Estimation of fuel efficiency of wheeled and tracked tractors at sunflower cultivation

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Подсолнечник является важной технической, кормовой и продовольственной культурой в РФ. Площади его посевов занимают до 8,5 млн га (10,6% от всех посевных площадей в стране) и уступают только посевам пшеницы и ячменя.

В настоящее время в качестве энергосредств на возделывании подсолнечника в основном применяются колесные тракторы. Однако, в связи с известными преимуществами гусеничных тракторов: лучшие сцепные качества, лучшая проходимость, более высокий тяговый КПД, меньшее вредное воздействие на почву [1], представляет интерес провести сравнительный анализ эксплуатационно-технологических показателей колесных и гусеничного тракторов, в частности, погектарного расхода топлива, на всем цикле полевых работ по возделыванию подсолнечника.

С этой целью на примере типичного для Саратовской области фермерского хозяйства КФХ ИП М.П. Горюнкова из Калининского р-на для всех полевых операций по возделыванию подсолнечника с использованием тракторов были выявлены режимы работы применяемых в настоящее время колесных тракторов МТЗ-1221.2 и МТЗ-82.1 (рис. 1).

 

Рис. 1. Тракторы МТЗ-1221.2 (вверху) и МТЗ-82.1 (внизу).

Fig. 1. The MTZ-1221.2 (top) and the MTZ-82.1 (bottom) tractors.

 

Затем на основании выполненных тяговых расчетов определены на тех же операциях режимы работы гусеничного трактора Агромаш-90ТГА (рис. 2), выбранного в качестве возможной альтернативы колесным по следующим причинам:

• трактор, разработанный конструкторами ВгТЗ, выпускается в настоящее время концерном «Тракторные заводы» в Чебоксарах;
• благодаря колее, равной 1330 мм, и гусеницам шириной 390 мм, он вписывается в применяемые при возделывании подсолнечника междурядья шириной 70 см и может использоваться на его междурядной обработке.

 

Рис. 2. Трактор Агромаш-90ТГА.

Fig. 2. The Agromash-90TGA tractor.

 

Необходимые для расчетов технические характеристики тракторов приняты по заводским материалам [2–5] и приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Технические характеристики тракторов МТЗ-1221.2, МТЗ-82.1 и Агромаш-90ТГА

Table 1. The technical properties of the MTZ-1221.2, the MTZ-82.1 and the Agromash-90TGA tractors

Характеристики	Трактор
	МТЗ-1221.2	МТЗ-82.1	Агромаш-90ТГА
Тяговый класс	2	1,4	3
Эксплуатационная масса, кг	5730	3845	7100
Дизель: – марка – эксплуатационная мощность, кВт – максимальный крутящий момент, Нм – номинальный удельный расход топлива, г/кВт·ч	Д-260.2S2 100 при 2100 мин-1 570 при 1500 мин-1 240	Д-243 56 при 2200 мин-1 296 при 1555 мин-1 235	А-41ВСИ 70 при 1750 мин-1 438 при 1225 мин-1 227
Шины колес: – передних – задних	420/70R24 18,4R38	11,2-20 15,5R38
Ширина гусениц, мм	-	-	390
Число передач переднего хода	16*	18*	7*
Теоретические скорости переднего хода в основной комплектации, км/ч	1,5–35,0*	1,89–33,39*	5,3–11,17*
Радиус качения ведущих колес, мм	866	805	352
Расчетный механический КПД трансмиссии	0,902; 0,924**	0,966	0,872 0,861***
Принятый в расчетах коэффициент сопротивления качению: – на стерне – на поле, подготовленном к посеву	0,09 –	– 0,17	0,08 0,11

Примечания: * – в основной комплектации; ** – первое значение - на передачах I и II диапазонов, второе – на передачах III и IV диапазонов; *** – с учетом потерь в гусеничном движителе; первое значение – на I–IV передачах, второе – на V–VII передачах.

 

По полученным данным проведено сравнение суммарного расхода топлива в расчете на единицу выполняемой работы (погектарного) на всех полевых операциях с использованием тракторов.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Расчетное исследование выполнено в следующей последовательности.

1. На всех операциях по возделыванию подсолнечника были установлены используемые агрегаты, передачи в трансмиссии, на которых работают колесные тракторы, и скорости движения агрегатов (табл. 2).
2. Для целей анализа были выполнены тяговые расчеты и построены тяговые характеристики (рис. 3, 4) тракторов на почвенных фонах, на которых они используются при возделывании подсолнечника: МТЗ-1221.2 – на стерне, МТЗ-82.1 – на поле, подготовленном к посеву, и трактора Агромаш-90ТГА – на обоих фонах с определением зависимости крюковой мощности N_кр, действительной скорости V, удельного крюкового расхода топлива g_кр, тягового КПД ç_тот развиваемой трактором силы тяги на крюке P_кр[6, 7].
3. Для колесных тракторов, зная на какой передаче и с какой скоростью они работали при выполнении той или иной операции, по тяговым характеристикам было определено развиваемое тяговое усилие, крюковая мощность и удельный крюковой расход топлива (табл. 2).
4. После этого, по тяговым характеристикам трактора Агромаш-90ТГА для каждой операции были определены наиболее выгодные для него с точки зрения производительности и расхода топлива орудия и режимы работы: требуемое тяговое усилие, передача, крюковая мощность, действительная скорость и удельный крюковой расход топлива (табл. 3). При этом полагалось, что тяговое сопротивление орудий пропорционально ширине захвата. Влияние скорости не учитывалось.
5. Затем, на каждой операции были рассчитаны сменные производительности W_сми погектарные расходы топлива Èдля колесных тракторов (табл. 4) и для Агромаш-90ТГА (табл. 5) по формулам [8]:

• сменная производительность:

W_см= W_ч∙β∙τ_см,

где: W_ч = b_ор∙V  – производительность за 1 час чистого времени работы («чистая»); β – коэффициент использования ширины захвата орудия; принимался равным: 0,96 – на лущении; 0,97 – на предпосевной (сплошной) культивации; 0,98 – на бороновании; 1,00 – на посеве и междурядной культивации и 1,07 – на вспашке; τ_см  – коэффициент использования времени смены; принимался равным: - для колесных тракторов: 0,80 – на посеве и междурядной культивации; 0,84 – на лущении, бороновании и сплошной культивации и 0,86 – на вспашке; – для гусеничного Агромаш-90ТГА: 0,82 – на вспашке; 0,83 – на лущении, бороновании и сплошной культивации [8]; поскольку коэффициента τ_см на работах в междурядьях для Агромаш-90ТГА, как трактора общего назначения, в справочной литературе найти не удалось, он по аналогии с соотношением на других видах работ был принят на посеве и междурядной культивации равным 0,79 – несколько меньшим, чем у колесного МТЗ-82.1; b_ор – ширина захвата орудия (табл. 2, 3).

• погектарный расход топлива за час сменного времени:

Θ = Θ_р + Θ₀ + Θ_х,

где Θ_р = g_кр∙N_кр – расход топлива за время «чистой» работы; Θ₀ – расход топлива при стоянке с работающим двигателем; принимался равным: для МТЗ-1221.2 – 2,6 кг/ч, для МТЗ-82.1 – 1,4 кг/ч, для Агромаш-90ТГА – 1,9 кг/ч; время остановок тракторов с работающим двигателем Т₀ принималось равным 0,0768 часа в час смены, из них: 32,5% – на техническое обслуживание агрегата, 16,3% – на отдых и физиологические нужды тракториста и 51,2% – на простои по различным причинам; Θ_х – расход топлива при движении на холостом ходу; принимался равным: для МТЗ-1221 – 12,1 кг/ч, для МТЗ-82.1 – 8,5 кг/ч, для Агромаш-90ТГА – 8 кг/ч; доля времени движения на холостом ходу Т_х определялась по формуле [9]:

Т_х = Т – Т∙τ_см – Т₀. [9].

 

Таблица 2. Полевые с использованием колесных тракторов операции возделывания подсолнечника, используемые при этом агрегаты и режимы их работы

Table 2. The field operations of sunflower cultivation with using wheeled tractors, the used attachments and their operation modes

Операция	Орудие (марка)*	Теорет. ширина захвата, м	Передача**	Рабочая скорость, км/ч**	Тяговое усилие, кН	Крюковая мощность, кВт	Уд. крюковой расход топлива, г/кВтч
Операции в агрегате с трактором МТЗ-1221.2; почвенный фон – стерня
Лущение стерни	БДМ-3х2Н	3	III-3	9,75	23	66,00	356
Вспашка	ПЛН-4-35	1,4	III-3	9,25	25,5	54,9	461
Операции в агрегате с трактором МТЗ-82.1; почвенный фон – поле, подготовленное к посеву
Покровное боронование	ШНАБ-8	8	3	7,10	11,72	23,93	531
1-я предпосевная культивация	КПС-4	4	4	8,50	12,508	28,01	466
2-я предпосевная культивация	КПС-4	4	5	9,50	11,569	29,07	439
Посев	С-12А ВАСО	5,6 (8 рядков)	5	9,00	12,716	28,44	431
Довсходовое боронование	ШНАБ-8	8	3	7,10	11,72	23,93	531
Повсходовое боронование	ШНАБ-8	8	3	7,10	11,72	23,93	531
1-я междурядная обработка	КРН-5,6	5,6 (8 рядков)	4	8,30	13,433	29,10	451
2-я междурядная обработка	КРН-5,6	5,6 (8 рядков)	4	8,30	13,433	29,10	451

Примечания: * – наименования агрегатируемых с тракторами орудий: БДМ-3х2Н – борона дисковая навесная (дискатор); ПЛН-4-35 – плуг отвальный навесной 4-корпусный; КПС-4 – культиватор для сплошной обработки почвы; С-12А ВАСО – сеялка механическая точного высева 8-рядная; ШНАБ-8 – агрегат бороновальный навесной (самодельный); КРН-5,6 – культиватор-растениепитатель навесной 8-рядный; ** – данные КФХ ИП М.П. Горюнкова.

 

Рис. 3. Тяговые характеристики тракторов МЗ-1221.2 (сплошные линии) и Агромаш-90ТГА (пунктирные); почвенный фон – стерня.

Fig. 3. Load curves of the MTZ-1221.2 (solid lines) and the Agromash-90TGA (dashed lines) tractors defined for stubble.

 

Рис. 4. Тяговые характеристики тракторов МТЗ-82.1 (сплошные линии) и Агромаш-90ТГА (пунктирные); почвенный фон – поле, подготовленное к посеву.

Fig. 4. Load curves of the MTZ-82.1 (solid lines) and the Agromash-90TGA (dashed lines) tractors defined for the field prepared for sowing.

 

Таблица 3. Полевые с использованием трактора Агромаш-90ТГА операции возделывания подсолнечника, предлагаемые для этого агрегаты и режимы их работы

Table 3. The field with using the Agromash-90TGA tractor: the sunflower cultivation operations, the proposed attachments and operation modes for them

Операция	Орудие (марка)	Теорет. ширина захвата, м	Пере-дача	Рабочая скорость, км/ч	Тяговое усилие, кН	Крюковая мощность, кВт	Уд. крюковой расход топлива, г/кВтч
Лущение стерни	БДМ-4х2П	4	2	5,80	30,70	50,0	316
Вспашка	ПН-4-40	1,6	2	5,90	29,14	46,8	318
Покровное боронование	СГВ-12	12	5	8,12	17,585	39,01	389
1-я предпосевная культивация	КСП-6,4	6,4	4	7,04	20,013	39,96	372
2-я предпосевная культивация	КСП-6,4	6,4	5	7,95	18,51	40,415	381
Посев	СТВ-112	8,4 (12 рядков)	5	7,96	18,264	40,00	386
Довсходовое боронование	СГВ-12	12	5	8,12	17,585	39,01	389
Повсходовое боронование	СГВ-12	12	5	8,12	17,585	39,01	389
1-я междурядная обработка	КРН-8,4	8,4 (12 рядков)	4	7,03	20,15	40,20	372
2-я междурядная обработка	КРН-8,4	8,4 (12 рядков)	4	7,03	20,15	40,20	372

Примечание: наименования агрегатируемых с трактором орудий: БДМ4х2 – борона дисковая прицепная (дискатор); ПН-4-40 – плуг навесной 4-корпусный; СГВ-12 «Пустельга» – борона зубовая-выравниватель; КСП-6,4 – культиватор для сплошной обработки почвы; СТВ-112 – сеялка пропашная точного высева 12-рядная; КРН-8,4 – культиватор-растениепитатель навесной 12-рядный.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Выполненные расчеты: тяговые, агрегатирования, эксплуатационно-технологических показателей на возделывании подсолнечника гусеничного трактора в сравнении с колесными и их анализ показали следующее.

На стерневом фоне колесный МТЗ-1221.2, из-за более мощного дизеля, имеет на 29% большую максимальную крюковую мощность (67 кВт против 52). Это приводит к тому, что на выполняемых им операциях, МТЗ-1221.2, по сравнению с гусеничным Агромаш-90ТГА, развивает большую скорость и, несмотря на агрегатирование с орудиями меньшей ширины захвата, имеет более высокую производительность: на 21,6% на лущении стерни и на 30,5% на вспашке. В то же время, Агромаш-90ТГА на тягах выше 17,5 кН имеет более высокий тяговый КПД, благодаря чему обеспечивает меньший погектарный расход топлива: на 14,7% на лущении стерни и на 16,6% на вспашке (табл. 4, 5).

 

Таблица 4. Сменная производительность и погектарный расход топлива за час сменного времени на полевых операциях возделывания подсолнечника с использованием колесных тракторов

Table 4. The performance per shift, per-hectare fuel consumption per hour of shift time at the field operations of the sunflower cultivation using wheeled tractors

Операция	Орудие (марка)	Фактическая ширина захвата, м	Коэффициент использования времени смены	Производительность, га/ч, за час:		Погектарный расход топлива за время сменной работы, кг/га
				«чистого» времени	сменного времени
Операции в агрегате с трактором МТЗ-1221.2
Лущение стерни	БДМ-3х2Н	2,88	0,84	2,925	2,359	8,878
Вспашка	ПЛН-4-35	1,498	0,86	1,295	1,192	19,149
Операции в агрегате с трактором МТЗ-82.1
Покровное боронование	ШНАБ-8	7,84	0,84	5,68	4,676	2,442
1-я предпосевная культивация	КПС-4	3,36	0,84	3,40	2,77	4,336
2-я предпосевная культивация	КПС-4	3,36	0,84	3,80	3,096	3,703
Посев	С-12А ВАСО	5,6	0,80	5,32	4,256	2,475
Довсходовое боронование	ШНАБ-8	7,84	0,84	5,68	4,676	2,442
Повсходовое боронование	ШНАБ-8	7,84	0,84	5,68	4,676	2,442
1-я междурядная обработка	КРН-5,6	5,6	0,80	4,648	3,718	3,426
2-я междурядная обработка	КРН-5,6	5,6	0,80	4,648	3,718	3,426
Итого на всех операциях с использованием тракторов						52,819

 

Таблица 5. Сменная производительность и погектарный расход топлива за час сменного времени на полевых операциях возделывания подсолнечника с использованием гусеничного трактора Агромаш-90ТГА

Table 5. The performance per shift, per-hectare fuel consumption per hour of shift time at the field operations of the sunflower cultivation using the Agromash-90TGA tracked tractor

Операция	Орудие (марка)	Фактическая ширина захвата, м	Коэффициент использования времени смены	Производительность, га/ч, за час:		Погектарный расход топлива за время сменной работы (в % к колесному), кг/га)
				«чистого» времени	сменного времени (в % к колесному)
Лущение стерни	БДМ-4х2П	3,84	0,83	2,32	1,849(78,4)	7,575 (85,3)
Вспашка	ПН-4-40	1,712	0,82	0,944	0,828(69,5)	15,969 (83,4)
Покровное боронование	СГВ-12	11,76	0,83	9,744	7,926(169,5)	1,698 (70,1)
1-я предпосевная культивация	КСП-6,4	6,208	0,83	4,506	3,628(130,1)	3,401 (78,4)
2-я предпосевная культивация	КСП-6,4	6,208	0,83	5,088	4,096(132,3)	3,323 (89,7)
Посев	СТВ-112	8,4	0,79	6,686	5,282(124,1)	2,469 (99,8)
Довсходовое боронование	СГВ-12	11,76	0,83	9,744	7,926(169,5)	1,698 70,1)
Повсходовое боронование	СГВ-12	11,76	0,83	9,744	7,926(169,5)	1,698 (70,1)
1-я междурядная обработка	КРН-8,4	8,4	0,79	5,905	4,665(125,5)	2,763 (80,6)
2-я междурядная обработка	КРН-8,4	8,4	0,79	5,905	4,665(125,5)	2,763 (80,6)
Итого на всех операциях с использованием трактора						41,357 (78,3%)

 

На поле, подготовленном к посеву, гусеничный Агромаш-90ТГА, по сравнению с колесным МТЗ-82.1, имеет в 1,5 раза большую максимальную крюковую мощность (45 кВт против 30). Это приводит к тому, что Агромаш-90ТГА может работать с орудиями большей ширины захвата и в состоянии обеспечить на большинстве операций повышение производительности на 24,1–32,3%, а на бороновании – даже на 69,5%. По погектарному расходу топлива гусеничный Агромаш-90ТГА также имеет преимущество перед МТЗ-82.1, обеспечивая экономию топлива на единицу выполненной работы от 10,3 до 29,9% (табл. 4, 5); исключение составляет лишь операция посева подсолнечника, на которой гусеничный трактор работает с недогрузкой и его погектарный расход топлива практически одинаков с колесным.

Суммарный расход топлива, затрачиваемого на полевые работы с использованием гусеничного трактора Агромаш-90ТГА, составляет 41,357 кг против 52,819 кг в случае использования колесных тракторов МТЗ-1221 и МТЗ-82.1.

ВЫВОДЫ

1. Конструктивные параметры, выпускаемого концерном «Тракторные заводы», гусеничного тягового класса 3 трактора общего назначения Агромаш-90ТГА позволяют использовать его на всех полевых операциях по возделыванию подсолнечника, в т.ч., благодаря, вписывающимся в междурядья шириной 70 см, колее и ширине гусениц, и на междурядной обработке.
2. Применение гусеничного трактора Агромаш-90ТГА на возделывании подсолнечника в типичном для Саратовской области КФХ ИП М.П. Горюнкова при рациональном агрегатировании, благодаря его лучшим тягово-сцепным качествам, обеспечит:

• на стерневом фоне по сравнению с трактором МТЗ-1221 сокращение погектарного расхода топлива на 13–15%, правда, при меньшей на 20–30% производительности;
• на взрыхленных почвенных фонах по сравнению с трактором МТЗ-82.1 сокращение погектарного расхода топлива на большинстве операций на 10–30% при большей на 25–30% производительности.

3. Суммарная экономия погектарного расхода топлива составит порядка 20% (41,357 кг/га против 52,819).

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. В.В. Косенко ― тяговые расчеты тракторов, расчет режимов работы гусеничного трактора, написание текста рукописи; З.А. Годжаев ― общее руководство работой, редактирование текста рукописи; П.В. Потапов ― выполнение графиков тяговых характеристик тракторов, редактирование текста рукописи; М.П. Горюнков ― поиск исходных материалов, выбор технологии полевых работ, расчет режимов работы колесных тракторов. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. V.V. Kosenko ― tractors drawbar performance calculations, crawler tractor operational regimes calculations, writing the text of the manuscript; Z.A. Godzhaev ― expert opinion, editing the text of the manuscript; P.V. Potapov ― creating drawbar performance graphs, data processing, editing of images, editing the text of the manuscript; M.P. Goryunkov ― the search of source data, choosing of field operations technology, calculation of wheeled tractors operational regimes. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work).

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Vyacheslav V. Kosenko

Volgograd State Technical University

Author for correspondence.
Email: kosenko46@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3996-6414
SPIN-code: 3616-4401

Cand. Sci. (Tech.), Senior Lecturer of the Technical Operation and Maintenance of Vehicles Department

Russian Federation, Volgograd

Zahid A. Godzhayev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1665-3730
SPIN-code: 1892-8405

Corresponding Member RAS, Professor, Dr. Sci. (Tech), Deputy Director

Russian Federation, Moscow

Pavel V. Potapov

Volgograd State Technical University

Email: paulfinx@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6645-6033
SPIN-code: 7042-2560

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Technical Operation and Repair of Vehicles Department

Russian Federation, Volgograd

Mikhail P. Goryunkov

Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov

Email: michaelpavlovichgoryunkov3028@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-2815-2948
SPIN-code: 2821-6033
Russian Federation, Saratov

References

Supplementary files