Анализ энергоемкости процесса вспашки почвы мотоблоком в агрегате с лемешно-отвальным плугом

Зяблевая вспашка почвы широко применяется в процессе возделывания сельскохозяйственных культур на фермерских и личных подсобных хозяйствах, обеспечивая оптимальные условия для их наилучшего развития и роста. Проведение данного мероприятия, согласно агротехническим требованиям [1; 2], должно строго выполняться в летне-осенний период и способствовать накоплению и сохранению влаги в почве для отдачи ее в весенний посевной период. При этом обернутый пласт почвы, полученный в результате проведения вспашки, должен по возможности максимально заделывать пожнивные остатки и сорную растительность на дно борозды1 [3].

Для проведения технологической операции по вспашке почвы, в основной своей массе, широкое применение получили малогабаритные почвообра- батывающие машины, к числу которых принято относить мотоблоки в агрегате с плугами2. При этом стоит отметить, что основная обработка почвы является одной из самых трудоемких операций при возделывании сельскохозяйственных культур, на которую расходуется практически 40 % всех материальных и энергетических затрат3 [4]. В связи с этим к пахотным агрегатам на базе мотоблоков необходимо предъявлять особые требования, в результате соблюдения которых существенным образом повысится эффективность4 их функционирования [5].

Обзор литературы

Перемещение малогабаритных почвообрабатывающих машин при выполнении технологических операций осуществляется за счет сил сцепления их колесных движителей с почвой, затрачивая при этом мощность энергетической установки (двигателя) на преодоление всех сил, действующих на элементы их конструкций и агрегатируе-мые с ними рабочие органы [6; 7].

Анализом потребляемой мощности и удельной энергоемкости средств малой механизации достаточно широко занимались отечественные исследователи В. Ф. Купряшкин5, А. В. Безруков и дру-

гие6 [8; 9]. В частности, В. Ф. Купряш-киным были получены расчетные зависимости для нахождения величин мощности для обеспечения функционирования почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 (1) и энергоемкости процесса фрезерования почвы (2):

f ( K I F g - F z )

' ^M КР ^ ₊ 9550

v „ 10 "$

E   (2 - П.)10-31M,,n, + уд    3,6Bv„h I 9550

F

⁽ K1^F- - Fz ^{)+ 3} -1^

- F x

v „ 10 %

где η _о , η _оф и η _ок – соответственно, коэффициент полезного действия (КПД) передаточных частей почвообрабатывающей фрезы, КПД привода фрезба-рабанов и ходовых колес; F z - выталкивающая сила на фрезерном рабочем

органе (ФРО), Н; Fx – подталкивающая сила на ФРО, Н; М – крутящий момент кр на валу фрезерных рабочих органов, (Н·м); Fg – сила тяжести почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85, Fg = 1716 Н; K1 – коэффициент учитывающий геометрические параметры почвообрабатывающей фрезы, K1 = 0,174; q – коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3; bк и Dк– ширина обода и диаметр ходовых колес, соприкасающихся с почвой, соответственно, м; h – фрезерования почвы, м; q –коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3; vп – поступательная скорость фрезы ФС-0,85, м/с; f – коэффициент трения опорного полозка о почву, f = 0,41; B – ширина захвата почвообрабатывающего агрегата, м.

Вышеуказанные исследования В. Ф. Купряшкина, легли в основу анализа баланса потребляемой мощности и энергоемкости процесса фрезерования почвы, самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режима работы (СМПФА), предложенным А. В. Безруковым [8]. В этом случае расчетные зависимости требуемой мощности (3) и энергоемкости процесса обработки почвы (4) были получены с учетом специфики конструкции и особенностей работы СМПФА:

где F _рез – сила резания сканера в почве, кВт.

Отличительной особенностью расчетных зависимостей (3) и (4) от зависимостей (1) и (2) является присутствие в последних величины силы резания сканера в почве F _рез . Ее появление обусловлено наличи^рем в конструкции почвообрабатывающей фрезы, сканера почвы, позволяющего определять ее твердость.

Однако необходимо отметить, что полученные расчетные зависимости (1), (2), (3) и (4) применимы к почвообрабатывающим машинам с активными рабочими органами, в частности к малогабаритной почвообрабатывающей фрезе ФС-0,85 и ее модификациям.

В исследованиях других авторов И. И. Гуреева [9] и С. Н. Ладутько6 в области энергозатрат, были рассмотрены вопросы, касающиеся требуемой мощности и энергоемкости для функционирования вертикальной почвообрабатывающей фрезы. Так, ими использовалась зависимости:

_{P =} K 0 av a D ²

413,8 ,

_Е г 4,99 _к+0,791 ₂

^ уд = ¹⁹¹ _v V 0 ⁺ _v 2 V 0 ,

P = ( 2 - П о )

■ МЛ

+

+ f ( K 1 F g — F z ) + 3

I Fg ( 1 - K qD b K

4 ^^^^^B  ^^^^^B

x     рез

в ( 2 - n ₀ ) 10 ^{- 3} J М кр П ф '^уд     3,6 Bv _n h [ 9550

+ f ( K 1 F g — F z ) + ³

F g ( 1 - K i ) ⁴ qD" Ь к

F + F x      рез

v „10 Л,

v „ 10 ~4,

где К ₀ – приведенный коэффициент объемного смятия, Н/см³; а – глубина фрезерования, см; v_a – скорость агрегата, м/с; D – диаметр фрезы, см; v – поступательная скорость фрезы, м/с; V ₀ – скорость отбрасываемой почвы, м/с.

Однако зависимости (5) и (6) справедливы для конкретных почвообрабатывающих машин, агрегатируе-мых с тракторами тягового класса 0,9 и выше, что делает невозможным их применение с целью определения энергетических показателей малогабаритных почвообрабатывающих машин, в частности мотоблоков, так как они не учитывают особенности конструкции

их приводов7 [5], комплектования пахотного агрегата на их базе, специфику их функционирования и агротехнических требований, предъявляемых ко вспашке почвы1.

Основываясь на том, что указанные исследования и полученные на их основе результаты, а именно расчетные зависимости для определения требуемой мощности функционирования почвообрабатывающих машин и энергоемкости обработки почвы, применимы только для машин с активными рабочими органами, необходимо провести теоретические изыскания по определению энергетических показателей почвообрабатывающих агрегатов, скомплектованных на базе средств малой механизации и тяговых рабочих органов и являющихся основой для дальнейшего выбора наиболее оптимальных режимов их функционирования.

Материалы и методы

При работе мотоблока с лемешноотвальным плугом требуемая мощность для обеспечения технологического процесса вспашки почвы P (кВт) определяется формулой:

P = P AP + ^Р ПЕР + ^P TP , (7)

где P _ТЯГ – мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления на рабочем органе (лемешно-отвальном плуге), кВт; P _ПЕР – мощность, затрачиваемая на перекатывание ходовых колес, кВт; P _ТР – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в приводе ходовых колес, кВт.

Здесь P _ТЯГ + P _ПЕР определяет мощность, затрачиваемую на создание тягового усилия на ходовых колесах P _Т , т. е. P Т = P ТЯГ + P ПЕР .

Мощность P _Т будет определяться зависимостью:

P t = M _крк^10 - 3 , (8)

где M _КРК – крутящий момент на ходовых колесах, Н·м; ω _к – угловая скорость ходовых колес, рад/с.

Учитывая действующие на мотоблок силы для крутящего момента M _КРК , получим расчетную зависимость:

M = F D-

КРК TK X 2 , (^y)

где F ТК∑ – суммарная сила тяги на колесах, Н; D _к – диаметр колеса, м.

Приняв во внимание условие устойчивости движения мотоблока по критерию отсутствия буксования ходовых колес с почвой, преобразуем выражение (5):

M _KPK = ( F :_{K z} + R x + Ffn + F_m) D^, (10)

где F _CK∑ – сила сопротивления при перекатывании ходовых колес по почве, Н; R_X – сила сопротивления на лемешноотвальном плуге, действующая в продольной плоскости, Н; F f П – сила трения опорной пятки о дно борозды, Н; F f ПД – сила трения полевой доски о стенку борозды, Н.

Если учесть зависимости, определяющие F _CK∑ , F f П , F f ПД , выражение (10) примет вид:

M kpk H

з______ ⁽ K ¹ F g ^{M +} F g ^Б ) _______ _{+ R +}

( 0,044 p + 0,0038 ) D¹ b _K , 10 ⁹    *

+ f ( K ₂ F g _M + K з R z - K 4 R x ) +

+ f [ K ₅ R x + K ₆ R _y + ( K ₇ F g + K 8 F g б ) k _Сб ]

D k 2 ’

где F_{g M} – сила тяжести мотоблока, Н; F g Б - сила тяжести балласта, Н; D к - диаметр колеса, м; b _к∑ – суммарная ширина ходовых колес, м; С с СБ - коэффициент бокового сцепления ходовых колес с почвой; f – коэффициент трения; К ₁ , ..., К ₈ – коэффициенты, характеризующие геометрические параметры мотоблока.

Затем после подстановки (11) в (8) получаем:

Учитывая особенности трансмис-

сии мотоблока8, значение определить по формуле:

η _о можно

( ^K 1 F g М + F g Б /

η _o = η ₁ ⋅ η ₂ ⋅ ... ⋅ η _n ,        (15)

где η ₁ , η ₂ , η ₃ , …, η_n – КПД отдельных элементов привода.

С учетом полученной ранее зависимости (13) уравнение (14) будет иметь следующий вид:

P i H

( 0,044 p + 0,0038 ) D _K ² b _{K 2} 10⁹

+ R x +

+ f ( K 2 F g М + K 3 R - K 4 R x ) +

+ f [ K ₅ R x + K ₆ R y + ( K ₇ F g М + K 8 F g б ) k _Сб ]

2 - . 10³.

Р _тр = 3,6 v _П (1 - п „ШГ X

( ^K 1 F g м + F g Б ) ⁴

( 0,044 p + 0,0038 ) D²_K b _KJ0⁹

+ R x +

XI

+ f ( K 2 F g м + K 3 R z - K 4 R x ) +

Если определить поступательную скорость движения мотоблока v _п (км/ч) через угловую скорость to к , то уравнение (12) примет окончательный вид:

+ f [ K 5 R x + K ₆ R_y + ( K 7 F g м + K 8 F g б ) k сб ]

р _л = 3,6 v _п 10 ^{- 3} <

₃1       ( ^K 1 F g м + F g б ) ⁴

Л ( 0,044 p + 0,0038 ) D 6 _{K Z} 10⁹

+ R x +

+ f ( K 2 F g м + K 3 R z - K 4 R x ) +

+ f [ K ₅ R x + K 6 R_y + ( K 7 F g м + K 8 F g б ) k , б ]

Подставляя установленные ранее зависимости (13), (15) в (7) с учетом ряда преобразований, получим уравнение для расчета требуемой мощности двигателя мотоблока при его агрегатировании с лемешно-отвальным плугом:

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в приводе P _т , определяется зависимостью:

Р _ТР = (1 — П ₀) Р т ,      (14)

где η _о – общий КПД передаточной части.

P = 3,6 v _п (2 - n )10 ^{- 3} X

( ^K 1 F g M + F g в ) ⁴ ( 0,044 p + 0,0038 ) D² b _KJ0⁹

+ R x +

X^

+ f ( K 2 F g M + K 3 R z - K 4 R x ) +

+ f [ K 5 R x + K ₆ R_y + ( K 7 F g M + K 8 F g в ) k св ]

Энергоемкость процесса обработки почвы определяется зависимостью:

E УД

P

W ’

где E _уд – удельная энергоемкость, кВт·ч/м³; W_V – производительность в единицу объема обрабатываемой почвы, м³/ч. Объемная производительность W V в нашем случае будет определяться зависимостью:

WV = Bv п h103,        (19)

где B – ширина захвата рабочего органа, плуга, м; v _п – поступательная скорость движения мотоблока, км/ч; h – глубина обработки, м.

Тогда, с учетом (17) и (19) выражение (18) примет вид:

h

E УД

3,6(2 - п _о)10 ^{- 6} _х

( 0,044 p + 0,0038 ) D; ; b .^10⁹

+ Rx +

х<

+ f ( K ₂ Fg _M + K 3 R z - K 4 R x ) +

+ f [ K ₅ R x + K ₆ Ry + ( K 7 Fg M + K 8 Fg _Б) k _СБ]

Полученные уравнения (17) и (20) отражают зависимости в общем виде, соответственно, потребляемой мощности и удельной энергоемкости при совершении вспашки почвы пахотным агрегатом на базе мотоблока с учетом его конструктивно-технологических параметров и свойства обрабатываемой среды.

Результаты исследования

Из полученных уравнений (17) и (20) видно, что для их решения необходимо определить ряд силовых характеристик, влияющих на работу мотоблока при проведении вспашки. Анализ исследований работы малогабаритных почвообрабатывающих машин [10; 11] выявил, что рабочий орган, в частности лемешно-отвальный плуг, представляет собой один из главных объектов возмущения при проведении вспашки [12]. Это происходит в результате действия на его криволинейную поверхность (культурный отвал) сил R x , R и R _z , действующих на плуг в продольно-вертикальной, горизонтальной и поперечно-вертикальной плоскостях соответственно. Как показывают результаты исследований [13-15], указанные силовые факторы с большой степенью точности можно определить только в ходе проведения пространственного динамо-метрирования плужного корпуса, а для этого необходимо использовать специальные приспособления⁹ [16; 17]. Для решения этой задачи на производственных площадках кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина при помощи экспериментального стенда [18], позволяющего имитировать реальные условия эксплуатации, были проведены лабораторные испытания плуга П1-20/3, агрегатируе-мого с мотоблоком «Нева» МБ-2С-7,5 Pro [19], в ходе которых были получены регрессионные модели силовых характеристик R x , R и R z процесса взаимодействия лемеш ^y но-отвального корпуса плуга мотоблока с почвой в виде уравнений в зависимости от варьируемых факторов: твердость почвы – p (МПа)

и скорость движения v _п (км/ч)¹⁰, которые имеют следующий вид:

R_x = 185,3– 7,7 p – 65,6 v _п + 116,1 pv _п , (21) R_y = 49,1+ 3,5 p – 17,1 v _п + 32,7 pv _п , (22) R_z = 37,0 – 1,8 p – 14,1 v _п + 23,9 pv _п . (23)

Полученные уравнения регрессионных моделей справедливы для условий, определяемых твердостью почвы в интервале от 0,65 до 1,65 МПа и скоростью движения пахотного агрегата в интервале от 1 до 4 км/ч. Данные условия были приняты на основании того, что мотоблоки в агрегате с лемешно-отвальными плугами могут эксплуатироваться только на легких и средних типах почвы, при которых значение твердости не превышает 1,7 МПа [20; 21], а скорости движения определяются условиями безопасной эксплуатации мотоблоков11.

Для оценки энергетических показателей функционирования мотоблока с лемешно-отвальным плугом подставим зависимости (21), (22) и (23) в уравнения (17) и (20). В результате получим следующие расчетные зависимости мощности и энергоемкости:

P = 3,6 v „ (2 - Ч оЖ³ X

H f

| ( 0,044 p + 0,0038 ) D 2 6 _{K Z} 10 ⁹

+ R +

X-

"K 2 F g m + K 3 ( K 0 z - K 1 z P - K 2 z V п + K 12 z PV п )

-

E „

3,6(2 - n _o )10 ^{- 6} _x

h

( 0,044 p + 0,0038 ) D 2 b _{K E} 10⁹

- K 4 ( K 0

-

-

+ R +

-

^K 5 ( ^K 0 x ^{- K} 1 x P ^{- K} 2 x v „ ^{+ K} 12 x Pv „ ) ^{+ + K} 6 ( ^K 0 , ^{+ K} I , P ^{- K} 2 y v „ ^{+ K} 12 y Pv „ ) ⁺ + ( K 7 F g M + K 8 F g Б ) СБ

+

Таким образом, установленные зависимости требуемой мощности (24) и энергоемкости (25) позволяют оценить затраты мощности и удельную энергоемкость при вспашке почвы мотоблоком с лемешно-отвальным плугом с учетом его режимов работы и конструктивных параметров, а также твердости почвы.

Далее, учитывая конструктивные параметры мотоблока «Нева» МБ-2С-7,5 Pro и лемешно-отвального плуга П1-20/3, а именно его основные геоме-

- K 4 ( K 0 x

-

+

,

K 5 ( K 0 x

-

трические параметры, характеризующиеся коэффициентами К ₁ = 0,975, К ₂ = 0,015, К ₃ = 0,65, К ₄ = 1,1, К ₅ = 0,11, К ₆ = 0,92, К ₇ = 0,016 и К ₈ = 0,016, диаметром D _к = 0,5 м и суммарной шириной b _к∑ = 0,4 м его ходовых колес, силу тяжести Fgм = 1197 Н и принятые коэффициенты k _сБ = k _с = 0,3, f = 0,41, η ₀ = 0,8, а также значения коэффициентов уравнений регрессионных моде-

^K 1 y P ^{- K} 2 y v п ^{+ K} 12 y Pv п )

+

СБ

лей силовых характеристик R_x, R_y , R_z с учетом ряда преобразований, у ^y рав-нения (24) и (25) примут следующие

виды:

• ¹⁰    Уланов А. С., Купряшкин В. Ф. Результаты лабораторных исследований взаимодействия плуга мотоблока с почвой и их анализ // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы междунар. науч.-практ. конф / редкол.: П. В. Сенин [и др.]; отв. за вып. О. А. Кувшинова. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. 2018. С. 46-52.

• ¹¹    Руководство по эксплуатации мотоблока «Нева» МБ-2 и его модификаций: ЗАО «Красный Октябрь-Нева», 2013. 33 с. URL: https://www.twirpx.com/file/1041562/ (дата обращения: 13.06.2019); Романов Ф. Ф., Козин В. А., Ножнин С. Р. Концепция малогабаритного трактора // Актуальные проблемы агропромышленного комплекса: cб. докл. науч.-практ. конф. Вологда: ВМИ, 1993. С. 14–15; ГОСТ 12.2.140–2004. Тракторы малогабаритные. Общие требования безопасности.

Р и с. 1. Модель требуемой мощности двигателя P от скорости движения мотоблока и твердости почвы

F i g. 1. Мodel of the dependence of the required engine power P from the speed of the motor unit and the hardness of the soil

P = 3,6 V _п (2 - n _ОЖ³ x

X 215 - 6,6 p - 72,9 V _п + 129,2 pv _п + 87,2( p + 0,086) - ³ ,

_E _ 3,6(2 - n „) ^{10 - 6} _x ^уд Bh

X 215 - 6,6 p - 72,9 v _n + 129,2 pv _n + 87,2( p + 0,086) - ³ .

Подставленные значения твердости почвы p = 0,65…1,65 МПа и скоростных режимов движения vп = 1…4 км/ч в условия (26) и (27) значений твердости почвы p = 0,65…1,65 МПа и скоростных режимов движения vп = 1…4 км/ч, позволили получить графические интерпретации требуемой мощности для функционирования мотоблока с лемешно-отвальным плугом и энергоемкости процесса вспашки почвы, в зависимости от конкретных условий эксплуатации (1 и 2).

Полученные модели P = f ( p ; v _п ) и E _уд = f ( p ; v _п ) наглядно демонстрируют изменение энергетических параметров пахотного агрегата на базе мотоблока с лемешно-отвальным плугом.

Из анализа рисунка 1 следует, что значение требуемой мощности двигателя P изменяется в пределах от 1,3 до 13,3 кВт в интервале значений твердости почвы от 0,65 до 1,65 МПа и скорости движения мотоблока от 1 до 4 км/ч. При этом более интенсивный рост требуемой мощности наблюдается с увеличением скорости движения мотоблока.

Аналогично анализируя график удельной энергоемкости E _уд (рис. 2), можно сделать выводы, что в указанных пределах изменения твердости почвы и скорости движения пахотного агрега-

Р и с. 2. Модель удельной энергоемкости обработки почвы E _уд от скорости движения мотоблока и твердости почвы ^у

F i g. 2. Мodel of specific energy intensity of soil tillage E уд from the speed of the motor unit and the hardness of the soil

та значение E _уд изменяется в пределах от 28,7 · 10^-3 до^у 301,6 · 10^-3 кВт·ч/м³. При этом, как в случае с требуемой мощностью двигателя, с увеличением скорости движения мотоблока наблюдается более интенсивный рост значений энергоемкости процесса обработки почвы.

Обсуждение и заключение

Полученные уравнения расчета требуемой мощности для обеспечения работоспособности мотоблока в агрегате с лемешно-отвальным плугом (17) и энергоемкости процесса вспашки почвы (20) с использованием регрессионных моделей (21), (22) и (23) силовых характеристик взаимодействия его корпуса с почвой R , R и R позволяют оценить энергетические затраты при функционировании мотоблока, приняв во внимание его конструктивные параметры и технологические режимы работы.

Кроме этого, учитывая состав пахотного агрегата, состоящего из мотоблока «Нева» МБ-2С-7,5 Pro и лемешно-отвального плуга П1-20/3, были получены их частные решения, способствующие выбору оптимальных режимов его функционирования.

Также из анализа полученных графических зависимостей (рис. 1 и 2) следует, что в интервале значений твердости почвы от 0,65 до 1,65 МПа и скорости движения мотоблока от 1 до 4 км/ч значения требуемой мощности двигателя P изменяются в пределах от 1,3 до 13,3 кВт, а удельной энергоемкости E _уд изменяются в пределах от 28,7 · 10^-3 до 301,6 · 10^-3 кВт·ч/м³.

Поступила 28.02.2019; принята к публикации 11.04.2019; опубликована онлайн 30.09.2019

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.