сотрудник
УДК 631.331 Посевные машины и орудия (сеялки)
В статье рассмотрены вопросы работы машинно-тракторного агрегата с почвообрабатывающим посевным комплексом. Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов и наиболее полная реализация заложенного в них технического потенциала может производиться на основе развития автоматизированных систем управления и контроля за выполнением технологических процессов как трактором, так и агрегататируемыми модулями, а также в целом машинно-тракторного агрегата. Рассмотрен тяговый и мощностной баланс трактора с почвообрабатывающим посевным комплексом при работе в заданных условиях. Показано, что производительность в процессе работы может изменяться за счет снижения потерь мощности на преодоление сил сопротивления качению. Представлены теоретические зависимости для определения мощностных и скоростных параметров машинно-тракторного агрегата в процессе посева с почвообработкой и внесением удобрений.
машинно-тракторный агрегат, почвообрабатывающе-посевной комплекс, мощностной баланс, тяговый баланс трактора, производительность машинно-тракторного агрегата
Введение. Современное растениеводство ведется на основе внедрения новых энергосберегающих прогрессивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур и одновременно направлено на сохранение и повышение плодородия почвы [1]. Повсеместно применяются комбинированные агрегаты, которые за один технологический проход выполняют комплекс агротехнических операций. Повышение эффективности использования и наиболее полная реализация заложенного в них технического потенциала может производиться на основе развития автоматизированных систем управления и контроля за выполнением технологических процессов как трактора, так и агрегататируемых модулей, а также в целом машинно-тракторного агрегата (МТА) [2…5].
Совмещение операций предпосевной обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур в настоящее время находит наибольшее применение. Для обработки почвы и посева в принятых севооборотах используются современные, высокопроизводительные, комбинированные и универсальные машины, ширина захвата и производительность которых обоснованы для тракторов различного класса тяги. Почвообрабатывающе-посевные комплексы (ППК), как правило, построены по блочно-модульному принципу и состоят из прицепа-бункера семян и удобрений, непосредственно почвообрабатывающей, посевной и прикатывающих секций и пр. Последовательность расположения модулей агрегата может быть различной [6].
Производительность МТА во многом зависит от правильного комплектования агрегатов с учетом наиболее полного использования мощности двигателя, назначения машин, конкретных условий эксплуатации. Так как в технологический процесс объединено одновременное выполнение нескольких операций, ограничение скорости движения МТА определяется агротехническими требованиями (качеством работы) той операции, где рекомендуемая максимальная скорость является самой низкой из всех операций. Состав МТА, как правило, известен и его расчёт сводится к выбору скоростного режима и соответствующей передачи трактора с учетом возможных ограничений [5].
Вместе с тем следует заметить, что полное тяговое сопротивление ППК даже на однородном поле с одинаковым физико-механическим составом почвы не остается постоянным. Объясняется это тем, что в продолжении технологического процесса работы вес прицепа-бункера уменьшается, и как следствие, снижается сила сопротивления качению. При дифференцированном внесении удобрений в соответствии с агрохимической картой поля, изменение веса будет носить нелинейный характер. При снижении тягового усилия уменьшается буксование трактора, что приводит к возрастанию рабочей скорости МТА. В отдельных случаях, например, при посеве мелкосемянных культур, которые имеют низкую объемную плотность и малую норму высева (в кг/га), следует ожидать незначительное изменение веса ППК в процессе работы и, соотвественно, малое влияние на общее тяговое сопротивление.
Методика исследований. В общем случае при работе МТА в составе трактора и ППК на горизонтальном участке поля однородного состава и выполнении операций посева для некоторого упрощения составления математической модели работы можно допустить, что мгновенные колебания рабочей скорости не оказывают существенного влияния на среднюю скорость МТА (Vp≈ const) и не принимать во внимание затраты мощности на мгновенные ускорение или замедление.
Рисунок. Схема машинно-тракторного агрегата в составе трактора и почвообрабатывающе-посевного комплекса.
В настоящее время на тракторы в большинстве своем устанавливаются двигатели постоянной мощности, которые обеспечивают на выходе с коленчатого вала постоянную мощность в широком диапазоне частоты вращений [7].
В этой связи эффективную мощность двигателя Nе можно принять равной номинальной мощности NН и постоянной
где ƞд – коэффициент загрузки двигателя при заданном тяговом усилии (0.95…1,0).
В общем случае уравнение мощностного баланса для установившегося режима можно записать как:
(1)
где Nе – эффективная мощность двигателя трактора, кВт;
Nтр –мощность потерь в трансмиссии, кВт;
Nf – мощность потерь на сопротивление качения, кВт;
Nδ – мощность потерь на буксование, кВт;
Nкр – крюковая мощность трактора, кВт.
Мощность потерь в трансмиссии
(2)
где ƞтр ≈ const - КПД трансмиссии, для заданной передачи можно принять постоянной величиной.
Мощность потерь на сопротивление качения
(3)
где - Pf – сила сопротивления качению, кН;
Vp – рабочая скорость движения МТА, м/с;
mg – вес, передающийся к колесам, кН;
f – коэффициент сопротивления качению, для заданного агрофона можно принять f ≈ const.
Мощность потерь на буксование
, (4)
где Nк – мощность, подведенная к ведущим колесом трактора, кВт;
δ – коэффициент буксования.
Крюковая мощность трактора
, (5)
где Pкр – крюковое усилие трактора, кН.
Крюковое усилие затрачивается на преодоление сил сопротивления качению ППК и сил сопротивления обрабатывающих орудий.
Сила сопротивления качению ППК является переменной величиной, т.к. в процессе работы МТА вносятся семена и удобрения и снижается вес, приходящийся на колеса. Силы сопротивления обрабатывающих орудий можно принять постоянной величиной. В этой связи интерес представляет анализ изменения силы сопротивления качению ППК в процессе посева. Можно представить выражение для определения сил сопротивления качению МТА в определенный момент времени t, который прошел с начала работы после полной заправки ППК.
Полная масса элементов МТА, передающихся на колеса трактора и комплекса ППК, определяется при полной загрузке бункеров
где mтр – эксплуатационная масса трактора, кг;
mППК – эксплуатационная масса почвообрабатывающе-посевной части с бункером ППК, семенами и удобрениями в нем, кг.
Эксплуатационная масса ППК
где mk – конструктивная масса бункерной части ППК, кг.
V1 и V2 – объемы бункеров соответственно семян и удобрений, м3;
ρ1 и ρ2 – плотность семян и удобрений, кг/ м3.
Приняв во внимание, что изменение скорости в процессе посева монотонно возрастает в течение достаточно долгого времени опорожнения бункеров, можно допустить применение уравнение мощностного баланса для установившегося движения без учета потерь мощности на сообщение ускорению МТА. Тогда при условии загрузки двигателя трактора на постоянную мощность (Nе=Nн=const) соответствующую номинальному значению, можно будет определить изменение скорости МТА в течение этого периода.
Из уравнения мощностного баланса можно определить выражение определения текущего значения Vр:
(6)
где q = q1 + q2 – норма внесения удобрений (q1) и семян (q2) на 1 га, кг/га;
B – ширина захвата посевного комплекса.
Путем преобразований из выражения (6) получим
(7)
Выражение (7) представляет квадратное уравнение.
В общем случае можно рассмотреть систему уравнений с граничными условиями (8…12):
Vp = 
; (8)
(9)
(начальные условия) (10)
(опорожнение бункера семян); (11)
(опорожнение бункера удобрений). (12)
Изменение скорости в процессе работы можно определить, взяв производную с выражения (8).
Анализ и обсуждение результатов. Расчетные исследования по разработанной модели проводились для работы МТА в составе трактора К 744 Р2 (двигатель ТМЗ 8481.10) и посевного комплекса Кузбасс –ТПК – 6.1 (рисунок) на второй передаче третьего режима при посеве озимой пшеницы Скипетр с внесением карбамида после двойного дискования стерни рапса с соблюдением условий методики проведения тяговых испытаний (буксование 8%, коэффициент сопротивления качению 9%, иные данные и коэффициенты приняты из источников [8…11]). Расчеты показали уменьшение силы сопротивления качению МТА при работе на 4,3 кН (с 20,4 кН - полная загрузка бункеров до 16,1 кН - опорожнение бункеров). Таким образом в период работы МТА при загрузке двигателя на постоянную мощность и установившемся крюковом усилии (56 кН) будет наблюдаться рост средней скорости движения. Следовательно, будет возрастать производительность МТА. Период изменения (колебаний) условной средней скорости в процессе работы будет соответствовать периоду опорожнения бункеров семян и удобрений. Предварительно проведенное расчетное исследование проведено для рассмотренного выше случая. Для экспериментального подтверждения адекватности предложенных моделей и расчетных схем для следующего этапа исследований разработана программа испытаний.
Выводы. Повышение эффективности использования машинно-тракторного агрегата с почвообрабатывающе-посевным комплексом может проводиться за счет обоснования рациональных эксплуатационных характеристик в зависимости от условий эксплуатации (агрофон, состояние почва, культура, площадь, внос удобрений и пр.) Производительность МТА в течение периода работы не остается постоянной и зависит от средней скорости МТА. Период изменения (колебаний) условной средней скорости в процессе работы будет определяться скоростью опорожнения бункеров семян и удобрений. Расчетные исследования работы МТА в составе трактора К 744 Р2 (дизель ТМЗ 8481.10) и посевного комплекса Кузбасс –ПК–6.1 на второй передаче третьего режима при посеве озимой пшеницы Скипетр с внесением карбамида после двойного дискования стерни рапса показали увеличение средней скорости МТА с 2,58 м/с до 2,73 м/с или на 5,5 %.
1. Evaluation of the efficiency of mechanized technological processes of agricultural production / Gabitov I.I., Mudarisov S.G., Gafurov I.D., Ableeva A.M., Negovora A.V., Davletshin M.M., Rakhimov Z.S., Khamaletdinov R.R., Martynov V.M., Yukhin G.P. // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. Т. 13. № S10. С. 8338-8345.
2. Гольтяпин В.Я. Инновационные технологии прямого посева зерновых культур [Электронный ресурс] : науч. аналит. обзор / В.Я. Гольтяпин .- М. : ФГБНУ "Росинформагротех", 2019 .- 80 с. : ил. - Авт. указан на обороте тит. л.: Библиогр.: с.75-77 .- ISBN 978-5-7367-1518-3 .- Режим доступа: https://lib.rucont.ru/efd/714392
3. Колчина Л.М. Современные комбинированные широкозахватные посевные комплексы / Колчина Л.М. // Техника и оборудование для села. 2012. № 5. С. 15-18.
4. Саитов В.Е. Анализ конструкций энергосберегающих посевных комплексов/ Саитов В.Е. Гатауллин Р.Г. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. №8 (часть 4). С. 85-87.
5. Уткин В.М. Анализ посевных комплексов отечественного производства (РФ) с полосовым внесением удобрений / Уткин В.М., Союнов А.С., Кузьмин Д.Е., Мяло В.В. // В сборнике: Инновационные технологии в АПК, как фактор развития науки в современных условиях. сборник всероссийской (национальной) научно-практической конференции. 2019. С. 433-437.
6. Влагоаккумулирующие технологии, техника для обработки почв и использование минеральных удобрений в экстремальных условиях / Лачуга Ю.Ф., Савченко И.В., Чекмарев П.А., Шогенов Ю.Х. и др. - Рязань, 2014. - 246 с.
7. Двигатели ТМЗ семейства 8481.10 Руководство по эксплуатации 8481.3902150 РЭ продукции [Электронный ресурс]. − Режим доступа: https://www.paotmz.ru/content/files/production/katalogi_instrukcii_2018/rukovodstva/8481_3902150_re_2020_izd_1.pdf (дата обращения: 15.09.2022).
8. Посевной комплекс "КУЗБАСС" ПК-6,1; ПК-8,5; ПК-9,7; ПК-12,2 Инструкция по сборке и эксплуатации. Каталог деталей и сборочных единиц [Электронный ресурс]. − Режим доступа: https://rostagro.com/wp-content/uploads/2021/10/instrukcija-kuzbass.pdf (дата обращения: 15.09.2022).
9. Сайт "Справочник химика 21 века" [Электронный ресурс]. − Режим доступа: https://www.chem21.info/(дата обращения: 15.09.2022).
10. Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля. - М.: Колос, 1996 - 287с.
11. Скотников В.А. и др. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. - М.: Агропромиздат, 1986 -386с.
