автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности технологических процессов обработки почвы путем оптимизации эксплуатационных режимов комбинированных агрегатов с тракторами класса 1,4

На правах рукописи

ФЕДЬКИН

Денис Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ АГРЕГАТОВ С ТРАКТОРАМИ

КЛАССА 1,4

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин - 2013

005542931

005542931

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Джабборов Нозим Исмоилович

Официальные оппоненты:

Керимов Мухтар Ахмиевич, доктор технических наук, ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», профессор кафедры «Автомобили и тракторы».

Дементьев Александр Михайлович, кандидат технических наук, Псковский государственный университет, доцент, зам. декана механико-машиностроительного факультета.

Ведущая организация: федеральное государственное учреждение «Северо-Западная государственная зональная машиноиспытательная станция»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2,СП6ГАУ, ауд. 2.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «Ло» ¿и^сЛЯм^ 2013 г.

Автореферат размещен на сайтах: www, vak. ed. gov, ru www .spbgau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельском хозяйстве России сохраняется ряд проблем, сдерживающих инновационное развитие отрасли. Производительность труда низкая, что связано с использованием устаревших технологий в растениеводстве и животно во детве. Существующий парк сельскохозяйственной техники в России является устаревшим. По мнению экспертов до 70% техники изношено физически, а доля морально устаревшей техники превышает 90%. Это негативно отражается на конкурентоспособности отечественных сельхозпроизводителей.

Качество значительной части отечественной сельскохозяйственной техники не соответствуют современным требованиям. В 2009 г. 79% от общего количества испытанной техники изготовлены с отступлением от технических условий, 49% не соответствуют требованиям безопасности и условиям труда.

Выполненный анализ исследований по обоснованию режимов работы МТА, методов проектирования комбинированных агрегатов блочно-модульной структуры показывает на необходимость обоснования рациональных режимов работы и разработки организационно-технологических мероприятий, позволяющих повысить их энергоэффективность и эксплуатационную надежность.

Тема диссертационной работы соответствует тематическому плану НИОКР ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии и утверждена Ученым советом института 3 февраля 2011 года (протокол №1).

Целью исследований является обоснование эксплуатационных режимов универсального комбинированного агрегата блочно-модульной структуры УКПА-2,4 с трактором класса 1,4, обеспечивающих энергоэффективность технологических процессов обработки почвы и эксплуатационной надежности МТА.

Объект исследований. Универсальный комбинированный почвообрабатывающий агрегат блочно-модульной структуры УКПА-2,4 в агрегате с трактором МТЗ-920, специально оборудованный для проведения экспериментов и технологический процесс предпосевной обработки и подготовки почвы к посеву.

Предмет исследований. Закономерности изменения эксплуатационных, агротехнических и технико-экономических показателей универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 с трактором класса 1,4.

Научпая новизна: Установлены закономерности изменения эксплуатационных, агротехнических и технико-экономических показателей универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 с трактором класса 1,4 с учетом случайного характера внешней нагрузки. Получены показатели энергоэффективности технологического процесса обработки почвы и ее подготовки к посеву МТА МТЗ-920+УКПА-2,4. Усовершенствована методика выбора критериев и формирования сбалансированной системы эксплуатационных показателей для оценки эффективности использования МТА МТЗ-920+УКПА-2,4. Обоснованы эксплуатационные режимы работы, обеспечивающие эффективность функционирования и эксплуатационную надежность МТАМТЗ-920+УКПА-2,4.

Практическая значимость диссертационной работы заключается:

- в разработанной «Базе данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов» (свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620731);

- в предложенных картах потока выполнения технологических процессов;

- в обоснованных оптимальных скоростных и нагрузочных режимах работы универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 с трактором класса 1,4;

- в разработанной номограмме для определения твердости почвы в английской, метрической и технической системах.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, г. Санкт-Петербург-Пушкин в 2011году;

- на Международной научно-практической конференции молодых ученых «Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете, г. Санкт-Петербург 2013 год;

- на конференции «Молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, посвященной 145-летию академика ВАСХНИЛ В.П. Гопячкина и 130-летию академика ВАСХНИЛ М.Г. Евреинова» в ГНУ ВИЭСХ, г. Москва 2013 год;

- на «VI Ежегодной смотр - сессии аспирантов и молодых по отраслям наук» ВГМХА им. В.Н. Верещагина, г. Вологда 2012 год.

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены в учебном процессе на инженерном факультете ВГМХА им. Н.В. Верещагина, на инженерно-технологическом факультете Калмыцкого государственного университета и на факультете механизации Таджикского аграрного университета, в отделе механизации Института земледелия Таджикской АСХН и в Ленинградской плодоовощной опытной станции РАСХН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано всего 15 работ, в том числе в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ - 7.

Получен патент РФ на полезную модель № 130473 «Комбинированный почвообрабатывающий агрегат».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 96 наименований и 8 приложений. Она включает 85 рисунков и 36 таблиц, общий объем работы 188 страниц.

На защиту по специальности 05.20.01 выносятся следующие основные научные положения:

- усовершенствованная методика выбора критериев оценки эффективности и формирование сбалансированной системы эксплуатационных показателей МТА;

- методика разработки карт потока выполнения технологических процессов, внедрение которых позволит повысить эксплуатационную надежность МГА;

- закономерности изменения и оптимальные значения эксплуатационных показателей универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры УКПА-2,4 в агрегате с тракторами тягового класса 1,4;

- оптимальные скоростные и нагрузочные режимы работы универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата блрчно-модульной структуры, обеспечивающие эффективное его функционирование с тракторами класса 1,4;

- результаты технико-экономической оценки эффективности результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформу1 лированы цель, задачи исследований и основные научные положения,

выносимые на защиту по специальности 05.20.01.

В первой главе приведен анализ условий функционирования МТА в Северо-Западной зоне России, исследований по оптимизации параметров и режимов работы, организационно технологические мероприятия по повышению эффективности и эксплуатационной надежности функционирования МГА, оценка качества технологических операций обработки почвы. На основе аналитического обзора сформулированы цель и задачи исследования.

В соответствии с указанной целью было предусмотрено решение следующих основных задач:

1. Разработка базы данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов.

2. Совершенствование методики выбора критериев оценки эффективности работы и формирование сбалансированной системы эксплуатационных показателей МТА.

3. Определение вероятностно-статистических характеристик и закономерности изменения агротехнических показателей и эксплуатационных параметров МГА.

4. Обоснование оптимальных скоростных и нагрузочных режимов работы, обеспечивающих повышение качества и эффективность работы почво-< " абатывающего МТА блочно -модульной структуры с тракторами класса

5. Разработка карт потока выполнения (визуализация) технологических зссов, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности

6. Технико-экономическая оценка эффективности результатов исследований.

Во второй главе изложены теоретические основы повышения энергоэффективности технологического процесса обработки почвы путем оптимизации эксплуатационных режимов комбинированного агрегата УКПА-2,4 в агрегате с трактором класса 1,4. Усовершенствована методика выбора критериев и формирование сбалансированной системы эксплуатационных показателей МТА, основные принципы которой заключается:

- в учете допустимых агротехническими требованиями скоростных режимов и качества работы МТА;

- в применении наиболее стабильного по сравнению с экономическими показателями оценочного критерия эффективности функционирования МТА - энергоемкости технологического процесса и годового энергетическо-д) эффекта.

На основе анализа показателей и условия выполнения технологического процесса в качестве основного 1фитерия оценки эффективности функционирования МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 был выбран - максимум годового

энергетического эффекта Эг —> ГПЗХ . Был произведен анализ чувствительности выбранного основного критерия Эг —» шах к другим дополнительным критериям и эксплуатационным параметрам МТА. С этой целью были построены графики, отражающие зависимости основного критерия от дополнительных; дополнительных критериев от влияющих на них параметров.

В качестве примера на рисунках 1-3 представлены зависимости годо-

вого энергетического эффекта Эг от производительности 1¥ц и годовой загрузки /г МТА, а также от энергоемкости Э; технологического процесса предпосевной обработки почвы. На рисунке 4 показана зависимость часовой

производительности W4 МГА МТЗ- 920+УКПА-2,4 от коэффициента использования впемени смены т.

16 ТВ 20 22 К.га/ч

Рисунок 1 - Зависимость годового

энергетического эффекта Эг от

часовой производительности Жч МТА МТЗ-920+УКПА-2.4

ВО 100 120 г„ч

Рисунок 2 - Зависимость годового энергетического эффекта Эг от годовой загрузки /г МТАМТЗ-

920+УКПА-2,4

К

га/ч 16

12

_______ 1

0,6

а7

Рисунок 4 - Зависимость часовой

производительности МГА МТЗ-920+УКПА-2,4 от коэффициента использования времени смены т

as т ss sa sx Рисунок 3 - Зависимость годового

энергетического эффекта Эг от энергоемкости технологического

процесса Зг обработки почвы

МТА МГЗ-920+УКПА-2,4 Анализ построенных зависимостей позволил установить значения тангенса угла наклона исследуемых целевых функций и по ним - степень чувствительности критериев оценки эффективности МТА к изменению каждого отдельного взятого входного параметра. В результате была сформирована итоговая таблица 1, представляющая собой сбалансированную систему эксплуатационных показателей МГА МГЗ-920+УКПА-2,4. Таблица 1 - Сбалансированная система эксплуатационных показателей МГА МТЗ 920 + УКПА-2,4 по критерию максимум годового энергетического эффекта Эг —»max

Параметр Расчетная формула Значения tga

Эг - годовой энергетический эффект, МД ж/агрегат Эгтах = (Э(н " Э' ) ■ tr ■ W*.

IV 4 - производительность МТА, га/ч =0,36-^^-к1-к. 6420,13

Э1 - энергоемкость технологического ггооцесса, МДж/га + К Ж*'1 + е Ж*'1 о у см оугг см 195,60

^кп кр т - тяговая мощность трактора, кВт 0,0695

Ме ^ - эффективная мощность двигателя, кВт К=с\),5{:ш:+с'лт;-(1+о]- - [а\м:+в;м;2а++}+ +<<Р(*р.«)Р1 0,0452

У, г - скорость МТА, м/с У; =0,5(а" 14,00

-КПД трактора 3,564

-тяговое кр ' усилие, кН - 1,50

мк к - момент на валу двигателя, Нм - 0,2307

Пд - частота вращения вала двигателя, мин"1 - [а,* + «,*мк" \Ф(С) + в'МС)М'КУЫ 0,0273

где Э1 н, Э; - базовое (номинальное) и оптимальное значения энергоемкости технологического процесса, МДж/га; tr - годовая загрузка агрегата, ч; 1¥ц - оптимальное значение производительности МГА, га/ч; В рабочая ширина захвата МТА, м; Ур - оптимальное значение рабочей скорости МТА, м/с; Т - коэффициент использования времени смены; к~х -удельное сопротивление агрегата, кН/м; N5 - оптимальное значение эф- тГг* фективной мощности двигателя, кВт; Г\|[:р - оптимальное значение

тяговой мощности трактора, кВт; ,/э,/к - коэффициенты, учитывающие дополнительные энергозатраты на производство топлива (МДж/кг) электроэнергии (МДж/кВт-ч) и тепла (МДж/ккал); ССТ - теплосодержание топлива, МДж/кг; - израсходованное за смену количество '

электроэнергии (МДж/кВт-ч/см) и тепла (ккал/см); = см^ ог ~

условная часть энергозатрат, пропорциональная расходу материалов при выполнении технологического процесса; аи - энергетический эквивалент (затраты энергии на производство единицы данного вида технологического материала), МДж/кг; qa - расход технологического материала (семена, удобрения, пестициды и т.п.) в единицу времени, кг/ч; Тш -время смены, ч; Тог - срок действия технологического материала; £уп = Еж + Ет + ЕМ + ЕС - условно постоянная часть топливно-энергетических затрат; Еж - энергозатраты живого труда, МДж/см; ЕТ,ЕМ,ЕС - энергоемкость трактора, машины и сцепки, МДж/ч;

а1,а[,в1 ,в[ - постоянные величины и угловые коэффициенты, определя-

7Т *

емые по тяговой характеристике трактора; ¡ ^ — экстремальное (или оптимальное) значение тягового усилия трактора, соответствующее выбранному критерию эффективности; УМ=СМ1 Мк - коэффициент вариации крутящего момента на коленчатом валу двигателя; Мк — экстремальное (оптимальное) значение крутящего момента на валу двигателя, соответствующее выбранному критерию эффективности;

<рЦн) = (2жу112^ехр(-111Т)(Ц- нормированная интегральная функция

о

Лапласа; <р(?н) = (2я")~1/2елр(—^ /2)- нормированная плотность рас-

■4- * * * *

пределения аргумента ^ и ; а в ,в1 постоянные величины и угловые коэффициенты, для определения вероятностных оценок эффективной мощности и частоты вращения вала двигателя, определяемые по

* '+ »#

стендовой характеристики; О ,в{ - постоянные величины и угло-

вые коэффициенты, для определения вероятностных оценок тяговой

мощности и скорости движения МТА_

Представленная система (таблица 1) отражает рациональное количество критериев и управляемых параметров, подлежащих оптимизации на предмет достижения максимального годового энергетического эффекта при работе МТА МТЗ-920+УКПА-2,4.

При определении вероятностных оценок эксплуатационных параметров МТА, (рисунок 5, на примере эффективной мощности двигателя), в качестве входной переменной (или аргумента) рассматриваются крутящий

момент Мк на коленчатом валу двигателя и тяговое усилие Ркр трактора, плотность распределения которых равна:

<р{Мк) = (ам4ЪгГехр\-(Мк -Мк)2/(2а2м)\ (1) ср{Ркр) = {сур4ЪгГехр[-(Ркр -Ркр)2/(2^)1 (2)

где Мк — математическое ожидание крутящего момента на коленчатом валу

двигателя, Н.м; —математическое ожидание тягового усилия трактора,

кН; <7М — среднее квадратическое отклонение крутящего момента Мк на

коленчатом валу двигателя, Н.м; СТр — среднее квадратическое отклонение

тягового усилия Р№ трактора, кН.

Л

Рисунок 5 - Одномерная модель МТА (а) и схема к определению вероятностных оценок эффективной мощности двигателя (б)

В общем случае математическое ожидание выходных параметров МТА вычисляется по формуле:

У, = } Уср(У)с1У = ]/{Х)(р{Х)с1Х,

(3)

где (р(У) = <р(Х) | <ЛХ/¿¿У | —плотность распределения вероятностей случайной величины У,-; <р(Х) — плотность распределения вероятностей входной переменной X; / (X) — детерминированная функция, устанавливаемая в процессе стендовых испытаний двигателя и тяговых испытаний трактора.

Были установлены постоянные величины и угловые коэффициенты для определения вероятностных оценок энергетических параметров двигателя Д-243 трактора МТЗ-920.

. Для определения средних и оптимальных значений энергетических

параметров МТА была использована программа для ЭВМ «Расчет и оптимизация энергетических параметров дизельных двигателей в составе МТА» //Свидетельство № 2010615019.

Профессором Н.И. Джабборовым, доцентами A.B. Добриновым и Д.В. Бутусовым предложено визуализировать технологические процессы производства сельскохозяйственной продукции. Визуализация технологии по другому называется карта потока выполнения технологических процессов. Визуализация процессов показывает связь между информационным и материальным потоками.

Разработка карт потока выполнения определенной последовательности. Общая блок ботки показана на тшсунке 6_

5

процессов производится в схема алгоритма их разра-

Разработка карты потока производства

Сбор информации для составления карты потока производства

Востребованность карт потока производства

Производственная проверка разработанной карты

НЕТ

JL

/ Экономическая / эффективность { использования \ карты потока производства

ДА.

Окончательная оценка эффективкости использования карты потока производства

В целом визуали- 1 зация процесса состоит из трех уровней. Визуализация первого уровня состоит из визуализации технологии в целом. Визуализация второго уровня состоит из визуализации отдельного технологического процесса. Визуализация третьего уровня состоит из визуализации технологического процесса ЕТО, ТО или ремонта технических средств. Карта потока выполнения технологического процесса позволяет управляющему, ответственному за реализации технологии, легко контролировать и корректировать ход и качества выполнения всех полевых механизированных работ.

В третьей главе изложена программа и условия экспериментальных исследований, представлены методики их проведения и обработки опытных данных, применяемые приборы, измерительные устройства и оборудования.

В начальном этапе исследований были произведены расчеты по обоснованию конструктивных параметров УКПА-2,4, на основе «Базы данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов» (свидетельство №2012620/31) и программы для ЭВМ «Расчет конструктивных параметров почвообрабатывающих и посевных агрегатов блочно-модульной структуры» (свидетельство №2011616385).

Далее был осуществлен синтез почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 и проведены его экспериментальные исследования в производственных условиях.

Результаты экспериментальных исследований в дальнейшем сравнивались с данными теоретических расчетов с целью подтверждения адекват-

Рисунок 6 - Общая блок-схема алгоритма разработки карты потока выполнения технологического процесса

ности разработанной методики расчета и обоснования оптимальных скоростных и нагрузочных режимов работы объекта исследований.

Общий вид объекта испытаний*5 показан на рисунке 7. Общий вид МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 при выполнении технологического процесса обработки почвы и подготовки ее к посеву показан на рисунке 8.

Рисунок 7 - Общий вид объекта

испытаний при выполнении технологического

процесса

На рисунке 9 показано поле до (справа) и после обработки (слева) почвы универсальным комбинированным почвообрабатывающим агрегатом УКПА-2,4 с трактором МГЗ-920.

Рисунок 9 - Поле до (справа) и после обработки (слева) почвы универсальным комбинированным почвообрабатывающим агрегатом УКПА-2,4 с трактором МТЗ-920

Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась по РТМ44-62 с использованием ЭВМ и методического пособия проф. A.M. Валге «Обработка данных в Excel на примерах».

При определении средних и оптимальных значений эксплуатационных параметров была использована программа для ЭВМ «Расчет и оптимизация энергетических параметров дизельных двигателей в составе МТА» //Свидетельство № 2010615019).

В четвертой главе приведены результаты синтеза УКПА-2,4, вероятностно-статистический анализ и закономерности изменения эксплуатационных показателей, оптимальные эксплуатационные режимы работы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4, карты потока выполнения технологических процессов. В качестве примера приводим закономерности изменения некоторых эксплуатационных параметров МТА.

- *) Объект испытаний подготовлен в отделе 5 ГНУ СЗНИИМЭСХ Россель-хозакадемии д.т.н., проф. Н.И. Джабборовым, к.т.н., доц. A.B. Добриновым и аспирантами ДС. Федькиным и A.B. Лобановым.

Глубина обработки почвы. На рисунке 10 показаны зависимости вероятностно-статистических оценок глубины обработки почвы ¡гсм от скорости движения V' МТА МТЗ-920+УКПА-2,4, а на рисунке 11- плотности распределения вероятностей глубины обработки почвы.

С использованием интерполяционной формулы Лагранжа были определены эмпирические зависимости вероятностных оценок глубины обработки Ьсм, гребнистости кг поля и степени рыхления (крошения) Ки почвы (таблитта 2У

Рисунок 10 - Зависимости

вероятностно-статистических оценок глубины обработки почвы Исм

от скорости движения V МГА МГЗ-920+УКПА-2,4

Рисунок 11 - Плотности распределения вероятностей глубины обработки почвы при работе МТА МТЗ-920+УКПА-2,4: 1 -

¥р =1,077л//с;2-¥р = 1,217лг / с ; 3 -¥р = 1,382м/с

Таблица 2 - Эмпирические зависимости вероятностно-статистических оценок агротехнических параметров от скорости движения МТА МТЗ-920+УКПА-

Показатель Вероятностные оценки Расчетная формула

Глубина обработки почвы, Ьсм - 6,1813 V] +11,8226К^ + 8,6668

Исм > СМ 1,1142V* -1,1988^ + 1,8287

0,1781^ -0,2872^+0,2307

Высота гребней, Ьг /г , см 13,661V] - 40,839^ + 35,077

сг г, СМ 2,477^-7,467^ + 6,879

- 0,069Кр2 + 0,259Кр + 0,047

Степень крошения, Ко к0, % -4,0380К2 + 14Д918К+78,4592 ' р ' р '

Установлены закономерности изменения удельного сопротивления стрельчатых лап от глубины обработки почвы в пределах рабочих скоростей

движения агрегата V =1,389 — 3,056м/с (рисунок 12).

К кН/и ..................... ....................................[ ............

Рисунок 12 - Зависимости удельного сопротивления почвообрабатывающего агрегата со стрельчатыми лапами от глубины обработки почвы

Н 76 7Г<

Пределы изменения удельного сопротивления Я (кН/м) агрегата со стрельчатыми лапами описываются эмпирической зависимостью:

- верхний предел: Я2 = 0,03675/г^ - 0,4655Л.и + 2,643, при ^ =3,056м/с',

- нижний предел: Д1 = 0,024625/^ - 0,34525/гс„ + 2,069 при Гр = 1,389л</с.

Установлены эмпирические зависимости технико-экономических показателей МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 от скорости его движения (таблица 5). Таблица 5 - Эмпирические зависимости технико-экономических показателей

МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 от скорости Vр (м/с) его движения (агрофон -

поле из-под картофеля, глубина обработки почвы Исм = 13,0 —14,5си,

Ур =1,0-2,0м 1с)

Показатель Расчетная формула

Производительность МТА 1¥ц , га/ч - 0,0009Й/ + 0,6941?; - 0,0025

Расход топлива 0.,а, кг/га 4,9268Г/ -20,9018^+28,2965

Прямые топливно-энергетические затраты Еп , МДж/га 259,6617^/ -1101,5900^+1491,2733

Энергоемкость технологического процесса Е), МДж/га 380,6720Г/ -1641,1545^+2266,4508

Были обоснованы оптимальные значения эксплуатационных показателей и уровня их использования от коэффициента вариации нагрузки МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 при различных значениях коэффициента вариации нагрузки и удельного сопротивления агрегата, которые подробно изложены в диссертации. В качестве примера в таблице б приведены эмпирические зависимости для определения оптимальных значений уровней использования эксплуатационных показателей от коэффициента вариации нагрузки МТА МТЗ-920+УКПА-2,4.

Таблица 6 - Эмпирические зависимости уровня использования эксплуатационных показателей от коэффициента вариации нагрузки МТА МТЗ-920+УКТТА-2.4 _

Показатели В еро.зтЕС'Сткые оценки гакэзагеях Эмшдимескве зависнмосги

ПрошЕодамльдасть МТА * -0,063У= -0,853^ +0,998, - <ЦЗб^ -0,847V. +1,001», 0,295^ -0£79У. +1,005 „,

Энергоемкость тетЕопогичеосого процесса 4 1Д20^ + 0,244к, +1,008 » 1Д93^ +ОД37^ +1,004 „ 0,691^+0,3991/.+0.995,,,

Тяговая мощность трактора 4. -ЗД6»^ — 33,019 Vд +38,902 , -0,136^-0Д471/, +1,001,, 0,295^-0,9791^ +1,003

Эффективна мощность двигателя 4. 0,225^+1,003

Рабочая скорость движения МТА - 0Д34^ - 0,824ур + 0,996 , 0,224^-0,949^+1,005,. 0.05 7V" -0.215г.- + 0,903

Тяговое усшше трзкюра л* А- -0.072^-0,01+0,998* -0,360^ +0Д02К, + 0,996., ОД 43^ -0,0591/, +1,008,.,

Частота врзщгЕЕж Б2ЯЗ двЕгзгеля Ь 1,622V] -0,9181/. +1,030

Крутящий момент кз вату дБкгатгяя X- -1,618^ -0,024^ +0576

Карта потока выполнения технологического процесса предпосевной обработки МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (рисунок 13) способствует снижению психологической напряженности исполнителя и тем самым предупреждает технические отказы, повышает эксплуатационную надежность МТА. Результаты расчетов технико-экономической эффективности использования предложенных разработок приведены в таблицах 7 и 8.

Рисунок 13 - Карта потока выполнения технологического процесса предпосевной обработки и подготовки почвы к посеву МТА МТЗ-920+УКПА-2,4

Таблица 7 - Технико-экономические показатели работы комбинированных агрегатов УКПА-2,4 и АКП-2,5 (при прочих равных условиях;

Ка = 4,41 кН/м', Щ = 0,60; = 0,167)

Показатель УКПА-2,4 АКП-2,5 (СЗ МИС) ± % от аналога

Глубина обработки, см 6-20 8-16 + 25,0

Производительность, га/ч 2,13 1,20 + 77,5

Затраты труда, чел.-ч/га 0,47 0,83 - 43,37

Расход топлива, кг/га 4,8 12,3 - 60,97

Прямые топливно-энергетические затраты, МДж/га 254,677 648,20 -60,7

Энергоемкость процесса, МДж/га 362,993 1148,03 -68,38

Масса, кг 850 2000 -57,5

Приведенные в таблице 7 данные подтверждают превосходство основных параметров разработанного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 по сравнению с отечественным аналогом АКП-2,5.

Таблица 8 - Показатели энергетической эффективности УКПА-2,4 с трактором МГЗ-920 при реализации оптимальных режимов его работы (по Nе ; при Ка =4,41 кН!м\ т = 0,85; агрофон - поле из под картофеля, /г =120ч)

Агрегат Вариант э;, МДж/га э;, МД ж/агрегат

МТЗ-920+УКПА-2,4 Б 0,850 398,195 -

Р 0,927 392,819 1374,106

*)- нормативная загрузка (базовая) =0,850 [95];

**)-оптимальная загрузка двигателя (рекомендуемая) Л^ =0,927.

Ожидаемый годовой энергетический эффект от реализации оптимальных режимов работы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (таблица 8) составляет 1374,106 МДж/агрегат по сравнению с нормативными данными.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Разработана база данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов, позволяющая выбирать из существующих тракторов наиболее приемлемый вариант по различным группам: типу трактора, тяговому классу или категории мощности, типу двигателя, технических характеристик двигателей, стендовых характеристик двигателей. Использование базы данных обеспечивает упрощение поиска тракторов и двигателей в общем массиве информации по заданным характеристикам, значительно сокращает время разработки новых тяговых или тягово-приводных машин под определенный класс тяги трактора с целью обеспечения максимального значения КПД трактора.

2. Усовершенствована методика выбора критериев оценки эффективности и формирование сбалансированной системы эксплуатационных показателей МТА, основные принципы которой заключается:

- в учете допустимых агротехническими требованиями скоростных режимов и качества работы МТА;

- в применении наиболее стабильного по сравнению с экономическими показателями оценочного критерия эффективности функционирования МТА - энергоемкости технологического процесса и годового энергетического эффекта.

Сбалансированная система эксплуатационных показателей в совокупности позволяет реализовать оптимальные эксплуатационные режимы МТА и способствует достижению наибольшего эффекта от их использования.

3. Определены вероятностно - статистические оценки и закономерности изменения агротехнических и эксплуатационных показателей МТА МТЗ-920+УКПА-2,4. Установлено, что экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими частотами и соответствуют нормальному закону. Вероятность согласия ) эмпирических и теоретических частот агротехнических и эксплуатационных параметров МТА в целом находилась в пределах 0,13 - 0,86.

Установлены эмпирические зависимости для определения вероятностно - статистических оценок эксплуатационных показателей МТА от скорости его движения и нагрузки.

4. Обоснованы оптимальные эксплуатационные режимы, позволяющие обеспечить эффективное функционирование МТА МТЗ-920+УКПА-2,4. _

Оптимальный по основному критерию Эг —> тах уровень загрузки двигателя Д-243 трактора МТЗ-920 в агрегате с универсальным комбинированным почвообрабатывающим агрегатом УКПА-2,4 при изменении коэф-

фициента вариации нагрузки 0 < VM < 0,333 находится в пределах 0,83 < Я*^ < 1,0 •

Для технического нормирования механизированных полевых работ, выполняемых МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 рекомендуется использовать оптимальный уровень загрузки Л^ = 0,927, при коэффициенте вариации нагрузки vM = 0,167.

При изменении коэффициента вариации нагрузки VM в пределах

0 < VM <0,333 оптимальные значения уровня использования эксплуатационных показателей МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 находятся в следующих пределах (при удельном сопротивлении агрегата Ка = 4,4\кН/Л/, КПД агрегата щ = 0,60): 1,0 > Х^ > 0,72; 1,0 < X-t < 1,193 ; 1,0 > Х^ > 0,715 ; 1,0 > ^ > 0,715; 1,0 > Я^ > 0,720;

1,0 > > 0,990; 1,0 > Я! > 0,861.

В качестве нормативных значений уровня использования эксплуатационных показателей МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 при коэффициенте вариации

VM — 0,167 установлены следующие (при удельном сопротивлении агрегата Ка = 4,41/сЯ/л/, КПД агрегата 7]т =0,60): Х~ = 0,852 ;

4 = !'082; 4 = °'858' 4 = °'853 i 4 - °>853; \ = 1=0;

=0,922.

Также обоснованы оптимальные скоростные и нагрузочные режимы работы и закономерности изменения эксплуатационных показателей МТА МГЗ-920+УКПА-2,4 при удельном сопротивлении агрегата

Ка =5,\2кН!м, Ка=5,42кН/м и КПД агрегата Г]т = 0,55 и r¡T = 0,65.

Установлены эмпирические зависимости для определения оптимальных значений эксплуатационных показателей и уровни их реализации от меры рассеяния внешней нагрузки и т.д.

5. Разработаны карты потока выполнения (визуализация) технологических процессов предпосевной обработки и подготовки почвы к посеву МТА МТЗ-920+УКПА-2,4, ЕТО трактора МТЗ-920 и периодичности ТО трактора МТЗ-920, позволяющие повысить эксплуатационную надежность агрегата. Применение карт потока выполнения технологических процессов обеспечивает четкость выполнения всех предусмотренных технологией операций и тем самым предупреждает технические отказы, способствует снижению уровня психологической напряженности исполнителя.

6. Сравнительная оценка основных показателей разработанного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 подтверждает его превосходство по сравнению с отечественным аналогом АКП-2,5: по производительности на 77,5%, расходу топлива на 60,97%; энергоемкости технологического процесса на 68,38%.

Разработанные принципы проектирования позволяют добиваться соответствия конструкции комбинированного агрегата агротехнологическим

требованиям и максимально возможного КПД энергетического средства, что обеспечивает энергоэффективность технологического процесса обработки почвы.

Ожидаемый годовой энергетический эффект только от реализации оптимальных эксплуатационных режимов работы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4

при удельном сопротивлении агрегата Ка=4,4\кН/м, коэффициента

использования времени смены Т = 0,85 и годовой загрузки tг = 120 ч составляет 1374,106 МДж на 1 агрегат по сравнению с нормативными данными.

Размер годового энергетического эффекта колеблется в широких пределах в зависимости от удельного сопротивления агрегата, зависящего от типа и состояния почвы, коэффициента использования времени смены, КПД агрегата и других производственных условий.

Перспективы дальнейшей разработки темы, необходимо разработать пакет программ для ЭВМ, позволяющих автоматизировать процесс проектирования универсальных комбинированных почвообрабатывающих агрегатов блочно-модульной структуры, обеспечивающих энергоэффективность технологических операций путём повышения КПД энергетических средств.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих изданиях, включенньгх в перечень ВАК РФ:

1. Джабборов Н.И., Федькин Д.С. Влияние скоростных режимов работы МТА МТЗ-У20+УК1I А-2,4-02 на показатели качества технологического процесса обработки почвы //Теоретический и научно-практический журнал «Кишоварз» (Земледелец), № 4 - Душанбе. - 2011. - с. 41-42.

2. Джабборов Н.И., Ахмадов Б.Р., Ходжиев Б.Б., Федькин Д.С. Вероятностно-статистическая оценка агротехнических и технико-экономических показателей МТА с тракторами класса 1,4 // Теоретический и научно-практический журнал «Кишоварз» (Земледелец), № 4 - Душанбе. - 2011. - с. 39-41.

3. Джабборов Н.И., Добринов A.B., Лобанов A.B., Федькин Д.С. Оценка работы почвообрабатывающего агрегата по тяговому КПД трактора // Механизации и электрификации с-х № 3, 2012 г. - с. 29-30.

4. Джабборов Н.И., Добринов A.B., Ахмадов Б.Р., Лобанов A.B., Федькин Д.С. Градация скоростных и нагрузочных режимов работы МТА по тяговому КПД трактора И Теоретический и научно-практический журнал «Кишоварз» (Земледелец),№ 4, - Душанбе. - 2012. - с. 33 - 36.

5. Джабборов Н.И., Федькин Д. С. Технико-экономические показатели

Работы почвообрабатывающего агрегата с трактором класса 1,4 // ВИЭСХ АСХН Журнал: Инновации в сельском хозяйстве, № 2(4), 2013.

6. Джабборов Н.И., Федькин Д.С. Карты потока производства технологических операций и их значение в повышении эксплуатационной надежности МТА // Теоретический и научно-практический журнал «Кишоварз» (Земледелец), № 2, Душанбе. - 2013. - с.26-28.

7. Джабборов Н.И., Ахмадов Б.Р., Федькин Д.С. Методика разработки карт потока производства технологических процессов // Доклады Таджикской академии сельскохозяйственных наук, № 2(36), Душанбе. - 2013. - с.60-64.

Патенты и свидетельства:

8. Джабборов Н.И., Добринов A.B., Лобанов A.B., Федькин Д.С., Евсеева С.П. Комбинированный почвообрабатывающий агрегат / Патент на полезную модель № 130473. Заявка №2013104360. приоритет модели 01 февраля 2013 г. зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 июля 2013 г.

9. Джабборов Н.И., Добринов A.B., Лобанов A.B., Ромачевская В.В., Федькин Д.С., База данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов / Заявка № 2012620395; заявл. 03.05.2012; опубл. 2012. -Бюл. №1 часть II (66).

В других изданиях:

10. Федькин Д.С. Комбинированные почвообрабатывающие агрегаты блочно-модульной структуры: вопросы улучшения функциональной работоспособности и показателей материалоемкости // Сборник научных трудов «Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования». — 2011.— с.364-366.

11. Джабборов Н.И., Федькин Д.С. Вероятностные оценки агротехнических параметров в зависимости от скорости движения комбинированного почвообрабатывающего агрегата // Сборник научных статей. Материалы международной научно-практической конференции на тему «Эффективное использование биоклиматических факторов при выращивании сельскохозяйственных культур на пахотных землях», посвященная 20-летию XYI сессии Шурой Оли Республики Таджикистан и 15-летию Национального примирения. - 31 марта 2012 г. - с. 263-266.

12. Джабборов Н.И., Федькин Д.С. Обоснование критериев оценки эффективности и надежности функционирования МТА // Материалы международной научно-практической конференции на тему «Актуальные проблемы, перспективы развития сельского хозяйства для обеспечения продовольственной безопасности Таджикистана», посвященной 80-летию образования Института земледелия Таджикской академии сельскохозяйственных наук и 20-летию XYI-й сессии Верховного Совета Республики Таджикистан, том YII 18-19 сентября 2012 года. - с.39-42.

13. Джабборов Н.И., Федькин Д.С., Ахмадов Б.Р. Номограмма для определения твердости почвы по результатам измерений посредством пенетрометра DICKEY-john // Материалы международной научно-практической конференции на тему «Актуальные проблемы, перспективы развития сельского хозяйства для обеспечения продовольственной безопасности Таджикистана», посвященной 80-летию образования Института земледелия Таджикской академии сельскохозяйственных наук и 20-летию XYI-й сессии Верховного Совета Республики Таджикистан, том YII 18-19 сентября 2012 года. -с,207-209.

14. Джабборов Н.И., Добринов A.B., Лобанов A.B., Федькин Д.С. Оценка КПД трактора в агрегате с универсальным комбинированным почвообрабатывающим агрегатом блочно-модульной структуры // Труды ГОСНИТИ, том 111, часть 1,раздел 1, 2012 г. -с.110-116.

15. Джабборов Н.И., Федькин Д.С. Закономерности изменения удельного сопротивления универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата при работе со стрельчатыми лапами // Сборник научных трудов СПГАУ «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», посвященный 90-летию Инженерно-технологического факультета - 2012. - с. 51-54.

Подписано в печать 11.11.2013 г. Формат 60х84Шб. Бумага офсетная. Тираж 100. Заказ №216

Отпечатано на ризографе ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 196625, Санкт-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе, 3.

Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

04201455492

Федькин Денис Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ АГРЕГАТОВ С

ТРАКТОРАМИ КЛАССА 1,4

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Н.И. Джабборов

Санкт - Петербург — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.................. 10

1.1. Условия функционирования машинно-тракторных агрегатов в Северо-Западной зоне России......................................................... 10

1.2. Анализ исследований по оптимизации параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов............................................. 13

1.3. Организационно-технологические мероприятия по повышению эффективности и эксплуатационной надежности функционирования МТА........................................................................................... 17

1.4. Анализ критериев оценки эффективности функционирования МТА при выполнении технологических процессов............................... 19

1.5. Оценка качества технологических операций обработки почвы............................................................................................... 24

1.6. Цель и задачи исследований................................................. 30

2. ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ АГРЕГАТОВ С ТРАКТОРАМИ КЛАССА 1,4...... 33

2.1. Предисловие.................................................................... 33

2.2. Выбор критериев эффективности и формирование сбалансированной системы эксплуатационных показателей МТА............ 34

2.3. Методика определения математических ожиданий эксплуатационных показателей МТА................................................ 41

2.4. Обоснование оптимальных значений эксплуатационных показателей МТА......................................................................... 49

2.5. Определение экстремальных (оптимальных) значений уровня реализации эксплуатационных показателей МТА................................. 52

2.6. Разработка организационно-технологических мероприятий по повышению эксплуатационной надежности МТА............................................ 55

2.7. Определение годового энергетического эффекта использования МТА.......................................................................................... 63

2.8. Выводы по второй главе..................................................... 65

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................... 67

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований...................... 67

3.2. Объект и программа экспериментальных исследований.............. 67

3.3. Условия испытаний........................................................... 70

3.4. Методика исследований...................................................... 71

3.4.1. База данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов...................................................... 71

3.4.2. Программа для расчета и оптимизации энергетических параметров МТА.......................................................................... 78

3.4.3. Программа для расчета конструктивных параметров почвообрабатывающих агрегатов блочно-модульной структуры............... 81

3.4.4. Оборудование и измерительная аппаратура..................... 84

3.5. Методика обработки опытных данных.................................... 88

3.6. Оценка погрешностей измерений и точности результатов экспериментов............................................................................. 92

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ

АНАЛИЗ..................................................................................... 96

4.1. Синтез универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры.............................................. 96

4.2. Вероятностно-статистический анализ эксплуатационных показателей МТА.......................................................................... 98

4.2.1. Законы распределения и вероятностные оценки агротехнических параметров........................................................... 98

4.2.2. Законы распределения внешней нагрузки и вероятностные оценки эксплуатационных параметров....................................................... 105

4.2.3. Корреляционно-спектральный анализ агротехнических и энергетических параметров МТА...................................................... 121

4.3. Критерии оценки эффективности и сбалансированная система эксплуатационных показателей МТА................................................ 126

4.4. Оптимальные скоростные и нагрузочные режимы работы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4...................................................................... 133

4.4.1. Оптимальные значения эксплуатационных параметров МТА МТЗ-20+УКПА-2,4 ...................................................................... 133

4.4.2. Оптимальные значения уровня загрузки и степени реализации эксплуатационных параметров МТА МТЗ-20+УКПА-2,4......... 145

4.5. Карты потока выполнения технологических операций.............. 154

4.6. Технико-экономическая оценка эффективности результатов

исследований............................................................................... 157

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ............................................. 161

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................ 165

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 177

ВВЕДЕНИЕ

В сельском хозяйстве России сохраняется ряд проблем, сдерживающих инновационное развитие отрасли. Производительность труда низкая, что связано с использованием устаревших технологий в растениеводстве и животноводстве. Существующий парк сельскохозяйственной техники в России является устаревшим. По мнению экспертов до 70% техники изношено физически, а доля морально устаревшей техники превышает 90%. Это негативно отражается на конкурентоспособности отечественных сельхозпроизводителей.

Качество значительной части отечественной сельскохозяйственной техники не соответствуют современным требованиям. В 2009 г. 79% от общего количества испытанной техники изготовлены с отступлением от технических условий, 49% не соответствуют требованиям безопасности и условиям труда.

Машиностроительная продукция, как правило, выпускается без научной проработки, а заимствованная с иностранных аналогов не учитывает зональных особенностей применения.

Поэтому машинно-технологическая модернизация, преодоление технического и технологического отставания являются важнейшей задачей отрасли.

Технические и технологические требования к сельскохозяйственной технике для растениеводства и животноводства, с учетом зональных условий, разработаны на основании исследований ВИМ, ГИЦ, ВНИИМЖ, ФГНУ «Росинформагротех», а также анализа нормативно-методической и технической литературы (государственных и отраслевых стандартов, технических условий и

ДР-)-

Реализация требований в технике нового поколения позволит значительно повысить конкурентоспособность отечественных машин, достичь показателей производительности труда, экономии трудовых и топливных ресурсов, предусмотренных Государственной программой развития сельского хозяйства и Стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России

на период до 2020 года, увеличить производство продукции растениеводства в 1,5-2 раза [1].

Известно, что на обработку почвы в среднем расходуется 30-40% энергии, потребляемой в сельском хозяйстве. Одним из источников снижения энергоемкости при этом является использование комбинированных агрегатов, выполняющих за один проход несколько технологических операций. Кроме того, указанные агрегаты создают условия, при которых исключаются межоперационные и организационные потери времени, повышают производительность труда и снижают производственные затраты. Совмещение операций позволяет сократить число проходов агрегатов по полю, что заметно снижает вредное влияние уплотненной колеи на рост и развитие растений.

Анализ работ, затрагивающих вопросы проектирования почвообрабатывающих машин [2-5] показывает, что качественные изменения проектируемых агрегатов происходят за счет повышения точности их изготовления, надежности, работоспособности, снижения материалоемкости и т.д.

В современных условиях целесообразным представляется применение блочно-модульного принципа при проектировании комбинированных агрегатов, что дает следующие основные преимущества [5]:

значительно повышается надежность машин за счет применения отработанных и проверенных узлов и агрегатов;

при малой серийности конкретных изделий машин обеспечивается большая серийность составных частей;

резко сокращаются сроки освоения новых моделей.

Эффективность проектирования почвообрабатывающих агрегатов блочно-модульной структуры повышается при использовании информационных баз данных [6, с.62], что позволяет проектировщикам путем предварительных расчетов прогнозировать оптимальные конструктивные и эксплуатационные параметры и создавать проекты новых образцов машин.

Эффективность работы МТА зависит от условий эксплуатации и режимов его работы. На снижение эффективности работы МТА большое влияние

оказывают переменные нагрузки. Основными причинами переменности нагрузок является нестационарность режима нагрузки, переменность рабочего процесса, динамические явления при действии внешних и внутренних сил. Значительно снижают работоспособность агрегатов динамические нагрузки, быстро изменяющиеся во времени, которые характерны для машин циклического действия. Поэтому важно оценивать выходные параметры, определяющие степень загруженности машины в условиях эксплуатации.

Проблеме улучшения работоспособности МТА по критериям технической надежности (прочность, долговечность, износостойкость и т.д.) посвящены многочисленные исследования. Вопросы обоснования оптимальных режимов работы МТА и разработки организационно-технологических мероприятий, позволяющих повысить эффективность функционирования и эксплуатационную надежность комбинированных почвообрабатывающих агрегатов, остаются открытыми.

Вопросами повышения эффективности использования МТА в различных почвенно-климатических условиях посвящены работы профессоров С.А. Иофинова, JI.E. Агеева, Ю.К. Киртбая, А.Х. Морозова, В.И. Фортуны, B.C. Шкрабак, Р.Ш. Хабатова, И.Е. Янковского, A.M. Валге, В.Г. Еникеева, А.П. Савельева, В.И. Вайнруба, Д.Н. Саакяна, А.И. Любимова, Н.И. Джабборова, В.А. Эвиева и других ученых [4, 7-21].

Выполненный анализ исследований по обоснованию режимов работы МТА, методов проектирования комбинированных агрегатов блочно-модульной структуры показывает на необходимость обоснования рациональных режимов работы и разработки организационно-технологических мероприятий, позволяющих повысить их эффективность и эксплуатационную надежность.

Настоящая работа направлена на повышение энергоэффективности технологических процессов обработки почвы путем обоснования организационно-технологических мероприятий и эксплуатационных режимов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры с трактором класса 1,4.

На защиту по специальности 05.20.01 выносятся следующие основные научные положения:

- усовершенствованная методика выбора критериев оценки эффективности и формирование сбалансированной системы эксплуатационных показателей МТА;

- методика разработки карт потока выполнения технологических процессов, внедрение которых позволит повысить эксплуатационную надежность МТА;

- закономерности изменения и оптимальные значения эксплуатационных показателей универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры УКПА-2,4 в агрегате с тракторами тягового класса

1,4;

- оптимальные скоростные и нагрузочные режимы работы универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата блочно-модульной структуры, обеспечивающие эффективное его функционирование с тракторами класса 1,4;

- результаты технико-экономической оценки эффективности результатов исследований.

Тема диссертационной работы соответствует тематическому плану научно-исследовательских работ Государственного научного учреждения СевероЗападный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российский академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии) по 09.01.05.01 «Разработать программу для ЭВМ расчета конструктивных параметров и оптимизации технико-экономических показателей почвообрабатывающих агрегатов и экспериментальный образец универсального агрегата блочно-модульной структуры» и утверждена Ученым советом 3 февраля 2011 года (протокол №1).

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского государственного аграрного университета,

г. Санкт-Петербург-Пушкин в 2011году;

- на Международной научно-практической конференции молодых ученых «Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете, г. Санкт-Петербург 2013 год;

- на конференции «Молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, посвященной 145-летию академика ВАСХНИЛ В.П. Горячкина и 130-летию академика ВАСХНИЛ М.Г. Евреинова» в ГНУ ВИЭСХ, г. Москва 2013 год;

- на «VI Ежегодной смотр - сессии аспирантов и молодых по отраслям наук» ВГМХА им. В.Н. Верещагина, г. Вологда 2012 год.

По теме диссертации опубликовано всего 15 работ, в том числе в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ - 7.

Разработана «База данных технических характеристик тракторов и стендовых испытаний двигателей для оптимального проектирования сельскохозяйственных агрегатов» (свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620731) и получен патент на полезную модель «Комбинированный почвообрабатывающий агрегат» № 130473.

Результаты исследований внедрены в учебном процессе на инженерном факультете ВГМХА им. Н.В. Верещагина, на инженерно-технологическом факультете Калмыцкого государственного университета и на факультете механизации сельского хозяйства Таджикского аграрного университета имени Шириншо Шотемур, в отделе механизации Института земледелия Таджикской АСХН и в Ленинградской плодоовощной опытной станции РАСХН (соответствующие акты приведены в приложении диссертации).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 96 наименований и 8 приложений. Она включает 85 рисунков и 36 таблиц, общий объем работы 188 страниц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Условия функционирования машинно-тракторных агрегатов в СевероЗападной зоне России

Условия функционирования МТА определяются следующими факторами: свойства почвы, размеры обрабатываемых площадей, изрезанность полей препятствиями и степень засоренности камнями, климатические условия, культуры - предшественники, применяемая технология и т.д. [22, 23].

В состав Северо-Западной зоны входят Архангельская, Вологодская, Калининградская, Ленинградская, Мурманская, Новгородская и Псковская области, а также Автономные Республики: Карельская и Коми. Общая площадь зоны около 100 миллионов гектар. Полевое земледелие развито во всей зоне за исключением Мурманской и северных районов Архангельской области и республики Коми [24-26].

В Северо-Западном регионе преобладают дерновые (30,5%) и подзолистые (23,7%) почвы. Во многих районах зоны распространены торфяные, торфяно-болотные и торфяно-глеевые (12,8%), подзолисто-глеевые и глеево-подзолистые (4,8%), серые лесные (4,8%). На юге зоны встречаются черноземы (оподзоленные, выщелоченные и обыкновенные) (2,8%). Все перечисленные почвы нуждаются в удобрениях и в улучшении при возделывании сельскохозяйственных культур [24, 27].

Почвы по механическому составу, в зависимости от содержания в них физической глины с частицами меньше 0,01 мм (%) подразделяют на песчаные -до 10; супесчаные - 10+20; легкосуглинистые - 20+30; среднесуглинистые -30+40; тяжелосуглинистые - 40+50; глинистые - свыше 50 [28].

В таблице 1. приведены данные о распределении площади зоны СевероЗападного района по механическому составу почв и их удельному сопротивлению [29,30].

Таблица 1.1 - Механический состав почв, % от общей площади и пределы

л

изменения удельного сопротивления, Н/см , [29, 30]

Песчаные Супесчаные Легкосуглинистые Средне-суглинистые Тяжелосуглинистые Глинистые

6 31 35 24 3 1

3,5-3,8 3,8-4,1 4,2-4,6 5,0-5,8 5,2-5,9 5,5-6,3

Из таблицы 1.1 следует, что в Северо-Западной зоне преобладают супесчаные, легкосуглинистые и среднесуглинистые почвы с удельным сопротивлением 3,8-5,8 Н/см . При этом сельскохозяйственные угодья занимают 3351,1 тыс. га., то есть 15% земель. Длина гонов менее 150 м составляет 13 %, 150-300 м - 43 %. Средний радиус внутрисменных переездов составляет 3000 м. Средняя длина гона составляет 330 м, а площадь пахотных участков - 5,4 га.

Значит�