Analysis of Energy Consumption during Plowing Using a Motor-Block with Moldboard Plow

Full Text

Введение

Зяблевая вспашка почвы широко применяется в процессе возделывания сельскохозяйственных культур на фермерских и личных подсобных хозяйствах, обеспечивая оптимальные условия для их наилучшего развития и роста. Проведение данного мероприятия, согласно агротехническим требованиям [1; 2], должно строго выполняться в летне-осенний период и способствовать накоплению и сохранению влаги в почве для отдачи ее в весенний посевной период. При этом обернутый пласт почвы, полученный в результате проведения вспашки, должен по возможности максимально заделывать пожнивные остатки и сорную растительность на дно борозды¹ [3].

Для проведения технологической операции по вспашке почвы, в основной своей массе, широкое применение получили малогабаритные почвообрабатывающие машины, к числу которых принято относить мотоблоки в агрегате с плугами². При этом стоит отметить, что основная обработка почвы является одной из самых трудоемких операций при возделывании сельскохозяйственных культур, на которую расходуется практически 40 % всех материальных и энергетических затрат³ [4]. В связи с этим к пахотным агрегатам на базе мотоблоков необходимо предъявлять особые требования, в результате соблюдения которых существенным образом повысится эффективность⁴ их функционирования [5].

Обзор литературы

Перемещение малогабаритных почвообрабатывающих машин при выполнении технологических операций осуществляется за счет сил сцепления их колесных движителей с почвой, затрачивая при этом мощность энергетической установки (двигателя) на преодоление всех сил, действующих на элементы их конструкций и агрегатируемые с ними рабочие органы [6; 7].

Анализом потребляемой мощности и удельной энергоемкости средств малой механизации достаточно широко занимались отечественные исследователи В. Ф. Купряшкин, А. В. Безруков и другие⁵ [8; 9]. В частности, В. Ф. Купряшкиным были получены расчетные зависимости для нахождения величин мощности для обеспечения функционирования почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 (1) и энергоемкости процесса фрезерования почвы (2):

$P=\left(2-{\eta }_{о}\right)\left\{\frac{{М}_{кр}{n}_{ф}}{9550}\right.\left.+\left[f\left(K_1{F}_{\text{g}}-F_z\right)+\sqrt[3]{\frac{F_g^4{\left(1-K_1\right)}^4}{q{D}_{:}^2{b}_{к}}}-F_x\right]v_{п}10{}^{-3}\right\},$ (1)

${Е}_{УД}^{}=\frac{\left(2-{\eta }_{о}\right){10}^{-3}}{\mathrm{3,6}B{v}_{\text{ï}}h}\left\{\frac{{М}_{кр}{n}_{ф}}{9550}+\right.\left.\left[f\left(K_1{F}_{\text{g}}-F_z\right)+\sqrt[3]{\frac{F_g^4{\left(1-K_1\right)}^4}{q{D}_{:}^2{b}_{:}}}-F_x\right]v_{п}10{}^{-3}\right\},$ (2)

где η_о, η_оф и η_ок – соответственно, коэффициент полезного действия (КПД) передаточных частей почвообрабатывающей фрезы, КПД привода фрезбарабанов и ходовых колес; F_z – выталкивающая сила на фрезерном рабочем органе (ФРО), Н; F_x – подталкивающая сила на ФРО, Н; М_кр – крутящий момент на валу фрезерных рабочих органов, (Н·м); F_g – сила тяжести почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85, F_g = 1716 Н; K₁ – коэффициент учитывающий геометрические параметры почвообрабатывающей фрезы, K₁ = 0,174; q – коэффициент объемного смятия почвы, Н/м³; b_к и D_к– ширина обода и диаметр ходовых колес, соприкасающихся с почвой, соответственно, м; h – фрезерования почвы, м; q –коэффициент объемного смятия почвы, Н/м³; v_п – поступательная скорость фрезы ФС-0,85, м/с; f – коэффициент трения опорного полозка о почву, f = 0,41; B – ширина захвата почвообрабатывающего агрегата, м.

Вышеуказанные исследования В. Ф. Купряшкина, легли в основу анализа баланса потребляемой мощности и энергоемкости процесса фрезерования почвы, самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режима работы (СМПФА), предложенным А. В. Безруковым [8]. В этом случае расчетные зависимости требуемой мощности (3) и энергоемкости процесса обработки почвы (4) были получены с учетом специфики конструкции и особенностей работы СМПФА:

$P=\left(2-{\eta }_{о}\right)\left\{\frac{{М}_{кр}{n}_{ф}}{9550}+\right.\left.\left[f\left(K_1{F}_{\text{g}}-F_z\right)+\sqrt[3]{\frac{F_g^4{\left(1-K_1\right)}^4}{q{D}_{:}^2{b}_{к}}}-F_x+F_{рез}\right]v_{п}10{}^{-3}\right\},$ (3)

${Е}_{УД}^{}=\frac{\left(2-{\eta }_{\text{оî}}\right){10}^{-3}}{\mathrm{3,6}B{v}_{п}h}\left\{\frac{{М}_{кр}{n}_{ф}}{9550}+\right.\left.\left[f\left(K_1{F}_{\text{g}}-F_z\right)+\sqrt[3]{\frac{F_g^4{\left(1-K_1\right)}^4}{q{D}_{:}^2{b}_{К}}}-F_x+F_{рез}\right]v_{п}10{}^{-3}\right\},$ (4)

где F_рез – сила резания сканера в почве, кВт.

Отличительной особенностью расчетных зависимостей (3) и (4) от зависимостей (1) и (2) является присутствие в последних величины силы резания сканера в почве F_рез. Ее появление обусловлено наличием в конструкции почвообрабатывающей фрезы, сканера почвы, позволяющего определять ее твердость.

Однако необходимо отметить, что полученные расчетные зависимости (1), (2), (3) и (4) применимы к почво-обрабатывающим машинам с активными рабочими органами, в частности к малогабаритной почвообрабатывающей фрезе ФС-0,85 и ее модификациям.

В исследованиях других авторов И. И. Гуреева [9] и С. Н. Ладутько⁶ в области энергозатрат, были рассмотрены вопросы, касающиеся требуемой мощности и энергоемкости для функционирования вертикальной почвообрабатывающей фрезы. Так, ими использовалась зависимости:

$P=\frac{K_{0}a{v}_a{D}^2}{\mathrm{413,8}}$ ,                    (5)

${Е}_{УД}^{}=191-\frac{\mathrm{4,99}}{v}{V}_0+\frac{\mathrm{0,791}}{v^2}{V}_0^2$ ,     (6)

где К₀ – приведенный коэффициент объемного смятия, Н/см³; а – глубина фрезерования, см; v_a– скорость агрегата, м/с; D – диаметр фрезы, см; v – поступательная скорость фрезы, м/с; V₀ – скорость отбрасываемой почвы, м/с.

Однако зависимости (5) и (6) справедливы для конкретных почвообрабатывающих машин, агрегатируемых с тракторами тягового класса 0,9 и выше, что делает невозможным их применение с целью определения энергетических показателей малогабаритных почвообрабатывающих машин, в частности мотоблоков, так как они не учитывают особенности конструкции их приводов [5], комплектования пахотного агрегата на их базе, специфику их функционирования и агротехнических требований, предъявляемых ко вспашке почвы⁷.

Основываясь на том, что указанные исследования и полученные на их основе результаты, а именно расчетные зависимости для определения требуемой мощности функционирования почвообрабатывающих машин и энергоемкости обработки почвы, применимы только для машин с активными рабочими органами, необходимо провести теоретические изыскания по определению энергетических показателей почвообрабатывающих агрегатов, скомплектованных на базе средств малой механизации и тяговых рабочих органов и являющихся основой для дальнейшего выбора наиболее оптимальных режимов их функционирования.

Материалы и методы

При работе мотоблока с лемешно-отвальным плугом требуемая мощность для обеспечения технологического процесса вспашки почвы P (кВт) определяется формулой:

$P_{}=P_{ТЯГ}+P_{ПЕР}+P_{ТР},$           (7)

где P_ТЯГ – мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления на рабочем органе (лемешно-отвальном плуге), кВт; P_ПЕР – мощность, затрачиваемая на перекатывание ходовых колес, кВт; P_ТР – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в приводе ходовых колес, кВт.

Здесь P_ТЯГ + P_ПЕР определяет мощность, затрачиваемую на создание тягового усилия на ходовых колесах P_Т, т. е.  P_Т = P_ТЯГ + P_ПЕР.

Мощность P_Т будет определяться зависимостью:

$P_{Т}=M_{КРК}{\omega }_{К}{10}^{-3},$             (8) 

где M_КРК – крутящий момент на ходовых колесах, Н·м; ω_к – угловая скорость ходовых колес, рад/с.

Учитывая действующие на мотоблок силы для крутящего момента M_КРК, получим расчетную зависимость:

${М}_{КРК}=F_{ТК\sum }\frac{D_{к}}{2},$               (9)

где F_ТК∑ – суммарная сила тяги на колесах, Н; D_к– диаметр колеса, м.

Приняв во внимание условие устойчивости движения мотоблока по критерию отсутствия буксования ходовых колес с почвой, преобразуем выражение (5):

${М}_{КРК}=(F_{СК\sum }+R_X+F_{fП}+F_{fПД})\frac{D_{К}}{2},$   (10)

где F_CK∑ – сила сопротивления при перекатывании ходовых колес по почве, Н; R_X – сила сопротивления на лемешно-отвальном плуге, действующая в продольной плоскости, Н; F_fП – сила трения опорной пятки о дно борозды, Н; F_fПД – сила трения полевой доски о стенку борозды, Н.

Если учесть зависимости, определяющие F_CK∑, F_fП, F_fПД, выражение (10) примет вид:

 

${М}_{КРК}=\left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{:}^2{b}_{К\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left(K_2{F}_{gМ}+K_3{R}_Z-K_4{R}_X\right)+\\ +f\text{[}{K}_5{R}_X+K_6{R}_{У}+(K_7{F}_g+K_8{F}_{gБ})k_{СБ}]\end{array}\right\}\frac{D_{К}}{2},$  (11)

где F_gM – сила тяжести мотоблока, Н; F_gБ – сила тяжести балласта, Н; D_к– диаметр колеса, м; b_к∑– суммарная ширина ходовых колес, м; k_СБ– коэффициент бокового сцепления ходовых колес с почвой; f – коэффициент трения; К₁, ..., К₈ – коэффициенты, характеризующие геометрические параметры мотоблока.

Затем после подстановки (11) в (8) получаем:

$P_{Т}=\left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{к\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left(K_2{F}_{gМ}+K_3{R}_Z-K_4{R}_X\right)+\\ +f\text{[}{K}_5{R}_X+K_6{R}_{У}+(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ})k_{СБ}]\end{array}\right\}\frac{D_{к}}{2}{\omega }_{к}{10}^{-3}.$ (12)

Если определить поступательную скорость движения мотоблока v_п (км/ч) через угловую скорость ω_к, то уравнение (12) примет окончательный вид:

$P_{Т}=\mathrm{3,6}{v}_{П}{10}^{-3}\left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{к\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left(K_2{F}_{gМ}+K_3{R}_Z-K_4{R}_X\right)+\\ +f\text{[}{K}_5{R}_X+K_6{R}_{У}+(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ})k_{\text{!Б}}]\end{array}\right\}.$  (13)

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в приводе P_тр, определяется зависимостью:

$P_{ТР}=(1-{\eta }_{О}){Ð}_{Т}$ ,          (14) 

где η_о – общий КПД передаточной части.

Учитывая особенности трансмиссии мотоблока⁸, значение η_о можно определить по формуле:

${\eta }_o={\eta }_{\text{1}}\cdot {\eta }_{\text{2}}\cdot \mathrm{...}\cdot {\eta }_n$ ,           (15)

где η₁, η₂, η₃, …, η_n – КПД отдельных элементов привода.

С учетом полученной ранее зависимости (13) уравнение (14) будет иметь следующий вид:

$P_{ТР}=\mathrm{3,6}{v}_{П}(1-{\eta }_{О}){10}^{-3}\times \left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{к\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left(K_2{F}_{gМ}+K_3{R}_Z-K_4{R}_X\right)+\\ +f\text{[}{K}_5{R}_X+K_6{R}_{У}+(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ})k_{СБ}]\end{array}\right\}.$  (16)

Подставляя установленные ранее зависимости (13), (15) в (7) с учетом ряда преобразований, получим уравнение для расчета требуемой мощности двигателя мотоблока при его агрегатировании с лемешно-отвальным плугом:

$P=\mathrm{3,6}{v}_{П}(2-{\eta }_{О}){10}^{-3}\times \left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{к\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left(K_2{F}_{gМ}+K_3{R}_Z-K_4{R}_X\right)+\\ +f\text{[}{K}_5{R}_X+K_6{R}_{У}+(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ})k_{СБ}]\end{array}\right\}.$  (17)

Энергоемкость процесса обработки почвы определяется зависимостью:

$E_{УД}=\frac{P}{W_V},$                    (18)   

где E_уд – удельная энергоемкость, кВт·ч/м³; W_V – производительность в единицу объема обрабатываемой почвы, м³/ч. Объемная производительность W_V в нашем случае будет определяться зависимостью:

  $W_V=B{v}_{П}h{10}^3,$             (19)

где B – ширина захвата рабочего органа, плуга, м; v_п – поступательная скорость движения мотоблока, км/ч; h – глубина обработки, м.

Тогда, с учетом (17) и (19) выражение (18) примет вид:

$E_{УД}=\frac{\mathrm{3,6}(2-{\eta }_{о}){10}^{-6}}{h}\times \left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{\text{к}\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left(K_2{F}_{gМ}+K_3{R}_Z-K_4{R}_X\right)+\\ +f\text{[}{K}_5{R}_X+K_6{R}_{У}+(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ})k_{СБ}]\end{array}\right\}.$      (20)

Полученные уравнения (17) и (20) отражают зависимости в общем виде, соответственно, потребляемой мощности и удельной энергоемкости при совершении вспашки почвы пахотным агрегатом на базе мотоблока с учетом его конструктивно-технологических параметров и свойства обрабатываемой среды.

Результаты исследования

Из полученных уравнений (17) и (20) видно, что для их решения необходимо определить ряд силовых характеристик, влияющих на работу мотоблока при проведении вспашки. Анализ исследований работы малогабаритных почвообрабатывающих машин [10; 11] выявил, что рабочий орган, в частности лемешно-отвальный плуг, представляет собой один из главных объектов возмущения при проведении вспашки [12]. Это происходит в результате действия на его криволинейную поверхность (культурный отвал) сил R_x, R_y и R_z, действующих на плуг в продольно-вертикальной, горизонтальной и поперечно-вертикальной плоскостях соответственно. Как показывают результаты исследований [13–15], указанные силовые факторы с большой степенью точности можно определить только в ходе проведения пространственного динамометрирования плужного корпуса, а для этого необходимо использовать специальные приспособления⁹ [16; 17]. Для решения этой задачи на производственных площадках кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина при помощи экспериментального стенда [18], позволяющего имитировать реальные условия эксплуатации, были проведены лабораторные испытания плуга П1-20/3, агрегатируемого с мотоблоком «Нева» МБ-2С-7,5 Pro [19], в ходе которых были получены регрессионные модели силовых характеристик R_x, R_y и R_z процесса взаимодействия лемешно-отвального корпуса плуга мотоблока с почвой в виде уравнений в зависимости от варьируемых факторов: твердость почвы – p (МПа) и скорость движения v_п (км/ч)¹⁰, которые имеют следующий вид:

R_x  = 185,3– 7,7p – 65,6v_п + 116,1pv_п, (21)

R_y  = 49,1+ 3,5p – 17,1v_п + 32,7pv_п, (22)

R_z  = 37,0 – 1,8p – 14,1v_п + 23,9pv_п. (23)

Полученные уравнения регрессионных моделей справедливы для условий, определяемых твердостью почвы в интервале от 0,65 до 1,65 МПа и скоростью движения пахотного агрегата в интервале от 1 до 4 км/ч. Данные условия были приняты на основании того, что мотоблоки в агрегате с лемешно-отвальными плугами могут эксплуатироваться только на легких и средних типах почвы, при которых значение твердости не превышает 1,7 МПа [20; 21], а скорости движения определяются условиями безопасной эксплуатации мотоблоков¹¹.

Для оценки энергетических показателей функционирования мотоблока с лемешно-отвальным плугом подставим зависимости (21), (22) и (23) в уравнения (17) и (20). В результате получим следующие расчетные зависимости мощности и энергоемкости:

$\begin{array}{c}P=\mathrm{3,6}{v}_{п}(2-{\eta }_{о}){10}^{-3}\times \\ \times \left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{к\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ +f\left[\begin{array}{c}{K}_2{F}_{gМ}+K_3\left(K_{0z}-K_{1z}p-K_{2z}{v}_{п}+K_{12z}p{v}_{п}\right)-\\ -K_4\left(K_{0x}-K_{1x}p-K_{2x}{v}_{п}+K_{12x}p{v}_{п}\right)\end{array}\right]+\\ +f\left[\begin{array}{c}{K}_5\left(K_{0x}-K_{1x}p-K_{2x}{v}_{п}+K_{12x}p{v}_{п}\right)+\\ +K_6\left(K_{0у}+K_{1у}p-K_{2у}{v}_{п}+K_{12y}p{v}_{п}\right)+\\ +\left(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ}\right)\end{array}\right]\end{array}\right\}\end{array}$  (24)

 

 

$\begin{array}{c}{E}_{УД}=\frac{\mathrm{3,6}(2-{\eta }_{о}){10}^{-6}}{h}\times \\ \times \left\{\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{{\left(K_{\text{1}}{F}_{gМ}+F_{gБ}\right)}^4}{\left(\mathrm{0,044}p+\text{0}\text{,0038}\right)D_{к}^2{b}_{к\Sigma }{10}^9}}+R_x+\\ f\left[\begin{array}{c}{K}_2{F}_{gМ}+K_3\left(0z-K_{1z}p-K_{2z}{v}_{п}+K_{12z}p{v}_{п}\right)-\\ -K_4\left(K_{0x}-K_{1x}p-K_{2x}{v}_{п}+K_{12x}p{v}_{п}\right)\end{array}\right]+\\ +f\left[\begin{array}{c}{K}_5\left(K_{0x}-K_{1x}p-K_{2x}{v}_{п}+K_{12x}p{v}_{п}\right)+\\ +K_6\left(K_{0у}+K_{1у}p-K_{2у}{v}_{п}+K_{12y}p{v}_{п}\right)+\\ +{\left(K_7{F}_{gМ}+K_8{F}_{gБ}\right)}_{СБ}\end{array}\right]\end{array}\right\}\end{array}$  (25)

Таким образом, установленные зависимости требуемой мощности (24) и энергоемкости (25) позволяют оценить затраты мощности и удельную энергоемкость при вспашке почвы мотоблоком с лемешно-отвальным плугом с учетом его режимов работы и конструктивных параметров, а также твердости почвы.

Далее, учитывая конструктивные параметры мотоблока «Нева» МБ-2С-7,5 Pro и лемешно-отвального плуга П1-20/3, а именно его основные геометрические параметры, характеризующиеся коэффициентами К₁ = 0,975, К₂ = 0,015, К₃ = 0,65, К₄ = 1,1, К₅ = 0,11, К₆ = 0,92, К₇ = 0,016 и К₈ = 0,016, диаметром D_к = 0,5 м и суммарной шириной b_к∑ = 0,4 м его ходовых колес, силу тяжести Fgм = 1197 Н и принятые коэффициенты k_сБ = k_с = 0,3, f = 0,41, η₀ = 0,8, а также значения коэффициентов уравнений регрессионных моделей силовых характеристик R_x, R_y , R_z с учетом ряда преобразований, уравнения (24) и (25) примут следующие виды:

 $P_{}=\mathrm{3,6}{v}_{п}(2-{\eta }_{п}){10}^{-3}\times \left[215-\mathrm{6,6}p-\mathrm{72,9}{v}_{п}+\mathrm{129,2}p{v}_{п}+\mathrm{87,2}{(p+\text{0}\text{,086})}^{-\frac{1}{3}}\right],$ (26)

${Е}_{УД}^{}=\frac{\mathrm{3,6}\left(2-{\eta }_{о}\right){10}^{-6}}{Bh}\times \left[215-\mathrm{6,6}p-\mathrm{72,9}{v}_{п}+\mathrm{129,2}p{v}_{п}+\mathrm{87,2}{(p+\text{0}\text{,086})}^{-\frac{1}{3}}\right].$  (27)

Подставленные значения твердости почвы p = 0,65…1,65 МПа и скоростных режимов движения v_п = 1…4 км/ч в условия (26) и (27) значений твердости почвы p = 0,65…1,65 МПа и скоростных режимов движения v_п = 1…4 км/ч, позволили получить графические интерпретации требуемой мощности для функционирования мотоблока с лемешно-отвальным плугом и энергоемкости процесса вспашки почвы, в зависимости от конкретных условий эксплуатации (1 и 2).

Полученные модели P = f (p; v_п) и E_уд = f (p; v_п) наглядно демонстрируют изменение энергетических параметров пахотного агрегата на базе мотоблока с лемешно-отвальным плугом.

Из анализа рисунка 1 следует, что значение требуемой мощности двигателя P изменяется в пределах от 1,3 до 13,3 кВт в интервале значений твердости почвы от 0,65 до 1,65 МПа и скорости движения мотоблока от 1 до 4 км/ч. При этом более интенсивный рост требуемой мощности наблюдается с увеличением скорости движения мотоблока. 

 

 

 

Рис. 1. Модель требуемой мощности двигателя P от скорости движения мотоблока и твердости почвы

Fig. 1. Мodel of the dependence of the required engine power P from the speed of the motor unit
and the hardness of the soil

 

Аналогично анализируя график удельной энергоемкости E_уд (рис. 2), можно сделать выводы, что в указанных пределах изменения твердости почвы и скорости движения пахотного агрегата значение E_уд  изменяется в пределах от 28,7·10^-3 до 301,6·10^-3 кВт·ч/м³. При этом, как в случае с требуемой мощностью двигателя, с увеличением скорости движения мотоблока наблюдается более интенсивный рост значений энергоемкости процесса обработки почвы.

 

 

 

Рис. 2. Модель удельной энергоемкости обработки почвы E_уд от скорости движения мотоблока и твердости почвы

Fig. 2. Мodel of specific energy intensity of soil tillage E_уд from the speed of the motor unit
and the hardness of the soil

 

 

Обсуждение и заключение

Полученные уравнения расчета требуемой мощности для обеспечения работоспособности мотоблока в агрегате с лемешно-отвальным плугом (17) и энергоемкости процесса вспашки почвы (20) с использованием регрессионных моделей (21), (22) и (23) силовых характеристик взаимодействия его корпуса с почвой R_x, R_y и R_z позволяют оценить энергетические затраты при функционировании мотоблока, приняв во внимание его конструктивные параметры и технологические режимы работы.

Кроме этого, учитывая состав пахотного агрегата, состоящего из мотоблока «Нева» МБ-2С-7,5 Pro и лемешно-отвального плуга П1-20/3, были получены их частные решения, способствующие выбору оптимальных режимов его функционирования.

Также из анализа полученных графических зависимостей (рис. 1 и 2) следует, что в интервале значений твердости почвы от 0,65 до 1,65 МПа и скорости движения мотоблока от 1 до 4 км/ч значения требуемой мощности двигателя P изменяются в пределах от 1,3 до 13,3 кВт, а удельной энергоемкости E_уд изменяются в пределах от 28,7·10^-3 до 301,6·10^-3 кВт·ч/м³.

 

 

¹           Залигин О. Г., Гусаков С. О., Заборський В. П. Малая мехнизация в приусадебных и фермерских хозяйствах. Киев: Урожай, 1996. 367 с. URL: https://www.twirpx.com/file/471136/ (дата обращения: 13.06.2019).

²           Там же; Сельскохозяйственная техника и оборудование для фермерских хозяйств. М.: Информагротех, 1994. 384 с.

³           Кряжнов В. М., Спирин А. П., Сизов О. А. Энергосберегающие технологии в земледелии. М.: Информагротех, 1998. 36 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01000578191 (дата обращения: 13.06.2019).

⁴           Уланов А. С. Особенности комплектования состава пахотного агрегата и выбора способа движения мотоблока при вспашке почвы // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции: материалы XIII международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора С. А. Лапшина. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2017. С. 540–545.

⁵           Купряшкин В. Ф. Устойчивость движения и эффективное использование самоходных почвообрабатывающих фрез. Теория и эксперимент. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. 140 с.

⁶           Ладутько С. Н., Заяц Э. В., Эбертс А. А. К определению мощности, потребной для привода вертикальной почвенной фрезы // Инновационные направления развития технологий и технических средств механизации сельского хозяйства: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию кафедры сельскохозяйственных машин агроинженерного факультета Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра I (25 декабря 2015 г.). Ч. I. Воронеж: ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ, 2015. С. 57–62. URL: http://nauka.vsau.ru/wp-content/uploads/2016/05/13506.pdf (дата обращения: 13.06.2019).

⁷           К вопросу классификации приводов технологических машин и особенностей определения общего коэффициента полезного действия / В. Ф. Купряшкин [и др.] // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: материалы всерос. науч.-техн. конф. (19–23 октября 2009 г.). Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. С. 360–364. URL: https://docplayer.ru/105315539-Povyshenie-effektivnosti-funkcionirovaniya-mehanicheskih-i-energeticheskih-sistem.html (дата обращения: 13.06.2019).

⁸           Там же; Купряшкин В. Ф. Особенности определения коэффициента полезного действия в машинных агрегатах // Физическое образование: проблемы и перспективы развития: материалы 9-й межд. науч.-метод. конф. М., Рязань: РИЦ РГУ, 2010. С. 43–46; Наумкин Н. И. Теория механизмов и машин. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. 188 с.

⁹           Гусев А. Ю., Ромашкин Д. В., Терехин Е. Ю., Четверов Н. А. Анализ существующих конструкций экспериментальных стендов для динамометрирования лемешно-отвального корпуса плуга // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвузовский сборник научных трудов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2017. С. 244–256.

¹⁰          Уланов А. С., Купряшкин В. Ф. Результаты лабораторных исследований взаимодействия плуга мотоблока с почвой и их анализ // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы междунар. науч.-практ. конф / редкол.: П. В. Сенин [и др.]; отв. за вып. О. А. Кувшинова. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. 2018. С. 46-52.

¹¹          Руководство по эксплуатации мотоблока «Нева» МБ-2 и его модификаций: ЗАО «Красный Октябрь-Нева», 2013. 33 с. URL: https://www.twirpx.com/file/1041562/ (дата обращения: 13.06.2019); Романов Ф. Ф., Козин В. А., Ножнин С. Р. Концепция малогабаритного трактора // Актуальные проблемы агропромышленного комплекса: cб. докл. науч.-практ. конф. Вологда: ВМИ, 1993. С. 14–15; ГОСТ 12.2.140–2004. Тракторы малогабаритные. Общие требования безопасности.

About the authors

Vladimir F. Kupryashkin

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: kupwf@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7512-509X
ResearcherId: L-5153-2018

Cand.Sci. (Engr.), Head of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery,

Russian Federation, 5 Rossiyskaya St., Yalga, Saransk 430904

Aleksandr S. Ulanov

National Research Mordovia State University

Email: ulanow.aleksandr2010@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6041-6911
ResearcherId: L-4662-2018

Engineer of Chair of Design Principles of Machines and Mechanisms

Russian Federation, 5 Rossiyskaya St., Yalga, Saransk 430904

Nikolay I. Naumkin

National Research Mordovia State University

Email: naumN@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1109-5370
ResearcherId: L-4643-2018

Head of Chair of Basic Design of Mechanisms and Machines, D.Sc. (Pedagogy), Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 5 Rossiyskaya St., Yalga, Saransk 430904

Anatoliy V. Bezrukov

National Research Mordovia State University

Email: bezrukow157@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8511-2743
ResearcherId: N-5459-2016

Associate Professor of Chair of Basic Design of Mechanisms and Machines, Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 5 Rossiyskaya St., Yalga, Saransk 430904

Michail G. Shlyapnikov

National Research Mordovia State University

Email: mix.shlyapnickoff2015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4784-4695

Postgraduate Student of Chair of Basic Design of Mechanisms and Machines

Russian Federation, 5 Rossiyskaya St., Yalga, Saransk 430904

References

Supplementary files