Эксплуатационные свойства мобильных агрегатов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
КАЗАХСКИЙ АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ С. СЕЙФУЛЛИНА
Кафедра «Технический сервис»
КОСТЮЧЕНКОВ Н.В., ПЛАКСИН А.М.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
Астана
2010
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. С. СЕЙФУЛЛИНА
Кафедра «Технический сервис»
КОСТЮЧЕНКОВ Н. В., ПЛАКСИН А.М.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
Под редакцией доктора технических наук,
профессора А.М. Плаксина
Рекомендовано Министерством образования и науки
Республики Казахстан в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений по дисциплине «МАШИНОИСПОЛЬЗОВАНИЕ»
Астана
2010
ББК 40.711
К72
УДК 631.372
Эксплуатационные свойства мобильных агрегатов. Учебное пособие/
Костюченков Н. В., Плаксин А. М.; Под ред. А. М. Плаксина.- Астана: КАТУ
им. С. Сейфуллина, 2010.- 204 с.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
В учебном пособии освещены вопросы эксплуатационных свойств машинно-тракторных агрегатов, рассмотрены закономерности изменения показателей энергетических свойств, их связь с технико-экономическими показателями использования агрегатов. Приведены методики расчета энергозатрат, энергетической оценки агрегатов и технологий в растениеводстве.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений по специальностям 050806 - «Агроинженерия», 050120 «Профессиональное образование», 050724 – «Технологические машины и оборудование» дневной и заочной форм обучения по дисциплине «Машиноиспользование».
Данное учебное пособие может быть полезным магистрантам, аспирантам и преподавателям, изучающим и ведущим занятия по специальности, занимающимся курсовым и дипломным проектированием, а также при выполнении
НИР.
Рецензенты:
Фоминых А.В. - докт. техн. наук, профессор КГСА им. Т.С. Мальцева
г. Курган
Абильжынулы Т. - докт. техн. наук, профнессор КАТУ им. С.Сейфуллина
г. Астана
Охотников Б. Л. - канд. техн. наук, профессор УрГСХА г. Екатеринбург
Рассмотрено и рекомендовано к изданию Ученым Советом Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина протокол № 11 от 25 июня
2009 г.
Рекомендовано Министерством образования и науки Республики Казахстан в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по
дисциплине «МАШИНОИСПОЛЬЗОВАНИЕ» № 389/03-3/30 от 05. 02. 2010 г.
ISBN -
 АО «Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина»
Костюченков Николай Васильевич, Плаксин Алексей Михайлович, 2010г.
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность реализации механизированных процессов в растениеводстве определяется наличием ресурсного потенциала, его рациональным использованием. Основу ресурсов сельскохозяйственного производства составляют
земельный фонд, трудовые и энергетические ресурсы. Последние являются основополагающими, так от их количественно-качественного состава и уровня
использования зависит эффективность труда, продуктивность сельскохозяйственных угодий.
Внедрение в растениеводство энергосберегающих технологий предопределяет сокращение затрат энерегоресурсов на единицу выполненной работы и
произведенной продукции. А так как энергетической основой механизированных процессов в растениеводстве являются мобильные машинно-тракторные
агрегаты, то рациональность использования их энергетического потенциала в
конечном итоге обуславливает величину энергозатрат при производстве продукции в растениеводстве.
Машинно-тракторные агрегаты являются энергетической основой механизированных процессов в растениеводстве. Знание энергетических свойств,
закономерностей изменения показателей этих свойств при эксплуатации агрегатов в различных природно-климатических и организационно-экономических
условиях, умение применять эти знания в практической деятельности инженера
позволяют: комплектовать машинно-тракторный парк сельскохозяйственного
предприятия машинами, адаптированными к зональным технологиям возделывания и уборки с.-х. культур; рассчитывать и формировать состав парка машин
исходя из потенциальных энергетических показателей; планировать расход топлива на заданный объем полевых работ, определять причины его перерасхода
и пути сокращения потерь при реализации механизированных процессов.
Таким образом, знание энергетики машинно-тракторных агрегатов, закономерностей изменения энергетических показателей при их эксплуатации,
взаимосвязи энергетических свойств МТА и выходных параметров процессов
производства продукции растениеводства является инженерной основой повышения эффективности с.-х. производства, в т.ч. по критерию энергосбережения.
Поэтому в данном пособии большое внимание уделено вопросам энергетики
современных машинно-тракторных агрегатов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности бакалавриата 050806 - «Агроинженерия», 050120 «Профессиональное
образование», 050724 – «Технологические машины и оборудование»; оно может быть полезно магистрантам, аспирантам, преподавателям, инженерам сельскохозяйственного производства.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
Механизированные процессы производства продукции
растениеводства
Глава 1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
1.1 Взаимосвязь составляющих механизированного процесса и
показателей его эффективности
Растениеводство и животноводство являются базовой отраслью агропромышленного комплекса страны, основным источником обеспечения населения
продуктами питания, а перерабатывающей промышленности – соответствующими видами сырья. Уровень эффективности механизированных процессов является главным фактором, определяющим количественно-качественные показатели производства продукции растениеводства и удельные (на единицу продукции) затраты ресурсов – энергетических, трудовых и финансовых. При изучении взаимосвязи этих ресурсов установлено приоритетное, определяющее
влияние энергетических ресурсов не только на трудоемкость и себестоимость
продукции, но и в целом на конечные показатели сельскохозяйственного производства.
Такая значимость энергоресурсов обусловлена особенностью производственных процессов в растениеводстве, где предметом труда является живая
природа – почва и растения. Их рассредоточенность в пространстве предопределяет мобильность средств труда (машинно-тракторных агрегатов), а свойственные живой природе закономерности биологического развития – агротехническую упорядоченность во времени, ограниченную продолжительность воздействия рабочих органов машин на почву и растения в соответствующих условиях. Соблюдение этого требования механизированного производства продукции растениеводства и высокое качество выполнения технологических операций являются важнейшим условием повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Мобильность машинно-тракторных агрегатов предопределяет большую величину энергозатрат на единицу выполненной работы и на весь
объем механизированных работ по возделыванию и уборке сельскохозяйственных культур по сравнению со стационарными средствами механизации
Отношение общих энергозатрат к количеству (с учетом качества) продукции растениеводства и будет конечным показателем, по которому оценивается
эффективность реализации механизированных технологий с точки зрения энергосбережения при производстве сельскохозяйственной продукции. Поэтому
под энергосберегающими технологиями производства продукции растениеводства следует понимать не уменьшение общего количества энергозатрат на возделывание и уборку сельскохозяйственных культур, а возможный и экономически целесообразный минимум энергозатрат на единицу продукции.
4
Главная задача изучения энергетики механизированных процессов, машинно-тракторных агрегатов при взаимодействии с обрабатываемой средой –
раскрытие взаимосвязи энергозатрат и количественно-качественных показателей производства продукции растениеводства в конкретных природноклиматических условиях. Это агроинженерный фактор энергосберегающих
технологий.
Знание закономерностей изменения энергозатрат при работе машиннотракторных агрегатов в зависимости от их состава и технологического назначения, режимов использования и физических процессов воздействия рабочих органов машин на почву, растения является аспектом инженерной деятельности.
Решение первой задачи позволяет проектировать механизированные процессы, определять состав комплексов и в целом машинно-тракторного парка
при производстве продукции растениеводства на основе использования энергетически эффективных машинно-тракторных агрегатов. А это возможно только
при четком представлении взаимосвязи параметров энергетического средства с
энерготехнологическими параметрами рабочей машины.
Механизированный процесс есть совокупность трех основных составляющих: предмета труда (почва, растения, материалы и др.), средств труда
(тракторы, рабочие машины, агрегаты в целом, удобрения и др.), непосредственно живого труда (механизаторы, ремонтно-обслуживающие рабочие, вспомогательный персонал и др.).
Уровень развития сельскохозяйственного производства, в частности отрасли растениеводства, определяется эффективностью функционирования механизированных процессов. Главной целью их реализации является получение
продукции необходимого количества и качества при одновременном минимально возможном уровне затрат овеществленного и живого труда и как следствие – получение прибыли. Главным показателем эффективности механизированных процессов является производительность общественного труда:
П
Q пр  К пр
Тж  То
 А,
(1.1)
где П, А – производительность общественного труда, необходимая и плановая
соответственно, ед.пр./чел.-ч; Qпр, Кпр – количество и качество продукции; Тж,
То – затраты живого и овеществленного труда соответственно, чел.-ч.
При заданном объеме механизированных работ ресурс труда Рк определяется количеством основных и вспомогательных рабочих (рисунок 1.1). Технико-технологический ресурс Ртт (средства производства) обуславливается количеством МТА, их потенциалом и технологической способностью. Ресурс предмета труда какого-либо производственного процесса возделывания или уборки
сельскохозяйственных культур зависит от биологического потенциала сельскохозяйственной культуры Бп и природно-климатических условий Рпк.
От взаимодействия трудового и технико-технологического ресурсов механизированного процесса зависит фактические сроки проведения технологических операций, их качество. Результатом механизированного процесса в растениеводстве являются количество продукции определенного качества, затраты
5
денежных средств, живого труда, а также энергетические затраты. Используя
эти показатели, можно определить основной показатель эффективности реализации механизированных процессов – прибыль.
Исследование аналитической связи показателей эффективности механизированного процесса с его составляющими показывает следующее. На первом
этапе механизации производственных процессов в растениеводстве (1930-1950
гг.)даже относительно малое количество МТА позволяло резко сокращать затраты живого труда, что при неизменной урожайности сельскохозяйственных
культур (то есть без роста количества продукции), значимо увеличивало производительность труда. Однако в дальнейшем (условно второй этап 1960-1980
гг.) количественный и качественный рост технико-технологического ресурса
(без существенного роста объемов продукции) не приводит уже к пропорциональному сокращению затрат живого труда. Соответственно замедляются темпы прироста производительности труда. Очевидно, что эффективность экстенсивного (за счет количественного роста технико-технологического потенциала)
пути ее увеличения была в основном исчерпана и потребовался переход к интенсивно-экстенсивному пути. Его особенность заключается в том, что прироста объемов продукции растениеводства добиваются в основном за счет более
полного использования биологического и природно-климатического ресурсов,
то есть не столько количественным и качественным увеличением средств механизации, сколько повышением урожайности сельскохозяйственных культур.
Рисунок 1.1 – Схема взаимосвязи параметров механизированного процесса с показателями его эффективности: П – производительность общественного
труда; Сi, Тi , Эi – затраты денежных средств, труда, энергии; Fi, Пi – площадь
возделывания культуры и количество операций технологии; Ni, Nj – количество
рабочих j-й квалификации, i-х агрегатов соответственно; Wаi – потенциальная
производительность МТА; Рк, Ртт, Рп-к – ресурсы трудовые, техникотехнологические, природно-климатические соответственно
6
Переход к третьему этапу развития механизированных производственных
процессов в растениеводстве (этапу интенсификации) потребует существенного, принципиального изменения их количественно-качественных параметров и
показателей реализации.
Выходные показатели механизированных процессов определяются не
только, а нередко не столько содержанием их составляющих и внешних воздействий, сколько их внутренней взаимосвязью и закономерностями изменения.
Если фактические результаты процесса отличаются от нормативных в худшую
сторону, то причиной могут быть:
1) несоответствие содержания составляющих процесса цели, ограничения и условия его реализации;
2) непознанность сущности, внутренней и внешней, взаимосвязи составляющих механизированного процесса;
3) несоответствие внутреннего содержания процессов управления, и
обеспечения работоспособности МТА составляющим механизированного процесса, цели и показателям эффективности его реализации;
4) существенное изменение погодных условий, что нередко бывает при
проведении механизированных процессов в зоне рискованного земледелия.
1.2 Влияние продолжительности и качества выполнения технологических операций на урожайность сельскохозяйственных культур
При выборе сроков проведения работ в земледелии человек должен
обязательно учитывать закономерности живой природы, которая устанавливает время начала и окончания каждой технологической операции, то есть ее
продолжительность. Количество и качество урожая в огромной степени зависят от того, будет ли начата или закончена та или иная операция в определенный, агротехнически оптимальный срок.
Безусловно, на урожайность сельскохозяйственных культур влияет
множество факторов технико-технологического, организационного, экономико-социального плана, но главными являются сроки (начало и продолжительность) и качество технологических операций.
Изменение сбора продукции U с единицы площади в зависимости от календарного срока выполнения работы Др для большинства технологических
операций имеет характер кривых высшего порядка с выраженным максимумом,
соответствующим оптимальному сроку. Для некоторых процессов характерны
наклонные кривые (в отдельных случаях прямые), не имеющие выраженной
точки перегиба. Однако во всех случаях, чем меньше срок выполнения операции, тем выше сбор продукции (рисунок 1.2).
Выпуклые кривые, полученные экспериментальным путем, отражают
влияние сроков посева и уборки зерновых на урожайность. Прямая с отрицательным значением углового коэффициента характерна для вспашки, культивации, лущения стерни. Прямая с положительным значением углового коэффициента характерна для процессов уборки корнеплодов.
7
На основе многочисленных данных агротехнических учреждений установлены аналитические связи между продолжительностью работ и урожайностью, в частности коэффициенты учета потерь урожая Кu. Его значения находятся в пределах 0,0005…0,0009 для операций посева и 0,0009...0,001 - для уборочного процесса.
Многочисленные данные, характеризующие влияние сроков проведения
полевых работ на урожайность в различных зонах страны, подтверждают приведенные закономерности. Так, во многих районах страны сроки выполнения
сельскохозяйственных работ превышают оптимальные в два-три раза, низко качество их проведения. В результате недобор зерна ежегодно составляет 15…20
млнт, картофеля и корнеплодов – 30…50%.
Если уборка зерновых культур в течение первых пяти суток от начала
полной спелости проходит без значительных потерь, то уборка после 10 суток
ведет к потерям 18…20% урожая, а в более поздние сроки (через 15...20 суток)
потери, составляют треть урожая. Величина потерь зависит также от уровня
урожайности. Например на 12-й день уборки, при урожае 20 ц/га потери составили 10%, при урожае 32,7 ц/га - 17,5%. Задержка с обмолотом валков резко
ухудшает качество зерна, снижая показатели всех его признаков: массы 1000
зерен, клейковины, белка, стекловидности. Нарушения сроков уборки стали одной из основных причин снижения качества зерна в зонах рискованного земледелия - на Урале, в Сибири, на Алтае.
Рисунок 1.2 – Изменение урожайности сельскохозяйственных культур
в зависимости от сроков проведения технологической операции
По рекомендациям научных учреждений вспашку зяби необходимо проводить за 12 суток, фактически же она продолжается в среднем 25...40 суток.
8
Это приводит к недобору урожая 2...3 ц/га. Сев зерновых продолжается 7...15
суток вместо 3...5 по оптимальным срокам, что снижает урожайность на 3...5
ц/га. По данным Уфимской опытной станции, урожай яровой пшеницы, посеянной по зяби, поднятой 10 сентября, составил 26 ц/га, по зяби, поднятой 10 октября - 15,6 ц/га. Посев через 10 суток после оптимального срока обусловил недобор урожая на 25...30%, через 20 суток – примерно 50%. Таким образом, для
районов недостаточного увлажнения выполнение работ в оптимальные сроки
имеет особое значение.
Одним из важнейших факторов, способствующих повышению урожайности сельскохозяйственных культур, при сложившихся технологии и агроприемах по улучшению плодородия почвы, является качество выполнения полевых
операций.
Специальные опыты показали прямую связь между качеством механизированных работ и конечными результатами производства - количеством и себестоимостью продукции. Низкое качество выполнения технологических операций приводит к снижению урожайности зерновых культур до 39%.
Снижение качества предпосевной обработки почвы и посева уменьшает
количество взошедших растений в 2,0...2,5 раза. Неудовлетворительное качество совокупности технологических операций (пахоты, культивации, боронования) снижает урожайность зерновых до 40%. Нарушения требований агротехники на посеве и посадке различных культур вызывают еще большие потери урожая.
Характер влияния качества выполнения операций на затраты средств
при возделывании сельскохозяйственных культур и потери в денежном выражении, к которым относится недобор урожая, показан на рисунке 1.3, где
для наглядности выделены зоны А и Б. В зоне А превалируют потери, в зоне
Б – затраты на производство работ при заданном качестве. В настоящее время
характер производственных процессов в растениеводстве относится к зоне А.
Рисунок 1.3 – Связь затрат и потерь средств с качеством выполнения
технологических операций: 1 – потери, 2 – затраты
Требования к качеству операций формируются в виде технологических
показателей, представляющих собой обязательные нормативы качества. По
9
многочисленным замерам, несоблюдение агротребований по отдельным операциям составляет от 20...30 и более %. В целом же выше 50% механизированных операций в растениеводстве выполняется с отклонениями от агротехнических требований.
Показатели продолжительности и качества выполнения технологических операций в растениеводстве в значительной мере зависят от уровня использования энергетических свойств МТА, их технико-экономических показателей и технологической работоспособности.
1.3 Энерготехническая оснащенность сельскохозяйственного производства
Для выявления взаимосвязи уровня энерготехнической оснащенности
сельскохозяйственных предприятий, энерговооруженности труда и производства сельхозпродукции в России, Казахстане и некоторых зарубежных странах
рассмотрим статистические данные.
Известно, что энергообеспеченность на 100 га пашни составляет: в США
и Великобритании (начало XXI века) 405 кВт, во Франции – 364; в России примерно 180 кВт.
Энерговооруженность одного работника, занятого в сельском хозяйстве,
составляет: в США – 105, Великобритании – 40, во Франции – 45 кВт. В России
энерговооруженность в настоящее время составляет около 20 кВт.
На 1000 га пашни приходится тракторов в США 35, Великобритании – 86,
во Франции – 85. В России в конце 80-х в среднем на 1000 га пашни приходилось 10 единиц, что даже тогда было вдвое ниже минимальной нормы. Интенсивное снижение количество техники в течение последних 15 лет, при коэффициенте обновления основными машинами 0,6…1,5% в год, привело к сокращению парка машин в 2…3 раза (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 – Численность тракторного парка
10
Зерноуборочных комбайнов на 1000 га посевов имелось: в США – 16, во
Франции – 19, Великобритании – 13, в России и Казахстане около четырех.
В России средняя нагрузка на трактор составляет 120 га, на зерноуборочный комбайн – 400 га; в США соответственно 30 и 80 га, Англии – 13 и 65, во
Франции 12 и 63, Германии – 8 и 67 га. При этом нужно иметь в виду, что мощность единичная и уровень безотказности этих машин в России в большинстве
случаев в 2,0…2,5 раза ниже, чем за рубежом.
Проведение сельскохозяйственных работ не только в лучшие, но даже в
относительно подходящие агротехнические сроки стало невозможным. По этим
причинам Россия теряет не менее 30% потенциально возможного урожая сельскохозяйственных культур. А это лишь по зерну составляет не менее 120 млрд
рублей.
Расчет (прогноз) потребного парка, проведенный на основе оптимизированных данных по растениеводческим подразделениям модельных хозяйств
(ВИМ) показал следующее. Для эффективного использования 130 млн га пашни
Россия должна располагать парком 2600 тыс. тракторов, из которых 150 тыс.
шт. требуется для обслуживания животноводства и 2450 тыс. шт. для растениеводства (включая 873 тыс. для фермерских хозяйств и 150 тыс. шт. для МТС). В
России 600 тыс. фермерских хозяйств; средний размер пашни 59 га (общая
площадь пашни 35 млн га). Их потребность в тракторах должна быть скорректирована с учетом уточненной оценки перспектив развития фермерского сектора.
Однако фактически структура парка тракторов далеко не соответствует
оптимальной (рисунок 1.5). Наличный парк обеспечивает потребности сельского хозяйства по различным моделям от 12,8 (универсальные тракторы 0,6) до
54% (колесные общего назначения кл. 3) при средней обеспеченности 31,8 %.
Удельные показатели тракторооснащенности по крупным хозяйствам сегодня в
2,5 раза, по фермерским в 1,7 раза ниже требуемых. Поэтому многие технологические операции выполняются по упрощенным технологиям с нарушением
агротребований, с высокими энергетическими, трудовыми и финансовыми затратами.
Парк практически не пополняется высокопроизводительными гусеничными тракторами типа ДТ-175С и Т-150. Именно эти тракторы являются основными при выполнении весенних полевых работ, как обеспечивающие в составе полевых МТА агротехническое качество операций и сохраняющих близкие к естественному состоянию показатели и характеристики почв. В последующем предопределяет это сохранение плодородия почвы и повышение урожайности сельскохозяйственных культур (таблица 1.1).
11
Таблица 1.1 – Изменение урожая зерновых и кормовых культур при использовании в посевном агрегате различных тракторов
Трактор в агрегате с тремя сеялками
Т150ПГ
ТДТТ-150К со
К-700 со
Показатель
150УВ
75М Т-150К сдвоенными К-700 сдвоенными
ДТТ-74
колесами
колесами
157С
Т150КШ
Давление на
80
160
180
136
200
135
почву, кПа
Урожайность,
100
90,3
82,6
85,5
76,9
84,2
%
Недостаточное количество тракторов (по причине отсутствия финансовых средств у товаропроизводителей сельскохозяйственной продукции) предопределило их эксплуатацию сверх амортизационного срока (из них 70% МТЗ
80/82 и ДТ-75). Практически более 80 % парка составляют базовые модели с
возрастом 15 и более лет (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 – Структура парка сельскохозяйственных тракторов
Снижение количественного состава тракторного парка корреспондируется с уменьшением площади пашни со сдвигом 4-5 лет (рисунок 1.6). Таким образом, темп сокращения пахотного клина уже задан пять лет назад и в ближайшее время может составить 8…10 млн га в год.
Прослеживается еще одна закономерность (рисунок 1.7): превалирующее
снижение численности тракторного парка в регионах с наиболее продуктивной
пашней.
12
Рисунок 1.6 – Относительное изменение в количественном составе тракторного парка Т и площади пашни П
Рисунок 1.7 – Взаимосвязь обеспеченности регионов тракторами и продуктивности пашни
Мало того что происходит количественное уменьшение парка мобильных
машин, к тому же вновь поставляемая техника имеет существенные технические недостатки. Тракторы, самоходные машины отстают от лучших моделей
мирового уровня по таким важнейшим показателям, как расход топлива и масла, комфортность труда, экологичность, уровень автоматизации, надежность,
применение информационных устройств, стабильность показателей по мощности и удельному расходу топлива. Например, у трактора К-744 масло в двигателе нужно заменять при каждом ТО-1, т.е через 125 мото-ч. Такого низкого показателя периодичности замены масла не было и нет даже у большинства отечественных тракторов (периодичность замены масла через 240 и более мото-ч.),
не говоря о лучших зарубежных образцах.
У росийских лучших моделей наработка на отказ составляет 200 моточасов, то машин таких фирм, как John Deere и Case, она достигает 600 – 700 мото-часов и выше. А безотказность зарубежных зерноуборочных комбайнов в 10
раз и более выше по сравнению с безотказностью отечественных машин.
У большинства отечественных тракторов как общего назначения, так и
универсально-пропашных допустимые нормы воздействия на почву превышены в полтора – три раза. Отмеченные низкие экологические показатели приво13
дят к снижению эффективного и потенциального плодородия почв и потере
15…20% урожая, снижению экологических качеств продукции.
В результате ухудшения экономического положения сельскохозяйственных предприятий количество машин в них, по разным оценкам, сократилось на
25…35%. Наличие техники составляет менее 50% минимальной потребности.
Большинство машин эксплуатируются за пределами сроков амортизации, и показатели их надежности очень низки. До 30% оставшихся в хозяйствах тракторов и 40% зерноуборочных комбайнов простаивают из-за технических неисправностей в напряженные циклы проведения полевых работ.
За период реформ из-за спада энерготехнической оснащенности села
практически прекратилось прогрессивное развитие производственных процессов в растениеводстве и животноводстве. В результате производительность общественного труда в отрасли ниже в 8…10 раз, энергозатратность продукции
выше в 4…5 раз, трудозатратность выше в 10…12 раз, чем в странах с индустриально развитым хозяйством.
1.4 Использование энергоресурсов в сельском хозяйстве
Энергоемкость российского валового внутреннего продукта в 10 раз выше японского. Потери энергии в России составляют до 40% всего потребления,
или 400 млн т условного топлива в год. Это сравнимо с объемом всей экспортируемой из России нефти или выработкой 100 крупных ТЭЦ.
В аграрном секторе расходуется около 3,5% энергии мирового потребления. В зависимости от величины аграрного сектора эта доля изменятся от 3 до
6%. Расход энергии на единицу земель с.-х. назначения зависит от уровня механизации, площадей, занятых под пахотными землями и многолетними культурами, интенсивности с.-х. производства, а также окружающей среды (климата, почвы и др.). Например, интенсивные системы и большая доля пахотных
земель и земель, занятых под постоянными культурами, в Японии привели к
большим расходам энергии на 100 га земель с.-х. назначения. Но за счет высокой урожайности культур расход энергии на единицу произведенной продукции минимален (таблица 1.2).
Особенности использования топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве обусловлены сезонным характером и территориальной рассредоточенностью производства, преобладанием мобильных процессов, что вызывает необходимость высокой энергообеспеченности производства с целью оптимизации сроков и условий выполнения технологических процессов.
14
Таблица 1.2 – Расход энергии в сельском хозяйстве и ее цены
Расход энергии
Цены
Процент
ТДж
от обна 1 тыс.
щего
1 кг ди1 кВт
на 100
Регионы (страны)
долл.
потреб- га с.-х.
зельного электроСША вале-ния
топлива энергии
назналового
энергии
чения
продукта
Индустриальные страны
4,4
0,40
13,0
0,319
0,040
(размер хозяйства превышает 100 га с.-х. угодий): Канада, США, Австралия, Новая Зеландия, Южная Африка
Страны индустриальные с малыми фермами:
Япония;
1,0
2,86
2,6
0,840
0,150
Европа и Израиль
3,0
1,64
129
0,649
0,069
Центральная и Восточ7,4
1,36
33,1
0,401
0,037
ная Европа
Россия
7,0
0,73
49,2
0,400
0,050
Анализ распределения затрат энергии по отраслям сельхозпроизводства
показывает, что свыше 55 % топливно-энергетических ресурсов (в том числе
72% моторного топлива) используется в растениеводстве. По расчетам специалистов, в каждой тонне зерна воплощен расход 34 кг дизельного топлива, в
тонне картофеля – 20 кг, зеленой массы однолетних трав – 4 кг. Доля энергозатрат в себестоимости с.-х. продукции возросла с 3…8 до 10…20%, а по некоторым видам – до 30…50% и более (продукция тепличных хозяйств и птицефабрик).
Вместе с тем в сельскохозяйственном производстве имеются значительные резервы сокращения затрат за счет совершенствования технологий и рационального использования энергетического потенциала МТА, экономии топлива и финансовых затрат на его потребление.
На один процент прироста валовой продукции земледелия сегодня затрачивается 3…4% энергоресурсов, следовательно, характер их потребления остатется высокозатратным. Повышение производства продукции сельского хозяйства до необходимых объемов требует увеличения потребления энергоресурсов
в 2,0…2,5 раза. Несбалансированная материально-энергетическая основа сегодняшнего сельскохозяйственного производства не может обеспечить достаточный уровень интенсивности и темпов приращения продукции.
Увеличение производства сельскохозяйственной продукции в условиях
ограниченного обеспечения нефтепродуктами возможно только при удовлетворении возрастающей потребности в топливе (на 75…80 %), в том числе путем
15
его экономии, что позволит сократить энергозатратность конечной продукции в
1.4 раза.
Следует обратить особое внимание на недостатки использования энергетических средств мобильных агрегатов в растениеводстве. Исследованиями установлено, что средняя загрузка двигателя трактора типа МТЗ-80 не превышает
60% при средней скорости 7.7 км/ч, а загрузка двигателей трактора К-701 в составе пахотного агрегата – 50%, что ведет в конечном счете к перерасходу топлива до 3000 кг/год на каждый трактор. Учитывая перспективы технического
переоснащения МТП в сельском хозяйстве машинами (тракторы, комбайны) с
повышенной единичной мощностью двигателей, можно сказать, что более актуальным становится вопрос рационального комплектования и выбора режимов
использования МТА.
16
Глава 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ, МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
2.1 Классификация производственных процессов
Использование машин в сельском хозяйстве обусловлено рядом особенностей:
а) предметом труда в растениеводстве являются почва, растения, что предопределяет рассредоточенность МТА на значительной земельной площади (в
пространстве); выполнение технологических операций мобильными агрегатами;
б) процессы сельскохозяйственного производства по времени не могут
распределяться произвольно, они должны выполняться в строго определенные,
оптимальные агротехнические сроки, зависящие от времени года и почвенноклиматических условий, места расположения сельскохозяйственного предприятия, биологических особенностей возделываемых культур;
в) процессы почвообработки, посева, ухода за растениями, уборки с.-х.
культур тесно связаны с живой средой и организмами, состояние которых во
времени не остается постоянным, а непрерывно изменяется, подчиняясь биологическим закономерностям развития. В этом сельское хозяйство существенно
отличается от других видов производства, при которых объектом воздействия
машин является неживая природа.
Сельскохозяйственное производство характеризуется многообразием
процессов и операций.
Производственный процесс - последовательная смена взаимосвязанных
производственных операций, посредством выполнения которых исходный
предмет труда переходит в иное, конечное или промежуточное, качественное
состояние.
Все производственные процессы можно разделить на подвижные и стационарные
Подвижные процессы характеризуются перемещением МТА по полю; к
ним относятся: полезащитные мероприятия; обработка почвы; посев-посадка;
уход за растениями; уборка урожая; транспортный процесс.
Стационарные процессы выполняются в заранее отведенных местах: на
токах, у силосных траншей, в помещениях и т.д.
В зависимости от затрачиваемой энергии и технического уровня применяемых средств производства различают механизированные (с использованием
механических двигателей), электрифицированные и автоматизированные процессы и операции.
Производственная операция – часть производственного процесса. Под
нею понимается определенный способ и технические средства, которыми выполняется то или иное воздействие на обрабатываемый предмет (например,
вспашка, боронование, транспортировка семян).
Производственные операции подразделяются на три технологические,
транспортные и вспомогательные.
17
Технологические производственные операции являются основными,
они тесно связаны с изменением качественного состояния обрабатываемого материала.
Транспортные операции взаимосвязаны с технологическими производственными операциями; как правило, это перемещение материала без изменения его состояния.
Вспомогательные операции сопутствуют или предшествуют технологическим, транспортным операциям (подготовка полей, техническое обслуживание машин, погрузочно-разгрузочные работы, заправка сеялок семенами и др.).
Перспективной целью технического оснащения сельского хозяйства является всесторонняя механизация процессов производства продукции.
Первым этапом всесторонней механизации является комплексная механизация, при которой основные производственные процессы по возделыванию
и уборке данной культуры, транспортные и вспомогательные операции выполняются с начала и до конца производственного цикла в определенной последовательности, технологически связанными машинами и механизмами.
Всесторонняя механизация представляет собой наиболее высокий этап
развития механизации, при котором комплексная механизация охватывает возделывание всех культур, все отрасли сельскохозяйственного производства.
2.2 Энергетические средства растениеводства
Энергетические средства с.-х. производства подразделяются на подвижные, ограниченно-подвижные и стационарные.
К подвижным энергетическим средствам относятся тракторы, самоходные шасси, самоходные моторизованные машины (мотокультиваторы, комбайны), автомобили, живая тягловая сила (лошади, волы и др.).
Ограниченно-подвижными средствами являются канатно-тракторные и
электротракторные системы тяги.
Стационарными средствами служат разного рода электрические и тепловые установки и двигатели, а также ветряные и гидравлические двигатели.
При всем разнообразии используемых энергетических средств основной
энергетики сельского хозяйства остаются тракторы и самоходные шасси.
Современные с.-х. тракторы подразделяются на машины общего назначения, универсально-пропашные, садово-огородные и специального назначения.
Тракторы общего назначения применяются на вспашке, культивации, бороновании, посеве, уборке и лущении.
Универсально-пропашные средней и малой мощности с высоко расположенной рамой предназначены в основном для междурядной обработки пропашных культур, выполнения транспортных операций.
Стационарные двигатели и установки различают по типу используемого топлива: бензиновые, керосиновые, дизельные и работающие на других видах топлива, жидкого и твердого (двигатели, котлы, теплогенераторы, агрегаты
для приготовления травяной муки и т.д.).
18
2.3 Система машин в растениеводстве
Материально-технической основой комплексной механизации является
система машин.
Система машин – это совокупность (комплексный набор) взаимоувязанных по технологическому процессу и производительности разнородных машин,
обеспечивающих всестороннюю (комплексную) механизацию всех производственных процессов единого завершенного технологического цикла производства.
В связи с разнообразием технологических требований и естественных
производственных условий различают следующие составляющие общей системы машин:
- комплексы (наборы) машин для возделывания отдельных сельскохозяйственных культур;
- частичные системы машин, механизирующие какой-либо производственный процесс (уборку зерновых, картофеля, обработку почвы);
- системы машин для комплексной механизации отрасли сельскохозяйственного производства (полеводства, садоводства, животноводства);
- зональные системы машин для комплексной механизации производственных процессов в данной сельскохозяйственной зоне.
Система машин должна обеспечивать: строгое соблюдение технологии;
выполнение всех работ в лучшие агротехнические сроки с наименьшими затратами труда и средств; улучшение условий труда; увязка машин и орудий системы между собой и с энергетическими средствами (тракторами или самоходными шасси) по производительности, габаритам и другим показателям; возможности эффективной механизации всех работ в хозяйствах с различными природнопроизводственными условиями.
Новая техника для сельского хозяйства нашей страны создается на основе
проектов перспективных систем машин, с участием исследовательских институтов, специалистов сельскохозяйственных предприятий, что позволяет учесть
требования к машинам во всех зонах.
Система машин для сельскохозяйственного производства непрерывно совершенствуется на основе достижения науки, техники и передового опыта.
Важнейшие направления совершенствования системы машин сводятся к следующему:
- комбинирование машин в одном агрегате с целью одновременного выполнения технологически-разнородных работ;
- универсализация машин – цель сократить число машин в системе;
- увеличение мощности машин и агрегатов с целью повышения производительности труда благодаря более высокой его энерговооруженности;
- уменьшение числа рабочих, обслуживающих агрегат (применение навесной системы агрегатирования, гидравлического и автоматического управления механизмами агрегата);
19
- замена отдельных частей систем машин на качественно новые (например, внедрение химических способов борьбы с помощью гербицидов);
- качественное совершенствование отдельных типов машин, их рабочих
органов, структуры системы в целом (повышение надежности, экономичности).
2.4 Классификация МТА
Механизированные процессы в сельскохозяйственном производстве выполняются машинными агрегатами. Каждый машинный агрегат представляет
собой сочетание энергетической части (одного или нескольких двигателей), передаточного механизма (силовой передачи, преобразователя одного вида энергии в другой) и рабочих машин.
Понятие «машинно-тракторный агрегат» происходит от слова traction –
тянуть, перемещать, а не от слова «трактор», который не обязателен в составе
каждого агрегата (например, агрегат: комбайн – измельчитель соломы – транспортный прицеп для ее сбора).
Сельскохозяйственные агрегаты классифицируют по основным эксплуатационным признакам следующим образом:
1) по способу производства работ – мобильные и стационарные;
2) по виду источника энергии (двигателя) – с тепловым двигателем
(механические ) и с электрическим двигателем (электрифицированные);
3) по составу рабочих машин и числу одновременно выполняемых
сельскохозяйственных работ – одномашинные, комплексные, комбайновые и
универсальные;
4) по числу машин в агрегате – одно -и многомашинные;
5) по расположению машин в агрегате относительно продольной оси
агрегата – симметричные и асимметричные;
6) по способу соединения рабочих машин с источником (преобразователем) энергии – прицепные, полунавесные, навесные;
7) по способу привода рабочих органов машины – с приводом от двигателя трактора (самоходное шасси, от ВОМ), от опорно-ходовых колес машин,
от собственного двигателя (мотокультиваторы);
8) по расположению рабочих машин в агрегате относительно тяговой
машины и водителя - с передним, задним, боковым и смешанным расположением;
9) по виду выполняемых сельскохозяйственных работ – пахотные, посевные (посадочные), транспортные и т.д.;
10) самоходные агрегаты – энергетическая часть, передаточное устройство и рабочая машина конструктивно объединены в одно целое.
2.5 Эксплуатационные свойства МТА
Эксплуатационные свойства (или характеристики) агрегатов складываются из свойств рабочих (сельскохозяйственных) машин, свойств энергетической
20
части агрегатов (тракторов, самоходных шасси, двигателей самоходных агрегатов) и свойств, обусловленных сочетанием машин (сцепка, вспомогательное
устройство и т.д).
По эксплуатационным свойствам различают агротехнологические,
энергетические, технико-экономические, технические, маневровые, эргономические агрегаты.
Агротехнологические свойства агрегатов обеспечивают выполнение
технологической операции. К ним относятся предусмотренные конструкцией
машин технологическая способность, предельные технологические параметры,
предельно допустимые по условиям качества работы скорости движения, допустимые потери, объем технологических емкостей и т.д. В ЭМТП эти свойства
играют решающую роль при выборе необходимых для данной операции и данных условий рабочих машин и агрегатов.
Энергетические свойства машин – это их способность развивать определенную мощность двигателей и тяговую силу (для тракторов и самоходных
машин) или потреблять при работе определенную механическую энергию (сопротивление машин).
В процессе комплектования агрегатов энергетические свойства имеют
решающее значение при определении количественного состава машин в агрегате, при выборе эксплуатационных (в частности, скоростных) режимов работы
и т.п.
Технико-экономические свойства агрегатов характеризуются такими
показателями, как производительность, затраты труда, денежных средств, топлива и т.д. К этим свойствам часто относят металлоемкость и энергозатратность, не выделяя их в отдельную группу свойств.
Технические свойства машин и агрегатов обусловлены главным образом
их надежностью (безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью), а также другими техническими показателями – весом, формой,
массой и т.д. Эти свойства необходимо учитывать в первую очередь при организации технической эксплуатации машин.
Маневровые свойства агрегатов – это их поворотливость, устойчивость
движения, удельное давление движителей на почву, приспособленность к
транспортированию и.т.д. Маневровые свойства следует учитывать при выборе
агрегатов для конкретных условий использования.
Эргономические свойства машин и агрегатов определяют санитарнофизиологические условия труда, удобство обслуживания, безопасность труда,
эстетические показатели и т.д.
21
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
Общая энергетика агрегатов
Глава 3 ДИНАМИКА МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА
3.1 Уравнение движения агрегата
Основным видом средств выполнения механизированных процессов
(операций) в растениеводстве являются мобильные сельскохозяйственные агрегаты, реализация потребительских свойств которых происходит в процессе их
движения по полю. Энергетическое средство (двигатель и передаточные механизмы энергии от него к рабочим машинам) является ведущим звеном агрегата,
рабочая машина – ведомым. Энергетическую основу растениеводства в настоящее время составляют тракторы – энергетические средства с приводом от
двигателя на ведущие колеса (звездочки). К ним присоединяются (прицепляются или навешиваются) рабочие машины.
Если на ведущее звено агрегата постоянно или переменно устанавливаются различные по технологическому назначению рабочие машины (рабочие
органы), то такой агрегат называется самоходным шасси. Сюда относятся зерно- и кормоуборочные комбайны. Смешанный агрегат имеет часть навесных,
часть полунавесных или прицепных рабочих машин, например, зерноуборочный комбайн с измельчителем соломы и прицепом для ее сбора.
В зависимости от способов передачи энергии от двигателя к рабочим машинам МТА подразделяются на тяговые, тягово-приводные и приводные.
У тяговых агрегатов эффективная мощность двигателя реализуется через
крюк или другой тяговый орган типа навесного устройства. Частный случай тягового агрегата – тракторный транспортный агрегат.
У тягово-приводного агрегата полезная мощность (эффективная мощность, мощность гидро- и электропривода и др.) одновременно реализуется через тяговый орган и валы отбора мощности (ВОМ), гидромоторы или электродвигатели; пневмоприводы. Тягово-приводные агрегаты с одновременной передачей части эффективной мощности ДВС непосредственно к рабочим органом все шире используются при выполнении технологических процессов в растениеводстве: уборки кормовых культур и корнеплодов прицепными комбайнами; основной обработки почвы орудиями с активными рабочими органами
(плуги, культиваторы, фрезы); разбрасывании минеральных и органических
удобрений и др.
Оригинальными тягово-приводными агрегатами с электроприводом рабочих органов являются электрифицированный мобильный технологический агрегат модульного типа и электрифицированный агрегат для уничтожения сорняков (разработаны в ЧГАУ).
В приводных мобильных агрегатах полезная мощность двигателя реализуется на передвижение самоходной машины и привод рабочих органов уста-
22
новленных на ней технологических машин. К таким агрегатам относятся зернокормоуборочные комбайны.
Таким образом, очевидно, что структура энергозатрат, закономерности их
изменения в процессе использования МТА зависят от вида и назначения мобильных агрегатов, условий их эксплуатации. Изучение и знание этих закономерностей является инженерной основой высокоэффективной реализации потребительских свойств современных и перспективных машинно-тракторных
агрегатов.
Механизированное производство сельскохозяйственной продукции неразрывно связано с движением материальных систем. При этом эксплуатируемый МТА рассматривается не изолированно от условий применения, а как
взаимосвязанная и взаимообусловленная система. При изучении процесса
взаимодействия системы агрегат – среда необходимо учитывать непрерывную
изменчивость действующих элементов, то есть применяемых машин, обрабатываемых материалов и среды, в которой машины работают в пространстве и
во времени.
Движение и работа агрегата происходят в результате взаимодействия сил,
действующих на агрегат. Движущую силу создает энергетическое средство.
Силы сопротивления слагаются из усилий, возникающих при полезной работе
машин-орудий (обработка почвы, срез растений, их подбор и т.д.), трении в механизмах ходовой системы агрегата, деформации почвы при передвижении агрегата по полю и др.
Действующие на МТА силы могут быть представлены следующими составляющими:
- движущей (толкающей) силой Рдв, приложенной к мобильному энергетическому средств (МЭС – трактор, самоходная машина, автомобиль и пр.) и
вызывающей движение агрегата;
- силой сопротивления Рс:
а) движению технологической части агрегата (рабочих машин-орудий –
прицепных, полунавесных), то есть их тяговое сопротивление Rм;
б) движению трактора Pf (сила сопротивления возникает в связи с деформацией почвы ходовым аппаратом, механическими потерями в нем и т.д.);
- силой веса трактора Gтр и рабочих машин Gм, приложенной в центре их
тяжести;
- реакцией почвы, возникающей под воздействием сил тяжести и действующей на ходовой аппарат трактора и ходовые колеса машин;
- реакцией между отдельными машинами агрегата, действующей в сцепных устройствах и соединительных шарнирах.
Соотношение (аналитически выраженная зависимость) между силами,
действующими на агрегат, и скоростью его движения может быть выражено
уравнением движения агрегата. Основой его является второй закон механики
– закон Ньютона.
Уравнение движения агрегата может быть составлено на основе закона
кинетической энергии, по которому приращение кинетической энергии равно
работе всех действующих сил, приложенных в точках системы.
23
Работа сил, действующих на агрегат на элементарном пути dS:
A  (Pдв  Pc )dS .
(3.1)
Реакции, действующие на ходовую систему, гусеницы, колеса, приложены в мгновенных центрах их перемещения, следовательно, их работа равна нулю. Реакции, возникающие между машинами, также не дадут работы, так как
они взаимно обратны по знаку.
Кинетическая энергия агрегата как сумма кинетической энергии поступательно движущихся и вращающихся масс определяется по выражению
V2
E
( M1  M 2 ) ,
2
(3.2)
где М1 – приведенная масса трактора, включая двигатель, кг; М2 – приведенная
масса машин в агрегате, кг.
Приращение кинетической энергии агрегата найдем, продифференцировав выражение по скорости:
(3.3)
VdV(M1  M 2 ) .
Учитывая, что приращение работы ΔА равно приращению кинетической
энергии агрегата, получим:
(Pдв  Pc )dS  VdV(M1  M 2 ) .
(3.4)
Но V 
dS
, следовательно:
dt
dV Pдв  Pc

.
dt M1  M 2
(3.5)
Полученное выражение представляет собой в общем виде уравнение
движения агрегата. Все величины, входящие в уравнение, в процессе движения агрегата непрерывно изменяются. Движущая сила, создаваемая двигателем
и взаимодействием ходовой части с почвой, колеблется. Это обусловлено колебаниями крутящего момента двигателя из-за неравномерности подачи топлива
и других факторов, но главным образом изменениями свойств почвы во времени и пространстве (пути). Это переменные сцепные свойства почвы, ее плотность, влажность, различный макро- и микрорельеф, растительный покров и
т.д. Еще больше изменяются силы сопротивления передвижению агрегата
вследствие переменных свойств обрабатываемого материала и неоднородности
свойств рабочих органов машин и их регулировок. Одновременно происходит,
хотя и более плавное, изменение приведенной массы агрегата из-за колебания
угловой скорости вращающихся масс в функции переменной подачи или
свойств обрабатываемого материала, а также изменение наполненности бункеров, банок, семенных ящиков машин.
Совместное действие указанных факторов приводит к знакопеременным
колебаниям ускорений при движении агрегата, вызывая изменение его поступательной скорости, что также отрицательно влияет на ход технологических процессов.
Возможный характер колебаний величин, входящих в уравнение движения агрегата, показан на рисунке 3.1.
24
Заштрихованные участки графика (б) показывают моменты времени (пути), когда сопротивление Рс превышает Рдв, что сопровождается работой двигателя в зоне перегрузки либо возрастанием буксования до недопустимых пределов. Кривая (а) показывает распределение ускорений при непрерывном движении агрегата за большой промежуток времени. Замедления и ускорения агрегата в среднем как бы уравновешиваются, что показывает средняя скорость его
движения. В этом случае движение можно принять равномерным.
Из анализа уравнения движения агрегата можно заключить, что чем
больше его приведенная масса, тем меньше ускорение. Уменьшение величины
разности колебаний (Рдв-Рс) также снижает ускорение. При прочих равных условиях, агрегаты, имеющие большую массу, обладают лучшей способностью
сохранять устойчивость поступательного движения (скоростного режима работы).
Рисунок 3.1 – Характер колебания величин входящих в уравнение
движения агрегата
3.2 Тяговый баланс агрегата
Если уравнение (3.5) представить в виде
dV
(M1  M 2 )  Pдв  Pс ,
dt
(3.6)
то левая часть его будет приведенной силой инерции Pj, параллельной поверхности поля и направленной в сторону, обратную направлению движения. Тогда
уравнение, показывающие, на что затрачивается движущая агрегат сила при его
движении, будет называться уравнением силового баланса, или уравнением
тягового баланса агрегата в общем виде. В этом уравнении движущая сила
агрегата равна алгебраической сумме внешних сил, действующих на агрегат
при движении:
Pдв  Pc  Pj .
(3.7)
25
Рассмотрим прямолинейное движение агрегата на подъеме и силы действующие на него (рисунок 3.2).
При неустановившемся движении агрегата на него действуют движущая
сила, силы сопротивления передвижению агрегата, вес трактора и прицепных
машин, силы инерции и реакции почвы.
Движущая сила Рдв есть горизонтальная реакция почвы на почвозацепы
звеньев гусеницы или ведущих колес трактора. Движущая сила равна окружному усилию на ободе ведущих колес (звездочек). Эту силу называют также касательной силой тяги (Рк). Она направлена по движению агрегата и параллельна
поверхности поля, создается энергетическим средством. Ее величина зависит не
только от его технических параметров (параметров ДВС, трансмиссии, ходовой
системы), но и от характеристик поверхности поля (физико-механические свойства почвы, агрофон и др.), а также от нагрузочно–скоростных показателей режима и использования МТА.
Силы сопротивления передвижению агрегата слагаются:
а) из силы сопротивления движению трактора (самоходной машины),
равной сумме сил трения его ходовой части, и сил, затрачиваемых на деформацию грунта для образования колеи. Суммарная сила сопротивления движению
трактора Рf всегда направлена против движения, ее можно считать действующей параллельно пути;
б) из силы сопротивления подъему трактора Рα;
в) силы сопротивления машин (орудий) Rа, равной силе тяги на прицепном устройстве (крюке) Ркр. Общую силу сопротивления машин составляют
сопротивление рабочих органов, сопротивление перекатыванию, а также горизонтальная составляющая силы веса машин (прицепных, полунавесных)
Gм·sinα;
г) силы сопротивления воздуха Рw. При движении МТА со скоростью
10…12 км/ч величины их незначительны, и ими, как правило, пренебрегают
(Рw=0).
Силы веса трактора Gтр и машин Gм приложены в их центре тяжести.
Равнодействующая силы веса трактора может быть разложена на две составляющие силы: параллельную пути Gтр·sinα(Рα) и перпендикулярную к указанной поверхности Gтр·cosα. Аналогичную структуру имеют силы веса рабочих
машин.
Силы инерции отдельных частей агрегата возникают при неравномерном движении j≠0. Результирующая сила инерции направлена параллельно поверхности пути в сторону, обратную направлению ускорения. При замедлении
движения агрегата она направлена по ходу движения, при разгоне - против
движения.
Силы реакции почвы, нормальные к поверхности пути, воздействуют
на ходовую часть трактора, машин – орудий и частично на их рабочие органы.
26
Рисунок 3.2 – Схема сил, действующих на тяговый агрегат при движении на подъеме
(гусеничный трактор – сцепка – сеялки)
27
На основе рассмотренного уравнение тягового баланса агрегата в развернутом виде запишем следующим образом:
Р дв  Р кр  Р f  P  PW  Р j .
(3.8)
Так как скорости движения МТА при выполнении технологических операций в растениеводстве, как правило, не превышают 10…12 км/ч, а площадь
лобового сопротивления у большинства агрегатов мала (S<10 м2), то в практических расчетах сопротивление воздушной среды принимают равной нулю
(РW=0).
Величина ускорения
dV
зависит от большого количества случайных факdt
торов и, как показывают экспериментальные данные, распределена по нормальному закону. Поэтому наиболее вероятной величиной
dV
является нуль.
dt
Физически это объясняется тем, что процессы разгона и замедления чередуются, причем запас кинетической энергии агрегата достаточен для преодоления
временных изменений сил сопротивления.
Если абсолютная величина
dV
не выходит за допустимые пределы, то
dt
расчеты по составлению агрегатов (при обеспечении непрерывного движения)
упрощают и принимают движение агрегатов установившимся (то есть
dV
=0;
dt
Рj=0).
Изложенное выше позволяет записать уравнение тягового баланса агрегата при равномерном движении на подъеме (спуске) в виде
Р дв  Р кр  Р f  P .
(3.9)
В случае движения агрегата на горизонтальном участке (α=0; Рα=0) уравнение тягового баланса агрегата при равномерном движении на горизонтальном участке примет простой вид:
(3.10)
Р дв  Р кр  Р f .
Сила на крюке трактора равна по величине силе сопротивления рабочих
машин и сцепки, при ее наличии в агрегате (Ркр=Rа), но направлена в противоположную сторону.
Тяговое усилие трактора Ркр – основной классификационный параметр
отечественных тракторов, определяющий возможность их агрегатирования с
той или иной сельскохозяйственной машиной. Тяговый класс трактора соответствует нормальному тяговому усилию Р нкр (тонно–силах, в кН), реализуемому
на стерне нормальной плотности и влажности при допустимом буксовании.
Предельно допустимые значения буксования δд на стерне определяются агротехническими требованиями: до 0,05 (5%) – для гусеничных тракторов; до 0,15
(15%) – для колесных 4К4 и до 0,18 (18%) – для колесных тракторов 4К2. Указанные ограничения на величину буксования обусловлены в большей степени
разрушением структурных частиц почвы с последующим усилением процессов,
28
связанных с ветровой и водной эрозией, а также с потерями мощности на буксование.
Из уравнений тягового баланса агрегата при равномерном движении (3.9,
3.10) следует, что усилие на крюке трактора при движении МТА на подъеме
(3.11)
Р кр  Р дв  ( Р f  P ) ;
при движении МТА на горизонтальном участке
(3.12)
Р кр  Р дв  Р f .
Следовательно, усилие на крюке трактора при движении агрегата определяется величиной движущей силы и сил сопротивления его передвижению. А
они зависят от конструкции трактора, условий эксплуатации, вида технологической операции, физико-механического состояния почвы.
Номинальные тяговые усилия тракторов указаны в тяговых характеристиках, которые получают по результатам тяговых испытаний тракторов, проводимых по установленной методике, на соответствующих почвенных агрофонах при ровном рельефе (α≤10).
Для практических эксплуатационных расчетов чаще пользуются тяговыми характеристиками, полученными на двух основных почвенных агрофонах –
на стерне зерновых колосовых культур и на поле, подготовленном под посев.
Диапазон тяговых усилий отечественных тракторов, их масса и мощность
дизелей приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Классификационные характеристики отечественных тракторов, используемых в сельском хозяйстве
Диапазон
Масса
ТягоНоминальМарка трактора Эксплуатацитяговых
конструквый
ное тяговое
(колесная форон-ная мощусилий,
ти-вная,
класс, т усилие, кН
мула)
ность, кВт
кН
кг
АМИСК–8
0,2
2
0,8…5,4
7,3
465
(4К2)
Т-О8 (4К2)
5,9
550
0,6
6
5,4…8,1
Т-16МТ (4К2)
18,4
1600
Т-25А (4К2)
18,4
1780
Т-30 (4К2)
22,1
2270
0,9
9
8,1…12,6
1,4
14
12,6…18,
0
Т-30А (4К4)
Т-40М (4К2)
Т-40АМ (4К4)
ЛТЗ-55 (4К2)
МТЗ-80 (4К2)
22,1
36,8
36,8
37,0
55,2
2415
2380
2610
2380
2940
МТЗ-82 (4К4)
55,2
3370
ЮМЗ-6КЛ
(4К2)
44,5
3350
29
2
3
20
30
4
40
5
50
18,0…27,
0
27,0…36,
0
36,0…45,
0
45,0…54,
0
МТЗ-100 (4К2)
МТЗ-102 (4К4)
73,5
73,5
3950
3950
Т-142 (4К4)
114,0
4400
ЛТЗ-155 (4К4)
Т-70 СМ (гус.)
Т-70В (гус.)
110,0
51,5
51,5
5100
4040
3910
ДТ-75М (гус.)
70,0
5700
ДТ-175С (гус.)
Т-150 (гус.)
Т-153 (гус.)
Т-150К (4К4)
Т-151К (4К4)
125,0
110,0
110,0
121,5
121,5
7420
7500
7500
7535
8200
Т-4А (гус.)
95,5
8145
К-701 (4К4)
198,6
12400
К-701М (4К4)
Т-250 (гус.)
224,0
184,0
13590
14000
Следует обратить внимание на физическую сущность нормальной составляющей от результирующей силы на крюке (Rаtgβ, рисунок 3.2). Чем выше точка прицепа сницы машины (чем больше угол β) относительно прицепной скобы
навески трактора (в нижнем положении, когда сница параллельна поверхности
пути, то есть β=0), тем больше величина силы давления на ведущие (задние)
колеса Р д  R а tg . Следовательно, происходит «придавливание» заднего ведущего моста (как бы от дополнительно навешенного груза). В результате:
а) увеличивается сила сцепления ведущих колес с почвой;
б) центр тяжести трактора смещается назад. Например, у трактора Т-4А
центр тяжести сдвинут на 0,2 м относительно геометрического центра (в горизонтальной плоскости) вперед. Это предопределяет большее давление передней
части движителей на почву: эпюра давления движителей представляет трапецию с большим основанием впереди (рисунок 3.3, а).
При влажной почве (во время закрытия влаги весной) такой агрегат может (нередко бывает на практике) забуксовать, заглубляясь в почву передней
частью движителей.
Чтобы добиться равномерного давления движителей трактора Т-4А на
почву (эпюра давления должна быть в виде прямоугольника (рисунок 3.3, б)),
поднимают прицепную скобу на 60…75 см относительно нижнего положения.
Тогда угол β увеличивается, что предопределяет большую величину силы
Р д  R а tg , и происходит смещение центра тяжести трактора в точку его геометрического центра. В результате давление движителей по всей их продольной поверхности становится равным.
30
Рисунок 3.3 – Эпюра давления движителей трактора Т-4А
Уравнение тягового баланса при равномерном движении самоходной машины (самоходное шасси – комбайны) на подъеме, учитывая, что Ркр=0, запишем в виде
(3.13)
Р дв  Р f  P .
Другими словами, движущая агрегат сила расходуется на преодоление
сопротивлений перекатыванию машины и ее передвижению на подъем. Но если
зерноуборочный комбайн работает с прицепом для сбора измельченной соломы, то в уравнение тягового баланса входит сила сопротивления прицепа перекатыванию Rтел:
(3.14)
Р дв  Р f  P  R тел .
При работе агрегата с полунавесными орудиями часть их веса приходится
на трактор, что увеличивает величину сил сопротивления его перекатыванию и
на подъеме. Одновременно усилие на крюке расходуется на преодоление сопротивлений рабочих органов полунавесной машины и перекатыванию по полю части веса ее, приходящегося на опорные колеса. Уравнение тягового баланса при равномерном движении агрегата с полунавесной машиной (например, с плугом) на подъеме можно записать в виде
(3.15)
Р дв  Р кр  Р f/  P/ .
где Pf/ - сила сопротивления перекатыванию трактора с дополнительным весом
от полунавесной машины, кН; P/ - сила сопротивления трактора на подъеме с
дополнительным весом от полунавесной машины, кН.
31
3.3 Составляющие тягового баланса агрегата
3.3.1 Движущая сила
При расчете величин составляющих тягового баланса агрегатов необходимо помнить, что разнообразие агрегатов по технологическому назначению,
следовательно, работа даже одних и тех же энергетических средств (тракторов,
самоходных шасси, автомобилей) на различных агрофонах предопределяет значительные по величине изменения всех составляющих уравнения тягового баланса агрегата. Познание закономерностей изменения сил, действующих на агрегаты, основа рационального комплектования агрегатов и выбора оптимальных режимов их использования.
Одной из важнейших величин, входящих в уравнение движения агрегата
и его тяговый баланс, является движущая сила агрегата. Движущая сила возникает в результате работы двигателя трактора или самоходной машины. Посредством трансмиссии крутящий момент от двигателя передается на ведущие органы машины (ведущие колеса, звездочки гусеничной машины). Но величина
силы, действующей на агрегат, зависит не только от величины крутящего момента на ведущих органах энергетического средства, но и от характера взаимодействия ведущих колес или гусениц с почвой – от силы сцепления с ней движителей машины. Величина движущей агрегат силы есть функция двух основных физических величин мощности двигателя машины и сцепной силы машины (силы сцепления ее ходового аппарата с почвой).
Рассмотрим процесс образования движущей силы при различных условиях эксплуатации агрегата.
Двигатель машины (далее трактора) развивает крутящий момент Mд, который через трансмиссию передается на ведущие колеса или звездочки и гусеницы в виде крутящего момента Мк (рисунок 3.4). Для упрощения примем обод
колеса гладким, без почвозацепов и жестким, как и поверхность, по которой
движется агрегат.
Рисунок 3.4 – Схема передачи крутящего момента двигателя
на ведущие колеса трактора
32
Величина крутящего момента Мк зависит от величины крутящего момента двигателя Мд, передаточного числа трансмиссии i0 (чем больше это число –
1, 10, 30 и т.д., тем больше крутящий момент на ведущих органах машины) и
КПД механизмов трансмиссии ηтр (ее механического КПД):
M к  M д  i 0   тр ,
(3.16)
где Мд, Мк – крутящие моменты на маховике двигателя и ведущих колесах соответственно, Н·м.
Момент на ведущих колесах трактора реализуется в виде пары горизонтальных касательных сил Рк с плечом rк, из которых одна приложена в центре
колеса (к его ведущей оси), другая – у обода (рисунок 3.5).
Рисунок 3.5 – Схема образования касательной и движущей сил
Касательная сила машины – это активная сила, касательная к окружности ее ведущих органов (ведущих колес, звездочек). Она равна отношению крутящего момента на оси движителей к радиусу перекатывания:
Рк 
М к М д  i 0   тр

;
rк
rк
(3.17)
10 4  N e
,
nн
(3.18)
Mд 
где nн – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1, поэтому
33
Рк 
10 4  N e  i 0   тр
n н  rк
,Н
(3.19)
Таким образом, величина касательного усилия зависит от эффективной
мощности двигателя и частоты вращения коленчатого вала, конструктивных
параметров трансмиссии i0, rк и ее коэффициента полезного действия ηтр. Следовательно, первым пределом, ограничивающим величину касательной
силы, а при движении агрегата – движущей силы, является крутящий момент
двигателя. Величина Мд (3.18) в свою очередь зависит от эффективной мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Но количественный диапазон изменения касательной силы при заданном Мд находится в широких пределах, что обусловлено конструкцией трансмиссии (ее параметрами на той или
иной скорости движения – передаче КПП i0, ηтр) и движителей энергетического
средства.
Радиус качения для колесных машин на пневматических шинах
rк  r0   у  h ,
(3.20)
где r0 – радиус посадочной окружности стального обода колеса, м; βу – коэффициент усадки шины; h – высота поперечного профиля шины, м.
Обычно принимают βу=0,75 – на стерне и βу=0,8 – на поле подготовленном под посев. Для гусеничных тракторов считают rк  r0 , подразумевая, что r0 –
радиус начальной окружности ведущей звездочки.
Касательная сила, создаваемая двигателем машины, является активной
(внутренней) силой и при отсутствии контакта с поверхностью (почвой) не создает движущую силу (рисунок 3.5, а). Для перемещения машины (агрегата) необходима внешняя сила, направленная в сторону движения. Эта сила возникает только при взаимодействии движителей машины (ведущих органов ходового
аппарата) с почвой. Только при сцеплении ходовой части с почвой возникают условия для создания реактивной движущей силы Рдв (рисунок 3.5, б).
Подтверждение этого положения легко доказать следующим примером:
если поднять на домкрате ведущий мост трактора (рисунок 3.5а), то при работающем двигателе и выключенных муфте сцепления и передаче КПП на ведущих колесах будет действовать крутящий момент, и они будут вращаться. Однако в этом случае перемещения трактора не произойдет, так как вследствие
отсутствия трения обода колеса с почвой – отсутствия реакции почвы Рсц, движущей силы не будет.
При движении машины по несущей поверхности ее сила тяжести Gсц,
приходящаяся на ведущие органы, вызывает вертикальную реакцию почвы Rп.
Тогда касательная сила тяги Рк, приложенная к ободу колеса, вызывает горизонтальную реакцию почвы Рсц (рисунок 3.5,б), величина которой равна силе
трения скольжения между ободом колеса и несущей поверхностью.
Приложим к центру колеса две противоположные силы, равные по величине реакции почвы и ей параллельные: Рсц и Р/сц. Получим реактивный момент
Мр, уравновешенный активным моментом Мк, то есть Мк=Мр или Р к rк  Р сц rк , и
свободную силу (одну из двух: Р/к или Р/сц), направленную в сторону движения
34
агрегата, которая передается через ось ведущих органов (колес или звездочек) к
раме машины. При этом:
- если сцепление ведущих органов достаточно (рисунок 3.5, в), то при
Мк=Мр величина движущей силы определяется величиной касательной силы:
Рдв≤Рк (3.19), то есть зависит от максимальной величины крутящего момента
двигателя (3.18) при заданных характеристиках (i0, ηтр) трансмиссии машины;
- если сцепление с почвой недостаточно (рисунок 3.5, г), то при Мк>Мр
величина движущей силы определяется величиной свободной силы Р/сц, направленной в сторону движения агрегата и приложенной к ведущей оси, то есть
зависит от величины сцепления Рдв≤Р/сц, а не от мощности двигателя.
Если сила Pк/ или сила Р сц/ больше или равна сумме сил сопротивления
движению энергетических средств (машины) и сельскохозяйственных машин
соединенных в агрегате, то она вызовет его перемещение и станет движущей
силой.
Для машин, которые на ведущих органах (движителях) имеют почвозацепы, схема образования движущей силы подобна предыдущему случаю, с той
лишь разницей, что реакция почвы вызывается не только трением почвы об
обод, но и главным образом сопротивлением почвенных элементов смятию и
срезу под действием почвозацепов. Плотные почвы мало деформируются, на
рыхлых почвах отмечается значительная деформация в горизонтальном направлении. Сначала имеют место смятие и прессование почвы, затем может наступить момент, когда несущий слой почвы срезается почвозацепами, движители начинает пробуксовывать. Смятие почвы почвозацепами под действием крутящего момента продолжается до тех пор, пока его не уравновесит возрастающая реакция почвы (реактивный момент).
Таким образом, движущей силой агрегата является направленная
вперед внешняя сила, создаваемая на ведущих органах машин двигателем
при наличии горизонтальной реакции почвы (при наличия сцепления
движителей с почвой). Следовательно, первый предел движущей силы (Рдв=Рк)
ограничен крутящим моментом двигателя машины. От величины крутящего
момента двигателя, характеристик трансмиссии, ходового аппарата машины в
конечном счете зависит величина крутящего момента на ее ведущих органах.
При передаче крутящего момента двигателя к оси движителей машин
часть его может затрачиваться на привод механизмов навесных или прицепных
машин, гидромеханизмов, электрооборудования и др. Поэтому касательную силу тяги можно определить по формуле


M 0/
M 0//
M

(


...
д

i 0   тр
(M д  M п0 )i 0   тр 
i п/  п/ i п//  п//

,
Pк 

rк
rк
(3.21)
где М п0 - суммарный крутящий момент, передаваемый через механизмы отбора
мощности, приведенный к валу двигателя, Н·м; М 0/ , М 0// - крутящие моменты,
передаваемые конкретными механизмами машины (берутся по опытным данным), Н·м; i / , i // ,..., п/ , п// ,... - передаточные числа к механизмам отбора (валам)
мощности от вала двигателя и соответствующие КПД передач.
35
Из формулы (3.21) следует, что величина касательной силы тяги является функцией величин: крутящего момента двигателя, затрат энергии на
приведение в действие механизмов рабочих машин, передаточных чисел,
КПД передач и радиуса перекатывания движителей. При заданном передаточном числе все остальные составляющие уравнения (3.21), определяющие величину касательной силы тяги, являются величинами переменными, зависящими от конструкции и технического состояния механизмов машин в агрегатах,
условий эксплуатации.
Вместе с этим, согласно определению движущей силы ее величина зависит и от величины горизонтальной реакции почвы Рсц.
В зависимости от характеристик агрофона, машины, ее движителей часто
частицы почвы (опорной поверхности движителей) оказывают недостаточное
сопротивление давлению почвозацепов. При этом почва спрессовывается, ее
структурные частицы разрушаются, происходит сдвиг несущего покрова, которые вызовут проскальзывание ведущих органов – буксование. Иначе говоря,
если горизонтальная реакция почвы Рсц меньше касательной силы тяги Рк, то
последняя не уравновешена и произойдет буксование.
По величине реакции почвы (прочности несущей поверхности) на ведущих органах судят о силе сцепления. Реакцию почвы, соответствующую наибольшему допустимому по агротребованиям буксованию машины, называют
максимальной силой сцепления – Р сцmax .
Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что основными факторами, влияющими на сцепление машин с почвой, являются:
а) физико-механические свойства почвы (тип почвы и ее состояние, форма и размер частиц, влажность и др.);
б) состояние растительного покрова;
в) вес, приходящийся на ведущие органы машины – сцепной вес Gсц, характеризуемый нормальной реакцией почвы Rп на ведущие органы;
г) конструкция ведущего аппарата, почвозацепов и их размеры (диаметр
колес – звездочек, ширина обода и гусеничной ленты, длина опорной поверхности, в пневматических колесах – давление воздуха и т.п.).
Большое количество факторов, влияющих на сцепные свойства ведущих
аппаратов, затрудняет количественное выражение их взаимосвязи. Поэтому
сцепные свойства машин выявляются опытным путем (на МИС) по величине
коэффициента сцепления μ ведущего аппарата с почвой.
Коэффициентом сцепления ведущего аппарата с почвой называется
отношение максимальной силы сцепления Pсцmax (касательной силы по сцеплению) при допустимом буксовании к нормальной реакции почвы на ведущие органы машины (к сцепному весу) на горизонтальном участке при
равномерном движении агрегата
  f (P
max
сц
)
Pкmax
( сц )
G сц
36
,
(3.22)
где Pкmax
( сц ) - наибольшая касательная сила тяги при предельно допустимой величине буксования, δ (до δ=5% - для гусеничных тракторов, до δ=15% - для колесных тракторов 4К4, до δ=18% - для колесных тракторов 4К2).
Как видно из этого определения, коэффициент сцепления μ не явялется
постоянной величиной, его значения зависят от величины допустимого буксования.
Значения μ (при допустимом буксовании δдоп) зависят от типа почв, агрофона, конструкции движителей. Для тракторов на пневматических шинах
μ=0,65…0,80 на стерне; μ=0,35…0,55 – на поле, подготовленном под посев; для
гусеничных тракторов μ=0,75…0,85 и μ=0,55…0,65 соответственно. Примерные значения коэффициентов сцепления при допустимом буксовании представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Примерные значения коэффициента сцепления μ тракторов
Величина μ
Характер поверхности
колесные
гусеничные
Сухой плотный грунт,
залежь, сильно уплот0,8…0,9
≈1,0
ненная стерня (суглинистые почвы)
Стерня нормальной
влажности, поле из-под
0,7…0,8
0,9…1,0
кукурузы или подсолнечника (суглинки)
Суглинистое поле, подготовленное под посев,
или свежевспаханное, а
0,5…0,7
0,7…0,9
также пар и стерня супесей
Снежная дорога
≈0,3
0,5…0,7
Глубокая грязь
≈0,1
0,3…0,5
Влажный песок
0,4…0,5
0,5…0,6
Наибольшая сила сцепления движителей трактора с почвой (как и любой
самоходный машины) при допустимом буксовании определяется по формуле
Pсц  G сц  д  G тр  д  10 3 m тр g д , кН
(3.23)
где Gсц – сцепной вес трактора, кН; μд – коэффициент сцепления при допустимом буксовании; Gтр – эксплуатационный вес трактора, G тр  1,1G сц , кН; λ – доля
эксплуатационного веса, приходящаяся на ведущие органы. Для колесных
тракторов 4К2 λ=⅔, для колесных 4К4 и гусеничных λ=1,0, то есть у этих тракторов эксплуатационный вес является сцепным весом Gсц.
Реальное значение движущей силы Рдв зависит от соотношения между касательной Рк и силой сцепления Рсц. Если Рсц<Рк, то Рдв≤Рсц, сцепление недостаточное и буксование δ может превышать допустимые пределы. При Рсц>Рк сце37
пление движителей с почвой достаточное и Рдв≤Рк в соответствии с формулами
(3.19, 3.21).
Изменение соотношения сил Рсц, Рк, Рдв в зависимости от прочности несущей поверхности показано на рисунке 3.6.
Если на графике линией Рf выделить потери трактора на самопередвижение в зависимости от состояния несущей поверхности, то заштрихованная зона
графика определит границы изменения тягового усилия трактора при равномерном движении агрегата на горизонтальном участке поля (3.12).
Рисунок 3.6 – Схема соотношения сил, действующих на агрегат,
при различной несущей способности почв
Таким образом, движущая сила ограничивается по величине либо максимальным значением силы сцепления Рсц (участок АВ=а), когда сцепление недостаточно и агрегат работает с допустимым буксованием, либо величиной касательной силы (участок ВС=б), когда сцепление обеспечено (Рсц>Рк).
Из рассмотренного следует, что вторым пределом величины движущей
агрегат силы может быть недостаточное сцепление ведущего аппарата трактора
с почвой; для сцепления должно выполняться условие Рдв≤Рсц.
Учитывая, что движущая сила имеет два предела по величине (3.19; 3.23),
для движения агрегата необходимо, чтобы максимальное усилие по сцеплению
Pсцmax и максимальное усилие, развиваемое на ободе колеса Pкmax , были больше
сил сопротивления:
Pкmax 
10 4 N e i 0 η тр
n н  rк
 Pкр  Pf  Pα ;
Pсцmax  G сц  д  10 3 m тр g д  Pкр  Pf  P .
(3.24)
(3.25)
Анализируя закономерности изменения движущей силы агрегата и взаимодействия сил, выраженные формулами (3.24, 3.25), можно представить условия движения агрегата на горизонтальном участке следующими зависимостями:
общее условие движение агрегата
Pк  (Р кр  Pf )  Pсцmax ;
(3.26)
условие нормального (равномерного) движения агрегата
i
i
38
Pк i  (Р крi  Pf ) <Рсц;
(3.27)
полное буксование движителей (предел по сцеплению)
Pк > Pсцmax < (Р кр  Р f ) ;
(3.28)
заглохание двигателя от перегрузки (предел по мощности двигателя)
Pк < (Р кр  Р f ) < Pсц ;
(3.29)
где Pк , Ркр – текущее значение касательной силы тяги и усилия на крюке, кН.
Выполнение условия соотношения сил, действующих на агрегат (3.26;
3.27), необходимо и должно соблюдаться на всех полевых операциях с указанными предельными значениями буксования. Это требует от специалистов по
ЭМТП правильного комплектования и выбора режимов работы агрегатов с учетом сложившихся условий эксплуатации и конструктивных характеристик самоходных машин.
Условие (3.28), описывающее соотношение сил при полном буксовании
агрегата (машины), используется в практике при обкатке гусеничных машин в
стационарных условиях. Крюк трактора, установленного на металлической
площадке политой маслом, соединяется с рым-болтом в массивной бетонной
стене ( Pкрmax   ). Трактор работает поочередно на различных передачах КПП
при непрерывной (полной) пробуксовке гусениц по замасленному металлу
(μ→0).
На практике реализацию условия соотношения сил (3.29), действующих
на агрегат, можно наблюдать при работе бульдозеров в карьерах, на перемещении грунта при строительстве дорог, рытье котлованов. По мере движения
бульдозера количество перемещаемого грунта перед отвалом увеличивается,
возрастает нагрузка на трактор, и несвоевременное поднятие отвала приводит к
резкому снижению оборотов коленчатого вала двигателя и к полной его остановке.
Чтобы трактор всегда работал в зоне достаточного сцепления, должно соблюдаться условие Ркр≤Рсц. На основе уравнений (3.19) и (3.23) с некоторыми
преобразованиями это условие можно записать в виде
i
i
i
i
i
i
N нe  Ne i 0  тр
105 r к n
 10  3 mg  д ;
(3.30)
соответствующее передаточное число трансмиссии определяется соотношением
i тр 
0 ,105 mr к ng  д
N нe  Ne  тр
,
(3.31)
где N нe - номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; ξNe – коэффициN фe
ент использования мощности,  Ne  н .
Ne
При практических расчетах приближенно можно принять n=nн в соответствии с характеристиками двигателей. Соотношение (3.31) позволяет обеспечить рациональный режим работы агрегата в пределах допустимых по агротребованиям границ буксования движителей при Рдв=Рк.
39
В последующих расчетах предполагается соблюдение условия (3.31), поэтому без дополнительных пояснений примем Рдв=Рк, подразумевая под Рк в
формуле (3.19) значение движущей силы Рдв.
Пример. Для трактора Т-150К с двигателем СМД-62, N нe  121,5 кВт,
2
 Ne  0,90 , rк  r0  h  0,305  0,75  0,395  0,60 м, n  n н  2100 мин 1 , g=9,81 м/с ,
λ=1, μд=0,72, ηтр=0,88, m=8092 кг при работе на стерне получим:
i0 
0,105  8092  0,60  2100  9,81 1  0,72
 78,58 .
10 3 121,5  0,9  0,88
При этом наибольшее допустимое значение касательной силы тяги
Р дв  Р кд 
N нe  Ne  тр i 0
0,105rк n
н

121,5  0,9  0,88  78,58
 57,15 кН.
0,105  0,60  2100
При практических расчетах, используя расчетное значение i0, по характеристикам трактора находят фактическое значение передаточного числа (определяют передачу КПП), близкое по величине расчетному i0. Его значение и
подставляют в формулу (3.31) для вычисления возможной величины движущей
агрегат силы.
3.3.2 Сцепные свойства трактора
Сцепные свойства трактора характеризуют его способность обеспечивать
требуемую силу сцепления Рсц в конкретных условиях эксплуатации в соответствии с равенством (3.23). Из этого равенства следует, что сила сцепления непосредственно зависит от эксплуатационного веса трактора и его доли λ, приходящейся на движители. Для гусеничного трактора и трактора колесного с
двумя ведущими мостами сцепной вес приближенно равен общему эксплуатационному весу трактора. Для колесного трактора 4К2 он равен части общего
веса, приходящейся на ведущие органы. Сцепной вес также зависит от нагрузки
на крюке, так как ведущий момент, передаваемый от двигателя к движителям,
вызывает на последних дополнительную реакцию. Кроме того, колебания остова трактора при работе воздействуют на опорное основание.
Величина сцепного веса трактора Gсц, равная нормальной реакции почвы
на ведущие органы, изменяется в зависимости от состояния почвы и трактора –
находится ли он в покое, в движении без нагрузки на крюке или работает в составе МТА с нагрузкой на крюке (рисунок 3.7).
С точностью, достаточной для практических расчетов, величину Gсц для
колесных тракторов (4К2) можно выразить формулой:
G сц 
G (L  а ) cos   M к
 G ,
L
(3.32)
где а – расстояние центра тяжести трактора до задней оси, м; L – продольная
база трактора, м.
В состоянии покоя – статическом положении трактора сцепной вес
G сц  G тр
(L  а ) cos 
.
L
40
(3.33)
Рисунок 3.7 – Изменение реакций почвы при различных состояниях трактора:
а – статическое состояние; б – холостой ход; в – работа в составе агрегата
При движении трактора двигателем создается крутящий момент на ведущих колесах, что приводит к увеличению реакции почвы – сцепного веса, изменяется и направление реакции почвы. Особенно это заметно при работе трактора в составе МТА. Обусловлено это явление тем, что происходит смятие почвы и возникает дополнительное нормальное давление на почву, вызванное усилием на крюке.
Сцепной вес гусеничных и колесных тракторов 4К4 с учетом влияния тягового усилия на реакцию почв и угла подъема пути можно определить по
формуле
G сц  G cos   Р кр sin  .
(3.34)
Физический смысл появления добавочного сцепного веса поясним упрощенной схемой (рисунок 3.8) сил, действующих (без учета сил сопротивлению
подъему и перекатыванию трактора) на агрегат, которые образуют сцепной вес
трактора (3.34).
Рисунок 3.8 – Схема образования дополнительной составляющей
сцепного веса трактора.
41
Углы между вектором силы Ркр и вектором силы Ррез как углы с сонаправленными сторонами равны углу α. Следовательно, величина нормальной составляющей Р кр/ от результирующей силы Ррез при движении МТА на подъеме
/
Р кр
 Р кр tg ,
(3.35)
0
но при малых углах подъема (α ≤ 10 , что соответствует рельефу большинства
полей) tgα=sinα и сцепной вес трактора при работе агрегата на подъеме определяется по уравнению (3.34).
Однако это уравнение будет верно лишь в случае параллельности сницы
рабочей машины поверхности передвижения агрегата, следовательно, и параллельности векторов сил Ркр, Rм. Если прицепное устройство (сница) рабочей
машины будет соединено с навеской трактора под углом β (рисунок 3.2), то
появится дополнительная нормальная сила Rаtgβ от результирующей силы сопротивления Rрез. Тогда суммарное значение сцепного веса трактора
Gсц  G cos   Ркр sin   R м tg .
(3.36)
Так как Rм= Ркр, то уравнение (3.36) примет вид
G сц  G cos   Р кр (sin   tg) ,
(3.37)
где β – угол направления результирующей силы сопротивления (угол соединения сницы машины или сцепки в многомашинном агрегате).
3.3.3 Коэффициент сцепления
Коэффициент сцепления μ устанавливают опытным путем, динамометрированием трактора на низшей передаче. Здесь важно отметить – «на низшей передаче». Но трактор в составе МТА, агрегат в целом на низших передачах (скорости 2…4 км/ч) практически технологические операции не выполняет. Эти передачи резервные, их используют в особых случаях: при преодолении участков
с повышенным удельным сопротивлением почвы; при преодолении препятствий (крутых подъемов, низин с пониженной влажностью почвы и др.). Известно, что современные агрегаты работают в диапазоне рабочих скоростей 6…12
км/ч. Поэтому установление коэффициента сцепления μ на низших передачах
(то есть с повышенным значением движущей силы при допустимом буксовании, с наиболее высоким значением усилия на крюке) является способом определения максимально возможных тяговых свойств трактора на данном агрофоне. А так как при работе МТА на более высоких передачах (i0раб<i0низ) крутящий
момент на ведущих органах будет меньше и как следствие меньше величины
движущей силы и усилия на крюке, то все это является технической гарантией
достаточного сцепления (Рсц>Рк=Рдв) движителей с почвой. Трактор способен
реализовать свои мощностные возможности и создать необходимую по величине движущую силу, требуемую величину усилия на крюке.
При испытаниях нагрузку на крюке трактора доводят до максимальной,
ограничиваемой сцеплением (допустимым), в том числе с учетом добавочного
давления (сцепления) ведущих органов трактора в случае движения их на подъеме или присоединения сниц прицепных машин в агрегате под углом β к поверхности поля.
42
Максимальное тяговое усилие трактора (возможное при Pдвmax ) обуславливается его сцепными качествами (второй предел движущей силы) в неменьшей
мере, чем мощностью двигателя (первый предел движущей силы). Поэтому, если сила сцепления движителей с почвой становится недостаточной для полного
использования мощности двигателя, весьма важно найти способы улучшения
сцепных качеств. Это особенно необходимо на весенних полевых работах, после обильных осадков и на легко деформирующихся почвах. Прибавив к усилию на крюке силу сопротивления трактора самопередвижению Рf, определяемую буксованием (по динамометру), получают приближенно максимальное
значение касательной силы по сцеплению:
Pсцmax  Pкр  Pf .
(3.38)
max
Если известно значение Р сц , то из выражения (3.23) коэффициент сцепления имеет вид
max
Р сц

.
G сц
(3.39)
Таким образом, важнейшее условие эффективной работы трактора, агрегата – достаточное сцепление движителей с почвой – зависит от веса трактора,
распределения его по осям (у колесного трактора), конструкции движителей и
физико-механических свойств почвы. Способы улучшения сцепных свойств
вытекают непосредственно из равенства (3.23). Их можно подразделить на конструктивные, конструктивно-эксплуатационные и эксплуатационные.
Конструктивные способы связаны с выбором таких конструктивных параметров трактора, как конструктивная масса, тип и параметры ходовой части,
координаты центра масс, размеры и углы присоединения прицепного устройства рабочих машин, сцепок, а также параметров навесной системы.
К конструктивно-эксплуатационным относят способы улучшения
сцепных свойств тракторов, которые заложены в их конструкцию, но используются лишь при необходимости в зависимости от условий эксплуатации. Наиболее известные из этих способов: балластирование, включая балластные грузы
и заполнение шин водой; включение дополнительных ведущих осей; использование различных догружающих устройств, например, гидроувеличителя сцепного веса трактора (ГСВ); применение позиционно-силового регулятора (ПСР);
сдваивание колес; использование шин низкого давления; применение третьего
присоединяемого ведущего моста, называемого технологическим модулем, в
виде тележки с активным приводом колес; использование в качестве дополнительных движителей приводных колес сельскохозяйственных машин; применение тракторов со съемным полугусеничным ходом; применение уширителей
колес: применение навесных машин, часть веса которых передается на трактор
и воспринимается ведущими колесами.
Эксплуатационные способы улучшения тягово-сцепных свойств трактора предусматривают: поддержание ходовой части машин и особенно движителей в хорошем техническом состоянии, в том числе своевременным техническим обслуживанием и ремонтом; обеспечение требуемого давления в шинах;
выравнивание полей; удаление с поверхности препятствий и пожнивных остат43
ков; правильный выбор направления движения, особенно на склонах; выполнение полевых работ при требуемой влажности; применение гусеничных тракторов вместо колесных в составе полевых МТА, особенно при закрытии влаги в
весенний период.
Возможность применения рассмотренных способов улучшения сцепных
свойств трактора определяется агротехническими требованиями, требованиями
устойчивости хода, надежности и др.
Например, балластирование трактора должно осуществляться с учетом
увеличения уплотняющего воздействия ходовой части трактора на почву, а
также изменения устойчивости и управляемости трактора и других отрицательных явлений, включая увеличение потерь мощности на самопередвижение
трактора.
В связи с этим в каждом конкретном случае следует пользоваться наиболее эффективным способом улучшения сцепных свойств машин с учетом местных условий работы.
Практическое решение рассматриваемой задачи усложняется тем обстоятельством, что на современных отечественных тракторах, самоходных машинах
пока отсутствуют соответствующие оптимизаторы режима работы автоматического действия.
3.3.4 Удельное давление движителей на почву
Большое отрицательное влияние на урожайность сельскохозяйственных
культур оказывают уплотняющее воздействие ходовых систем энергетических
средств и рабочих машин на почву, а также буксование движителей: в переуплотненных почвах нарушаются водный, воздушный, тепловой и другие режимы
нормального развития растений.
Для различных типов почв и видов культурных растений имеются свои
оптимальные плотности почвы, при которых достигается наибольшая урожайность. Отсюда вытекает одно из важнейших требований к мобильным энергетическим средствам – обеспечение допустимых границ уплотнения почвы при
выполнении полевых работ. Оптимальная плотность суглинистых почв для
зерновых культур находится в диапазоне 1,1…1,3 г/см3, для пропашных культур – 1,0…1,2 г/см3. оптимальные плотности суглинистых черноземов близки к
указанным значениям.
Из сказанного выше очевидно, что удельное давление трактора, самоходных машин на почву является важнейшим показателем его проходимости
и уплотняющего воздействия на почву. Удельное давление Р0 есть вес машины,
приходящийся на единицу опорной поверхности ее ходового аппарата. Среднее
удельное давление Р0 на почву для гусеничного трактора (самоходной машины
на гусеничном ходу, например, комбайна для уборки зерновых, сои и др.) в статическом состоянии может быть определено по формуле
P0 
G тр
2bL 0
,
(3.40)
44
где b – ширина гусеницы, м; L – длина опорной поверхности, равная расстоянию между осями крайних опорных роликов плюс длина одного звена гусеницы, м.
Удельное давление трактора с пневматическими колесами на почву примерно равно давлению воздуха в шинах (с учетом нагрузки на шину, ее размеров и жесткости).
У гусеничных тракторов удельное давление ниже, чем у колесных. Поэтому проходимость гусеничных тракторов значительно выше и их тяговые
свойства в меньшей мере зависят от почвенных условий. Ходовая часть гусеничных машин на меньшую глубину погружается в почву и меньше ее деформирует. Следовательно, у таких машин меньше уплотняющее воздействие ходового аппарата на почву при проходах МТА по полю, ниже величина плотности почв. Графически взаимосвязь удельного давления ходового аппарата машин на почву, ее плотности и урожайности показана на графике (рисунок 3.9).
Рисунок 3.9 – Взаимосвязь удельного давления машин на почву, плотности почвы (1) и урожайности (2) зерновых культур
Среднее удельное давление гусеничных тракторов составляет
0,035…0,050 МПа (0,35…0,50 кгс/см2), колесных – 0,085…0,140 МПа
(0,85…1,4 кгс/см2). Поэтому для снижения удельного давления колес на почву,
особенно в весенний период полевых работ, рекомендуется колесные тракторы
использовать со сдвоенными шинами.
3.3.5 Сопротивление перекатыванию трактора
Работа, затрачиваемая на перекатывание, зависит от конструкции ходового аппарата, веса машины, свойств несущей поверхности (дорожного покрытия,
почвы, растительности на поверхности, ее влажности и др.), скорости передвижения и тяговой нагрузки. На рыхлых, несвязных почвах при движении по снегу и грязи сопротивление перекатыванию выше, чем при движении по плотной
или твердой поверхности. Чем больше вес машины, тем глубже, при прочих
равных условиях, колея, тем больше работа, затрачиваемая на ее образование.
45
Деформация почвы движителями зависит от упругих свойств системы
движители – почва. С увеличением периода релаксации деформация уменьшается, и наоборот. С уменьшением времени контакта движителей с релаксирующей почвой деформация уменьшается, поэтому увеличение скорости движения
машины уменьшает работу на образование колеи, но увеличивает силу ударов о
неровности поверхности, усиливающую пространственные колебания машины.
Кроме того, увеличение скорости движения гусеничных машин вызывает вибрацию стальной гусеничной ленты, колесных – добавочные затраты энергии на
деформацию пневматических шин.
Все факторы, влияющие на сопротивление перекатыванию трактора, находятся в сложной взаимосвязи, поэтому для практических расчетов величины
силы сопротивления перекатыванию Рf выражают упрощенной функцией от
эксплуатационного веса трактора Gтр и веса машины Gм, приходящегося на
трактор:
на горизонтальном участке
Pf  f (G тр  G р.м ) , кН;
(3.41)
при движении на подъеме
Pf  f (G тр  G р.м )сos , кН;
(3.42)
сопротивление перекатыванию трактора (машины) без рабочих машин
определяется по следующим формулам:
на горизонтальном участке
Pf  G тр f , кН;
(3.43)
при движении на подъеме
Pf  G тр f cos  , кН;
(3.44)
где f – коэффициент сопротивления перекатыванию (качению) трактора; ρ – коэффициент, показывающий, какая часть веса рабочей машины (рабочих машин
и сцепного устройства) нагружает трактор (самоходную машину).
Сила сопротивления перекатыванию трактора в составе МТА при его работе на горизонтальном участке может быть определена расчетом и экспериментально (с учетом (3.10, 3.17) при Ркр=Rа):
Pf 
Mк
 Rа .
rк
(3.45)
Коэффициент сопротивления перекатыванию трактора определяется динамометрированием (тензометрированием) при буксировании одного трактора
другим (рисунок 3.10).

Релаксация – процесс постепенного перехода физической системы из неравновесного состояния, вызванного внешними причинами, в равновесное состояние. В данном случае – постепенный переход упругой
деформации почвы в пластическую.
46
Рисунок 3.10 – Определение усилия перекатывания трактора: а – трактор, для
которого определяется усилие перекатывания; б – трактор – буксир
У испытуемого трактора (а) рычаг КПП во время опыта ставят в нейтральное положение. Замерив с помощью динамометра (тензозвена) усилие перекатывания Pf и разделив его на эксплуатационный вес трактора, получают
значение коэффициента сопротивления перекатыванию:
f
Pf
.
G тр
(3.46)
Усилие, затрачиваемое на перекатывание трактора, слагается из усилия на
деформацию почвы (образование колеи) и суммарного усилия на преодоление
трения в ходовом аппарате.
В связи с этим коэффициент сопротивления перекатыванию является
функцией двух составляющих:
(3.47)
f  fп  fг ,
где fп – коэффициент перекатывания, учитывающий расход энергии двигателя
трактора или самоходной машины на образование колеи, то есть на деформацию почвы; fг – коэффициент перекатывания, учитывающий потери энергии
двигателя в ходовом аппарате трактора или самоходной машины.
Чем глубже колея (больше давление на почву от Gтр, слабее по прочности
несущая поверхность), тем больше потери на перекатывание, связанные с деформацией почвы fп. При движении колесных тракторов из-за большого удельного давления на почву остаточная деформация грунта больше, чем у гусеничных тракторов, следовательно, энергии на перекатывание затрачивается больше.
Величины, составляющие коэффициент перекатывания (3.47), определяют опытным путем. Для этого трактор буксируют сначала по недеформирующейся поверхности (бетонное или асфальтовое покрытие), при fп=0, то есть определяют f г 
Pfг
. После этого трактор буксируют в полевых условиях (на разG тр
личных агрофонах и почвах), определяя при этом коэффициент, учитывающий
потери энергии на деформацию почвы, трение шин в колее (рисунок 3.11). Затем на основе первого и второго испытания (бетон и поле) определяют величину fп:
(3.48)
fп  f  fг .
47
Зная величины fг для различных ходовых аппаратов и fп на различных агрофонах, для конкретных тракторов определяют в условиях эксплуатации величину коэффициента сопротивления перекатыванию f (таблица 3.3).
Рисунок 3.11 – Изменение коэффициента сопротивления перекатыванию
гусеничных тракторов типа ЧТЗ в зависимости
от почвенных условий и скорости движения
Таблица 3.3 – Значения коэффициентов сопротивления перекатыванию
колесных и гусеничных тракторов
Тип фона (поверхности)
и состояние почвы
Целина, плотная залежь
Стерня
Вспаханное поле
Грунтовая сухая укатанная дорога
Асфальтированная или
бетонная дорога
Поле,
подготовленное
под посев
Глубокая грязь
Глубокий снег
Глубокий сухой песок
Укатанная снежная дорога
Примерные значения f для тракторов
колесных на пневмати- гусеничных с металличеческих шинах
скими гусеницами
0,05…0,07
0,06…0,07
0,08…0,6
0,07…0,09
0,13…0,17
0,10…0,13
0,03…0,05
0,05..0,07
0,02…0,03
0,03…0,04
0,10..0,12
0,08…0,10
0,25…0,30
0,23…0,30
0,25…0,40
0,12…0,25
0,10…0,22
0,12…0,20
0,03…0,05
0,04…0,06
На суммарную величину f на плотной несущей поверхности влияет в основном коэффициент сопротивления fг, величина которого зависит от конст48
рукции ходового аппарата и скорости движения трактора. Действительно, при
суммарной величине f гусеничного трактора на целине, равной ≈0,072 (при
Vр=6 км/ч, рисунок 3.11) fг=0,065; fп=f-f2=0,072-0,065=0,007. До известного предела с уменьшением натяжения гусениц величина fг уменьшается в связи с
уменьшением трения в шарнирах гусеничных звеньев. С увеличением же скорости уменьшение натяжения гусеницы до определенного значения ведет к
возрастанию сопротивления перекатыванию из-за биения звеньев гусеницы.
Поэтому при эксплуатации необходимо систематически проверять и поддерживать установленную величину натяжения гусениц.
У машин с ходовым аппаратом на пневматических шинах величина fг зависит от давления в шинах и конструкции подшипников качения, если машина
движется по твердому основанию. Снижение давления в шинах обуславливает
их смятие (деформацию), в результате увеличивается площадь контакта с несущей поверхностью – площадь трения, что при движении на повышенных
скоростях увеличивает силу сопротивления перекатыванию, затраты на него
энергии двигателя. Поэтому важно при движении самоходных колесных машин
по плотному основанию дороги (транспортные процессы) систематически проверять и поддерживать установленное давление в шинах (чем выше давление,
тем меньше затраты энергии на перекатывание, особенно при высокой скорости
движения).
Однако при выполнении полевых работ коэффициент сопротивления перекатыванию у колесных тракторов выше по сравнению с гусеничными (см.
таблицу 3.3). Это обусловлено высоким удельным давлением колесного ходового аппарата на почву; как следствие происходит образование колеи. В результате возрастают силы на преодоление сопротивления почвы смятию и увеличивается площадь трения о боковую поверхность шин. Поэтому на рыхлых
влажных почвах давление в шинах уменьшают. Увеличение площади контакта
шин с почвой в результате деформации колеса снизит удельное давление на
почву, уменьшится глубина колеи, то есть снизятся затраты энергии на деформацию несущей поверхности. Причем величина снижения затрат энергии на
деформацию почвы будет больше, чем приращение затрат энергии на преодоление дополнительного трения шин (в связи с увеличением площади контакта)
о почву.
Сопротивление перекатыванию у гусеничных тракторов на рыхлых почвах значительно меньше, чем у колесных, так как удельное давление на почву
гусеничных движителей в 2,0…2,5 раза меньше по сравнению с колесными.
Меньше и затраты энергии на деформацию почвы движителями, так как опорные ролики гусеничного трактора катятся по гусеничному полотну, как по
гладким рельсам.
С увеличением влажности почвы сопротивление передвижению повышается в среднем на 2% на каждый процент увеличения влажности (нормальная
влажность почвы 22…26%) в слое 0…10 см. Наиболее значимое влияние увеличение влажности почвы оказывает на рост сопротивления перекатыванию
колесных машин.
49
Итак при выполнении технологических операций в растениеводстве нужно выбирать энергетические средства (тракторы, самоходные машины) с учетом их уплотняющего воздействия на почву и затрат энергии на преодоление
сил сопротивления перекатыванию машин по полю.
3.3.6 Сила сопротивления подъему
При движении МТА на подъеме или спуске появляются дополнительные
усилия от составляющих сил веса трактора и агрегатируемых машин (см. рисунок 3.2). Эти дополнительные усилия оказывают сопротивление передвижению
агрегата на подъем и помогают ему при движении под уклон.
При этом нужно особо отметить, что если при движении агрегата на горизонтальном участке движущая сила затрачивается только на преодоление сил
сопротивления машин в агрегате (Rа=Ркр) и силу сопротивления перекатыванию
трактора Рf, то при движении агрегата на подъеме движущая сила затрачивается
дополнительно на преодоление сопротивления подъему части веса навесной
или прицепной машины, приходящегося на трактор (3.15).
Следовательно, сила сопротивления подъему трактора (самоходной машины) при горизонтальном расположении (параллельно пути) прицепного устройства рабочих машин
P  G тр sin  , кН
(3.49)
а при движении данного агрегата на склоне, наоборот, эта сила будет толкающей:
P  G тр sin  , кН.
(3.50)
Если же часть веса рабочих машин передается на трактор, он догружается
силой:
машины навесной
R м.догр  R м  ;
(3.51)
машины прицепной
R м.догр  R м tg ,
(3.52)
где ρ – коэффициент, показывающий, какая часть веса навесной рабочей машины и сцепного устройства догружает трактор; R м tg  R п/ .догр - сила дополнительного догружения ведущих органов (часть силы сопротивления машины) прицепной машины и прицепным устройством (сницей), соединенным под углом β
с навеской трактора.
Тогда суммарная сила сопротивления подъему трактора при работе в составе агрегата с навесной машиной
P  G тр sin   R м  sin   (G тр  R м ) sin  ,
(3.53)
в составе с прицепной машиной, соединенной под углом β с навеской трактора:
P/   G тр sin   R м tg .
(3.54)
0
Так как при α≤10 (большая часть полей относительно равные, то есть
α=0…50) sinα=tgα, то исходя из рисунка 3.2, получим
50
tg 
h
 i,
l
(3.55)
где i – отношение высоты подъема к основанию.
Тогда формулы (3.49; 3.53; 3.54) можно представить в виде
P  G тр i ;
(3.56)
P  (G тр  R м )i ;
(3.57)
P/   G тр i  R м tg .
(3.58)
В большинстве случаев практического использования МТА величины сил
сопротивления подъему трактора определяются уравнениями (3.56; 3.57). Отсюда легко запомнить правило: на каждый процент увеличения угла подъема сопротивление подъему трактора увеличивается на один процент его
веса. При практических расчетах можно пользоваться следующими соотношениями между углом подъема α и уклоном поля i:
α,
град.
i, %
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1,75
3,65
5,24
7,0
8,75
10,5
12,3
14,0
15,8
10
3.3.7 Сопротивление воздушной среды
Ранее мы отмечали, что при рабочих скоростях МТА в пределах 6…12
км/ч и лобовой площади его S≤10 м2 для практических расчетов сопротивлением воздушной среды можно пренебречь.
Однако, при рабочих скоростях МТА 20 и более км/ч (например, у транспортных агрегатов) и значительной скорости ветра (VW>5м/с) силу сопротивления воздушной среды рассчитывают по формуле
PW  CFл
V02
, кН
1,3
(3.59)
где С – коэффициент, учитывающий влияние обтекаемости формы машины
(МТА), вязкости и плотности воздуха; для сельскохозяйственных МТА
С=0,7…0,8 Н·ч2/м4; Vp – рабочая скорость движения МТА, км/ч; V0 – скорость
движения агрегата относительно воздушной среды, V0  (Vp  VW ) , км/ч; VW –
скорость движения воздушного потока (знак «+» берут при движении агрегата
против ветра), км/ч; Fл – площадь лобового сечения агрегата, м2.
Одним из технических путей уменьшения силы сопротивления воздушной среды при передвижении транспортных агрегатов, автомобилей, автопоездов является установка дополнительных обтекателей.
3.3.8 Сила инерции
При равномерном движении силы инерции равны нулю. Но в эксплуатационных расчетах силу инерции определяют, как правило, для решения вопроса
51
о возможности трогания агрегата с места. Особенно это актуально для агрегатов с большой массой машин и имеющих незначительное количественное превышение величины движущей силы над силами сопротивления (3.6).
Силу инерции (Рj, Н) трактора, МТА, автомобиля можно определить по
уравнению
Pj  mj  0,1G a К пм j , кН
(3.60)
где Gа – вес трактора, агрегата, автомобиля, Н; Кпм – коэффициент приведения
масс, для современных агрегатов (машин) может быть принят в пределах
1,1…2,1 с2/м; j – ускорение прямолинейно-поступательного движения трактора
(агрегата), м/с2.
Если нет опытных данных, то значение j ориентировочно можно определить по формуле
j
Vт
,
3,6G a
(3.61)
где ε – коэффициент, ε=7000-14000 Н/с; Vт – теоретическая скорость на данной
передачи КПП трактора (машины), м/с.
Чтобы уменьшить величину j, муфту сцепления при трогании с места
следует включать плавно, но не слишком долго, так как длительное включение
повышает износ ее рабочих поверхностей.
3.3.9 Сила тяги на крюке
Энергетической основой любого мобильного МТА является энергетическое средство – трактор или самоходная машина. Они предназначены для создания движущей агрегат силы, усилия на крюке, передачи энергии к активным
рабочим органам машин. Очевидно, главной задачей при комплектовании агрегата, особенно тягового, выбора его режима работы является обеспечение необходимого усилия на крюке. Величина крюкового усилия у тягового МТА зависит от величины движущей силы, определяемой мощностью двигателя (3.24)
или, если сцепление движителей с почвой недостаточно, силой сцепления
(3.25). Но, как известно усилие на крюке зависит не только от величины движущей силы, но и от величины других составляющих уравнения тягового баланса агрегата (3.8). Величина силы тяги трактора на крюке, кН:
в общем виде
Р кр  Р дв  Р f  P  PW  Pj ;
(3.62)
при равномерном движении МТА на подъеме (3.9)
Р кр  Р дв  Р f  P ;
(3.63)
при равномерном движении агрегата на горизонтальном участке
Р кр  Р дв  Р f .
(3.64)
Или, с учетом формул для расчета составляющих тягового баланса агрегата, усилие тяговое на крюке можно записать:
в общем виде
V02
Р кр  Р дв  G тр f cos   G тр  sin   СFл
 0,1G а К пм j ;
1,3
52
(3.65)
при равномерном движении МТА на подъем
Р кр  Р дв  G тр f cos   G тр sin   Р дв  G тр (f cos   sin ) ;
(3.66)
или, при малых углах подъема (cosα≈1)
Р кр  Р дв  G тр (f  i) ;
(3.67)
при равномерном движении МТА на горизонтальном участке
Р кр  Р дв  G тр f .
(3.68)
Из аналитических выражений видно, что величина тяговой силы трактора
обуславливается его конструкцией (мощностью двигателя, характеристиками
трансмиссии и ходовой части), почвенными условиями, рельефом поля, агротехническими требованиями по скорости движения МТА и буксованию движителей и др.
Таким образом, по величине движущей агрегат силы при достаточном
сцеплении движителей трактора с почвой, сил сопротивления его передвижению и подъему определяют величину возможного усилия на крюке по передачам КПП. Однако при комплектовании агрегата, с учетом условий предстоящей
работы, для преодоления возможных кратковременных сопротивлений (препятствия, повышенное сопротивление почвы и др.) следует предусмотреть запас
тягового усилия:
(3.69)
Р кр.расч  Р нкр  max
Р
или
кр
 max
Р кр 
Р кр.расч
Р нкр
,
(3.70)
где Р нкр - номинальное тяговое усилие трактора на заданной передаче его движения в составе агрегата, кН; принимается на основе тяговых характеристик
тракторов на различных агрофонах и видах технологических операций; Ркр.расч –
расчетное значение тягового усилия, из величины которого исходят при определении количества машин (корпусов плуга) в агрегате при движении на данной передаче, кН; крmax - максимальная величина коэффициента использования
тягового усилия.
На пахоте величина коэффициента использования тягового усилия для
гусеничных и колесных тракторов с двумя ведущими мостами (4К4) находится
в пределах 0,90…0,94, при выполнении непахотных работ (посев, прикатывание, боронование и т.д.) – 0,92…0,96. Для тракторов с одним ведущим мостом
(4К2) величина этого коэффициента на пахоте принимается равной 0,85…0,90,
на непахотных операциях – 0,90…0,92. То есть, исходя из условий работы, состава агрегата запас тягового усилия должен быть от 4 до 15%.
Учитывая, что трактора общего назначения (К-701, Т-150, ДТ-175, Т-4А и
др.) на рабочих передачах могут иметь значительную по величине движущую
силу, которую на непахотных операциях практически невозможно использовать
(иначе пришлось бы ширину захвата рабочих машин Вр увеличивать в 1,5…3 и
более раза, или же увеличивать скорость передвижения сверх агротехнически
допустимой), фактическое значение коэффициента использования усилия на
крюке рассчитывают по формуле
53

ф
P.кр

Р фкр
Р
н
кр

Ra
.
Pкрн
(3.71)
У тракторов общего назначения с повышенной мощностью дизелей при
использовании в составе непахотных агрегатов коэффициент использования тягового усилия может находиться в пределах 0,70…0,90. Это нужно учитывать
при расчете технико-экономических показателей агрегата (производительности,
расхода топлива и др.). Взаимосвязь этих технико-экономических показателей
работы МТА с фактической величиной коэффициента использования тягового
усилия рассмотрена в следующих разделах пособия.
Важнейшим условием эффективного использования энергетических
свойств МТА является учет при комплектовании агрегатов сложной взаимосвязи показателей этих свойств, закономерностей их изменения в различных условиях эксплуатации.
На примере пахотного (агрофон стерня зерновых культур, нормальной
влажности W=22…24%) и бороновального агрегата (агрофон поле, подготовленное под посев) с трактором Т-4А рассмотрим расчет составляющих тягового
баланса агрегата при его равномерном движении на подъеме (α=40) и проанализируем закономерности изменения сил, действующих на агрегат, при выполнении различных полевых работ.
1.
По агротехническим требованиям, рабочие скорости агрегата на
п
вспашке Vр  1,95...3,2 м/с (7,0…12,0 км/ч), на бороновании Vрб  1,0...3,2 м/с
(3,6…12 км/ч); для пахоты (используя тяговые характеристики) принимаем VI
передачу - Vрн  1,95 м/с (7 км/ч), передаточное отношение трансмиссии i0=32,35;
буксование допустимое δ=3%; для боронования принимаем VII передачу Vрн  2,28 м/с (8,20 км/ч), i0=27,96; δ=5%. Двигатель трактора марки А-01М имеет номинальную мощность N нe  99,4 кВт при оборотах номинальных коленчатого вала nн=1700 мин-1; коэффициент использования мощности при работе
 пNe  0,90 ,  бNe  0,80 ; КПД трансмиссии ηтр=0,90; радиус начальной окружности
ведущей звездочки rк=0,385 м; эксплуатационный вес трактора Gтр=75 кН.
2.
Используя формулу (3.30), рассчитаем касательную силу тяги Рк,
кН, и проверим условие ее реализации по сцеплению (Рк≤Рсц):
Р
Р
п
кVI
п
сц

N не  пNe i п0  тр
0,105rк n
н

99,4  0,9  32,55  0,9
 37,9 ;
0,105  0,385 1700
3
 10 mg пд  10 3  7500  9,81 1  0,9  66,2 .
Так как Рсц> Р пк (66,2>37,9), то величина движущей силы при пахоте у агрегата зависит от мощности дизеля, то есть Р пдвVI  37,9 кН (при расчетах Рсц
приняли λ=1;  нд  0,9 ).
Аналогично проведем расчеты для бороновального агрегата:
Р бкVII 
99,4  0,8  27,96  0,9
 29,1 кН.
0,105  0,385  1700
При λ=1;  нд  0,7 (таблица 3.2) сила сцепления
Р бсц  10 3  7500  9,81  1  0,7  51,5 кН.
54
Величина Р бсц больше Р бк (51,5>29,1), поэтому величину движущей силы
принимаем Р бдвVII  21,9 кН.
3. Тяговое усилие трактора при равномерном движении МТА на подъеме
Р кр  Р дв  G тр (f  i) ;
п
при f =0,08; f б =0,1 (таблица 3.3); i=0,07
Р пкрVI  37,9  75(0,08  0,07)  37,9  11,3  26,6 кН;
Р бкрVII  29,1  75(0,1  0,07)  29,1  12,8  16,3 кН.
При движении МТА на подъеме Pfп  6 кН; Pfб  7,5 кН; Р   5,3 кН.
4. Коэффициент фактического использования усилия на крюке тракторов
при Р нкVI  37 кН на стерне; Р нкрVII  28,7 кН на поле, подготовленном под посев
(ППП) будет равен:
26,6
16,3
 0,72; бР кр 
 0,57 .
37
28,7
меньше max
Р кр , значит, режим работы агрегатов можно запР КР 
Величина пР,б
планировать на более высоких скоростях: на пахоте VpVII=8,4 км/ч при
Pкрн  30 кН; на бороновании VpVII=9,52 км/ч при Pкрн  24,8 кН.
Таким образом, один и тот же трактор в составе различных МТА и при
разных режимах работы имеет различные по величине составляющие тягового
баланса агрегата. В заданных условиях эксплуатации, зная сопротивление рабочих машин и усилия на крюке трактора, можно определить количество корпусов плуга (марку плуга) и борон в агрегате.
кр
55
Глава 4 БАЛАНС МОЩНОСТИ АГРЕГАТОВ
4.1 Уравнение баланса мощности
Эффективная мощность двигателей (дизелей) тракторов и самоходных
машин является важнейшим показателем потребительских свойств машиннотракторного агрегата, определяющим его производительность при реализации
механизированных процессов в растениеводстве. В предыдущих разделах мы
определили, что величина эффективной мощности является первым пределом
(при достаточном сцеплении движителей с почвой), от которого зависят величина движущей агрегат силы, тяговое усилие и рабочая скорость МТА.
Однако уравнение тягового баланса агрегата показывает, что не вся мощность двигателя преобразуется в полезную работу агрегата, значительная часть
ее затрачивается на преодоление сил сопротивления, действующих на МТА при
движении. Одновременно с этим повышение эффективной мощности увеличивает величину движущей силы только в случае достаточного сцепления движителей тракторов с почвой. В противном случае вторым пределом ограничения
движущей силы агрегата по величине является сила сцепления при допустимом
по агротребованиям буксовании движителей.
Важным обобщенным эксплуатационным параметром тракторов является
коэффициент использования сцепного веса трактора:
 кр.с 
Р кр
G сц

Р кр
10 3 mg
,
(4.1)
откуда
Р кр   кр.с G cц .
(4.2)
Следовательно, увеличивая мощность двигателя с целью интенсификации
нагрузочно-скоростного режима работы агрегата ( Pкрн , Vрн ) необходимо увеличивать одновременно массу трактора в целом и его агрегатов (ДВС, трансмиссии,
ходовой системы и др.) в отдельности. В настоящее время установлено, что для
получения номинального значения усилия на крюке коэффициент сцепного веса должен иметь следующие значения.
Таблица 4.1 – Оптимальный коэффициент использования веса трактора
(  кр 
Р кр
G тр
)
Тип движителя
Гусеничный
Колесный 4К4
Колесный 4К2
Агрофон
стерня
0,50…0,55
0,40…0,45
0,37…0,39
вспаханное поле
0,40…0,45
0,35…0,45
0,30…0,35
Значения коэффициента показывают, что существенная часть движущей
силы, мощности дизелей при использовании агрегатов затрачивается на преодоление различных сил сопротивления.
56
Не вся номинальная (максимальная – паспортная) мощность двигателя
идет на создания тяговой и приводной мощности агрегата: часть ее (рисунок
4.1) расходуется на привод вспомогательных механизмов и систем трактора,
самоходной машины Nвсп (компрессоров, электрогенераторов, гидронасосов рулевого управления и гидронавесных систем и др.).
При работе двигателя в реальной эксплуатации агрегатов происходит
снижение эффективной мощности из-за того, что моменты сил сопротивления
агрегата, приведенные к коленчатому валу двигателя, всегда имеют переменный (стохастический) характер по частоте и амплитуде. Это вызывает рассогласование в работе систем и механизмов двигателя (воздухо- и топливоподачи,
выпуска отработанных газов и др.). Экспериментально доказано, что снижение
мощности тем больше, чем больше динамичность изменения момента сопротивления на валу двигателя, снижение может достигать 20…30% номинальной
мощности двигателя. В результате происходит «недобор» мощности Nс как
следствие неустановившегося (стохастического) режима работы двигателя.
Для преодоления кратковременных сопротивлений во время работы МТА
(резкое увеличение сопротивления рабочих машин, трогание с места и т.д.) рекомендуется при комплектовании МТА часть мощности двигателя Nр резервировать. Величина ее в зависимости от вида технологической операции и состояния обрабатываемой среды может составлять от 5 до 40% номинальной
мощности. Таким образом, так называемые внутренние потери мощности двигателя Nв=Nвс+Nс+Nр.
С учетом изложенного фактическую мощность двигателя N фе , которая
может быть использована для тяги и привода рабочих органов машин, передвижения агрегата с заданным нагрузочно-скоростным режимом работы, определяют из уравнения
N фе  N не  ( N всп  N с  N р ) , кВт
(4.3)
и оценивают коэффициентом ξNe, показывающим, какая часть номинальной
мощности двигателя может быть направлена на передвижение агрегата, тягу и
привод рабочих органов машин:
 Ne 
N всп  N е  N р
N фе
 1
.
н
Nе
N не
(4.4)
Как видно из схемы (рисунок 4.1), в зависимости от вида мобильного агрегата (вида энергетических потоков к рабочим органам машин) фактическая
мощность от двигателя передается на его передвижение и на: тягу рабочих машин – тяговые МТА; привод рабочих органов машин (через ВОМ, гидромоторы, электродвигатели, пневмодвигатели и др.) – приводные МТА (самоходные
комбайны, шасси и др.); тягу машин и привод их рабочих органов – тяговоприводные.
57
Рисунок 4.1 – Схема использования номинальной мощности двигателя
при работе МТА
С учетом сил, действующих на МТА при его движении (рисунок 4.2),
структуру использования номинальной эффективной мощности можно отразить
в виде баланса мощности агрегата. Балансом мощности агрегата называется уравнение, которое показывает, на какие составляющие затрачивается
эффективная мощность двигателя энергетического средства.
Следовательно, баланс мощности мобильных МТА в развернутом виде выглядит так:
N не  N всп  N е  N р  N тр  N f  N   N   N W  N j  N кр  N пр 
 N в  N пот  N кр  N W  N j  N пр ,
(4.5)
где Nтр, Nf, Nδ – затраты (потери) мощности на привод механизмов трансмиссии, передвижение трактора или самоходной машины и буксование их движителей, кВт; Nα, NW, Nj – затраты (потери) мощности на преодоление сил сопротивления: подъему трактора или самоходной машины, воздушной среды, инерции, кВт; Nкр – полезные затраты на создание мощности тяговой (крюковой),
кВт; Nпр – затраты мощности на привод рабочих органов машин (ВОМ, тяговых
модулей, генераторов энергии и др.), кВт; Nв = Nвсп+Nс+Nр – внутренние потери
мощности, кВт; N пот  N тр  N f  N   N  , кВт.
С учетом (4.4, 4.5) уравнение баланса фактической мощности двигателя
можно записать в виде
N фе  N не  Ne  N тр  N f  N   N   N W  N j  N кр  N пр .
(4.6)
С точки зрения физической сущности баланса мощности МТА последовательность написания составляющих баланса затрат мощности должна быть адекватна последовательности передачи энергии от маховика двигателя к рабочим
органам реальных агрегатов. И здесь важно понимать главное в физике процесса: целью передачи мощности N фе от маховика к рабочим органам машин явля58
ется выполнение агрегатом полезной работы – получение N кр , N пр , но их величина при эксплуатации агрегатов зависит от величины опережающих потерь
мощности на преодоление различных сил сопротивления. Крайний случай возможен, когда вся фактическая мощность двигателя израсходуется на компенсацию различных потерь мощности (например, при полном буксовании движителей). Значит, величина полезных затрат мощности ( N кр , N пр ), которые определяют технико-экономическую целесообразность применения МТА, зависит не
только, и не столько от величины номинальной мощности двигателя, сколько
от величины потерь мощности на преодоление различных сопротивлений при
работе агрегата. Эту взаимосвязь можно выразить графически (рисунок 4.2) и
уравнением
( N кр  N пр )  N не  Ne  ( N тр  N f  N   N   N W  N j ) .
(4.7)
Рисунок 4.2 – Схема баланса мощности МТА в условиях эксплуатации
С учетом принятых допущений при рассмотрении тягового баланса агрегата (Pj=0, PW=0) и (4.6) уравнение баланса мощности при равномерном
движении тягово-приводного агрегата будет включать в себя следующие затраты мощности:
на подъеме (спуске)
N не  Ne  N фе  N тр  N f  N   N   N кр  N пр ;
(4.8)
а на горизонтальном участке
N фе  N тр  N f  N   N кр  N пр .
(4.9)
Баланс мощности тягового агрегата при равномерном движении:
на подъеме (спуске)
N фе  N тр  N f  N   N   N кр ;
(4.10)
на горизонтальном участке
N фе  N тр  N f  N   N кр .
(4.11)
Баланс мощности приводного мобильного агрегата (самоходной машины) при равномерном движении:
на подъеме (спуске)
59
N фе  N тр  N f  N   N   N пр ;
(4.12)
на горизонтальном участке
N фе  N тр  N f  N   N пр .
(4.13)
Здесь уместно отметить, что потери мощности на буксование, несмотря
на отсутствие усилия на крюке (Ркр=0), обусловлены повышенной влажностью
почвы, состоянием движителей, преодолений временных препятствий и др. В
нормальных же условиях эксплуатации Nδ=0, следовательно, уравнение баланса
мощности имеет вид
N фе  N тр  N f  N пр .
(4.14)
Анализ уравнений баланса мощности при движении МТА (4.6, 4.7, 4.8), и
его графическое представление (рисунок 4.1) показывают, что величина полезных составляющих баланса ( N кр , N пр ) зависит от численного значения потерь
мощности. Очевидно, что изменчивость сил, действующих на агрегат, обуславливает при его эксплуатации и закономерную вариацию составляющих баланса
мощности.
Все многообразие МТА по способу преобразования энергии двигателя в
полезную работу можно свести к нескольким структурным схемам:
- мощность эффективная двигателя трактора (самоходной машины) реализуется через тягу и скорость его движения, то есть через движители – налицо
тяговый МТА;
- к способу, названному выше, добавляется реализация через ВОМ на
привод активных рабочих органов машин – в этом случае агрегат тяговоприводной (традиционный);
- мощность эффективная двигателя самоходной машины реализуется частично через скорость ее движения, то есть через движители машины; большая
ее часть реализуется через различного рода передаточные устройства на рабочие органы сельхозмашин – это приводной агрегат;
- мощность эффективная двигателя трактора (самоходной машины) реализуется через скорость его движения и частично через тягу, то есть через движители трактора (самоходной машины), но в большей мере передается через
силовые передаточные устройства (ВОМ, генератор, электродвигатель, коммутаторы):
а) на тяговые модули, определяющие тягу и скорость передвижения рабочих машин (разработанный в ЧГАУ оригинальный МЭС с тягово-приводными
модулями, имеющий электродвигатель);
б) на электрические устройства – электроды (оригинальный агрегат –
электропропольщик ЧГАУ);
Известны и другие единичные (опытные) экземпляры МТА, отличающиеся структурой баланса мощности, в т.ч. в составе их могут быть рабочие машины с собственным двигателем (прицепной силосоуборочный комбайн ЦелинИМЭСХ).
60
4.2 Закономерности изменения составляющих баланса
мощности тягового МТА
При равномерном движении тягового агрегата (пахотного, посевного, бороновального и т.д.) на подъеме мощность эффективная двигателя трактора
расходуется на создание усилия на крюке Ркр и рабочей скорости движения Vp,
то есть на создание тяговой мощности Nкр. Причем, чем выше передача КПП,
тем больше будет величина рабочей скорости движения агрегата, но меньше
усилие на крюке и наоборот. Величина мощности на крюке трактора (определяющая в последующем величину полезной работы агрегата) зависит от соотношения фактической мощности двигателя и потерь мощности на преодоление
сил сопротивления:
N кр  N фе  ( N тр  N f  N   N  ) ,
(4.15)
при движении агрегата на горизонтальном участке
N кр  N фе  ( N тр  N f  N  ) .
(4.16)
Таким образом, при движении агрегата на подъеме часть мощности двигателя теряется в трансмиссии Nтр, на самопередвижение трактора Nf; на буксование ходовой части Nδ; на преодоление подъема Nα. Оставшаяся часть мощности двигателя затрачивается на создание полезной мощности на крюке трактора
Nкр (тяговой мощности). Величина мощности на крюке при работе тяговых агрегатов в различных условиях работы определяется величиной общих потерь
мощности, а в последующем величинами усилия на крюке (сопротивление рабочих машин, агрегата Rа) и рабочей скоростью движения (рисунок 4.3).
Зная закономерности изменения составляющих баланса мощности, взаимосвязи их величин с параметрами МТА и условиями использования, можно
осуществлять рациональное комплектование агрегатов, выбирать лучшие нагрузочно-скоростные режимы использования.
4.2.1 Потери мощности в трансмиссии
Потери мощности в трансмиссии происходят вследствие трения рабочих
поверхностей зубьев шестерен, взбалтывания и разбрызгивания масла и трения
в подшипниках опорных валов. В гусеничных тракторах имеют место дополнительные потери на трение в шарнирах на ведущих участках гусениц.
Величину потери мощности в трансмиссии и на ведущем участке гусениц
оценивают механическим КПД трансмиссии, который определяют опытным
путем. Величина механического коэффициента полезного действия трансмиссии зависит от количества пар шестерен, находящихся в зацеплении, их типа и
качества обработки, состояния зубьев и подшипников, качества смазки.
Общий КПД трансмиссии определяется перемножением КПД отдельных
пар передач:
 тр  цn кk гус 
61
Nк
,
N фе
(4.17)
где ц , к , гус - КПД цилиндрической и конической передач и КПД, учитывающий механические потери на ведущих участках гусеницы; n, k – количество пар
шестерен соответственно цилиндрических и конических .
Этот коэффициент находится в пределах: для колесных машин –
0,90…0,92; для гусеничных – 0,86…0,88.
Рисунок 4.3 – Схема баланса мощности тягового агрегата
Таблица 4.2 – Коэффициенты полезного действия передач
Тип передач
КПД передач
Цилиндрическая пара шестерен
0,96…0,98
Коническая пара шестерен
0,94…0,97
Червячное зацепление
0,83…0,87
Цепная передача
0,92…0,96
КПД на ведущих участках гусеницы
0,95…0,86
Потери мощности в трансмиссии определяются из уравнения баланса
мощности для равномерного движения:
N тр  N фе  ( N кр  N f  N   N  )  N фе  N к ,
(4.18)
где Nк – мощность на ведущих колесах. С учетом (4.17) ее определяют из уравнения
62
N к  N фе  тр .
(4.19)
Следовательно, потери мощности в трансмиссии
N тр  N фе  N фе  тр  N фе (1   тр ) .
(4.20)
4.2.2 Потери мощности на буксование
Потери мощности на буксование и извилистый ход агрегата Nδ зависят от
физико-механических свойств почвы, агрофона, конструкции движителей трактора и усилия на крюке. Они рассчитываются по формуле
N  Nк .
(4.21)
Так как при достаточном сцеплении движителей с почвой
N к  Р к Vт  Р дв Vт ,
(4.22)
то потери мощности на буксование трактора
N   Р дв Vт  ,
(4.23)
N   N фе  тр  .
(4.24)
или, с учетом (4.19):
4.2.3 Коэффициент буксования
До определенного момента буксование возрастает пропорционально касательной силе тяги, после чего буксование резко возрастает.
При холостом ходе трактора (Ркр=0) буксование практически равно нулю,
то есть приближенно можно считать, что скорость движения трактора равна
теоретической скорости Vт. Характер изменения буксования в зависимости от
силы тяги гусеничных и колесных тракторов на различных агрофонах показан
на рисунке 4.4.
Величину коэффициента буксования трактора, самоходных машин (гусеничных и колесных) на различных агрофонах определяют опытным путем непосредственно в поле. На ровном горизонтальном участке поля отмеряют участок длиной 100 – 200 м. Во время движения трактора на участке замеряют
число оборотов ведущего колеса или гусеницы трактора.
Первый проход трактора делают без нагрузки на прицепном крюке и подсчитывают обороты ведущих колес nхх за время прохождения отмеренного участка. При втором проходе на том же участке трактор движется при заданной
(фиксированной) нагрузке на крюке (Ркр=Ркр1, Ркр2, Ркр3,…,Ркрn). Обороты ведущих колес при движении трактора под нагрузкой (np=np1, np2, np3,…,npn) вследствие буксования их увеличиваются, то есть np>nxx.
63
Рисунок 4.4 – Изменение буксования в зависимости от усилия на крюке,
типа ходовой системы трактора и агрофона
Далее рассчитывают коэффициент буксования при различных значениях
усилия на крюке Pкрi:
i 
n pi  n xx
n pi
100% .
(4.25)
Полученные на основе анализа многочисленных опытных данных энергетические зависимости позволяют довольно точно определить коэффициенты
буксования на различных агрофонах движения тракторов в зависимости от нагрузки (усилия) на крюке. При выборе максимальной величины тягового усилия и соответствующей передачи трактора необходимо добиваться, чтобы буксование движителей не превышало допустимые значения (до 5% - для гусеничных тракторов; до 15% - для колесных 4К4 и до 18% - для колесных 4К2 тракторов, что обусловлено агротребованиями).
Как видим, буксование непосредственно зависит от тягового усилия Ркр
трактора. Однако, чтобы получить обобщенные зависимости для однотипных
тракторов на одноименных почвенных фонах, значение δ удобнее определять в
функции коэффициента использования эксплуатационного веса трактора тр
(удельной силы тяги):
 Р кр Р кр 
 .
  f (Pкр )  f 

G
mg


(4.26)
При практических расчетах эту зависимость достаточно точно описывает
эмпирическая формула

а кр
b   кр
,
(4.27)
где a, b – эмпирические коэффициенты, значения которых для тракторов основных типов приведены в таблице 4.3.
64
Таблица 4.3 – Усредненные значения эмпирических коэффициентов a, b
Агрофон
поле, подготовленное
стерня
под посев
a
b
a
b
0,141
0,615
0,248
0,712
Тип трактора
Колесный 4К2 (типа
МТЗ-80)
Колесный 4К4 (типа
МТЗ-82)
Колесный 4К4 (типа Т150К, К-700)
Гусеничный
0,193
0,919
0,212
0,880
0,110
0,773
0,083
0,609
0,009
0,777
0,044
0,869
Характер изменения буксования δ в функции φкр (4.27) показан на рисунке 4.5. Очевидно, на основе δдоп можно определить соответствующие значения
коэффициента использования эксплуатационного веса трактора φкр, а по этому
весу рассчитать допустимое тяговое усилие трактора в конкретных условиях
работы МТА (таблица 4.4).
Вследствие буксования происходит снижение скорости движения агрегата:
V  Vт  Vр ,
(4.28)
где Vт – соответствует nхх ведущего колеса, а Vp соответствует np.
Следовательно, с учетом (4.28) буксование можно определить по уравнению

Vт  Vр
Vт
100% ,
(4.29)
Таблица 4.4 – Буксование и удельная сила тяги (коэффициент использования эксплуатационного веса трактора кр)
а) для колесных тракторов
Показатель
 кр 
Р кр
G тр
0
5
10
Буксование, %
20
30
50
Стерня
0
0,20
0,32
0,47
0,55
0,60
0,62
0,63
Вспаханное
поле
0
0,18
0,29
0,41
0,48
0,52
0,54
0,55
Залежь
0
0,40
0,60
0,85
0,91
0,95
0,96
0,97
Агрофон
65
70
100
б) для гусеничных тракторов
Показатель
 кр 
Р кр
G тр
Агрофон
Стерня
Вспаханное
поле
Залежь
0
0
Буксование, %
2
3
5
10
20
40
70 100
0,45 0,56 0,64 0,71 0,78 0,82 0,84 0,85
0
0,27 0,38 0,47 0,55 0,64 0,67 0,69 0,70
0
0,30 0,60 0,73 0,85 0,92 0,99 1,05 1,10
потери мощности на буксование с учетом (4.22 и 4.27) можно рассчитать по
формуле
N  Nк
Vт  Vр
Vт
(4.30)
или
N   Р дв (Vт  Vр )  Р дв V .
(4.31)
Рисунок 4.5 – Зависимость буксования от коэффициента использования
эксплуатационного веса трактора
По определению, коэффициент полезного действия ведущих органов
тракторов, учитывающий потери мощности от буксования движителей, определяется соотношением
 
Nк  N Nк N
N


 1   1  ,
Nк
Nк Nк
Nк
(4.32)
следовательно:
N   N к   N к (1   ) .
(4.33)
В целом, с учетом (4.19), получим:
N   N фе  тр   N фе  тр (1   ) .
66
(4.34)
4.2.4 Потери мощности на передвижение трактора
Потери мощности на передвижение трактора Nf зависят от его веса, физико-механических свойств почвы, агрофона и скорости передвижения агрегата.
На горизонтальном участке из уравнения баланса мощности (4.11)
N f  N фе  ( N тр  N   N кр )
(4.35)
или
N f  Р f Vp  G тр fVр ;
(4.36)
при движении на подъеме
N f  N фе  ( N тр  N   N   N кр )
(4.37)
или
N f  G тр fVр cos  .
(4.38)
Потери мощности на передвижение трактора характеризуются коэффициентом полезного действия:
f 
N кр
Nк  N
.
(4.39)
По законам механики, мощность есть произведение силы на скорость,
следовательно: N кр  Pкр Vр , тогда (с учетом 4.22, 4.28)
f 
Pкр Vр
Pдв Vт  Pдв V

Pкр Vр
Pдв (Vт  V)

Pкр
Pдв
.
(4.40)
На горизонтальном участке движущая сила затрачивается на Рдв=Ркр+Рf,
следовательно:
f 
Р кр
Р кр  Р f

Р кр
Р кр  G тр f

1
1
.
G тр f
(4.41)
Р кр
4.2.5 Потери мощности на подъем
Потери мощности трактора при движении на подъеме Nα зависит от его
веса и угла подъема
N   P Vp  G тр sin Vр  G тр iVр ,
(4.42)
или, из уравнения баланса мощности агрегата (4.10):
N   N фе  ( N тр  N   N f  N кр ) .
(4.43)
Величину мощности на крюке при его работе на горизонтальном участке
можно определить по формуле (4.16) на подъеме – по (4.15) или же по формуле
N кр  Р кр Vр .
(4.44)
Таким образом, только часть мощности двигателя создает полезную
мощность на крюке (тяговую мощность). Ее величина зависит не только от значения фактической мощности двигателя, но часто в большей мере от величины
потерь мощности на преодоление сил сопротивления, действующих на агрегат
при эксплуатации.
67
4.2.6 Тяговый КПД трактора
Отношение мощности на крюке (тяговой мощности) к мощности
двигателя, которая израсходована на создание мощности на крюке, называется тяговым КПД трактора:
т 
N кр

ф
Nе
N к N к  N  N кр
.
Nк
Nк  N
N фе
(4.45)
Полный механический, или тяговый, КПД трактора есть произведение
отдельных коэффициентов полезного действия:
 т   тр (1  )
Pкр
Pкр  Pf
  тр  f .
(4.46)
Очевидно, что при движении агрегата на подъеме мощность на крюке
уменьшится на величину затрат мощности двигателя трактора на преодоление
сил сопротивления его подъему (4.42).
Следовательно, значение тягового КПД трактора на подъеме ηтα определяется по уравнению
 т 
N кр.гор  N 
N
ф
е

N кр  N 
N к N к  N  N кр
,
ф
Nк
Nк  N Nк  N  Nf  N
Nе
(4.47)
где Nкр.гор – мощность на крюке трактора при работе МТА на горизонтальном
участке, кВт,
или
 т   тр (1  )
Pкр  Р 
Pкр
Pкр  Pf Pкр  Pf  Р 
  тр  f  .
(4.48)
Значения некоторых коэффициентов для современных агрегатов, имеющих в составе колесные или гусеничные тракторы в разнообразных условиях
эксплуатации, приведены в таблице 4.5.
Таблица 4.5 – Величины КПД тракторов
Тип трактора
ηтр
ηδ
Колесные: диапазон
0,85…0,93 0,60…0,90
в среднем
0,88
0,75
Гусеничные: диапазон 0,83…0,92 0,85…0,98
в среднем
0,87
0,92
ηf
0,50…0,90
0,70
0,60…0,92
0,76
ηт
0,30…0,73
0,52
0,40…0,80
0,60
Физический смысл значений тяговых КПД тракторов, работающих в составе полевых тяговых агрегатов, означает следующее.
Как видно (таблица 4.5), величина тягового КПД тракторов при использовании в составе полевых агрегатов в среднем находится в пределах 0,52…0,60.
Это означает, что только 52-60% эффективной мощности двигателя трактора,
направленной на создание мощности на крюке, «дошло» до него, а 40…48%
энергии потеряно при передаче ее через механизмы трансмиссии и движители
трактора. Наибольшие затраты мощности идут на передвижение агрегата.
Только 55…85% мощности передаваемой с движителей (ведущих колес) на
крюк трактора, преобразуется в тяговую мощность; 15…45%, в зависимости от
68
состава агрегата и условий эксплуатации, затрачивается на буксование движителей и передвижение трактора. Повышенные потери мощности имеют место
при работе МТА с колесными тракторами на рыхлых почвах, меньше потери
мощности у агрегатов с гусеничными тракторами на плотных почвах (стерня,
залежь и др.). Важно отметить значительный диапазон изменения составляющих тягового КПД трактора (ηδ, ηf) и непосредственно его величины
(ηт=0,30…0,80). Это свидетельствует о преимущественном влиянии на структуру баланса мощности и физико-механических свойств почвы, вида выполняемой технологической операции агрегатом (агрофона) и его скорости движения.
Графическое представление баланса мощности, его изменения в зависимости от усилия на крюке (рисунок 4.6) показывает:
а) при работе колесных тракторов (4К2) в составе полевых МТА величина
мощности на крюке в основном не превышает 55% от N фе (рисунок 4.6 а, б). С
увеличением усилия на крюке интенсивно увеличиваются потери мощности на
буксование, особенно на рыхлой почве, так как повышается буксование ведущих колес;
Рисунок 4.6 – Баланс мощности тракторов МТЗ-50 (а, б) и ДТ-75 (в, г)
б) при использовании в составе полевых МТА гусеничных тракторов потери мощности на перекатывание и особенно буксование (при рациональном
69
Ркр, когда Nкр имеет наибольшее значение) значительно меньше мощности на
крюке, то есть величина ηт>0,5…0,6 (рисунок 4.6 в, г).
Вместе с указанным отметим общую закономерность – при работе тракторов (колесных и гусеничных) в составе агрегатов на поле, подготовленном
под посев, потери мощности на крюке увеличиваются: N кр  N крmax1  N крmax2 ; потери
мощности в трансмиссии (в диапазоне скоростей движения Vр=5…10 км/ч)
практически изменяются незначительно.
Однако при работе тракторов в составе агрегатов на повышенных скоростях (рисунок 4.7), следовательно, при малых усилиях на крюке, потери мощности на передвижение тракторов интенсивно возрастают, увеличиваются и потери мощности в трансмиссии (увеличивается частота вращения валов, шестерен, интенсивнее перемешивается масло). Улучшение сцепных свойств у трактора МТЗ-82 за счет двух ведущих мостов (4К4) позволяет, по сравнению с
трактором МТЗ-80 (4К2) существенно уменьшить потери мощности на буксование, увеличить мощность на крюке при одинаковой величине мощности двигателя ( N кр  N крmax2  N крmax1 , в точке С).
.
Рисунок 4.7 – Изменение структуры и величины составляющих баланса
мощности тягового агрегата в зависимости от скорости движения
Важно отметить, что величина мощности на крюке тракторов в составе
тяговых агрегатов в наибольшей мере зависит от соотношения (взаимосвязи)
усилия на крюке и рабочей скорости агрегата (см. рисунок 4.3).
С увеличением рабочей скорости Vр мощность на самопередвижение
трактора Nf возрастает, мощность на буксование убывает, как показано на рисунке 4.7.
70
Уменьшение Nδ с увеличением Vр вызвано тем, что коэффициент буксования возрастает с повышением тягового усилия Ркр (рисунки 4.4, 4.5), которое
в свою очередь с увеличением скорости (уменьшением передаточного отношения трансмиссии i0) уменьшается.
Таким образом, с увеличением рабочей скорости агрегата Vр одно слагаемое (Nf) мощностного баланса увеличивается, другое слагаемое (Nδ) уменьшается и имеет место оптимальная скорость Vр.опт, при которой сумма Nf+ Nδ
будет минимальной, а полезная мощность тяговая максимальной N крmax (см. рисунок 4.7).
Исходя из этого, при прочих равных условиях, с учетом агротехнических
требований желательно использовать МТА на рабочей скорости, равной или
близкой к оптимальной.
4.3 Баланс мощности тягово-приводного МТА
4.3.1 Структура баланса мощности
При работе тягово-приводного агрегата мощность, развиваемая двигателем, распределяется по двум направлениям (рисунок 4.8): через вал отбора
мощности трактора к рабочим механизмам машин Nпр.ВОМ и через ведущие колеса (движители) для образования усилия на крюке и рабочей скорости передвижения агрегата (NкрVр). Уравнение баланса мощности двигателя направленной на создание скорости передвижения и мощности на крюке, закономерности
Рисунок 4.8 – Баланс мощности тягово-приводного агрегата
71
изменения его составляющих аналогичны таковым в предшествующем разделе
(4.2), с той лишь разницей, что составляющие баланса мощности тяговой части
агрегата в тягово-приводном агрегате, в частности мощность на крюке, буксование будут меньше. Поэтому рассмотрим вторую часть общего баланса мощности тягово-приводного агрегата – баланс мощности двигателя, идущей на
привод рабочих органов машин через ВОМ трактора (Nпр.ВОМ).
Привод в действие механизмов машин (рабочих органов и движителей)
через ВОМ энергетически более эффективен, так как передача мощности к активным органам машин, по сравнению с передачей мощности на крюк трактора, не вызывает буксования движителей. Эффект обусловлен тем, что КПД передачи ВОМ выше, чем КПД тяговый трактора и активные рабочие органы не
создают практически сколько-нибудь значимого тягового сопротивления.
4.3.2 Расчет мощности на ВОМ
Мощность NВОМ, расходуемую на привод рабочих органов (и активных
движителей машин при их наличии) машин (орудий) через ВОМ, находят из
выражения
(4.49)
N 0  N ВОМ  10 4 М 0 n 0 , кВт
где М0 – крутящий момент, подводимый к ВОМ, Н·м; n0 – частота вращения вала, об/мин-1.
Так как
N ВОМ  N пр.ВОМ  ВОМ ,
(4.50)
то
N пр.ВОМ 
N ВОМ
,
 ВОМ
(4.51)
где Nпр.ВОМ – мощность двигателя (часть мощности N фе ), направленная на создание мощности на ВОМ трактора, кВт; ηВОМ – механический КПД передачи
энергии к ВОМ, ηВОМ=0,95;
 ВОМ 
N ВОМ
.
N пр.ВОМ
(4.52)
Значит, КПД механический передачи мощности от двигателя к ВОМ
трактора есть отношение полученной мощности на валу отбора мощности к той
части мощности двигателя, которая пошла на создание NВОМ.
Следовательно, потери мощности при ее передаче на ВОМ
N тр.ВОМ  N пр.ВОМ  N ВОМ ,
(4.53)
или с учетом (4.50)
N тр.ВОМ  N пр.ВОМ  N пр.ВОМ  ВОМ  N пр.ВОМ (1   ВОМ ) . (4.54)
Мощность на ВОМ, необходимую для привода рабочих органов конкретной машины (таблица 4.6), определяют в виде суммы:
N ВОМ  N ВХ  N ВТ ,
(4.55)
72
где NВХ – мощность на привод рабочих органов сельскохозяйственной машины,
приводимых от ВОМ при холостом ходе (без растительной массы), кВт; NВТ –
мощность, требуемая непосредственно на обработку технологического материала (силосной, хлебной, картофельной массы и др.), кВт.
Таблица 4.6 – Мощность, затрачиваемая на привод ВОМ машин
Затраты мощности на
Наименование машин
Марка машины
привод ВОМ, кВт
Силосоуборочный комбайн
КС-2,6
16,4…22,7
Свеклоуборочный комбайн
РКС-4
16,0…22,0
Картофелеуборочный комККУ-2А
30,0…40,0
байн
Картофелекопатели
КТН-2Б
20,0…25,0
Картофелесажалка
СКН-4
5,0…8,0
Разбрасыватель удобрений
РУМ-5
18,0…22,0
Пресс-подборщик
ПС-1,6
6,0…9,0
Опрыскиватель полевой
ОП-450
30,0…40,0
Косилка
КТП-6
10,0…13,0
Жатка рядковая скоростная
ЖРС-4,9
6,5…13,5
Для однотипных машин величину NВХ приближенно принимают пропорциональной пропускной способности qн (кг/с):
N ВХ  С NX q н ,
(4.56)
где СNX – коэффициент пропорциональности, СNX≈0,2…0,3 кВт/(кг/с).
Мощность NВТ обычно принимают пропорциональной подаче (пропускной способности) обрабатываемого материала:
N ВТ  а NТ q н  q  а NT b м Vр U Т  q ,
(4.57)
где аNT – потребная удельная мощность, кВт/(кг/с), в зависимости от типа машины аNT=1,0…1,7; ξq – коэффициент использования пропускной способности,
q 
qф
qн
; UТ – норма сбора
или распределения технологического материала
(урожая, удобрений и т.д.), кг/м2; b – ширина захвата машины, м
С учетом (4.52, 4.53, 4.55) баланс мощности приводной части МТА можно записать в виде
N пр.ВОМ  N ВОМ  N тр.ВОМ  N ВХ  N ВТ  N пр.ВОМ (1   ВОМ ) .
(4.58)
В обобщенном виде уравнение баланса мощности тягово-приводного агрегата на горизонтальном участке записывают следующим образом (рисунок
4.8):
N не  N в  N фе  N В  N крV  N пр.ВОМ .
(4.59)
Или, без учета N в ( N фе  N кр.V  N пр.ВОМ ) :
N фе  N тр  N   N f  N кр  N ВОМ  N тр.ВОМ ,
(4.60)
при движении агрегата на подъеме (спуске)
N фе  N тр  N   N f  N   N кр  N ВОМ  N тр.ВОМ .
(4.61)
73
У современных тягово-приводных агрегатов через ВОМ может передаваться до 20…40 кВт, следовательно, на эту же величину меньше будет передаваться мощности через тяговый канал (на Nкр). Учитывая, что сопротивление
приводных рабочих машин, обуславливающее величину тягового усилия трактора, в основном определяется величиной их сопротивления перекатыванию
(относительно невелико), при малых Ркр практически незначительны будут потери мощности на буксование. Очевидно, это предопределит более эффективное использование мощности двигателя, повышение общего КПД трактора и
агрегата.
4.3.3 КПД трактора в составе тягово-приводного МТА
КПД трактора в составе тягово-приводного агрегата есть отношение полезных мощностей к мощности фактической двигателя, которая была направлена на их создание:
 о.т пр 
N кр  N ВОМ
N фе
.
(4.62)
Тяговый КПД трактора в составе тягово-приводного агрегата определяется отношением мощности на крюке к части мощности двигателя (Nкр.V), направленной на создание мощности на крюке:
 о.т пр 
N кр
N кр.V

N кр
N  N пр.ВОМ
ф
е

N кр
N

N   ВОМ 
  ВОМ 
.
(4.63)
ф
е
Следовательно:
N кр  ( N фе  N пр.ВОМ )о.т пр .
(4.64)
Чем больше мощности от двигателя передается на ВОМ трактора для
привода активных рабочих органов сельскохозяйственных машин в тяговоприводном МТА, тем меньше потребуется усилия на крюке, что предопределит
одновременно снижение потерь мощности на буксование трактора. У таких агрегатов нет необходимости обеспечивать значительные усилия на крюке, следовательно, не требуется иметь тракторы с большим сцепным (эксплуатационным) весом. Поэтому у тягово-приводных агрегатов значительно меньше (относительно тяговых МТА) потери на передвижение энергетического средства и в
его трансмиссии.
4.4 Баланс мощности зерноуборочного комбайна (самоходной машины)
4.4.1 Уравнение баланса мощности приводного агрегата
Принципиальным отличием физического процесса реализации мощности
двигателя у самоходной машины (кормо– и зерноуборочные комбайны и др.) от
тягово-приводного МТА является отсутствие сопротивления на крюке (Ркр=0),
74
так как все рабочие машины смонтированы на остове энергетического средства
(двигатель – передаточные устройства – ходовая часть).
При работе комбайн расходует (рисунок 4.9) энергию на передвижение и
технологический процесс (скашивание, обмолот, сепарацию, транспортирование хлебной массы и т.д.). Расход мощности двигателя зависит от состояния
хлебной массы, рельефа поля, состояния почвы, основных параметров комбайна и режимов его работы (Vp, qн·ξq) – уровень использования пропускной способности молотилки).
Рисунок 4.9 – Схема баланса мощности зерноуборочного комбайна
(приводной агрегат)
Уравнение баланса мощности зерноуборочного комбайна (ЗУК) при равномерном движении можно представить так:
N не  N в  N V  N е.пр ,
(4.65)
где Nв – внутренние потери мощности в комбайне, кВт; NV – потери мощности
на передвижение комбайна (преодоление сопротивления в трансмиссии, на
подъем, потери на перекатывание и буксование), кВт; Nе.пр – затраты мощности
двигателя на привод рабочих технологических машин комбайна, кВт.
Внутренние потери комбайна аналогично потерям у трактора вызваны затратами мощности на работу вспомогательного оборудования (Nвсп), стохастичностью нагрузочно-скоростного режима работы (Nс) и необходимостью
иметь резерв мощности для преодоления временных препятствий (Nр). Отсюда
N в  N всп  N c  N р .
(4.66)
Так как обычно комбайн работает в неустановившемся режиме, то при
допустимом уровне потерь за молотилкой 1,5 % оптимальная подача хлебной
75
массы qопт=0,7qmax, то есть средняя пропускная способность молотилки на 30%
будет ниже ее максимальной паспортной величины.
Таким образом, расчетная мощность двигателя (его паспортная) должна
быть больше средней величины, фактически расходуемой комбайном в процессе эксплуатации. Следовательно, коэффициент использования мощности двигателя комбайна должен находиться в пределах:
N фе
 Ne  н  0,85...0,90 ,
Nе
(4.67)
где N не - номинальная паспортная мощность двигателя комбайна, кВт; N фе мощность двигателя, которая может быть направлена на передвижение и технологический процесс комбайна;
N фе  N не  N в  N V  N е.пр
(4.68)
4.4.2 Потери мощности на самопередвижение комбайна
Затраты мощности на передвижение комбайна равны сумме потерь мощности:
N V  N тр  ( N f  N   N  )  N тр  N f 0 .
(4.69)
Потери мощности в трансмиссии комбайна при передаче части мощности
двигателя на ведущие колеса определяются по формуле
N тр  ( N фе  N е.пр )(1   тр ) .
(4.70)
КПД трансмиссии ходовой части (механическая трансмиссия с вариатором) равен произведению КПД:
 тр   в  КПП  гл  .п ,
(4.71)
где ηв=0,87 – КПД вариатора ходовой части; ηКПП=0,98 – КПД коробки перемены передач; ηгл=0,97 – КПД главной передачи и дифференциала; ηδ.п=0,97…0,98
– КПД бортовых передач.
В среднем потери мощности в механической трансмиссии при передаче
ее на ведущие колеса для обеспечения необходимой скорости передвижения
комбайна составляют 18…20%, что позволяет при расчете части мощности двигателя (NV), которая направлена на создание скорости передвижения (Vр), принимать ηтр=0,80…0,82. КПД объемной гидропередачи на 10…20% ниже, чем
механической, поэтому в расчетах принимают ηтр.г=0,60…0,70.
С учетом (4.70) и величины коэффициента буксования для различных зон
страны (в среднем δ≤3%) мощность на ведущих колесах комбайна Nк определяют по формуле
N к  ( N фе  N е.пр ) тр ,
(4.72)
потери мощности на буксование
N 
Nк
 0,03( N фе  N е.пр ) тр .
100
(4.73)
При расчете суммарных потерь мощности на передвижение комбайна во
время выполнения технологического процесса величину суммарного коэффициента перекатывания (f0) рассчитывают по формуле
76
f 0  f  sin  .
(4.74)
Коэффициент сопротивления перекатыванию f для комбайнов «Нива»,
«Сибиряк», «Колос» составляет в среднем 0,10…0,11, для увлаженных зон
(почв) – 0,13…0,15. С учетом уклона поля (при подъеме i=0,06) суммарный коэффициент сопротивления перекатыванию для основных зерносеющих районов
f0=0,15…0,17, для районов повышенного увлажнения (или почв в период осенних дождей) f0=0,18…0,20.
С учетом изложенного потери мощности на передвижение комбайна
N f 0  G к.ср f 0 Vp ,
(4.75)
где Gк.ср – средний эксплуатационный вес комбайна, кН.
Эксплуатационный вес комбайна (таблица 4.7) определяют следующие
составляющие: вес комбайна эксплуатационный (Рэ), равный конструктивному
весу и весу ТСМ, воды в емкостях машины, вес комбайнера; вес зерна в бункере (Рз); вес соломы в копнителе (Рс) при работе комбайна без измельчителя соломы.
Таблица 4.7 – Основные технические показатели отечественных зерноуборочных комбайнов класса 3-9 кг/с.
Показатели
Мощность
ДВС, кВт (л.с)
Масса комбайна, кг (с
копнителем)
Емкость бункера, м3
Диапазон скоростей, км/ч
вперед
1
2
3
Пропускная способность, qmax, кг/с
3
5-6
7-8
8-9
КЗСЕниСК-5
ЕниКедр- ДОН- ДОН3
сей-900 «Нива»
сей1200 1200 1500
1200
59
59
96
103
118
118
162
(80)
(80)
(130)
(140)
(160) (160) (220)
6100
6250
8360
8570
10000 11200 12470
2,5
2,5
30,
4,5
4,5
6,0
1…2,
6
2,8…
7,2
7,4…
18,7
1…2,6
1,04…
2,63
2,82…
7,2
7,4…
18,7
1…2,7
ГСТ
0…
20,0
ГСТ( ГСТ(
3)
3)
0…5 0…5
0…10 0…10
0…23 0…23
2,8…7,
2
7,4…
19,8
2,8…7,
7
7,2…
19,8
6,0
10-12
СК-10
«Ротор»
206
(280)
15100
6,0
Примечание Наработки на отказ ДОН-1600 – 15 ч, «Ротор» - 10 ч, Доминатор (Германия) – 28 ч, Мэсси Фергюсон (Канада) – 60 ч, Western (Канада) – 60…100 ч.
Средний вес комбайна определяют из выражения
G к.ср 
G0  Gп
,
2
77
(4.76)
где G0, Gп – вес комбайна с пустым бункером и копнителем, полным бункером
и копнителем соответственно, кН.
4.4.3 Скорость движения комбайна
Для расчета потерь мощности на перекатывание комбайна нужно знать
величину скорости его движения. В отличие от МТА в составе с тракторами,
рабочая скорость зерноуборочного комбайна зависит не только от мощности
двигателя, ее потерь в трансмиссии, но и от пропускной способности молотилки и мощности подбираемого хлебного валка (хлебостоя при прямой уборке).
Очевидно, что должно выполняться соотношение
q max  d в Vp ,
(4.77)
где qmax – максимальная (паспортная) пропускная способность молотилки, кг/с;
dв – масса одного погонного метра хлебного валка, кг/пог.м.
Действительно, если пропускная способность фактическая молотильного
аппарата (а она зависит не только от его конструкции, но и от двигателя) qф=3
кг/с, а мощность валка dв=2,4 кг/пог.м, то при движении комбайна со скоростью
Vр=2 м/с подача хлебной массы qпод=2,4·2=4,8 кг/с> qmax=3 кг/с. У комбайна забьет молотильное устройство
В рассматриваемом случае для нормальной работы комбайна нужно или
увеличить пропускную способность его (qф), для чего потребуется дополнительная мощность двигателя, или уменьшить подачу хлебной массы qпод, то
есть уменьшить скорость движения. Такая взаимосвязь энергетических показателей комбайна обусловлена балансом его мощности (4.68, 4.69), так как
N f 0  N фе  N е.пр  N тр .
(4.78)
При некоторой величине фактической мощности двигателя, величина
мощности на передвижение комбайна будет зависеть от величины затрат мощности на технологический процесс обмолота хлебной массы. Но затраты мощности на передвижение есть функция от рабочей скорости Nf0=f(Vp), а затраты
мощности на технологический процесс обмолота есть функция от пропускной
способности молотилки (подачи) Nе.пр=f(q). Очевидно, соотношение этих затрат
мощности и определяет величины Vp, qф при конкретной величине мощности
валка (рисунок 4.10).
Рисунок 4.10 – Зависимость потребной мощности комбайна СК-5 «Нива»
от приведенной подачи хлебной массы
78
Наличие двух семейств наклонных прямых Nf0=f(Vp) и Nе.пр=f(q) указывает на возможность перераспределения мощности между потребителями и обеспечения технологической работоспособности комбайна при различных скоростях его движения и подаче хлебной массы.
Из выражения (4.77) следует, что рабочая скорость движения комбайна
Vp 
q под
,
dв
(4.79)
где qпод – подача хлебной массы в молотилку, кг/с.
Масса одного погонного метра валка
dв 
U з (1  )В ж
 0,01U з (1  )В ж , кг/пог.м
100
(4.80)
где Uз – урожайность зерна, ц/га; δ – отношение массы соломы к массе зерна, то
есть  
mс
(для пшеницы δ=0,8…1,5; для ржи δ=1,5…1,7); Вж – ширина захвата
mз
жатки (хедера), м.
Вес хлебной массы в погонном метре валка
Р х .м  d в g  10d в  0,1U з (1  )В ж , Н
(4.81)
С учетом (4.79, 4.81) рабочую скорость определяются по уравнению
Vp 
/
10q под
0,1U з (1  )В ж

/
q под
0,01U з (1  )В ж
,
(4.82)
/
где q под
- подача хлебной массы, Н/с.
Следовательно, с учетом (4.74, 4.75) потери мощности суммарные на передвижение комбайна при обмолоте
NV 
/
G к.ср f 0/ q под
Nf 0

,
 тр  тр 0,01U з (1  )В ж
(4.83)
где f 0/ - коэффициент сопротивления перекатыванию с учетом буксования.
Пример. Определить для комбайна СК-5 «Нива» затраты мощности дви/
гателя на передвижение. Дано: Uз=20 ц/га; δ=1; Вж=9 м; ηтр=0,8; f 0/ =0,18; q под
=40
Н/с; Gк.ср=95 кН.
NV 
95  0,18  40
 23,8 кВт
0,8  0,01  20  2  9
Анализ выражения (4.83) показывает, что затраты энергии на передвижение комбайна обратно пропорциональны «мощности» подбираемого валка растительной массы. Значит, с точки зрения снижения затрат мощности на передвижение нужно иметь более «мощный» валок. В то же время с увеличением
веса погонного метра валка потребуется больше мощности двигателя на технологический процесс обмолота, изменится структура мощности комбайна.
79
4.4.4 Мощность на процесс обмолота
Суммарные затраты мощности на технологический процесс обмолота определяют по формуле (рисунок 4.8)
N е.пр 
N пр
 тр.пр

N хх  N техн
,
 тр.пр
(4.84)
где  тр.пр - КПД трансмиссии привода рабочих органов технологических машин
комбайна; Nхх – затраты мощности на привод рабочих органов технологических
машин комбайна с копнителем вхолостую (без хлебной массы), кВт; Nтехн – затраты мощности непосредственно на технологический процесс обмолота хлебной массы, кВт.
Расчет рассматриваемых затрат мощности возможен (дифференцированно по каждым машинам и рабочим органам комбайна: жатке, наклонной камере, молотильному аппарату и т.д.), но очень сложен, трудоемок. Кроме этого
многообразие действующих на технологический процесс факторов, следовательно, и сил сопротивления делает эти расчеты неточными.
Поэтому для практического расчета затрат мощности Nхх и Nтехн. пользуются удельными показателями. В частности, затраты мощности на холостой
ход рабочих органов рассчитывают по формуле
(4.85)
N хх  2,75q ,
где q – пропускная способность комбайна, кг/с.
По данным испытаний, для комбайнов СК-5 «Нива» Nхх=13,7 кВт, для
СКД-5, СКДР «Сибиряк» Nхх=14,4 кВт, для СК-6 «Колос» однобарабанный
Nхх=16,1 кВт, для СК-6-11 «Колос» Nхх=19,3 кВт.
Мощность на выполнение непосредственно процесса обмолота рассчитывают по формуле
N техн  N уд q , кВт,
(4.86)
где Nуд – удельные затраты мощности кВт/(кг/с). Их принимают для однобарабанных комбайнов с барабаном диаметром 610 мм – 5,5 кВт/(кг/с) в основных
зерносеющих районах страны и 6,6 кВт/(кг/с) – в увлажненных районах страны
и Нечерноземья; соответственно для диаметра барабана свыше 610 мм – 5,8 и
6,9 кВт/(кг/с), для роторных комбайнов – 6,6 и 7,9 кВт/(кг/с).
Для ориентировочных расчетов суммарную потребляемую мощность
двигателя зерноуборочных комбайнов на технологический процесс обмолота
( N е.пр  N хх  N техн  N м.пр ) определяют по выражению
N е.пр  N дв q кр ,
(4.87)
где ΔNдв – удельные затраты мощности двигателя на единицу расчетной пропускной способности (qр) зерноуборочного комбайна, кВт/(кг/с); к – показатель
степени, близкий к единице. Очевидно, что этот показатель будет возрастать
при повышении влажности хлебной массы и ее засоренности.
Для имеющихся в России отечественных и импортных самоходных зерноуборочных комбайнов принимают ΔNдв≈15…18 кВт/(кг/с), тогда при к≈1,0
потребная мощность двигателя Nе.пр=(15…18)qр, кВт.
80
В практических расчетах удельную мощность двигателя на привод рабочих органов принимают (на основе паспортных параметров по мощности двигателя и пропускной способности молотилки) для отечественных ЗУК
ΔNдв≈14…15, для импортных ΔNдв≈17…29 кВт/(кг/с). То есть импортные комбайны имеют существенно большую мощность двигателей. Это обеспечивает
более устойчивый процесс работы при изменении условий использования комбайнов.
Выражение составляющих баланса мощности через конструктивные параметры комбайна, показатели скоростного и нагрузочного режимов его работы
(определяется подачей хлебной массы в молотилку q, кг/с) и условий использования (f, α, δ и dв) позволяет записать уравнение баланса мощности (4.68, 4.83,
4.85, 4.86) комбайна (с копнителем) при равномерном движении на подъеме в
развернутом виде:
N фе 
/
G к.ср f / q под
0,01 тр U з (1  )В ж

2,75q max  N уд q max  q
 тр.пр
,
(4.88)
где qmax – максимальная (паспортная) пропускная способность молотильного
аппарата комбайна, кг/с;  q 
qф
- коэффициент использования пропускной
q max
способности молотильного устройства комбайна.
Графическое представление баланса мощности комбайна показано на рисунке 4.11.
Рисунок 4.11 – Изменение величины составляющих баланса мощности комбайна СК-5 в зависимости от пропускной способности его молотильного аппарата
(dв= 2 кг/пог.м)
Из графика видно, что для увеличения пропускной способности молотильного аппарата (его загрузки) при заданной «мощности» хлебного валка
(dв=2 кг/пог.м) нужно увеличить скорость передвижения. В данном примере
для увеличения загрузки молотильного аппарата вдвое (от q=2 до q=4 кг/с) рабочую скорость (4.82) комбайна нужно увеличить в два раза (от Vр=1 до Vр=2
81
м/с). Тогда закономерно возрастают потери мощности на технологический процесс обмолота (Nтехн), на передвижение комбайна, что обусловливает необходимость увеличения мощности двигателя ( N фе ). Постоянными остаются потери
мощности на холостой ход рабочих органов машин комбайна (жатки, наклонной камеры, молотилки и т.д.) и незначительно, но возрастают потери мощности в трансмиссии комбайна. Это обусловлено увеличением частоты вращения
механизмов (валов, шестерен) трансмиссии с целью повышения скорости движения комбайна.
При значительной массе зерноуборочных комбайнов (от 6 – 15 т, таблица
4.7) с увеличением рабочей скорости затраты мощности (Nf0) на перекатывание
комбайна возрастают, существенно изменяя структуру баланса мощности. На
самопередвижение комбайна, в зависимости от условий эксплуатации, затраты
мощности могут составлять 30…50% всей мощности двигателя.
Мощность, расходуемая на холостой ход рабочих органов (Nхх), также несколько увеличивается по мере заполнения копнителя. Непосредственно на
технологический процесс обмолота, например, комбайны СК-5, СКД-5 расходуют 4,5…5,0 кВт/(кг/с) при «мощности» валка dв≥3 кг/пог.м.
Анализ графика, отражающего структуру баланса мощности зерноуборочного комбайна СКД-5 (рисунок 4.12), показывает, что вследствие полного
использования мощности двигателя при обмолоте валков с dв>2,5 кг/пог.м
нельзя не снизить подачу хлебной массы в молотилку, а неустановившийся характер нагрузки не позволяет загружать двигатель полностью (Кз.дв<1,0). Это
предопределяет переход работы двигателя в точке А на безрегуляторную ветвь
характеристики. Учитывая требования, предъявляемые к скоростному режиму
рабочих органов машин комбайна (двигатель не должен снижать число оборотов более чем на 5…7%, то есть 80…100 об/мин) работа двигателя на безрегуляторной ветви характеристики будет обуславливать неустойчивость технологического процесса.
На основе экспериментальных данных установлено, что при существующей неравномерности крутящего момента на валу двигателя (из-за изменения
момента сопротивления) его коэффициент загрузки не должен превышать
0,87…0,89 от номинальной величины крутящего момента. Это позволяет, при
полном использовании пропускной способности молотильного аппарата комбайна, работать на валках с массой dв≥2 кг/пог.м и выше.
Баланс мощности комбайна СКД-5 показывает, что при работе комбайна
на подборе валков с хлебной массой dв>3,5 кг/пог.м двигатель его имеет значительный резерв мощности, что может быть использовано для тяги прицепа при
одновременной уборке незерновой части хлебной массы.
82
Рисунок 4.12 – Изменение составляющих баланса мощности
комбайна СКД-5 в зависимости от массы валка
На основе анализа структуры баланса мощности зерноуборочного комбайна (приводного агрегата) коэффициент полезного действия механический
приводной части комбайна можно определять соотношением (см. рисунок 4.9)
 м.пр 
N пр N техн
N техн N пр  N хх


  тр.пр  пр ,
N е.пр
N е.пр
N е.пр N пр
(4.89)
где ηтр.пр – КПД механической передачи мощности от двигателя к приводным
агрегатам технологических машин (аналогично ηВОМ к ВОМ трактора), то есть
ηтр.пр≈0,95; ηпр – КПД механический рабочих машин.
Если принять для СК-5 (4.85) Nхх=13,7 кВт/(кг/с), Nтехн=5,5 кВт/(кг/с), то
при qmg=4 кг/с, пр 
22
 0,61 ; ηм.пр=0,95·0,61=0,58, значит, только 28% от всей
35,7
мощности, передаваемой от двигателя на рабочие органы технологических машин, идет на полезную работу (таблица 4.8 при dв=2 кг/пог.м, Vр=2 м/с, Uз=17
ц/га, δ=1).
Таблица 4.8 – Значения механического КПД приводной части зерноуборочных комбайнов
Марка комбайна
Показатель
СКД-5 «СиСК-6-11 «КоСК-5 «Нива»
СК-6 «Колос»
биряк»
лос»
ηтр.пр
0,95
0,95
0,95
0,95
Nхх
13,7
14,4
16,1
19,3
Nтехн
22,0
23,2
27,6
31,6
ηпр
0,61
0,61
0,60
0,62
ηм.пр
0,58
0,58
0,57
0,59
83
По данным таблицы 4.8 можно сделать вывод, что повышение пропускной способности ЗУК происходит за счет конструктивных изменений молотильного аппарата, но при этом не происходит повышение энергетической эффективности комбайнов, оцениваемой величиной механического КПД привода
рабочих органов. То есть не изменяется соотношение полезной мощности на
технологический процесс обмолота хлебной массы Nтехн и общих затрат мощности двигателя Nе.пр, направленной на реализацию этого процесса. Увеличение
пропускной способности молотилки пропорционально повышает затраты мощности на привод рабочих органов технологической части комбайна. К тому же,
в результате увеличения их веса возрастают потери мощности на передвижение
комбайнов Nе.v. Все это требует новых технологических и конструктивных решений при проектировании и изготовлении зерноуборочных комбайнов.
4.4.5 Баланс мощности комбайна с измельчителем соломы
При уборке зерновых культур по технологии со сбором и измельчением
незерновой части на комбайны (без копнителя) навешивают измельчители или
универсальные приспособления ПУН-5. Мощность, потребная на работу измельчителя соломы, складывается из мощности холостого хода его рабочих органов (Nхх) и мощности на технологический процесс измельчения и транспортирования соломы в кузов прицепа (рисунок 4.9). Испытаниями установлено, а
расчетами подтверждено, что Nхх=1,6 кВт/(кг/с), Nт.и=3,7 кВт/(кг/с); здесь
удельная мощность относится к секундной подаче соломы и мякины в измельчитель.
Таким образом, мощность на привод рабочих органов измельчителя соломы определяется по формуле
(4.90)
N изм  N хх .и  N т.и  1,6Q с  3,7Q фс ,
где Qс – подача соломы в измельчитель, соответствующая пропускной способности молотилки комбайна при отношении соломы к зерну δ=1,5; Q фc - фактическая подача соломы в измельчитель (отличается от Qс фактическим значением δ).
Так как коэффициент использования пропускной способности измельчителя
 Qи 
Q фc
,
Qc
(4.91)
то
N изм  Q с (1,6  3,7 Qи ) .
(4.92)
При наличии прицепной тележки, в которую загружается измельченная
солома, зерноуборочный комбайн становится тягово-приводным агрегатом.
Мощность, необходимая на тягу прицепной тележки, определяется по
формулам:
на горизонтальном участке
N кр.тел  G ср.тел f тел Vр 
84
(G тел  G с )
f тел Vр ;
2
(4.93)
на подъеме (спуске)
/
N кр
. тел 
(G тел  G с ) cos f тел Vр
2

(G тел  G с ) sin Vр
2

(G тел  G с )(f  i)Vр
2
, (4.94)
где Nкр.тел – мощность на крюке комбайна для тяги прицепной тележки с соломой, кВт; Gтел, Gс – вес тележки и соломы соответственно, кН; fтел – коэффициент сопротивления перекатыванию тележки, при нормальной влажности поля
fтел=0,12…0,13; Vр – рабочая скорость движения комбайна (агрегата), м/с;
cosα≈1,0 при малых углах подъема (спуска).
Следовательно, при работе комбайна с прицепной тележкой для соломы
(при допущении, что дополнительные потери мощности на перекатывание комбайна незначительны, то есть ΔNf≈0) потребуется мощность двигателя для создания мощности на крюке комбайна:
на горизонтальном участке
N кр.v  N е.тел  N кр.тел  N /  N /тр 
N кр.тел
т
;
(4.95)
на подъеме (спуске):
N кр.v  N
/
е. тел
N
/
кр. тел
N N
/

/
тр

/
N кр
. тел
 /т
,
(4.96)
где N /тр , N / - потери мощности в трансмиссии комбайна и на его буксование
при тяге тележки соответственно, кВт.
Но так как комбайн при работе с измельчителем соломы не имеет копнителя, то соответственно потери мощности на его работу (примерно Nк=3,7 кВт)
будут равны нулю.
Уравнение баланса мощности зерноуборочного комбайна при работе с
измельчителем соломы (без копнителя) и с прицепной тележкой имеет вид
N фе  N е.кр.v  N е.пр  N тр  N f 0  N кр.тел  N тр.пр.  N пр ,
(4.97)
N пр  N хх  N техн  N ххи  N т.и .
где
(4.98)
Так как
 т ( тел ) 
N кр ( тел )
N е.кр.v
 тр.пр 
;
N фе 
N кр.тел
 т ( тел )

N пр
Nе е.пр
N пр
 тр.пр
,то
.
(4.99)
КПД механический полный комбайна с измельчителем соломы и прицепной тележкой
0( и.тел ) 
N кр.тел  N пр
N фе
.
(4.100)
КПД приводной части комбайна с измельчителем
м.пр.и 
N техн  N т.и N пр
N техн
N т .и

  тр.пр пр пр.и  м.пр пр.и . (4.101)
N е.пр
N е.п N пр  N изм N изм
КПД приводной части для комбайнов без измельчителя ηм.пр=0,58 (таблица 4.6), а КПД измельчителя пр.и 
N т.и 3,7

 0,70 , поэтому общий КПД приN изм 5,3
85
водной
части
комбайна
при
работе
с
измельчителем
(4.100)
ηм.пр.и=0,58·0,70=0,20.
Данные расчета мощности двигателей комбайнов СК-5 «Нива», СКД-6
«Сибиряк», СК-6-11 «Колос», модернизированных вариантов этих комбайнов и
вновь созданных машин приведены в таблице 4.9. У комбайнов с измельчителями и прицепными тележками мощность двигателей по сравнению с комбайнами с копнителями практически выше на 20…30 кВт, что обусловлено (4.97)
дополнительными затратами мощности двигателя на создание мощности на
крюке и на привод мощности к измельчителю соломы.
Таблица 4.9 – Мощность двигателей комбайнов с механической трансмиссией (гидро- объемной передачей)
Основные зерносеющие районы*
Увлажненные
комбайны с измельчиМарка комбайна
районы и Некомбайны с
телем и прицепной течерноземье
копнителем
лежкой
СК-5
75,4
96,7
83,8
Нива
87,5
112,9
98,6
СКД-6
97,0
109,8
Сибиряк
108,2
121,9
СК-6-11
101,3
129,8
114,2
Колос
125,6 (136)
160,5 (170,9)
141,7 (153,3)
СК-8
121,3 (133,6)
153,1 (165,4)
153,1 (165,4)
СК-10
(164,4)
(202,5)
(185,7)
Джон-Дир (л.с.)
180-270
Мэсси Фергюсон
79-290
(л.с.)
Клаас (л.с.)
105-330
* Примечание. Вторая цифра в скобках относится к модернизированному
комбайну.
Мощностные показатели дизелей комбайнов как видим изменяются в зависимости от условий эксплуатации и технологического состава агрегата. Как
было показано при анализе уравнения баланса мощности комбайна, на его передвижение затрачивается до 30…50% мощности дизеля, особенно возрастают
эти потери мощности при работе комбайнов на увлажненных почвах.
86
Глава 5 СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ АГРЕГАТА
5.1 Классификация видов скорости и ее расчет
При анализе уравнений баланса мощности, закономерностей изменения
его составляющих было выявлено, что одним из показателей, определяющих
эти закономерности, является скорость движения агрегата.
Скорость движения МТА на полевых сельскохозяйственных работах определяется поступательной скоростью трактора и является одним из важнейших факторов, влияющих на качество и количество выполняемой работы.
«Выбор рабочей скорости, – указывал академик В.Л. Горячкин, - определяется прежде всего характером и сущностью технологического процесса».
Изменяя скорость движения агрегата, можно изменить производительность, расход топлива, добиться экономичной работы агрегата и лучшего агротехнического качества выполнения работ.
Наивыгоднейшая (оптимальная) скорость движения агрегата обуславливается следующими факторами: диапазоном скоростей; силой тяги и другими
энергетическими показателями трактора, агрегата или самоходной машины; агротехническими требованиями; почвенными условиями и размером полей.
Различают теоретическую, рабочую, среднетехническую, эксплуатационную скорости и скорость холостого хода агрегата.
Под теоретической скоростью понимают скорость прямолинейного
движения трактора или самоходной машины по горизонтальной плоскости на
данной передаче и заданном режиме работы двигателя без буксования. Теоретическая скорость МТА определяется по формуле
Vт 
rк n к
, м/с
30
(5.1)
где rк – радиус ведущего колеса (звездочки), м; nк – обороты ведущего колеса
(звездочки), об/мин.
Обороты ведущего колеса могут быть выражены через обороты двигателя
nдв и передаточное число трансмиссии:
nк 
n дв
, об/мин
i0
(5.2)
тогда теоретическая скорость будет равна
Vт 
rк n дв
30i 0
(5.3)
Vт 
3,14rк n дв 0,105n дв rк

.
30i 0
i0
(5.4)
или
Скорость, измеренная в километрах за один час движения агрегата:
Vт/ 
0,105rк n дв 3600
rn
 0,377 к дв
i0
1000
i0
или, для гусеничных тракторов:
87
(5.5)
Vт/ 
0,06tzn д
,
i0
(5.6)
где t – шаг гусеничной цепи, м; z – число звеньев гусеничной цепи, укладывающихся по окружности звездочки (или число зубцов ведущей звездочки).
Радиус колеса rк для гусеничных тракторов с малоизношенной гусеницей
можно принять равным радиусу начальной окружности ведущей звездочки.
Для колесных машин на пневматических шинах
rк  rо  h ,
(5.7)
где rо – радиус стального обода колеса, м; h – высота пневматической шины, м;
λ – коэффициент усадки шины, отнесенный к ее высоте (для шин низкого давления на стерне λ=0,93…0,96, для вспаханного поля λ=0,96…0,98).
Рабочей, или технической, скоростью Vр называют фактическую скорость движения агрегата при работе в данных условиях.
Рабочая скорость может быть получена опытным путем в полевых условиях и определяется из уравнения
Vp 
Sp
t
, м/с
(5.8)
или
Vp/  3,6
Sp
t
, км/ч.
(5.9)
Рабочую скорость можно выразить через теоретическую скорость и коэффициент буксования:
Vp  Vт (1  ) 
0,105n дв rк
(1  ) , м/с
i0
(5.10)
или
Vp/ 
0,377n дв rк
(1  ) , км/ч.
i0
(5.11)
Зная, что коэффициент, характеризующий потери на буксование машины
  (1  ) , потери скорости при буксовании движителей определяют по формуле
V  Vт  Vр 
0,105n д rк
,
i0
где δ – коэффициент буксования в десятичном измерении (  
(5.12)
%
).
100
Неровности почвы вызывают толчки, поворачивающие моменты, пространственные колебания, а также различие в длине пути, проходимого правыми и левыми движителями. На эти явления влияют также механизмы управления и скорость движения.
Разница в давлении воздуха в шинах и в натяжении гусениц, неодинаковый износ протекторов или гусениц, боковой наклон агрегата вызывают увод
его в сторону. Неоднородность сопротивления почвы приводит к появлению
угловых колебаний и поворачивающих моментов, особенно сильно влияющих
на движение широкозахватных агрегатов. Оказывают влияние также состав аг88
регата, нагрузка на направляющие колеса или расположение мгновенного центра давления гусениц.
Таковы главные факторы, вызывающие отклонения агрегатов от движения по прямой. При определенной степени отклонения, зависящей от скорости
движения, износа механизма управления и психофизических качеств водителя,
он выправляет положение агрегата.
Таким образом, практически агрегат всегда движется по зигзагообразной
линии Sз, а не по прямой Sп.
Коэффициент S 
Sп
Sз
характеризует потери скорости от извилистого
движения. Общий коэффициент потерь скорости на буксование, извилистость
движения
 v    S .
(5.13)
С учетом рассмотренных факторов действительная скорость агрегата,
км/ч определяется из выражения
rn
Vр  0,377 к д  v .
i0
(5.14)
Под среднетехнической скоростью Vтех понимают среднюю скорость
движения агрегата на всем пути как в рабочем положении, так и при холостых
ходах:
Vтех 
Sр  S хх
t р  t хх
;
(5.15)
скорость холостого хода находят по формуле
Vх 
Sх
,
tх
(5.16)
где Sх – длина холостого хода, путь при переездах, заездах агрегата, км; Sр – рабочий путь, км; tр, tх – соответственно время прохождения рабочего пути и холостого, ч.
Эксплуатационной скоростью называют среднюю скорость движения в
течение всего времени наряда или смены, с учетом всех простоев (на погрузку,
выгрузку, маневрирование, технологические остановки, техническое обслуживание, оформление документов). Эксплуатационная скорость, понятие которой
относится главным образом к транспортным агрегатам, определяется по формуле
Vэ 
S р  S х
t р  t х  t пр
,
(5.17)
где Σtр – суммарное время простоев, ч.
Между среднетехнической и эксплуатационной скоростями существует
следующее соотношение:
Vэ  Vтех
Т дв
Т см
 Vтех  дв ,
(5.18)
где Тдв, Тсм – соответственно время движения агрегата и время смены, ч; τдв –
коэффициент использования времени смены на движение агрегата.
89
5.2 Выбор скорости движения агрегата
Важнейшим направлением в развитии механизации сельскохозяйственного производства является повышение рабочих скоростей машинно-тракторных
агрегатов (таблица 5.1). Новые типы тракторов, самоходных шасси дают возможность широкого выбора скоростных режимов для различных условий производства. В общем виде на вопрос об избрании скоростного режима работы
агрегата следует ответить: целесообразна такая скорость движения, при которой достигается высокое качество работы, высокая производительность труда и
низкие прямые затраты на единицу продукции.
Скорость движения агрегатов при выполнении технологических процессов в сельском хозяйстве определяется следующими факторами:
- качеством выполнения работы – агротехнические требования;
- энергетическими показателями тягового средства (трактора, самоходного шасси, комбайна);
- технико-экономическими показателями использования МТА (производительностью, величиной эксплуатационных затрат, расходом топлива).
Таблица 5.1 – Скорости движения машинно-тракторных агрегатов
при выполнении технологических операций
Скорость движения агрегатов, км/ч
Операция
применявшаяся используемая рекомендуемая
Вспашка
3,6…6,0
4,5…8,5
8,0…12,0
Боронование зубовыми боро3,0…7,0
5,0…9,0
8,0…13,0
нами
Сплошная культивация, дис4,0…7,0
6,0…9,0
8,0…12,0
кование, внесение удобрений
туковыми сеялками
Прикатывание
4,0…7,0
7,0…10,0
9,0…15,0
Посев
зерновых и зернобовых,
4,0…7,0
7,0…10,0
8,0…14,0
кукурузы, подсолнечника
4,0…6,0
4,5…8,5
8,0…12,0
Посадка картофеля
3,0…3,5
4,0…6,0
6,0…10,0
Междурядная культивация
4,0…6,0
6,0…9,0
8,0…12,0
пропашных культур
Скашивание зерновых в валки
4,0…7,0
6,0…9,0
9,0…16,0
рядковыми жатками
Скашивание трав в валки
4,0…7,0
6,0…8,0
8,0…12,0
Уборка кукурузы
на силос
4,0…5,5
5,0…8,0
8,0…12,0
на зерно
4,0…5,5
5,0…7,0
7,0…10,0
Скорость движения МТА существенно влияет на качественные показатели его работы. Некоторые показатели прямо зависят от скорости (распыление,
крошение почвы, качество обмолота и т.д.), другие имеют оптимальное значе90
ние в определенном диапазоне скоростей (заделка растительности при вспашке).
Допустимая скорость движения МТА зависит от вида выполняемой операции, физико-механических свойств обрабатываемого материала (почвы,
хлебной массы и пр.), конструктивных особенностей рабочих машин, входящих
в агрегат, зональных особенностей использования техники. Для современных
машин скорости движения агрегатов находятся в следующих допустимых по
агротребованиям диапазонах.
1. На вспашке, при которой качественными показателями являются крошение пласта, гребнистость, заделка растительных остатков и степень распыления почвы Vр=4…8 км/ч для плугов с обычными корпусами и 7…12 км/ч со
скоростными.
2. На обработке почвы зубовыми боронами, которая характеризуется такими качественными показателями, как равномерность рыхления и степень
распыления почвы Vр=4…5 км/ч при бороновании озимых и Vр=5…9 км/ч при
бороновании зяби.
3. На обработке почвы культиваторами с жесткими стойками Vр=4…9
км/ч, на посеве с дисковыми сеялками Vр=4…10 км/ч и сеялками с анкерными
сошниками Vр=4…7 км/ч, на прикатывании почвы катками Vр=7…9 км/ч.
4. При уборке зерновых культур зерноуборочными комбайнами скорость
движения обычно ограничивается потерями зерна, чистотой и влажностью
хлебной массы и составляет Vр=4…9 км/ч.
Повышение скорости МТА ограничивается энергетическими факторами
агрегата (Ne, Nкр, Ркр, Rм и др.). Работа агрегатов осуществляется с орудиями,
рассчитанными также на работу при указанных выше скоростях. Увеличение
скорости для одной и той же глубины обработки почвы дает прирост сопротивления (от начального сопротивления скорости 5 км/ч) на каждый километр:
плугов при обработке легких почв на 1…2%, средних почв на 3…5%, тяжелых
почв – 6…8%; сеялок на 1,5…2,5%; культиваторов, борон, катков и лущильников на 3…4%. Начат выпуск и продолжается разработка тракторов высокой
единичной мощности и энергонасыщенности, способных выполнять основные
технологические операции на скоростях 9-15 км/ч.
При выборе скорости движения агрегата главным экономическим критерием являются прямые затраты финансовых средств и труда на единицу продукции.
Опыт использования скоростных тракторов на работах в полеводстве при
скоростях движения 9…15 км/ч убедительно показал их преимущества. Сменная выработка скоростных МТА была выше, чем у серийных агрегатов на комплексе работ на 15…17 %. Металлоемкость агрегатов с тракторами класса 3 т
снизилась на 20%, с тракторами класса 1,4 т – на 33%.
Однако исследования, проведенные в процессе опытного внедрения, показали, что для достижения сменной выработки скоростных агрегатов, близкой
к потенциально возможной выработке тракторов, необходимо переходить к индустриальным методам обслуживания и эксплуатации машинно-тракторного
парка.
91
5.3 Маневрирование скоростями
В практике эксплуатации МТА вследствие изменения условий работы
приходится изменять скорость их движения.
Маневрирование скоростями представляет такой прием работы агрегата, при котором во время его движения скорость не сохраняется постоянной, а
сознательно изменяется в целях лучшей загрузки, а следовательно, для повышения производительности МТА, также приспособления его к изменившимся
условиям работы.
Основным условием, при котором возможно маневрирование скоростями
является скоростной диапазон, который допускается агротехническими требованиями для выполнения того или иного сельскохозяйственного процесса. Для
многих сельскохозяйственных процессов перевод скоростей допускается в широких пределах (в 1,5…2,0 раза) без существенного изменения агротехнического качества работы.
Маневрирование скоростями при работе агрегата вызывается следующими обстоятельствами:
- необходимостью понижения скорости движения агрегата при повороте,
при переходе через препятствия и т.д.;
- уменьшением сопротивления рабочей части;
- увеличением сопротивления рабочей части.
Для маневрирования скоростями агрегата служит КПП трансмиссии трактора (самоходной машины) и всережимный регулятор двигателя. Для повышения топливной экономичности в условиях, когда двигатель нельзя полностью
загрузить за счет повышения скорости движения агрегата, прибегают к маневрированию скоростями с одновременным использованием всережимного регулятора и коробки передач.
Маневрирование при помощи перемены передач. При уменьшении
сопротивления агрегата во время работы происходит недогрузка двигателя
трактора. Для того, чтобы вновь повысить нагрузку двигателя и тем самым увеличить производительность агрегата и его экономичность, необходимо переключиться на более высокую передачу. Если же тяговое сопротивление вновь
возрастает, а коэффициент приспособляемости двигателя к перегрузкам невелик, то переход на низшую передачу необходим.
Маневрирование скоростью при работе трактора связано с неизбежной
затратой времени на переход с одной скорости на другую. В связи с этим производительность трактора при маневрировании, с одной стороны, увеличивается в результате повышения скорости поступательного движения, с другой –
уменьшается из-за потерь времени при переходе с одной скорости на другую.
Рассмотрим пример маневрирования скоростью движения при работе агрегата с шириной захвата Вр, который движется со скоростью Vр2=1,26 м/с
(участок 0-1, рисунок 5.1).
92
Рисунок 5.1 – График маневрирования скоростями
При снижении тягового сопротивления тракторист путем переключения
передачи увеличил скорость движения до Vр3=1,46 м/с (участок 5-6). С возрастанием тягового сопротивления пришлось вновь переключиться на вторую передачу Vр2=1,26 м/с. При переключении передач дважды терялось время на остановки. Потеря производительности в связи с переключением передач пропорциональна сумме площадей F1=(1-2-3-4, м2) и F2=(7-8-9-10, м2) и может быть
подсчитана следующим образом:
2
F1  F2  Vp 2 t ост В р  Vp 2 t ост В р  2Vp 2 t ост В р , м .
(5.19)
Увеличение производительности при переходе со второй передачи на
третью пропорционально площади F3=(5-6-7-4)
2
F3  В р (Vp 3  Vp 2 ) t движ , м
(5.20)
где tдвиж – время движения тракторного агрегата на третьей передаче, с.
Маневрирование скоростями целесообразно в том случае, если повышение производительности вследствие увеличения скорости будет больше потери
производительности из-за остановок на переключение передач, то есть при условии
F3  F1  F2
или
B p (Vp 3  Vp 2 ) t движ  2Vp 2 t ост В р ,
(5.21)
откуда
t движ 
2Vp 2 t ост
Vp 3  Vp 2
.
(5.22)
Минимальный путь Lmin, который должен пройти агрегат на третьей передаче, чтобы увеличение производительности за счет повышения скорости
было больше потери производительности из-за остановок на переключение передач
L min  Vp 3 t двж ,
(5.23)
или
L min 
2Vp 2 Vp 3
Vp 3  Vp 2
t ост .
Для нашего примера при tост=6 с
L min 
2 1,26 1,46
6  110 м.
1,46  1,26
93
(5.24)
Следовательно, минимальный путь, при котором выгодно для агрегата
переключиться со второй передачи на третью, должен составлять более 110 м.
Глава 6 СОПРОТИВЛЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
6.1 Виды сопротивления машин
Работа машинно-тракторного агрегата может совершаться лишь в том
случае, если величина движущей силы, определяемая мощностью двигателя и
режимом работы (при достаточном сцеплении движителей энергетического
средства с почвой) будет достаточна для преодоления сил сопротивления, действующих на агрегат (глава 3). Как правило, при нормальных условиях использования агрегатов основную величину в структуре этих сил при выполнении
технологических процессов составляет сопротивление сельскохозяйственных
машин. Его величина в конкретных условиях использования агрегатов определяет их состав и режим работы.
Сопротивление рабочих машин у мобильных агрегатов подразделяется на
сопротивление холостого хода (Rхх) и рабочее сопротивление (Rм).
Холостое сопротивление машин возникает при переездах, поворотах
агрегатов, а для машин с приводом активных рабочих органов (комбайны, фрезы, косилки и др.) – при их прокручивании без обрабатываемого материала.
Рабочее сопротивление машин создается при выполнении агрегатом
технологических процессов.
В зависимости от вида технологического процесса, конструкции машин и
способов передачи энергии к их рабочим органам рабочее сопротивление можно подразделить на три основные группы.
1. Тяговое сопротивление оказывают машины, поступательное движение
которых используется для технологического воздействия на обрабатываемую
среду (предмет воздействия) – почву или растения. Сюда относятся почвообрабатывающие орудия: плуги, культиваторы, бороны и др., а также некоторые
уборочные машины – волокуши, грабли поперечные и др. Так как машина перемещается по полю, в рабочее тяговое сопротивление (полностью или частично) войдет и сопротивление машины движению:
R м  R f  R среды .
(6.1)
Разновидностью тягового сопротивления является сопротивление, которое образуют машины, выполняющие часть операций технологического процесса посредством рабочих органов и механизмов с приводом от ходовых колес
машины (сеялки, прицепные косилки, комбинированные культиваторы и др.).
Тяговое сопротивление машин этой группы определяется усилием, необходимым на передвижение машины, на протаскивание пассивных рабочих органов в
обрабатываемой среде, на привод механизмов машины от ходового колеса, нагруженного ведомым моментом.
2. Приводное сопротивление оказывают машины, технологический процесс которых осуществляется посредством активных рабочих органов, меха94
низмов, приводящихся от двигателя самоходной машины (комбайны) или трактора (агрегаты с навесными машинами – косилками, фрезами и др.) через различные передаточные устройства (ВОМ, вариатор, гидро-, электроприводы). В
этих случаях приводное сопротивление
R м  R пр  R пр.х  R техн ,
(6.2)
где Rпр.х, Rтехн – сопротивление холостого хода активных рабочих органов и их
сопротивление при выполнении технологического процесса соответственно,
кН.
Сила сопротивления передвижению этих машин входит в силу сопротивления перекатыванию самоходной машины. Сюда же входит относительно небольшое усилие, которое необходимо для преодоления лобового сопротивления
обрабатываемой среды.
3. Тягово-приводное сопротивление образуется при работе мобильных
агрегатов с машинами, которые имеют пассивные и активные рабочие органы,
приводимые от различных передаточных устройств. Общее сопротивление машин таких агрегатов состоит из сил сопротивления передвижению машин, сопротивления пассивных и активных рабочих органов:
(6.3)
R М Т ПР  R f  R средн  R пр .
Для комплектования машинно-тракторных агрегатов наибольшее значение имеет рабочее сопротивление машин, соотношение которого с тяговым
усилием трактора или приводными силами определяет количество машин в агрегате, скорость его движения, ширину захвата и пропускную способность приводных машин.
Первая группа сопротивлений машин (тяговые) зависит от многих факторов, в том числе от типа и состояния машины, выполняемой работы, скорости
движения, типа и состояния почвы, рельефа и др.
Приводная группа сопротивлений зависит от физико-механических
свойств и количества перерабатываемого материла, поступающего на рабочие
органы машин в единицу времени, и конструкции рабочих органов.
Потребная мощность двигателя трактора (самоходной машины), идущая
на преодоление этих сопротивлений, у тягово-приводных агрегатов ограничивается предельной пропускной способностью основных агрегатов машин, а
также необходимостью иметь достаточный запас мощности для преодоления
тяговых сопротивлений. Затраты мощности на привод современных машин изменяются в широких пределах (3…40 кВт).
Величина холостого сопротивления машин зависит от конструкции машины (массы, типа ходового аппарата и др.) и условий эксплуатации (состояния поверхности поля, состава почвы, ее влажности, технического состояния
механизмов ходового аппарата и др.).
6.2 Анализ рабочих сопротивлений машин
Изучая тяговое сопротивление машин, основоположник земледельческой
механики академик В.П. Горячкин установил, что при равномерном рабочем
движении машины сопротивление можно представить в виде трех слагаемых:
95
сопротивления на перекатывание и протаскивание машин R1 – вредные сопротивления от сил трения качения и скольжения, пропорциональные в
основном массе машин;
сопротивления, возникающие при деформации обрабатываемого материала R2 – полезные сопротивлении, в основном зависящие от физикомеханических свойств обрабатываемого материала, типа и состояния рабочих
органов;
сопротивления, появляющиеся при перемещении и отбрасывании
обрабатываемого материала R3 – могут быть как вредными, например, при
отбрасывании почвы лапами культиватора так и полезными, например, при перемещении почвы окучниками при окучивании картофеля или отвалами плуга
при пахоте.
Общее сопротивление машины в упрощенном виде можно записать
R м  R1  R 2  R 3 .
(6.4)
Из многочисленных причин, обуславливающих величину тягового сопротивления плуга, акад. Горячкин В.П. выделил главнейшие и вывел рациональную формулу для определения силы сопротивления тяге плугов при работе агрегатов:
R пл  G пл f прот  К П ab  abVр2 ,
(6.5)
где Gпл – вес плуга, кН; fпрот – коэффициент протаскивания плуга в борозде; КП
– коэффициент сопротивления почвы, представляющий собой сопротивление
поперечного сечения пласта почвы деформации, кН/м2; a, b – глубина и ширина
пласта, м; ε – коэффициент пропорциональности,
кН  с 2
; Vр – рабочая скорость,
м4
м/с.
Теоретическое значение этой формулы заключается в аналитическом
описании общего закона сопротивления машин при выполнении технологических процессов. Действие закона распространяется не только на плуги, но
на другие машины, используемые в составе полевых мобильных агрегатов.
Это аналитическое выражение описывает зависимость сопротивления
машины от конструкции, режима и условий работы любого технологического
мобильного агрегата. Фактически при оценке сопротивлений любой сельскохозяйственной машины (а не только плуга) можно выделить указанные составляющие. Однако значения отдельных составляющих в общем сопротивлении
машины могут значительно меняться.
Первый член рациональной формулы (Gплfпрот) включает в себя сопротивление передвижению от трения во втулках и подшипниках колес и других приводных механизмах машин, трение ходовых колес о почву, затраты энергии на
ее смятие под действием массы машин, приходящейся на ее ходовую часть,
трение между рабочими органами и почвой или другими обрабатываемыми материалами (затраты энергии на протаскивание лемехов плуга в открытой борозде, лап противоэрозионных сеялок, трение семян в высевающих аппаратах сеялки и т.п.).
Второй член формулы (КП·a, b) отражает затраты энергии на деформацию
обрабатываемого материала: отрезание пласта в горизонтальной и вертикаль96
ной плоскостях, крошение и оборот пласта рабочей поверхностью плуга; срезание и измельчение стеблей культурных растений при уборке и др. Это усилие
зависит от удельного сопротивления почвы и размеров поперечного пласта; сопротивления растений срезу, перемещению по транспортирующим поверхностям, рабочим органам машин.
Третий член формулы ( abVр2 ) представляет собой усилие, необходимое
на отбрасывание объема почвы в сторону или другого обрабатываемого материала со скоростью Vр. Это усилие затрачивается на сообщение кинетической
энергии частицам пласта почвы, измельченного материала при отбрасывании
их в сторону (например, роторами измельчающих устройств и др.).
Предлагая рациональную формулу, В.П. Горячкин предвидел, что «в будущем, при более подробном изучении, каждый из членов формулы, может
быть, придется развить и заменить более сложными функциями». Современное
состояние науки позволяет более подробно изучить составляющие общего сопротивления машин, что важно для их конструирования и эксплуатации.
В общем виде тяговое сопротивление сельскохозяйственных машинорудий можно представить уравнением
R м  R f  R   R d  R ε  R Т  R Т.ПР  R ПР.Х  R α ,
(6.6)
где Rf – сопротивление перекатыванию, возникающее в результате трения во
втулках колес, трение ободьев колес о почву, сопротивление почвы прессованию ходовой частью; Rφ – сопротивление, возникающее в результате тренияскольжения рабочих поверхностей машин или орудий об обрабатываемую среду: почвы о лемех, отвал, зубья, диски; стеблей о режущий аппарат, семян и
удобрений о детали высевающего аппарата; Rd – сопротивление деформации
обрабатываемой среды (крошению пласта, рыхлению при бороновании и культивации; срезанию растений и др.); Rε – сопротивление, затрачиваемое на сообщение кинетической энергии (живой силы) частицам обрабатываемой среды
(отбрасывание пласта при вспашке, частиц почвы – при бороновании, культивации и лущении, стеблей – при уборке); RТ – сопротивление, вызываемое трением в передаточных механизмах сеялок, посадочных машин и др., приводимых в движение от колес машин; RТ.ПР – сопротивление передаточных механизмов энергии (ВОМ и др.); RПР.Х – сопротивление активных приводных рабочих органов машин; Rα – сопротивление перемещению машин на подъем.
У почвообрабатывающих машин сопротивление деформации почвы составляет 40-70% всего тягового сопротивления, у посевных и посадочных машин – 23-40%, у культиваторов и зубовых борон – 33-34% общего сопротивления.
Сопротивление перекатыванию у почвообрабатывающих орудий составляет 7,0 – 20%, у посевных и посадочных – 43-63%, у прицепных комбайнов до
90-95% общего рабочего сопротивления.
Сложность опытного определения коэффициентов составляющих развернутой формулы В.П. Горячкина и изменчивость даже их средних значений привели к тому, что для практических расчетов применяют более простые методики и методы определения тяговых сопротивлений сельскохозяйственных машин.
97
Тяговое сопротивление определяют опытным путем с помощью тензоаппаратуры в конкретных условиях работы и при рабочих скоростях для плугов
Vpэ  5 км/ч; для непахотных агрегатов - Vpэ  6 км/ч.
6.3 Методика расчета составляющих баланса сил сопротивления машин
6.3.1 Сопротивление перекатыванию
Холостое тяговое сопротивление машин имеет место при холостых поворотах и переездах агрегата с выглубленными (выключенными) рабочими органами. Оно зависит от веса машины, создаваемого массой и коэффициента сопротивления перекатыванию. Сопротивление прицепных тяговых машин перекатыванию рассчитывается по следующим формулам:
на горизонтальном участке
(6.7)
R xx  G м f м  10 3 m м gf , кН
0
на подъеме (при <10 )
(6.8)
R xx  G м f м cos   G м f sin   G м (f м cos   sin )  10 3 m м g(f  i) ,
где Rxx – сила сопротивления при холостом ходе, кН; mм – масса машины, кг; fм
– коэффициент сопротивления перекатыванию машины (таблица 6.1).
Таблица 6.1 – Значения коэффициента сопротивления перекатыванию (fм,
fсц)
Характер поверхности
(агрофон)
Сухой луг, целина, крепкая дернина
Стерня
Кукурузное поле, осевшая пахота
Поле, подготовленное
под посев
Колеса с металлическим
ободом
0,06…0,08
Колеса с пневматическим ободом
0,005…0,07
0,10…015
0,15…0,20
0,08…0,10
0,11…0,14
0,20…0,25
0,15…0,18
Тяговое сопротивление прицепного многомашинного агрегата перекатыванию зависит от типа сцепок и количества машин в нем.
При составлении агрегатов, особенно с мощными тракторами общего назначения (Т-4А, Т-150, К-701 и др.), с целью повышения производительности
МТА и более полного использования мощности трактора, соединяют несколько
машин для совместной работы, то есть комплектуют широкозахватный агрегат.
В таких случаях между трактором и прицепными машинами приходится
применять промежуточное звено – сцепку. Ее назначение – передача силы тяги,
развиваемой на крюке трактора, прицепным машинам. Сцепка представляет как
бы трансмиссию в тяговой работе агрегата.
98
Основное требование для нормальной работы машин в сцепке состоит в
том, чтобы каждая машина и орудие были бы отрегулированы так же, как в
случае работы по отдельности.
По своему устройству сцепки подразделяются на универсальные и специальные. Универсальные предназначены для соединения различных симметричных машин (культиваторов, борон, сеялок и др.). Эти сцепки имеют фронтальный сцепной брус на колесном ходу, служащий для прицепки машин в один
или два ряда. Специальные сцепки предназначены для соединения определенных машин несимметричного типа (жаток, плугов, комбайнов м др.). По способу соединения с трактором или машиной сцепки подразделяются на прицепные
и навесные. У навесных сцепок трактор или машина используется в качестве
опорного звена сцепки. Прицепные сцепки представляют собой самостоятельную конструкцию. Основные характеристики сцепок представлены в таблице
6.2.
Таблица 6.2 – Техническая характеристика сцепок
Тяговый класс
Ширина заРабочая скоМарка
агрегатируемого
Масса, кг
хвата, м
рость, км/ч
трактора, т
СП-16А
3, 4, 5
16
≤12
2360
СП-11А
3
до 10,8
≤12
1110
СН-75
3
до 12
≤9
1500
СГ-21А
3, 4, 5
15,7…20,6
≤12
3400
СГ-21Б
3
15,5…20,6
≤15
1980
С-11у
1.4, 2.3
до 12
≤7
750
СНБ-8
1.4, 2.3
7,7…8,4
≤10
550
СПБ-11
1.4, 2.3
10,8
≤12
1025
Ширина основного бруса сцепки, или фронт ее, то есть расстояние между
местами крепления крайних машин, может быть определено по формуле
А  (n  1)b ,
где А – фронт сцепки, м; n – число машин, присоединяемых к сцепке, шт.;
b – ширина захвата, м.
Полную ширину бруса принимают на 0,5…0,75 м больше, учитывая длину мест крепления крайних машин и осей ходовых колес. Эту величину необходимо добавить к полученной по формуле ширине бруса.
Суммарное тяговое сопротивление прицепного машинного агрегата перекатыванию (холостой ход агрегата) определяется следующими уравнениями:
на горизонтальном участке
(6.9)
R хх.а  R сц  nR м  G сц f сц  nG м f м  10 3 (m сц gf сц  nm м gf м ) , кН
на подъеме (α<100)
R хх.а  R сц (cos   sin )  nR м (cos   sin )  10 3 m сц g (f сц  i)  nm м g (f м  i) , (6.10)
где fсц – коэффициент сопротивления перекатыванию сцепки; Gcц, mсц – вес и
масса сцепки соответственно, кН и кг.
99
При полунавесной машине в тяговом агрегате ее сопротивление холостому ходу определяется по выражению:
на горизонтальном участке
R хх.п.н  G м.тр f тр  (G м  G м.тр )f м  10 3 m м.тр gf тр  (m м  m м.тр )gf м , кН
(6.11)
0
на подъеме (α<10 )
R хх.п.н  G м.тр (f тр  i)  (G м  G м.тр )(f м  i) 


 10 3 m м.тр g(f тр  i)  (m м  m м.тр )g(f м  i) ,
(6.12)
где Rхх.п.н – сопротивление полунавесной машины перекатыванию, кН; Gм.тр,
mм.тр – вес и масса полунавесной машины, приходящаяся на трактор соответственно, кН и кг; fтр – коэффициент сопротивления перекатыванию трактора.
Для навесной машины величины холостого сопротивления определяется
по формуле:
на горизонтальном участке
R хх.н  G м.н f тр  10 3 m мн.р gf тр , кН
(6.13)
0
на подъеме (α<10 )
R хх.н  G м.н (f тр  sin )  10 3 mg(f тр  i) ,
(6.14)
где Rхх.н – сила сопротивления перекатыванию навесной машины (добавочное
сопротивление к силе сопротивления перекатыванию трактора), кН; Gм.н, mм.н –
соответственно вес и масса навесной машины, кН и кг.
6.3.2 Тяговое сопротивление машин
Чтобы избежать большого количества справочных опытных данных о тяговых сопротивлениях однородных машин разных марок, введено понятие
удельного тягового сопротивления машин. Это тяговое сопротивление, приходящееся на единицу ширины захвата, то есть на один метр захвата (кН/м).
Для получения удельных сопротивлений среднее опытное сопротивление
Rм машины (полученное в конкретных условиях использования) делят на ее
фактическую ширину захвата Вр:
Км 
Rм
, кН/м
Вр
(6.15)
откуда тяговое сопротивление машины для заданных условий работы
R м  К м В р , кН
(6.16)
где Км – удельное сопротивление машины, кН/м; Вр – ширина захвата машины
рабочая, м.
Тяговое сопротивление непахотных агрегатов
Рабочее тяговое сопротивление машин, кроме плугов (непахотные агрегаты при выполнении культивации, лущения, посева и др.):
R м  R f  R техн  К м В p ,
(6.17)
100
где Rf – составляющая холостого сопротивления машины, кН; Rтехн – сопротивление от выполнения технологического процесса машиной, когда ее рабочие
органы воздействуют на обрабатываемую среду, кН.
Для многомашинного агрегата со сцепкой рабочее суммарное сопротивление
R агр  G сц f сц  n м K м B р  10 3 m сц gf сц  n м K м B р .
(6.18)
Таким образом, величины удельного и общего тягового сопротивления
машины определяются суммой сопротивлений холостого хода и технологического.
При движении агрегата на подъем тяговое сопротивление (с учетом 6.8)
R м  К м В р  G м sin   К м В р  10 3 m м g  i .
(6.19)
В многомашинном агрегате и при наличии сцепки рабочее суммарное сопротивление (с учетом 6.9)
R агр  G сц (f сц  i)  n К м B р  G м  i  
 10 3 m сц g(f сц  i)  K м B р  10 3 n м m м g  i  .
(6.20)
Примерные значения удельного сопротивления машин (полученные при
э
Vp  6 км/ч для непахотных агрегатов) приведены в таблице 6.3.
Таблица 6.3 – Удельное сопротивление машин
Машины и условия работы
Значения Км, кН/м
Боронование зяби:
0,45…0,55
средние зубовые бороны
тяжелые зубовые бороны
0,70…0,90
дисковые бороны
1,90…2,20
Сеялки зерновые дисковые
1,00…1,40
Катки кольчатые
0,60…1,00
Картофелесажалки
3,00…3,50
Косилки навесные
0,50…1,00
Жатка навесная
0,80…1,20
Жатка прицепная
1,20…1,50
Картофелекопатели
5,80…6,50
Культиваторы для сплошной обработки
1,50…2,50
почвы
Грабли поперечные
0,50…0,70
Грабли боковые
0,70…1,00
Картофелеуборочные комбайны
до 15,00
У машин в составе непахотных агрегатов рабочие органы могут быть заглублены на разную глубину (например, лапы культиваторов на глубину
а=0,07…0,12 м), следовательно, технологическое сопротивление Rтехн будет
различным. Поэтому тяговое усилие машин со сменными рабочими органами и
регулируемой шириной захвата (сеялки, культиваторы) можно определять более точно по выражению
101
R м  G м f м (1  )  i  аnK d ,
(6.21)
где ρ – коэффициент, показывающий, какая часть веса рабочей машины нагружает трактор; а – глубина обработки, см; n – количество рабочих органов в машине, шт.; Кd – коэффициент сопротивления одного рабочего органа, кН/см.
Очевидно, что в формуле (6.21) первая составляющая G м f м (1  )  i  R хх
есть сопротивление холостого хода машины на подъеме (спуске) агрегата, вторая часть аnK d  R техн является технологическим сопротивлением. Примерные
значения величины Кd приведены в таблице 6.4.
Таблица 6.4 – Значения коэффициента Кd для сеялок и культиваторов
Рабочие органы
Значения Кd на 1 см заглубления рабочих органов,
кН
Дисковые сошники
0,013…0,030
Анкерные сошники
0,011…0,020
Рыхлящие лапы
0,040…0,050
Подрезающие лапы
0,020…0,030
Лапы глубокого рыхления
0,050…0,120
Так как с увеличением скорости движения удельное сопротивление машин возрастает (для непахотных агрегатов) примерно на 2…4% на каждый километр в час приращения скорости, начиная от начальной ( Vpэ  6 км/ч), то для
расчета фактического удельного сопротивления машины при какой-либо скорости Vpi движения агрегата применяют формулу
П


К мv  К мэ 1 
(Vрi  Vрэ ) ,
 100

(6.22)
где К мv - удельное сопротивление машины при какой-либо рабочей скорости
Vрi > Vрэ , кН/м; К мэ - удельное сопротивление машины эталонное (справочное)
при Vpэ  6 км/ч, кН/м; П – приращение удельного сопротивления машины на 1
км/ч приращения скорости, %.
Тяговое сопротивление плугов
Физический смысл формирования тягового сопротивления плуга при работе пахотных агрегатов наиболее сложен, что обусловлено значительной глубиной воздействия рабочих органов (лемехов) на почву. Глубина обработки
почвы при пахоте находится в пределах 0,20…0,35 м, это предопределяет значимую (наибольшую в структуре рабочего сопротивления плуга (6.5)) величину
второй составляющей R 2  K П аВр - сопротивления почвы деформации. Другими
словами тяговое сопротивление плуга зависит не только от ширины захвата Вр,
но и от глубины пахоты, а в целом от площади сечения пласта почвы S  aBp .
По аналогии с удельным тяговым сопротивлением машин непахотного
агрегата (6.15) находим удельное тяговое сопротивление плуга:
К пл 
R пл G пл f прот
2

 К П  Vр2 , кН/м .
аВ р
аВ р
102
(6.23)
Следовательно, рабочее тяговое сопротивление плуга, с учетом (6.15,
6.16) можно определить как
R пл  К пл аВ р .
(6.24)
Таким образом, имеем аналитическое сходство формул для определения
тягового сопротивления, кН, непахотных машин и плугов:
R м  К м  Вр ;
R пл  К пл  а  В р
(кН/м м)
(кН/м2 м м)
следовательно:
К м  В р  К пл  а  В р
или
К м(пл)  К пл  а ,
(6.25)
где Км(пл) – удельное тяговое сопротивление плуга в кН на один метр ширины
захвата. Его величина зависит от удельного тягового сопротивления плуга,
приходящегося на единицу площади сечения пласта почвы – Кпл (кН/м2) и глубины вспашки – а (м).
Очевидно, что удельное тяговое сопротивление плуга по величине зависит от характеристик почвы – значения ее сопротивления при пахоте деформации Кп; численно превышает величину удельного сопротивления почвы деформации Кп (кН/м2) на сумму составляющих R 1  R 3 
G пл f пр
аВ р
 Vр2 . То есть всегда
2
удельное тяговое сопротивление плуга (кН/м ) будет больше удельного сопротивления почвы ее деформации при пахоте:
Кпл>Кп, так как
 G пл f прот

К пл  К п  
 Vр2  .
 аВ

р


(6.26)
Но отсюда одновременно следует, что удельное тяговое сопротивление
плуга Кпл по величине зависит не только от удельного сопротивления почвы
при пахоте Кп, но и от веса плуга, режима работы пахотного агрегата – глубины
пахоты а и рабочей скорости Vр.
По величине удельного тягового сопротивления плугов при пахоте принято классифицировать почвы по типам: легкие, средние, тяжелые и весьма тяжелые
Таблица 6.5 – Удельное тяговое сопротивление лемешных плугов
Удельное тяговое сопротивление плуга
Тип почв
на единицу сечения пласта
на единицу ширины захвата
2
Кпл, кН/м
Км(пл), кН/м
Легкие
20…35
4,8…7,7
Средние
35…55
7,7…12,1
Тяжелые
55…80
12,1…17,6
Весьма тяжесвыше 80
> 17,6
лые
103
На основе (6.25), приняв глубину пахоты а=0,22 м для указанных типов
почв рассчитали и величину удельного тягового сопротивления плуга на метр
ширины захвата – Км(пл), кН/м.
Сравнение удельных тяговых сопротивлений непахотных машин (Км) и
плугов (Км(пл)) показывает, что в зависимости от типа почв, тяговое сопротивление плугов на единицу ширины захвата а также величин Gпл, а, Vр превышает
по величине удельное сопротивление Км, например, культиваторов, в 5-10 раз.
Это и обусловило определение пахотного технологического процесса как наиболее энергоемкого и энергозатратного.
Если учесть, что рабочая ширина захвата плуга зависит от количества
корпусов nк и их ширины захвата bк (как правило bк=0,35 м), то тяговое сопротивление плуга можно рассчитать по формуле
R пл  К пл an к b к .
(6.27)
Отсюда тяговое сопротивление одного корпуса
R пл.к 
R пл
 К пл ab к , кН.
nк
(6.28)
С учетом значений Кпл и данных таблицы 6.5 тяговое сопротивление одного корпуса лемешного плуга (bк=0,35м), в зависимости от типа почвы будет
находиться в пределах 1,7…6,2 кН (для легких, средних и тяжелых почв).
Если принять допущение, что с увеличением рабочей скорости пахотного
агрегата тяговое сопротивление плуга возрастает по линейной зависимости, то
тяговое сопротивление плуга на какой-либо скорости Vpi> Vpэ (где Vpэ  5 км/ч) с
учетом (6.22, 6.24) можно записать в виде
П
v
э 
э 
R пл  K пл
аВ р  К пл
1  100 (Vрi  Vр ) аВ р ,
(6.29)
где K плv - удельное тяговое сопротивление плуга при работе пахотного агрегата
со скоростью Vpi> Vpэ =5 км/ч, кН/м2.
При работе пахотного агрегата на подъеме (спуске) с учетом (6.19) тяговое сопротивление плуга определяют по формуле
v
R пл  K пл
аВ р  G пл С(f cos   sin ) 
П
э 
э 
3
 К пл
1  100 (Vрi  Vр ) аВ р  10 m пл С(f  i) ,


(6.30)
где С – поправочный коэффициент, учитывающий вес почвы на корпусах плуга
(в зависимости от глубины вспашки С=1,1…1,4 при а=0,23…0,25 м, в среднем
С≈1,2).
Данные таблицы 6.5 являются ориентировочными и не в полной мере отражают влияние многих физико-механических свойств почв на тяговое сопротивление пахотных агрегатов. Более глубокий анализ взаимосвязи тягового сопротивления их с условиями работы, конструкцией плугов дан в другом разделе. Справочные значения удельных сопротивлений плугов определены при рабочей скорости агрегата 5 км/ч. Приращение удельного тягового сопротивления
плугов на каждый километр приращения скорости может достигать 2…10% в
зависимости от условий работы (агрофон, тип почв, конструкция плуга).
104
Приводное и тягово-приводное сопротивление машин
При работе агрегатов в составе с приводными машинами (комбайны,
тракторы с навесными приводными машинами) приведенную силу сопротивления на механизме привода (например, на ВОМ), то есть приводное сопротивление, на величину которого уменьшается касательная сила тяги трактора и соответственно тяговое усилие Ркр (у тягово-приводного агрегата) из-за передачи
части мощности на ВОМ определяют по формуле
R мпр 
N ВОМ  тр
 ВОМ Vр
,
(6.31)
где NВОМ – мощность, необходимая на приводном устройстве (ВОМ) кВт; ηтр –
КПД передачи мощности от механизма привода (ВОМ) к рабочей машине; ηВОМ
– КПД передачи мощности от маховика двигателя к ВОМ (ηВОМ=0,95…0,97); Vр
– рабочая скорость движения, м/с.
Поделив обе части уравнения (6.31) на ширину захвата машины Вмпр, получим приводное удельное сопротивление на приводе (ВОМ):
К пр 
R мпр
Вмпр

N пр  тр
ВОМ Vр Вмпр
.
(6.32)
Тогда силу приводного сопротивления можно определить по выражению
R мпр  К пр Вмпр ,
(6.33)
где Кпр – удельное приводное сопротивление приводной машины, кН/м.
Мощность, необходимую на привод ВОМ, определяют экспериментальным путем, используя вращательные динамографы, или методом тензометрирования с учетом секундной подачи материала (qм, кг/с), скорости движения агрегата (Vр, м/с, урожайности U, ц/га), условий использования:
N ВОМ  N у q м ,
(6.34)
где Nу – удельная мощность, необходимая для обеспечения пропуска одного
килограмма массы материала в секунду через приводные рабочие органы машины, кВт/(кг/с).
Подача секундная обрабатываемого материала определяется по формуле
q п  0,01UВ р Vр , кг/с,
(6.35)
удельные значения Nу принимают по справочным данным.
У тягово-приводного агрегата суммарное сопротивление машины состоит из тягового и приводного сопротивления. Приводное сопротивление
/
R мпр

N ВОМ  тр (1   пр )
 ВОМ Vр
,
(6.36)
где δпр – буксование при работе трактора с включенным ВОМ, δпр≈0,8δдоп.
С учетом (6.16) общее сопротивление тягово-приводной машины определяют в виде
R мпр  К мпр В мпр  (К м  К пр )В мпр ,
(6.37)
где Кмпр – общее удельное сопротивление тягово-приводной машины, кН/м.
Численные значения Км и Кпр принимают по обобщенным справочным
данным, полученным по результатам динамометрирования соответствующих
машин в полевых условиях.
105
В условиях неровного рельефа удельное
приводных машин рассчитывают по формуле
сопротивление
П


К мпр  K пр  К мэ 1 
(Vрi  Vрэ )  10 3 m му gi ,
 100

тягово(6.38)
где mму – удельная масса машины, кг/м.
Итак, полученные на основе рациональной формулы В.П. Горячкина аналитические выражения взаимосвязи, взаимовлияния условий использования и
конструкции машин, их технологического назначения позволяют проводить
расчеты холостого и рабочего сопротивления агрегатов для условий их эксплуатации.
6.4 Энергетическая характеристика удельного тягового сопротивления машин
Энергетическую характеристику удельного сопротивления (ее часто называют энергоемкостью технологической операции) с учетом скорости движения агрегата Vр можно представить следующим образом:
Kм 
R м Vp

.
В р Vp
(6.39)
В этом случае удельное сопротивление машины Км имеет единицы измерения
кДж
кН  м м 2
/
или 2 .
с
с
м
Таким образом, удельное сопротивление машины можно представить не
только как усилие, но по его физическому смыслу, и как расход механической
энергии на единицу площади, или расход мощности на единицу производительности.
Аналогично для плугов
K пл 
R пл Vp

.
аВ Vp
(6.40)
кН  м м 3
кДж
В этом случае Кпл выражается в
/
или 3 .
м
с
с
Следовательно, удельное тяговое сопротивление плуга представляет собой расход механической энергии на обработку объема почвы, проходящей по
отвалу, или затраты мощности на обработку объема почвы, проходящей по отвалу в единицу времени.
Такое толкование физического смысла удельного тягового сопротивления
машин важно для оценки энергетической сущности сельскохозяйственных операций и энергозатрат при их выполнении.
6.5 Показатели изменчивости сопротивления машин
Известные особенности сельскохозяйственного производства – размещение предметов труда (почвы и растений) с разнообразными свойствами на
больших площадях, разнообразные качества и состояния машин, изменение ус106
ловий работы МТА во времени и пространстве и др. – существенно влияют на
величину сопротивления машин, характер его изменчивости. Фактически значения рабочих сопротивлений, зависящие от многих переменных факторов,
часть из которых изменяется по случайным законам, не остаются постоянными
и непрерывно колеблются. От изменчивости рабочего сопротивления машин,
как будет показано в дальнейшем, существенно зависят показатели работы двигателя трактора. В связи с этим важно определить основные числовые характеристики рабочего сопротивления как случайной величины.
Если рассмотреть диаграмму тягового сопротивления машины (рисунок
6.4), то можно выделить составляющие с большим периодом Т и большой амплитудой А=ΔR колебаний – низкочастотные колебания, или мезоколебания,
и составляющие с малым периодом t и небольшой амплитудой колебаний Δr –
высокочастотные колебания. Высокочастотные колебания сопротивлений
(Tr≤1…2 с), как правило, преодолеваются инерцией масс машины и на показатели работы агрегата мало влияют; низкочастотные колебания (Tr>1…2 с) оказывают значительное по величине влияние и на энергетические и на техникоэкономические показатели работы МТА.
Рисунок 6.4 – Изменение рабочего сопротивления машин в процессе работы
Для оценки случайного, стохастического характера изменения сопротивления, в частности тягового, применяют следующие показатели:
1) размах колебаний – (Rmax-Rmin);
2) степень неравномерности колебаний

R max  R min
;
R ср
(6.41)
3) коэффициент возрастания сопротивлений
KR 
R max
;
R ср
(6.42)
4) среднеквадратическое отклонение, определяемое как корень квадратичный из суммы квадратов разностей всех отклонений от среднего сопротивления (при измерении ординат диаграммы через установленные интервалы Δl):
107
R  
(R i  R ср ) 2
n 1
,
(6.43)
где Ri – конкретные значения измеренных ординат на интервале Δli; n – количество интервалов (измерений);
5) коэффициент вариации как отношение σR/Rср выраженный в процентах:
R 
R
100 ;
R ср
(6.44)
6) дисперсию как квадрат среднеквадратической величины сопротивления
D R   2R .
(6.45)
Наиболее полной характеристикой в данном плане является плотность
распределения вероятностей сопротивлений рабочих машин, которая с достаточной точностью описывается, как правило, нормальным законом. Для закона
нормального распределения и достаточно большого количества типичных колебаний Rmax-Rmin=6σR следовательно,  R  6 R .
Значения степени неравномерности сопротивлений δR следующие:
а) при вспашке по стерне сухих легких почв или средних почв нормальной влажности δк=0,5…0,6;
б) при вспашке по стерне сухих тяжелых почв – 0,7…1,2;
в) при культивации лапчатым культиватором – 0,3…0,8;
г) при посеве сеялкой с дисковыми сошниками – 0,2…0,6;
д) при уборке зерноуборочным комбайном (вдоль борозды вспашки) –
0,6…1,0.
Из этих данных следует, что коэффициент вариации рабочих сопротивлений машин изменяется в следующих диапазонах: при вспашке средних почв
нормальной влажности  R  0,08...1,0 ; при вспашке сухих тяжелых почв
 R  0,17...1,2 ; при культивации  R  0,05...0,15 ; при посеве  R  0,03...0,10 .
Из перечисленных показателей наиболее распространены для практических целей степень неравномерности колебаний сопротивления δ и коэффициент возрастания сопротивлений КR, используемые при выборе допускаемой загрузки трактора по усилию на крюке, а его двигателя по мощности или крутящему моменту.
Как показали результаты экспериментальных исследований, для заданных конкретных условий использования, в частности посевного агрегата, существенное влияние на показатели изменчивости тягового сопротивления оказывает величина рабочей скорости. С ее увеличением значимо изменяются величина среднеквадратического отклонения тягового сопротивления сеялок и
функция плотности распределения φ(R) сопротивления (рисунок 6.5).
108
Рисунок 6.5 – Характер распределения тягового сопротивления посевного
агрегата (МТЗ+СЗ-3,6) при рабочей скорости Vр, м/с : 1 – 0,71; 2 – 1,52; 3 – 1,85;
4 – 2,17; 5 – 2,55; 6 – 3,10; 7 – 3,68
При работе агрегата значимые по величине колебания тягового сопротивления машин формируют (через крюк трактора, его трансмиссию) соответствующие колебания момента сопротивления Ме на валу двигателя (рисунок 6.6).
Это ухудшает его работу, снижает мощностные показатели, что в свою очередь
вызывает колебания крутящего момента двигателя Мд, уменьшает величину
движущей агрегат силы. В результате этого происходят колебания величины
усилия на крюке (рисунок 6.7).
Знание рассмотренных закономерностей изменчивости рабочих сопротивлений машин в различных условиях эксплуатации позволяет еще при комплектовании агрегатов правильно выбрать их состав и назначить рациональные
режимы использования.
109
Рисунок 6.6 – Законы распределения тягового сопротивления Ra (a) и момента сопротивления Ме на валу двигателя (б) картофелеуборочного агрегата
(МТЗ+ККУ-2): при скорости Vр, м/с: 1 – 0,45; 2 – 0,69; 3 – 1,25
110
Рисунок 6.7 – Диаграмма силы тяги плуга
6.6 Факторы, влияющие на величину сопротивления машин
Многообразие факторов, влияющих на сопротивление машин, представлено четырьмя основными группами, каждая из которых подразделяется на
подгруппы и отдельные показатели (таблица 6.7).
Таблица 6.7 – Факторы, влияющие на рабочее сопротивление сельскохозяйственных машин-орудий
Фактор
Показатели
1. Основной: подрезание и оборачивание пласта, рыхТехнологический проление, резание, теребление
цесс, выполняемый ма- 2. Вспомогательные: а) внешний транспорт машинышиной-орудием (рисуорудия по полю; б) внутримашинный транспорт
нок 6.8)
1. Ширина захвата
Конструкция машины2. Рабочие органы и механизмы: а) тип; б) количество и
орудия (рисунок 6.8;
расположение; в) конструкция
6.9)
3. Ходовой аппарат: а) тип; б) количество и расположение, вид колес (шин); диаметр и ширина обода
4. Вес: а) постоянный; б) переменный; в) распределение по опорам ходового аппарата
111
5. Подшипники и трансмиссионные механизмы: а) тип;
б) количество
1. Состояние обрабатываемой среды: а) почва, удобреПриродно-естественные ние – физико-механические свойства, биологические
условия (рисунок 6.10) свойства; б) растения – физико-механические свойства,
урожайность, влажность, геометрические параметры
2. Состояние поверхности поля: а) рельеф; б) микрорельеф; в) предшествующая обработка; г) засоренность; д) наличие растительных остатков; е) плотность
1. Скорость поступательного движения
Эксплуатационный ре- 2. Глубина обработки
жим (рисунок 6.11)
3. Техническое состояние машин и орудий: а) степень
изношенности, разрегулированности; б) острота рабочих органов; в) наличие и качество смазки
4. Регулировка: а) направление силы тяги; б) действительная ширина захвата; в) степень загрузки (подачи
массы)
Важно отметить, что большинство показателей технологического процесса, природно-естественных условий и эксплуатационных режимов использования машин, определяющих величину их рабочего сопротивления, являются переменными и вызывают изменения сопротивления в зависимости от условий и
вида выполняемой работы.
Так, удельное сопротивление орудий (Км, кН/м) на бороновании при одной и той же рабочей скорости в два раза меньше, чем на культивации (рисунок
6.8, 4 и 1), а при работе глубокорыхлителя-плоскореза его удельное сопротивление в 10 раз больше по сравнению с сеялками (рисунок 6.8, 2 и 5).
Рисунок 6.8 – Изменение удельного сопротивления машин Км в зависимости от вида технологической операции, рабочей скорости, конструкции: 1 –
культивация, θ – угол лезвия лап, глубина а=10 см; 2 – глубокорыхлительплоскорез, а – глубина; 3 – каткование, Р – удельное давление; 4 – боронование;
5 – посев, γ – угол раствора дисков; 6 – кошение трав, П – прицепные, Н – навесные косилки; 7 – сгребание сена (поперечные грабли).
112
При увеличении ширины захвата, количества рабочих органов машин
(количества корпусов плуга, например) их тяговое сопротивление возрастает
(рисунок 6.9, а, б).
Рисунок 6.9 – Зависимость сопротивления лущильника от ширины захвата (а); плуга от количества корпусов 1 – с отвалами, 2 – безотвальный (б)
Особенно значимое влияние на величину сопротивления, его изменение у
однотипных по технологическому назначению машин оказывают показатели
природно-естественных условий эксплуатации агрегатов: влажность почвы, ее
механический состав, рельеф поля (рисунок 6.10).
Рисунок 6.10 – Изменение удельного сопротивления плуга: а – в зависимости от влажности почвы; б – при вспашке склона (по горизонтали) в зависимости от его крутизны 1 – при обработке бесструктурных почв, 2 – при обработке структурных почв (суглинок)
Сочетание показателей эксплуатационных режимов (например, рабочей
скорости, глубины обработки почвы и др.) и показателей трех других групп
факторов (1, 2, 3, таблица 6.6) предопределяет при работе полевых агрегатов
наиболее резкое увеличение их сопротивления, характер его изменения (рисунок 6.8; 6.11).
Действительно изменение рабочей скорости движения пахотного агрегата
с 4,5 до 6 км/ч на клеверище увеличивает удельное сопротивление плуга Кпл на
20%, а на стерне с удельным сопротивлением почвы Кп=36…45 кН/м2 примерно
на 1,5…2,0% (рисунок 6.11, а). А вот увеличение рабочей скорости пахотного
113
агрегата на ΔVр=3,5 км/ч при влажности почвы 10% по сравнению с нормальной влажностью (W≈20…22%) увеличит удельное сопротивление плуга почти
на 40% (рисунок 6.11, б, кривые 1 и 2).
Рисунок 6.11 – Изменение удельного сопротивления плуга в зависимости
от рабочей скорости агрегата и агрофона (а); рабочей скорости агрегата и влажности почвы (б). Рабочая скорость, км/ч; 1 – 4,5; 2 – 8; 3 – 12
Влияние влажности на тяговое сопротивление машин необходимо рассматривать совместно с типом почв, так как это сочетание обуславливает неоднозначность закономерности изменения сопротивления.
Влажность почв оценивают показателем
W% 
G вл.почв  G сух.почв
G сух.почв
100% ,
(6.46)
где Gвл.почв, Gсух.почв – вес влажной и сухой почвы соответственно, кН.
Установлено, что каждый вид почв в зависимости от механического состава и влияния на тяговое сопротивление плугов имеет оптимальный диапазон
влажности. Работа пахотных агрегатов на почвах с такой влажностью, рациональная с точки зрения агрономии, может быть выполнена с наименьшими тяговыми усилиями (рисунок 6.12, таблица 6.8).
114
Рисунок 6.12 – Сопротивление плуга в зависимости от влажности и рациональные значения при пахоте
При работе агрегатов в зоне Урала влажность почвы более 24…25% обуславливает залипание рабочих органов, что увеличивает тяговое сопротивление. А вот на жирных почвах Приморья при увеличении влажности почвы до
40…50%, наоборот, при вспашке сопротивление плугов уменьшается.
Таблица 6.8 – Границы оптимальной влажности почвы
Влажность, %
Механический соСостояние постав почвы
верхности
нижний предел
верхний предел
пашня
14,5
21,0
Тяжелые суглинки
целина
12,8
19,0
пашня
16,6
20,0
Суглинки
целина
13,0
21,0
пашня
10,7
15,0
Легкие суглинки
целина
10,7
18,0
пашня
8,1
14,0
Супесчаные
целина
6,8
пашня
3,7
8,0
Песчаные
целина
4,4
9,0
При одновременном увеличении рабочей скорости пахотного агрегата и
глубины обработки почвы (рисунок 6.13, а), а также затуплении режущих кромок лемехов плуга при работе на различных агрофонах может, в сумме действия факторов, увеличиться рабочее сопротивление плуга в два и более раз (рисунок 6.13, б, точки 1 и 2).
Многообразие факторов и их показателей определяющих сопротивление
машин при работе полевых агрегатов, изменчивость характера и величины этих
сопротивлений в зависимости от условий эксплуатации МТА обуславливают
необходимость изучения закономерностей и взаимосвязей изменения показателей сопротивления машины с технико-экономическими свойствами агрегатов.
115
Рисунок 6.13 – Изменение сопротивления пахотного агрегата в зависимости от
глубины обработки почвы и скорости движения (а); износа режущей грани лемехов плуга (б): 1 – на залеже; 2 – на стерне
6.7 Коэффициент полезного действия сельскохозяйственных
машин и агрегатов
Коэффициентом полезного действия сельскохозяйственных машин
называется отношение агротехнически полезной механической работы к общим
затратам механической энергии при выполнении машиной данного производственного процесса:
м 
Rп
R
 п ,
Rп  Rт Rм
(6.47)
где Rп, Rт – полезные затраты механической энергии на деформацию обрабатываемого материала (почвы, растений) и затраты механической энергии на различные виды трения (качения, скольжения и др.), а также на подъем, кН.
КПД машин можно выразить так же отношением полезной работы Апол,
полезной мощности Nпол к их суммарной величине во время технологического
процесса. При работе машин и орудий энергия расходуется: 1) на выполнение
машиной (исправной и технологически настроенной) полезных деформаций
материала; 2) на перемещение машины по горизонтали; 3) на перемещение машины на подъеме; 4) на привод механизмов трансмиссии машин; 5) на холостой привод активных рабочих органов без обрабатываемого материала; 6) на
преодоление дополнительного сопротивления при увеличении рабочей скорости движения (например, затраты энергии на отбрасывание частиц почвы при
посеве, рыхлении и др.); 7) дополнительно, на преодоление сопротивлений изза разрегулировок, износа, неисправностей механизмов и рабочих органов машины (погнутые стойки культиваторов, затупленные и погнутые лемехи, биение валов, измельчающих барабанов, нарушение крепежа и др.).
116
Очевидно, исходя из определения КПД рабочих машин, его величину в
общем виде можно определит из соотношения
м 
R пол
R
 пол .
R пол  R 2  R 3  R 4  R 5  R 6  R 7 R сум
(6.48)
Уместно отметить, что по многим машинам и технологическим процессам пока невозможно точно определить величину полезной энергии на деформацию материала. Порой просто отсутствуют корректные методики для определения полезных энергозатрат. Например, при пахоте отечественными плугами полезными считаются затраты энергии на деформацию почвы ( R 2  K п aB ),
частично на сообщение ей кинематической энергии (иногда считают эту составляющую R 3  aBV 2 полностью полезной).
Тогда КПД машины (плуга)
 пл 
K п aB  aBV 2
.
R пл
(6.49)
Но, например, применение зарубежными фирмами («Джон Дир», «Кейс» и др.)
на плугах отвалов из специальной стали снижает коэффициент трения почвы о
поверхность отвала, и сопротивление рабочих органов плуга уменьшается на
10…12%. Значит, уменьшается и величина полезной составляющей Rпол – затраты энергии на деформацию почвы. Разве это плохо?
КПД рабочих машин различных видов и конструкций определяется соотношением различных показателей:
для тяговых одномашинных агрегатов
м.т.о 
R пол
;
R f  R   R пол
(6.50)
для тяговых многомашинных агрегатов
 м.МТА 
R пол
;
R f n м  R  n м  R f сц  R пол
(6.51)
для приводных машин
м.пр 
N техн
;
N техн  N xx  N пр (1  пр )
(6.52)
для тягово-приводных агрегатов
м.тпр 
R пол
.
R т  R пр  R 
(6.53)
Исходя из конструктивных особенностей отечественных сельхозмашин,
методик расчета и методов определения, их КПД установлен в следующих пределах: для культиваторов, борон ηп=0,35…0,45; для плугов, плоскорезов, глубокорыхлителей ηпл=0,50…0,70; для сеялок ηм=0,35…0,40.
Весь диапазон КПД рабочих машин, в том числе приводных и тяговоприводных, находится в пределах 0,08…0,75. Следовательно, исходя из физического смысла КПД сельхозмашин, можно считать, что только 8…75% усилия
(мощности), передаваемого от крюка, привода (ВОМ, вариатора и др.) к рабочим машинам, идет на совершение полезной работы. В условиях эксплуатации
сельскохозяйственных машин в составе полевых машинно-тракторных агрегатов КПД машин по различным причинам имеет меньшую величину.
117
Механическим КПД агрегата называется отношение технологически
полезной мощности, энергии к суммарной мощности энергии, переданной от
маховика двигателя
для тяговых агрегатов
ма 
N пол N кр N пол
 ф
  т м ;
N фе
N е N кр
(6.54)
для приводных агрегатов
м.а.пр 
N техн
;
N фе
(6.55)
для тягово-приводных агрегатов
м.а.т.пр 
N пол  N техн
.
N фе
(6.56)
Если учесть, что средняя величина тягового КПД трактора находится в
пределах 0,55…0,75, а КПД машин в пределах 0,35…0,65, то нетрудно определить диапазон механических КПД рассмотренных агрегатов: ηм.а=0,19…0,49.
Только 19…49% энергии двигателя ( N фе ) идет на совершение полезной работы
при воздействии рабочих органов машин на обрабатываемый материал. Остальная мощность теряется при передаче от двигателя к рабочим органам. Очевидно, что имеются значительные резервы повышения КПД как рабочих машин, так и в целом машинно-тракторных агрегатов.
6.8 Пути снижения сопротивления машин
Основные пути снижения сопротивления рабочих машин целесообразно
разделить на конструктивные, конструктивно-эксплуатационные и эксплуатационные. Конструктивное совершенствование машин предусматривает: создание конструкций рабочих органов машин, обладающих низкими тяговыми
сопротивлениями при высоком качестве работы; применение специальных покрытий для уменьшения сил трения между поверхностями рабочих органов и
почвой, растениями; замена трения скольжения трением качения; создание самозатачивающихся режущих рабочих органов (лемехов плугов, лап культиваторов и т.д.); широкое использование легких металлов и пластмасс в конструкции машин; создание машин с изменяемой шириной захвата (например, плугов)
или геометрической формой рабочих органов в зависимости от условий работы,
или набора различных типов рабочих органов (лап, стоек, отвалов и др.); создание комбинированных машин, выполняющих несколько технологических операций за один проход агрегата и др.
Анализ работы и технологических характеристик отечественных почвообрабатывающих, посевных и посадочных машин (плугов, плоскорезов, культиваторов, борон, лущильников, сеялок, сажалок, комбинированных машин)
свидетельствует о том, что по агротехническим показателям и производительности они отвечают современными требованиями, находятся на уровне распространенных образцов зарубежных машин аналогичного назначения. Однако по
металлоемкости и удельному весу (на метр ширины захвата) большая часть из
118
них уступает зарубежным образцам. Это в равной мере относится к орудиям
основной обработки почвы, посевным машинам, машинам для ухода за растениями.
Важная и пока не решенная до конца техническая проблема отечественного сельхозмашиностроения – недостаточная надежность машин и орудий для
обработки почвы, посева. Это объясняется в первую очередь применением металлов низкого качества, отсутствием специального проката, трубчатых профилей и т.д. Особенно низка надежность наиболее нагруженных рабочих органов:
лемехов плугов и плоскорезов, сошников сеялок, лап культиваторов, работающих в абразивной почвенной среде.
Для снижения энергозатрат, например, при вспашке перспективно применение полимерных материалов типа фторопласт. Исследованиями установлено,
что фторопластовые отвалы плугов обеспечивают снижение их тягового сопротивления на 15…20%. Так ,японская фирма «Сунгамо» выпускает трех- и пятикорпусные плуги с полимерными фторопластовыми отвалами. Но такие отвалы
имеют низкую износостойкость. Поэтому химической промышленности необходимо разработать новые износостойкие полимеры с фрикционными свойствами выше, чем у фторопласта, например, полиуретан.
В нашей стране насчитывается свыше 50 разновидностей почв по механическому составу, поэтому для обеспечения их качественной обработки требуется большой арсенал сменных рабочих органов. Для этого разработан перспективный типаж универсальных сменных рабочих органов (корпусов плугов
– винтовых, полувинтовых, вырезных, безотвальных и др.), которые обеспечивают высокое качество вспашки при меньших на 8-10% энергозатратах.
За рубежом все фирмы выпускают плуги с набором сменных корпусов.
Так, фирма «Джон Дир» (США) выпускает четыре типа корпусов, «Кроне»
(Германия) – 12, «Кварнеленд» (Нидерланды) – четыре типа, «Кейс» (США) –
шесть типов.
Для повышения эксплуатационной надежности, снижения металлоемкости и тягового сопротивления почвообрабатывающих машин в первую очередь
требуется:
- повысить качество изготовления (сварки, сборки, окраски) машин за
счет применения металлов высокого качества, внедрения прогрессивных технологий. Несоблюдение технических требований на изготовление рабочих органов, деталей машин и нарушение технологии их сборки (по исследованиям ЦелинИМЭСХ) проявилось в следующем: разница в высоте стоек рабочих органов глубокорыхлителей КПГ-250 и КПК-2-150 превысила 20 мм вместо 10 мм
по техническим условиям; приваривание пятки режущей лапы к стойке глубокорыхлителя не строго перпендикулярно предопределило разность в положении крайних точек лапы (отклонение от горизонтальной плоскости) от 50 мм и
более вместо 6 мм по нормативам. С недопустимыми отклонениями изготавливаются детали узлов присоединения орудий к трактору или сцепке. Например,
поля рассеяния фактических значений параметров центрального раскоса, крепления навески глубокорыхлителей в 4-6 раз превышают допустимые. Очевидно,
119
что при глубокой обработке почвы такими орудиями значимо возрастает тяговое сопротивление;
- завершить процесс внедрения рам из трубчатых профилей. Это увеличивает сопротивляемость рам машин деформациям, уменьшает их вес и в совокупности снижает тяговое сопротивление;
- резко повысить износостойкость режущих элементов: лап, лемехов, ножей, дисков и т.д. Детали машин, наплавленные твердыми сплавами (например,
сормайтом), обеспеченные самозатачиванием, позволят повысить качество обработки почвы и сократить расход металлопроката на 25…28% за счет снижения количества запасных частей;
- повысить защищенность поверхностей рабочих органов машин от воздействия агрессивной среды (почвы, растений, удобрений). Например, рабочие
органы машин для внесения удобрений из-за отсутствия или слабой защиты от
агрессивного абразивного воздействия служат два – три года вместо пяти –
шести лет.
Применение специальных легких сплавов, сталей и пластических материалов снизит материалоемкость отечественных машин на 20…30% и повысит
срок службы до семи – восьми лет.
Конструктивно-эксплуатационный путь связан с использованием в соответствии с условиями работы регулировок и настроек, которые предусмотрены конструкцией машины, включая расстановку рабочих органов (лап культиваторов, дисковых ножей); соединение рабочих машин, особенно навесных и
полунавесных с трактором; регулировку рабочих органов и соответствующих
механизмов машин.
Особенно важно, с точки зрения повышения качества обработки почвы и
снижения тягового сопротивления, осуществлять правильную технологическую
настройку (установку рабочих органов в вертикальной и горизонтальной плоскостях) плоскорезов и глубокорыхлителей, имеющих широкозахватные рабочие
органы и, работающие на значительной глубине в почве.
Например, настройка глубокорыхлителей на регулировочных площадках
по сравнению с технологическими регулировками «на глазок» позволяет снизить неравномерность обработки почвы по глубине (среднеквадратическое отклонение глубины σп) в полтора – два раза (рисунок 6.14). При этом поверхность поля оказывается более выровненной, что в последующем обеспечит
лучшее качество посева культур и работы уборочных агрегатов.
Настройка орудий на площадке обеспечивает не только повышение качества обработки, но и снижение тягового сопротивления: для рабочего органа
КПП-2.2 на 20…25%, для КПГ-250 на 19…21%, для КПГ-2-150 на 20…23%.
Обобщающие закономерности изменения тягового сопротивления противоэрозионных почвообрабатывающих орудий в зависимости от угла наклона (α)
лемеха лапы показаны на рисунке 6.15.
120
Рисунок 6.14 – Плотности распределения значений глубины обработки
глубокорыхлителем КПГ-2-150: 1 – при настройке орудия на регулировочной
площадке; 2 – в обычных производственных условиях
Рисунок 6.15 – Изменение тягового сопротивления при различной установке плоскорежущего рабочего органа: 1 – глубина обработки 10 и 22 см; 2 –
глубина обработки 14 и 25 см;
аналитические,
экспериментальные.
Эксплуатационный путь снижения тяговых сопротивлений включает в
себя следующие мероприятия: соблюдение правил технического обслуживания
машин; своевременную заточку или замену (при необходимости) режущих элементов машин (лемехов, лап культиваторов, ножей жатвенных машин и др.);
выравнивание полей; удаление камней, пожнивных остатков и препятствий; качественное проведение предшествующих работ; уничтожение сорняков (осо121
бенно важно для уборочных машин); обработку почвы в состоянии механической спелости при влажности 18…24%; периодическое глубокое (глубже пахотного горизонта) рыхление (разуплотнение) почвы примерно через три – четыре года; правильный выбор способа движения и рабочей скорости агрегата.
Практическое применение указанных мероприятий в зависимости от условий работы позволит так же снизить расход топлива и других ресурсов.
Особое значение следует придавать выбору скорости движения агрегатов,
в первую очередь пахотных. Приращение тягового сопротивления плуга при
увеличении скорости с Vр0 до Vрi определяется уравнением
R пл  aB(Vрi2  Vр20 )
(6.57)
или на единицу площади поперечного сечения пласта
К пл 
R пл
 (Vрi2  Vр20 ) .
aB
(6.58)
Как следует из данных В.П. Горячкина среднее значение ε примерно равно 0,1Кп. В свою очередь, в условиях нормальной (общепринятой, средней)
глубины вспашки Кп≈0,8Кпл.
При этих допущениях получим:   0,1К п  0,08К пл , следовательно:
v
К пл
 К пл0 1  0,08(Vрi2  Vр20 ) или
при
Vр,
выраженной
в
км/ч:
v
2
2
К пл  К пл 1  0,006(Vрi  Vр 0 ) .
Пример. Определить, как увеличится сопротивление плуга ПЛП-6-35 при
работе в составе пахотного агрегата со скоростью 9 км/ч по сравнению с его
работой на скорости 6 км/ч, глубина пахоты а=0,25 м; при Vр=6 км/ч Кпл0=55
кН/м2.
По формуле (6.70) определяем:
R пл  0,006К пл0 aB(Vрi2  Vр20 )  0,006  55  0,25  2,1  45  7,8 кН;
приращение сопротивления
R %пл 
R пл
7,8
100 
 27% .
R пл0
55  0,25  2,1
Таким образом, увеличение скорости пахоты на 3 км/ч повысило тяговое
сопротивление плуга на 27%; очевидно, что пропорционально возрастет и расход топлива. Целесообразно ли увеличивать скорость движения агрегата относительно некоторой начальной его скорости движения или лучше увеличить
ширину захвата для более полного использования усилия на крюке – эти вопросы рассмотрены в разделе «Комплектование машинно-тракторных агрегатов».
122
Глава 7 РЕЖИМЫ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ
7.1 Тяговые свойства тракторов в составе МТА
7.1.1 Тяговые характеристики тракторов
Тяговые свойства тракторов (самоходных машин) являются основными
при определении состава агрегатов, выборе нагрузочно-скоростного режима их
работы; при определении технико-экономической эффективности использования МТА в различных организационно-технологических условиях эксплуатации. Очевидно, что разнообразие условий эксплуатации, конструктивных и
энергетических свойств составных частей агрегатов обуславливает разнообразие закономерностей изменения тяговых свойств тракторов. Но тем не менее,
основные закономерности изменения показателей энергетических и техникоэкономических свойств МТА, тракторов в их составе достаточно полно и точно
описывают динамику работы агрегатов.
Тяговой характеристикой трактора называется график, отражающий
взаимосвязь ряда параметров, характеризующих работу агрегата, трактора в зависимости от развиваемого усилия на крюке в пределах от холостого хода трактора до остановки его двигателя от перегрузки, то есть в пределах Ркр.хх=0 до
max
Р кр  Р кр
.
Основными параметрами тяговой характеристики являются:
а) тяговое усилие на крюке Ркр, кН;
б) крюковая тяговая мощность Nкр, кВт;
в) скорость движения V, м/с (км/ч);
г) часовой расход топлива GТ, кг/ч;
д) удельный (крюковой g кр 
GТ
) расход топлива, г/кр·кВт·ч (г/кр·л.с.·ч);
N кр
е) буксование δ, %;
ж) характеристика почвы, ее состояние, агрофон.
Установление тяговых характеристик трактора производится экспериментальным путем методом тензометрирования на каждой передаче тракторов при
равномерном движении.
Тяговые характеристики, снятые на всех передачах трактора и при работе
на различных агрофонах могут служить для анализа тяговых показателей трактора, эксплуатационных свойств агрегата, необходимых для их расчета.
Для более полного понимания взаимосвязи тяговых свойств трактора с
параметрами работы его двигателя представим на графике (рисунок 7.5) одновременно регуляторную характеристику двигателя, построенную в зависимости
от крутящего момента Мдв (7.5, а), и тяговую характеристику трактора на одной
передаче (рисунок 7.5, б).
Анализ совмещенных на одном графике характеристик двигателя и трактора, работающего в составе полевого МТА, позволяет отметить следующее:
1. При статическом положении трактора двигатель работает вхолостую
(рисунок 7.5, а, точка 0). Двигатель развивает обороты nхх, часовой расход топ123
лива равен GТ.х. При холостой работе двигателя независимо от величины расхода топлива и оборотов КВД, момент двигателя и его мощность равны нулю –
нет нагрузки.
2. Трактор движется по полю на какой-либо передаче без рабочих машин,
то есть усилие на крюке равно нулю (рисунок 7.5, б точка 1). Так как при движении трактора требуется мощность двигателя для преодоления сопротивлений
механизмов трансмиссии (мощность Nтр); на перекатывание (Nf), то мощность
эффективная начинает увеличиваться от Nе=0 (в момент начала движения) до
Nе=NеА, а обороты КВД снижаются до величины nб и расход топлива увеличивается: Gт=Gтв (рисунок 7.5, а).
При максимальной подаче топлива акселератором на заданной передаче
трактор движется со скоростью Vхх. Поэтому баланс мощности трактора при
движении
NеА=Nтр+Nf=NеА(1-ήтр)+GтрfVхх.
Очевидно, что расход топлива возрастает: Gтв>Gтх (рисунок 7.5, а), так как
Gт=Nеgе10-3, кг/ч. Здесь gе – удельный эффективный расход топлива двигателем
в г/кВт·ч.
Если трактор будет двигаться со скоростью холостого хода, меньше предыдущей (V/хх<Vхх), потребуется меньше мощности двигателя, так как потери
мощности на перекатывание будут меньше: Nf=GтрfV/хх<Nf=GтрfVхх. И наоборот, если трактор перейдет на повышенную относительно предыдущей Vхх скорость движения то потери мощности на перекатывание увеличатся.
3. Точки 2 и 2/ характеризуют работу уже агрегата, то есть когда трактор
используется совместно с какой-либо машиной, имеющей сопротивление
Rа=Ркрi при скорости Vрi. Увеличиваются мощность двигателя, часовой расход
топлива, мощность на крюке трактора. Обороты КВД уменьшаются, и, как
следствие, уменьшается скорость движения агрегата: Vрi<Vхх.
Одновременно уменьшаются в связи с ростом мощности Nе и Nкр удельные расходы топлива gе и gкр. При наличии усилия на крюке увеличивается
буксование движителей δ. В результате баланс мощности агрегата принимает
вид
Nе=Nтр+Nf+Nδ+Nкр.
При увеличении усилия на крюке (в рассматриваемом случае – на одной
передаче) за счет дополнительного присоединения n сельхозмашин к трактору
через сцепку до величин Ркрн двигатель станет загружен полностью (Nеф=Nен),
крутящий момент двигателя будет равен номинальному, расчетному Мдв.р=Мдвн
(рисунок 7.5, точка 3), обороты КВД будут равны номинальным nн, часовой
расход топлива станет максимальным Gт.max; удельный же расход топлива эффективный будет близок к минимальному: gе≈gе min. Агрегат будет двигаться со
скоростью Vрн, которая соответствует максимальной мощности на крюке Nкрmax,
нормальному усилию на крюке Ркрн. Часовой расход топлива при этом будет
максимальным, при минимуме удельного крюкового расхода топлива gкр min
(рисунок 7.5,б, точка 3). Очевидно, что с ростом усилия на крюке увеличивается буксование движителей трактора. Тяговое усилие, соответствующее номинальным оборотам КВД и совпадающее с наибольшей мощностью на крю124
ке, называется нормальным (номинальным) тяговым усилием на данной
передаче.
Рисунок 7.5 Регуляторная характеристика двигателя (а) и тяговая характеристика трактора (б) при работе полевого агрегата
4. При резком возрастании сопротивления машин (например, из-за повышенного сопротивления почвы, вызванного пониженной влажностью, уплотнением почвы) когда момент сопротивления на маховике двигателя растет, а частота оборотов КВД резко уменьшается (рисунок 7.5, а, точки 3/-4/), уменьшается и мощность двигателя. Но за счет корректора регулятора увеличится не125
сколько подача топлива. Момент крутящий двигателя увеличится до Мдвmax.
Несмотря на снижение мощности на крюке в зоне безрегуляторной ветви (рисунок 7.5, б, точки 3-4), в основном за счет уменьшения скорости движения от
Vрн до Vр min, увеличится усилие на крюке трактора до величины Ркрmax. Если
возрастание сопротивления будет кратковременным, агрегат преодолеет уплотненный участок.
Тяговое усилие, соответствующее крайней точке мощности на крюке
за перегибом кривой, называется максимальным тяговым усилием на
данной передаче. Разница в тяговом усилии между Ркрmax и нормальным тяговым усилием Ркрн, ∆Ркр=Ркрmax-Ркрн представляет собой запас силы тяги на данной передаче при перегрузке двигателя. Очевидно, что величина этого запаса
крюкового усилия в значительной мере зависит от коэффициента приспособляемости двигателя (7.3), то есть от запаса его крутящего момента (7.4).
На графике тяговой характеристики имеются две зоны, разграничивающиеся ординатой, проведенной через точку максимальной тяговой мощности
Nкрmax (рисунок 7.5, а, б, точки 3-3/). В этой точке кривая тяговой мощности
имеет перегиб, после которого график приобретает другой вид (мощность на
крюке начинает снижаться). При установившейся работе и достаточности сцепных свойств точка Nкрmax соответствует работе двигателя при Nен. Основываясь
на этом можно считать, что зона работы трактора до перегиба кривой тяговой
мощности относится к работе двигателя на регуляторе, а после точки перегиба
– к работе двигателя без регулятора.
Тяговые характеристики, снятые при работе трактора на разных передачах и размещенные на одном графике, называются совмещенными тяговыми
характеристиками (рисунок 7.6).
Рисунок 7.6 – Совмещенная тяговая характеристика гусеничного трактора
Между величинами максимальных тяговых мощностей по смежным передачам, как видно из графиков, существует перепад.
Причину различия величин максимальной тяговой мощности по передачам можно установить из рабочего баланса мощности трактора для условий,
126
при которых получены тяговые характеристики, то есть при установившейся
работе.
В этом случае для каждой передачи трактора
Nкрmax=Nен-Nтр-Nf-Nб,
(7.9)
следовательно, разность величин максимальных тяговых мощностей смежных
передач при условии Nтр2≈Nтр3:
∆Nкрmax=Nкр2max-Nкр3max=Nf3-Nf2+Nб2-Nб3.
(7.10)
Зная, что
Nf=РfVр и Nб=Nеηмб,
(7.11)
получаем
∆Nкрmax=Рf(V3-V2)+Nе ηм(δ2- δ3).
(7.12)
Таким образом, перепад величин тяговой мощности зависит от разности
скоростей и потерь мощности на буксование по передачам (рисунок 7.7).
Кривые часового расхода топлива на разных передачах имеют примерно
одинаковый максимум расхода топлива Gтmax,, соответствующий максимуму
крюковой мощности и нормальному тяговому усилию. В этой точке двигатель
загружен полностью, поэтому часовой расход топлива на всех передачах одинаков.
Однако при Ркр=0 часовой расход топлива выше на повышенных передачах. Это объясняется большей загрузкой двигателя за счет увеличения скорости
движения:
Nеф=Nтр+Nf+Nδ=Nтр+РfVp+Neηтрδ
(7.13)
Рисунок 7.7 – Зависимость затрат мощности на перекатывание и буксование
от скорости движения трактора
При увеличении скорости движения трактора величины Nf возрастает не
только в связи с увеличением Vр, но и при определенных условиях работы, изза роста усилия сопротивления перекатыванию, что будет показано ниже.
При анализе эксплуатационных показателей трактора по совмещенной
тяговой характеристике необходимо учитывать следующее.
1. Максимальная тяговая мощность трактора с переходом на высшие скорости увеличивается, если на низших скоростях сцепление движителей с почвой было недостаточным для реализации полной мощности двигателя, и
уменьшается, если оно было достаточным.
127
2. Удельный расход топлива увеличивается при работе на каждой передаче по мере увеличения недогрузки или перегрузки трактора. Наименьший расход топлива соответствует максимальной мощности на крюке трактора.
3. Чем меньше кривизна линии удельного расхода топлива левее и правее
точек максимальной крюковой мощности трактора, тем экономичней работа
трактора. В сельскохозяйственном производстве нередко приходится работать с
недогрузкой. Преимущество имеет тот трактор, у которого удельный расход
топлива при недогрузке возрастает меньше (кривая более пологая).
4. Отношение максимального тягового усилия к нормальному на каждой
из передач можно назвать коэффициентом приспособленности трактора к перегрузке:
К тр 
max
Р кр
Р нкр
.
(7.14)
Очевидно, чем больше этот коэффициент, тем экономичнее работа агрегата; силу тяги трактора можно использовать полнее, без частых переключений
передач (трактор сам преодолевает более значительные временные возрастания
сопротивлений).
5. Чем меньше разности мощностей и тяговых усилий при переходе от
одной передачи к другой, тем большей экономичности можно достичь. Работа
трактора протекает с большей загрузкой за счет более плавного и широкого маневрирования скоростями движения.
7.1.2 Потенциальная характеристика трактора
Совокупность огибающих кривых, соединяющих точки максимальных
тяговых мощностей на всех передачах, точки, соответствующие скоростям
движения при максимальной тяговой мощности, а также точки максимального
часового расхода топлива называют потенциальной характеристикой трактора.
Эти кривые отражают потенциальные возможности трактора (рисунок 7.8).
Рисунок 7.8 – Потенциальная тяговая характеристика трактора
128
Практически потенциальную характеристику трактора можно получить
при наличии у трактора бесступенчатой (фрикционной) коробки передач.
В связи с тем, что точки а, б, в, г, д (рисунок 7.9), соответствующие максимальной тяговой мощности на каждой передаче Nкрmax, практически, с некоторым допущением, соответствуют максимальному значению эффективной
мощности двигателя Nеmax (точки а1, б1, в1, г1, д1), то любая точка огибающей
кривой тяговых мощностей (потенциальная характеристика) также соответствует максимальному значению тяговой и эффективной мощности, например,
точки 1-1/, 2-2/.
Рисунок 7.9 – Потенциальная характеристика и КПД трактора
По определению, КПД трактора есть отношение мощностей:
т 
max
N кр
N не
.
(7.15)
Это отношение может быть изображено графически. Если на рисунке 7.9
рядом с масштабом мощностей нанести новую масштабную линию для КПД
трактора, так чтобы КПД трактора, равный единице (ηт=1.0), соответствовал
максимуму эффективной мощности двигателя (Nе), то огибающая кривая тяговых мощностей (потенциальная характеристика) в новых координатах (Ркр, ηт)
будет представлять собой график изменения тягового КПД трактора:
т 
max
N кр
N
н
е

max
N кр
1
max
 N кр
  тр г f  .
(7.16)
Если на тяговой характеристике максимум тяговых мощностей при передачах, на которых чаще всего приходится работать, лежит в пределах максимума потенциальной характеристики (пологая часть кривой), то эксплуатационные показатели во время работы будут наилучшими и такая тяговая характеристика считается удачной.
Наиболее рациональной является такая потенциальная характеристика, у
которой максимум крюковой мощности находится внутри имеющихся передач.
В этом случае более низкие передачи, чем соответствующая Nкрmax, являются
129
резервными; использование их рационально в случае временного превышения
сопротивления или по агротехническим требованиям, а более высокие передачи
используются преимущественно для транспортных целей и в случае, если на
основных передачах имеющимися машинами невозможно загрузить трактор.
Как правило, работать наиболее целесообразно на тех передачах, где Nкрmax
имеет наибольшее значение или приближается к нему, то есть с наивысшим
значением тягового КПД трактора.
7.1.3 Изменение тяговых свойств МТА
Тяговые характеристики, снятые при разных условиях эксплуатации, показывает, что сила тяги трактора и скорость поступательного движения, соответствующие максимальной тяговой мощности на передачах, не являются постоянными величинами, а изменяются, и при том значительно. Поэтому и тяговая мощность трактора на передаче как произведение Ркр и Vр также является
величиной переменной, зависящей от конкретных условий работы. Для доказательства этого воспользуемся графиками (рисунки 7.10, 7.11) и данными таблицы 7.1.
Изменение мощности на крюке и других показателей трактора на различных видах работы и почвах происходит в изменения увеличения затрат мощности на перекатывание, буксование трактора, что убедительно видно из формулы
Nкр=Nе[ηтр(1-δ)]-G(fn+fг)Vр.
(7.17)
Причем потери мощности на перекатывание изменяются не только за счет
скорости движения, но и за счет изменения коэффициента сопротивления перекатыванию (рисунок 7.12, а).
Рисунок 7.10 – Изменение крюковой мощности и скорости трактора
в зависимости от вида выполняемой работы (величины усилия на крюке)
130
Рисунок 7.11 – Изменение тяговых показателей трактора в зависимости
от удельного сопротивления почвы
Возрастание коэффициента f на более мягких, рыхлых почвах происходит
в основном за счет увеличения затрат энергии на деформацию почвы и образование колеи. С ростом влажности почвы коэффициент f также увеличивается,
следовательно, потери мощности на перекатывание становятся больше (рисунок 7.12, б).
Рисунок 7.12 – Изменение коэффициента сопротивления перекатыванию трактора
Совместное влияние конструкции ходовой части трактора (гусеничного,
колесного) и вида выполняемой работы (агрофона) хорошо видно по результатам тяговых испытаний тракторов одного класса тяги: Т-150 и Т-150К. Их работа в составе пахотных (агрофон стерня) и посевных агрегатов (агрофон поле,
подготовленное под посев) примерно при равных скоростях работы и мощности двигателей предопределила значимые различия тяговых свойств (таблица
7.1).
131
Таблица 7.1 – Тяговые характеристики тракторов Т-150 и Т-150К в составе пахотных и посевных агрегатов
Марка
тракАгрофон
тора
Т-150 Стерня
Т150К
Стерня
Т-150
Поле, подготовленное
под посев
Т150К
Поле, подготовленное
под посев
Передача
Vхх, м/с,
(км/ч)
Qхх,
кг/ч
Ркрн,
кН
Vрн м/с,
(кН/ч)
Qmax,
кг/ч
I
II
III
IV
I
II
III
IV
II
III
IV
V
II
III
IV
V
2,31(8,30)
2,61(9,40)
2,92(10,50)
3,17(11,40)
2,09(7,50)
2,61(9,40)
2,84(10,2)
3,75(13,5)
2,53(9,10)
2,84(10,20)
3,09(11,10)
3,34(12,00)
2,75(9,90)
3,14(11,30)
4,02(14,15)
4,98(18,00)
9,8
10,3
10,8
11,3
9,00
10,20
12,40
15,00
11,6
12,3
12,9
13,5
10,20
11,90
13,10
14,80
45,00
39,50
34,40
30,70
43,0
37,40
32,00
22,40
34,00
30,40
27,00
23,80
29,00
28,90
24,00
19,00
2,04(7,35)
2,33(8,40)
2,69(9,45)
2,86(10,30)
1,07(6,15)
2,05(7,36)
2,43(8,80)
3,53(12,70)
2,14(7,70)
2,39(8,80)
2,61(9,40)
2,83(10,20)
2,23(8,00)
2,34(9,15)
3,52(12,70)
4,06(11,60)
27,6
28,0
27,9
27,9
29,0
30,00
30,00
30,00
27,2
27,6
27,8
27,7
29,00
30,38
30,00
28,80
Анализ данных таблицы показывает следующее.
1. Расход топлива на холостом ходу агрегатов по мере перехода на более
высокую передачу возрастает, что является результатом увеличения мощности
двигателя для преодоления возрастающих затрат мощности тракторов на перекатывание. Причем, примерно при равных скоростях движения агрегатов с
тракторами Т-150 и Т-150К (например, II передача – агрофон стерня; IV и III
передача; поле, подготовленное под посев) расход топлива у гусеничных тракторов выше. Это вызвано более высоким значением коэффициента сопротивления перекатыванию как следствие выше потери мощности на перекатывание.
2. Максимальный расход топлива при работе агрегатов на различных передачах примерно одинаков как с тракторами Т-150, так и с тракторами Т-150К.
Это обусловлено полной загрузкой двигателей тракторов (Nеф=Nен) при нормальном (номинальном) тяговом усилии на каждой передаче.
3. Величина нормального тягового усилия трактора гусеничного Т-150 в
составе пахотного агрегата (стерня) существенно выше по сравнению с тяговым
усилием этого трактора в составе посевного агрегата (поле, подготовленное под
посев). Например, при работе на II передаче при пахоте Ркрн=39.50 кН, а на посеве только Ркрн=34.0 кН, что меньше на 14%. Очевидно, меньшее усилие на
крюке трактора Т-150 в составе посевного агрегата обусловлено (при одной и
той же мощности двигателя) большими потерями ее на буксование, что подтверждается и меньшим значением скорости движения посевного агрегата. Так
как передача КПП трактора Т-150 при работе в составе пахотного и посевного
агрегатов 2ая, следовательно (при передаточном отношении трансмиссий i0 рав132
ном) теоретическая скорость движения трактора независимо от агрофона равна.
Следовательно разница в величине рабочей скорости объясняется более высоким буксованием движителей трактора на поле, подготовленном под посев δпос
>δпах. Так как Vр=Vт(1- δ), следовательно меньшее значение рабочей скорости
трактора Т-150 при посеве (при Vт.=const) – есть результат возросшего значения
коэффициента буксования δ.
4. Меньшие значения основных показателей тяговых свойств колесного
трактора Т-150К (Ркрн, Vрн) как в составе пахотного, так и посевного агрегатов
по сравнению со своим гусеничным аналогом – есть результат более высоких
затрат мощности на буксование, несмотря на меньшие затраты мощности на
перекатывание.
Очень существенно, кроме рассмотренных факторов, на тяговые свойства
тракторов влияют характеристики почв, их механический состав. Это нужно
учитывать при использовании МТА в различных сельскохозяйственных зонах
страны, (таблица 7.2).
Таблица 7.2 – Распределение на группы основных типов почв России по
степени прочности
Типы почв
ПоказатеГлиниСуглинки
ПесчаСупесчали
стые
тяженые
ные
легкие средние
лые
Содержание частиц
3…9
9…14
14…20 20…25 25…50
50…70
меньше
0.01, %
Степень
слабые
слабые
слабые средние средние тяжелые
прочности
Состав и состояние почвы влияют на величину ее смятия и сдвига (деформации) в процессе взаимодействия с ходовой частью трактора. В итоге получаются различные потери мощности на перекатывание и буксование и как
следствие, различные тяговые свойства тракторов в составе полевых МТА.
Как показали исследования, для эксплуатационных расчетов почвенные
условия с точки зрения тяговых свойств тракторов можно характеризовать тремя группами почв и четырьмя укрупненными агрофонами (таблица 7.3).
Изменение тяговой мощности и КПД трактора (в зависимости от агрофона и вида почв) можно характеризовать коэффициентом Кт, представляющим
собой отношение тяговой мощности трактора Nкрi в данных почвенных условиях к его мощности Nкрэ в эталонных условиях:
Кт 
N крi
N крэ

 тi
.
 тэ
133
(7.18)
Таблица 7.3 – Зависимость коэффициента относительного изменения тяговой мощности и КПД трактора от агрофона и вида почв
Значение коэффициента Кт для тракторов
Агрофон
Типы почв
гусеничколесных
ных
Целина, многолетняя залежь, пласт прочные
1,09…1,12 1,05…1,06
многолетних трав
средние
1,06…1,09 1,05…1,04
слабые
1,05…1,05 1,02…1,03
Стерня зерновых, однолетних трав, прочные
1,00
1,00
поле после уборки кукурузы или под- средние
0,95…0,97 0,98…0,99
солнечника
слабые
0,90…0,93 0,96…0,97
Пар, поле после уборки корнеплодов, прочные
0,87…0,90 0,84…0,95
поле при перепашке, междурядная средние
0,83…0,86 0,92…0,93
обработка пропашных культур
слабые
0,78…0,81 0,89…0,90
Поле, подготовленное под посев, или прочные
0,80…0,83 0,91…0,92
свежевспаханное
средние
0,75…0,78 0,89…0,90
слабые
0,70…0,74 0,87…0,88
Из данных таблицы можно сделать выводы, что на одном и том же агрофоне КПД и тяговая мощность трактора значительно изменяются в зависимости
от типа почв (рисунок 7.13).
Общий диапазон изменения тяговой мощности и КПД с учетом влияния
агрофонов и типа почв находится в пределах 39-42% у колесных тракторов и
18-19% - у гусеничных. Потери мощности на перекатывание и буксование зависят и от влажности почвы. Например, у гусеничного трактора ДТ-75 при изменении влажности супесчаной почвы с 6-8 до 26-28% тяговая мощность снижается до 10%. У колесных тракторов изменение влажности сказывается на тяговых показателях еще больше. Величина изменения тяговых свойств трактора в
связи с условиями работы в значительной мере зависит от типа ходового аппарата трактора.
Данные по исследованиям ходовых аппаратов позволили сделать следующей вывод: По надежности в работе и постоянстве сцепных свойств в различных почвенных условиях, в частности для ранних весенних работ по зяблевой пахоте, на первое место могут быть поставлены гусеничные движители.
134
Рисунок 7.13 – Изменение коэффициента Кт в зависимости от агрофона,
состава почв и типа трактора
Кроме того, каждому типу ходового аппарата соответствует определенная
область мощности, при которой этот аппарат проявляет себя наиболее выгодно.
Оказалось, что трактор на пневматических колесах хорошо проявляет себя до
мощности Nе=40 л.с., дальше же его тяговый КПД начинает падать.
Рисунок 7.14 – График изменения КПД тракторов с разными ведущими аппаратами при работе на плотной почве в зависимости от мощности двигателя
В зависимости от зональных условий и вида выполняемых работ сцепные
качества тракторов могут повышаться за счет конструктивного изменения движителей: установка полугусеничного хода на колесные трактора; установка гусеничного хода на ведущие колеса комбайнов; установка сдвоенных колес; использование уширителей гусениц.
Значительное влияние на величину крюковой мощности оказывает изменение мощности двигателя в процессе эксплуатации. Многочисленными иссле135
дованиями (в т.ч кафедры ЭМТП ЧГАУ) доказано, что с ростом наработки
мощность двигателя тракторов снижается (рисунок 7.15).
Очевидно, что несмотря на снижение эффективной мощности двигателя,
затраты мощности на самопередвижение трактора и буксование, при прочих
равных условиях остаются постоянными. Следовательно, снижение мощности
двигателя уменьшит практически на такую же величину и мощность на крюке.
Рисунок 7.15 – Изменение мощности двигателя трактора в зависимости от наработки
Снижение эффективной и крюковой мощности обуславливает снижение
тягового КПД трактора (рисунок 7.16). Интенсивность снижения КПД зависит
от его номинальной величины, определяемой конструкцией ходовой части, условиями работы трактора (агрофон, состав почв и др.).
Рисунок 7.16 – Изменение тягового КПД трактора в зависимости от величины снижения потерь мощности двигателя (ξNе)
Одновременное снижение мощности двигателя и тягового КПД трактора
обуславливает снижение производительности МТА на энергоемких работах
(пахота, культивация и др.) на величину большую (в %), чем потери мощности
двигателя. Своевременное диагностирование мощностных показателей тракторных двигателей, а при потерях мощности больше допустимых – восстановление ее с помощью проведения регулировок позволяют поддерживать значение мощности двигателей близкой к номинальной величине.
Чтобы получить высокие тяговые и экономические показатели тракторов
и самоходных машин, необходимо помнить следующее:
136
1. Полное использование эффективной мощности двигателей при всех условиях позволяет добиться более высокой тяговой мощности, коэффициента
полезного действия трактора и меньшего расхода топлива.
2. Скорость движения трактора (в пределах агротехнически допустимой)
следует выбирать такую, при которой получаются наибольшие тяговые мощности и КПД трактора.
3. В тяжелых условиях эксплуатации, когда тяговая мощность тракторов
значительно снижается вследствие буксования движителей и увеличения силы
сопротивления перекатыванию, целесообразно использовать догружатели ведущих колес, уширители, почвозацепы и другие устройства для повышения их
тягово-сцепных свойств.
4. Тракторы необходимо агрегатировать с такими сельскохозяйственными
машинами (орудиями), которые позволяют использовать его энергетические
возможности наиболее полно.
5. Колесные тракторы следует использовать с учетом почвенных условий
и видов работ; на легко деформируемых и переувлажненных почвах в первую
очередь применяют гусеничные машины; на транспортных работах во многих
случаях выгоднее использовать колесные тракторы, так как их тяговый КПД на
транспортных скоростях выше по сравнению с гусеничными.
6. Своевременное и качественное проведение ремонтно-обслуживающих
воздействий энергетическим средствам и сельскохозяйственным машинам, составляющим МТА, позволяет поддерживать энергетические и техникоэкономические показатели близкими к потенциальным возможностям.
7.2 Оценка тяговых свойств тракторов в составе МТА
7.2.1 Показатели работы трактора в составе тягового агрегата
Методически правильный расчет показателей тяговых свойств тракторов
(других энергетических средств) при использовании различных технологических МТА позволяет выбирать рациональные режимы их использования в условиях реальной эксплуатации, добиваться наиболее полного использования
потенциальных возможностей агрегатов при реализации механизированных
процессов в растениеводстве.
О загрузке трактора при работе на тяге прицепных или навесных (полунавесных) машин судят по коэффициенту использования тягового усилия,
который представляет собой отношение рабочего сопротивления машин в агрегате к нормальному тяговому усилию трактора на данной передаче:
 Ркр 
R аг
.
Р нкр
(7.19)
От величины ηРкр легко перейти к понятию коэффициента использования тяговой мощности (мощности на крюке). Умножив числитель и знаменатель правой части уравнения (7.19) на Vр и заменив в знаменателе Vр на Vрн Э п
(так как Vр  Vрн Э п ), получим
137
Ркр 
R агр Vр
Р нкр Vрн Э п

N кр
max
N кр
Эп
,
(7.20)
где Vрн – скорость движения МТА, соответствующая Р нкр и N крmаа на данной передаче, м/с; Vр – рабочая, фактическая скорость движения МТА, соответствующая фактической загрузке трактора Ркр и Nкр на той же передаче, м/с; Эп- коэффициент использования скорости, Э п 
Vр
Vрн
.
Из уравнения (7.20)
N кр
max
N кр
  Ркр Э п .
(7.21)
То есть коэффициент использования максимальной тяговой мощности трактора на данной передаче равен произведению коэффициентов использования тягового усилия Ркр и скорости Эп.
В случае, если работа МТА происходит в условиях неровного рельефа
поля (αº>0), коэффициент использования тягового усилия трактора учитывает
также затраты усилия на преодоление подъема.
Действительно, при работе на подъеме коэффициент использования тягового усилия
Ркр 
R агр
Р
н
кр

R агр.о  G агр i
Р нкр.о  G тр i
,
(7.22)
где Rагрα – сопротивление машин при движении агрегата на подъеме, кН; Р нкр.о –
нормальное тяговое усилие трактора при движении агрегата на горизонтальном
участке, кН; Gагрi – сопротивление рабочих машин подъему, кН; Gтрi – усилие,
затрачиваемое на передвижение трактора на подъеме, кН.
Нормальное тяговое усилие трактора при движении агрегата на подъеме
н
Р кр при Vрн  const (на данной передаче) будет меньше по сравнению с величиной нормального тягового усилия на горизонтальном участке Р нкр.о , то есть
Р нкр < Р нкр.о . Это объясняется тем, что часть движущей силы затрачивается на
преодоление трактором подъема и крюковое усилие будет меньше. Как следствие, максимальная мощность на крюке при Vрн = const будет меньше.
Изложенное позволяет уравнение (7.22) записать в развернутом виде:
 Ркр 
R агр.о
Р
н
кр.о

Р нкр.о
Р
н
кр.о
 G тр i

R агр.о  G агр i
R агр.о
/
/
,
  Ркр.о   Ркр
  Rааг
(7.23)
то есть в общем случае коэффициент использования тягового усилия трактора – это произведение из трех частных коэффициентов использования
силы тяги.
Первый частный коэффициент
Ркр.о 
R агр.о
(7.24)
R нкр.о
138
представляет собой отношение рабочего сопротивления агрегата к тяговому
усилию трактора на горизонтальном участке и характеризует степень использования силы тяги трактора при работе МТА без подъемов.
Второй частный коэффициент
 Ркр 
Р нкр.о
/
Р нкр.о  G тр i

Р нкр.о
(7.25)
Р нкр
есть отношение нормального тягового усилия трактора на горизонтальном участке к нормальному тяговому усилию трактора на подъеме; и показывает, во
сколько раз уменьшается нормальное тяговое усилие трактора вследствие работы агрегата на подъеме.
Третий частный коэффициент
R агр 
R агр.о  G агрi
(7.26)
R агр.о
равен отношению сопротивления рабочих машин агрегата на подъеме к сопротивлению их на горизонтальном участке; он показывает, во сколько раз увеличивается сопротивление агрегата (машин в нем) на подъеме по сравнению с горизонтальной поверхностью.
По значению коэффициента использования тягового усилия может быть
найден коэффициент загрузки двигателя, представляющий собой отношение
фактически используемой мощности двигателя ( N фе ) к ее номинальному ( N не )
значению:
М фдв n
N фе
К з.дв  н 
 .
N е М дв.р n н
Следовательно, на основе выражения крутящих моментов двигателя
К з.дв 
или




Р кр  G тр f  i  n
М фдв n
Р n

 нк  н
М дв.р n н Р к n н Р кр  G тр f  i  n н
(7.27)

(7.28)
К з.дв  1   f .н (1   Ркр )
 nn ,
н
где в соответствии с уравнениями (4.39, 4.41)
1
fн 
1
G тр f  i 
.
(7.29)
Р нкр
Таким образом, коэффициент загрузки двигателя при использовании
трактора в составе полевого МТА зависит от соотношения сил, которые затрачиваются на передвижение трактора на подъеме (Gтр(f+i)), и нормального тягового усилия трактора на данной передаче в конкретных условиях использования. Чем больше загружены трактор (больше коэффициент использования тягового усилия ηРкр) и его двигатель (n→nн), тем больше коэффициент загрузки по
мощности.
Пример. Определить коэффициенты загрузки двигателя и использования
тягового усилия трактора Т-150 плугом ПЛП-6-35 на III передаче при α=2º на
139
средних почвах. Дано: нормальное тяговое усилие Р нкр =34,40 кН (таблица 7.1);
Gтр=75 кН; f=0,10; Кпл=50 кН/м2; Gпл=10 кН; а=0,25 м,
n
≈ 1,0.
nн
Решение
Сопротивление плуга на подъеме
Rпл=КплаВр+Gплi=50∙0,25∙2,1+10∙0,02=26,45 кН;
тяговое усилие трактора на подъеме
Р фкр  Р нкр  G тр i =34,40-75∙0,02=32,9 кН;
коэффициент использования тягового усилия
Ркр 
R пл
26,45
=
 0,80 ;
ф
Р кр
32,9
коэффициент
fн 
1
1
1
Р нкр
34,4

 0,79 .
G тр f  i 
75(0,1  0,02)
1
Коэффициент загрузки двигателя по мощности при работе пахотного агрегата Т-150+ПЛП-6-35 на третьей передаче согласно (7.28)
Кз.дв=[1-0,79(1-0,80)]=0,84.
Итак, запас мощности для преодоления временных перегрузок при пахоте
у двигателя трактора Т-150 составляет 16%.
Полученный общий коэффициент использования тяги трактора Т-150 в
составе пахотного агрегата можно представить в следующем виде (7.23):
/
Ркр  Ркр.о Ркр
R/ агр ,
где Ркр.о 

/
Ркр

R пл.о К пл аВ Р 50  0,25  2,1


 0,76 ;
34,40
R нкр.о
Р нкр.о
Р нкр.о
Р
 R/ агр 
н
кр.о
 G тр i

34,40
 1,05 ,
34,40  75  0,02
R пл.о  G пл i К пл аВ р  G пл i 50  0,25  2,1  10  0,02


 1,01
R пл
К пл аВ р
50  0,25  2,1
или Ркр  0,76 1,05 1,01  0,80
Еще раз отметим, что величина коэффициента использования тягового
усилия зависит от динамических свойств двигателя (Nе, Мдв, n) и трактора в целом (Gтр, Ркрн, f), вида выполняемой работы, применяемых машин и орудий.
Экспериментальные данные показывают, что рациональное значение коэффициента использования тягового усилия при работе на ровной местности в
зависимости от вида выполняемых полевых работ, применяемых машин и состояния почвы составляет 0,80…0,95.
Величина ηРкр нежелательна больше единицы, (так как в этом случае Rагр
будет больше Р нкр , агрегат будет работать в области перегрузки двигателя трактора, что вызовет неустойчивую работу, необходимость частого перехода на
низшую передачу и снижение производительности МТА.
140
Некоторый запас тягового усилия трактора особенно необходим при выполнении пахотных работ на полях, где почвы неоднородны по физикомеханическому составу.
7.2.2 Работа трактора в составе тягово-приводного агрегата
Целесообразность применения привода механизмов машин от ВОМ (других устройств, передающих энергию) заключается в более рациональной передаче мощности непосредственно от двигателя к рабочим органам машин. При
работе машины с приводом от ВОМ облегчается работа ведущего аппарата
трактора (меньше нужны величины движущей силы, усилия на крюке, сцепного
веса). Как следствие, меньше будут затраты мощности на перекатывание, буксование тракторов, тягу рабочих машин.
По характеру изменения крутящего момента, передаваемого через ВОМ к
рабочим машинам, агрегаты делятся на несколько типов.
1. Агрегаты, у которых величина среднего крутящего момента изменяется
с переменой рабочей передачи трактора, то есть момент сопротивления активных рабочих органов приводной машины зависит от поступательной скорости
движения МТА (силосоуборочные, картофелеуборочные и другие прицепные
комбайны).
2. Агрегаты, у которых изменение крутящего момента происходит с определенной цикличностью, соответствующей технологическому процессу, например, образование тюка у пресс-подборщиков, копнителей сена и др.
3. Агрегаты, у которых крутящий момент на всех передачах трактора постоянный, например, при работе с приводным опрыскивателем, опыливателем
и др., если регулировка подачи не меняется.
Во всех перечисленных случаях через ВОМ реализуется остаток крутящего момента двигателя после того, как обеспечено перекатывание трактора (самоходной машины) и приводной сельскохозяйственной машины.
Наибольшая величина части эффективной мощности, которая может быть
передана на привод активных органов машины:
N пр  N не  N е(кр) ,
(7.30)
где Nпр – мощность, передаваемая от двигателя на привод через ВОМ рабочих
активных органов машины, кВт; Nе(кр) – эффективная мощность, реализуемая
через трансмиссию, движители трактора для создания мощности на его крюке,
кВт.
Теоретически
N е(кр) 
Р к Vт Vт (R м  Р трf )

.
 тр
 тр
(7.31)
При действительной же скорости движения тягово-приводного агрегата,
исходя из  
Vр
Vт
 (1  ) , получим
N пр  N не 
(R м  R трf )Vр
 тр  
141
.
(7.32)
Обозначим через Nвом мощность, снимаемую на привод активных органов
машины с ВОМ, через ηвом – КПД, учитывающий механические потери в передаче мощности от маховика двигателя к ВОМ (ηВОМ=0,95…0,97). Тогда
N пр 
N вом
вом
(7.33)
При этом, мощность, затрачиваемая непосредственно на привод активных
рабочих органов машин:
Nр.о=Nвомηпр,
(7.34)
где ηпр – КПД, учитывающий механические потери в передаче мощности от
ВОМ (через трансмиссию – карданные валы, редукторы и др.) к активным рабочим органам, ηпр=0,90…0,94.
Суммарная мощность двигателя трактора при его работе в составе тяговоприводного агрегата
N фе 
N ВОМ (R м  Р трf )Vр

.
 ВОМ
 тр  
(7.35)
Формулы (7.30, 7.35) выражают величину общей загрузки двигателя; по
ним можно рассчитать величины наибольшей мощности тракторного двигателя, которая может быть передана на привод активных рабочих органов машины
после того, как обеспечено движение трактора и буксирование (тяга) машины.
Тяговое усилие, которое развивает трактор на крюке при работе в составе
тягово-приводного агрегата, определяется по формуле

 i о  тр
N
Р кр.т.пр   N не  ВОМ 
 G тр (f  i) .
 ВОМ  nrк

(7.36)
Коэффициент использования тягового усилия трактора в этом случае
Ркр.т.пр 
G мfм
R мf

,
Р кр.т.пр Р кр.т.пр
(7.37)
где Rмf – тяговое сопротивление приводной машины на ее перекатывание (без
учета приводного сопротивления).
Коэффициент загрузки двигателя по мощности у тягово-приводного агрегата определяется по формуле
N фе N е кр  N пр
К з.дв.т.пр  н 
 К з.дв кр  К з.дв.пр ,
Nе
N не
(7.38)
где Кз.дв.кр – коэффициент загрузки двигателя при тяге машины; Кз.дв.пр – коэффициент загрузки двигателя от затрат мощности на привод активных рабочих
органов машин.
Коэффициент загрузки двигателя при тяге приводной машины (7.38, 7.35)
К з.дв.пр 
или, с учетом (7.28, 7.37)
N е кр
N
н
е

(R м  Р трf )Vр

,
(7.39)
 nn .
(7.40)
 тр  N не
К з.дв.кр  1   fм 1   Ркр.т.пр 
н
Так как тяговое сопротивление приводной машины
Rм=Gм(f+i)+СВр,
142
(7.41)
где С – коэффициент, учитывающий лобовое сопротивление среды (растений)
передвижению машины, С≈0,5…1,0 кН/м, следовательно, требуемая мощность
двигателя для создания необходимой мощности на крюке (7.39:)
N е кр 
G f  i   СВ  G f  i V .
м
м
р
тр
р
(7.42)
 тр δ
Мощность, идущую от двигателя на привод рабочих органов машины, с
учетом (7.33, 7.34) определяют по формуле
N пр 
N р.о
пр ВОМ

NудМ
пр ВОМ

N у В р Vр U
100пр ВОМ
,
(7.43)
где Nу – удельная мощность (таблица 7.4) на обработку материала (растительной массы, картофельно-земляного вороха и др.), кВт/кг/с; дм – секундная подача массы (пропускная способность машины), кг/с; U – урожайность растительной массы (массы вороха картофель-земля и др.), ц/га, Vр – рабочая скорость движения агрегата, м/с.
Таблица 7.4 – Примерные значения удельной мощности на технологический процесс приводной машины (Nуд, кВт/кг/с)
Машина
Комбайн силосоуборочный
Комбайн картофелеуборочный
Комбайн зерноуборочный
Корнеуборочная машина
Ботвоуборочная машина
Жатка рядовая
Пресс-подборщик
Марка машины
КС-1,8 “Вихрь”
ККУ-2
СК-6 “Колос”
КС-6
БМ-6
ЖВС-6
ПС-1,6
Величина Nу
1,8…2,5
7,4…12,5
15,0…19,0
9,8…14,9
3,4…5,3
5,0…7,0
17,7…15,6
На основе зависимостей (7.42, 7.43) в развернутом виде формулу для расчета коэффициента загрузки двигателя трактора (7.38) в составе тяговоприводного агрегата можно представить в виде
К з.дв.т.пр 
G f  i   СВ  G f  i V  N В V U .
м
м
р
пр ВОМ N
тр
н
е
р
у
р
р
100пр ВОМ
(7.44)
Пример. Рассчитать коэффициент загрузки двигателя трактора ДТ-75М
при работе в составе силосоуборочного агрегата с комбайном КСС-2,6. Известно: U=250 ц/га; Nу=2,0 кВт/кг/с; Vр=2 м/с; ηпр=0,95; ηвом=0,92; ηтр=0,88; α=20; N не
=65,25 кВт; Gтр=65 кН; f=0,1; δ=5%; fм=0,08; Gм=38,6 кН; Вр=2,6 м; С=0,7 кН/м.
Решение
36,80,08  0,02   0,7  2,6  650,1  0,02   2  2  2,6  2  250  0,49  0,46  0,95 .
К з.дв.т.пр 
0,88  0,95  65,25
100  0,95  0,92  65,25
Учитывая, что тяговое сопротивление создается в основном сопротивлением комбайна перекатыванию, при относительно равномерной урожайности
143
силоса на поле запаса мощности двигателя в 5% для преодоления кратковременных сопротивлений вполне достаточно.
Нетрудно заметить, что по формуле (7.44) зная условия эксплуатации, характеристики агрегата и заданный коэффициент загрузки двигателя по мощности, можно рассчитывать рабочую скорость движения тягово-приводных МТА.
7.2.3 Коэффициенты полезного действия агрегатов
С целью энергетической оценки агрегатов, определяют их КПД, а
- также КПД двигателя, трактора и рабочей машины;
- при отношении полезных механических мощностей, сил, работы к их
общим механическим затратам энергии можно получить механические КПД агрегата в целом и его составляющих в отдельности.
Изложенное позволяет сказать, что величина тягового КПД трактора в составе тягового МТА является полным механическим КПД трактора:

N кр
Nе
  тр  f  δ  α . Однако исследования показывают, что данное уравнение
КПД не позволяет дать численную оценку КПД трактора в составе тяговоприводных и приводных подвижных агрегатов. Следовательно, нельзя определить и механический КПД агрегата в целом.
Полным КПД трактора, агрегата следует называть отношение мощности, используемой на полезную работу, к соответствующей эффективной
мощности двигателя.
Это определение действительно для всех возможных способов использования сельскохозяйственных тракторов и агрегатов.
При работе трактора (самоходной машины) в составе тягового агрегата
полный КПД трактора будет равнозначен и по определению (смыслу физическому) и по величине тяговому КПД. Это обусловлено наличием только одной
полезной мощности – крюковой. Отсюда полным механическим КПД тягового агрегата называется отношение полезной мощности (механической энергии), которая затрачена непосредственно на изменение качественного состояния предмета обработки (почвы, растений и др.) сельхозмашиной, к соответствующей мощности двигателя:
агр 
R п Vр
N фе

N кр N псхм

  т  м ,
N фе N кр
(7.45)
где Nпсхм – мощность полезная, израсходованная на изменение качественного
состояния материала переработки, кВт.
Так как тяговое КПД тракторов изменяется по величине в пределах
0,50…0,75 (средние значения), а КПД с.-х. машины 0,35…0,75, то величина изменения механического КПД тягового агрегата будет находиться в диапазоне
0,18…0,56. Значит, только 18…56% мощности двигателя израсходовано полезно, то есть непосредственно на переработку материала. Затраты (потери) мощности на преодоление различных видов сопротивления (в трансмиссии, на перекатывание и буксование трактора, на протаскивание машин и др.) составляют
82…44%.
144
Для определения КПД трактора, тягово-приводного агрегата рассмотрим
следующее.
Полный КПД трактора
о.т.пр 
N кр  N ВОМ
N
ф
е
; (при NВОМ=NпрηВОМ, N фе -Nпр=Nе(кр))
выражение полного КПД трактора ηо.т.пр заменим уравнением
 о.т.пр 
N кр

N е  N пр
ф
N фе  N пр
N
ф
е

N пр  ВОМ
N фе
.
(7.46)
Назовем отношение тяговой мощности на крюке (Nкр) к эффективной
мощности, которая затрачена на ее создание, тяговым коэффициентом полезного действия трактора в составе тягово-приводного агрегата:
 т.т.пр 
N кр
N  N пр
ф
е
,
(7.47)
а отношение мощности, снимаемой с вала отбора мощности (NВОМ) на привод
сельхозмашин, к эффективной мощности, которая затрачена на ее создание
(Nпр), приводным коэффициентом полезного действия трактора:
 пр т пр 
N ВОМ
.
N  N е(кр)
(7.48)
ф
е
Подставив эти выражения в уравнение (7.46), получим формулу полного
коэффициента полезного действия трактора в составе тягово-приводного
агрегата в общем виде:
 о.т.пр   т.т.пр 1      ВОМ ,
(7.49)
где λ – доля эффективной мощности двигателя, которая направлена на создание
мощности на ВОМ, (  
N пр
N фе
).
Полным механическим коэффициентом полезного действия тяговоприводного агрегата называется отношение суммы полезных мощностей на
технологические процессы активных и пассивных рабочих органов машины к
эффективной мощности двигателя, то есть (7.46):
о агр.т.пр 
N т.схм  N техн.р.о
N фе
 о т.пр схм.т.пр ,
(7.50)
где Nт.схм – полезная мощность на тягу сельхозмашин (на деформацию обрабатываемого материала пассивными рабочими органами), кВт; Nтехн.р.о – полезная
мощность активных рабочих органов на деформацию обрабатываемого материала, кВт; ηсхм т.пр – КПД тягово-приводной машины.
Его значение определяется отношением полезной мощности (на деформацию материала пассивными и активными рабочими органами машины, сообщению частицам материала кинетической энергии) к мощности, переданной
от крюка и ВОМ трактора:
 схм.т.пр 
N техн.р.о  N т.схм
N кр  N ВОМ  пр
,
(7.51)
где ηпр – коэффициент полезного действия трансмиссии при передаче мощности
от ВОМ (через карданы, редукторы и др.) к активным рабочим органам.
145
Аналитическое выражение КПД тягово-приводной сельхозмашины в последующем целесообразно выразить через тяговый (ηм) и приводной


 р.о  N техн  коэффициенты полезного действия.

N ВОМ пр 

С учетом формул (7.49, 7.50) полной КПД тягово-приводного агрегата
определяют по уравнению
 о.агр.т.пр   т.т.пр 1      ВОМ  схм.т.пр .
(7.52)
7.3 Методика перерасчета рабочей скорости и расхода топлива агрегатов
7.3.1 Перерасчет рабочей скорости
При исследовании режимов работы агрегатов было установлено, что для
нормальной их работы необходимо так комплектовать и выбирать режимы использования агрегатов, чтобы всегда имелся некоторый запас усилия на крюке
для преодоления временных сопротивлений машин. Поэтому в зависимости от
состава агрегатов (конструкции тракторов и машин, их технологического назначения), условий эксплуатации величина коэффициента использования усилия на крюке не должна быть больше единицы: Ркр 
Р фкр
Р нкр
 1,0 .
Кроме того, использование тракторов повышенной единичной мощности
на непахотных работах и при агротехнической ограниченности рабочих скоростей предопределяет фактические значения коэффициента использования усилия на крюке тракторов в составе непахотных МТА в диапазоне фкр
=0,70…0,95.
Однако в тяговых характеристиках тракторов значения скоростей их
движения и часового расхода топлива указаны только при усилиях на крюке:
Ркр=0 имеем Vхх и Gхх; при Ркр= Р нкр имеем Vкрн и G mаа
. Поэтому для правильного
ч
расчета энергетических и технико-экономических показателей использования
МТА (КПД, производительности, погектарного расхода топлива и др.) необходимо методически верно определить фактические величины рабочей скорости
движения и часового расхода топлива при различных значениях коэффициента
использования усилия на крюке трактора.
Представим графически зависимость скорости движения агрегата на какой-либо передаче в функции изменения усилия на крюке трактора (рисунок
7.17).
При отсутствии усилия на крюке трактора (Ркр=0), то есть при движении
трактора по полю без рабочих машин, его скорость движения равна скорости
холостого хода (Vр=Vхх) на какой-либо передаче (максимальна по величине для
заданных условий эксплуатации). Обозначим ее величину на оси ординат точкой А.
146
Рисунок 7.17 – Изменение скорости движения агрегата в зависимости
от усилия на крюке трактора
При максимальной мощности на крюке трактора ( N крmax , N не ) крюковое усилие равно нормальному (номинальному), то есть Ркр= Р нкр . При этом рабочая
скорость движения агрегата равна номинальной величине Vр= Vрн , она указывается в тяговых характеристиках на каждой передаче. Обозначим величину рабочей скорости Vрн на линии ее изменения точкой D, а на оси ординат точкой Е.
Сопротивление рабочих машин агрегата на заданной передаче трактора
ф
Rа= Р кр определяет величину фактического усилия на крюке: Р фкр < Р нкр . Обозначим величину фактической рабочей скорости Vр движения агрегата при Р фкр на
оси ординат точкой С, а на линии изменения скорости – точкой В.
По фактической загрузке трактора при работе агрегата коэффициент использования усилия на крюке 
ф
Ркр

Р фкр
Р нкр
. Для определения величины фактиче-
ской рабочей скорости движения агрегата при заданном коэффициенте использования усилия на крюке трактора воспользуемся признаками подобия треугольников.
Так как ΔАВС~ΔАDЕ (по двум углам: А – общий, АВС=АDЕ), то отношения соответствующих сторон этих треугольников равны, то есть
АС СВ

АЕ ЕD
(7.59). Но величины этих сторон треугольников, выраженные через скорость и
усилие на крюке, равны: АС – Vхх-Vр; АЕ – Vхх- Vрн ; СБ – Р фкр ; ЕD – Р нкр . Следовательно, уравнение (7.59) можем заменить на уравнение
Vхх  Vр
Vхх  Vрн

Р фкр
Р нкр
 Ркр .
147
(7.60)
Проведя преобразования уравнения (7.60), получим формулу для расчета
фактической скорости движения агрегата в зависимости от коэффициента использования усилия на крюке трактора:
Vр=Vхх-(Vхх- Vрн )ηРкр.
(7.61)
С уменьшением усилия на крюке трактора происходит снижение мощности на крюке ( N фкр ), следовательно, уменьшается момент крутящий двигателя,
что обуславливает увеличение оборотов КВД (рисунок 7.5) и повышение рабочей скорости движения трактора и агрегата в целом.
7.3.2 Перерасчет часового расхода топлива при работе агрегата
Аналогично предыдущему примеру представим графически зависимость
часового расхода мобильного агрегата в функции изменения усилия на крюке
трактора (рисунок 7.18).
При движении трактора вхолостую (без рабочих машин) усилие на его
крюке равно нулю (Ркр=0). Расход топлива часовой определяется рабочей скоростью движения и равен Gxx на конкретной передаче трактора, то есть минимален по величине для заданных условий эксплуатации. Обозначим его величину на оси ординат точкой А. При максимальной мощности на крюке трактора
( N крmax , N не ) крюковое усилие равно нормальному (номинальному), то есть
Ркр= Р нкр , а часовой расход топлива максимальный – Gт= G max
. Его значение, как и
т
величина часового расхода топлива трактора на холостом ходу, указывается в
тяговых характеристиках тракторов. Обозначим величину максимального расхода топлива G max
на линии его изменения точкой D, а на оси ординат точкой Е.
т
Рисунок 7.18 – Изменение часового расхода топлива агрегата в зависимости от усилия на крюке трактора
При работе агрегата с рабочим сопротивлением машин Rа= Р фкр < Р нкр часовой расход топлива меньше максимального: G тр < G max
. Обозначим величину
т
148
фактического расхода топлива при Р фкр на линии его изменения от усилия на
крюке точкой В, а на оси ординат – точкой С.
В результате меньшего усилия на крюке трактора Р фкр < Р нкр коэффициент
использования усилия на крюке Ркр 
Р фкр
Р нкр
меньше единицы.
Для расчета фактического часового расхода топлива агрегатом при фактической загрузке трактора на крюке, по аналогии с расчетом скорости, воспользуемся признаками подобия треугольников.
Так как ΔАВС~ΔАDЕ, то отношение соответственных сторон этих треугольников равны, то есть
АС ВС
. Выразив величину этих сторон через пока
АЕ DЕ
затели часового расхода топлива и усилие на крюке, получим следующее уравнение их взаимосвязи:
G тр  G тхх
G max
 G тхх
т

Р фкр
Р нкр
 Ркр .
(7.62)
После преобразования уравнения (7.62), получим формулу для расчета
фактического часового расхода топлива агрегатом в зависимости от коэффициента использования усилия на крюке трактора:
Gтр=Gтхх+( G max
-Gтхх)ηРкр
(7.63)
т
Таким образом, фактический часовой расход топлива агрегатом при усилии на крюке меньше нормального ( Р фкр  Р нкр ), меньше максимального часового
расхода топлива G max
и больше часового расхода топлива при холостом ходе
т
трактора Gтхх, то есть находится в диапазоне Gтхх< G фт < G max
. Умение рассчитыт
вать фактический расход топлива в различных условиях эксплуатации МТА позволяет методически верно определить расход топлива на единицу выполненной агрегатами работы, следовательно, выбрать наиболее экономичные (по
расходу топлива) агрегаты и режимы их использования. Данная методика перерасчета часового расхода топлива агрегатами позволяет проводить более полно
и точно энергетический анализ использования тракторов, агрегатов и применяемых технологий производства продукции растениеводства.
149
РАЗДЕЛ 3
Технико-экономические показатели использования машиннотракторных агрегатов
Глава 8 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АГРЕГАТОВ
8.1 Производительность труда
Производительность труда характеризуется количеством работы определенного качества, выполненной работником в единицу времени. Производительность труда за цикл производства продукции растениеводства определяется
отношением количества продукции установленного качества, в т.ч. в стоимостном выражении (количество потребительской стоимости произведенного продукта), к величине затрат труда за рассматриваемый промежуток времени.
Производительность труда в единицу времени
П
Q
С
F
или П П  , П С  ,
t
t
t
(8 .1)
где П, ПП – производительность труда в физических единицах соответственно
(га/ч, га/cм., га/сезон и др.) и (ц/ч, ц/см.); ПС – производительность труда в
стоимостном выражении, руб./ед.вр.; С – стоимостное количество продукции,
руб.
Производительность МТА – один из важнейших технико-экономических
показателей при реализации механизированных процессов в растениеводстве.
Отличительная особенность сельскохозяйственных полевых работ, связанных с
получением урожая возделываемых культур, - необходимость их выполнения в
строго определенные агротехнические (календарные) сроки с требуемыми качественными показателями. Отклонение этих двух важнейших показателей
реализации механизированных процессов предопределяет количественные и
качественные потери продукции. Это обуславливает снижение производительности труда работника за цикл производства продукции, так как
Пц 
QK п
,
t ж  t ов
(8.2)
где Пц – производительность труда за цикл, ед.пр./чел.-ч.; Q – количество произведенной продукции, т (ц и др.); Кп – коэффициент качества продукции, безразмерная величина (например, качество произведенного зерна, сена, сенажа и
др.); tж, tов – затраты живого и овеществленного труда при производстве продукции, чел.-ч.
Связь производительности труда с качеством продукции (качество выполнения работ) выражается через соотношение количественных и качественных сторон потребительской стоимости (ценности продукта). Если количество
продукции одинаково, но она отличается по качеству, то более производительным будет труд того работника, который в одинаковых с другими условиях и за
равное время выполняет работу (или создает продукт) более высокого качества.
150
В растениеводстве улучшение качества выполняемых операций ведет к
росту урожая, то есть повышению производительности труда.
Часто из-за сложности учета на сельскохозяйственных предприятиях затрат овеществленного труда (на производство тракторов, СХМ, оборудования
для ТО и Р и др.) обычно рассматривают лишь прямые затраты труда, то есть
определяют производительность живого труда.
Своевременное и качественное выполнение сельскохозяйственных работ
– одно из наиболее экономичных (ресурсосберегающих) направлений производства продукции растениеводства. В связи с этим при существующем дефиците механизаторских кадров и техники повышение производительности каждого агрегата приобретает особую актуальность. Несвоевременное выполнение
даже одной операции с низким качеством может привести к значительным потерям продукции. Например, при несвоевременном и некачественном выполнении только уборочных работ можно в несколько раз собрать меньше продукции.
8.2 Определение и классификация производительности агрегатов
Количество работы, выполняемой машинно-тракторным агрегатом за
единицу времени, называется производительностью агрегата.
Производительность агрегата может выражаться в следующих единицах:
в гектарах обработанной или убранной площади (пахота, посев, уборка комбайнами и т.д.), центнерах полученной продукции или внесения органических и
минеральных удобрений, в тонно-километрах и тоннах (транспортные и погрузочно-разгрузочные работы), в условнных эталонных гектарах.
В зависимости от периода времени работы агрегата производительность
может быть часовой, сменной, дневной, суточной, сезонной, годовой. Соответственно этому вводятся обозначения производительности:
Wч – часовая производительность, ед./ч;
Wсм – сменная производительность, ед./см.;
Wсут – суточная (дневная) производительность, ед./сут.;
Wсез – сезонная производительность, ед./сез.;
Wгод – годовая производительность, ед./год.
Различают понятия теоретической, технической, действительной или
фактической производительности агрегата.
Теоретическая производительность агрегата при полевых работах за
единицу времени представляет собой площадь прямоугольника, одна сторона
которого будет равна ширине захвата агрегата, другая – длине пути пройденного за единицу времени (рисунок 8.1):
(8.3)
F  W  Вк Vт ,
2
где W – теоретическая производительность МТА, м /с; Vт – теоретическая
скорость МТА, м/с; Вк – конструктивная ширина захвата МТА, м.
Или теоретическая производительность МТА в гектарах за час (га/ч)
W  В к Vт
3600
 0,36В к Vт ,
10000
151
(8.4)
то есть теоретически часовая производительность агрегата прямо пропорциональна конструктивной ширине захвата агрегата и скорости движения.
Если рабочую скорость измерить в км/ч, то формула производительности
(8.4) примет вид
(8.5)
W  0,1В к Vт .
V
Вк
F
Vт
Рисунок 8.1 – Схема определения теоретической производительности агрегата
Сменная теоретическая производительность
Wсм  0,36Вк Vт Т см ,
(8.6)
где Тсм – время смены, ч.
Полученная производительность называется теоретической потому, что в
ней учитывается лишь конструктивные или теоретические ширина захвата,
скорости, времени и не отражены изменения этих величин, возникающие при
работе.
Техническая производительность агрегата определяется с учетом действительных условий работы и технических возможностей машин.
Действительный (рабочий) захват агрегата Вр в большинстве случаев не
равен конструктивному захвату Вк.
Для оценки использования захвата служит коэффициент β
β
Вр
Вк
.
(8.7)
Отклонение ширины захвата от ее конструктивной величины может происходить по следующим основным причинам:
- неточность вождения агрегата, вызывающая пропуски или перекрытия
площади, обработанной агрегатом при предыдущем проходе;
- перекрытие захвата отдельных сельскохозяйственных машин, находящихся в общей сцепке, вследствие неправильной регулировки или прицепки
машин;
- недоиспользование захвата, вызванное условиями работы (высокой
урожайностью, большим сопротивлением почвы и т.д.).
Рабочая скорость отличается от теоретической по следующим причинам:
152
- буксование движителей трактора;
- изменение числа оборотов двигателя, вызываемое изменениями сопротивления сельхозмашин;
- изменение радиуса качения в связи с различной глубиной погружения
движителей в почву или смятия баллона колес;
- переключение на другие передачи КПП трактора.
Влияние этих причин оценивается коэффициентом использования скорости ε:

Vp
Vт
.
(8.8)
Работа агрегата в течение смены сопровождается некоторыми потерями
времени: на холостые повороты, переезды и остановки по технологическим и
организационным причинам.
Назовем Тр чистым временем работы агрегата за смену, тогда отношение

Тр
(8.9)
Т см
будет коэффициентом использования времени смены.
Его величина показывает, какую долю времени смены (например, τ=0,7)
составляет время непосредственного выполнения технологической операции
(пахоты, посева и др.).
Численные значения β для всех основных типов агрегатов приводят в
нормативным справочниках, β=0,94…1,1. Значения β>1 принимают в основном
для плугов, так как ширина захвата первого корпуса может быть несколько
больше конструктивной. В остальных случаях принимают β<1, так как для соблюдения агротехнических требований с учетом реальных возможностей трактора некоторые агрегаты должны двигаться по полю с перекрытием (боронование, культивация и др.), а другие с недоиспользованием конструктивной ширины захвата (скашивание хлебов, трав и др.).
Коэффициент использования ε учитывает буксование движителей, деформацию шин и другие факторы, уменьшающие теоретическую скорость, поэтому для всех агрегатов ε<1.
Коэффициент использования времени смены τ учитывает все виды непроизводительных потерь времени, включая холостой ход агрегата (повороты,
переезды) и остановки его по разным причинам (для заправки семян при посеве, очистки рабочих органов от растительных остатков, проведение ежесменного и других видов ТО плановых и др.). Реальные значения τ изменяются от 0,4
до 0,8; усредненные значения τ для основных типов МТА и различных условий
работы приводят в нормативных справочниках (таблица 8.1).
Таблица 8.1 – Примерные значения коэффициента использования времени смены
Вид работы Тип трактоКоэффициент τ при длине гона, м
ра
200
300
400
500 1000 1500 2000
Колесный
0,64 0,70 0,76 0,80 0,86
0,88
0,90
Пахота
Гусеничный 0,61 0,68 0,75 0,78 0,81
0,84
0,85
153
Культивация,
боронование,
лущение
Посев зерновых, внесение удобрений
Посев пропашных
Колесный
Гусеничный
0,67
0,71
0,72
0,73
0,77
0,76
0,81
0,80
0,84
0,82
0,87
0,84
0,89
0,86
Колесный
Гусеничный
0,64
0,60
0,68
0,63
0,73
0,67
0,78
0,70
0,82
0,73
0,85
0,76
0,86
0,78
Колесный
0,62
0,66
0,71
0,76
0,80
0,82
0,84
Техническая сменная производительность агрегата (Wсм, га/см) с учетом формул (8.4, 8.6…8.9) рассчитывается по формуле
Wсм  0,36В к  Vт Т см   0,36В р Vр Tсм ;
(8.10)
часовая техническая производительность МТА (Wч, га/ч)
Wч 
Wсм
 0,36В р Vр  .
Т см
(8.11)
Нормативное время смены, как правило, для МТА принимают равным 7
ч. Но в напряженные периоды полевых работ чаще всего фактическое время
смены Т фсм  10 ч.
Когда МТА работает в несколько смен в течение суток, то его коэффициент сменности Ксм больше единицы:
К см 
Т сут
Т см

Т фсут
Т фсм
,
(8.12)
где Т сут , Т фсут - нормативное и фактическое количество часов работы агрегата за
сутки, ч.
Поэтому суточная производительность МТА, работающих в несколько
смен, определяется по формуле
Wсут  Wсм К см  0,36В р Vр Т см К см .
(8.13)
Сезонную производительность за Др рабочих дней (суток) использования
МТА определяют по уравнению
Wсез  Wсут Д р  0,36В р Vр Т см К см Д р .
(8.14)
Фактическая производительность агрегата может отличаться от технической вследствие отклонения ширины захвата, скорости движения и чистого рабочего времени от технически обоснованных значений. В рядовой эксплуатации МТА (в условиях хозяйств) фактическая производительность иногда
ниже технически обоснованной производительности на 30-40%, что является
значительным резервом ее повышения.
8.3 Расчет производительности агрегатов через энергетические показатели
К основным энергетическим показателям МТА относятся: мощность эффективная двигателя; мощности на крюке, ВОМ; КПД тяговый, ВОМ, рабочих
154
машин; тяговое и приводное сопротивление машин. Величины этих показателей определяются первично конструкцией машин, технологическим уровнем их
изготовления на заводах. В условиях эксплуатации величина энергетических
показателей в значительной степени зависит от вида выполняемых технологических процессов, режимов и условий использования МТА. На величину энергетических показателей машин существенное влияние оказывает их техникотехнологическое состояние, определяемое продолжительностью и интенсивностью использования, качеством процессов обеспечения работоспособности машин – уровнем технической эксплуатации МТП на с.-х. предприятиях.
Поэтому более точно и полно производительную способность МТА в условиях эксплуатации целесообразно и необходимо определять в функции величин энергетических показателей.
Выразим рабочий захват агрегата Вр в формуле его часовой производительности (8.11) через среднее сопротивление рабочих машин Rм и их удельное
сопротивление Км (кН/м захвата):
Вр 
R м Р кр

.
Км Км
(8.15)
Сопротивление машины (агрегата) связано с крюковой мощностью и скоростью движения зависимостью
R м  Р кр 
N кр
Vp
;
формулу (8.15) можно записать в виде
Вр 
N кр
Vp К м
.
(8.16)
Подставив значение ширины захвата МТА Вр (8.16) в формулу (8.11), получим уравнение для расчета Wч в функции крюковой мощности трактора и
удельного сопротивления машины:
Wч  0,36
N кр
Vр К м
Vр  
0,36 N кр
Км
.
(8.17)
А так как N кр  N е т , то производительность МТА через эффективную
мощность двигателя определяется (в га/ч) по формуле
Wч 
0,36 N е  Ne  т
,
Км
(8.18)
N фе
где  Ne  н - коэффициент фактического использования номинальной величиNе
ны эффективной мощности двигателя; практически ξNe<1 всегда.
Это можно объяснить необходимостью иметь резерв мощности для преодоления временных сопротивлений, с одной стороны, невозможностью зачастую загрузить двигатели более полно при эксплуатации тракторов или комбайнов, с другой стороны реализовать повышенную единичную мощность тракторов общего назначения на непахотных операциях не позволяют: агротехнические ограничения по скорости движения или же ограниченность рабочей ширины агрегата, обусловленная конструкцией машин. Фактическая мощность дви155
гателя может быть меньше номинальной величины ( N фе < N не ), то есть ξNe<1 и изза ухудшения технического состояния механизмов двигателя.
При расчете производительности пахотных МТА в формулу (8.18) следует ввести значения удельного сопротивления почвы Кп (кН/м2) и глубины пахоты а (м). Удельное сопротивление плуга К пл  К п а , кН/м, следовательно, производительность пахотного МТА
Wч 
0,36 N е  Ne  т
.
Кпа
(8.19)
Нормативные (справочные) значения Км, Кп (8.18, 8.19) определены при
работе МТА: непахотных при скорости 6 км/ч, пахотных – 5 км/ч. При работе
МТА на более высоких скоростях для расчета их производительности нужно
провести перерасчет удельных сопротивлений: Км – машин непахотных агрегатов; Кп – почвы для пахотных агрегатов. Очевидно, что значения этих величин
при увеличении рабочих скоростей МТА будут возрастать.
Упрощенно производительность тягово-приводного агрегата (например, силосоуборочного при работе с ВОМ), в зависимости от мощности двигателя определяется по уравнению


N
0,36 N не  Ne  ВОМ  т
 ВОМ 
0,36 N е  Ne (1   ВОМ ) т

Wч 

,
Км
Км
–
доля
мощности
двигателя,
реализуемая
(8.20)
где
εВОМ
через
ВОМ,
 ВОМ 
N ВОМ
/ N не  Ne . Значение εВОМ для разных сельскохозяйственных тягово ВОМ
приводных машин изменяется от 0,14 до 0,81.
На основании формул (8.18, 8.20) пока невозможно утверждать, что производительность агрегата прямо пропорциональна эффективной мощности двигателя, поскольку значение τ также зависит от ее величины. Более подробно эти
зависимости будут рассмотрены далее.
8.4 Расчет производительности уборочных агрегатов
Производительность зерно- и кормоуборочных комбайнов (разбрасывателей удобрений), кроме рассмотренных ранее факторов, зависит от урожайности
культур, соломистости хлебной массы (наличия ботвы, земляного вороха и др.),
то есть пропускной способности молотильных (режущих, разбрасывающих и
др.) устройств q (кг/с).
Максимальная производительность комбайна зерноуборочного за час
чистого времени работы ограничивается пропускной способностью молотильного устройства qmax:
QWч/
100
 q max ,
QWч/  q max или
36
3600
(8.21)
где Q  U з (1  ) - количество хлебной массы, поступившей в молотилку комбайна с одного гектара, ц/га; Uз – урожайность зерна, ц/га; δ – отношение массы
156
соломы к массе зерна,  
Uс
(обычно δ=1…2); Wч/ - производительность комUз
байна за час чистой работы, га/ч.
Следовательно, условие (8.21) можно записать в виде
Wч/
U з (1  )
 q max .
36
(8.22)
Отсюда максимальная производительность комбайна на обмолоте
Wч/ 
36q max
.
U з (1  )
(8.23)
С учетом фактического распределения времени смены работы комбайна
его техническая часовая производительность рассчитывается по формуле
Wч 
36q max
.
U з (1  )
(8.24)
Таким образом, производительность ЗУК пропорциональна пропускной
способности его молотильного устройства и коэффициенту использования рабочего времени, обратно пропорциональна величине хлебной массы валка. Чем
выше урожайность зерновых культур, тем меньше производительность ЗУК в
гектарах убранной площади в единицу времени.
Однако максимальная (паспортная) пропускная способность комбайна
qmax, вернее, ее фактическое использование, ограничивается массой подбираемого зернового валка и скоростью движения ЗУК.
Масса одного погонного метра валка
dв 
U з (1  )100В ж
 0,01U з (1  )В ж ,
10 4
(8.25)
где Вж – ширина захвата жатки, м.
Например, при Uз=10 ц/га, δ=1 и Вж=6 м хлебная масса одного погонного
метра валка d в  0,01  10  2  6  1,2 кг/м.
Следовательно, при ограничении скорости движения комбайна по агротехническим требованиям фактическое использование пропускной способности
молотильного аппарата
K и.qmax 
q фак
q max

d в Vp
q max

0,01U з (1  )В ж Vp
q max
.
(8.26)
С данными предыдущего примера при Vр=2 м/с (Vр=7,2 км/ч) комбайна
СК-5:
K и.q max 
1,2  2
 0,48 .
5
Следовательно, при расчете производительности ЗУК в конкретных условиях использования нужно применять формулу
Wч 
36q max K и.qmax
U з (1  )

(8.27)
или, с учетом (8.26)
 0,01U з (1  )В ж Vp 

36q max 
q
max

.
Wч 
U з (1  )
157
(8.28)
Зная фактические показатели хлебной массы Uз, δ, характеристики комбайнов по пропускной способности молотилки и агротехническую скорость работы комбайнов на обмолоте, с целью более полного использования потенциальных возможностей ЗУК, можно определять (8.26) потребную ширину захвата жатки на скашивании:
Вж 
К и.qmax q max
0,01U з (1  )Vp
.
(8.29)
Например, если на обмолоте используются комбайны Дон-1200 (qmax=7
кг/с) и урожайность зерна Uз=20 ц/га, то при δ=1 и Vр=2 м/с, Ки.qmax=0,85, то
ширина жатки на скашивании должна быть (8.29):
Вж 
0,85  7
 7,4 м;
0,01 20  2  2
Вж 
0,85  7
 9,9 м.
0,01  15  2  2
а при Uз=15 ц/га
В то же время, если использовать эти комбайны при обмолоте зерновых
напрямую (Uз=15 ц/га и Vр=2 м/с), то коэффициент загрузки их молотилки
К и.qmax 
0,01  15  2  6  2
 0,51 .
7
За исходную (паспортную) принимается пропускная способность комбайнов qmax при соломистости δ=1,5 и удельной массе зерна в общей хлебной
массе z 
Uз
1

 0,4 (пшеница), с кондиционной влажностью зерна и
Uз  Uс 1  
соломы (16…18%) и при отсутствии сорняков. При засоренности 20% и влажности хлебной массы 40…45% пропускная способность комбайна снижается по
сравнению с оптимальной расчетной более чем в 1,5 раза.
Производительность силосоуборочных комбайнов определяется по
формуле аналогичной для расчета производительности ЗУК (8.24):
Wч 
36q max
,
Uc
(8.30)
где Uс – урожайность силосных культур, ц/га.
Силосоуборочные комбайны, как известно, убирают растительную массу
только напрямую, имеют ограниченную ширину захвата жатки (например, КС2,6 имеет Вр=2,6 м). При относительно невысокой урожайности силосных культур (Uс=200…300 ц/га) и пропускной способности комбайна (qmax=20…25 кг/с)
реализация их нормальной пропускной способности невозможна вследствие
ограничения скорости из-за неровностей поля, вызывающих неравномерный
срез и тряску комбайна.
Например, масса скошенной культуры на одном метре пройденного пути
(8.25) при Uс=300 ц/га
Pс  0,01U с В ж  0,01  300  2,6  7,8 кг/м.
При qmax=20 кг/с рабочая скорость комбайна с максимальной пропускной
способностью должна составить (8.26):
158
Vp 
q max 20

 2,6 м/с или Vр=9,4 км/ч.
Pc
7,8
Так как для силосоуборочных комбайнов скорость лимитируется в пределах 6…8 км/ч, то при урожайности силосных культур меньше 300 ц/га часовую
производительность определяют по классической формуле: Wч  0,1В р Vр  . Здесь
τ принимают (с учетом обеспеченности транспортом для отвозки силоса) в пределах 0,6…07, следовательно, при заданных условиях производительность комбайнов на уборке силосных культур
Wч  0,1 2,6  7,2(0,6...0,7)  1,1...1,3 га/ч.
С учетом фактических значений урожайности силосных культур, коэффициента использования пропускной способности комбайна, ширины захвата
его жатки и рабочей скорости производительность за час можно определить по
формуле аналогичной (8.27, 8.28):
 0,01U с В ж Vp 

36q max 
q max

 .
Wч 
Uc
(8.31)
Например, при Uс=400 ц/га, Vр=2 м/с коэффициент использования пропускной способности комбайна
К и.qmax 
0,01U c В ж Vp
q max

0,01 400  2,6  2
 1,04 ;
20
Производительность комбайна
Wчc 
36q max К и.qmax
Uc

36  200  1,04
0,7  3,1 га/ч.
400
Производительность картофелеуборочных, свеклоуборочных (других
аналогичных) комбайнов определяется по формуле, аналогичной (8.31). Урожайность корнеплодов (в знаменателе) принимается с учетом их массы и массы
ботвы. Ширина захвата (вместо Вж) принимается равной ширине захвата подкапывающих рабочих органов – ширине рядков посадки растений. Пропускная
способность корнеуборочных комбайнов определяется пропускной способностью переборочного стола (для картофелеуборочных комбайнов) или пропускной способностью транспортирующих устройств.
Производительность разбрасывателей удобрений, дождевальных и аналогичных им агрегатов определяется по формуле
Wч 
36q max
,
H
(8.32)
где qmax – количество подаваемой массы вносимых удобрений, кг/с; Н – норма
внесения удобрений, ц/га.
Таким образом, производительность уборочных агрегатов, при принятых
агротехнически допустимых скоростях их движения, зависит от пропускной
способности молотильно-сепарирующих устройств, урожайности сельскохозяйственных культур, зональных условий работы комбайнов (влажности растительной массы, засоренности ее сорняками и др.). Общим для всех производительности полевых агрегатов является зависимость ее от эффективности использования времени смены τ.
159
8.5 Баланс времени смены
8.5.1 Структура баланса времени смены
Фактор времени в сельском хозяйстве имеет исключительно важное значение с точки зрения как начала выполнения технологических операций, так и
продолжительности их проведения. Время начала выполнения операции обусловлено природно-климатическими условиями и биологическими свойствами
возделываемых культур. Продолжительность выполнения операций предопределяется агротехническими требованиями и экономическими расчетами. В последнем случае особенно велико значение производительности машиннотракторных агрегатов.
Баланс времени смены характеризует распределение общего времени
смены по отдельным нормативным составляющим или слагаемым. Необходимость такого распределения обусловлена принятым в сельском хозяйстве поэлементным методом нормирования труда, возможностью анализа эффективности использования агрегатов во времени и определения причин ее снижения в
конкретных условиях реализации механизированных процессов.
При поэлементном методе нормирования весь процесс работы расчленяют на основные составляющие элементы с целью дальнейшего совершенствования труда исполнителей и повышения их производительности.
Число слагаемых баланса времени смены при работе МТА зависит от решаемых задач. Например, при разработке норм выработки МТА в нормативный
баланс времени смены не включают время простоев по организационным причинам и из-за технико-технологических отказов машин (поломки рабочих органов, механизмов трансмиссии, ДВС и др.; забивания молотильных устройств,
высевающих аппаратов и т.д.). Не учитываются и простои по метеоусловиям.
Несколько по-другому группируют составляющие баланса времени смены при испытаниях сельскохозяйственной техники.
Балансом времени смены работы МТА называется уравнение, показывающие, на какие составляющие распределяется время смены. Для эксплуатационных расчетов баланс времени смены мобильных полевых агрегатов
можно записать в виде уравнения
Т см  Т р  Т хх  Т п.з  Т ЕО  Т ТО  Т техн.о  Т о  Т п.у.н  Т п.о  Т п.м ,
(8.33)
нормируемые
ненормируемые
где Тр – общая продолжительность основной, полезной работы за смену, - продолжительность непосредственного выполнения МТА технологической операции, то есть когда рабочие органы машин воздействуют на предмет обработки
(почву – при пахоте, культивации, бороновании; растения – при скашивании,
обмолоте; удобрения – при разбрасывании и т.д.); Т хх  Т х  Т о.х  Т п.х - суммарное время холостого хода агрегата за время смены, ч; сюда входят время на переезды к месту работы МТА и обратно (То.х), время разворотов агрегата в заго160
не (Тх) и переезда с поля на поле (Тп.х). Учитывая, что часто сельхозмашины в
сцепе в нерабочий период (ночной, например) остаются на полевом стане, на
краю поля, а трактор возвращается к месту стоянки, то время его переезда без
машин также включается в общее время холостых переездов МТА; Тп.з – подготовительно-заключительное время, ч; сюда включаются затраты времени на получение наряда, уточнение агротребований к работе и маршрутов движения,
время передачи агрегата сменщику; ТЕТО, ТТО – средняя продолжительность
времени на ежесменное плановое проведение периодических ТО, ч. За некоторый период трактор, самоходные и сложные машины нарабатывают до очередного планового ТО. Продолжительность его распределяется на каждую смену,
количество которых наработано МТА до очередного планового ТО; Ттехн.о –
продолжительность простоев МТА на технологическом обслуживании составляющих его машин, ч; сюда входит время на технологическую перенастройку
рабочих органов (установки глубины обработки, норм высева, зазора в молотильно-режущих аппаратах и др.); на загрузку семян, удобрений и выгрузку
зерна из бункера ЗУК; очистку рабочих органов от растительных остатков, почвы; То – время на внутрисменный отдых механизатора и вспомогательных рабочих на агрегате (сеяльщика), ч; сюда не входит время перерыва на прием пищи (обед, завтрак и др.); Тп.у.н – продолжительность простоев МТА при устранении неисправностей машин, то есть при устранении последствий их отказов,
ч. Продолжительность этих простоев в зависимости от методов и форм организации восстановления работоспособности машин после отказа определяется
суммой затрат времени на доставку запасных частей, передвижение ремонтных
мастерских, разборочно-сборочные работы и др. При изношенном парке машин, слабом функционировании инженерных служб, их оснащении материально технической базой простои МТА при устранении неисправностей машины
могут в среднем составлять до 30…40% времени смены; Тп.о – продолжительность простоев по организационным причинам, ч; сюда входят потери времени
от отсутствия транспорта для доставки рабочих, семенного материала, ТСМ;
несвоевременного уточнения маршрутов движения МТА и места их работы;
нечеткой организации обеспечения питанием рабочих в полевых условиях; Тм –
продолжительность простоев МТА из-за ухудшения метеорологических условий, ч.
Из этого уравнения видно, что полезной составляющей баланса времени
смены является только чистое (технологическое) рабочее время Тр. Именно за
время Тр производится какая-либо работа в поле, остальные слагаемые баланса
времени смены являются непроизводительными затратами времени агрегата,
они могут быть оценены частными коэффициентами.
Разделив равенство (8.33) на время смены Тсм, получим коэффициент использования времени смены τ (8.9) в функции частных коэффициентов использования времени смены:

где  п 
(Т п.у.н  Т п.о  Т п.м )
Т см
Тр
Т см
 1   п.з   ЕО   хх   ТО   техн.о   о   п ,
.
161
(8.34)
Каждый частный коэффициент τi определяется в виде отношения  i 
Ti
.
Т см
По физическому смыслу τi выражает долю каждого i-го слагаемого Тi в общем
балансе времени смены или численное значение вероятности пребывания агрегата в i-м состоянии.
8.5.2 Выражение коэффициента использования рабочего времени
смены
через частные коэффициенты
Из уравнения баланса времени смены агрегата видно, что время его эксплуатации подразделяется на три вида:
- время простоев агрегата по каким-либо причинам, или время остановок:
Т ост  Т п.з  Т ЕО  Т ТО  Т техн.о  Т о  Т п.о  Т п.у.н ;
- время движения агрегата:
Т дв  Т хх  Т р ;
- время полезной, чистой (технологической) работы, Тр.
Следовательно, коэффициент использования рабочего времени смены агрегата

Тр
Т см

Тр
Т ост  Т дв
.
(8.35)
Отношение времени движения агрегата за время смены к продолжительности смены назовем коэффициентом мобильности (подвижности) агрегата:
м 
Т дв
Т см

Т р  Т хх
Т см

Т см  Т ост
.
Т см
(8.36)
Физический смысл коэффициента мобильности (подвижности) агрегата
заключается в том, что его величина показывает, какую долю времени смены
составляло движение агрегата. Так как полезная работа мобильных агрегатов
возможна только при их движении, то следует, что чем больше время их движения тем, вероятно, больше будет величина производительности МТА, то есть
предполагается следующая связь между показателями использования
МТА: Wсм  f (Т дв , Т ост ) .
Но само по себе любое движение агрегата не определяет величину его
производительной работы. Полезная работа выполняется только при осуществлении технологической операции. Время полезного движения Тр должно составлять в общем времени движения агрегата Тдв как можно большую долю.
Назовем отношение рабочего времени агрегата за время смены к общему времени его движения за смену коэффициентом использования времени движения:
 дв 
Тр
Т дв

Тр
Т р  Т хх
162
.
(8.37)
Физический смысл этого коэффициента заключается в том, что его величина показывает, какую долю в затратах времени на движение агрегата за смену составляет чистое (полезное) время работы Тр. Этот коэффициент является
коэффициентом полезного движения агрегата.
Например, коэффициент мобильности агрегата τм=0,7, а коэффициент использования времени движения τдв=0,8. Следовательно, данный агрегат 70%
времени смены (Тсм=10 ч) находился в движении Т дв  Т см  м  10  0,7  7 ч. А вот
полезное рабочее время из всего времени движения составило 80% (τдв=0,8) или
Т р  Т дв  дв  7  0,8  5,6 ч. Следовательно, из общего времени движения агрегат
1,4 ч. ( Т хх  Т дв  Т р  7  5,6  1,4 ) двигался вхолостую (переезды, повороты и др.).
Выразим коэффициент использования рабочего времени смены τ через
частные коэффициенты τм, τдв:
Так как
Т
 
р
Т
Тр
;  дв 
Т р  Т хх
см
;
(8.38)
Tр   дв (Т р  Т хх ) , то

Но из выражения (8.36)
 дв (Т р  Т хх )
Т см
Т р  Т хх
Т см


 дв (Т см  Т ост )
Т см
.
Т см  Т ост
  м , следовательно:
Т см
   м  дв .
(8.39)
Коэффициент использования рабочего времени смены равен произведению коэффициента мобильности агрегата и коэффициента использования времени движения.
Используя
данные
предыдущего
примера,
получим:
   м  дв  0,7  0,8  0,56 ;  
Тр
Т см

5,6
 0,56 , то есть доля рабочего времени во вре10
мени смены агрегата составила всего 56%. На основе анализа значений величин
частных коэффициентов, в том числе формулы (8.34), можно установить причины неэффективного использования времени смены и определить пути повышения τ.
8.5.3 Взаимосвязь производительности агрегата и скорости движения
Для раскрытия взаимосвязи производительности агрегата и скорости его
движения рассмотрим работу агрегата в загоне, то есть без учета потерь времени на остановки по различным причинам и переезды. Для данного условия значение коэффициента использования времени движения мобильного агрегата
 дв 
Тр
Т р  Т хх
163
;
Тр 
Sр
Vр
;
Т хх 
S xx
, то
Vxx
Sp
 дв 
Vp
Sp
S
 xx
Vp Vxx

1
1
,
Vp S xx
(8.40)
Vxx S р
где Sp, Sxx – путь, пройденный агрегатом за смену, соответственно рабочий и во
время поворотов, м; Vp, Vxx – скорость движения агрегата соответственно рабочая и при поворотах, м/с.
С учетом (8.40) при Vp=Vxx коэффициент использования времени движения τдв определяется как
 дв 
Sp
S p  S xx
 ,
(8.41)
где φ – коэффициент использования рабочих ходов. Его величина показывает,
какую долю составляет полезный путь агрегата при выполнении технологической операции от общего пути движения его при работе в загоне.
Рассмотрим, как влияют значения пройденного агрегатом пути Sр, Sхх и
его скорости Vр, Vхх при работе в загоне на коэффициент использования рабочего времени смены и на производительность агрегата.
При этом вводим ограничения:  м  1 , следовательно (8.39),    дв ;
Wч  0,36В р Vр  дв .
Случай первый: Vp=Vxx, тогда  дв 
1
; если Sхх≈ const, то при увелиS xx
1
Sр
чении длины рабочего пути за счет увеличения длины гона τдв будет увеличиваться. Это приведет к пропорциональному возрастанию τ и Wч агрегата (рисунок 8.2, а).
Рисунок 8.2 – Изменение показателей агрегата (τ, τдв, Wч) в зависимости
от скорости и пути его движения
164
Если принять Sр=const, то при увеличении длины холостого пути τдв будет
уменьшаться, что пропорционально будет уменьшать τ и Wч агрегата (рисунок
8.2, б).
Случай второй: Sp=Sxx, тогда  дв 
1
1
Vp
если при Vхх≈const увеличивать
Vxx
рабочую скорость (например, за счет повышения мощности ДВС тракторов), то
τдв будет уменьшаться. Соответственно будут уменьшаться τ и Wч агрегата (рисунок 8.2, в). Это объясняется следующим: при одной и той же длине рабочего
хода агрегата Sp (при одной длине гона) время его прохождения tр обратно пропорционально рабочей скорости движения: t p 
Sp
Vp
, то есть продолжительность
прохождения гона сокращается. А за одно и то же рабочее время смены Тр число проходов агрегата в загоне увеличивается: n p 
Tp
tp
. Следовательно, общее
количество разворотов агрегата пропорционально nр увеличивается (соответственно увеличивается Sx, tx), что обуславливает уменьшение τдв и τ. Отсюда следует: при
Wч  0,36Vр В р
1
1
,
Vр
(8.42)
Vхх
некоторое увеличение рабочей скорости агрегата (Vp=Vp.опт) производительность увеличивает, но при дальнейшем увеличении рабочей скорости
(Vp>Vp.опт) производительность уменьшается (рисунок 8.3).
Если же увеличить скорость холостого хода Vхх (поворотов), то при некоторой Vp=const показатели использования рабочего времени агрегата τ, τдв и его
производительность будут возрастать (рисунок 8.2 г).
Исследования взаимосвязи энергетических свойств агрегатов (Ne, ηт, Км и
др.) и показателей использования времени смены агрегата и производительности показали следующее.
Рисунок 8.3 – Изменение производительности агрегата в зависимости
от его рабочей скорости
165
Повышение единичной мощности тракторов реализуется при работе в составе полевых МТА или путем увеличения ширины захвата (у тракторов разного класса тяги, например К-701 и Т-150К), или увеличением рабочей скорости
движения агрегата (у тракторов одного класса тяги, например, ДТ-75М и Т150). Используются эти пути для реализации прироста мощности тракторов в
составе МТА и одновременным увеличением ширины захвата рабочих машин
Вр и скорости движения Vр.
Но при увеличении рабочей скорости агрегата выше оптимальной производительность его уменьшается, что имеет место и при уменьшении ширины
захвата агрегата (Sх увеличивается, Vр увеличивается). Вот почему с увеличением мощности ДВС мобильных машин производительность агрегатов (8.18)
возрастает не прямо пропорционально. Вид характера изменения производительности полевых МТА в зависимости от мощности ДВС энергетических
средств показан на рисунках 8.4, 8.5).
Рисунок 8.4 – Зависимость коэффициента использования времени смены
и производительности агрегатов от мощности для сплошной культивации
при длине гона 500 м ( W2 < W1 )
Рисунок 8.5 – Зависимость темпа прироста производительности λW
от темпа прироста мощности  Ne
166
Сопоставив характер изменения производительности в функции рабочей
скорости движения агрегата (рисунок 8.3) и темпа прироста мощности (рисунок
8.4, 8.5), нетрудно заметить сходство этих взаимосвязей. Это подтверждает наличие достаточно тесной взаимосвязи энергетических показателей МТА с показателями его рабочей скорости и времени использования (τ, τдв) в конечном
счете с производительностью агрегатов.
8.5.4 Измерение производительности и наработки агрегатов
в условных эталонных гектарах
Для объективной сравнительной оценки показателей работы различных
типов МТА, однотипных тракторов на разных видах работ, а также для оценки
общей эффективности использования всего МТП с.-х. предприятия приняты
условный эталонный гектар и условный эталонный трактор.
За условный эталонный гектар (у.э.га) принят объем работы, соответствующий одному физическому гектару вспашки в эталонных условиях: удельное сопротивление плуга – 50 кН/м2; глубина пахоты – 0,20…0,22 м; рабочая
скорость агрегата – 5 км/ч; агрофон – стерня озимых зерновых на почвах средней прочности по несущей способности (средние суглинки); влажность почвы –
20…22%; угол склона – до 10; конфигурация загона правильная (прямоугольная) – при длине гона 800 м; высота над уровнем моря – до 200 м; каменистость
и препятствия отсутствуют.
За условный эталонный трактор принят трактор, который в составе пахотного агрегата в эталонных условиях за один час сменного времени вспашет
один физический гектар, то есть выполнит работу, равную одному условному
эталонному гектару. Коэффициенты перевода физических тракторов в условные эталонные численно равны производительности физических тракторов в
условных эталонных гектарах за один час сменного времени. Эталонная сменная выработка данного трактора определяется умножением коэффициента перевода в условные тракторы на продолжительность смены (τсм=7 ч) в часах
(таблица 8.2).
Таблица 8.2 – Эталонная выработка тракторов (у.э.га)
Класс трактора
За час сменного За 7-часовую смеМарка трактора
(ТС)
времени
ну
К-701
5
2,7
18,9
К-700А
5
2,2
15,4
Т-170
6
1,76
12,3
Т-150К
3
1,65
11,6
Т-4А
4
1,45
10,2
ДТ-75М
3
1,1
7,7
МТЗ-82
1,4
0,73
5,1
МТЗ-80
1,4
0,7
4,9
ЮМЗ-6Л
1,4
0,6
4,2
167
Т-40М
Т-25
Т-16М
0,9
0,6
0,6
0,53
0,3
0,27
3,7
2,1
1,9
Умножив число тракторов данной марки на коэффициент перевода, получают соответствующее число условных эталонных тракторов. Это позволяет
определять общее количество эталонных тракторов в тракторном парке с.-х.
предприятия.
С января 1978 года установлен порядок исчисления механизированных
работ, выполняемых тракторами, в условных эталонных гектарах по количеству
выполненных нормосмен. Объем работ в условных эталонных гектарах через
нормосмены находят умножением количества выполненных сменных, технически обоснованных норм выработки трактором данной марки в составе какоголибо агрегата на его сменную эталонную выработку:
Wу.э.га  N нс Wсм.у.э.га ,
(8.43)
где Nн-с – количество нормосмен, выполненных трактором в составе i-го агрегата за какой-либо промежуток времени.
По тракторным работам, на которые установлены нормы выработки, исходя из продолжительности смены 7 ч, количество нормосмен определяется делением выполненного объема работ в физических единицах Wф.i на 7-часовую
норму выработки в тех же единицах Wсм.ф.i:
N н с 
Wф.i
Wсм.ф.i
.
(8.44)
Если на тракторе выполняется работа, учитываемая в часах (например,
работа с приводом сварочного генератора, водяного насоса, трамбовка силоса и
др.), и на нее нет технически установленной нормы выработки, то число нормосмен определяется делением количества часов, фактически отработанных и
зафиксированных в учетном листе механизатора, на семь часов. Но общую выработку в условных гектарах в этом случае нужно находить, исходя из фактической (ориентировочно определяемой) загрузки двигателя по мощности на
данной работе:
Wу.э.гаi  N нс.i Wсм.у.э.га
N ei
.
N нe
(8.45)
Объем работ в условных гектарах по каждому виду работ суммируют и
получают общую выработку трактора в условных эталонных гектарах на совокупности выполненных работ за какой-либо период времени (сутки, цикл, сезон
и т.д.).
8.6 Пути повышения производительности МТА
Главная цель повышения производительности машинно-тракторных агрегатов при выполнении механизированных процессов в растениеводстве – сокращение продолжительности выполнения технологических операций, что является важнейшим фактором роста урожайности с.-х. культур и улучшения ка168
чества продукции. Выполнение полевых работ продолжительностью, превышающей в большинстве хозяйств Челябинской области в 3…5 раз агротехнически обусловленную длительность выполнения технологических операций, предопределяет низкую урожайность зерновых культур – 9…12 ц/га, при возможной урожайности в два раза выше. Аналогичные показатели по фактической и
потенциально возможной урожайности кормовых культур, корнеплодов.
Однако повышение производительности МТА ни в коем случае не должно снижать качество выполнения технологических операций. Основные факторы, определяющие производительность агрегатов (8.11): ширина захвата Вр и
скорость движения Vр, рациональное использование времени смены τ. Однако
наукой установлено, а практикой реализации механизированных процессов
подтверждено, что повышение ширины захвата рабочих машин и рабочей скорости агрегата (без принятия дополнительных технико-технологических и других решений) ухудшает качество операций Кагр по возделыванию и уборке с.-х.
культур, то есть между рассматриваемыми показателями имеется достаточно
тесная взаимосвязь (рисунок 8.6).
Рисунок 8.6 – Взаимосвязь качества выполнения операций и урожайности
с параметрами агрегатов.
Значит, повышение производительности МТА должно проходить как минимум при обеспечении стабильности качества обусловленного агротребованиями, то есть Кагр=const (рисунок 8.7).
Рисунок 8.7 – Условия повышения производительности агрегатов
169
Основные направления повышения производительности МТА в растениеводстве можно подразделить на две группы:
- направления при производстве машин – качество их конструирования
и технологического изготовления;
- направления при эксплуатации машин – качество процессов их использования, обеспечение работоспособности, эффективность организации этих
процессов.
Выбор основных путей повышения производительности МТА не представляет каких-либо значимых затруднений, если рассмотреть в совокупности
все аналитические зависимости производительности агрегатов в функции их
параметров и режимов, условий использования (8.10, 8.13, 8.17, 8.18, 8.20, 8.24,
8.28, 8.30, 8.32, 8.35, 8.36, 8.38, рисунки 8.2, 8.3, 8.4). А для более глубокого
анализа взаимосвязи конструктивных параметров, показателей основных эксплуатационных свойств (агротехнологических, энергетических) с производительностью агрегата следует обратиться к материалам соответствующих глав
второго раздела данного пособия.
Основными путями повышения производительности МТА в плане машин, входящих в агрегат являются:
повышение единичной мощности ДВС, ширины захвата машин, стабильности процессов передачи энергии, сцепных свойств энергетических
средств, КПД (трансмиссии; тяговых, ВОМ), надежности машин, их универсальности, адаптированности к условиям эксплуатации, показателей маневровых и эргономических свойств и др.;
уменьшение массы машин, коэффициентов трения их рабочих органов,
(механизмов), удельного давления ходового аппарата на почву, трудоемкости
обслуживания и комплектования, количества точек смазки и регулировок механизмов, сопротивления пассивных и активных рабочих органов и др.
Для повышения производительности агрегатов в процессе эксплуатации
возможны следующие группы мероприятий:
1. Поддержание высокого уровня работоспособности и безотказности
машин благодаря своевременному и качественному проведению технического
обслуживания тракторов, применению безразборной диагностики мощностных
показателей и своевременному устранению неисправностей и разрегулировок,
высококачественному ремонту машин с полным восстановлением их мощностных показателей, моторесурса и эксплуатационной надежности и др.
2. Снижение удельных сопротивлений машин и агрегатов на основе
своевременного и высококачественного проведения технического обслуживания машин, применения комплексных агрегатов (у которых общее сопротивление меньше суммарного сопротивления машин при их раздельной работе),
применения наиболее рациональных сцепок, правильной (по линии тяги, без
перекосов) прицепки или навески машин на трактор, осуществления агротехнологических мероприятий по улучшению почв, работы в наиболее рациональные
сроки (например, при агротехнической и механической спелости почв) и др.
3. Правильное комплектование состава агрегатов и выбор наиболее рационального скоростного режима их работы благодаря применению контроль170
ных приборов, маневрированию передачами, использованию всережимного регулятора, применению машин, наиболее соответствующих данным условиями,
маркеров и следоуказателей, обеспечивающих полное использование ширины
захвата машин и др.
4. Повышение степени использования времени смен и коэффициента
сменности благодаря лучшей организации работы (применение двух- и трехсменной работы, наиболее рациональных для данных условий способов движения), улучшение подготовки поля (разбивка его на загоны оптимальной ширины, отбивка минимальных поворотных полос), применение группового метода
работы агрегатов, улучшение технологического обслуживания агрегатов, применение средств механизации при технологическом и техническом обслуживании машин, полной ликвидации непроизводительных затрат времени и др.
Эта группа мероприятий является в настоящее время одним из важнейших резервов повышения производительности агрегатов.
Первую и вторую группу мероприятий можно отнести к технической эксплуатации машинно-тракторного парка, третью и четвертую группы – к производственной эксплуатации.
Глава 9 РАСХОД ТОПЛИВА И ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА
9.1 Расход топлива ДВС
Основной источник энергии, преобразуемой тракторным двигателем в
механическую, топливо. Электрическая энергия только начинает применяться в
полевых механизированных процессах. Использование твердого топлива в мобильных машинах практически прекратилось. Газообразное топливо, особенно
высококалорийное, может успешно применяться в тракторных двигателях, однако доставка и хранение его значительно сложнее жидкого топлива. Вследствие этого в механизированном земледелии в настоящее время и на ближайшую
перспективу основным источником энергии МТА остаются двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком моторном топливе.
При изучении материала данного раздела обратите внимание на то, что в
настоящее время топливо является не только основным источником энергии
МТА, но и в значительной мере определяет себестоимость единицы выполненной работы. В зависимости от типа применяемых агрегатов, вида выполняемых
ими процессов в структуре себестоимости полевых работ доля затрат на топливо составляет 15…25 %.
Поэтому, изучая взаимосвязи количества расхода топлива с параметрами,
режимами работы МТА, условиями их эксплуатации, нужно акцентировать
внимание на связях, факторах, определяющих увеличение расхода топлива в
единицу времени работы агрегата на единицу его производительности. Знание
171
этих факторов позволит определить основные направления, мероприятия экономии топлива.
Экономические показатели двигателей характеризуются расходом топлива и смазки. Конструктивное совершенство современных ДВС с точки зрения
эффективности их эксплуатации в значительной мере определяется эффективным КПД двигателя ηе, удельным эффективным расходом топлива qе, рядом
других показателей.
Эффективный КПД двигателя ηе – это отношение количества энергии,
превращенной в работу на валу двигателя, ко всей энергии сожженного в двигателе топлива:
e 
3,6  103
;
Hq e
(9.1)
qe 
3,6  103 G т 103

,
He
Ne
(9.2)
где qе – удельный эффективный расход топлива, г/кВт·ч; Gт – часовой расход
топлива, кг/ч; Н – низшая теплотворная способность топлива, мДж/кг. Для дизельного топлива Н=42,7 мДж/кг. При номинальной мощности для карбюраторного двигателя ηе=0,25…0,33; для дизелей без наддува ηе=0,35…0,42; для
дизелей с наддувом ηе=0,38…0,46; для газовых двигателей ηе=0,23…0,30.
Наименьшее значение удельного расхода топлива, по рекламным данным,
достигнуто фирмой Deutz: qе=205 г/кВт·ч. У отечественных дизелей удельный
расход значительно выше (таблица 9.1).
Согласно ГОСТ 20000-88 выпускаемые после 1995 г. отечественные дизели должны были иметь qе<215 г/кВт·ч; ближе всех к этому подошли ДВС Алтайдизеля, ЯМЗ. За последние 30 лет у лучших зарубежных тракторных двигателей расход топлива снизился на 26…27 %, у отечественных на 17…18%, то
есть они находятся на уровне, что был у зарубежных ДВС 15…20 лет назад.
Для обеспечения номинального расхода топлива 205 г/кВт·ч эффективный КПД
двигателя должен составлять 0,41.
Таблица 9.1 – Удельный расход топлива у разных ДВС
Тип двигателя
Удельный расход топлива qе, г/кВт·ч
Карбюраторный
230…370
Дизели однокамерные
210…260
Дизели предкамерные и вихрекамер- 250…300
ные
Лучшие зарубежные образцы
до 193
Д-260Т, СМД-23, Д-440, Д-120
204…224
Часовой расход топлива при номинальной мощности двигателя рассчитывается по формуле
N не q е
Gт 
.
1000
172
(9.3)
Однако, как было показано в предыдущих разделах, агрегаты комплектуют и используют часто с запасом мощности двигателей. Особенно это касается
тракторов, комбайнов повышенной мощности. Из анализа тяговых характеристик видно, что с уменьшением нагрузки на крюке часовой расход топлива при
неполной загрузке двигателей по мощности нужно проводить по формуле
N не  Ne q е
Gт 
,
1000
где  Ne 
(9.4)
N фе
- коэффициент загрузки двигателя по мощности.
N не
Таблица 9.2 – Расход топлива машинами при различных режимах работы,
кг/ч
Марка
трактора
К-700
Т-150К
Т-4А
ДТ-75М
МТЗ-80
ЮМЗ-6Л
Т-25
Марка автомобиля
Расход топлива,
л/100 км
Работа под
нагрузкой
24,4…36,0
22,0…28,0
12,8…16,0
12,5…15,7
12,2…13,9
8,8…10,7
3,0…4,0
Повороты
Переезды
Остановки
17,3…25,3 14,5…20,0
3,1
16,1…23,9 14,5…21,5
2,5
10,9…12,2 9,2…13,5
2,2
7,7…14,1
6,0…10,8
1,9
6,9…12,3
5,2…9,9
1,4
3,7…9,2
3,7…7,8
1,3
2,2…5,5
1,8…5,1
0,7
Расход бензина автомобилями
ЗИЛ-130
ГАЗ-53
ГАЗ-24
ВАЗ-2110
32,5
26,5
11,0
7,3
Транспортная
работа
24,7…36,0
15,6…25,2
9,6…15,7
9,4…15,7
8,5…13,5
5,6…10,7
2,4…3,4
Хонда HR-V
6,8
При проектировании механизированных процессов в растениеводстве, а
также с целью анализа эффективности технологий, применяемых МТА, для
планирования потребности в топливе используется показатель расхода топлива
на единицу выполненной работы (таблица 9.2). Таким показателем является
расход топлива в кг на один га обработанной площади поля – погектарный расход топлива qга.
9.2 Погектарный расход топлива, выраженный через параметры
МТА
Описание взаимосвязи погектарного расхода топлива с параметрами машинно-тракторного агрегата позволяет дифференцированно подходить к оценке влияния каждого параметра на расход топлива. Следовательно, это дает возможность определять пути экономии топлива при эксплуатации агрегатов. С
другой стороны, при величине фактического погектарного расхода топлива
173
выше нормативного значения рассматриваемая взаимосвязь позволяет устанавливать причины перерасхода топлива и принимать меры для их устранения.
Расход топлива на гектар выполненной работы (qга, кг/га) определяется по
формуле
G т N не  Ne q e
q га 

.
Wч
103 Wч
(9.5)
0,36 N не  Ne  т
Так как часовая производительность агрегата Wч 
 , то подКм
N не  Ne q е K м
q K
ставив ее значение в формулу (9.5), получим: q га  3
 е м . Пон
10  0,36 N е  Ne  т  360 т 
сле дополнительной замены величин в данной формуле на их выражения:
3,6  10 3
qе 
;  т   тр f δ α ;    м  дв и проведения некоторых преобразований
Не
получим взаимосвязь погектарного расхода топлива агрегатом в функции его
основных параметров:
q га 
10 4 K м
;
Н е  тр  f  δ  α  м  дв
(9.6)
q га 
10 4 K пл а
.
Н е  тр  f  δ  α  м  дв
(9.7)
для пахотного агрегата
Анализируя формулы (9.6, 9.7) видим, что погектарный расход топлива
будет увеличиваться с ростом сопротивления машин, плуга и глубины пахоты.
С другой стороны, чем выше теплотворная способность топлива (его качество,
КПД двигателя, трансмиссии), тем меньше будет погектарный расход топлива.
Уменьшение потери мощности на перекатывание трактора, буксование его
движителей также снизит расход топлива. Чем выше коэффициенты использования времени τм, τдв по величине; тем меньше погектарный расход топлива.
Расход топлива за смену Gсм соответственно режимам работы агрегата
(рисунок 9.1) можно представить суммой произведений:
G см  G р Т р  G х Т х  G о Т о ,
(9.8)
где Т р   t р  Т см  - рабочее (чистое) время агрегата за смену, ч; Т х   t х продолжительность движения агрегата за смену на холостом ходу, ч; Т о   t о продолжительность остановок агрегата за смену с работающим двигателем; Gр,
Gх, Gо – соответствующий средний часовой расход топлива, кг/ч.
Следует указать, что величина G х Т х может изменяться (даже при
Т х  const ) в зависимости от того, по какому пути движется агрегат в транспортном положении, с какой нагрузкой на крюке.
174
Рисунок 9.1 – Изменение текущего часового расхода топлива агрегатом
в течение смены
Средний погектарный расход топлива за смену
q га 
Т рG р  Т хG х  ТоG о
Wсм

(Т р G р  Т х G х  Т о G о ) К м
0,36 N не  т Т см
.
(9.9)
Заменив произведение Т см   Т р , разделив почленно правую часть уравнения на знаменатель, с учетом q е 
Gр
, получим после преобразования:
N не
К q
Т G  ТоG о
q га  м е (1  х х
).
(9.10)
360 т
Т рG р
Т G Т G
Выражение х х о о  К Q представляет собой коэффициент увеличеТ рG р
ния расхода топлива, учитывающий его затраты на холостой ход и остановки
агрегата. Практика эксплуатации МТА показывает, что при рациональной организации их использования К Q  0,03...0,08 . С учетом этого коэффициента формулу (9.10) запишем в виде
q га 
Кмqе
(1  К Q ) .
360т
(9.11)
Из этих выражений следует, что для уменьшения погектарного расхода
топлива необходимо поддерживать двигатель и машины в исправном состоянии; правильно составлять агрегаты и наиболее полно использовать время для
полезной работы; устранять непроизводительные затраты времени и топлива.
9.3 Классификация и расчет энергозатрат
9.3.1 Основные понятия и определения
Одним из основных показателей эффективности реализации механизированных процессов в растениеводстве является величина затрат энергии на получение продукции. Формирование энергозатрат идет в определенной последовательности: энергозатраты при работе МТА в единицу времени – мДж/ч; энер175
гозатраты агрегата на единицу выполненной работы – удельные энергозатраты,
мДж/га (мДж/у.э.га и др.); энергозатраты на технологический процесс производства продукции – совокупность удельных энергозатрат на технологических
операциях. Например, энергозатраты на технологический процесс основной обработки почвы (пахота, дискование, боронование) равны сумме удельных энерn
гозатрат на отдельных операциях, то есть Е т.пр   Е т.о.i , мДж/га. Суммарные
i 1
энергозатраты на производство продукции равны приозведению энергозатрат
по отдельным технологическим операциям на площадь возделывания и уборки
с.-х. культур:
n
Е о.пр   Е т.о.i F ,
(9.12)
i 1
где Ео.пр – общие энергозатраты на производство продукции, мДж; Ет.о.i – удельные энергозатраты на i-ю технологическую операцию, мДж/га; F – площадь
возделывания с.-х. культуры, га.
В итоге, зная суммарные энергозатраты производства продукции определенного вида (зерно, картофель, сенаж и т.д.) и ее количество рассчитывают
удельные энергозатраты на производство продукции:
Е у.пр 
Е о.пр
Q пр
,
(9.13)
где Qпр – количество произведенной продукции в тоннах, центнерах и др.
По суммарным энергозатратам на производство какой-либо продукции по
соответствующим технологиям и удельным энергозатратам сравнивают различные технологии и делают вывод, какая из них является более энергосберегающей. То есть за энергетический критерий эффективности производства продукции по различным технологиям принимают минимум суммарных энергозатрат производства продукции Е о.пр  min или минимум удельных энергозатрат Е у.пр  min .
Часто применяют термин «энергоемкость единицы работы» (например,
энергоемкость вспашки, культивации и др.), понимая под этим величину удельных энергозатрат на единицу работы -
мДж
. А далее с учетом (9.12, 9.13) опрега
деляют «энергоемкость продукции», понимая под этим удельные энергозатраты на единицу продукции -
мДж
. Применение данных понятий, определений
т
искажает физическую сущность содержания этих формулировок.
Энергоемкостью выполнения технологической операции называется
количество энергии, необходимое непосредственно на изменение качественного состояния предмета труда (например, энергоемкость скашивания
зерновых культур, мДж/га; энергоемкость вспашки данного вида почвы,
мДж/га и др.). Энергоемкость преобразования качественного состояния предмета труда не зависит от вида воздействующих на него рабочих органов, режимов работы агрегатов. Она есть функция только показателей, параметров, характеристик физического состояния предмета труд. В определенный момент
176
времени и в заданном пространстве (в конкретных условиях) энергоемкость
преобразования (перевода) почвы, растений из одного качественного состояния в другое остается примерно постоянной (Еп≈const).
Применение же различных способов, средств воздействия на предмет
труда для изменения его качественного состояния обуславливает (в зависимости от физических принципов действия, конструкции, режимов работы и технического состояния средств механизации) различие в величине удельных
энергозатрат. Следовательно, при выполнении полевых операций величина
удельных энергозатрат (мДж/га) определяется энергоемкостью преобразования
предмета труда из одного качественного состояния в другое (во времени и пространстве) и дополнительными затратами энергии на работу (передвижение)
МТА: на преобразование химической энергии топлива в механическую на коленчатом валу двигателя; на передачу энергии с маховика двигателя к рабочим
органам машины; на обеспечение скоростного режима работы МТА, его холостые переезды и др. (рисунок 9.2).
Рисунок 9.2 – Графическое представление образования суммарных
удельных энергозатрат при выполнении технологической операции различными МТА
Разная величина удельных энергозатрат на какой-либо операции обусловлена, при одной и той же энергоемкости предмета труда, различием в составах МТА. Например, на культивации: ЕТО1 – будет (при заданной Vр) соответствовать агрегату с трактором Т-4А (Т-4А+СП-16+4КПС-4); ЕТО2 – агрегату
с трактором Т-150К (Т-150К+СП-16+4КПС-4); ЕТО3 – агрегату с трактором
МТЗ-80 (МТЗ-80+КПС-4). Это различие в энергозатратх, как следует из второго
раздела пособия, в первую очередь обусловлено существенным различием в величине тягового КПД тракторов: ηт1>ηт2>ηт3. Но энергоемкость рыхления почвы
Еп не зависит от состава МТА, а определяется только физическим состоянием
самой почвы.
177
9.3.2 Классификация энергозатрат, методика их расчета
Энергозатраты при выполнении МТА полевых операций подразделяются
на полные, эффективные; тяговые; приводные; полезные. Структура энергозатрат тягового агрегата представлена на рисунке 9.3.
Полные удельные энергозатраты Ао равны потенциальной энергии топлива, израсходованного двигателем трактора (самоходной машины). Они
представляют собой общее количество механической энергии, расходуемой на
один гектар в заданном технологическом процессе
А о  q га Н
(9.14)
или, с учетом (9.11)
Ao 
НК м q е
(1  К Q ) .
360 т
(9.15)
Рисунок 9.3 – Структура энергозатрат тягового агрегата
При необходимости расчета энергозатрат в киловатт-часах исходят из соотношения 1 кВт·ч = 3,6·103 кДж = 3,6 мДж.
При работе МТА не вся энергия сожженного двигателем топлива идет на
создание эффективной мощности на его маховике (рисунок 9.4). Удельные
энергозатраты на создание эффективной мощности на маховике двигателя называются эффективными удельными энергозатратами (Aе). Поскольку энергетическая эффективность двигателей оценивается эффективным КПД ηе, то
эффективные удельные энергозатраты при работе МТА определяют по формуле
А е  А о е  q га Не
(9.16)
или, с учетом выражения (9.15)
Ao 
НК м q е
(1  К Q )e .
360 т
3,6 10 6
е 
(если Н в кДж/кг), следовательно:
qеН
178
(9.17)
3,6 10 6
qе 
, г/кВт·ч.
е Н
(9.18)
Выражение (9.17) можно записать в виде
К м 10 4
Ае 
(1  K Q ) ,
т
(9.19)
где Ае – эффективные энергозатраты, кДж/га.
Значения эффективного КПД дизелей в технически исправном состоянии
находятся в пределах 0,30…0,38, у карбюраторных двигателей ηе≈0,25...0,33.
Более точно его значения с целью расчета эффективных удельных энергозатрат
можно рассчитать, используя справочные данные по удельному эффективному
расходу топлива qе.
Схематически (рисунок 9.3) КПД эффективный является как бы «фильтром» на пути преобразованния тепловой энергии топлива в механическую, которая направляется для создания эффективной мощности двигателя. И чем хуже пропускная способность этого «фильтра» из-за износа механизмов двигателя, их разрегулировок, тем ниже значение ηе и меньше энергии сожженного топлива пойдет на создание эффективных энергозатрат на маховике. Износ двигателей, разрегулировки топливной аппаратуры, газораспределительного механизма, загрязнения воздушного тракта, снижение теплотворной способности
топлива вследствие его некачественного хранения, снижают значения эффективного КПД на 15...30%. Очевидно, что пропорционально уменьшаются эффективные энергозатраты и эффективная мощность на маховике двигателей.
179
Рисунок 9.4 – Структура потерь энергии топлива в двигателях
тракторов и автомобилях
Работа агрегатом выполняется за счет создания мощности, усилия на
крюке трактора, то есть за счет энергии, которая передается от маховика двигателя на крюк трактора. Энергозатраты, которые создаются мощностью на крюке трактора и расходуются на преодоление сопротивления рабочих машин
МТА, называются тяговыми удельными энергозатратами. Они составляют
только часть эффективных энергозатрат, так как при передаче энергии от маховика двигателя на крюк трактора происходят ее потери в трансмиссии, на перекатывание, буксование и др. Эффективность канала передачи энергии двигателя на крюк трактора оценивается его тяговым КПД, следовательно, удельные
тяговые энергозатраты можно найти по выражению
А т  А е  т  А о е  т
(9.20)
или, с учетом (9.19) и KQ=0, так как рассчитываются только энергозатраты
МТА непосредственно во время выполнения технологического процесса:
(9.21)
А т  К м 10 4 .
При работе тягово-приводного агрегата тяговый КПД трактора рассчитывается по формуле
т 
N кр
N е  N ВОМ
,
где NВОМ - мощность на валу отбора мощности (ВОМ) трактора, кВт;
180
(9.22)
энергозатраты на ВОМ трактора
N ВОМ 3,6 10 3 А ВОМ
А ВОМ 

, кДж/га
Wч
Wч
(9.23)
Часть энергозатрат на крюке трактора идет на полезную работу (рисунок
9.3), то есть на непосредственное преобразование предмета труда из одного качественного состояния в другое, а часть энергии теряется на перекатывание
машин, трение в их механизмах, что оценивается КПД сельхозмашин ηсхм. Следовательно, полезные удельные энергозатраты, определяемые величиной
энергии, непосредственно затрачиваемой на изменение качественного состояния предмета труда, можно записать в виде
(9.24)
А пол  А т СХМ  А о е  т СХМ  10 4 К м СХМ
или
(9.25)
А пол  10 4 К пол ,
где СХМ 
К пол
.
Км
При работе тягово-приводного МТА полезные удельные энергозатраты
А пол  А пол.т  А пол.пр  10 4 К м СХМ т 
3,6 N ВОМ 103
СХМпр ,
Wч
(9.26)
где Апол.т, Апол.пр – удельные полезные энергозатраты на передвижение (тягу)
сельхозмашин МТА и на привод рабочих органов сельхозмашин от ВОМ трактора соответственно, кДж/га; ηСХМ.т, ηСХМ.пр – КПД сельхозмашин при их тяговом сопротивлении и при приводе рабочих органов от ВОМ соответственно.
Исходя из определения коэффициента полезного действия, энергетический КПД тягового МТА (с учетом только затрат энергии топлива) запишем как
 э.МТА 
А пол
 е  т СХМ .
Ао
(9.27)
КПД тяговых сельхозмашин находится в пределах 0,25...0,70
(ηпах=0,5…0,7; ηкульт=0,4…0,5; ηпос=0,30…0,38; ηбор=0,25…0,35).
Значение энергетического КПД тягово-приводного агрегата, c учетом
(9.26), определяют следующим образом:
эМТАтпр 
А пол.т  А пол.пр
 е  т СХМ т 
Ао

А о е  т СХМ т
Ао
N ВОМ  3,6 103 СХМ пр
А о Wч

N ВОМ  3,6 103 СХМ пр
А о Wч

(9.28)
.
С учетом значений эффективного КПД двигателей, тягового КПД энергетических самоходных машин (тракторов и комбайнов) и КПД сельхозмашин,
используя формулы (9.27, 9.28), можно определить энергетический КПД любого МТА. У МТА, используемых в растениеводстве, энергетический КПД находится в пределах 0,04...0,16. Значит только 4...16% энергии сожженного двигателями топлива расходуется на полезную работу, а большая часть энергии теряется безвозвратно.
Энергетический КПД тягово-приводного агрегата выше энергетического
КПД тягового агрегата, что объясняется следующим. Во-первых, потери мощ181
ности, передаваемой с маховика двигателя на привод вала отбора мощности
трактора (NВОМ=NпрηВОМ), значительно меньше, чем потери в трансмиссии трактора, на перекатывание и буксование: ηВОМ=0,93..,0,95, ηт=0,5...0,75. Во-вторых,
потери мощности непосредственно в узлах трения сельхозмашин при приводе
их рабочих органов от ВОМ также меньше по сравнению с потерями при протягивании рабочих органов машин (лемехов, рам, дисков и др.) в почве, то есть
ηСХМпр>ηСХМт.
Величина энергетического КПД МТА позволяет по его наибольшему значению выбирать лучший агрегат по энергетическому критерию. Кроме того, в
случае низкого значения энергетического КПД МТА по структуре его энергозатрат можно установить причины потерь энергии топлива.
Кроме энергетического КПД МТА, расчет энергозатрат агрегата позволяет определять частные коэффициенты полезного действия: механический КПД
агрегата, энергетический КПД трактора.
Механическим КПД агрегата называется отношение полезных энергозатрат к эффективным энергозатратам:
мех МТА 
А пол А о е  т СХМ

  т СХМ .
Ае
А о е
(9.29)
Если ηт=0,6, ηСХМ=0,6, то величина механического КПД агрегата
мех МТА  0,6  0,6  0,36 , то есть только 36% механической энергии от маховика
двигателя пошло на полезную работу агрегата. Остальные 64% энергии затрачены на передвижение, буксование, потери энергии в механизмах трактора и
сельхозмашин.
Энергетический КПД трактора определяется отношением его тяговых
энергозатрат к общим энергозатратам:
э.тр 
А т А о е  т

 е  т .
Ао
Ао
(9.30)
Если КПД двигателя ηе=0,3, тяговый КПД трактора ηт=0,7, то КПД энергетический трактора э.тр  0,3  0,7  0,21 . Следовательно, только 21% от энергии,
полученной в результате сгорания топлива в двигателе, израсходовано полезно,
на создание мощности на крюке, а 79% энергии составляют потери ее в механизмах трактора, на передвижение и буксование.
9.3.3. Расчет энергозатрат на условный эталонный гектар
Затраты энергии на условный эталонный гектар равны работе МТА на
вспашке одного физического гектара в эталонных условиях: глубина обработки
почвы а=0,20...0,22; удельное сопротивление плуга при пахоте К0=50 кН/м2 и
др.
Величина работы пропорциональна силе и пройденному агрегатом пути:
А у.э.га  P l,
(9.31)
где Ау.э.га – затраты энергии на пахоту физического гектара в эталонных условиях, кДж/га; Р – сила на крюке трактора, кН; l – пройденный агрегатом путь при
вспашке одного гектара, м.
182
Поскольку сила на крюке трактора равна сопротивлению плуга при
вспашке:
Р кр  R пл  К пл В р ,
(9.32)
а К пл  К 0 а , кН, то развиваемая сила при вспашке
Р кр  К 0 аВ р .
(9.33)
Суммарный путь, который прошел МТА при вспашке одного физического гектара (без учета холостого хода):
l=
S 10 4

,
Вр Вр
(9.34)
где S – площадь одного гектара, м2; Вр – рабочая ширина плуга, м.
Следовательно, с учетом выражений (9.31…9.33) энергозатраты на условный эталонный гектар можно записать в виде
А у.э.га 
К 0 аВр 10 4
Вр
 К 0 а10 4
(9.35)
или А у.э.га  50  0,2110 4  1,05 105 кДж / га  105 мДж / у.э.га .
Поскольку 1 кВт·ч=3,6 мДж, энергозатраты на условный эталонный гектар в кВт·ч А у.э.га 
105
 29,2 кВт·ч.
3,6
Учитывая, что теплотворная способность 1 кг дизельного топлива равна
42,7 МДж/кг, приняв значения ηе=0,3...0,35, а тягового КПД ηт=0,6...0,7, можно
рассчитать расход топлива, необходимый для выполнения работы, равной условному эталонному гектару:
q у.э.га 
А у.э.га
Не  т

105
 10...14 кг/у.э.га.
42,5(0,3...0,35)  (0,6...0,7)
Таким образом, для выполнения работы, равной одному эталонному гектару, МТА должен в среднем расходовать дизельного топлива 12 кг/у.э.га.
Очевидно,
МТА,
агрегатированные
колесными
тракторами
(ηт=0,55...0,65), расходуют топлива на 1 у.э.га больше, чем агрегаты с гусеничными тракторами.
Следует обратить внимание на то, что только работа, равная по энергозатратам на крюке (тяговые энергозатраты) 105 МДж, будет равнозначна условному эталонному гектару. Отсутствие приборов на тракторах (работомеров),
которые достаточно точно учитывали бы затраты энергии на выполнение технологических операций, некорректный расчет нормосмен при использовании
МТА и ряд других факторов обуславливают то, что в большинстве с.-х. предприятий в годовых отчетах фигурируют значения расхода топлива на условный
эталонный гектар в пределах 7…9 кг. Это конечно же искажает физическую
сущность эталонного гектара, не отражает фактически выполненной работы и
затраченной на нее энергии топлива.
С учетом единиц измерения физических величин: мощности, энергозатрат, энергии топлива – их соотношение для взаимоперевода приведено в таблице 9.3.
183
Таблица 9.3 – Соотношение между единицами измерения физических величин
Единица
Единица измерения
Наименование величиизмерекг топлины
у.э.га
кВт·ч
кДж
л.с.·ч
ния
ва (диз.)
Условный
эталонный
1,05·10
у.э.га
1
29,0
12
39,4
5
гектар
Энергозатраты
кВт·ч
3,5·10-2
1
3,6·103
0,41
1,36
-6
-4
-5
Энергозатраты
кДж
9,5·10 2,8·10
1
2,3·10
3,8·10-4
Топливо дизельное
0,87·10
кг
0,08
2,44
1
3,31
4
Таким образом, знание и умение проводить расчеты расхода топлива,
удельных энергозатрат при работе машинно-тракторных агрегатов, используемых в растениеводстве, позволяет производить оценку эффективности их использования и выбирать лучшие агрегаты по критериям минимума погектарного расхода топлива, удельных энергозатрат на единицу выполненной работы.
184
Глава 10 КОМПЛЕКТОВАНИЕ АГРЕГАТОВ
10.1 Методика комплектования тяговых агрегатов
Знание закономерностей изменения энергетических и техникоэкономических показателей при использовании мобильных агрегатов в растениеводстве, умение методически верно рассчитывать величину рассматриваемых показателей для конкретных условий эксплуатации позволяет осуществлять рациональное комплектование различных по составу и технологическому
назначению МТА и выбор режима их использования.
Основными требованиями к скомплектованному агрегату являются высокое, в пределах агротехнических требований, качество выполнения технологических операций; возможно большая производительность и меньшие удельные
затраты ресурсов – трудовых, энергетических, финансовых.
Для заданного агрофона (стерня, вспаханное поле, поле, подготовленное
под посев и т.д.), используя данные тяговых характеристик тракторов, нужно
выбрать номинальные тяговые усилия Ркрн и скорости движения Vрн на трехчетырех передачах, входящих в диапазон агротехнически допустимых скоростей выполнения технологической операции данным МТА.
По справочным данным нужно выбрать эталонные значения удельного
сопротивления машин-орудий для агрегатов: пахотных - Коэ, непахотных Кмэ.
(значения удельных сопротивлений для пахотных агрегатов Коэ получены при
рабочей скорости Vэрп=1,4 м/с (5 км/ч), для непахотных Кмэ при Vрнэ=1,67 м/с (6
км/ч)).
Современные МТА работают в диапазоне скоростей, как правило, от 6 до
10 км/ч, поэтому необходимо рассчитать фактическое удельное сопротивление
машин-орудий на тех рабочих скоростях движения МТА, которые выбраны для
конкретных условий их эксплуатации.
Перерасчет удельного сопротивления машин-орудий производится по
формулам:
для непахотного агрегата
 П(Vp.jн  Vрнэ ) 
К мv.j  K 1 
;
100


э
м
(10.1)
для пахотного агрегата
 П(Vp.jн  Vрнэ ) 
К оv.j  K 1 
,
100


э
о
(10.2)
где Кмv.j, Кov.j – расчетные значения удельного сопротивления для j-й скорости
движения агрегата соответственно непахотного (кН/м) и пахотного (кН/м2); П –
процент увеличения сопротивления машины-орудия на метр (километр) прироста скорости агрегата, %/м/с, (км/ч); Vp.jн - номинальная скорость движения
МТА на j-й передаче, м/с (км/ч).
На каждой передаче трактора для непахотного агрегата определяют ориентировочно возможную ширину захвата рабочих машин, что необходимо для
185
выбора сцепки (за исключением агрегатов для лущения, дискового боронования). Расчеты проводят по формулам:
для простого агрегата:
Bop.j 
н
кр.j
(P
 G тр sin )
К мv.j  R доп
max
и
 н G тр i  max
 Pкр.j 
 и
100 


,
К мv.j  R доп
(10.3)
где Вор.j – ориентировочная ширина захвата рабочих машин в агрегате на j-й передаче, м; Gтр – сила тяжести трактора, кН; α – угол подъема, град.; ηиmax – коэффициент максимального использования тягового усилия, рекомендуемый для
заданной операции; i – подъем (уклон) пути движения агрегата, %; ΔRдоп – дополнительное тяговое сопротивление машины на 1 м ширины захвата при движении агрегата на подъем, кН/м;
R доп 
G мi
,
b м 100
(10.4)
где Gм, bм – сила тяжести машины и ее ширина захвата, соответственно кН и м;
для комбинированного агрегата (культиватор, бороны, сеялки, шлейфы и
др.)
 н G тр i  max
 Pкр.j 
 и
100 

Bop.j 
,
(К м1v.j  К м2v.j  ...К мzv.j )  R допΣ
(10.5)
где Км1v.j, Км2v.j, Кмzv.j – удельное сопротивление z машин, входящих в агрегат,
кН/м; RдопΣ – дополнительное суммарное сопротивление машин в агрегате,
кН/м;
G
G
G  i
R допΣ   м1  м2  ...  мz 
.
b мz  100
 b м1 b м2
(10.6)
По величине ориентировочной ширины захвата машин выбирают сцепку
и выписывают ее технические характеристики.
Далее определяют максимальную величину захвата агрегата с учетом рациональной загрузки трактора (ηиmax) и угла подъема:
для непахотного простого агрегата
i  max
i 
 н

 Pкр.j  G тр
и  G сц.j  f сц 

100 
100 


B max.j 
;
K мv.j  R доп
(10.7)
для непахотного комбинированного агрегата
i  max
i 
 н

 Pкр.j  G тр
и  G сц.j  f сц 

100 
100 


B max.j 
,
(K м1v.j  K м2v.j  ...  K мzv.j )  R допΣ
(10.8)
где Gсц.i – сила тяжести сцепки, кН; fсц – коэффициент сопротивления перекатыванию сцепки.
Следует иметь в виду, что для бороновальных агрегатов и агрегатов по
прикатыванию почвы максимальная ширина захвата ограничивается, как правило, не величиной усилия на крюке, а шириной сцепки. Поэтому Вmax у таких
агрегатов ограничивается шириной выбранной сцепки.
186
Для пахотного агрегата максимальная ширина захвата рассчитывается по
формуле
i  max  н
i  max
 н
 Pкр.j  G тр
 и
 Pкр.j  G тр
 и
100 
100 


B max.j 

,
G кор С i
K ov.ja  R доп.пл
K ov.ja 

b кор 100
(10.9)
где ΔRдоп.пл – дополнительное тяговое сопротивление плуга при движении агрегата на подъем, кН/м; Gкор – сила тяжести плуга, приходящаяся на корпус, кН
(для основных марок плугов вес плужного корпуса находится в пределах
2,0…2,5 кН с шириной захвата корпуса bкор=0,40 м; Gкор=1,6…1,8 кН с шириной
захвата корпуса bкор=0,35 м); С – поправочный коэффициент, учитывающий вес
почвы на корпусах плуга, в зависимости от глубины пахоты, типа почвы и ее
влажности С=1,1…1,4; а – глубина пахоты, м.
Рассчитывают количество машин в агрегате или корпусов плуга, фактическую ширину захвата непахотного агрегата:
- простого
n м.j 
B max.j
b м.j
;
(10.10)
- комбинированного для выполнения первой технологической операции
B max.j
n м.z 
b м.z
,
(10.11)
где bм.z – ширина захвата машин-орудий для z марки, м.
Для вычисления количества машин на выполнение второй технологической операции находят отношение конструктивной ширины захвата машины
первого вида bк1 к конструктивной ширине захвата машины второго вида bк2:
m
b к1
.
b к2
(10.12)
Число машин в агрегате для выполнения второй технологической операции
n м2z  n м1z m ,
(10.13)
где nм2z округляют до целого числа в большую сторону.
Дробное количество машин-орудий после расчета округляют до целого
значения в меньшую сторону.
Для пахотного МТА рассчитывают количество корпусов плуга, что дает
возможность выбрать его соответствующую марку:
n к.j 
B max
.
bк
(10.14)
Дробное количество корпусов округляют до целого значения в меньшую
сторону. Кроме того, максимальное количество корпусов у плуга не может
быть больше фактического, которое определяется его конструкцией (как правило, не более девяти корпусов).
Фактическая ширина захвата МТА определяется по формулам:
для непахотного агрегата
Bф.j  n м.j b м ;
(10.15)
187
для пахотного агрегата
Bф.пл.j  n к.j b к .
(10.16)
Далее рассчитывают общее сопротивление рабочей части МТА на каждой
передаче его движения с учетом угла подъема:
для непахотного агрегата простого
i  
i 

R а.j  R сц  R м.j n м.j  G сц.j  f сц 
   K м.v.j b м  G м
n м.j ;
100  
100 

(10.17)
для непахотного комбинированного агрегата
i  
i 

R а.j  R сц  R м1n м1.j  R м2 n м2.j  G сц.j  f сц 
   K м1.v.jb м1  G м1
n м1 
100  
100 

i 

  K м2.v.jb м2  G м2
n м2 ;
100 

(10.18)
для пахотного агрегата
G Ci 

R пл.j  n к.j R к  n к.j  K o.v.jb к a  к  .
100 

(10.19)
По общему сопротивлению машин-орудий рассчитывают фактическое
значение коэффициента использования усилия на крюке трактора:
для непахотного агрегата
фи.j 
R a.j
н
кр.j
P
< иmax ;
(10.20)
< иmax
(10.21)
для пахотного агрегата
ηфи.j 
R пл.j
н
кр.j
P
Определяют действительную скорость движения МТА на каждой передаче трактора с учетом фактической загрузки:
Vр.д.j  Vхх.j  (Vхх.j  Vр.jн )фи.j ,
(10.22)
где Vр.д.j, Vхх.j – скорость движения трактора в составе МТА действительная и
холостого хода (без нагрузки на крюке, Ркр=0) м/с, (км/ч). При этом должно соблюдаться соотношение скоростей Vр.jн < Vр.д.j < Vхх.j .
С целью определения производительности МТА необходимо рассчитать
или принять из табличных данных коэффициент использования рабочего времени τ.
Производительность агрегатов рассчитывают по формуле (га/ч)
Wч.j  0,36B p.j Vр.д.j 
(10.23)
или
Wч.j  0,1B p.j Vр.д.j  ,
(10.24)
если в формуле (10.24) рабочая скорость принята в км/ч.
Рассчитывают погектарный расход топлива агрегатами с учетом фактической загрузки трактора:
q га.j 
Q фч.j
Wн.j
,
(10.25)
где Qфч.j – фактический расход топлив
188
а на j-й передаче трактора, г/ч.
Фактический часовой расход топлива с учетом действительной загрузки
трактора определяют по формуле
Q фч.j  Q хх.j  (Q maxj  Q хх.j )фи.j ,
(10.26)
где Qmaxj, Qxx.j – расходы топлива максимальный и холостого хода, кг/ч.
При этом должны соблюдаться соотношения расхода топлива
Qxx.j<Qч.jф<Qmaxj.
На основе проведенных расчетов выбирают рациональный для данных
условий эксплуатации МТА, скоростной и нагрузочный режим работы. Более
эффективным считается режим работы МТА при наибольшей производительности и меньшем погектарном расходе топлива.
10.2 Расчет тягово-приводных агрегатов
При расчете МТА с машинами, орудиями, рабочие органы которых приводятся в действие от ВОМ трактора, нужно с начала определить приведенное
тяговое сопротивление машин. Для этого нужно рассчитать тяговое сопротивление тягово-приводных машин-орудий по передачам:
G м.пр i 

 ,
R т.пр.j  b м.пр  K м.пр.v.j 
100


(10.27)
где bм.пр – ширина захвата тягово-приводных машин-орудий, м; Км.пр.v.j – удельное тяговое сопротивление тягово-приводных машин-орудий на j-й передаче
трактора, кН/м (рассчитывается по формуле (10.1), при этом Км.пр выбирается
по справочным данным); Gм.пр – сила тяжести тягово-приводных машинорудий, кН.
Далее рассчитывают сопротивление от привода тягово-приводных машин-орудий:
R м.пр.j 
N ВОМ  м
,
Vр.jн  ВОМ
(10.28)
где Rм.пр.j – дополнительное тяговое сопротивление, численно равное потере касательной силы трактора из-за передачи части мощности на привод рабочих
машин-орудий, кН; ηм – механическое КПД привода, ηм=0,90…0,92; ηВОМ –
КПД ВОМ, принимают ηВОМ=0,93; Vр.jн – номинальная скорость МТА на j-й передаче трактора, м/с; NВОМ – мощность на привод тягово-приводной машиныорудия, кВт (выбирается на основании справочных данных с учетом условий
эксплуатации).
Далее рассчитывают приведенное тяговое сопротивление тяговоприводного МТА:
R тj  R т.пр.j  R м.пр.j .
(10.29)
У тягово-приводного агрегата рассчитывают возможную скорость его
движения в данных условиях:
189
N нe  Ne
Vp.j 
,
R тj
(10.30)
где ξNe – коэффициент использования эффективной мощности двигателя (ориентировочно принимают ξNe=0,75…0,90).
Эту скорость сравнивают с агротехнически допустимой и делают вывод о
возможности работы МТА на данной передаче.
Расчет производительности агрегата проводят по передачам и по ее
большей величине, меньшему расходу топлива на гектар выбирают рациональную скорость движения МТА.
10.3 Расчет навесного агрегата
Расчет ведется по аналогии с тяговым простым агрегатом, но учитывают
следующее.
Навесные машины догружают трактор частью своей массы, вследствие
чего сопротивление его передвижению увеличивается в зависимости от величины этой догрузки. Вначале определяют величину дозагрузки трактора от веса
орудия, машины:
Pt  G м f ,
(10.31)
где ΔPt – приращение силы сопротивления перекатыванию трактора с навесной
машиной, кН; λ – коэффициент дозагрузки трактора, для пахотных МТА
λ=0,05…0,10, для посевных и культиваторных λ=0,10…0,15, для глубокорыхлителей λ=0,50…0,60; f – коэффициент сопротивления перекатыванию трактора.
Далее определяют максимальную ширину захвата агрегата с навесной
машиной:
B maxj 
н
Pкр.j
иmax  G м f
(10.32)
K м.v (0,85...0,90)
или на подъеме
i  max
i 
 н

 Pкр.j  G тр
 и   G м  f 

100 
 100  .
B ma.j  
K п.v (0,85...0,90)
(10.33)
Рассчитывают количество машин в агрегате:
n м.j 
B maxj
bм
.
(10.34)
Если трактор агрегатируется с одной навесной машиной, то рассчитывают скорость движения МТА. Для этого определяют общее сопротивление рабочей машины:
R м.j  K м.v.j (0,85...0,90)b м  G м (1  )
i
.
100
(10.35)
Рассчитывают коэффициент фактического использования усилия на крюке по передачам:
190
фи.j 
R м.j
.
i
i
н
Pкр.j
 G м
 G тр
100
100
(10.36)
Зная фактическую загрузку на крюке трактора на каждой его передаче
(скорости движения МТА номинальной), определяют действительную рабочую
скорость движения МТА. Далее производят расчет производительности агрегата и его погектарный расход топлива на каждой передаче.
191
Глава 11 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МТА И ТЕХНОЛОГИЙ
В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
11.1 Основные термины и определения
Энергетический анализ – область исследований, в которой предметы
труда, средства производства, живой труд и его результаты оцениваются затратами энергии.
Первичная энергия – непреобразованная энергия, содержащаяся в природных энергоресурсах (нефть, газ, уголь и др.).
Вторичная энергия (конечная) – преобразованная первичная энергия,
удобная для использования потребителем, содержащаяся в продуктах переработки первичных энергоресурсов (электроэнергия, дизельное топливо, бензин и
др.).
Невозобновляемая энергия – энергия, получаемая из природных материалов и веществ (уголь, нефть, ядерное топливо и др.).
Возобновляемая энергия – энергия, получаемая от возобновляемых источников энергии (солнца, воды, ветра, приливов и др.).
Энергозатраты – количество энергии, расходуемой при работе МТА и
выполнении технологических операций.
Удельные энергозатраты – количество энергии, расходуемой на единицу выполненной работ или полученной продукции.
Энергоемкость продукции технологического процесса, операции –
количество энергии, непосредственно необходимой для превращения предмета
труда (почвы, растений, материалов и др.) из одного качественного состояния в
другое, промежуточное или конечное. Энергоемкость предмета труда определяется его физическим состоянием в данных природно-климатических условиях.
Прямые затраты энергии – затраты тепловой, электрической энергии и
энергии топлива, непосредственно расходуемой в технологическом процессе, в
средствах их механизации. К прямым энергозатратам относятся и затраты энергии живого труда.
Косвенные затраты энергии – энергия, затрачиваемая на средства производства и предметы труда (при функционировании ремонтнообслуживающих процессов), то есть энергия овеществленного труда.
Энергетический эквивалент – количество прямой и косвенной энергии,
отнесенной к единице живого труда, потребляемых предметов и средств труда.
Энергосодержание сельскохозяйственной продукции – потенциальное
количество энергии, содержащейся в единице массы продукции.
Энергопреобразующая способность продукции – количество энергии,
возможной для выделения из единицы продукции относительно потенциальной
энергии в ней при тех или иных средствах и технологиях переработки.
Совокупные энергозатраты – затраты, включающие в себя все виды используемой энергии (прямой, косвенной), в том числе энергии труда, перенесенной в процессе производства на результат труда.
192
Энергия живого труда – затраты энергии человека в процессе труда.
Энергетический КПД машины, МТА – отношение величины полезных
энергозатрат к суммарным энергозатратам при использовании агрегатов.
Энергетическая эффективность производства продукции – показатель, отражающий соотношение между энергией, содержащейся в продукции, и
суммарными энергозатратами на ее производство.
Биоэнергия – энергия, полученная биологическим путем в результате
жизнедеятельности живой природы.
Биоэнергетическая оценка процесса – энергетическая оценка технологического или биологического процессов преобразования биоэнергии или получения биоэнергоносителей.
11.2 Методика энергетической оценки МТА
11.2.1 Составляющие совокупных энергозатрат МТА
Целью энергетической оценки МТА, используемых в растениеводстве,
является выбор наиболее эффективного с точки зрения экономии энергоресурсов агрегата, скоростного и нагрузочного режима его эксплуатации. Кроме этого, установление составляющих суммарных прямых топливных энергозатрат
при эксплуатации МТА, соотношения отдельных энергозатрат в общей структуре позволяют целенаправленно проводить работу по конструктивному совершенствованию агрегатов, определению рациональных режимов обеспечения
работоспособности машин, их составляющих. Расчет совокупных энергозатрат
при использовании МТА позволяет определять и целесообразный уровень ремонтопригодности, безотказности, сроки службы машин. Безусловно, при этом
должны использоваться и другие технико-экономические критерии целесообразности проведения мероприятий по конструктивному совершенствованию
МТА, рациональному комплектованию и выбору режима использования.
Совокупные энергозатраты при использовании МТА состоят из прямых
энергозатрат израсходованного топлива и живого труда, а также косвенных
энергозатрат овеществленного в машинах и топливе труда, энергозатрат на ремонтно-обслуживающие воздействия (РОВ) агрегату:
Е с  Е т  Е ж  Е э  Е м  Е сц ,
(11.1)
где Ет – суммарные энергозатраты топлива, МДж; Еж – энергозатраты живого
труда, МДж; Еэ, Ем, Есц – энергозатраты овеществленного труда при эксплуатации энергетического средства, рабочих машин и сцепки МТА, МДж.
Для сравнения однотипных по технологическому назначению агрегатов
их энергетическую оценку целесообразно проводить по удельным энергозатратам:
Е с.у  Е т.у 
Е ж  Е э  Е м  Е сц
,
Wч
(11.2)
где Ес.у – удельные совокупные энергозатраты, МДж/га; Ет.у – удельные энергозатраты топлива, МДж/га; Wч – часовая производительность агрегата, га/ч.
193
Для энергетической оценки и сравнения МТА по группе различных технологических процессов и операций удельные энергозатраты рассчитывают на
условный эталонный гектар:
Е с.у.э  Е т.у К э 
Е ж  Е э  Е м  Е сц
,
Wч К э
(11.3)
где Ес.у.э – удельные совокупные энергозатраты, МДж/у.э.га; Кэ – коэффициент
перевода физических гектаров в условно-эталонные.
Значение коэффициента определяют по справочным материалам или рассчитывают:
W
К э  см.э ;
Wсм.i
Q фi
Кэ  э ,
Q
(11.4)
где Wсм.э – нормосмена агрегата с заданным тяговым средством, у.э.га/см., W –
нормосмена агрегата на i-й работе, физ.га; Qiф, Qэ – расход топлива на физический и эталонный гектар соответственно, кг/га и кг/у.э.га.
Фактический расход топлива определяют на основе технологических карт
или рассчитывают. Расход топлива на условный эталонный гектар (для современных МТА – 12…14 кг/у.э.га) берут из справочной литературы или рассчитывают для конкретных условий эксплуатации МТА:
Wсм.i Q фi
Q 
.
Wсм.э
э
(4.5)
Далее проводится поэлементный расчет энергозатрат при использовании
МТА.
11.2.2. Расчет топливных энергозатрат МТА
Энергозатраты погектарного расхода топлива МТА определяются по
формуле
Е т.у  q га (Н  f т ) ,
(11.6)
где qгa – расход топлива на физический гектар, кг/га; Н - теплотворная способность топлива, МДж/кг; fт – коэффициент, учитывающий дополнительные затрат энергии на производство 1 кг топлива, МДж/кг.
Обозначив прямые удельные энергозатраты топлива через Ао, получим
Е т.у  q га Н  q га f т  А о  q га f .
(11.7)
Прямые удельные энергозатраты топлива Ао в литературе по эксплуатации машин принято называть полными удельными энергозатратами МТА. Они
равны потенциальной энергии топлива, израсходованного двигателем трактора,
и представляют собой общее количество механической энергии на единицу работы (га) МТА.
Значение теплотворной способности топлива Н и коэффициента fт принимают по справочным материалам. Погектарный расход топлива МТА на заданной технологической операции берут из соответствующих справочников
или технологических карт. Аналитически расход топлива можно определить по
материалам главы второй второго раздела пособия.
194
11.2.3 Расчет энергозатрат живого труда
Энергозатраты живого труда при работе МТА определяются по формуле
(11.8)
Е ж  n мfм  n вfв ,
где nм, nв – количество работающих на агрегате механизаторов и вспомогательных рабочих соответственно; fм, fв – соответствующие эквиваленты энергетических затрат живого труда, МДж/чел.-ч.
Удельные энергозатраты живого труда определяем на основе часовой
производительности МТА:
Е ж.у 
Е ж n мfм  n вfв
.

Wч
Wч
(11.9)
Энергетические эквиваленты живого труда принимаются на основе справочных материалов. Например, энергетический эквивалент механизаторов
fм=1,26 МДж/чел.-ч, вспомогательных рабочих – fв=0,6 МДж/чел.-ч.
11.2.4 Расчет энергозатрат овеществленного труда при использовании МТА
Энергозатраты при использовании машин агрегата обусловлены величиной энергии овеществленного труда, перешедшей в энергетическое средство,
сельхозмашины при их изготовлении. Кроме этого, при эксплуатации МТА дополнительно расходуется энергия на ремонтно-обслуживающие воздействия.
Расчет энергозатрат на эксплуатацию машин агрегата проводится в такой последовательности.
Общие энергозатраты на изготовление энергетического средства Еоэ определяются по формуле
Е оэ  М э f э ,
(11.10)
где Мэ – масса энергетического средства, кг; fэ – энергетический эквивалент
единицы массы энергетического средства, МДж/кг.
Энергозатраты за час эксплуатации энергетического средства
Еэ 
Е оэ  Е эк  Е э.тр
Тс
,
(11.11)
где Еэк, Еэ.тр – затраты энергии на проведение капитального ремонта, текущего
ремонта и техническое обслуживание за срок службы энергетического средства, МДж; Тс – срок службы энергетического средства, ч. Его можно определить
как Т с  П л Т ч , то есть срок службы машины в часах равен произведению срока
службы в годах (Пл=8...10 лет) на количество часов ее работы в году Тч.
Величину Еэ можно ориентировочно определять следующим образом:
Еэ 
Е оэ   рэ  кэ   тр.тоэ 



100  Т н.г
Т з.г

(11.12)
Еэ 
M э f э   рэ  кэ   тр.тоэ 

 ,

100  Т н.г
Т з.г

(11.13)
или
195
где αрэ, αкэ, αтр.тоэ – отчисления годовые на реновацию, капитальный ремонт, текущий ремонт и техническое обслуживание энергетической машины соответственно, %; Тн.г – нормативная годовая наработка энергетической машины, ч; Тз.г
– зональная годовая наработка энергетической машины, ч.
Энергозатраты на эксплуатацию технологической части МТА – сельхозмашин, сцепок определяются аналогично расчету энергозатрат по энергетической машине:
Е о.м  М м f м n a
(11.14)
или
Е о.сц  М сц f сц ,
(11.15)
где Ео.м, Ео.сц – общие энергозатраты на изготовление сельхозмашин и сцепки
соответственно, МДж/кг; fм, fcц – энергетический эквивалент единицы массы
сельхозмашины и сцепки соответственно, МДж/кг; nм – количество сельхозмашин в МТА, шт.; Мм, Мсц – масса сельхозмашины и сцепки, кг.
Энергозатраты на эксплуатацию сельхозмашин и сцепки соответственно
рассчитываются по формуле
Ем 
M м f м   р.м  тр.то.м 

n м

100  Т н.г.м Т з.г.м 
(11.16)
Е сц 
M сц f сц   р.сц  тр.то.сц 

,

100  Т н.г.сц Т з.г.сц 
(11.17)
или
где αр.м, αр.сц – отчисления годовые на реновацию сельхозмашины и сцепки соответственно, %; αтр.то.м, αтр.то.сц – отчисления годовые на текущий ремонт и техническое обслуживание сельхозмашины и сцепки соответственно, %; Тн.г.м,
Тн.г.сц – нормативная годовая наработка сельхозмашины и сцепки соответственно, ч; Тз.г.м, Тз.г.сц – зональная годовая наработка сельхозмашины и сцепки соответственно, ч.
Удельные энергозатраты овеществленного труда на изготовление и эксплуатацию машин агрегата определяют по формуле
Е у.МТА 
Е э  Е м  Е сц
,
Wч
(11.18)
где Wч – часовая производительность МТА, га/ч.
После расчета удельных энергозатрат из сравниваемых МТА можно выбрать более эффективный. За критерии эффективности принимают значение
энергетического КПД МТА и совокупных удельных энергозатрат. Лучшим агрегатом будет тот, у которого больше величина энергетического КПД и меньше
совокупные удельные энергозатраты. Анализ составляющих совокупных энергозатрат позволяет определить основные причины увеличения той или иной составляющей совокупных энергозатрат. Это в свою очередь дает возможность
выявить пути их снижения: изменением состава агрегата или его скоростного и
нагрузочного режима использования; подбором размеров полей, длины гона,
времени проведения полевых операций; совершенствованием методов проведения ремонтно-обслуживающих воздействий и др.
196
11.3. Энергетическая оценка технологий в растениеводстве
Технология возделывания и уборки сельскохозяйственных культур есть
совокупность технологических приемов или сельскохозяйственных работ, выполняемых в определенной последовательности машинно-тракторными агрегатами под управлением обслуживающего персонала. Следовательно, механизированные технологии в основном могут различаться: технологическими приемами или выполняемыми сельскохозяйственными работами; агротехническими
сроками и последовательностью выполняемых приемов, операций; составом
машинно-тракторных агрегатов и режимами их работы; агротехническими требованиями, нормами высева и посадки, внесения органических и минеральных
удобрений и др.
Для расчета суммарных энергозатрат при возделывании и уборке какихлибо сельскохозяйственных культур по принятой технологии нужно иметь или
разработать соответствующую технологическую карту. Далее, используя данные технологической карты, по каждой операции проводят расчет суммарных
энергозатрат:
Е  Е э  Е м  Е сц 

F ,
Е    Е т. у  Е уд.х  ж
Wч


(11.19)
где Еуд.х – удельные энергозатраты на применяемые удобрения, ядохимикаты и
др., МДж/га; F – площадь полей, на которых производится данная с.-х. культура, га.
Затраты энергии на производство удобрений, гербицидов, ядохимикатов
и др. определяются по формуле
Е уд.х 
Н у.х f у.х
То
,
(11.20)
где Ну.х – норма внесения удобрений, ядохимикатов, кг/га; fy.x – энергетический
эквивалент единицы массы удобрении, ядохимикатов, МДж/кг; То – срок действия продукта, лет; для минеральных удобрений, гербицидов, ядохимикатов
То=1 году, для органических удобрений Тo=3 годам.
Затраты энергии топлива и живого труда рассчитывают по формулам
(11.7) и (11.9).
Удельные энергозатраты от эксплуатации и проведения ремонтнообслуживающих воздействий рассчитывают по формулам (11.13) и (11.18).
Для примера определим совокупные удельные энергозатраты технологической операции по внесению органических удобрений на площади 100 га. Агрегат состоит из трактора ДТ-75М и разбрасывателя РПН-4. Норма внесения
органических удобрений Ну=30 т/га, норма расхода топлива qгa=8 кг/га, часовая
производительность МТА Wч=3,8 га/ч.
Энергозатраты живого труда
Е ж  1  1,26  1,26 МДж/ч.
Энергозатраты топлива
Е т.у  8,0  42,5  340 МДж/га.
Энергозатраты на производство органических удобрений
197
Е уд.х 
0,42  30000
 3300 МДж/га.
3,8
Энергозатраты на эксплуатацию трактора, приходящиеся на час работы:
Еэ 
86,4  5960 12,5 6,0  11,4
(

)  119 МДж/ч.
100
1300
1300
Энергозатраты на эксплуатацию разбрасывателя удобрений, приходящиеся на час работы МТА:
Ем 
75,4  2740 20,0 12,5
(

)  147 МДж/ч.
100
450 450
Удельные энергозатраты живого труда и на эксплуатацию МТА:
Е ж  Е э  Е м 1,26  119  147

 70,3 МДж/га.
Wч
3,8
Совокупные удельные энергозатраты на выполнение технологической
операции равны
Е   340  3300  70,3  3710,3 МДж/га.
Аналогичным образом рассчитывают совокупные энергозатраты по всем
технологическим операциям, входящим в технологическую карту на возделывание и уборку данной культуры.
После того как по каждой технологической операции проведен расчет совокупных энергозатрат, их суммируют и получают общие затраты энергии на
возделывание и уборку заданной культуры по принятой технологии.
Далее определяют удельные энергозатраты на производство продукции:
Е у.пр 
Ео
, МДж/ц
Ик
(11.21)
где Ео – общие удельные энергозатраты на возделывание и уборку с.-х. культуры, МДж/га; Ик – урожайность с.-х. культуры, ц/га.
Энергетическую эффективность принятой технологии возделывания и
уборки с.-х. культуры оценивают коэффициентом
Ээ 
Е с.п И к f к
,

Ео
Ео
(11.22)
где Ээ – коэффициент энергетической эффективности производства с.-х. культуры; Ес.п – энергосодержание (энергоемкость) продукции, МДж/га; fк – коэффициент энергосодержания в единице продукции, МДж/ц.
Таким образом, оценивая различные технологии производства сельскохозяйственных культур, в том числе разрабатывая и оценивая перспективные технологии, можно выбрать для конкретных природно-климатических и организационно-экономических условий ведения отрасли растениеводства наиболее
эффективные технологии.
Очевидно, что исходя из энергетических критериев, предпочтение должно быть отдано той технологии производства сельскохозяйственной культуры,
которая позволяет получать продукцию с более высоким коэффициентом энергетической эффективности и меньшими удельными энергозатратами.
198
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров И.К. Энергетический анализ машинных агрегатов//Техника в сельском хозяйстве, 1994, № 3, с.2-4.
2. Анискин В.И., Антышев Н.М., Бычков Н.И. и др. Тракторный парк
России: развитие и научное обоснование//Тракторы и сельскохозяйственные
машины, 1999, № 12, с.24-28.
3. Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.: Изд-во с.-х. литературы, журналов и плакатов, 1962. –
392 с.
4. Веденяпин Г.В., Киртбая Ю.К., Сергеев М.П. Эксплуатация машиннотракторного парка. М.: Колос, 1968. – 344 с.
5. Виноградов В.И., Сергеев М.П., Старостин Н.Е. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Гос. изд-во с.-х. литературы, 1959. – 404 с.
6. Дринча В.М. Предпосылки применения альтернативных источников
энергии в сельском хозяйстве//Тракторы и сельскохозяйственные машины,
2003,№ 10, с. 2-6.
7. Завора В.А. Основы эксплуатации мобильных сельскохозяйственных
агрегатов. Барнаул, 2004. – 256 с.
8. Зангиев А.А., Лышко Г.П., Скороходов А.Н. Производственная эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос. 1996. – 320 с.
9. Зангиев А.А., Шпилько А.В., Левшин А.Г. Эксплуатация машиннотракторного парка. М.: Колос, 2003. – 320 с.
10. Иофинов С.А., Лышко Г.П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос. 1984. – 350 с.
11. Иофинов С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос.
1974. – 480 с.
12. Константинов М.М. Исследование производительности самоходного
зерноуборочного агрегата типа СКД-5 в условиях лесостепной зоны Южного
Урала. Дисс. …канд. техн. наук. Челябинск, 1974. – 205 с.
13. Косилов Н.И., Логинов А.Н., Гаврилов В.П. ЗУК двухфазного обмолота. Челябинск: Информационно-консалтинговый центр, 1999. – 336 с.
14. Костюченков Н.В., Чинжаров С.Ф., Костюченкова О.Н. Исследование
устойчивости движения капустоуборочного агрегата. РГП НЦ НТИ РК. Астана
2007.-133 с.
15. Ксеневич И.П., Русанов В.А., Шевцов В.Г. Сельскохозяйственный
трактор XXI века//Мобильная энергетика, энергосбережение, использование с.х. техники и технический сервис, автоматизация и информационные технологии: Тр./ВИМ, т. 133. М., 2000, с. 3-10.
16. Кычев В.Н. Проблемы и пути реализации потенциальных возможностей машинно-тракторных агрегатов при увеличении энергонасыщенности
тракторов. Челябинск: ЧГАУ, 1989. – 84 с.
17. Линтварев Б.А. Научные основы повышения производительности
земледельческх агрегатов. БТИ: ГОСНИТИ, 1962. – 603 с.
199
18. Медведев В.И. Энергетика машинно-тракторных агрегатов с рабочими органами движителями. Чебоксары: Чувашское кн. изд-во, 1972. – 180 с.
19. Методические рекомендации по оценке топливно-энергетических затрат на выполнение механизированных процессов в растениеводстве. М.: ВИМ.
1985. – 60 с.
20. Охотников Б.Л. Эксплуатация машинно-тракторного парка.- Екатеринбург, 2003. – 114 с.
21. Плаксин А.М. Энергетическая оценка машинно-тракторных агрегатов
и технологий в растениеводстве. Челябинск: ЧГАУ, 1999. – 33 с.
22. Плаксин А.М. Методика энергетической оценки машинно-тракторных
агрегатов//Вестник ЧГАУ, том 31. Челябинск, 2000.
23. Плаксин А.М., Васильева О.Ю. Энергетический анализ агрегата с тяговыми модулями//Вестник ЧГАУ, т.36. Челябинск, 2002.
24. Плаксин А.М., Зыбалов В.С., Волосникова Т.Д. Энергетическая оценка технологий производства кормовых культур//Вестник ЧГАУ, т.37. Челябинск, 2002.
25. Плаксин А.М. Обеспечение работоспособности машинно-тракторных
агрегатов на предстоящие циклы использования в растениеводстве. Дисс.
…докт. техн. наук. Челябинск, 1996.
26. Попов В.М. Способы и средства борьбы с сорной растительностью с
использованием электрической энергии. Дисс. …докт. техн. наук. Челябинск,
1999.
27. Редько И.Я. Повышение эффективности использования ДВС в многофункциональном мобильном технологическом агрегате. Дисс. ...докт. техн. наук. Челябинск, 1998.
28. Самсонов В.А., Зангиев А.А., Лачуга Ю.Ф. и др. Основы теории мобильных сельскохозяйственных агрегатов. М.: Колос, 2000. – 248 с.
29. Свирщевский Б.С. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.:
Гос. изд-во с.-х. литературы. 1950. – 504 с.
30. Стратегия машинно-технологического обеспечения производства
сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года. М.: РАСХН,
МСХ РФ, 2003.-64с.
31. Суркин В.М. Основы теории и расчета автотракторных двигателей.
Челябинск: ЧГАУ, 2004. – 200 с.
32. Фортуна В.И. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос,
1979. – 376 с.
33. Хробостов С.Н. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос, 1973. – 608 с.
34. Черепанов С.С. Использование земледельческих агрегатов. В 2-х частях. М.: ФГНУ ч.1 – 360 с.; ч.2 – 308 с. «Росинформагротех», 2000.
35. Черепанов С.С. Совершенствование машиноиспользования в сельском
хозяйстве. М.: ГОСНИТИ, 1998. – 212 с.
36. Шаров Н.М. Эксплуатационные свойства машинно-тракторных агрегатов. М.: Колос, 1981. – 240 с.
200
Оглавление
Введение
Раздел 1 Механизированные процессы производства продукции растениеводства.
Глава 1 Техническое оснащение и эффективность производственных
процессов.
1.1 Взаимосвязь составляющих механизированного процесса и
показателей его эффективности.
1.2 Влияние продолжительности и качества выполнения технологических операций на урожайность сельскохозяйственных культур.
1.3 Энерготехническая оснащенность сельхозпроизводства.
1.4 Использование энергоресурсов в сельском хозяйстве.
Глава 2 Классификация производственных процессов, машиннотракторных агрегатов.
2.1 Классификация производственных процессов.
2.2 Энергетические средства растениеводства.
2.3 Система машин в растениеводстве.
2.4 Классификация МТА.
2.5 Эксплуатационные свойства МТА.
Раздел 2 Общая энергетика агрегатов.
Глава 3 Динамика машинно-тракторного агрегата.
3.1 Уравнение движения агрегата.
3.2 Тяговый баланс агрегата.
3.3 Составляющие тягового баланса агрегата.
3.3.1 Движущая сила.
3.3.2 Сцепные свойства трактора.
3.3.3 Коэффициент сцепления.
3.3.4 Удельное давление движителей на почву.
3.3.5 Сопротивление перекатыванию трактора.
3.3.6 Сила сопротивления подъему.
3.3.7 Сопротивление воздушной среды.
3.3.8 Сила инерции.
3.3.9 Сила тяги на крюке.
Глава 4 Баланс мощности агрегатов.
4.1 Уравнение баланса мощности.
4.2 Закономерности изменения составляющих баланса мощности
тягового МТА.
4.2.1 Потери мощности в трансмиссии.
4.2.2 Потери мощности на буксование.
4.2.3 Коэффициент буксования.
4.2.4 Потери мощности на передвижение трактора.
4.2.5 Потери мощности на подъем.
4.2.6 Тяговый КПД трактора.
201
3
4
4
4
7
9
13
16
16
17
17
18
19
21
21
21
24
29
29
37
39
41
42
46
47
47
48
52
52
56
57
58
58
61
62
62
4.3 Баланс мощности тягово-приводного МТА.
4.3.1 Структура баланса мощности.
4.3.2 Расчет мощности на ВОМ.
4.3.3 КПД трактора в составе тягово-приводного МТА.
4.4 Баланс мощности зерноуборочного комбайна (самоходной
машины).
4.4.1 Уравнение баланса мощности приводного МТА.
4.4.2 Потери мощности на самопередвижение комбайна.
4.4.3 Скорость движения комбайна.
4.4.4 Мощность на процесс обмолота.
4.4.5 Баланс мощности комбайна с измельчителем соломы.
4.5 Баланс мощности агрегатов с электроприводом.
4.5.1 Баланс мощности электрофицированного агрегата с тяговыми модулями.
4.5.2 Баланс мощности агрегата – электропропольщика.
Глава 5 Скорость движения агрегата.
5.1 Классификация видов скорости и ее расчет.
5.2 Выбор скорости движения агрегата.
5.3 Маневрирование скорости.
Глава 6. Сопротивление сельскохозяйственных машин.
6.1 Виды сопротивления машин.
6.2 Анализ рабочих сопротивлений машин.
6.3 Методика расчета сотавляющих баланса сил сопротивления
машин.
6.3.1 Сопротивление перекатыванию.
6.3.2 Тяговое сопротивление машин.
6.4 Закономерности изменения тягового сопротивления плуга.
6.4.1 Сила сопротивления протаскиванию плуга в борозде.
6.4.2 Изменение сопротивления плуга в зависимости от сечения
пласта.
6.4.3 Изменение сопротивления плуга в зависисмости от скорости движения агрегата.
6.4.4 Энергетическая характеристика удельного тягового сопротивления машин.
6.5 Показатели изменчивости сопротивления машин.
6.6. Факторы, влияющие на величину сопротивления машин.
6.7 Коэффициент полезного действия сельскохозяйственных машин и агрегатов.
6.8 Пути снижения сопротивления машин.
Глава 7 Режимы работы агрегатов.
7.1 Режимы работы двигателей.
7.1.1 Стендовые характеристики и режимы работы двигателя.
7.1.2 Эксплуатационный режим работы двигателя.
7.1.3 Особенности работы двигателя при перегрузке.
7.2 Тяговые свойства тракторов в составе МТА.
202
65
65
66
68
69
69
70
71
73
77
80
80
82
84
84
86
88
91
91
92
94
94
96
102
102
105
106
107
107
111
116
118
122
122
122
126
129
130
7.2.1 Тяговые характеристики тракторов.
7.2.2 Потенциальная характеристика трактора.
7.2.3 Изменение тяговых свойств МТА.
7.3 Оценка тяговых свойств тракторов в составе МТА.
7.3.1 Показатели работы трактора в составе тягового агрегата.
7.3.2 Работа трактора в составе тягово-приводного агрегата.
7.3.3 Коэффициенты полезного действия агрегатов.
7.3.4 Анализ уравнения полного КПД трактора в составе МТА.
7.4 Методика перерасчета рабочей скорости и расхода топлива
агрегатов.
7.4.1 Перерасчет рабочей скорости.
7.4.2 Перерасчет часового расхода топлива при работе агрегата.
7.5 Неустановившийся режим работы МТА.
7.5.1 Показатели изменчивости момента сопротивления на валу
двигателя.
7.5.2 Коэффициент загрузки двигателя при неустановившейся
работе.
Раздел 3 Технико-экономические показатели использования машиннотракторного агрегата.
Глава 8 Производительность агрегатов.
8.1 Производительность труда.
8.2 Определение и классификация производительности агрегатов.
8.3 Расчет производительности агрегатов через энергетические
показатели.
8.4 Расчет производительности уборочных агрегатов.
8.5 Баланс времени смены.
8.5.1 Структура баланса времени смены
8.5.2 Выражение коэффициента использования рабочего времени
смены через частные коэффициенты.
8.5.3 Взаимосвязь производительности агрегата и скорости движения.
8.5.4 Измерение производительности и наработки агрегатов в условных эталонных гектарах.
8.6 Пути повышения производительности МТА.
Глава 9 Расход топлива и энергозатраты при использовании машинотракторного агрегата.
9.1 Расход топлива ДВС.
9.2 Погектарный расход топлива, выраженный через параметры
МТА.
9.3 Классификация и расчет энергозатрат.
9.3.1 Основные понятия и определения.
9.3.2 Классификация энергозатрат, методика их расчета.
9.3.3 Расчет энергозатрат на условный эталонный гектар.
Глава 10 Комплектование агрегатов.
203
130
135
136
143
143
146
149
151
155
155
157
159
159
163
165
165
165
166
169
171
174
174
176
177
181
182
185
185
187
188
188
190
194
197
10.1 Методика комплектования тяговых агрегатов.
10.2 Расчет тягово-приводных агрегатов.
10.3 Расчет навесного агрегата.
Глава 11 Энергетическая оценка МТА и технологий в растениеводстве.
11.1 Основные термины и определения.
11.2 Методика энергетической оценки МТА.
11.2.1 Составляющие совокупных энергозатрат МТА.
11.2.2 Расчет топливных энергозатрат МТА.
11.2.3 Расчет энергозатрат живого труда.
11.2.4 Расчет энергозатрат труда при использовании МТА.
11.3. Энергетическая оценка технологий в растениеводстве.
Литература
204
197
201
201
203
203
204
204
205
205
206
207
210
Авторы:
КОСТЮЧЕНКОВ Николай Васильевич, докт. техн. наук, профессор
ПЛАКСИН Алексей Михайлович докт. техн. наук, профессор
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
Под общей редакцией докт. техн. наук, профессора Плаксина А.М.
Рекомендовано Министерством образования и науки Республики Казахстан в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по
дисциплине «МАШИНОИСПОЛЬЗОВАНИЕ» № 389/03-3/30 от 05. 02. 2010 г.
Технический редактор Сулейменова Г.Е.
Компьютерная вёрстка Костюченкова О.Н.
Сдано в набор 25.02. 2010 г.
Подписано в печать 28. 02. 2010 г.
Формат бумаги 60 х 84 1/16. Гарнитура ˝Times New Roman˝
Печать ризографическая.
Бумага типогр. №1. Усл. изд. 12,75 п.л. Заказ № ______ Тираж 500 экз.
Типография Казахского государственного агротехнического университета
имени С. Сейфуллина, 2010 г.
010011, г. Астана, пр. Победы, 62
205