На правах рукописи

Cерзин Иван Фёдорович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

КОРМОУБОРОЧНОГО АГРЕГАТА ПУТЕМ СОГЛАСОВАНИЯ РАБОТЫ

ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ МАШИН В СОСТАВЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Аллилуев Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Новиков Михаил Алексеевич кандидат технических наук, доцент Перекопский Александр Николаевич

Ведущая организация - Федеральное государственное учреждение СевероЗападная государственная зональная машиноиспытательная станция.

Защита диссертации состоится 14 июля 2011 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при Государственном научном учреждении СевероЗападный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу:

196625, Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3, корпус 1, ауд. 201, факс (812) 466-56-66, E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 9 июня 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ускорение процессов глобализации, происходящих во всем мире и предстоящее вступление России в ВТО приводят к усилению конкуренции на рынке продуктов питания, что неразрывно связано с необходимостью интенсификации АПК РФ, сокращения издержек и рационального использования ресурсов.

Молочное животноводство является основной отраслью, обеспечивающую финансовую устойчивость и возможность развития большинства сельхозпредприятий СевероЗападного региона. Эффективность молочного животноводства зависит от множества факторов, но в первую очередь – от наличия и состояния собственной кормовой базы.

В большинстве хозяйств Ленинградской области из-за низкого качества собственных недорогих кормов из трав в структуру рациона кормления молочного стада включена непропорционально большая доля концентрированных кормов, что приводит к росту издержек и себестоимости молока. Низкое качество кормов объясняется неоптимальными сроками заготовки и сверхнормативным использованием кормовых угодий.

Заготовка кормов в агросроки с минимальной себестоимостью может быть обеспечена лишь при рациональном техническом оснащении технологического процесса и эффективным использованием взаимодействующих машин в составе технологических комплексов. Технический ресурс на основе старой техники иссяк, сокращается трудовой ресурс на селе, поэтому сельхозтоваропроизводитель вынужден закупать высокопроизводительные машины, представленные на рынке в большом ассортименте. В связи с этим рациональный выбор технических средств в условиях сворачивания полномасштабных испытаний машин на МИС, недостатка современной методической и рекомендательной базы, является актуальной проблемой. Эффективность использования технологических комплексов взаимодействующих машин на заготовке кормов из трав зависит от использования возможностей производительности кормоуборочных агрегатов, поэтому их оценка и обеспечение реализации при выполнении технологических операций имеет научную и практическую ценность.

Цель исследований. Обеспечение максимальной пропускной способности кормоуборочного агрегата путем согласования работы взаимодействующих машин в составе технологического комплекса при выполнении операций заготовки силоса из провяленных трав.

Объекты исследований. Кормоуборочные агрегаты МТЗ - 1523 + FCT-1050 и КАТМ + FCT-1350.

Научная новизна исследований. Физический процесс работы кормоуборочного агрегата изучен методами теории подобия и анализа размерностей, выведены критерии подобия и установлены закономерности соотношения параметров подобных агрегатов и нагрузочных режимов их функционирования, позволяющие определить величину предельной пропускной способности агрегата, с учетом как конструктивных особенностей рабочих органов, так и мощностных возможностей силовой установки агрегата.

Получены критериальные уравнения процесса работы кормоуборочных агрегатов и условия (однозначности), обеспечивающие единственность их решения, что позволяет выделить подобные кормоуборочные агрегаты или нагрузочные режимы их работы из множества аналогичных.

Сформулированы условия обеспечения максимальной пропускной способности и поддержания производительности кормоуборочного агрегата, позволяющие произвести рациональное комплектование технологических комплексов и согласовать работу взаимодействующих машин при выполнении операций технологического процесса заготовки кормов.

Разработан принцип технического оснащения технологического процесса заготовки кормов в условиях рынка с привлечением подрядной организации, ресурсы которой выступают в качестве компенсатора возможного несоответствия земельного, технического и трудового ресурсов сельхозтоваропроизводителя.

Практическая значимость работы заключается в использовании результатов исследований для определения технических возможностей кормоуборочных агрегатов, выраженных предельной величиной пропускной способности рабочих органов при отсутствии данных полномасштабных испытаний техники на МИС, снижения себестоимости заготовки кормов за счет более полного использования возможностей производительности агрегатов на основе согласования работы взаимодействующих машин в составе технологического комплекса при выполнении операций технологического процесса заготовки кормов.

Выведенные критерии подобия и закономерности соотношения параметров подобных кормоуборочных агрегатов могут быть использованы для расчета конструктивных параметров модельного типоразмерного ряда подобных агрегатов при осуществлении проектной деятельности в конструкторских бюро машиностроительных заводов.

Апробация и реализация результатов исследования. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Экология и сельскохозяйственная техника» проводимых ГНУ СЗНИИМЭСХ в 2009 г.;

на международной научно-практической конференции проводимой РУП «Научнопрактический центр НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства» в 2009 г.; на курсах переподготовки и повышения квалификации кадров АПК ФГОУ «Академия менеджмента и агробизнеса Нечерноземной зоны Российской Федерации» в 2008 г. и ФГОУ «Вологодский институт переподготовки и повышения квалификации кадров агропромышленного комплекса» в 2007 г., на научной конференции профессорскопреподавательского состава СПбГАУ в 2010 и 2011 гг.

Результаты исследований опробованы и приняты к использованию в сельхозпредприятиях агрохолдинга ООО «ФАЭТОН–АГРО» Ленинградской области, СХПК «Племзавод Майский» Вологодской области, в научно-исследовательский и учебный процессы подготовки специалистов АПК.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов исследований кандидатских диссертаций, 2 свидетельства об отраслевой регистрации разработки, 4 свидетельства о регистрации электронного ресурса, 1 заявка на изобретение – рег. № 2010153452.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных литературных источников из наименований и приложений. Содержит 170 страниц, 26 таблиц, 31 рисунок и 12 приложений.

На защиту выносятся:

- критерии подобия кормоуборочных агрегатов и алгоритм их определения;

- закономерности соотношения параметров подобных кормоуборочных агрегатов и нагрузочных режимов их функционирования, являющиеся расчетными моделями определения предельной величины пропускной способности рабочих органов агрегатов;

- результаты анализа динамики и мощностного баланса тягово-приводного кормоуборочного агрегата в зависимости от скорости его движения;

- методика замеров тягово-мощностных показателей сельскохозяйственного агрегата при сложном силовом воздействии на него в полевых условиях с использованием виброакустического метода и мощностного баланса агрегата;

- результаты экспериментальных исследований работы кормоуборочных агрегатов;

- условия обеспечения максимальной пропускной способности и поддержания соответствующей производительности кормоуборочного агрегата при его работе в составе технологического комплекса взаимодействующих машин и принцип технического оснащения технологического процесса заготовки кормов в условиях рынка;

- технико-экономические показатели использования кормоуборочных агрегатов в зависимости от реализации пропускной способности в процессе эксплуатации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и положения, выносимые на защиту.

В первом разделе "Состояние вопроса и задачи исследований" раскрыта сущность проблемы, рассмотрены тенденции интенсификации кормопроизводства, показана необходимость прогнозирования и контроля использования производительности современных кормоуборочных машин в период эксплуатации и при формировании МТП.

Представлены существующие математические модели определения пропускной способности рабочих органов кормоуборочной машины и ее взаимосвязь с величиной производительности. Изложены принципы теории подобия и их применение в исследованиях сельскохозяйственных машин.

Существенный вклад в решение вопросов интенсификации кормопроизводства в условиях Северо-Запада России внесли работы В.С. Сечкина, В.Д. Попова, А.М. Валге, И.И. Летунова, Л.А.Сулимы, М.Ш. Ахмедова, В.Н. Суровцева и других ученых.

Основы расчета машинно-тракторных агрегатов и обоснования количественного и качественного состава МТП рассмотрены в работах В.П. Горячкина, Ю.К. Киртбая, Б.С.

Свирщевского, Б.А. Линтварева, И.П. Полканова, Р.Ш. Хабатова, С.А. Иофинова, М.Е.

Браславца, В.Д. Саклакова, Л.А. Агеева, В.А. Аллилуева, В.Г. Еникеева и многих других исследователей. Для практического использования результатов математического моделирования технической оснащенности кормопроизводства сельскохозяйственных предприятий необходимо получение обоснованных данных о производительности, надежности и других показателей современных кормоуборочных агрегатов.

Производительность кормоуборочного агрегата, которая является универсальным показателям эффективности его использования, выражается параметром пропускной способности, а логическая связь между ними описывается выражением:

где Wсм - производительность кормоуборочного агрегата за час сменного времеКА ни, т/ч; – коэффициент использования времени смены; Wчв - производительность кормоуборочного агрегата за час основного (чистого) времени его работы, т/ч; qТ – текущее (фактическое) значение пропускной способности кормоуборочного агрегата, кг/сек.

Анализ выражения (1) показывает, что для достижения максимальной величины производительности за час сменного времени, кормоуборочному агрегату при выполнении технологических операций необходимо работать с максимальной пропускной способностью его рабочих органов (исходя из надежности протекания технологического процесса) при минимальной потере времени смены.

Максимальная пропускная способность qmax, с которой кормоуборочный агрегат может работать без нарушения технологического процесса определяется выражением:

где qП–предельная величина пропускной способности кормоуборочного комбайна, зависящая от конструктивных особенностей рабочих органов и мощностных возможностей силовой установки агрегата, вида и состояния убираемой кормовой культуры, кг/с;

- коэффициент, учитывающий степень неравномерности нагрузки на рабочих органах сельскохозяйственной машины в зависимости от вариации урожайности кормовой культуры.

Разница между максимальным значением пропускной способности qmax и значением пропускной способности qТ с которой работает агрегат в текущий момент времени и определяет показатель, эффективности его использования:

Эффективное использование кормоуборочного агрегата осуществляется в условиях, когда q min. Таким образом, максимальная пропускная способность кормоуборочного агрегата является критерием согласования работы взаимодействующих машин в составе технологического комплекса, так как необходимо, чтобы ее величина при выполнении операций технологического процесса реализовывалась полностью.

Существующие математические модели определения предельной величины пропускной способности кормоуборочной машины обладают одним недостатком: они разработаны при допущении априори достаточности мощности двигателя, реализуемой на привод и работу рабочих органов и учитывают лишь их конструктивные особенности, поэтому имеют ограничения в применении. Определить предельную величину пропускной способности кормоуборочного агрегата с учетом мощностных возможностей двигателя на уборке различных кормовых культур можно путем испытаний машин на МИС, однако, из-за отсутствия соответствующей программы на законодательном уровне провести полномасштабные испытания всей техники представленной на рынке практически невозможно. Выход из этой ситуации можно найти при моделировании процесса работы кормоуборочного агрегата с использованием принципов теории подобия и анализа размерностей.

Основы теории подобия, анализа размерностей и моделирования изложены в работах М.В. Кирпичева, П.У. Бриджмена, П.К. Конакова, А.А. Гухмана, В.А. Веникова, Л.И. Седова, П.М. Алабужева, А.Н. Лебедева и других ученых. Исследования сельскохозяйственных машин с использованием положений теории подобия отражены в работах В. П. Горячкина, Н.Д. Лучинского, А.Д. Логина, В.А.Сысуева, Э.В. Жалнина, Р.М.

Махароблидзе, Ю.В. Чигарева, В.Н. Гутмана и других исследователей.

На основе материалов, изложенных в первом разделе работы, сформированы следующие задачи исследований:

1. Изучить процесс работы кормоуборочного агрегата методами теории подобия и анализа размерностей и разработать расчетную модель зависимости пропускной способности питающе-измельчающего аппарата от конструктивных и мощностных параметров агрегата, пригодную в условиях ограниченных испытаний техники;

2. Спланировать и провести двухмодельный полевой эксперимент работы кормоуборочных агрегатов для получения и обработки опытных данных в критериальной форме;

3. Установить реализацию пропускной способности кормоуборочных агрегатов при выполнении операций технологического процесса заготовки силоса из провяленных трав в условиях рядовой эксплуатации;

4. Сформулировать условия, позволяющие произвести рациональное комплектование и эффективное использование технологических комплексов на базе кормоуборочных агрегатов различной пропускной способности, и принцип технического оснащения технологического процесса заготовки кормов сельхозтоваропроизводителя в условиях рынка;

5. Провести производственную проверку и определить экономическую эффективность использования результатов исследований на практике.

Во втором разделе "Теоретические предпосылки повышения эффективности использования кормоуборочного агрегата" изложены исследования физического процесса работы кормоуборочного агрегата методами теории подобия, анализ динамики и изменения мощностного баланса двигателя в зависимости от скорости движения тяговоприводного кормоуборочного агрегата, представлены условия обеспечения максимальной пропускной способности и поддержания соответствующей производительности кормоуборочного агрегата при его работе в составе технологического комплекса.

Физический процесс работы кормоуборочного агрегата, описываемый конструктивными параметрами рабочих органов и мощностными возможностями двигателя в общем виде представляется уравнением:

где Nприв - мощность двигателя, идущая на привод и работу рабочих органов сельскохозяйственной машины, Вт; S п –площадь приемной горловины питающего аппарата, м2; – плотность растительного материала, спрессованного вальцами питающего аппарата при прохождении приемной горловины, кг/м3; i – угловая скорость вращения измельчающего барабана, сек-1; Lр – длина резки растительного материала, м; Dц – диаметр измельчающего барабана, м.

Функциональная зависимость (4) между характеризующими процесс работы кормоуборочного агрегата параметрами может быть представлена в виде зависимости между составленными из них критериями подобия (П-теорема):

где П1, П2, П3, …, П К – безразмерные критерии подобия кормоуборочного агрегаП та; КП – количество безразмерных критериев подобия.

Вывод критериев подобия во всех формах записи для системы n параметров, входящих в уравнение (4) на основе механизма анализа размерностей и П-теоремы реализован по разработанному алгоритму, блок-схема которого приведена на рис.1.

Проведенный анализ выведенных критериев подобия дал возможность принять форму записи пригодную для дальнейших исследований:

Критерии подобия (6) отражают физический смысл изучаемого процесса работы кормоуборочного агрегата: П1 - критерий подобия, характеризует расход мощности силовой установки агрегата на единицу производительности (показатель энергоемкости процесса измельчения растительного материала); П2 - критерий подобия, характеризует расход мощности силовой установки агрегата в зависимости от нагрузки в измельчающем аппарате при соответствующей длине резки; П3 – безразмерный симплекс подобия (параметрический критерий), характеризующий геометрическое подобие рабочих органов кормоуборочного агрегата.

Выразить размерности параметров Выделить количество КПЕ первичных едиFП= n g k ниц измерения КПЕ КПЕmax= определителей i... С порядка g-k составленных из матрицы А Составить и вычислить определители Определить ранг r матрицы А и количество независимых между собой параметров КРi в сисконец Для подобных кормоуборочных агрегатов или нагрузочных режимов их работы из свойства равенства численных значений одноименных критериев (Пj = idem) можно записать следующие соотношения:

где М - индекс при критериях подобия относящихся к кормоуборочному агрегату, принятому за «модель»; О - индекс при критериях подобия, относящихся к подобному «модели» агрегату, принятому за «оригинал»; Т- индекс при текущих параметрах кормоуборочного агрегата, замеренных в полевых условиях при текущем нагрузочном режиме его работы; П - индекс при параметрах агрегата, характеризующих предельный нагрузочный режим его функционирования.

При переходе к физическим параметрам агрегата соотношения (7) преобразовываются в следующие выражения: L рО Теория подобия трактует выражения (8) и (9) как закономерности соотношения параметров подобных кормоуборочных агрегатов (подобия исследуемого процесса), которые являются расчетными моделями определения предельной величины пропускной способности подобных кормоуборочных агрегатов. При этом используются экспериментальные данные испытания одного агрегата из типоразмерного ряда машин, условно принятого за "модель" при одном текущем нагрузочном режиме его работы и обеспечивается учет мощностных возможностей силовой установки агрегата.

Потенциальные мощностные возможности, реализуемые на привод и работу рабочих органов Nприв, численные значения которых используются для практических расчетов по закономерностям (8) или (9), оцениваются составлением мощностного баланса силовой установки агрегата в скоростном диапазоне работы сельскохозяйственной машины. Основной режим работы кормоуборочного агрегата на подборе валков - установившееся движение при полной подаче топлива на любой из передач р трансмиссии трактора. Для оценки составляющих мощностного баланса определены силы, действующие в тягово-приводном кормоуборочном агрегате при выполнении операции технологического процесса заготовки силоса из провяленных трав (рис. 2).

Потенциальные мощностные возможности, которые могут быть реализованы через ВОМ трактора на привод и работу рабочих органов тягово-приводного кормоуборочного агрегата при загрузке двигателя соответствующей устойчивому протеканию технологического процесса оцениваются по формуле:

где вом – к.п.д трансмиссии ВОМ трактора, характеризующий потери эффективной мощности двигателя при ее передаче на ВОМ; эз - коэффициент эксплуатационной загрузки тракторного двигателя, характеризующийся резервированием части эффективной мощности на преодоление пиковых сил сопротивления; Nеном – номинальная мощp ность, развиваемая двигателем трактора, кВт. Nепер.агр - доля эффективной мощности двигателя, затрачиваемая на перемещение агрегата по полю, кВт; Nеприв - доля эффективной мощности двигателя, реализуемая через ВОМ трактора на привод и работу рабочих органах кормоуборочного агрегата, кВт.

Рис. 2 - Схема сил, действующих в тягово-приводном кормоуборочном агрегате Мощностной баланс, согласно формуле (10) можно представить в виде графической модели (рис.3), показывающей изменение затрат эффективной мощности кВт Рис. 3 - Мощностной баланс кормоуборочного альных мощностных возможностей сидвигателя соответствующей устойчивому протеловой установки кормоуборочного агреканию технологического процесса (фон – стерня многолетних бобовых трав, гата, определении значения предельной величины пропускной способности агрегата и обоснования скоростного режима работы сельскохозяйственной машины.

Эффективное использование кормоуборочного агрегата зависит от организации работы не только его самого, но и от согласования работы взаимодействующих машин в составе технологического комплекса, комплектование и использование которого предлагается осуществлять с учетом условий:

1 Условие обеспечения максимальной пропускной способности кормоуборочного агрегата при выполнении технологической операции где Vагр – скорость движения агрегата, ограниченная мощностными возможностями силовой установки (см. рис.3), км/ч; Мв – линейная плотность валка растительного материала, подбираемого кормоуборочным агрегатом, которую необходимо обеспечить звену кошения и формирования валка технологического комплекса независимо от урожайности кормовой культуры, кг/м.

2 Условие поддержания производительности кормоуборочного агрегата при работе взаимодействующих машин в составе технологического комплекса где Wчв, Wчв.тр, Wчв.хр - производительность за час основного (чистого) времени работы технических средств соответственно звена кошения и формирования валка, транспортного звена, звена закладки измельченной растительной массы на хранение, га/ч, т/ч; Ур – урожайность кормовой культуры, т/га; kпр - коэффициент снижения массы скошенного растительного материала в связи с его провяливанием до необходимой влажности; tпр – время провяливания растительного материала, зависящее от погодных условий в период заготовки кормов и исходной влажности травостоя, ч.

Количество технических средств в составе звеньев технологического комплекса определяется исходя из условия (12) с учетом «жесткой» связи с основной машиной, которой является кормоуборочный агрегат:

Звено кошения и формирования где Wч.в (1) ;Wч.в (1) ;Wч.в (1) - производительность одного технического средства за час основного (чистого) времени работы соответственно звена кошения и формирования валка, транспортного звена, звена закладки растительной массы на хранение, га/ч, т/ч;

gтр - грузоподъемность транспортного средства, т; Кгр - коэффициент использования грузоподъемности транспортного средства; Rтр – расстояние транспортировки, км; VP, VX - скорость движения транспортного средства с грузом и без груза, км/ч; К – коэффициент, характеризующий затраты времени на 1 т груза, связанный с погрузоразгрузочными операциями.

Марочный состав звеньев технологического комплекса уточняется (оптимизируется) на основании технико-экономических расчетов т.е.:

Звено кошения и формирования где С уд ( М В ) - величина удельных затрат работы машин звена кошения и формирования валка (при формировании валка линейной плотностью МВ (из условия (11)), руб/га; С уд ( Rтр ) - величина удельных затрат работы транспортных средств, обслужиз. хр вающих кормоуборочный агрегат, руб/т; С уд - величина удельных затрат работы технических средств звена закладки растительного материала на хранение, руб/т.

Поддержание производительности кормоуборочного агрегата в составе технологического комплекса требует соответствия его технических возможностей земельному ресурсу сельхозтоваропроизводителя. Поэтому, к формированию технического ресурса предлагается подходить с позиций экономического критерия – изменения удельных затрат производства единицы сельхозпродукции от размеров обслуживаемого земельного ресурса и принципа выигрыша в себестоимости при различных вариантах технического оснащения технологического процесса производства сельскохозяйственной продукции.

Для этого разрабатывается для каждого технологического комплекса техникоэкономическая характеристика его использования в координатах себестоимость производства единицы сельскохозяйственной продукции (С) – величина обслуживаемого земельного ресурса (S), с целью нахождения на полученной графической модели минимальной величины удельных затрат и соответствующее им значение обслуживаемой площади или через урожайность кормовой культуры объема заготовленного корма (рис.4).

Судхоз –себестоимость заготовки одной кормовой единицы в тонне кормов при обслуживании площади землеиспользования сельхозтоваропроизводителя i-м технологическим комплексом, руб/ к.е.т (руб/т); Судагр–величина удельных затрат, достигнутых в момент наступления времени окончания агросрока, руб/ к.е.т (руб/т); Судmin – минимальное значение величины удельных затрат, характеризующее оптимальные параметры работы i-го технологического комплекса, руб/ к.е.т (руб/т);

СудхозS – величина удельных затрат при обслуживании земельного ресурса, необработанного в рамках агросрока, руб/к.е.т (руб/т); СМТС – цена услуги сервисного предприятия, руб/ к.е.т (руб/т) ; Sгаагр– величина площади землеиспользования сельхозтоваропроизводителя, обслуженная по окончании агросрока, га; Sгахоз – величина общей площади землеиспользования сельхозтоваропроизводителя, га; ±S – величина площади, не обслуженная за время агросрока или величина площади, Рис. 4 – Схема, иллюстрирующая принцип технического оснащения технологического процесса производства сельскохозяйственной продукции в рыночных условиях.

Имея оценочные характеристики использования технологических комплексов, сопоставляется величина земельного ресурса сельхозтоваропроизводителя с возможностями машин в рамках агротехнических сроков. Выявляется величина (доля) S земельного ресурса, которую не может эффективно обработать подобранный по минимуму себестоимости имеющийся состав технологических комплексов. Создается ситуация:

покупать еще один технологический комплекс, который может быть не загружен до величины минимального значения его удельных затрат, или обратиться к сервисному формированию за услугой обработать земельный ресурс величиной S, если цена его услуги будет меньше, чем себестоимость продукции при покупке и использовании собственной дополнительной техники.

В третьем разделе "Методика экспериментальных исследований" описаны программа и объекты исследований, общая и частные методики экспериментальных исследований, обработки опытных данных, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.

В качестве объектов исследований приняты современные кормоуборочные агрегаты на базе прицепных комбайнов модельного ряда FCT фирмы JF-STOLL - МТЗ-1523 + FCT-1050 и К-3180 АТМ + FCT-1350.

Общей методикой экспериментальных исследований предусматривается проведение стендовых испытаний и двухмодельных полевых экспериментов, хронографии рабочей смены и производственной проверки теоретических предпосылок.

В методике двухмодельных полевых экспериментов определены план и порядок проведения опытов для получения и обработки экспериментальных данных в критериальной форме. Планирование экспериментов осуществлено для двухфакторной раздельной зависимости П1 = f (П2; П3) для чего задавались дискретно и фиксировались для каждой серии опытов значения одного фактора - критерия подобия П3 и находились значения другого критерия П1 в зависимости от изменения только одного критерия П2. Нагрузочный режим работы кормоуборочного агрегата воспроизводился различной скоростью его движения при подборе валка фиксированной линейной плотности. Двухмодельные полевые исследования проведены на уборке многолетних бобовых трав (клевер луговой) влажностью 60-70 %, многолетних злаковых трав (тимофеевка луговая) влажностью 55однолетних бобовых трав (люцерна луговская 67) влажностью 70-80%.

Для определения мощностных показателей трактора при работе кормоуборочного агрегата показан порядок замера и оценки мощности двигателя, реализуемой на привод и работу рабочих органов агрегата, с использованием мощностного баланса и виброакустического метода. Для чего проводились стендовые испытания тракторов на тормозной установке согласно ГОСТ 30747-2001 "Тракторы сельскохозяйственные. Определение показателей при испытаниях через вал отбора мощности", при которых одновременно со снятием регуляторной характеристики дизеля n=f(Ne) строились тарировочные характеристики зависимости параметров вибрации, формируемой рабочим процессом в цилиндрах от реализуемой двигателем эффективной мощности для преодоления нагрузки на коленчатом валу.

Для сравнения реализации пропускной способности кормоуборочных агрегатов, характеризующей возможности их производительности в условиях эксплуатации, разработана методика хронографии рабочей смены и производственной проверки теоретических предпосылок, где описан порядок организации постов наблюдения, регистрации режимов работы и оценки показателей использования кормоуборочных машин и параметров их взаимодействия с учетом передачи продукции от звена к звену технологического комплекса при выполнении технологического процесса.

Контрольно-измерительная аппаратура выбрана с учетом поставленных задач и включает: испытательный стенд DYNAS LI 350 "HORIBA", виброанализатор СД-21, вибропреобразователи AP28, оптический датчик оборотов ФД-2, секундомеры СОСпрб, динамометр ДПУ – 0,02 – 2, дальномер лазерный, измеритель влажности зеленой массы WILE - 25, оптический нивелир АТ-20D, весы автомобильные, ПЭВМ, цифровой фотоаппарат, вешки и другое вспомогательное оборудование и аппаратура.

Анализ и визуализация виброизмерительной информации проводилась на ПЭВМ в пакете программ "DREAM for Windows". Учитывая вероятностный характер опытных данных, производилась их обработка методами математической статистики с использованием приложения StatPlus 2009. При определении вида критериального уравнения, выражающего эмпирическую зависимость между определяющими процесс работы агрегата параметрами через критерии подобия, использован графоаналитический метод с привлечением основ номографии, графических и расчетных возможностей приложения Excel Microsoft Office.

Наблюдения, полевые эксперименты и производственная проверка проводилась в сельскохозяйственных предприятиях ОАО "Верево" Гатчинского района и ОАО "Остроговицы" Волосовского района Ленинградской области. Стендовые испытания и тарировка виброизмерительной аппаратуры проводились на Испытательной станции ПО "Минский тракторный завод" г. Минск.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований и приведен их анализ.

Анализ амплитудно-частотной характеристики вибрации, регистрируемой виброаппаратурой при проведении стендовых испытаний, показал, что основная информация о протекании рабочего процесса в цилиндрах двигателя, от которого зависит реализуемая мощность, содержится в частотном диапазоне 2 – 6 кГц на такте рабочего хода рабочего цикла двигателя. Построены тарировочные графики зависимости максимальной амплитуды виброускорения Аmax от реализуемой двигателем эффективной мощности Ne для преодоления нагрузки на коленчатом валу (рис. 5).

амплитуды виброускорения Аmax (м/с2) от реали- стояние объектов исследований при позуемой двигателем Д-260.9 трактора К-3180 АТМ левых экспериментах.

эффективной мощности Ne (кВт) для преодоления На рисунке 6 показано изменение нагрузки на коленчатом валу максимальной амплитуды вибрации при различной нагрузке в измельчающем аппарате кормоуборочного агрегата.

а) nдв=2196 об/мин (36,61 Гц), Мв = 14,13 кг/м, Vагр = 4,94 км/ч, ( S п ) = 48,51 кг/м/, б) nдв=2124 об/мин (35,41 Гц), Мв = 14,13 кг/м, Vагр = 6,94 км/ч, ( S п ) = 70,40 кг/м/, Рис. 6 - Изменение максимальной амплитуды вибрации Аmax (м/с2), в спектре частот 2-6 кГц, регистрируемой с болта крепления головки блока цилиндров двигателя Д-260.9 при различной нагрузке ( S п ) (кг/м) в измельчающем аппарате кормоуборочного агрегата К-3180АТМ + FCT-1350 при Lp = Мощность двигателя, отбираемая через ВОМ трактора на привод и работу рабочих органов кормоуборочного агрегата определена при помощи мощностного баланса агрегата и полученных тарировочных зависимостей (15) и (16), путем замера и оценки разницы между мощностью двигателя агрегата, реализуемой на все энергопоглащающие процессы при выполнении рабочей операции и мощностью, реализуемой на перемещение агрегата без выполнения рабочей операции.

По полученным данным двухмодельного полевого эксперимента построены графики зависимости мощности силовой установки, отбираемой на привод и работу рабочих органов каждого из агрегатов: от реализуемой пропускной способности (рис. 7); от нагрузки на рабочих органах (рис. 8) при различной длине резки растительного материала, числа рядов ножей измельчающего барабана и вида убираемой кормовой культуры.

а) К-3180АТМ + FCT-1350 при Lp = 15 мм и z=6; б) МТЗ-1523 + FCT-1050 при Lp = 16,5 мм и z= Рис. 7 - Зависимости мощности силовой установки, отбираемой на привод и работу рабочих органов кормоуборочных агрегатов от реализуемой пропускной способности рабочих органов при уборке однолетних бобовых трав а) К-3180АТМ + FCT-1350 при Lp = 15 мм и z=6; б) МТЗ-1523 + FCT-1050 при Lp = 16,5 мм и z= Рис. 8 - Зависимости мощности силовой установки, отбираемой на привод и работу рабочих органов кормоуборочных агрегатов от нагрузки на них при уборке однолетних бобовых трав.

Так как сходственные функции отличаются только численными значениями аргументов (коэффициентов регрессии), то полученные зависимости, представленные на рисунках 7 и 8 для исследуемых кормоуборочных агрегатов сходственны (аналогичны), что позволяет перейти к важнейшему признаку подобия, сходственности математического описания процесса работы агрегата, обеспечивающему строгий пересчет данных «модели» в данные «оригинала» или нагрузочных режимов работы агрегата.

Математическое описание процесса работы кормоуборочного агрегата в виде критериального уравнения для обоих исследуемых агрегатов определено при помощи графоаналитического метода, для чего по данным двухмодельного полевого эксперимента, представленного в критериальной форме, строились семейства кривых в равномерных и логарифмических координатах (рис. 9 и рис. 10).

Рис. 9 - Семейства кривых по критерию П3 с применением равномерных и логарифмических шкал по данным полевых исследований работы кормоуборочного агрегата К-3180 АТМ+FCT- Анализ кривых показал, что для исследуемых агрегатов одного конструктивного исполнения рабочих органов математическое описание процесса их работы описывается кривыми одинаковой формы, т.е. сходственно и представляется степенной зависимостью:

Значения степеней m=1 n=1 зависимости (17) определены по графикам, путем оценки тангенса угла наклона кривых.

Величина коэффициента а критериального уравнения (17) определена для ряда значений опытных данных и составила для обоих исследуемых агрегатов:

- при стандартной комплектации, когда число рядов ножей по окружности измельчающего барабана равно шести, т.е. z=6 – а = 0,9554;

- при каждом втором снятом ряде ножей, т.е. z=3 - а = 0, Рис. 10 - Семейства кривых по критерию П3 с применением равномерных и логарифмических шкал по данным полевых исследований работы кормоуборочного агрегата МТЗ-1523 + FCT- Тогда при переходе к определяющим процесс работы кормоуборочного агрегата параметрам критериальное уравнение (17) примет вид:

Адекватность критериального уравнения (18) и (19) процессу работы кормоуборочного агрегата проверено при помощи критерия Фишера. Так для нагрузочных режимов работы кормоуборочного агрегата К-3180 АТМ + FCT-1350 на уборке однолетних бобовых трав при Lp=15 мм и z=6, расчетное значение критерия Фишера равно Fоп = 3,52, что меньше табличного значения Fт f1 8, f 2 3, 0,05) 4,1, т.е. гипотезу об адекватности критериального уравнения (18) процессу работы агрегата принимаем.

Равенство одноименных критериев подобия (Пj =idem) кормоуборочных агрегатов или нагрузочных режимов их работы с ошибкой не более 5 % выполняется при условиях (однозначности), обеспечивающих единственность решения критериального уравнения (18) или (19), к которым относятся: пропорциональность геометрических размеров (SпM ~ SпO, SпТ ~ SпП,, DцМ = DцМ, DцТ = DцП), идентичность конструкции и работы (процесса подачи и резания растительного материала) питающего и измельчающего аппаратов кормоуборочных агрегатов; одинаковая длина резки растительного материала (LpM = LpO, LpТ = LpП); одинаковое количество рядов ножей по окружности измельчающего барабана (zM = zO, zТ = zП); одинаковый вид и состояние убираемой кормовой культуры (М=О, Т=П).

Согласно третьей теоремы подобия - теоремы Кирпичева – Гухмана сходственность функций, содержащихся в математическом описании, сходственность самого математического описания процесса работы исследуемых агрегатов и соблюдение условий однозначности является необходимым и достаточным признаком подобия уборочных машин и нагрузочных режимов их функционирования, а, следовательно, выведенные аналитическим путем закономерности (8) и (9) можно использовать для практических расчетов.

Наблюдения за работой кормоуборочных агрегатов в условиях рядовой эксплуатации позволили определить: время загрузки транспортных средств разной грузовместимости; массу измельченного растительного материала в кузове транспортных средств;

время взаимообусловленных простоев агрегатов и транспортных средств; время, затрачиваемое на совершение поворотов и переездов техники; время, затрачиваемое на устранение технических и технологических отказов и т.д. Данные наблюдений обработаны методами математической статистики, определены вероятностно-статистические характеристики, произведена оценка реализации пропускной способности рабочих органов кормоуборочных агрегатов и их производительность за час основного (чистого) и сменного времени (табл. 1).

Табл. 1 – Показатели работы кормоуборочных агрегатов на уборке различных кормовых культур В пятом разделе "Эффективность использования результатов исследований" представлены данные производственной проверки (табл. 2), проведена техникоэкономическая оценка (в ценах 2010 г) использования кормоуборочного агрегата при различной реализации пропускной способности рабочих органов (рис. 11).

Табл. 2 – Показатели работы кормоуборочного агрегата К-3180 АТМ + FCT-1350 при производственной проверке результатов исследований Основной экономический эффект достигается за счет более полного использования возможностей производительности кормоуборочных агрегатов, выраженных максимальной величиной пропускной способности рабочих органов для чего сравнивались данные работы кормоуборочных агрегатов в условиях рядовой эксплуатации (табл. 1) и производственной проверки использования результатов исследований (табл. 2). Результаты расчета экономической эффективности отражены в выводах.

измельченного растительного материала, получаемой при работе кормоуборочного агрегата КАТМ + FCT-1350 в зависимости от различной величины реализации его пропускной способности (заготовка силоса из однолетних бобовых трав, длина резки Lp=15 мм, z=6, 1 Процесс работы кормоуборочного агрегата изучен методами теории подобия и анализа размерностей, что позволило по разработанному алгоритму (рис.1) выявить взаимосвязь между параметрами исследуемого процесса в относительной безразмерной форме в виде критериев подобия (6). Выведены закономерности (8) и (9), позволяющие определить значение предельной величины пропускной способности подобных агрегатов на уборке различных кормовых культур с учетом, как конструктивных особенностей рабочих органов, так и мощностных параметров агрегата. Закономерности (8) и (9) пригодны в условиях ограниченных испытаний техники, так как для их практического использовании требуется получить экспериментальные данные работы только одного кормоуборочного агрегата из модельного ряда подобных машин при одном текущем нагрузочном режиме.

2 Спланирован и проведен двухмодельный полевой эксперимент исследования процесса работы кормоуборочных агрегатов в одинаковых условиях, по данным которого получено математическое описание процесса работы агрегата в виде критериального уравнения, которое для исследуемых машин сходственно и представляется степенными зависимостями (18) и (19). Подтверждена адекватность критериальных уравнений (18) и (19) процессу работы кормоуборочного агрегата. Найдены условия (однозначности), обеспечивающие равенство одноименных критериев подобия с ошибкой не более 5 %, при соблюдении которых, закономерности (8) и (9) можно использовать для практических расчетов предельной величины пропускной способности подобных кормоуборочных агрегатов.

3 Составлен мощностной баланс кормоуборочного агрегата и показано его изменение в зависимости от скорости движения сельскохозяйственной машины при выполнении рабочей операции (рис.3). Для кормоуборочного агрегата К-3180 АТМ + FCT- на уборке однолетних бобовых трав при Lp= 15 мм и z=6 для реализации предельной пропускной способности рабочих органов, ограниченной максимально возможной натреб.

грузкой ( S п ) = 87,68 кг/м требуется N привП =107,76 кВт, а потенциальные мощностные возможности двигателя, которые могут быть реализованы на привод и работу рабочих органов агрегата на второй пониженной передачи трансмиссии трактора равны NепривП =99,68 кВт, в результате чего, из-за недостатка мощности двигателя, величина предельной пропускной способности рабочих органов, а, следовательно, и производительность агрегата ограничена его мощностными возможностями. Скоростной режим работы кормоуборочного агрегата в свою очередь ограничен 3,99 км/ч.

4 Сформулированы условия (11), (12) обеспечения максимальной пропускной способности и поддержания соответствующей производительности кормоуборочного агрегата, позволяющие произвести рациональное комплектование технологических комплексов и согласовать работу взаимодействующих машин при выполнении операций заготовки кормов. Так при уборке на силос однолетних бобовых трав при Lp= 15 мм и z=6 величина предельной пропускной способности рабочих органов агрегата К- АТМ + FCT-1350, ограниченная мощностными возможностями двигателя, равна qП = 30,34 кг/с, максимальная пропускная способность, с которой агрегат может работать без нарушения технологического процесса при =0,93 ( Vвар = 3,58 %, Р(х) = 0,95), равна qmax = 28,21 кг/с. Для обеспечения qmax из условия (11) необходимо сформировать валок линейной плотностью Мв = 25,45 кг/м, что возможно при урожайности кормовой культуры Ур = 15 т/га при формировании валка с 16 м ширины участка поля, при Ур = 25 т/га – 10 м, …, при Ур = 50 т/га – 5 м, следовательно, звено кошения и формирования валка технологического комплекса должно быть трансформируемым, так же как и транспортное звено в зависимости от природно-производственных условий сельхозтоваропроизводителя.

5 Предложен принцип (рис.4) принятия сельхозтоваропроизводителем решения о техническом оснащении технологического процесса производства продукции в рыночных условиях с привлечением сервисного подрядного предприятия, ресурсы которого становятся компенсатором возможного несоответствия земельного, технического и трудового ресурсов сельхозтоваропроизводителя.

6 Проведены наблюдения и выполнен анализ данных работы кормоуборочных агрегатов на заготовке силоса из провяленных трав в условиях рядовой эксплуатации, который показал, что их технические возможности, выраженные предельной величиной пропускной способности рабочих органов, например для агрегата К-3180 АТМ + FCTтабл. 1 и табл. 2), реализуются лишь на 51 – 69 % в зависимости от вида убираемой кормовой культуры, качества земельного ресурса, практического опыта согласования работы взаимодействующих машин менеджментом сельхозпредприятия, а сама реализация носит неуправляемый характер.

7 Пригодность результатов исследований для практических расчетов технических возможностей кормоуборочных агрегатов, комплектования и организации их эффективной работы в составе технологических комплексов при выполнении операций процесса заготовки силоса из провяленных трав подтверждается производственной проверкой (табл. 2). Увеличение реализации пропускной способности рабочих органов агрегата К-3180 АТМ + FCT-1350 по сравнению с данными работы уборочных машин в условиях рядовой эксплуатации (табл. 1) при уборке на силос составило: многолетних бобовых трав -56,8 %; многолетних злаковых трав – 80,8 %; однолетних бобовых трав Основной экономический эффект от использования результатов исследований на практике по сравнению с данными работы машин в условиях рядовой эксплуатации для кормоуборочного агрегата К-3180 АТМ + FCT-1350 при уборке на силос составляет:

многолетних бобовых трав - 43,77 руб/т, многолетних злаковых трав – 84,48 руб/т, однолетних бобовых трав – 20,41 руб/т. При объеме заготовки силоса 10000 т экономический эффект соответственно составит: из многолетних бобовых трав – 437700 руб, из многолетних злаковых трав – 844800 руб, из однолетних бобовых трав – 204100 руб Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М., Мотовило В.А. Повышение эффективности использования технологического комплекса на заготовке кормов из трав в ОАО «Верево»

[Текст] / И.Ф. Серзин, Г.М. Арсеньев, В.А. Мотовило // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. /ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. – СПб., 2007. – Вып. 80. – С.56-66. – ISSN 0131-5226.

2 Серзин И.Ф. К вопросу оценки мощностных показателей автотракторных двигателей виброакустическим методом при установке преобразователя на шпильку крепления головки блока [Текст] //Вклад молодых ученых в развитие науки: Сборник материалов III научно-практической конференции - Великие Луки: РИО ВГСХА, 2008.- С.

216-220.

3 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Метод определения параметров кормоуборочных агрегатов с помощью теории подобия [Текст] / И.Ф. Серзин, Г.М. Арсеньев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2009. - №10. – С.36-37.

4 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Определение пропускной способности кормоуборочного агрегата с использованием основных принципов теория подобия [Текст] / И.Ф.

Серзин, Г.М. Арсеньев // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Минск., 2009. – Т.3 – С.35-40.

5 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Моделирование работы кормоуборочного агрегата [Текст] / И.Ф. Серзин, Г.М. Арсеньев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. - №8. – С.12-14.

6 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Определение мощностных показателей трактора в тягово-приводном агрегате [Текст] / И.Ф. Серзин, Г.М. Арсеньев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2010. - №5. - С.21-23.

7 Серзин И.Ф. Оценка мощностных показателей трактора в тягово-приводном кормоуборочном агрегате при определении его пропускной способности [Текст] // Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава. сб. науч. тр.

/ СПбГАУ. – СПб., 2010. – С.228-232.

8 Арсеньев Г.М., Серзин И.Ф. Эффективность взаимодействия товаропроизводителя и сервисного предприятия [Текст] / Г.М. Арсеньев, И.Ф. Серзин // Сельский механизатор. – 2010. - №12. – С.12 – 13.

9 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Энергетический баланс кормоуборочного агрегата [Текст] / И.Ф. Серзин, Г.М. Арсеньев // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр.

/ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. – СПб., 2010. – Вып. 82. – С.24-36.

10 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Пропускная способность кормоуборочного агрегата и математические модели ее определения [Текст] / И.Ф. Серзин, Г.М. Арсеньев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2011. - №4. – С.36-38.

11 Серзин И.Ф. Вывод критериев подобия работы кормоуборочных агрегатов [Текст] // Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава.

сб. науч. тр. / СПбГАУ. – СПб., 2011. – С.357 – 361.

12 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Алгоритм определения безразмерных критериев подобия кормоуборочных комбайнов при их эксплуатации в технологическом процессе заготовки кормов из трав. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №11646 от 20 октября 2008 г.

13 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Алгоритм определения рационального марочного и количественного состава технологического комплекса на заготовке растительного продукта- силоса из провяленной травы. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №11647 от 20 октября 2008 г.

14 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М., Тихомиров Н.С. Алгоритм техникоэкономической оценки и выбора кормоуборочных технологических комплексов сельскохозяйственным товаропроизводителем и обоснования доли участия предприятий инженерно-технологического обеспечения при производстве сельскохозяйственной продукции. ОФЭРНиО. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №14208 от 2 сентября 2009 г.

15 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Автоматизированная система расчета технологических комплексов и параметров их эффективного использования на базе электронных таблиц «Excel». ОФЭРНиО. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №16158 от 6 сентября 2010 г.

16 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Методология формирования сервисных предприятий по производственному обслуживанию сельхозтоваропроизводителей.

ОФЭРНиО. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №16359 от 8 ноября 2010 г.

17 Серзин И.Ф., Арсеньев Г.М. Методика технико-экономического обоснования выбора и расчета необходимого количества транспортных средств на заготовке кормов. ОФЭРНиО. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №16358 от 8 ноября 2010 г.

Санкт-Петербург-Павловск, пос. Тярлево, Фильтровское шоссе, д.