Н. Панасюк, С.А. Голованов// Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2006.- №11. — С.24-25.

3. Панасюк А.Н. Зональный аспект инновационной политики в машинном земледелии Дальнего Востока [Текст]/А.Н. Панасюк, A.B. Липкань, М.В. Канделя// Аг-роинженерия: Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. -2008. - № 2(27). - С. 88-91.

4. Панасюк А.Н. К вопросу оптимизации тягово-энергетических показателей мобильных энергетических средств [Текст]/А.Н. Панасюк// Агроинженерия: Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина. - 2008.- №1. С.77-78.

5. Панасюк А.Н. К оценке эффективности применения модульных энерготехнологических средств [Текст]/А.Н. Панасюк, A.C. Щитов // Агроинженерия: Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина.-2008,-№3. С. 97-99.

6. Панасюк А.Н. Уборка корнеклубнеплодов универсальным энерготехнологическим модулем [Текст]/А.Н. Панасюк, Д.А. Дегтярев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008.- №1. - С. 56-56.

7. Панасюк А.Н. Повышение эффективности использования транспортных агрегатов [Текст]/А.Н. Панасюк, A.C. Щитов// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008.- №7. - С. 33-34.

8. Панасюк А.Н. Создание тракторов и комбайнов с резиноармированным гусеничным ходом [Текст] /А.Н. Панасюк// Техника и оборудование для села.- 2009. -№6.-С. 14-15.

9. Панасюк А.Н. Адаптивная технология возделывания картофеля и корнеклубнеплодов [Текст]/А.Н. Панасюк// Вестник КрасГАУ. - 2009. - № 2.-

С. 151-153.

10. Панасюк А.Н. Перевод мобильной полевой энергетики на резиноармирован-ный полугусеничный и гусеничный ход [Текст]/А.Н. Панасюк, A.B. Липкань// Сельскохозяйственные машины и технологии,- 2010,- № 6.- С. 27-30.

11. Панасюк А.Н. Оценка влияния почвенных и агроклиматических условий на урожайность корнеклубнеплодов [Текст]/А.Н. Панасюк// Вестник РАСХН. -2010.-№3. - С.51-53.

12. Панасюк А.Н. Повышение эффективности работы транспортных агрегатов [Текст]/А.Н. Панасюк, Ю.Б. Курков, H.H. Сенникова// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010.- № 9. - С. 19-21.

13. Панасюк А.Н. Из опыта инновационной деятельности в становлении регионального сельхозмашиностроения [Текст]/А.Н. Панасюк, Г.И. Орехов// Сельскохозяйственные машины и технологии.- 2011. - № 5.- С. 8-10.

14. Панасюк А.Н. Комплексная оценка адаптивной технологии как многоуровневой системы [Текст]/А.Н. Панасюк// Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2012.-№6-С. 19-22.

15. Панасюк А.Н. Сравнительная оценка тракторов по критерию эффективности применяемого движителя [Текст] / А.Н. Панасюк // Сибирский вестник с/х науки. -2013. №2.-С. 93-96.

16. Панасюк А.Н. Повышение курсовой устойчивости агрегата с роторным плугом [Текст] / А.Н. Панасюк, Г.И. Орехов, А.Н. Демко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2014. - № 1. - С. 19-21.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Панасюк А.Н. Оптимальный режим работы роторного плуга [Текст] /А.Н. Панасюк, Г.И. Орехов, А.Н. Демко// Сельский механизатор. - 2011-№ 6. -

С. 8-9.

2. Способ движения гусеничного комбайна а. с. 1757508 СССР: МКИ3 А 01D17/00, А 01В69/00 / А.Т. Жуковин, А.Н. Панасюк, Г.Н. Бастанский (СССР). - 4880066/15; заявл. 05.11.90; опубл. 30.08.92, Бюл. №32.

3. Пат. 2430502 Российская Федерация, МПК6 A 01D34/63. Универсальный ротационный двухдисковый режущий аппарат / Демшин М.В., Панасюк А.Н., Дем-шин В.И.; заявитель и патентообладатель ГНУ ДальНИИМЭСХ Россельхозакаде-мии. - №2009142117/21; заявл.29.10.09; опубл.10.10.11, Бюл. №28.

4. Положительное решение на выдачу патента по заявке №2012124363 Российская Федерация, МПК4 А 01 В 72/02. Пневматический позиционный регулятор угла заглубления рабочего органа сельскохозяйственного орудия, агрегатируемого с универсальным фронтальным гидронавесным устройством для колесного трактора класса 1,4 [Текст]: /C.B. Щитов, Е.Е. Кузнецов, А.Н. Панасюк, А.Б. Спиридан-чук (РФ). - заявитель ДальГАУ. №2012124363/13 (037301), заявл. 13.06.2012 Российская Федерация.

5. Панасюк А.Н. Стабилизация хода МТА с роторным плугом [Текст] / А.Н. Панасюк, Г.И. Орехов, А.Н. Демко // Вестник Бурятской государственной с/х академии им. В.Р. Филиппова. - 2013. - № 2 С. 58-61.

6. Панасюк А.Н. Обоснование способа и технического средства для механизированной уборки картофеля с гряд в условиях переувлажнения (для зоны ДВ): автореферат [Гекст]/А.Н. Панасюк.- Новосибирск: Новосиб.ГАУ, 1992,- 17с.

7. Панасюк А.Н. Эксплуатационно-технологические предпосылки МЭС [Текст]/А.Н. Панасюк //Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2000. - Вып.6.4.2. - С. 3-7.

9. Панасюк А.Н. Конструктивно-технологические требования к МЭС [Текст]/А.Н. Панасюк, Н.С. КузнецовШеханизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2002. - Вып.8. - С. 141-146.

10. Панасюк А.Н. Улучшение проходимости гусеничных уборочных машин в условиях переувлажнения (на примере Амурской области) [Текст]/А.Н. Панасюк, Д.А. Дегтярев//Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2002.-Вып. 8.-С. 77-83.

11. Панасюк А.Н. Перспективы создания универсального модуля для уборки картофеля и корнеплодов с гряд 1,4 м. [Текст]/А.Н. Панасюк, Д.А. Дегтярев, Е.А. Павленко//Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2006. -Вып.12. -С. 134-144.

12. Панасюк А.Н. Влияние передаточных чисел трансмиссии автомобилей на величину недоиспользованной энергии их двигателей [Текст]/А.Н. Панасюк, С.А. Голованов//Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2006. -Вып.12.-С. 144-150.

13. Панасюк А.Н. Использование энергонасыщенности автотракторного транспорта на перевозках сельскохозяйственной продукции [Текст]/А.Н. Панасюк, С.А. Голованов//Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2008. -Вып.14.-С. 177-181.

14. Панасюк А.Н. Определение силы сопротивления качению прицепа 2 ПТС-4 на транспортных работах [Текст]/А.Н. Панасюк, Н.В. Спириданчук, C.B. Щитов // Современное состояние и перспективы развития комплексной механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции АПК Дальнего Востока России: мат. науч.-пр. конф. ГНУ ДальНИПТИМЭСХ. - Благовещенск, 1112 декабря 2008 г. - С. 221-230.

15. Панасюк А.Н. Обоснование тягового класса энергосредства в гребне-грядовой технологии возделывания картофеля [Текст]/А.Н. Панасюк // Современное состояние и перспективы развития комплексной механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции АПК Дальнего Востока России: мат. науч.пр. конф. ГНУ ДальНИПТИМЭСХ. - Благовещенск, 11-12 декабря 2008 г. - С.189-192.

16. Панасюк А.Н. Система машин или система производства [Текст]/А.Н. Панасюк, Ю.П. Кириленко, A.B. Сюмак, В.В. Русаков// Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике: мат.б-й междунар. науч.пр. конф. ВИЭСХ.- Москва, 13-14 мая 2008 г. 4.2. - С. 126-131.

17. Панасюк А.Н. Использование прицепа 2 ПТС-4 с «центробежным вибратором» на транспортных работах [Текст]/А.Н. Панасюк, Н.В. Спириданчук, C.B. Щитов //Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2009. -Вып.16. -С. 68-72.

18. Панасюк А.Н. Энергетическое обоснование адаптивной технологии возделывания картофеля [Текст]/А.Н. Панасюк //Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ - Благовещенск, 2010. - Вып. 17. - С. 59-66.

19. Панасюк А.Н. К вопросу перераспределения сцепного веса колесного трактора класса 1,4 [Текст]/А.Н. Панасюк , A.A. Спириданчук//Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ-Благовещенск, 2010.-Вып. 17.-С. 119-122.

20. Панасюк А.Н. Определение тягового КПД трактора на полугусеничном ходу [Текст]/А.Н. Панасюк В.И. Гоменюк //Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДальГАУ -Благовещенск, 2011. - Вып. 18. -С. 43-45.

21. Панасюк А.Н. Обоснование фронтального гидронавесного устройства для колесного трактора класса 1,4 [Текст]/А.Н. Панасюк, А.Б. Спириданчук, Е.В. Панова// Инженерно-техническое обеспечение регионального машйноиспользования и сельхозмашиностроения: мат.межд.науч. пр.конф. ГНУ ДальНИИМЭСХ. - Благовещенск, 22-23 июня 2011 г. - С.156-163.

22. Панасюк А.Н. К вопросу перераспределения сцепного веса трактора класса 1,4 с фронтальной навеской [Текст]/А.Н. Панасюк, А. Б. Спириданчук, Е.В.Панова //Инновационное развитие агропромышленного комплекса и аграрного образования: мат. междунар. науч. пр. конф. БГСХА им. В.Р. Филиппова. - Улан-Удэ, 15-16 декабря 2011. - С.147-149.

23. Панасюк А.Н. Адаптация полугусеничного движителя к условиям рабочего хода [Текст]/А.Н. Панасюк, В.И. Гоменюк; ДальНИИМЭСХ. - Благовещенск, 2011,- 6 с.: Деп. в ЦииТЭИ Агропром РАСХН ВНИИЭСХ, №7/19799.

24. Панасюк А.Н. Аналитический расчет касательной силы тяги колесного трактора с полугусеничным ходом с использованием эпюры напряжений [Текст]/А.Н. Панасюк, Ю.Ф. Лачуга, В.И. Гоменюк; ДальНИИМЭСХ. - Благовещенск, 2011. -6 е.: Деп. в ЦииТЭИ Агропром РАСХН ВНИИЭСХ №10/19802.

25. Панасюк А.Н. The theoretical justification of the scheme of arrangement for the working bodies of the cultivator tillage midwater / А.Н. Панасюк, Г.И. Орехов // Farm machinery.(KHP) - 2013. - № 3. - P. 135-137.

Российская академия сельскохозяйственных наук

Дальневосточный научно-исследовательский институт механизации и

электрификации сельского хозяйства

(ГНУ ДальНИИМЭСХ Россельхозакадемии)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ И УБОРКИ КАРТОФЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА)

Специальность: 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

ПАНАСЮК Александр Николаева

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Емельянов А.М.

Новосибирск 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ, ЕЁ АКТУАЛЬНОСТЬ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 14

1.1 Роль системообразующих факторов в формировании зональных технологий и машин 14

1.2 Макро- и микрозональный анализ производства продукции растениеводства 16

1.3 Агроклиматические условия производства продукции растениеводства в Дальневосточном регионе 19

1.4 Физико-механические особенности почв Дальнего Востока 23

1.5 Техногенное влияние мобильных сельскохозяйственных агрегатов на почву 27

1.6 Анализ теоретических исследований по оценке мобильных сельскохозяйственных агрегатов в агротехнологиях 33

1.7 Агротехнические предпосылки направления теоретических и экспериментальных исследований 50

1.7.1 Модель роста урожая в технологии выращивания картофеля 50 1.7.2. Анализ технологий выращивания картофеля 53 ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПО ОБОСНОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ И УБОРКИ КАРТОФЕЛЯ 69 2.1 Обоснование методологии, методов моделирования и оценки эффективности технологии и технических средств 69 2.1. 1. Общие принципы и условия проектирования технологии, как слож- 69 ной технолого-технической системы

2.1.2 Моделирование технологии, как сложной системы 73

2.1.3 Модель роста энергетических затрат в технологии 81

2.1.4 Энергетическое моделирование агрегатов в технологии 85

2.1.5 Формализация комплексной оценки адаптивной технологии как

многоуровневой системы 96

2.1.6 Новые приёмы и технические средства совершенствования технологии возделывания и уборки картофеля на переувлажняемых почвах 112 2.2 Совершенствование технических средств для возделывания и уборки картофеля в условиях переувлажнения почв 126 2.2.1 Выбор критериев оценки качеств и свойств агрегатов в технологии 126 2.2.2. Адаптация трактора с полугусеничным движителем к условиям рабочего хода 137

2.2.3 Расчёт касательной силы тяги трактора с полугусеничным ходом по эпюре нормального давления под движителем 141

2.2.4 Обоснование курсовой устойчивости агрегата для вертикальной основной обработки почвы 148

2.2.5 Обоснование продольной устойчивости агрегата с фронтальным гидронавесным устройством 157

2.2.6 Обоснование курсовой устойчивости агрегата с фронтальным гидронавесным устройством 164

2.2.7 Агротехнические предпосылки выбора движителя и способа передвижения копателя-погрузчика по полю 170

2.2.8 Расчёт силы сопротивления самопередвижению копателя-погрузчика 178

2.2.9 Определение угла профиля гусеничного звена, обеспечивающего самоочищение гусеницы от налипшей почвы 184

2.2.10 Исследование эффективности инерционных дебалансов при трога-

нии и разгоне транспортно-технологических и транспортных агрегатов 190

2.2.11 Исследование эффективности дополнительного ведущего моста на технологическом модуле уборочно-транспортного агрегата 199

2.2.12 Исследование эффективности автотранспортных средств энергетической концепции 203 ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И ОСНОВНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПО ЛОЖЕ- 216 НИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Задачи экспериментальных исследований 216

3.2 Общая методика исследований 221

3.3 Объекты исследований и условия испытаний 222

3.4 Определение энергетических и тягово-сцепных показателей, средства измерений 223

3.4.1 Измерение тягового усилия 224

3.4.2 Определение буксования при рабочем ходе агрегатов 226

3.4.3 Измерение нормального давления под колёсами трактора и прицепа 228

3.4.4 Измерение крутящего момента и числа оборотов на ведущих звездочках и ведущих полуосях 229

3.4.5 Измерение курсовой устойчивости агрегата 230

3.5 Методика определения физико-механических характеристик почвы 231

3.5.1 Определение влажности почвы 231

3.5.2 Определение твёрдости почвы 232 3.5.3. Определение объёмного веса (плотности почвы) 232 3.5.4 Определение уплотняющего механического воздействия на почву 233

3.6 Методика наклейки датчиков и построения измерительных цепей 233

3.7 Определение нормального давления гусеничного движителя на почву 235

3.8 Методика определения ошибок прямых и косвенных измерений 236

3.9 Методика математической обработки экспериментальных данных 238

3.10 Методика планирования многофакторного эксперимента 241 ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И СРАВНИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ АГРЕГАТОВ 245 4.1 Результаты экспериментальной проверки теоретических предпосылок по определению касательной силы тяги и силы сопротивления движению

гусеничного движителя 245

4.2. Результаты тяговых испытаний трактора класса 1,4 с треуголным

полугусеничным ходом 253

4.3. Результаты экспериментальной оценки тяговых агрегатов 255

4.4. Результаты полевых испытаний агрегата для вертикальной обработки почвы 257

4.5. Результаты полевых исследований агрегата с фронтальным гидронавесным устройством 260

4.6. Результаты эксплуатационно-технологической оценки самоходного гусеничного копателя-погрузчика КПСГ-1,4 263

4.6.1. Результаты экспериментальных исследований опорно-сцепных

свойств движителя копателя-погрузчика 263

4.6.2. Результаты агротехнологической оценки КПСГ-1,4 270

4.7. Результаты экспериментальных исследований динамических показателей транспортно-технологических агрегатов 273 4.7.1. Влияние конструктивно-технологических схем агрегата

на динамические качества 273

4.8. Результаты сравнительной оценки тягово-сцепных свойств транспортно-технологических агрегатов 277

4.9. Результаты экспериментальных исследований влияния среднего передаточного числа на энергетическую эффективность автотранспорта 278 ГЛАВА 5. ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 282

5.1. Эксплуатационно-технологическая оценка агрегатов и машин при возделывании и уборке картофеля 282

5.2. Результаты сравнительной оценки тягово-сцепных свойств транспортно-технологических агрегатов 286

5.3. Энергетическая оценка технологических процессов и машин

в технологии 287

Общие выводы и рекомендации 296

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 3 01

ПРИЛОЖЕНИЯ 331

ВВЕДЕНИЕ

Товарное производство картофеля на Дальнем Востоке в структуре посевных площадей по сравнению с 1990 годом упало с 42,2% до 10,3% (в 4,2 раза), 65-78% валового производства картофеля размещено в личных подсобных хозяйствах и мелких фермерских хозяйствах. Картофель выращивается по экстенсивным упрощенным технологиям, в которых удельный вес ручного труда составляет до 78%, в то время, как в развитых странах: США, Германии, Голландии и др. картофель выращивают в крупных сельскохозяйственных предприятиях на индустриальной основе с высоким уровнем механизации технологических процессов.

Два миллиона пятьсот пятьдесят три тысячи гектаров пашни создают предпосылки для производства картофеля не только как продукта потребления, но и как источника технологического сырья, в том числе для производства биотоплива второго поколения - биобутанола.

Анализ удельных энергетических затрат в зональных регистрах базовых технологий возделывания и уборки картофеля (гребневая с междурядьями 0,7 м - на легких хорошо прогреваемых пойменных почвах, и грядовая с междурядьями 1,4 м - на тяжелых периодически переувлажняемых почвах) дает право утверждать, что базовые технологии отличаются высокой энергоемкостью технологических процессов.

Характерной чертой для Дальнего Востока является выпадение основной суммы осадков в период выполнения полевых работ и уборки сельскохозяйственных культур. На период с апреля по октябрь приходится до 80-85% годовых осадков. Систематическое переувлажнение почв значительно затрудняет использование колесных самоходных машин, усложняет использование прицепных и полунавесных, имеющих опорные колеса, сельскохозяйственных машин, приводит к существенному сокращению количества рабочих дней за календарный срок (в отдельные годы количество рабочих дней за агросрок оказывается в 1,2-1,8 раза меньше, чем календарных). Потери урожая, связанные с весенней засухой и летне-осенним переувлажнением почв, техногенным механическим воздействием

машин, достигают тридцати и более процентов. Важным направлением повышения эффективности картофелеводства является расширение применения энергосберегающих технологий, основанных на принципах сохранения и восстановления природных ресурсов с максимальным выходом продукции на 1 мм осадков и 1° тепла.

Следовательно, разработка технологии и комплекса машин, обеспечивающих соответствие технологических приемов фазам развития растений, снижение уплотняющего воздействия на почву, непроизводительных энергетических затрат при выращивании и уборке картофеля в условиях периодического переувлажнения почв, является важной народно-хозяйственной задачей. В современных условиях рост объемов производства должен быть экономически оправдан, как с точки зрения использования материально-технологических ресурсов и трудовых затрат, так и энергетической эффективности.

Основные принципы и методологические подходы по обоснованию эксплуатационных и конструктивных параметров, по организации высокоэффективного использования машинно-тракторных агрегатов в конкретных зональных почвен-но-климатических условиях заложены в трудах В.Н. Болтинского, В.П. Горячки-на, Б.Д. Докина, В.П. Елизарова, Ф.С. Завалишина, И.А. Иофинова, Ю.К. Киртбая, В.В. Кацыгина, И.П. Ксеневича, Б.И. Кашпуры, А.Б. Лурье, Э.И. Липковича, Л.М. Пилюгина, Б.С. Свирищевского, Г.Е.Чепурина и др.

Вопросам агротехнической и опорно-сцепной проходимости движителей машин, на почвах повышенной влажности и в условиях переувлажнения посвящены работы Гуськова В.В., Кацыгина В.В., Климанова A.B., Ксеневича И.П., Кононова A.M., Кутькова Г.М., Лихачева B.C., Ляско М.И., Мацепуро М.Е., Русанова В.А., Скотникова В.А., Трепенкова И.И., Чудакова Д.А. и др., в которых сформулированы требования по допустимому воздействию ходовых систем, исследованы последствия влияния агрегатов и отдельных конструктивно-эксплуатационных факторов на почву. Экологические аспекты проектирования адаптивных машинных технологий наиболее полно раскрыты в трудах Е.П. Кам-

чадалова, Ю.П. Кирилено, Г.М. Кутькова, В.Д. Попова , В.В.Русакова, В.А. Русанова и др.

Дальнейшее развитие теория и практика комплексной механизации, методология обоснования и оценки эффективности использования МТА получили в трудах H.A. Джабарова, О.И. Дидманидзе, A.A. Зангиева, Ю.Ф. Лачуги, М.Е. Ма-цепуро, В.А. Самсонова, А.Н. Скороходова и др., которые рассматривают машинную технологию как сложную многоуровневую систему. При оптимизации параметров технологических комплексов машин авторы учитывают вероятностный характер возмущающих факторов на уровне взаимодействующих подсистем.

Проведенный анализ трудов позволяет сделать вывод о разработанной, безусловно, важной теоретической базе проектирования и оценки технологий и машин в растениеводстве. Но каждая технология, в первую очередь, средство оптимизации возделывания конкретной культуры в конкретных природно-производственных условиях с соответствующим типажом машин. Она нуждается в разработке и совершенствовании методов оптимизации ее структурных элементов с учетом соответствия агроприемов фазам развития растений и динамики климатических факторов, зональной специфики взаимодействия с внешней средой.

При разработке средств механизации для возделывания сельскохозяйственных культур в технологиях с характерным переувлажнением почв в период полевых работ на первый план выступает введение ограничений на техногенное воздействие движителей машин и рабочих органов на почву, поиск путей снижения потерь урожая и плодородия почвы от антропогенной нагрузки, непроизводительных потерь энергии в агрегате. Обоснование и разработка новых машин должны обеспечивать их адекватность зональным природно-производственным условиям.

Работа выполнялась в соответствии с «Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 -2012гг.» (постановление Правительства Российской Федерации №446 от 14.07.2007г.), планом научных исследований

ФГОУ ВПО ДальГАУ: проблема 11.8.; тема 15 «Перспективная система технологий и машин для сельскохозяйственного производства Дальнего Востока России» и Государственным заданием 09.01. «Разработать интенсивные зонально-адаптивные экологически безопасные машинные технологии и новую энергонасыщенную технику блочно-модульного исполнения для производства основных групп продовольствия» (темы 09.01.01.; 09.01.02.плана НИОКР ГНУ Даль-НИИМЭСХ).

На основании выполненного анализа состояния производства картофеля в почвенно-климатических условиях Дальнего Востока и методических подходов к оптимизации конструктивно-эксплуатационных параметров, эксплуатационно-технологических и тягово-сцепных свойств машинно-тракторных агрегатов сформулированы научно-техническая проблема, цель и задачи исследований.

Научно-техническая проблема заключается в изыскании путей, методов и технических решений, обеспечивающих своевременное и качественное выполнение технологических процессов возделывания и уборки картофеля с наименьшими удельными затратами технологических и энергетических ресурсов в условиях переувлажнения почв, способствующих росту объемов производства картофеля.

Цель исследований: повышение эффективности возделывания и уборки картофеля в условиях систематического переувлажнения почв за счет совершенствования технологических процессов и конструктивно-режимных параметров машин по критериям тягово-сцепной и энергетической эффективности.

Задачи исследований:

1. Усовершенствовать технологию и комплекс машин для возделывания и уборки картофеля в условиях систематического переувлажнения почв.

2. Разработать методические основы и математические модели оценки энергетической эффективности технологических процессов и мобильных сельскохозяйственных агрегатов в технологии возделывания и уборки картофеля.

3. Разработать технологические схемы и обосновать конструктивно-режимные параметры мобильных сельскохозяйственных агрегатов, позволяющие повысить

их эксплуатационно-технологическую эффективность в условиях переувлажнения почв.

4. Выявить закономерности изменения тягово-сцепных свойств и динамических показателей от конструктивно-эксплуатационных параметров движителей мобильных сельскохозяйственных агрегатов и провести их расчетно-экспериментальную оценку.

5. Дать оценку эффективности основных результатов исследований.

Научная гипотеза: повышение эффективности возделывания и уборки картофеля в условиях систематического переувлажнения почв может быть достигнуто за счет агротехнологических приемов, направленных на согласованность агротехнических сроков проведения технологических операций с фазами развития картофеля, применения технических средств и агрегатов с максимальным использованием их тягово-сцепных и динамических свойств и снижения техногенного механического воздействия на почву.

Объект исследований: технологические процессы возделывания и уборки картофеля в условиях переувлажнения почв с максимальной реализацией тягово-сцепных и динамических свойств технических средств.

Предмет исследований: закономерности изменения тягово-сцепных свойств движителей, динамики и энергетической эффективности агрегатов, от физико-механических свойств почвы и конструктивно-режимных параметров машин.

Научную новизну исследований представляют:

- математические модели оценки эффективности исследуемых технологических процессов возделывания и уборки картофеля как сложной многоуровневой системы;

- методика энергетического моделирования агрегатов в технологических процессах по удельным затратам мощности при рабочем ходе агрегата;

- методика расчета тягово-сцепных и опорно-сцепных свойств гусеничных движителей машин на основе экспериментальных эпюр нормальных напряжений в почве;

- методика расчета скоростного ряда передач технических средств на уборочно-транспортных работах;

- технологические схемы и параметры технических средств;

- закономерности изменения тягово-сцепных свойств движителей машин от физико-механического состояния почвы.

Новизна технических ре�