IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF SOIL TREATMENT USING TRACTION DRIVEN TILLAGE IMPLEMENT

Full Text

Энергоэффективность сельскохозяйственного производства во многом определяется энергоэффективностью каждого технологического процесса. В растениеводстве к наиболее энергоемким операциям относят обработку почвы, на которую приходится до 40% энергетических затрат всей технологии [1-10]. От сроков и качества обработки верхнего слоя почвы в весенний период зависит количество сохраненной влаги не только в верхних, но и в более глубоких почвенных горизонтах. Установлено, что потери влаги на непродуктивное испарение могут достигать 40-70% выпадающих осадков [11-13]. В почвенно-климатических условиях засушливых регионов России технология обработки почвы должна обеспечивать минимальные потери почвенной влаги, накопленные за осенне-зимний период. В связи с этим актуальными и значимыми являются исследования, направленные на разработку новых почвообрабатывающих орудий и оптимизацию технологических параметров машинотракторных агрегатов, позволяющих повысить эффективность использования энергетических ресурсов в растениеводстве и сохранить плодородие почв. Цель исследований - повышение энергоэффективности ранневесенней поверхностной обработки почвы тягово-приводным почвообрабатывающим орудием с активными рабочими органами. Задачи исследований - выявить оптимальные технологические параметры работы машинотракторного агрегата с тягово-приводным почвообрабатывающим орудием и получить экспериментальное подтверждение повышения энергоэффективности обработки почвы предлагаемым орудием. Объект исследований. Установлена возможность повышения энергоэффективности почвообрабатывающего агрегата за счет снижения буксования колес трактора и потерь на перекатывание агрегата, что достигается передачей части мощности через вал отбора мощности (ВОМ) на приводные дисково-игольчатые рабочие органы, которые компенсируют тяговое сопротивление орудия создаваемым толкающим усилием, снижая сопротивление на перекатывание агрегатирующего трактора, и не требуют его большого тягово-сцепного веса [2, 5, 6]. Для реализации этой возможности разработано тягово-приводное почвообрабатывающее орудие (рис. 1), имеющее малое тяговое сопротивление [14, 15]. Тягово-приводное почвообрабатывающее орудие содержит раму 1, сцепное устройство 2, приводные ротационные рабочие органы - игольчатые диски 3 и 4, расположенные в два ряда. На раме 1 установлен конический редуктор 5, входной вал 6 которого соединен с синхронным валом отбора мощности трактора карданным валом 7. На выходном валу 8 редуктора 5 установлены сменные звездочки 9 и 10, соединенные цепью 11 и 12 со сменными звездочками 13 на переднем и на заднем 14 валах ротационных рабочих органов. Ряды рабочих органов 3 и 4 расположены перпендикулярно направлению движения орудия, образуя шахматный порядок, и выполнены в виде батарей игольчатых дисков с иглами эвольвентной кривизны. а б Рис. 1. Тягово-приводное почвообрабатывающее орудие: а - вид слева; б - вид сверху; 1 - рама; 2 - навесное устройство; 3, 4 - игольчатые диски; 5 - конический редуктор; 6 - входной вал; 7 - карданный вал; 8 - выходной вал; 9, 10 - сменные звездочки; 11, 12 - цепь; 13, 14 - сменные звездочки В касательных плоскостях на выпуклой стороне игл 1 (рис. 2) рабочих органов переднего ряда закреплены рыхлительно-несущие элементы 2 в форме равнобедренного треугольника, на иглах 3 рабочих органов заднего ряда закреплены рыхлительные элементы 4, также в форме равнобедренного треугольника вершиной к носку игл 3. Повышение качества поверхностной обработки почвы и снижение затрат энергии достигается благодаря выполнению рабочих органов в виде игольчатых дисков, иглы которых изогнуты по эвольвенте окружности, и закреплению в касательных плоскостях на выпуклой стороне игл рабочих органов первого ряда рыхлительных элементов в форме равнобедренного треугольника [16-18]. 1 2 4 3 а б Рис. 2. Ротационные рабочие органы: а - переднего ряда; б - заднего ряда; 1, 3 - иглы; 2, 4 - рыхлительно-несущие элементы Основания рыхлительных элементов параллельны оси игольчатого диска. Основная высота треугольника равна половине глубины обработки, вершина направлена к концу игл, причем расстояние от вершин рыхлительных элементов до концов игл равно половине глубины обработки. Это позволяет рыхлительным элементам выполнять полосовую обработку почвы фронтальным рыхлением на половину глубины рыхления со значительным снижением затрат энергии на поперечное перемещение пласта при заданном ограничении глубины обработки. Результаты теоретических исследований. При работе тягово-приводного машинотракторного агрегата коэффициент полезного действия можно представить: (1) где - коэффициент полезного действия тягово-приводного машинотракторного агрегата; - коэффициент полезного действия (КПД) трактора; - коэффициент полезного действия сельскохозяйственного орудия. Установлено [12], что КПД трактора в тягово-приводном режиме можно представить зависимостью: (2) где - тяговый коэффициент полезного действия трактора; - буксование колес трактора; - сила сопротивления перекатывания трактора по полю, Н; - касательная сила тяги, создаваемая крутящим моментом на колесе трактора, Н; - доля полезной мощности двигателя трактора, передающаяся на вал отбора мощности; - коэффициент полезного действия передачи крутящего момента от двигателя трактора на вал отбора мощности. Установлено [9], что коэффициент полезного действия тягово-приводного сельскохозяйственного орудия можно представить следующей зависимостью: (3) где - крутящий момент на ВОМ трактора, передаваемый орудию в работе; - крутящий момент на ВОМ трактора, передаваемый орудию в холостом режиме; - глубина рыхления дисковым рабочим органом, м; - внешний радиус дисковых рабочих органов, м; - коэффициент сопротивления перекатыванию опорных колес; - тяговое усилие, создаваемое трактором, Н; - вес тягово-приводного орудия, Н; - вертикальная составляющая реакции почвы, Н. Таким образом, коэффициент полезного действия тягово-приводного машинотракторного агрегата представится в виде: (4) Расчет по формуле (4) представлен в виде графика, где в качестве аргумента выбран показатель - доля передаваемой мощности через ВОМ трактора. В формулу (4) подставлялись следующие значения: КПД трансмиссии трактора = 0,877; буксование колес трактора = 0,08; сила сопротивления перекатыванию трактора по полю = 5258 Н; касательная сила тяги, создаваемая крутящим моментом на колесе трактора на 5-ой передаче, = 8119 Н; КПД передачи на ВОМ трактора = 0,94; крутящий момент на ВОМ трактора, передаваемый орудию в холостом режиме, = 30 Н×м; крутящий момент на ВОМ трактора, передаваемый орудию в работе, = 400 Н×м; глубина рыхления почвы = 0,06 м; радиус диска = 0,275 м; коэффициент сопротивления перекатыванию опорных колес = 0,16; сила тяжести тягово-приводного орудия = 3434 Н; вертикальная составляющая реакции почвы = 1030 Н; тяговое усилие, создаваемое трактором, = 6500 Н. Анализ графической зависимости (рис. 3) позволяет сделать вывод, что увеличение доли передаваемой мощности через ВОМ трактора при работе тягово-приводного почвообрабатывающего агрегата позволяет повысить КПД преобразования механической энергии двигателя трактора в механическую работу по рыхлению почвы. Расчеты показывают, что передача половины мощности через ВОМ трактора позволяет в 2 раза увеличить КПД тягово-приводного почвообрабатывающего агрегата по сравнению с тяговым. Методы экспериментальных исследований. Для экспериментального подтверждения полученных теоретических зависимостей была проведена энергетическая оценка экспериментального тягово-приводного орудия ТПО-3. Методика оценки энергоэффективности работы тягово-приводного почвообрабатывающего агрегата включала в себя проведение серии опытов при выполнении ранневесенней обработки почвы на различных передачах (скоростях) движения с оценкой следующих показателей работы агрегата: скорость поступательного движения агрегата, тяговое сопротивление орудия, расход топлива и буксование ведущих колес трактора (СТО АИСТ 4.2-2010 Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей. М., 2012. 40 с.; ГОСТ Р 52777-2007 Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки. М. : Стандартнформ, 2008. 12 с.; ГОСТ 33687-2015 Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Методы испытаний. М. : Стандартинформ, 2016. 41 с.) Рис. 3. Теоретическая зависимость КПД преобразования механической энергии двигателя в работу по рыхлению почвы в зависимости от доли передаваемой мощности на рабочие органы через ВОМ трактора Составляющую мощности на самопередвижение трактора определяли методом «буксировки» (рис. 4) (ГОСТ Р 52777-2007). Для этого оцениваемый трактор на нейтральной передачи без орудия буксировали с помощью другого трактора через тензометрическую балку, измеряя создаваемое тяговое сопротивление. Мощность на преодоление тягового сопротивления машины определяли методом «буксировки» агрегата с оцениваемым орудием. Опыты проводились как в активном режиме (с приводом рабочих органов), так и в пассивном режиме (без привода рабочих органов). Рис. 4. Проведение энергооценки методом «буксировки» Тяговое сопротивление, буксование ведущих колес и расход топлива определялись в соответствии с рекомендациями методики энергетической оценки (ГОСТ Р 52777-2007) с помощью измерительной системы ИП-264 ФГБУ «Поволжская МИС». Малогабаритная переносная информационно-измерительная система ИП-264 (рис. 5) предназначена для измерения, анализа, запоминания и отображения, как в реальном времени, так и по окончании опыта в удобной форме, параметров, определяющих эксплуатационно-технологические параметры тракторов и сельскохозяйственных машин. Рис. 5. Портативный компьютер системы ИП-264 с программой сбора и обработки данных измерений Энергетические показатели тягово-приводного орудия определялись методом тензометрирования по ГОСТ Р 52777-2007 Условия проведения исследований типичные для зоны Среднего Поволжья в конце апреля (табл. 1). Таблица 1 Состояние почвы при проведении энергетической оценки Почвенные слои, см Влажность почвы, % Твёрдость почвы, МПа 0-5 5-10 10-15 22,9 30,1 30,0 0,3 0,4 0,6 Результаты экспериментальных исследований. По результатам энергооценки экспериментального тягово-приводного орудия ТПО-3 на весеннем бороновании по задискованному с осени полю при различных скоростных режимах работы видно (рис. 6), что в активном режиме тяговое сопротивление орудия на всех рабочих скоростях движения трактора от 7,4 до 12 км/ч было более чем на 5 кН ниже, чем тяговое сопротивление экспериментального орудия в пассивном режиме. Рис. 6. Изменение тягового сопротивления экспериментального тягово-приводного орудия ТПО-3 в зависимости от рабочей скорости движения при работе без привода рабочих органов и с приводом рабочих органов от ВОМ трактора Суммарная мощность, потребляемая орудием в активном режиме, была ниже, чем в пассивном режиме, на 15% (рис. 7). Соотношения распределения потоков мощности в активном режиме следующие: на скорости 7,4 км/ч - 83% мощности направлялось через ВОМ трактора и 17% - через тягу; на скорости 9,3 км/ч - 78 и 22%, соответственно; на скорости 11 км/ч - 75 и 25%, соответственно; на скорости 12,1 км/ч - 73 и 27%, соответственно. Рис. 7. Изменение потребляемой мощности экспериментальным тягово-приводным орудием ТПО-3 в зависимости от рабочей скорости движения при работе без привода рабочих органов и с приводом рабочих органов от ВОМ трактора МТЗ-82.1 Наиболее полно преимущество энергоэффективности применения тягово-приводного орудия демонстрируют зависимости часового расхода топлива от рабочей скорости движения трактора МТЗ-82 в агрегате с экспериментальным тягово-приводным орудием ТПО-3 (рис. 8). Рис. 8. Зависимость часового расхода топлива (кг/ч) от рабочей скорости движения (км/ч) машинотракторного агрегата с экспериментальным тягово-приводным орудием ТПО-3 Так, при диапазоне рабочих скоростей от 7,4 до 9,3 км/ч, уменьшение часового расхода топлива составляет 3,8-4,0%, при диапазоне рабочих скоростей от 9,3 до 11,8 км/ч, уменьшение часового расхода топлива составляет 5,7-7,4%. Обсуждение. Проведенные исследования подтвердили, что энергоэффективность почвообрабатывающего агрегата зависит от того, насколько полно преобразуется механическая энергия двигателя трактора в механическую работу по рыхлению почвы. Этот параметр характеризует коэффициент полезного действия машинотракторного агрегата. Теоретические расчеты показали, что применение тягово-приводного машинотракторного агрегата позволяют повысить КПД машинотракторного агрегата с 21 до 42% и более, в зависимости от доли мощности, передаваемой через ВОМ трактора. Проведенная энергетическая оценка работы экспериментального образца тягово-приводного орудия ТПО-3 позволила зафиксировать снижение тягового сопротивления орудия с 6 кН в пассивном режиме работы без привода до 0,86 кН в активном режиме с приводом от ВОМ. При этом энергозатраты на рыхление почвы (часовой расход топлива) снизились на 15%, что подтверждает более высокую энергоэффективность применения тягово-приводного орудия в сравнении с тяговыми орудиями. Заключение. Повышение энергоэффективности обработки почвы можно достичь за счет применения тягово-приводных почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами, не создающих высоких тяговых сопротивлений и не требующих большого тягово-сцепного веса агрегатирующего трактора. Снижение тягового сопротивления таких орудий достигается передачей основной доли мощности через ВОМ трактора на приводные ротационные рабочие органы, которые создают толкающее усилие, минимизируя тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия. Более высокий КПД механической передачи энергии через ВОМ по сравнению с КПД колес трактора и снижение потерь на буксование, позволяют на 15% сократить часовой расход топлива при выполнении ранневесеннего рыхления почвы. Дополнительным эффектом может послужить то, что минимальное тяговое сопротивление тягово-приводного орудия позволяет начать ранневесенние боронование в поле на 2-3 дня раньше и сохранить на 10-15 мм больше продуктивной влаги в почве.

About the authors

Sergey V. Mashkov

Samara State Agrarian University

Email: mash_ser@mail.ru
Candidate of Economic Sciences, Associate Professor Ust-Kinelsky, Samara Region, Russia

Mikhail A. Petrov

Samara State Agrarian University

Email: petrovma_89@mail.ru
Candidate Ust-Kinelsky, Samara Region, Russia

Vladimir A. Shakhov

Orenburg State Agrarian University

Email: shahov-v@ya.ru
Doctor of Technical Sciences, Professor

Pavel A. Ishkin

Samara State Agrarian University

Email: ishkin_pa@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Ust-Kinelsky, Samara Region, Russia

References

Supplementary files