автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой мощности

На правах рукописи

Запрудский Валерий Никифорович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

Красноярск 2013

005540753

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Селиванов Николай Иванович Манасян Сергей Керопович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Механизация сельского хозяйства» Хорош Алексей Иванович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», доцент кафедры «Автомобили, тракторы и лесные машины»

ГНУ «Красноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» СО Россельхозакадемии

Защита состоится «20» декабря 2013г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90. Телефон/факс: 8(391) 227-36-09, e-mail; dissovet@kgau.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «19» ноября 2013г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90, КрасГАУ, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.037.01 Бастрону Андрею Владимировичу.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. В. Бастрон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главный критерий технического обеспечения основной обработки почвы - энергоресурсосбережение в технологиях, характеризуемое меньшими затратами мощности и топлива при максимальной производительности с конечной оценкой себестоимости и рентабельности производства продукции. Поэтому основное направление снижения затрат при внедрении ресурсосберегающих технологий почвообработки в АПК Восточной Сибири ориентировано на использование широкозахватных почвообрабатывающих посевных комплексов с высокомощными (320-420кВт (435-570л.с.)) зарубежными и отечественными тракторами колесной формулы 4К46 «Кировец» серии К-744Р 5-8 кл. мощностью 205-300кВт (280-410л.с.). Их энергонасыщенность в комплектации со сдвоенными колесами и максимальным операционным весом составляет [5-ПВт/кг при запасе крутящего момента двигателя 30-55%.

Снижения топливно-энергетических затрат и повышения производительности можно достигнуть на основе системных принципов адаптации почвообрабатывающих агрегатов к основным природно-производственным факторам. Формируемый комплекс для ресурсосберегающих технологий основной обработки почвы требует обоснования вариантов оптимального агрегатирования мобильных энергетических средств (МЭС) с переменными массоэнергетическими параметрами. Поэтому адаптация параметров и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов на базе основных типоразмеров тракторов серии К-744Р к зональным технологиям основной обработки почвы является перспективным направлением экономии топливно-энергетических ресурсов и приобретает особую актуальность.

Работа выполнена по тематическому плану научно-исследовательских работ КрасГАУ в соответствии с координационным планом научного обеспечения АПК РФ (проблема IX, задание 03) на 2011-2015 гг.

Степень разработанности темы. Основанием для определения цели и постановки задач исследования являются: тенденции развития и использования средств механизации обработки почвы; степень разработанности теории системной адаптации тракторов к природно-производственным условиям; результаты эксплуатации и экспериментальной оценки эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.

Цель работы - повышение эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой мощности (серии К-744Р) путем их адаптации к зональным технологиям основной обработки почвы.

Задачи исследования:

1) выполнить анализ развития технического обеспечения ресурсосберегающих технологий в растениеводстве и обосновать структуру системной адаптации почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям;

2) разработать математические модели системы оптимизации эксплуатационных параметров колесных тракторов и агрегатов для операционных технологий основной обработки почвы;

3) обосновать условия функционирования и эксплуатационные параметры колесных тракторов высокой мощности для операций основной обработки почвы;

4) определить рациональные тягово-скоростные режимы и параметры агрегатов для зональных технологий обработки почвы на базе тракторов серии К-744Р разных типоразмеров;

5) разработать и дать технико-экономическую оценку рекомендациям по рациональному использованию тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы в условиях АПК Красноярского края.

Объект исследования - процесс формирования энергетических и технико-экономических показателей почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой мощности.

Предмет исследования - закономерности формирования и взаимосвязь показателей рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов с эксплуатационными параметрами трактора колесной формулы 4К46.

Научная гипотеза - повышение эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой мощности может быть достигнуто за счет адаптации их параметров и режимов работы к зональным технологиям основной обработки почвы.

Методы исследования включали определение условий эффективного функционирования колесных тракторов для обоснования их параметров и режимов работы в составе почвообрабатывающих агрегатов на основе системного анализа, моделирования технологических процессов и оптимизации оценочных показателей.

Научную новизну работы составляют:

1) структура системы ресурсосбережения механизации почвообработки на основе оптимальной адаптации тракторных агрегатов к зональным технологиям;

2) модели и алгоритмы многоуровневой системы оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы колесных тракторов для операций основной обработки почвы;

3) результативные признаки адаптации колесных 4К46 тракторов к зональным технологиям основной обработки почвы;

4) рациональные тягово-скоростные режимы, параметры и показатели эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе разных типоразмеров тракторов серии К-744Р.

Практическую значимость представляют:

1) методика и результаты адаптации колесных тракторов высокой мощности к зональным технологиям основной обработки;

2) рекомендации по агрегатированию основных типоразмеров тракторов серии К-744Р с почвообрабатывающими машинами и орудиями.

На защиту выносятся:

1) структура и модели многоуровневой системы адаптации колесных тракторов для операций основной обработки почвы;

2) результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности использования разных типоразмеров тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы.

Достоверность научных положений. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям наук* «Теория трактора» и «Эксплуатация машинно-тракторного парка», базируются на строго доказанных выводах и согласуются с опубликованными ранее материалами по теме исследований.

Личный вклад соискателя состоит в получении результатов, изложенных в диссертации, проведении теоретического анализа научных экспериментов, обработке и апробации результатов исследования, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реализация результатов:

1) рекомендации по повышению эффективности разных типоразмеров тракторов «Кировец» на основной обработке почвы использованы с.-х. предприятиями Красноярского края: СПК «Шилинский», ООО «ОПХ Боготольское»^ ЗАО «Агрофирма Маяк», ИП «КФК Усков В.В.» - при выборе состава и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения на их базе;

2) результаты исследований в виде методики оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы тракторов «Кировец» при агрегатировании с почвообрабатывающими машинами и комплексами внедрены в учебный процесс и практику научных исследований ФГБОУ ВПО КрасГАУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на международных (2012,2013гг.), всероссийской (2011г.) и региональной (2010г.) научно-практических конференциях (г. Красноярск, КрасГАУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 12 - в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений, изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 23 таблицы, список литературы из 105 наименований. Приложения составляют 12 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, степень разработанности темы сформулированы цель и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работа, приведены основные положения и результаты исследования, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса» проведен анализ ресурсосберегающих технологий в растениеводстве и их технического обеспечения, рассмотрены тенденции улучшения эксплуатационных качеств колесных тракторов общего назначения, установлены приоритеты формирования и прогнозируемый состав тракторного парка в АПК РФ и Красноярского края к 2020г. Показана важность проблемы использования потенциальных возможностей современных тракторов высокой мощности при выполнении технологических операций, обусловленная недостаточной адаптацией к природно-производственным условиям.

Большой вклад в решение проблемы ресурсосберегающего агрегатирования энергонасыщенных тракторов внесли: J1.E. Агеев, A.A. Зангиев, С.А. Иофинов,

A.Ю. Измайлов, Н.В. Краснощекое, И.П. Ксеневич, Н.Г. Кузнецов, Г.М. Кутьков,

B.Н. Кычев, А.П. Савельев, В.А. Самсонов, Н.И. Селиванов, В.И. Черноиванов, В.А. Эвиев и др. При этом установлено, что на современном этапе развития отрасли растениеводства особую актуальность приобретает проблема адаптации нового поколения тракторов высокой мощности к зональным условиям, поскольку ограниченный опыт эксплуатации и недостаточный объем научно-технической

информации требуют развития и систематизации основных принципов и способов ресурсосберегающего использования почвообрабатывающих агрегатов на их базе.

Во втором разделе «Технологические основы и модели адаптации почвообрабатывающих агрегатов к условиям использования» обоснована структура, модели и алгоритм многоуровневой системы адаптации почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям.

Использование научно обоснованных принципов операционных технологий механизированных работ позволило установить основные уровни (задачи) системы адаптации энергонасыщенных тракторов и почвообрабатывающих агрегатов к условиям эксплуатации (рис.1).

На первом уровне решаются задачи: 3,, - обоснования операционных технологий и, основной обработки почвы и их технического обеспечения иге ; 312 - выбора ресурсосберегающих принципов воздействия на обрабатываемый-материал и определения оптимальных значений рабочей скорости У'р„ при

выполнении отдельных операций.

Критерием ресурсосбережения для принятия управляющих решений является минимум суммы приведенных затрат в расчете на единицу выполненной работы

т^У, V ,.1

При решении задач первого уровня все типы почвообрабатывающих агрегатов, с учетом классификационных признаков, видов и объемов У, работ, объединяющих родственные по назначению и близкие по энергоемкости .К, и технологическим требованиям к их параметрам операции, целесообразно разделить на следующие группы: для отвальной и глубокой безотвальной обработки почвы; комбинированные для основной безотвальной обработки почвы; для поверхностной обработки почвы и посева.

После выбора энергосберегающих технологий л,, энергетических средств пх и рабочих машин пШр, по критерию ресурсосбережения (1) и определения У'р„ на последующих уровнях решаются задачи экономии ресурсов на каждой отдельной группе операций путем оптимизации массоэнергетических параметров тракторов, состава и режимов работы соответствующих агрегатов.

На втором уровне решаются задачи оптимизации параметров и режимов работы трактора в заданных (для группы работ) производственных условиях: 32, -обоснования устойчивого движения трактора по тягово-сцепным свойствам <рярср, для обобщенной характеристики опорной поверхности; 322 - определения удельного энергетического потенциала трактора (£*,Э)', при вероятностном характере обобщенных производственных воздействий; З23- оптимизации массоэнергетических параметров трактора для отдельных групп операций и,-; 324 -

оптимизации базовых значений эксплуатационных параметров трактора (т3,Л'„)', и внешней характеристики двигателя (Км,пн) с учетом занятости на операциях и превалирующего класса длины гона /,. Управляющие воздействия на

конструкционно-технологические (Ки,тэ) параметры и топливные (Gr) показатели принимаются на основе оценки и принятия решения по критериям устойчивого, без снижения рабочей скорости, движения (т]Т -> тах).

В основу оптимизации эксплуатационной массы шг и мощности Na (энергетического потенциала N„) положена тенденция создания параметрического ряда МЭС с переменными массоэнергетическими параметрами, обеспечивающими их эффективное функционирование на разных операциях основной обработки почвы и классах длины гона. При установленной оптимальной энергонасыщенности Э],, или (^Э)], , для конкретной технологической операции значения m'ß и N'ß трактора определяются исходя из минимума удельных энергозатрат -» min.

Третий уровень ресурсосбережения связан с конкретизацией состава и режимов работы каждого агрегата на базе выбранных массоэнергетических параметров (Л^/т,,) энергомашины по соответствующим частным критериям оптимальности. Он включает решение задач оптимизации целостной системы (МТА) с учетом взаимосвязей ее подсистем между собой и окружающей средой на режиме рабочего хода: Згл - оптимизации расчетных тягового (Я„р) и скоростного (V) режимов работы трактора по каналам отбора мощности и тяги; 3}2 - оценки показателей технологического уровня трактора 31г - комплектования ресурсосберегающих агрегатов (Вр). Управление режимом рабочего хода принимается на основе оценки и анализа скоростных режимов работы двигателя и агрегата.

Основные критерии ресурсосбережения представляют минимум удельных топливных и энергетических затрат -»min). Выходными параметрами являются оптимальные значения рабочей скорости Vv„ и ширины захвата агрегата ВРор„.

Промежуточные и сопряженные задачи

I уровень

3,,

3,2

II уровень

1 ч

32.2' 32.4

III уровень

? 3

Зз,

7л к. Yy, £n, птс

W 'I X I

V.

, ори

En-£Vi -> min

ЛГ„

ШеэорИ

En -»min g, ->min

Рисунок 1 - Структурная схема многоуровневой системы адаптации почвообрабатывающего агрегата к природно-производственным условиям

Наивысшая эффективность агрегата достигается при максимальной чистой производительности W(m2/c) и наименьших удельных энергозатратах Еп (Дж/м )

iW = Pl!fVIKaf!K -»max; (2)

\Е„ =/гкК01т]т ->min.

Для оценки указанных показателей агрегата, независимо от тягового усилия Ркр и удельного тягового сопротивления К0, из уравнений системы (2) получим

Кш = Л In А + ЬК<Уг- K02)f !r,TV.

В этих выражениях КЛ - эквивалента производительности, а КЕП -эквивалента энергозатрат - зависят от скорости движения V, тягового КПД трактора 77, и характеристики удельного сопротивления агрегата цг. = ¡1 + л к (к 2 - н^)], учитывающей его возрастание АК при Г>Г0=1,4м/с . Потенциальный диапазон рабочих скоростей агрегата можно установить на первом уровне с использованием принятых выше эквивалент. При этом максимальная скорость V'mn соответствует наивысшей производительности Кп = V / цк -* шах а минимальная Kmin -наименьшим удельным энергозатратам Квп = Ек / К„ min . Значения указанных скоростей движения определятся соответственно из условий dK п I dV = 0 и dK£n/dV~ О

к»=д/(1-Л^)/ДК; (4)

[К. <=J(l-AKVj)/2AK.

Значения скоростей и V"mm зависят только от величины ДК . Поэтому агрегат, составленный по критерию КЯт„ , при К^ будет иметь максимальную производительность с удельными энергозатратами Кеп > КЕПт¡„ , а по критерию КЕП при FV;n будет обеспечивать наименьшую производительность. Оптимальное (рациональное) значение скорости агрегата V'p, выбирается из условия у' <у' <,у' , независимо от типа и тягового режима использования трактора. При

шш opt max»

ее определении следует использовать компромиссный вариант, учитывающий характер протекания зависимостей К„, К кп = /(К) и агротребования.

Анализ результатов моделирования (рис.2) показал, что снижение коэффициента А К от 0,20 до 0,06 приводит к повышению и KL от 1,74 до 3,83jm/c и от 1,40 (ограничение по К0) до 2,21м/с соответственно. Соотношение значений эквиваленты производительности КП(У^)/КП(У^) при АК 5 0,12с2 /м2 составляет 1,14-1,17, а при АК > 0,12с2/м2 только 1,03-1,09. Отношение KEn(VlM)/KFn(V^J при этом достигает 1,33 и 1,18.

У, м/с

3.4 2,9 2,4

1.9 1.4

0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 сЧм2 0,18

Рисунок 2 - Влияние характеристики тягового сопротивления дК на рациональный диапазон скоростей почвообрабатывающих машин и агрегатов

Полученные значения показателей эффективности позволили обосновать выбор оптимальной скорости агрегата из условий:

КЕП <у;р,) = (1,06 -1,07)КЕПтЫ, при АК < ОД 2с2/*2; К-ЕП (Кр1) = ПРИ > 0,12с2 /М1. (5)

Указанным значениям У'р, соответствуют эквиваленты производительности: Кп= (0,96-0,97ЖЛт8Х,при АК < 0,12сг/м2; К„ (У;р,) = (0,98 - 0,99)КП^, при ДА" > 0,12с2 /и2. (6)

Приведенные интервалы - У'г,)/ рабочих скоростей на операциях основной обработки почвы находятся внутри рекомендуемых по агротребованиям скоростных интервалов Ут и соответствуют значениям теоретической скорости движения на передачах рабочего диапазона (2,2-2,8 м/с) колесных тракторов.

Исходя из установленной задачи первого этапа второго уровня адаптации З2.ь под оптимальным тяговым режимом работы трактора подразумевается соотношение тягового усилия РКРвр, и рабочей скорости У'р1, при которых достигается максимум тягового КПД трактора цт = N гр / ■ Лгеа = тах. Тяговый КПД трактора можно выразить в виде произведения трех КПД, учитывающих потери мощности в трансмиссии г]тр, потери на качение трактора и на буксование движителя ц г . Поэтому для однотипных тракторов на одноименных почвенных фонах КПД сопротивления качению и буксование 8 удобнее определять в функции <р , используя при обработке результатов тяговых испытаний аппроксимативные модели:

= <Рк? К<РКР + /); 8 =<*<Ркр Ке-Ры),

где а и в - эмпирические коэффициенты, определяемые экспериментально.

Тогда, с учетом установленных зависимостей, критерий оптимизации

1т = т!тр •[

а -Ф

ИМ—

Таким образом, все тяговые характеристики трактора могут быть выражены функцией одного аргумента - коэффициента использования сцепного веса <р ^ . По критерию (8) можно определить значение , соответствующее

Ркрор! £

1-

т/а(1+а + е/ /)

(9)

0 + в)

где 4 = (в / /)(1 + а) /(/ - ав + о/).

Использование универсального метода табулирования при оценке рационального диапазона изменения <ркр позволяет выделить основные режимы работы трактора на потенциальной тяговой характеристике: ?>„„„- с допустимым буксованием 8й и тяговым КПД г]и; с буксованием 5ор1 <8Я и максимальным

тяговым КПД 77Гт„ > г)п\ <Рщ,*т ~ с буксованием < 8ср1 и 7П (рис.3).

Уравнение энергетического баланса трактора в тяговом режиме при равномерном движении с рабочей скоростью V на горизонтальной поверхности запишется в виде

+ а(10)

Левая часть уравнения (10) представляет номинальную эксплуатационную мощность двигателя ЛГе, , приведенную к ведущим колесам трактора при установленных значениях коэффициента ее использования £1, КПД трансмиссии г]„ и КПД буксования = (1 - 8).

Первое выражение в правой части уравнения (10) определяет затраты мощности Nкr, на перемещение рабочей машины

NKP =к\\+АК(Уг-Vi)\)pV,=<pKpm3gV, (11)

а второе представляет затраты мощности двигателя на качение трактора с учетом потерь в шинах и подвеске nf~ (0,05-0,1)/; при/ = {\+^f0+C (V-Vö)

Nf=fm3gV. (12)

Тогда уравнение (10) примет вид

= (9kf +f)m,gV. (13)

Параметр оптимизации задачи Зг.г - удельный энергетический потенциал трактора при критерии ек= цк!цт min выразится как

тэ

(14)

(.Фкг+Л-У-ё Птр

а соответствующая ему эквивалента эксплуатационной массы

Кт, = Кп-Ек/^Э = Г/т,Т-^-Э. (

При известных зависимостях коэффициентов загрузки двигателя по крутящему моменту = М кц IМ и скоростному режиму £'—=г>м /пи„ от коэффициентов приспособляемости К м и вариации нагрузки экстремальное значение

коэффициента использования мощности выразится как Коэффициент , учитывающий недоиспользование мощности из-за снижения скоростного режима при колебаниях нагрузки, рассчитывается по выражению

(16)

^ = (0.80 + 0.167^-0.642^)+

("«г™ ~»н){Ки -1)

Оптимальные (номинальные) значения массоэнергетических параметров трактора для основных технологических операций и соответствующего класса длины гона определяются при установленной чистой производительности W, и EnJI min

= К-к*-м^'РщГ»

а-«у.)1 (17)

+л Г

На этом же этапе предварительно определяется рабочая ширина захвата агрегата для конкретной операции и установленного класса длины гона

В'„ = W'!V\ (18)

Для каждого класса длины гона основные значения энергетического потенциала и эксплуатационной массы трактора определяются решением моделей:

m>i = Zm' i-i

■F»

(19)

(20)

где Р, =Т1/'£Т1 - соотношение годовой занятости трактора на основной обработке і

почвы по І -й технологии Г, и на всех почвообрабатывающих операциях £ т, .

Их решение позволяет обосновать целесообразность и эффективность создания энергетического средства с переменными массоэнергетическими параметрами, адаптированными к основным почвообрабатывающим технологиям и классам длины гона:

V^MbN-h-j^ÜL^.tyjAnwV (21)

(Ç-jjJVn)ji

г _ _ ß • ¿ту- Л У si (22)

Относительный показатель технической производительности П-0,36-W-г для сравнительной оценки тракторов выразится как

АяЧзЛЛЛЧ*. (23>

где Па- техническая производительность агрегата (га/ч) с базовым трактором;

К-Т,1Т, о-

В третьем разделе «Методика экспериментальных исследований» представлены программа, объекты, параметрические модели и методы стендовых, полевых и производственных испытаний, измерительная аппаратура.

На первом этапе исследований выполнена статистическая оценка параметров тягово-скоростных режимов работы и показателей топливной экономичности почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения на базе тракторов К-744Р2/Р3.

Стендовые испытания проводились на лабораторной установке, включающей электрический тормозной стенд KS-56B-4 с установленной мощностью 200кВт и синхронной частотой вращения nc = ISOOjwuh"', двигатель ЯМЗ-240Б, коробку передач (КП) и дополнительную КП, выполняющую роль мультипликатора. Динамические параметры установки обеспечивали имитацию нагрузочных режимов для оценки энергетических и топливных показателей силового агрегата трактора в условиях рядовой эксплуатации.

Лабораторно-полевые и технологические испытания проводились на сплошной и предпосевной культивации агрегатом К-744Р2+АКП-8,4 «Лидер», а также на глубокой и поверхностной обработке почвы агрегатом К-744Р2 +БДМ 6х4П «М». Для расчета параметрических моделей в виде уравнений использованы программы и приложения в Microsoft office Excel 2007.

В четвертом разделе «Результаты исследования эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов «Кировец» приведены результаты оценки эффективности работы агрегатов разного технологического назначения на базе пяти основных типоразмеров тракторов (К-744РЬ Р2, Рз, Ргм.-Рзм) серии К-744Р.

На основании статистического анализа результатов испытаний и рекомендаций изготовителей по энергоемкости применяемых технологий и их технического обеспечения все операции основной обработки почвы в АПК региона можно разделить на три группы:

1) отвальная вспашка и глубокое рыхление почвы на глубину 0,21-0,23jw и 0,40 -0,50л< соответственно при Ко, = 11,0-14,0 кН/м, А К, = 0,15-0,18с2Л<2, V-0. = 0,10H (К;-^) = 1,8-2,Ы/С;

2) послеуборочная безотвальная комбинированная обработка (сплошная культивация), дискование и чизелевание на глубину 0,14-0,16« и 0,20-0,30л* соответственно при Ко, = 4,70-6,50кН/м, ДК, = 0,10с'/мг, = 0,07-0,10 и (К;,-0=2,1-2,8л</С;

3) послеуборочная поверхностная обработка на глубину 0,06-0,12м, предпосевная обработка, обработка и посев по нулевой технологии при 3,10-5,10кЯ/м, ДЛГ,= 0,06с2/л<2, уйо.= 0,07и (к;,-кп;ах) = 2,80-3,80л(/с.

На рисунке 4 представлено соотношение объемов работ (площадей) по группам технологий основной обработки почвы в АПК Красноярского края. Превалирующей (55%) является минимальная технология с безотвальной обработкой и чизелеванием почвы. Поверхностная комбинированная обработка (й= 0,08 - 0,12л«) и посев по нулевой технологии производятся на 30% площадей по 15% соответственно. Отвальной вспашке и глубокому рыхлению, отнесенным по энергоемкости к первой группе родственных операций, подвергаются около 15% площадей - 10 и 5% соответственно.

р,

0.48 0,36

024

0,12

0

0,04 0,08 0,12 0Д6 0,20 с!/м2

ДА' -

Рисунок 4 - Соотношение объемов работ по группам технологий основной обработки почвы в АПК Красноярского края: 1 - отвальная вспашка и глубокое рыхление; 2 - безотвальная комбинированная обработка; 3 - поверхностная обработка и посев по нулевой технологии

Результаты моделирования момента сопротивления по закону арксинуса в стендовых условиях подтвердили общий характер изменения и высокую достоверность расчетного определения оптимального значения коэффициента использования мощности при вероятностном характере внешней нагрузки (рис. 5).

Общие закономерности воздействия температуры масла и частоты вращения входного вала п, в виде кодированных факторов х,= (1и -60)/30 и {п, -1700)/200 на потери холостого хода и КПД КП трактора «Кировец», на примере передачи Ш-З, определяются адекватными {Я = 0,990) параметрическими уравнениями регрессии второй степени:

2

3

1

7777777 / / / /

//////■А Г гг.

0,30 0,55 II 1 1 1 1 1 V/ 0:15 ^ V/////////

=3,51 + 0,37*, +0,85Х2 + 0,21*,*г + 1,43л,2*,; = 0,934 + 0,003*, -0,001х,*2 -0,007х,2.

(24)

(25)

0,95

0,9

0,85

0,75

/

г* \ х

\ \

ч ч

0,04 0,08 V,«--

0,12

0,16

Рисунок 5 - Зависимость энергетических показателей двигателя от параметров нагрузки {К„ = 1,20):--расчет; ▲ - моделирование Ц, = 1,5 с1)

Величина общего КПД трансмиссии тракторов серии К-744Р на основных нагрузочно-скоростных режимах работы при оптимальной температуре ¡м = 60-80°С масла составляет 0,88-0,90. Большие значения КПД характерны для тракторов К-744Р2/Р3. Параметры неустановившейся нагрузки практически не оказывают влияния на его величину.

По результатам лабораторно-полевых испытаний получены выражения для определения осредненных значений коэффициента сопротивления качению трактора на стерневом фоне при комплектовании одинарными и сдвоенными колесами:

[/, =0,09+0,010^-^);

/2 = 0,05 + 0,011(К -У0).

Анализ различных сочетаний <р№ и / позволил установить графические зависимости 5,щ =/(<ркр,Г) (рис. б) и определить рациональные тяговые диапазоны (<Ркрор, -<Ркгш) использования тракторов серии К-744Р с одинарными (0,369-0,450) и сдвоенными (0,350-0,490) колесами на стерне колосовых. Взаимосвязи =/(<ркрХ) для тракторов серии К-744Р с одинарными и сдвоенными колесами в установленных тяговых диапазонах {срКРта-<рКРт^ , с достаточной для расчетов достоверностью, аппроксимированы выражениями:

д, = 0,110/(0,773 -?>„) д1 =0,110-{<рК1, -0,044)/(0,813-<ркр).

°'89{<рет + [0,09 + 0,010(К-1,4)]

Т)тг = 0,89|-г--я

1 <Ркг+ [0,05 + 0,0И(К-1,4)]

0,11

1-

(0,773-^) 0,11-(^-0,044)"

(0,813-рщ,)

(28)

0,8

0,6 0,4 0,2

О

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

<Рч> _р.

Рисунок 6 - Зависимость буксования и тягового КПД тракторов серии К-744Р от коэффициента использования эксплуатационного веса: 1 - одинарные колеса; 2 - сдвоенные колеса

Полученные по результатам моделирования зависимости удельного энергетического потенциала (¿^э) и эквиваленты эксплуатационной массы Кт трактора 4К46 (рис. 7) показывают, что повышение номинальной скорости движения от 1,6 до 3,&м/с в режиме максимального тягового КПД сопровождается ростом (¿г-Э^ от 9,02 до 23,23Вт/кг. Опережающий рост энергонасыщенности обусловлен снижением тягового КПД на 3,0% из-за увеличения сопротивления качению трактора в указанном скоростном интервале. Коэффициент использования эксплуатационной массы на режиме снижается, а при наоборот, возрастает с повышением

скорости, что обусловлено соответствующим изменением коэффициентов <Рк>-ор, И?»..'

Сдваивание колес, с одновременным понижением давления в шинах с 0,14-0,16 до 0,09-0, ЮМПа, снижает величину в среднем на 17%. На режиме

допустимого буксования (¿^Э)^ остается неизменным из-за соотношения /Л)7щ = 1,0. Расширение рационального тягового диапазона от 1рКРор,= 0,35 до <рКРшх= 0,49 увеличивает эффективность использования эксплуатационной массы при допустимом буксовании в среднем на 10,9%, а на режиме г?ГтШ1 , наоборот, уменьшает на 5,4%.

Результаты моделирования показали, что для характерной в АПК края и равномерной занятости трактора на всех видах обработки почвы значения показателей (^Э)* и к'„ находятся в пределах: на одинарных колесах

(13,9-14,5)Вт/кг и (0,253-0,254)<Аи соответственно; на сдвоенных - (12,9-13,5)Вт/кг и (0,249-0,250)с2/м. Для тракторов, оснащенных отечественными дизелями с коэффициентом приспособляемости Км = 1,18-1,31 и ^ = 0,925-0,935, потребная

энергонасыщенность Э составляет (14,9-15,6)Вт/кг на одинарных и (13,8-14,5)5ш/кг на сдвоенных колесах.

V—►

Рисунок 7 - Зависимость удельного энергетического потенциала э)' и эквиваленты эксплуатационной массы Кт трактора 4К46 от скорости рабочего хода: 1 - режим г/Гтах; 2 - режим Зд

В таблице 1 приведены расчетные тягово-скоростные режимы работы и соответствующие им потенциальные диапазоны изменения массоэнергетических параметров тракторов 4К46 при удельных сопротивлениях рабочих машин (■^Гошт — Котах )/ для операций основной обработки почвы установленных групп и длине гона /,>1000ж Условием рационального функционирования трактора является использование в тяговом диапазоне, ограниченном ч>КРор, и <ркр = 0,5(<рКР„р, при изменении номинальной скорости от минимального до

максимального значения.

Таблица 1 - Потенциальные диапазоны изменения массоэнергетических параметров колесных тракторов 4К46 для операций основной обработки установленных групп при/,> 1000л< _____

Группа ( Котіп - Котвх\ К, Комплек- <РКРН Ь-О'* ГПз,

операций кН/м м/с тация Вт/кг кВт т

1 11,0-14,0 2,10 1 к 0,41 13,4 189-240 14,1-18,0

2к 0,41 11,8 167-213 14,1-18,0

2 4,70-6,50 2,45 1к 2к 0,41 0,41 15,7 13,9 244-338 216-299 15,6-21,4 15,6-21,4

3,10-5,10 3,30 1к 0,37 19,3 253-416 13,1-21,5

2к 0,35 16,2 224-368 13,8-22,6

Осредненные (с учетом занятости) значения эксплуатационной массы и энергетического потенциала тракторов 4К46 на одинарных и сдвоенных колесах для установленных групп родственных операций основной обработки почвы на длине гона /,> ЮОСЫ изменяются от 17,3 до 20,9 от и от 234 до 334кВт (рис. 8).

«Л)",

Г'Д = 2Л0.М/С =2,45 м/с К, = 330л</с

Рисунок 8 - Осредненные значения массоэнергетических параметров колесных 4К46 тракторов на одинарных (тэ1)* и сдвоенных (тэ11У колесах для установленных групп почвообрабатывающих операций

Для характерного в АПК региона соотношения объемов работ по разным технологиям обработки почвы и соответствующей занятости осредненные значения энергетического потенциала и эксплуатационной массы трактора на одинарных колесах должны составлять при 1Г > 1000л» - 277,8кВт и 18,0т. На сдвоенных колесах масса трактора возрастает до 20,3т. При равномерной занятости на операциях 2-й и 3-й групп энергетический потенциал трактора должен быть повышен до 312,8кВт. Этим требованиям отвечают тракторы К-744Р3 и К-744РЗМ мощностью 1Уеэ= 265 и 295кВт, массой та = 17,5т (20,0т) и 17,0т (19,5т) на одинарных и (сдвоенных) колесах соответственно.

Результаты производственных испытаний почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения на базе трактора К-744Р2 позволили определить действительные нагрузочно-скоростные режимы работы и показатели эффективности их использования. При этом установлено, что действительные значения показателей тягово-скоростных режимов и эффективности отличаются от потенциальных по результатам моделирования не более чем на 5%. Указанное свидетельствует о достаточно высокой достоверности полученных характеристик и оценочных показателей используемой методологии многоуровневой системы оптимизации эксплуатационных параметров почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения для адаптации к производственным условиям.

По результатам моделирования и производственных испытаний рекомендовано предпочтительное использование и предложены условия рационального агрегатирования тракторов разных типоразмеров с основными типами

почвообрабатывающих машин и посевных комплексов в АПК Красноярского края (табл. 2). Указанные условия могут быть положены в основу комплектования почвообрабатывающих агрегатов для реализации зональных операционных технологий основной обработки почвы.

Таблица 2 - Рациональное агрегатирование тракторов серии К-744Р с основными типами почвообрабатывающих посевных машин и орудий в АПК

Красноярского края

Технология и тип машин и орудий Модель, максимальная ширина захвата, м (количество корпусов)

К-744Р, К-744Р2 К-744Р2„ К-744РЗМ К-744Рзм

Традиционная Плуг полунавесной ПТК 9-35 Плуг оборотный ППО Пл>т чизельный ПЧ (*) ст' № \7 ст' \7 ст' (юЛ ст' ^8ст'

Минимальная Дискатор 4-рядный Культиватор КТС АКП «Лидер» б/7м 7/8м 7,2/8,5м 6/7м 7/8м 7,2/8,5м 6/7м 7/8м 7,2/8,5м 7/8м 8/10м 8,5/10,8м 7/8м 8/1 Ом 8,5/10,8м

Поверхностная обработка и нулевая технология АКП «Лидер» Посевной комплекс «Кузбасс» Посевной комплекс «Томь» 9/1 Ом ПК-8,5/9,7 Томь-6,3/6,3 10/12м ПК-9,7/9,7 Гомь-10/10 10/12м ПК-9,7/9,7 Томь-10/10 12/14м ПК-12,2/12,2 Томь-12/12 10/ІЗм ПК-9,7/12,2 Томь-10/12

Примечание: в знаменателе - для тракторов на сдвоенных колесах.

В пятом разделе «Оценка эффективности использования тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы» дана сравнительная оценка технико-экономических показателей почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения на базе тракторов серии К-744Р.

При выполнении родственных операций основной обработки почвы установленных групп наиболее эффективными по удельным эксплуатационным затратам при /,> 1000л< являются тракторы следующих типоразмеров:

• на отвальной вспашке и глубоком рыхлении - К-744Р3 ГР\;

• на сплошной культивации и поверхностной обработке - К-744Р2/Рз-

Оснащение тракторов сдвоенными колесами при выполнении операций

безотвальной и поверхностной обработки почвы обеспечивает повышение до 11-13% производительности и снижение от 3 до 11% удельных эксплуатационных затрат.

На сплошной поверхностной обработке и культивации почвы целесообразно использовать оснащенные сдвоенными колесами тракторы К-744Р2М/Рз и К-744РЗМ. Срок окупаемости комплекта сдвоенных колес составляет от 2,21 до 3,56 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. По результатам анализа развития технического обеспечения зональных технологий возделывания сельскохозяйственных культур обоснована структура системной адаптации эксплуатационных параметров почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям, включающая поэтапную оптимизацию скоростных и тяговых режимов рабочего хода, энергетического

18

потенциала и эксплуатационной массы трактора, ширины захвата машины-орудия с учетом операционных технологий основной обработки почвы и длины гона.

2. Разработанные на основе детерминированно-стохастических связей, с использованием обоснованных параметров-адаптеров, критериев ресурсосбережения и ограничений, математические модели позволили реализовать систему поэтапного прогнозирования и оптимизации эксплуатационных параметров и режимов рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения на базе энергонасыщенных тракторов колесной формулы 4К46.

3. По установленным характеристикам удельного сопротивления почвообрабатывающих машин и комплексов обоснованы три группы родственных технологических операций основной обработки почвы с интервалами рабочей скорости их выполнения: 1-я гр. (отвальная вспашка и глубокое рыхление) - 1,82,1 м/с, 2-я гр. (безотвальная комбинированная обработка и чизелевание) - 2,1-2,8м/с; 3-я гр. (поверхностная комбинированная обработка и посев по нулевой технологии) -2,8-3,8м/с. По соотношению объемов работ (площадей) основной обработки почвы в АПК Красноярского края превалирующей является 2-я группа технологических операций (55%), на 3-ю и 1-ю группы приходится 30 и 15% обрабатываемых площадей соответственно.

4. Результатами экспериментальных исследований подтверждены основные положения теоретического анализа и определены численные значения коэффициентов уравнений взаимосвязи показателей динамических и тягово-сцепных свойств колесных 4К46 тракторов с параметрами тяговой нагрузки и скоростным режимом работы, позволившие обосновать:

- номинальные значения и эксплуатационные допуски рабочей скорости для установленных групп почвообрабатывающих операций v'»\~ 2,1-0,3м/с, у'Н2 = 2,45 ± 0,35м/с, v'hi= 3,30±0,5м/с;

- рациональный тяговый диапазон, ограниченный значениями коэффициента использования веса tpKn~ 0,37-0,41 на одинарных и (pKfl = 0,35-0,41 на сдвоенных колесах;

- интервалы изменения удельного энергетического потенциала тракторов для основных групп почвообрабатывающих операций на одинарных (13,4-18,9Лт/кг) и сдвоенных (11,9-15,9Вт/кг) колесах;

- оптимальный диапазон изменения энергетического потенциала (fjjN,Д = 234-334к5т, типоразмерный ряд тракторов и параметры агрегатов для основной обработки почвы при длине гона lr> IOOOjh.

5. По результатам сравнительной оценки потенциальных тягово-динамических характеристик тракторов разных типоразмеров и технико-экономических показателей почвообрабатывающих агрегатов установлены приоритетные группы операционных технологий и рациональные тягово-скоростные режимы их использования при длине гона /,> 1000л<, а также условия агрегатирования с основными типами рабочих машин. Наиболее адаптированными к зональным технологиям обработки почвы по критерию ресурсосбережения являются тракторы следующих типоразмеров:

- отвальная вспашка и глубокое рыхление - К-744Р3/Р|;

- безотвальная обработка и дискование стерни (Л=0,14-0,18м) - К-744Р3/Р2/Р2м;

- поверхностная обработка и дискование стерни (/¡=0,10-0,1 Zw) и нулевая технология - К-744Рзм/Рз/Ргм на сдвоенных колесах.

6. Исследованиями установлено, что для характерного в АПК Красноярского края соотношения технологий основной обработки почвы наивысшую эффективность обеспечивают агрегаты на базе тракторов К-744Р3 (?г- Сдваивание колес на операциях минимальной и нулевой технологий повышает производительность и снижает удельные эксплуатационные затраты до 11-13% при окупаемости за 2,2-3,6 года и наиболее целесообразно для тракторов К-744Рз /Рзм-

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Селиванов, Н.И. Структура и модели системной адаптации тракторов к условиям функционирования [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2009. -№ 1. - С. 122-126.

2. Селиванов, Н.И. Взаимосвязь параметров энергетических и тягово-сцепных свойств трактора [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, С.Н. Селиванов // Вестник КрасГАУ.-Красноярск, 2010.-№ 1.-С. 132-137.

3. Селиванов, Н.И. Взаимосвязь параметров энергетических и тягово-динамических свойств трактора [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, А.В.Кузнецов II Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2010. - № 2. - С. 118-123.

4. Селиванов, Н.И Сравнительная оценка эффективности тракторов [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, Н.В. Кузьмин // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2010.-№5.-С. 119-126.

5. Селиванов, Н.И. Рациональные параметры тракторов общего назначения [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, Н.В. Кузьмин // Вестник КрасГАУ. -Красноярск, 2010. - № 8. - С. 115-118.

6. Селиванов, Н.И. Структура экспериментальных исследований адаптации почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 3. -С. 165-168.

7. Селиванов, Н.И. Эффективность технологических процессов основной обработки почвы [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ. -Красноярск, 2012. -№ 4. - С.179-185.

8. Селиванов, Н.И. Показатели динамических и тягово-сцепных свойств тракторов «Кировец» серии К-744Р [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ - Красноярск, 2012. - № 5. - С.297-305.

9. Селиванов, Н.И. Энергетический потенциал колесных 4К46 тракторов общего назначения [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ. -Красноярск, 2012. -№ 6. - С. 156-162.

10. Селиванов, Н.И. Технико-экономические показатели почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, С.А. Зыков // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2012. -№9.-С. 154-162.

11. Селиванов, Н.И. Рациональное использование тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2013. - № 3. - С. 129-135.

12. Селиванов, Н.И. Оценка эффективности использования тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2013. - № 4. - С. 166-172.

в других изданиях

13. Селиванов, Н.И. Рациональные тягово-скоростные диапазоны использования тракторов 4К46 «Кировец» [Текст] / Н.И.Селиванов, В.Н. Запрудский, В.В. Киреева И Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестнику КрасГАУ»: сб. ст. Вып. 5 / Краснояр. гос. аграр. ун-т. -Красноярск, 2009. - С. 27-30.

14. Селиванов, Н.И. Обоснование рациональных параметров тракторов «КИРОВЕЦ» для основной обработки почвы [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Аграрная наука - сельскохозяйственному производству Сибири, Монголии, Казахстана и Болгарии: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. (г. Красноярск, 25-28 июля 2011 г.). Ч. 2 / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск,

2011.-С.258-264.

15. Селиванов, Н.И. Сравнительная оценка эффективности технологий основной обработки почвы [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский // Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. Ч 2. Наука: опыт, проблема, перспективы развития / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2012. - С. 45-48.

16. Селиванов, Н.И. Тягово-динамические характеристики трактора К-744Р2 [Текст] / Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский, С.А. Зыков // Наука и образование: опыт, проблема, перспективы развития: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 2. Наука: опыт, проблемы, перспективы развития / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск,

2012.-С. 48-51.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60x84/1 б Бумага тип. № 1. Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 859 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЗАПРУДСКИЙ ВАЛЕРИЙ НИКИФОРОВИЧ

Научный руководитель: д-р техн. наук, профессор Н.И. Селиванов

Красноярск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.......................................................................10

1.1 Ресурсосберегающие технологии в растениеводстве.......................10

1.2 Концепция развития колесных тракторов общего назначения...........14

1.3 Состояние и перспективы формирования тракторного парка............18

1.3.1 Концепция развития и формирования тракторного парка РФ........18

1.3.2 Приоритеты развития и использования тракторного парка в АПК Красноярского края.......................................................................22

1.4 Условия эксплуатации сельскохозяйственных тракторов.................26

1.5 Направления адаптации тракторов к условиям эксплуатации...........29

1.6 Выводы по разделу...........................................................................34

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МОДЕЛИ АДАПТАЦИИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ К УСЛОВИЯМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ..............................................................................36

2.1 Структура системы адаптации агрегатов к технологиям почвообработки...........................................................................36

2.2 Параметры и критерии системы поэтапной адаптации почвообрабатывающих агрегатов.....................................................45

2.2.1 Адаптация рабочих органов и машин к технологиям обработки почвы...........................................................................45

2.2.2 Адаптация трактора к условиям режима рабочего хода..................47

2.2.3 Обоснование параметров и режима работы агрегата.....................50

2.3 Модели оптимизации тягово-скоростных режимов работы почвообрабатывающих агрегатов......................................................53

2.3.1 Моделирование скоростных режимов работы

почвообрабатывающих машин и агрегатов............................................53

2.3.2 Моделирование рациональных тяговых режимов работы трактора...................................................................................56

2.4. Модели и алгоритм оптимизации эксплуатационных параметров трактора колесной формулы 4К46 для основной обработки почвы........60

2.4.1 Удельный энергетический потенциал трактора...........................60

2.4.2 Эксплуатационные параметры трактора и агрегата.......................67

2.5 Выводы по разделу...................................................................70

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............72

3.1 Программа экспериментальных исследований................................72

3.2 Объекты экспериментальных исследований...................................78

3.3 Параметрические модели экспериментальных исследований...........82

3.4 Методика стендовых, лабораторных и производственных испытаний...............................................................................................86

3.5 Обработка экспериментальных данных и оценка погрешностей измерений.................................................................................................90

3.6 Выводы по разделу.......................................................................93

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ ТРАКТОРОВ «КИРОВЕЦ»......................................................94

4.1 Характеристики и показатели эффективности технологий основной обработки почвы.............................................................................94

4.2 Показатели динамических и тягово-сцепных свойств тракторов серии К-744Р.....................................................................................98

4.3 Энергетический потенциал колесных 4К46 тракторов для операций основной обработки почвы.............................................................106

4.4 Тягово-динамические характеристики тракторов «Кировец»..........115

4.5 Показатели эффективности почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р........................................................................119

4.6 Рациональное использование тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы............................................................................127

4.7 Выводы по разделу...............................................................................133

5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРОВ

СЕРИИ К-744Р НА ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКЕ ПОЧВЫ......................136

5.1 Основные показатели эффективности.................................................136

5.2 Результаты оценки технико-экономических показателей почвообрабатывающих агрегатов..............................................................139

5.3 Выводы по разделу.................................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................147

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

В основу современных зональных технологий возделывания сельскохозяйственных культур положено сокращение затрат энергоресурсов на основе рационального сочетания агротехнических и экономико-организационных мероприятий. При сложившихся экономических условиях, наряду с совершенствованием севооборотов, являющихся составной частью зональной системы земледелия, большими резервами располагают ресурсосберегающие и почвозащитные технологии основной обработки почвы на основе современных систем машин.

Для реализации указанных технологий используется зональная система машин, включающая почвообрабатывающие машины и мобильные энергетические средства как отечественного, так и зарубежного производства. В последние годы промышленность выпускает широкую номенклатуру тех и других, что позволяет выбрать наиболее эффективные для конкретных природно-производственных условий. Однако следует отметить, что наблюдается устойчивая тенденция опережающего роста стоимости технических средств относительно их потребительских качеств. В этих условиях особую значимость приобретает полная реализация потенциала почвообрабатывающих агрегатов за счет рационального согласования тяговых характеристик рабочих машин и энергетических средств.

Главный критерий технического обеспечения основной обработки почвы - энергоресурсосбережение в технологиях, характеризуемое меньшими затратами мощности и топлива при максимальной производительности с конечной оценкой по себестоимости продукции и рентабельности ее производства. Последние 5 лет в АПК Восточной Сибири направлены на достижение этих ориентиров в основном за счет использования широкозахватных почвообрабатывающих и посевных комплексов на повышенных рабочих скоростях с высокомощными зарубежными тракторами колесной формулы 4К46 мощностью до 320-420кВт (435-570л.с.) и отечественными тракторами «Кировец» серии К-744Р 5-8 кл. мощностью 2055

300кВт (280-410л.с.) ЗАО «Петербургский тракторный завод». Их энергонасыщенность в комплектации со сдвоенными колесами и максимальным операционным весом составляет 15-17Вт/кг при запасе крутящего момента двигателя 30-55%.

С повышением мощности тракторов общего назначения особую актуальность приобретает проблема ее использования в связи с требованиями ресурсосбережения и экономичности. На современном этапе эти требования вступают во все большее противоречие с возможностями реализации. Рост мощности и энергонасыщенности должен быть ориентирован на реализацию факторов их повышения через улучшение потребительских качеств тракторов. Однако в рамках существующей тяговой концепции это становится проблематичным.

Снижения топливно-энергетических затрат и повышения производительности можно достигнуть на основе системных принципов адаптации почвообрабатывающих агрегатов к основным природно-производственным факторам. Формируемый комплекс для ресурсосберегающих технологий основной обработки почвы требует обоснования вариантов оптимального агрегатирования мобильных энергетических средств с переменными массоэнергетическими параметрами.

Поэтому адаптация параметров и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов на базе отечественных колесных тракторов серии К-744Р к зональным технологиям основной обработки почвы является перспективным направлением экономии топливно-энергетических ресурсов и приобретает особую актуальность.

Работа выполнена по тематическому плану научно-исследовательских работ КрасГАУ в соответствии с координационным планом научного обеспечения АПК РФ (проблема IX, Задание 03) на 2011-2015гг.

Цель работы - повышение эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой

мощности (серии К-744Р) путем их адаптации к зональным технологиям основной обработки почвы.

Задачи исследования:

1) выполнить анализ развития технического обеспечения ресурсосберегающих технологий в растениеводстве и обосновать структуру системной адаптации почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям;

2) разработать математические модели системы оптимизации эксплуатационных параметров колесных тракторов и агрегатов для операционных технологий основной обработки почвы;

3) обосновать условия функционирования и эксплуатационные параметры колесных тракторов высокой мощности для операций основной обработки почвы;

4) определить рациональные тягово-скоростные режимы и параметры агрегатов для зональных технологий обработки почвы на базе тракторов серии К-744Р разных типоразмеров;

5) разработать, и дать технико-экономическую оценку рекомендациям по рациональному использованию тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы в условиях АПК Красноярского края.

Объект исследования - процесс формирования энергетических и технико-экономических показателей почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой мощности.

Предмет исследования - закономерности формирования и взаимосвязь показателей рабочего хода почвообрабатывающих агрегатов с эксплуатационными параметрами трактора колесной формулы 4К46.

Научная гипотеза - повышение эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе колесных тракторов высокой мощности может быть достигнуто за счет адаптации их параметров и режимов работы к зональным технологиям основной обработки почвы.

Методы исследования включали определение условий эффективного функционирования колесных тракторов для обоснования их параметров и режимов работы в составе почвообрабатывающих агрегатов на основе многоуровневого системного анализа, моделирования технологических процессов и оптимизации оценочных показателей.

Научную новизну работы составляют:

1) структура системы ресурсосбережения механизации почвообработки на основе оптимальной адаптации тракторных агрегатов к зональным технологиям;

2) модели и алгоритмы многоуровневой системы оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы колесных тракторов для операций основной обработки почвы;

3) результативные признаки адаптации колесных 4К46 тракторов к зональным технологиям основной обработки почвы;

4) рациональные тягово-скоростные режимы, параметры и показатели эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р.

Практическую значимость представляют:

1) методика и результаты адаптации колесных тракторов высокой мощности к зональным технологиям основной обработки;

2) рекомендации по агрегатированию основных типоразмеров тракторов серии К-744Р с почвообрабатывающими машинами и орудиями.

На защиту выносится:

1) структура и модели многоуровневой системы адаптации колесных тракторов для операций основной обработки почвы;

2) результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности использования разных типоразмеров тракторов серии К-744Р на основной обработке почвы.

Достоверность научных положений - научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими

решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям наук: «Теория трактора» и «Эксплуатация машинно-тракторного парка», базируется на строго доказанных выводах и согласуется с опубликованными ранее материалами по теме исследований.

Личный вклад соискателя состоит в получении результатов, изложенных в диссертации, проведении теоретического анализа и научных экспериментов, обработке и апробации результатов исследования, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реализация результатов:

1) рекомендации по повышению эффективности разных типоразмеров тракторов «Кировец» на основной обработке почвы использованы с.-х. предприятиями Красноярского края: СПК «Шилинский», ООО «ОПХ Боготольское», ЗАО «Агрофирма Маяк», ИП «КФК У сков В.В.» - при выборе состава и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения на их базе;

2) результаты исследований в виде методики оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы тракторов «Кировец» при агрегатировании с почвообрабатывающими машинами и комплексами внедрены в учебный процесс и практику научных исследований ФГБОУ ВПО КрасГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 12 - в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений, изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 23 таблицы, список литературы из 105 наименований. Приложения составляют 12 страниц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Ресурсосберегающие технологии в растениеводстве

В настоящее время весьма актуальными являются вопросы ресурсосбережения при возделывании сельскохозяйственных культур. Это связано с экономическими проблемами общества и значительным снижением почвенного плодородия.

Особенно актуальна проблема минимизации затрат энергетических и других ресурсов при производстве зерновых культур. В первую очередь этому требованию должны удовлетворять операционные технологии основной и предпосевной обработки почвы, как наиболее энергоемкие и дорогостоящие, поскольку на их выполнение приходится до 40 % энергетических и 25 % трудовых затрат от всего объема полевых работ [15,25].

Проблема ресурсосбережения механизированных работ заключается в правильном выборе технологического процесса и его технического обеспечения. Соблюдение этих требований улучшает энергетические и топливно-экономические показатели машинно-тракторных агрегатов (МТА), а качественное и своевременное их выполнение влияет на формирование выращиваемого урожая [26].

В отечественном и мировом земледелии широкое применение получили новые почвовлагосберегающие технологии, основанные на сокращении обработок почвы, что способствует сохранению плодородия и обеспечивает значительное снижение трудовых и энергетических затрат. Основная экономия ресурсов достигается за счет адаптивной энергосберегающей подготовки почвы к посеву, дифференцированной по глубине и видам ее обработки, позволяющей отказаться от ежегодной вспашки во многих случаях без потери урожайности, заменив ее менее энергоемким безотвальным рыхлением, глубокой культивацией, дискованием, комбинированной обработкой с одновременным посевом [29,36].

Из множества вариантов выбирают технологию, максимально сокращающую потребление ресурсов. Этому требованию в наибольшей

степени отвечают технологии с вертикальной или безотвальной обработкой пласта, позволяющие восстанавливать плодородие почвы, снижать или полностью исключать ее ветровую и водную эрозию, повышать на 15-20% урожайность, снижать расход топлива на 30-45% [68].

Ресурсосберегающие технологии возделывания сельскохозяйственных растений обычно предусматривают применение поверхностной или глубокой безотвальной обработки почвы вместо глубокой вспашки или глубокого плоскорезного рыхления и минимальное число проходов агрегатов по полю [29,48,60,98].

Такая обработка решает комплекс задач, связанных с созданием оптимальных условий для роста и развития будущего урожая сельскохозяйственных культур. Она регулирует микробиологические процессы, положительно влияет на водный, воздушный, питательный режимы почвы, уничтожает растущие сорняки и одновременно создает условия для прорастания новых масс сорных растений. Влагоемкость почвы при этом значительно возрастает.

При выращивании зерновых и кормовых культур в АПК Красноярского края используются в основном три вида цельнозамкнутых технологий обработки почвы и посева агрегатами в составе рабочих машин и тракторов общего назначения, выбор которых зависит от агроэкологического состояния поля, наличия технических средств и материальных ресурсов [15,36,87].

Традиционная технология (с осенней зяблевой вспашкой) включает: осеннюю зяблевую вспашку оборотным плугом; весеннюю предпосевную обработку почвы блочно-модульным культиватором; посев любой сеялкой (желательно полосн