Технико-экономические показатели почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р

Введение. Современные зональные технологии возделывания сельскохозяйственных культур ориентированы на сокращение затрат энергоресурсов путем рационального сочетания агротехнических и экономико-организационных мероприятий с конечной оценкой себестоимости и рентабельности производства продукции. Большими резервами в этом направлении располагают ресурсосберегающие и почвозащитные технологии основной обработки почвы, критерии выбора которых – выполнение операций с минимальными затратами для получения максимально-гарантированной урожайности при одновременном сохранении и восстановлении плодородия почвы.

Последние 10–15 лет направлены на достижение указанных ориентиров за счет создания многооперационных почвообрабатывающих (п/о) посевных машин блочно-модульного типа и параметрических рядов мобильных энергетических средств на единой элементно-агрегатной базе с переменным уровнем энергонасыщенности. Совместное функционирование рабочей машины и трактора в составе почвообрабатывающего агрегата определяет основные показатели эффективности реализуемой технологии обработки почвы. Поэтому только машинно-тракторному агрегату, а не отдельным его составляющим, присущи основные оценочные показатели (критерии), такие как производительность, удельные энергетические и топливные затраты.

Учитывая широкую номенклатуру выпускаемых рабочих машин/орудий для зональных технологий основной обработки почвы и создание типоразмерных рядов тракторов общего назначения определенных серий или категорий, особую актуальность в системе ресурсосбережения приобретает задача реализации потенциальных возможностей скомплектованных на их основе агрегатов. Указанное достигается рациональным согласованием тягово-скоростных характеристик рабочих машин и тягово-динамических характеристик энергетических средств. Основные положения общей методологии решения этой проблемы достаточно изучены [1,2]. Однако для рационального комплектования и использования парка тракторов определенного параметрического ряда (серии) в отдельных регионах и крупных предприятиях необходима сравнительная оценка технико-экономических показателей агрегатов разного технологического назначения на их базе с учетом природно-производственных условий.

По реализуемой программе технического перевооружения АПК Восточной Сибири в сельскохозяйственные предприятия поступает новое поколение отечественных тракторов 4К4б «Кировец» серии К-744Р 5–8 кл. (К-744Р1/Р2/Р3), оснащенных отечественными и зарубежными дизелями с коэффициентом приспо- собляемости по моменту КМ = 1,20 -1,40. Их энергонасыщенность в зависимости от комплектации одинарными или сдвоенными колесами и балластирования изменяется от 13 до 17 Вт/кг. Для оптимальной адаптации тракторов указанной серии к зональным природно-производственным условиям необходима сравнительная оценка эффективности их использования на разных операциях основной обработки почвы.

Цель работы – сравнительная оценка эффективности почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р для рационального их использования при реализации зональных технологий основной обработки почвы.

Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

• 1)    установить взаимосвязь показателей эффективности и эксплуатационных параметров почвообрабатывающих агрегатов;

• 2)    дать сравнительную оценку эффективности агрегатов на базе тракторов серии К-744Р по критериям ресурсосбережения;

• 3)    обосновать рациональные тягово-скоростные режимы использования почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.

Условия и методы исследования. Для решения поставленных задач использована многоуровневая структурная схема с установленными допущениями и ограничениями [1]:

• 1)    сравнительная оценка эффективности агрегатов проводится при реализации тре х видов (по энергоемкости) технологий почвообработки: традиционной с отвальной вспашкой ( К о = 13,65 кН/м;

А К = 0,15 - 0,18 с²/м²; v— = 0,10 ); минимальной с глубокой безотвальной обработкой ( К о = 4,80 кН/м;

К 0

А К = 0,10 с²/м²; у— = 0,07 ); поверхностной безотвальной или нулевой ( К 0 = 3,10 - 3,90 кН/м;

А К = 0,06 с²/м²; V = 0,07 );

К 0

• 2)    оценка показателей эффективности однотипных агрегатов проводится на режиме максимального тягового КПД трактора п Т _max, соответствующем Ф К, opt и 3 _opt или на режиме ^{( ф} КР max + ^ф КPopt ) / ² = ^ф КР ^;

• 3)    взаимосвязь буксования δ и коэффициента использования веса ϕ _КР тракторов серии К-744Р с одинаковой комплектацией ходовой части в рабочем диапазоне тяговых нагрузок ( P_К p _opt - Р КР _max ) и 8 _opt <  3 <  З д на одноименных почвенных фонах аппроксимируется выражением 3 = а р КР /( b — Ф _КР ) при установленных значениях коэффициентов а и b ;

• 4)    приоритетными показателями (критериями) при оценке п/о агрегатов являются минимальные энергозатраты в режиме рабочего хода.

При установленных по технической характеристике трактора значениях эксплуатационной мощности N еэ и массы т _э , коэффициента приспособляемости к перегрузке К M и удельного расхода топлива g ЕН двигателя, а также экспериментально полученных взаимосвязей 3 , п _Т = f ( Ф _КР ), режимы работы и показатели эффективности п/о агрегатов определялись по зависимостям [2]:

действительная скорость рабочего хода, м/с

• V * = й • Nеэ • Пт / тэ • g • ФКр ;

удельное тяговое сопротивление рабочей машины, кН/м

Кv = К 0[1 + А К (V - V02)] = К 0 ^К;

чистая производительность, м²/с

W = ^N • Nеэ 'Пт 1 К0^К ^ max;

удельные энергозатраты, кДж/м²

ЕП = й • Nеэ / W = К0Vk I Пт ^ min;

удельные энергозатраты на единицу чистой производительности, кДж/м2/м2/с

ЕПР = ЕП 1 W = К02 Vk2| ^N • Nеэ ■ Пт2 = К02ЕК2 1 ^N • Nеэ ^ ^(5)

удельные топливные затраты, кг/га gw = 2,77 • gЕН • Еп ^ min;

техническая производительность, га/ч

П = 0,36 • W • т • Коб ^ max, где т - коэффициент использования времени смены;

К _об – обобщенный поправочный коэффициент на местные условия.

Полное выражение технической производительности при т = ( h _w - a _w • W ) I(1 + K _w • W ) имеет вид [2]

_n       ( h w - a w • W)W

П = 0,36--

K w • w

Для сравнительной оценки эффективности п/о агрегатов на базе разных тракторов серии К-744Р использованы относительные значения указанных выше показателей:

4 = v ‘i v ; = л^ • Л э • л . / л^ к_P ;

Л w = w -/ W 1 = Л V * • Л тэ • Л^ КР I Лц к Л к 0 ;

< Л еп = E ni I Е п I = Л к 0 • ЛМ к I ЛП т ;                                       (9)

^Л gw = S wi ¹ g w , = ^Л _дЕН ’ ^Л к ₀ • ^ЛЕ к ^{1 Л}П т ^;

Л епр = E npi / Е пр 1 = Лк_о ² • Л² V k I Л^ КР • ЛП т • Л V * • Л тэ •

Результаты исследования и их анализ. Реализация потенциальных возможностей п/о агрегата является основанием для выбора эксплуатационных параметров и тягово-скоростных режимов использования трактора при выполнении технологического процесса. На рисунке 1 приведены зависимости потенциальных показателей пахотного агрегата ( А К = 0,15 с²/м², v _MC = 0,10) от коэффициента использования веса ^ _КР трактора К-744Р 1 ( N _еэ = 205 кВт, К М = 1,20 , 9 1 = 13,76 Вт/кг) с одинарными и сдвоенными колесами. По аналогии с потенциальной тягово-динамической характеристикой трактора в характеристике потенциальных показателей агрегата можно выделить правую и левую части. Разграничивает эти части режим, ^{соответств}ующ^ий П т max и ^ KPopt ^.

В правой части характеристики от v_KPopt = 0,37 до ^ _{КР max} = 0,45 значения рабочей скорости V * = 1,67 - 2,09 м/с агрегата находятся внутри рационального скоростного диапазона (V*_opt — V 1) = 1,67 - 2,20 м/с для отвальной вспашки при А К = 0,15 - 0,18 с²/м². При этом максимальная техническая производительность и минимальные удельные энергозатраты достигаются в зоне Ф кР — Ф кР max .

Левая часть характеристики соответствует работе агрегата с относительно низкими значениями тяговой нагрузки ( р_КР <  ^_KPopt ) на скоростях, превышающих рациональный диапазон для указанной технологической операции. Использование пахотного агрегата по показателям производительности, удельных энергетических и топливных затрат в этой части характеристики не рационально.

Оснащение трактора сдвоенными колесами увеличивает на 13% эксплуатационную массу и максимальное значение тягового КПД п Т _max с 0,675 до 0,714, существенно (от 0,34до 0,49) расширяет диапазон ( ф_КРоР1 - Ф_КР max ) . Для всех операций при р К _Р = idem изменение рабочей скорости X V &  1,0 , поскольку λ _э ≈ λη _Т . При этом повышение чистой производительности агрегата W обеспечивается только за счет изменения эксплуатационной массы трактора ( X W &  Л_тэ ) , а снижение удельных энергетических и топливных затрат - за счет повышения тягового КПД трактора ( ЛЕ_п = X g W = 1/ Хп Т ).

Использование трактора К-744Р 1 на безотвальной и поверхностной обработке почвы характеризуется низкими значениями тяговой нагрузки, поскольку обеспечение рациональных скоростных диапазонов ( Vopt — V Lx ) , равных 2,10-2,84 и 2,80-3,83 м/с соответственно, на этих операциях возможно только в левой части характеристики при р_КР< р_КРор1 (рис.2). Изменение рабочей скорости X V при р* _кР = idem соответствует величине XX.. .

Указанное обусловлено недостаточной энергонасыщенностью трактора для обеспечения рациональных скоростных диапазонов на операциях глубокой безотвальной и поверхностной обработки почвы.

Использование более энергонасыщенного трактора серии К-744Р приводит к возрастанию рабочей скорости п/о агрегата любого назначения на величину X V = лХ^ • Л э . Рост производительности и удельных энергозатрат составляет при этом X W = X V • Л_тэ / Xip- и ЛЕ_п = Ли_к / Хп Т соответственно.

Вероятность того, что момент сопротивления на коленчатом валу двигателя М С , подчиненный закону нормального распределения с коэффициентом вариации ν _МС , примет значения, соответствующие касательной силе тяги Р _к <  Р _{к max} при коэффициенте сцепления p <  p _max = ( р _{КР max} + f ) , определится значением двойной функции Лапласа [1]

+ t

2Ф (t) = f e - t 2dt, (10) V 2п Jt где t = (Mc -Mc)/aMc.

В таблице 1 показана вероятность использования п/о а гр егатов при допустимом буксовании тракторов серии К-744Р в зависимости от математического ожидания ϕ , ν _МС и комплектации ходовой системы. В режиме П т max на одинарных ( p_O p _t = 0,47 , p^ opt = 0,37) и сдвоенных ( p_O pt = 0,40 - 0,41 , р_КРор{ = 0,34 - 0,35) колесах вероятность 2 Ф ( t ) на отвальной вспашке при v _mc = 0,10 составляет 0,954 и 1,00 соответственно. При v _mc = 0,07 ее значение на одинарных колесах повышается до 0,991.

Вероятность использования тракторов серии К-744Р в интервале нагрузок при допустимом буксовании (фон-стерня)

Таблица 1

Комплектация	ϕ	V mc = 0,10		V mc = 0,07
		t	2Ф(t)	t	2Ф(t)
Одинарные колеса	P opt = 0,47	1,700	0,954	2,430	0,991
	p = 0,51	0,784	0,781	1,120	0,867
Сдвоенные колеса	P opt = 0,41	3,000	1,000	3,000	1,000
	p = 0,47	1,370	0,913	1,960	0,974

Рис. 1. Потенциальные возможности пахотного агрегата (ЛК = 0,15 с2/м2, vMC = 0,10) на базе трактора К-744Р1;

– одинарные колеса;

– сдвоенные колеса

Рис. 2. Потенциальные возможности почвообрабатывающих агрегатов на базе трактора К-744Р 1 с одинарными колесами:--безотвальная обработка ( Л К = 0,10 с²/м², v _MC = 0,07) ;

---- - сплошная (поверхностная) обработка ( Л К = 0,06 с²/м², v _MC = 0,07)

В режиме ф = ( p_opt + ^ _max)/2 функция 2 Ф ( t ) снижается на отвальной вспашке до 0,781 и 0,913, а на безотвальной и поверхностной обработке до 0,867 и 0,974.

Приведенные значения функции 2 Ф ( t ) при разных v _MC свидетельствуют, что при функционировании п/о агрегатов на базе тракторов серии К-744Р номинал ь ный тяговый режим, по условиям допустимого буксования, следует выбирать в пределах ф _КРор < ф _КРН = ф _КР .

Результаты моделирования потенциальных возможностей пахотных агрегатов ( Л К = 0,15 - 0,18 м²/с²) на базе тракторов серии К-744Р с одинарными колесами при ф_КРН = ^_opt = 0,37 (табл. 2) показали, что по чистой и технической производительности наивысшие показатели характерны для агрегата на базе трактора К-744Р 3 . Однако по удельным энергетическим и топливным затратам он находится только на третьем месте, а минимальные их значения характерны для агрегата на базе трактора К-744Р 1 . По удельным энергозатратам на единицу чистой производительности лучшие показатели обеспечивает пахотный агрегат на базе К-744Р 1 . Второе и третье место по этому критерию ресурсосбережения занимают агрегаты на базе тракторов серии К-744Р 3 и К-744Р 2 . У агрегатов с тракторами К-744Р 2 М и К-744Р 3 М значения Е_ПР выше минимальных (К-744Р 1 ) на 47–69%.

На безотвальной и поверхностной обработке почвы номинальные рабочие скорости всех тракторов находятся внутри диапазонов ( V opt - V max ) i (табл. 3). Лидирующие позиции по производительности занимают агрегаты на базе тракторов К-744Р 3 и К-744Р 3 М, а по удельным энергозатратам – на базе трактора К-744Р 1 , что обусловлено более низкой его рабочей скоростью. На безотвальной комбинированной обработке лучший показатель ( Е_ПР = min) обеспечивает трактор К-744Р з , на втором месте - К744Р 1 . Последние места занимают высокофорсированные тракторы К-744Р 2 М и К-744Р з М при Л_Епр = 1,29 - 1,33. На поверхностной обработке первое место по условиям ресурсосбережения обеспечивает трактор К-744Р 3 , на втором месте – К-744Р 2 . Наихудшие показатели у агрегатов с тракторами К-744Р 2 М, К-744Р 3 М и К-744Р 1 при Л епр = 1,136 - 1,227.

Потенциальные показатели п/о агрегатов существенно улучшаются при увеличении номинального тягового усилия до Р крн = mg( ^ Kpopt + Ф кр max ) (табл.4), что следует из (9): Л W = Л ■ Лф Кр / Лц к ; Л е_п = Л^ к / ЛП т и Л , = л² и к / Лф p • Лп Т Л

На отвальной вспашке Л W = 1,12 - 1,15, Л* Е_п = 0,87 - 0,91, Л* _Епр = 0,76 - 0,81, причем большие значения Л W и меньшие Л Е и Л _Епр характерны для тракторов К-744Р 2 М и К-744Р з М.

Таблица 2

Потенциальные показатели эффективности пахотных агрегатов на базе тракторов серии К-744Р (одинарные колеса, режим П т max , ( Ф кр_ор, = 0,37) К _об = 0,95 )

Марка трактора	N еэ /g ен , кВт/ (г/кВт∙ч)	Э 1 , Вт/кг	м ту        max К м = м   Mн	С- N	Л К , с2/м2	V •, м/с	W , м2/с	П , га/ч	Е ЕП , кДж м2	g w , кг/га	Е пр , кДж м 4/ с	Место
К-744Р 1	205/220	13,76	1,20	0,87	0,15	2,09	5,89	1,85	29,3	17,87	4,97	I
					0,18	2,09	5,79	1,76	80,8	18,77	5,32
К-744Р 2	235/212	14,99	1,30	0,95	0,15	2,49	6,35	1,92	35,2	20,7	5,54	III
					0,18	2,49	5,89	1,79	37,9	22,3	6,43
К-744Р 2 М	250/205	16,43	1,40	1,03	0,15	2,96	5,93	1,80	43,4	24,7	7,32	IV–V
					0,18	2,96	5,39	1,64	47,8	27,2	8,88
К-744Р 3	265/212	15,14	1,30	0,95	0,15	2,52	7,06	2,10	35,7	21,0	5,06	II
					0,18	2,52	6,54	1,95	38,5	22,6	5,89
К-744Р 3 М	298/205	17,53	1,38	1,03	0,15	3,16	6,48	1,95	47,4	26,9	7,31	IV–V
					0,18	3,16	5,85	1,76	52,5	29,8	8,98

Таблица 3

Потенциальные показатели эффективности почвообрабатывающих агрегатов (для безотвальной и поверхностной обработки) на базе тракторов серии К-744Р (одинарные колеса, режим ц _{Т max} , ( n ,p. = 0,37) К об = 0,92 )

Марка трактора	N	V •, м/с	Л К , с2/м2	W , м2/с	П , га/ч	Е ЕП , кДж м2	g w , кг/га	Е п Р , кДж м4 / с	Место
К-744Р 1	0,95	2,29	0,10	19,42	5,02	10,03	6,11	0,516	II
			0,06	33,35	8,06	5,83	3,55	0,175	III–IV
К-744Р 2	1,03	2,70	0,10	20,88	5,33	11,59	6,81	0,555	III
			0,06	37,57	9,06	6,44	3,78	0,171	II
К-744Р 2 М	1,09	3,13	0,10	20,19	5,17	13,49	7,66	0,668	V
			0,06	37,95	9,14	7,18	4,08	0,189	V
К-744Р 3	1,03	2,73	0,10	23,32	5,88	11,71	6,87	0,502	I
			0,06	42,07	10,01	6,49	3,81	0,154	I
К-744Р 3 М	1,09	3,34	0,10	22,36	5,67	14,52	8,25	0,649	IV
			0,06	42,85	10,18	7,58	3,76	0,177	III–IV

На других видах почвообработки отличие потенциальных показателей агрегатов менее существенно при сохранении закономерности их изменения от энергонасыщенности трактора. Так, для Л К = 0,10 с²/м² X W = 1,077 - 1,122, X Е П = 0,892 - 0,923, Х_Епр = 0,795 - 0,862, а для Л К = 0,06 с²/м² - X W = 1,048 - 1,086, X е_п = 0,921 - 0,953, Х_Епр = 0,848 - 0,911.

Таблица 4

Потенциальные показатели эффективности почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р (одинарные колеса, режим ф_КР = 0 , 5 ( v_KPopt + ^ КР max ) = 0 , 41 )

Марка трактора	Л К , с2/м2	V •, м/с	W , м2/с	П , га/ч	Е ЕП , кДж м2	g w , кг/га	Е пр , кДж м 4/ с	Место
К-744Р 1	0,15	1,88	6,68	2,00	26,71	16,28	4,00	I
	0,10	2,05	20,92	5,34	9,31	5,67	0,445	II
	0,06	2,05	34,96	8,33	5,57	3,40	0,159	IV
К-744Р 2	0,15	2,24	7,10	2,11	31,46	18,48	4,43	III
	0,10	2,43	22,89	5,76	10,58	6,21	0,462	III
	0,06	2,43	39,94	9,57	6,06	3,56	0,152	III
К-744Р 2 М	0,15	2,66	6,75	2,02	38,14	21,66	5,65	V
	0,10	2,81	22,49	5,70	12,12	3,78	0,163	V
	0,06	2,81	40,93	9,78	6,66	18,68	4,02	II
К-744Р 3	0,15	2,26	7,92	2,32	31,80	18,68	4,02	II
	0,10	2,45	25,58	6,38	10,67	6,27	0,417	I
	0,06	2,45	44,77	10,57	6,10	3,58	0,136	I
К-744Р 3 М	0,15	2,84	7,43	2,20	41,32	23,47	5,56	IV
	0,10	3,00	25,08	6,27	12,95	7,36	0,516	IV
	0,06	3,00	46,53	10,93	6,98	3,96	0,150	II

Таблица 5

Потенциальные показатели эффективности почвообрабатывающих агрегатов на базе тракторов серии К-744Р (сдвоенные колеса, режим ^ КР = 0,5( ^ _КPopt + ^ КР _max) * = 0,41 )

Марка трактора	Э 2 , Вт/кг	А К , с2/м2	V , м/с	W , м2/с	П , га/ч	Е П , кДж м2	g w , кг/га	Е пр , кДж м 41 с	Место
К-744Р 1	12,13	0,15	1,86	7,56	2,23	23,59	14,38	3,12	II
		0,10	2,03	23,64	5,95	8,24	5,02	0,349	II
		0,06	2,03	39,40	9,18	4,94	3,01	0,125	IV–V
К-744Р 2	13,22	0,15	2,21	8,05	2,35	27,74	16,29	3,45	III
		0,10	2,40	25,91	6,45	9,34	5,49	0,360	III
		0,06	2,40	45,07	10,63	5,37	3,15	0,119	III
К-744Р 2 М	14,43	0,15	2,62	7,71	2,27	33,42	18,98	4,33	V
		0,10	2,77	25,59	6,38	10,65	6,05	0,416	V
		0,06	2,77	46,36	10,90	5,88	3,34	0,127	IV–V
К-744Р 3	13,25	0,15	2,22	9,05	2,60	27,81	16,33	3,07	I
		0,10	2,40	29,15	7,15	9,36	5,50	0,321	I
		0,06	2,40	50,75	11,77	5,38	3,16	0,106	I
К-744Р 3 М	15,28	0,15	2,77	8,57	2,48	35,82	20,34	4,18	IV
		0,10	2,93	28,80	7,07	11,28	6,41	0,392	IV
		0,06	2,93	53,07	12,23	6,12	3,48	0,115	II

При установке сдвоенных колес изменение основных показателей эффективности п/о агрегатов обусловлено соотношениями, полученными из формул (9). При ф*К _Р = idem X V = Л э • X п Т , 4 = ЛП т / Л^ к , ЛП = X/ , / ЛП т , Л Епр = Л^_к IX п Т

В таблице 5 приведены значения основных показателей п/о агрегатов на сдвоенных колесах при ф _КР = 0,5( ф _КРор( + ^ _{КР max}) = 0,41. Ведущие позиции по условиям ресурсосбережения ( Е _пр = min) на всех операциях обеспечивает трактор К-744Р 3 , наименьшая эффективность достигнута агрегатами на базе трактора К-744Р 2 М. При практически неизменной рабочей скорости ( X V » 0,980) для указанных моделей тракторов серии К-744Р на всех операциях X W = 1,13 - 1,15, Л*Е_п = 0,87 - 0,89, Л*_Епр = 0,75 - 0,78.

Выводы

• 1.    Предложены критерии и получены характеристики потенциальных возможностей почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения, позволившие обосновать рациональные по производительности и удельным энергозатратам номинальный тяговый режим, соответствующий ϕ _КРopt ≤ ϕ _КРН ≤ ϕ _КР и тяговый диапазон их использования в условиях вероятностной нагрузки, ограниченный ^ _{КР max} при допустимом буксовании.

• 2.    Сравнительной оценкой показателей эффективности почвообрабатывающих агрегатов установлено, что использование тракторов серии К-744Р в номинальном тяговом режиме при Ф _КР Н = Ф КР = 0,5( ^ _КPopt + ^ _{КР max}) позволяет повысить чистую производительность и снизить удельные энергетические и топливные затраты, по сравнению с режимом р_КРН = ^_КPopt , на 12-14% для отвальной вспашки и на 5–12% для безотвальной и поверхностной обработки при улучшении основного показателя ресурсосбережения Е _пр до 19–24 и 5–12% соответственно.

• 3.    Наивысшую эффективность по критерию ресурсосбережения Е пр = min при выполнении операций основной обработки почвы, независимо от р КРН , обеспечивают агрегаты на базе тракторов:

  – отвальная вспашка К-744Р 1 и К-744Р 3 ;

  – глубокая культивация – К-744Р 3 и К-744Р 1 ;

  – поверхностная обработка – К-744Р 3 и К-744Р 3 М.

• 4.    Оснащение тракторов серии К-744Р сдвоенными к олесами обеспечивает повышение производительности и снижение удельных энергозатрат при ф КРН = ^ КР на 13-15%. Наивысшую эффективность по критерию Е >   mi n имеют агрегаты разного технологического назначения на базе трактора К-744Р₃.

пр