Analysis of operational factors determining the efficiency of fuel economy of machine and tractor unit

Full Text

Основой агропромышленного комплекса (АПК) служит тракторный парк. Эффективность его эксплуатации в значительной степени влияет на производительность труда в полеводстве и животноводстве и на экономику отрасли в целом. Эффективность эксплуатации тракторного парка определяется в основном производительностью МТА и расходом топлива на единицу произведенной работы. В свою очередь, производительность МТА зависит не только от рабочей скорости, ширины захвата и других эксплуатационных факторов, но также и от стажа работы механизатора, его квалификации и технического состояния трактора [1]. Механизатор выполняет целый ряд функций от подготовки МТА к работе до его технического обслуживания и ремонта. С повышением сложности и мощности с.-х. техники его квалификация должна непрерывно возрастать. Однако затянувшиеся кризисные явления в экономике и промышленности привели к демографическому кризису на селе и сокращению трудоспособного населения, занятого в с.-х. производстве. Так, с 2000 по 2010 г. общая численность рабочих, занятых на предприятиях АПК, сократилась на 2,593 млн человек, или на 64,9% [2]. Предприятия АПК испытывают нехватку кадров, которая сказывается на возрастном составе механизаторов. По состоянию на 01.06.2013 [1] средний возраст механизатора составлял 44 года, 25% от общей численности имели возраст до 35 лет, 34% - 35-50 лет, и 41% - более 50 лет, из них 12% старше пенсионного возраста. Налицо старение кадров, которое в совокупности с их дефицитом не способствует повышению квалификации. Кризисные явления в промышленности заметны и на уровне материально-технического обеспечения АПК. Начиная с 1986 г. наблюдается устойчивая тенденция снижения численности тракторного парка страны. Ежегодное сокращение составляет примерно 6% при коэффициенте обновления 3,6%, тогда как минимальное значение этого коэффициента должно составлять в среднем 10%. Вследствие этого более 83,2% тракторного парка эксплуатируется дольше 9 лет [3]. Старение тракторного парка неизбежно приводит к уменьшению производительности МТА и увеличению расхода топлива, что в совокупности со снижением квалификации механизаторов не способствует повышению эффективности производства в аграрном секторе. Расход топлива при выполнении с.-х. операций при прочих равных условиях зависит от режима работы МТА, который устанавливается механизатором с учетом конкретных условий эксплуатации. Поскольку нормативно-техническая документация на выполнение механизированных работ, разработанная в конце 1980-х гг. [4], не соответствует техническому состоянию тракторного парка и не включает данные по новым с.-х. машинам, выбор режима эксплуатации производится механизаторами на интуитивном уровне, исходя из опыта работы и квалификации. Практика показывает, что при работе опытного механизатора погектарный расход топлива при прочих равных условиях на 12-20% ниже, чем у механизатора с низкой квалификацией. В связи с непрерывным увеличением стоимости дизельного топлива на первый план выходят экономические показатели эффективности работы МТА. Для обоснования наиболее экономически эффективного режима работы МТА в конкретных условиях эксплуатации необходимо провести анализ эксплуатационных факторов и определить степень их влияния на показатели эффективности работы. Основные показатели эффективности работы МТА: рабочая скорость Vр ; ширина захвата Вр ; часовая Wчас и сменная Wсм производительности; часовой Gчас , сменный Gсм и погектарный Gга расходы топлива. Обобщенный показатель экономической эффективности работы МТА - погектарный расход топлива Gга , л(кг)/га, который оценивается расходом топлива на единицу выполненной работы и определяется выражением: . (1) Критерий экономической эффективности работы МТА: Gга → min, что возможно при условии Gчас → min и Wчас → max. Часовой расход топлива определяется мощностью двигателя, затрачиваемой на выполнение определенной работы: , (2) где Ne - мощность двигателя, необходимая для выполнения определенной работы; ge - удельный расход топлива. ; , (3) где Ркр - сила тяги на крюке трактора; Vр - рабочая скорость движения агрегата. Следовательно, для снижения часового расхода топлива необходимо снижать силу тяги на крюке Ркр. Однако Ркр - полезная сила, необходимая для выполнения с.-х. операций, которая зависит от ширины захвата агрегата и удельного сопротивления почвы: Ркр = Вр τп , (4) где τп - удельное сопротивление почвы на единицу ширины захвата агрегата. Она реализуется через касательную силу тяги на ведущих колесах трактора: Ркр = Рк - G f , (5) где Рк - касательная сила тяги трактора; G - масса трактора; f - коэффициент сопротивления качению. Касательная сила тяги Рк определяется по выражению: , (6) где Мдв - крутящий момент двигателя, который определяется его регуляторной характеристикой и зависит от частоты вращения коленчатого вала; ηо - общий КПД трактора. Таким образом, . (7) Поскольку при выполнении определенной с.-х. операции в конкретных условиях эксплуатации G и f остаются практически постоянными величинами, выражение (7) можно представить в виде: , (8) где Ккр - коэффициент реализации силы тяги на крюке. Рабочая скорость Vр диктуется агротехническими требованиями на выполняемую операцию. Удельный расход топлива ge определяется регуляторной характеристикой двигателя и зависит от частоты вращения коленчатого вала, которая, в свою очередь, влияет на рабочую скорость агрегата: , (9) где nдв - частота вращения коленчатого вала двигателя; Rк - теоретический радиус колеса; iтр - передаточное отношение трансмиссии; ηδ - КПД буксования. Следовательно, . (10) Часовая производительность агрегата при прочих равных условиях определяется рабочей скоростью Vр и шириной захвата агрегатируемой машины Вр : Wчас = Vр Вр Кw , (11) где Кw - коэффициент перевода. Из выражения (11) следует, что для снижения погектарного расхода топлива необходимо увеличивать рабочую скорость Vр и ширину захвата Вр . Это противоречит выражениям (3) и (4), так как увеличение рабочей скорости и ширины захвата приводит к увеличению часового расхода топлива и силы тяги на крюке. Решив совместно выражения (10) и (11), получим аналитическую зависимость влияния эксплуатационных факторов на погектарный расход топлива: . (12) Факторы, входящие в данное выражение, можно разделить на постоянные, не изменяющиеся при выполнении конкретной технологической операции, и переменные. К постоянным факторам следует отнести тяговый КПД трактора ηо , теоретический радиус колеса Rт , КПД трансмиссии ηтр , коэффициент использования силы тяги на крюке Ккр ; к переменным факторам - крутящий момент двигателя Мдв , передаточное отношение трансмиссии iтр , удельный расход топлива gе , КПД буксования ηδ , ширину захвата агрегата Вр . Крутящий момент Мдв и удельный расход топлива gе - характеристики двигателя, имеющие функциональную зависимость от частоты вращения его коленчатого вала (рис. 1), которая устанавливается механизатором с учетом конкретных условий эксплуатации. Передаточное отношение трансмиссии iтр также устанавливается механизатором с учетом конкретных условий эксплуатации в рамках агротехнических требований на выполняемую операцию. КПД буксования ηδ зависит от ряда факторов, однако при прочих равных условиях - от силы тяги на крюке Ркр. Анализ тяговых характеристик отечественных тракторов [5] показывает, что в рабочем диапазоне силы тяги на крюке, необходимой для выполнения конкретной с.-х. операции, величина буксования изменяется незначительно. Следовательно, с известной долей погрешности в конкретных условиях эксплуатации ηδ можно рассматривать как постоянную величину: ηδ = const. Таким образом, выражение (12) принимает вид: Gга = Ка Мдв iтр ge , (13) где Ка - коэффициент индивидуальной характеристики агрегата. . (14) Для проверки адекватности полученной аналитической зависимости проведено расчетно-теоретическое обоснование с численной реализацией влияния эксплуатационных факторов на топливно-экономическую эффективность МТА. Для этого в выражение (12) были введены значения постоянных факторов, характерных для пахотного агрегата, состоящего из трактора К-701 с двигателем ЯМЗ-240Б и плуга ПЛН-9-35. На основании данных регуляторной характеристики двигателя Д-240 проведена аппроксимация (рис. 2) зависимостей ge = f(nдв) и Мдв = f(nдв). Определена вспомогательная функция Мдв ge = f(nдв), график которой представлен на рис. 3. Выражение (14) принимает вид: Gга = Ка nдв iтр . (15) В данном выражении nдв и iтр - независимые переменные управляемые факторы. На основании данных, полученных при расчетах в программе Excel, построена поверхность отклика (рис. 4) в функции погектарного расхода топлива от эксплуатационных факторов nдв и iтр, а также ее сечения (рис. 5). Анализ полученных графиков показывает, что: - полученные численные зависимости погектарного расхода топлива соответствуют фактическим величинам; - функция не имеет экстремума; - оба фактора значимы и оказывают существенное влияние на погектарный расход топлива; - с помощью вариации передаточного отношения iтр и частоты вращения коленчатого вала двигателя nдв можно получить минимальный расход топлива для конкретного случая эксплуатации МТА.

About the authors

Yu. A Kotsar

Saratov State Agrarian University

S. V Pluzhnikov

Saratov State Agrarian University

Email: aaa11152@yandex.ru

V. S Mavzovin

Saratov State Agrarian University

A. Yu Kharitonov

Saratov State Agrarian University

A. I Kadukhin

Saratov State Agrarian University

References

Supplementary files