Расчет основных эксплуатационных показателей машинно-тракторных агрегатов для лесовосстановления

После компоновки машинно-тракторного агрегата и выбора скоростного режима выполняется расчет агрегата. Он сводится к следующему:

· определяется номинальное тяговое усилие трактора на рабочей пе­редаче (по тяговой характеристике, справочнику, расчетам);

· находится тяговое сопротивление рабочей машины;

· вычисляется количество рабочих машин в агрегате или корпусов плуга (по наибольшей ширине захвата и тяговому усилию трактора на соответствующей передаче);

· подсчитывается сопротивление агрегата, которое складывается из сопротивлений сцепки и машин;

· вычисляется коэффициент использования тягового усилия трактора;

· определяется сменная производительность агрегата, а также расход топлива;

· рассчитывается количество машино-смен и агрегатов для выпол­нения необходимого объема работ.

Эффективность работы агрегата определяется по производитель­ности, коэффициенту использования тягового усилия трактора и удельному расходу топлива.

Сопротивление машин, которое возникает при их перемещении под воздействием тягового усилия трактора, называется тяговым или рабочим сопротивлением. Тяговое сопротивление ‑ один из важных эксплуатационных показателей машин для лесовосстановления. Оно складывается из следующих величин:

· сопротивления от сил трения качения колес о грунт, сил трения скольжения рабочих поверхностей машин об обрабатываемый материал, сил трения между отдельными частями машины (F_тр);

· сопротивления резания и крошения обрабатываемого материала, (F_рк);

· усилия, затрачиваемого на отбрасывание отдельных частей обра­батываемого материала (F_от);

· сопротивления подъему (F_под);

· сопротивления сил инерции, возникающих при неравномерном движении машины (F_ин).

Таким образом, баланс сопротивления машин в общем виде можно представить формулой:

. Н (4.1)

Во время холостых переездов тяговое сопротивление машин состоит из сил, идущих на преодоление сил трения качения колес о почву и сил трения во втулках колес, а при движении вверх по склону также из сил сопротивления подъему.

Рассмотрим тяговое сопротивление отдельных машин-орудий.

Усилие, необходимое для выкорчевывания одного пня можно определить по формуле:

, Н (4.2)

где: G_корч ‑ вес корчевальной машины, Н; f ‑ коэффициент сопротивления перемещению корчевальной машины; К_к ‑ коэффициент сопротивления корчеванию, учитывающий разрыв корней, трение их о почву при извлечении пня и рыхление почвы, 5‑50 Н/см²; а ‑ глубина погружения клыков в почву, см; зависит от диаметра пня d и породы: при d до 28 см а=10‑30 см, при d более 28 см a=30‑50 см; b ‑ ширина захвата отвала корчевальной машины, см; l_п ‑ коэффициент плотности рыхления за счет расстояния между зубьями, 0,40‑0,75; G_n ‑ вес перемещаемого отвалом пня и грунта, 3000‑4000 H; f_n ‑ коэффициент сопротивления перемещению пня, грунта, 0,4‑0,7.

Расчет тягового сопротивления на вычесывание корней и рыхление почвы производят по следующей формуле:

, Н (4.3)

где: G ‑ вес машины, Н; f_в ‑ коэффициент сопротивления перекатыванию с учетом давления грунта на зуб, 0,4‑0,6; К_в ‑ удельное сопротивление вычесыванию корней и рыхлению почвы, 6‑12 Н/см²; В ‑ ширина захвата агрегата, см; h ‑ глубина заглубления зубьев в почву, 5‑10 см; λ - коэффициент неполноты рыхления почвы зубьями, 0,75‑0,8.

Для основной подготовки почвы применяются различные виды плу­гов, тяговое сопротивление которых зависит от физико-механических свойств почвы, а также ее влажности, степени задернения, глубины вспашки, ширины захвата плуга, формы и состояния рабочей поверхности отвала, веса плуга, скорости движения трактора.

Тяговое сопротивление плуга складывается из:

· сил трения скольжения и качения при движении плуга;

· сил резания почвы и её крошения;

· сил на отбрасывание пласта почвы.

При работе плуга на вырубках, особенно на нераскорчеванных, где в почве находится большое количество корней, тяговое сопротивление плуга рассчитывается по формуле В.П. Горячкина, в которую введено ещё одно слагаемое, учитывающее сопротивление, идущее на перерезание корней в почве.

Тяговое сопротивление плуга определяется по формуле:

, Н (4.4)

где: F₁ - сумма сопротивлений трения при передвижении плуга в борозде.

, Н (4.5)

где: G_пл ‑ вес плуга, Н; f ‑ коэффициент трения почвы о металл; F₂ ‑ сопротивление почвы деформации при пахоте.

, Н (4.6)

где: К_п ‑ коэффициент удельного сопротивления почвы, Н/см ; а ‑ глубина вспашки, см; b ‑ ширина захвата корпуса плуга, см; n ‑ количество корпусов; F₃ ‑ сопротивление, возникающее в результате сообщения кине­тической энергии частицам массы пласта при отбрасывании их в сторону.

, Н (4.7)

где: ε₀ ‑ коэффициент динамической пропорциональности, 1,5‑2,0 кНс²/м⁴; v ‑ рабочая скорость движения, м/с.

Для практических расчетов можно принять: F₃=0,1F₂.

F₄ ‑ сопротивление, возникшее при разрыве корней (учитывается при подготовке почвы на нераскорчеванных вырубках).

, Н (4.8)

где: µ ‑ коэффициент, определяющий усилие на разрыв единицы площади поперечного сечения корней, 200‑300 Н/см²; Δab ‑ суммарное сечение корней, приходящееся на все поперечное сечение пласта, см².

В зависимости от твердости древесных пород Δ=2‑5% от ab.

Механизм возникновения сил сопротивления F₂ и F₃, а также принцип взаимодействия плуга с почвой поясняются схемами на рис. 4.2 и 4.3.

Рассмотрим взаимодействие с почвой простого клина (рис. 4.2). Под воздействием клина происходит деформация почвы, характер которой зависит от свойств почвы и угла α установки рабочей грани клина к горизонту. Двухгранный клин с углом α отделяет пласт от дна борозды, поднимает его, сжимает в вертикальной плоскости и раскалывает на отдельные части (см. рис. 4.2, а). Чем больше угол α, тем сильнее клин изгибает и крошит отделяемый пласт. Однако при увеличении угла α до 45° почва перестает скользить по верхней грани клина и начинает «сгруживаться» перед клином.

Двухгранный клин с углом γ, ориентированный вертикально, отделяет пласт от стенки борозды, отводит землю в сторону и сжимает в горизонтальной плоскости (см. рис. 4.2, б).

Двугранный клин с углом β предназначен отклонять пласт в сторону, переворачивая его (см. рис. 4.2, в). Однако, чтобы перевести пласт из горизонтального положения в наклонное и перевернуть его, угол β клина должен изменяться от 25° до 130°, то есть необходимо, чтобы поверхность клина была криволинейной. Комплексное воздействие на пласт трех двухгранных клиньев заменит один трехгранный клин, представляющий собой тетраэдр АМВО с тремя взаимно перпендикулярными гранями ВОМ, АОМ и АОВ (см. рис. 4.2, г).

Рис. 4.2. Взаимодействие клина с почвой:

а) отделение пласта от дна борозды; б) отделение пласта от стенки борозды; в) переворот пласта; г) комплексное воздействие на пласт

При перемещении трехгранного клина по направлению оси X, ребро АВ отрезает пласт от дна борозды, ребро ВМ – от стенки борозды, а грань АВМ отводит пласт в сторону, крошит и оборачивает его.

Чтобы обеспечить вспашку почвы, трехгранный клин преобразовывают в криволинейную лемешно-отвальную поверхность корпуса плуга, которая характеризуется непрерывно изменяющимися углами α, γ, и β (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Рабочая поверхность корпуса плуга

Рабочими органами плуга являются: лемех, подрезающий пласт снизу; отвал для оборачивания и крошения пласта, полевая доска – опора плуга, упирающаяся в дно борозды. Отвал, лемех, полевая доска, а также и стойка, с помощью которой крепят перечисленные ранее органы плуга, составляют корпус плуга. Перемещаясь в почве по направлению оси X, корпус плуга с криволинейной поверхностью отрезает пласт, поднимает его, деформирует, крошит, оборачивает и сбрасывает его в открытую борозду. Из множества технологических операций, выполняемых плугом, главным, с точки зрения агротехники, считается оборот и крошение пласта, интенсивность которых обусловлена значениями и интенсивностью изменения углов α, γ, и β, то есть собственно формой рабочей поверхности отвала корпуса плуга.

Расчет тягового сопротивления сошниковых сеялок производят по следующей формуле:

, Н (4.9)

где: G_сеял ‑ вес сеялки, Н; f ‑ коэффициент трения почвы о металл; F_сош ‑ сопротивление одного сошника, Н; n ‑ количество сошников, шт.

При проведении посадочных работ тяговое сопротивление лесопо­садочной машины складывается из сопротивлений:

· от прорезания посадочной щели сошником, а для сошников с рыхлительными крыльями и от рыхления почвы около щели;

· от перемещения лесопосадочной машины;

· от действия заделывающих устройств;

· от трения в передаточных механизмах.

Тяговое сопротивление лесопосадочной машины рассчитывается:

, Н (4.10)

где: G_лм ‑ вес лесопосадочной машины, Н; f ‑ коэффициент трения металла машины о почву; К_п ‑ коэффициент удельного сопротивления почвы, Н/см²; а ‑ глубина хода сошника, 20-40 см; b ‑ ширина сошника, см: для сеянцев b=12‑15 см, для саженцев b=30‑35 см; n ‑ количество сошников, шт.

Мощность, необходимая на продвижение почвенной фрезы в заглубленном положении, определяется по формуле:

, Вт (4.11)

где: G_ф ‑ вес фрезы, Н; f ‑ коэффициент трения металла о почву и древесину; v_т ‑ скорость движения трактора, м/с; η – КПД передачи от двигателя к фрезе.

Мощность, необходимая для резания грунта, определяется по формуле:

, Вт (4.12)

где: К_п ‑ удельное сопротивление почвы резанию, 20‑60 кН/м²; a ‑ глубина фрезерования, м; b ‑ ширина захвата фрезы, м; v_окр._б ‑ окружная скорость фрезерного барабана, м/с; v_т - скорость движения трактора, м/с.

Мощность, необходимая на отбрасывание почвенных частиц, определяется по формуле:

, Вт (4.13)

где: К_отбр ‑ коэффициент отбрасывания почвы рабочими органами, 0,7-1,0;

G_отбр ‑ вес грунта, отбрасываемого рабочими органами за время t, Н; v_окр._б ‑ окружная скорость фрезерного барабана, м/с; v_т - скорость движения трактора, м/с; t ‑ время подхода к почве очередного рабочего органа, с.

Вес грунта, отбрасываемого рабочими органами в единицу времени, определяется из выражения:

, Н (4.14)

где: γ ‑ удельный вес почвы, 20‑25, кН/м³; a ‑ глубина фрезерования, м; b ‑ ширина захвата фрезы, м; t ‑ время подхода к почве очередного рабочего органа, с.

Расчет тягового сопротивления орудий для дополнительной обработки почвы (бороны, культиваторы, катки, дисковые лущильщики, вычесыватели, бессошниковые сеялки) определяют по формулам:

· при сплошной обработке почвы:

, Н (4.15)

где: k ‑ коэффициент удельного сопротивления машины на 1 м ширины захвата, Н/м; В ‑ рабочая ширина захвата агрегата, м;

· при междурядной обработке почвы:

, Н (4.16)

где: k ‑ коэффициент удельного сопротивления машины на 1 м ширины захвата, Н/м; В ‑ рабочая ширина захвата агрегата, м; е ‑ величина защитной зоны с каждой стороны ряда культур, м: при строчно-ленточной схеме посева e=0,03‑0,05 м, при однорядной обработке почвы e=0,15‑0,20 м; п_р ‑ число рядов культур, обрабатываемых за один проход, шт.

Тяговое сопротивление широкозахватного агрегата, состоящего из набора одинаковых технологических машин или комбинированного агрегата, состоящего из набора различных технологических машин, рассчитывается по формуле:

, Н (4.17)

где: F₁, F₂, F_i ‑ тяговые сопротивления технологических машин, входящих в агрегат, Н; п₁, п₂, п_i — количество однотипных машин, входящих в агрегат, шт.; F_сц ‑ сопротивление сцепки, Н.

Сопротивление сцепки рассчитывается по формуле:

, Н (4.18)

где: G_сц ‑ вес сцепки, Н; f ‑ коэффициент сопротивления качению: для культиваторов и борон f=0,18‑0,22, для лесопосадочных работ f=0,20‑0,25.

При комплектовании МТА не всегда трактор полностью загружается одной рабочей машиной. Для рационального использования тягового усилия трактора агрегат комплектуется из нескольких машин. Количество машин n′ можно рассчитать по наибольшей ширине захвата агрегата B_max или корпуса плуга:

, (4.19)

где b ‑ ширина захвата одной машины или корпуса плуга, м.

Количество машин можно также найти исходя из тягового усилия трактора на соответствующей передаче F_тр и сопротивления рабочей машины F_м:

. (4.20)

Значение n′ обычно получается дробным, поэтому округляется до целого числа в сторону уменьшения.

Сменная производительность МТА рассчитывается по формулам:

· при сплошной обработке почвы:

, га/смену (4.21)

где: 0,1 ‑ коэффициент, для перевода размерности производительности в гектары; В_р ‑ рабочая ширина захвата агрегата (с учетом зоны перекрытия 0,2 м), м; v_p ‑ рабочая скорость движения агрегата, км/ч:

, км/ч (4.22)

где: v_Т ‑ теоретическая скорость движения агрегата на установленной для данного вида работ передаче (берется из технической характеристики трактора), км/ч; ε_n ‑ коэффициент, характеризующий потери на буксование и извилистость хода, 0,75‑0,98; Т_см ‑ продолжительность рабочей смены, час; φ₂ ‑ коэффициент использования рабочего времени;

· при полосной обработке почвы:

, га/смену (4.23)

где: В_о ‑ ширина обработанной полосы, м; В_н ‑ ширина необработанной полосы, м.

Количество рабочих машин, необходимое для выполнения уста­новленного объема работ в определенные агротехнические сроки, зависит от объема этих работ и сроков их выполнения.

Количество машино-смен, необходимых для выполнения данного объема работ, определяется по формуле:

, машино-смен (4.24)

где: Q ‑ объём работ, подлежащий выполнению на данной операции, га; П_см ‑ сменная производительность агрегата, га/смену.

Количество рабочих машин для отдельных операций технологиче­ского цикла определяется по формуле:

, шт (4.25)

где Д ‑ агротехнический срок выполнения данной работы, дни.

Количество агрегатов, необходимое для выполнения отдельных операций в заданный агротехнический срок, устанавливают по числу машино-смен и календарному графику работ.

Экономичность МТА в значительной степени определяется расхо­дом топлива на единицу площади (гектар). Затраты на топливо составляют около 25% всех эксплуатационных расходов.

Расход топлива изменяется в зависимости от нагрузки двигателя, тягового и скоростного режима работы агрегата.

При расчете необходимого количества топлива учитываются три основных режима работы трактора: рабочий ход, холостое движение агрегата, когда машина находится в транспортном положении и работа двигателя на холостом ходу во время остановки.

Для каждой марки трактора рассчитывается сменный расход топлива по формуле:

, кг/смену (4.26)

где: q_p, q_x, q_о – соответственно, расход топлива при рабочем режиме, при холостых переездах и на остановках, кг/час; t_р, t_х, t_o – соответственно, время работы двигателя в течение смены на соответствующих режимах, час: t_p ‑ 80 % от Т_см; t_x ‑ 15 % от Т_см; t_o ‑ 5 % от Т_см. По видам работ рассчитывается расход топлива на один гектар:

, кг/га (4.27)

где П_см ‑ сменная производительность агрегата, га/смену.

Необходимое количество смазочных масел и пускового топлива рассчитывается в процентном отношении к основному топливу.

Определение необходимого количества энергетических средств для машинно-тракторного парка производится по пиковым нагрузкам в графике машино-использования (рис. 4.4).

График строится для каждой марки трактора. Он составляется на основании расчетно-технологических карт выполнения различных лесовосстановительных работ.

Рис. 4.4. График машино-использования

На вертикальной оси в определенном масштабе откладывается ко­личество агрегатов необходимых для выполнения определенной операции, а на горизонтальной оси ‑ время выполнения (срок Д_х) операции.

Получившийся на графике прямоугольник отображает определенную операцию (на графике она отмечается порядковым номером, который соответствует номеру данной операции по технологической карте). Площадь прямоугольника в масштабе соответствует количеству агрегато-дней, необходимых для выполнения заданного объема работ в установленный срок.

Операции, совпадающие по срокам, показываются на графике пря­моугольниками, которые построены последовательно один над другим. Верхняя граница этих прямоугольников определяет потребное количество тракторов в данный календарный период.

При небольшом количестве марок тракторов и видов выполняемых работ можно строить объединенный график, на котором будут наглядно просматриваться пики (максимальная загрузка трактора в одно и то же время) и провалы (слабая загрузка трактора).

Периоды с максимальной (пиковой) и минимальной потребностью в данном типе трактора можно несколько уравнять, выполнив коррек­тировку графика. Это производится:

· путем изменения количества агрегатов, выполняющих данную производственную операцию, в пределах агротехнического срока;

· при односменной работе машинно-тракторного парка переводом некоторых работ, которые выполняются в сжатые агротехнические сроки, на двусменную работу. Например, по графику рис. 4.4 для посадки (операция 2) требуются 4 агрегата, в то время как остальные работы выполняются двумя агрегатами. В этом случае посадку целе­сообразно перевести на 2-сменную работу и для выполнения работ запланировать два трактора марки ЛХТ-55М;

· перераспределением работ между запроектированными тракторами разных марок.

После корректировки графика по пиковым нагрузкам определяется количество тракторов данной марки проектируемого тракторного парка.

По графику также устанавливается количество рабочих машин для проектируемого машинно-тракторного парка (по периодам наибольшей потребности).

На графике машино-использования рекомендуется строить кривую средней выработки трактора в условных эталонных гектарах с нарас­тающим итогом, чтобы был виден конечный результат выработки каждого трактора и проектируемого парка в целом. Иногда на график наносят линии, указывающие сроки и продолжительность проведения различных видов ремонтов и технических обслуживаний.

4.3. Способы движения машинно-тракторных агрегатов

МТА во время работы совершает элементы рабочего и холостого движения. Рабочие движения на открытых участках близки к прямолинейным, холостые связаны с поворотами, заездами и переездами с одного участка на другой.

Холостые ходы МТА снижают его производительность и увели­чивают затраты времени и энергии. Поэтому при работе агрегата необходимо стремиться к увеличению длины рабочих ходов и сокращению холостых. При выполнении работ по лесовосстановлению холостые движения агрегатов велики и доходят до 40‑50%. Непроизводительные затраты времени, расход энергии у МТА возрастают на участках небольших по площади, неправильной конфигурации, при работе МТА под пологом леса, на вырубках, склонах и т. д.

Повысить экономичность движения МТА даже в сложных условиях можно за счет организации и подготовки объектов к работе, осуществления рационального движения агрегата, правильного выбора маршрутов движения и др.

Важным условием высокопроизводительной и экономичной работы МТА является выбор самого агрегата. Он должен обладать хорошими маневровыми качествами: проходимостью, поворотливостью, устойчивостьюв движении,управляемостью.

Проходимость МТА характеризуется способностью преодолевать препятствия, встречающиеся на пути, без внешних вспомогательных средств. Различают два типа препятствий:

· оказывающие сопротивление движению (рыхлые грунты, подъемы);

· способные вызвать опрокидывание агрегата (крутые спуски, овраги и т. д.).

На проходимость агрегатов для лесовосстановления большое влияние оказывают пни и захламленность вырубок. На таких объектах работы выполняются тракторами, способными преодолевать эти препятствия без опрокидывания.

Для переувлажненных почв необходимо комплектовать агрегаты с тракторами болотных модификаций, или оснащать имеющиеся тракторы специальными средствами для повышения проходимости, например колесные тракторы должны оснащаться моногусеницами.

Поворотливость агрегата определяется его способностью переходить от прямолинейного движения к криволинейному и наоборот. Поворотливость агрегата зависит от типа трактора, скорости движения, технического состояния, квалификации оператора. Гусеничными тракторами быстрее достигается определенный радиус поворота, чем колесными.

Устойчивость агрегата оценивается устойчивостью в продольной и поперечной плоскостях. Она зависит от размеров агрегата, рельефа местности, точек приложения сил и других факторов. Агрегат работает устойчиво, если сохраняет установившееся направление движения.

Управляемость движения ‑ это способность агрегата изменять одно направление движения на другое, заданное органами управления.

Различают три основных способа движения агрегатов (рис. 4.5):

· гоновый (направление рабочих ходов совпадает с направлением большей стороны участка);

· диагональный (рабочие ходы направлены под углом к сторонам участка). Рекомендуется использовать на площадях неправильной конфигурации;

· круговой (направление рабочих ходов совпадает с направлением всех сторон рабочего участка). Эффективен на больших площадях.

При гоновом способе движения МТА значительную часть пути со­вершает вхолостую, при круговом осуществляется непрерывное рабочее движение, но при проведении работ по лесовосстановлению круговое движение агрегата весьма ограничено, также как и диагональное.

Гоновый способ движения агрегата имеет множество видов. Наиболее распространенным из них является челночный. Он применяется при обработке почвы в посевных и школьных отделениях питомников, при посадке или посеве, при междурядной обработке почвы. При способе движения челноком рабочие ходы следуют непосредственно один за другим, но направление последующего хода противоположно предыдущему.

Рис. 4.5. Способы движения машинно-тракторного агрегата:

а – гоновый; б– диагональный; в‑ круговой

При вспашке почвы применяется движение всвал и вразвал. При вспашке всвал агрегат начинает движение с осевой линии участка. По мере его работы расстояние между рабочими ходами увеличивается. При вспашке вразвал агрегат начинает работу с правого края загона, затем переезжает на левый, потом снова на правый и т. д. Работа агрегата заканчивается на срединной линии загона.

МТА совершают повороты в основном на 90° (рис. 4.6) и 180° (рис. 4.7). На небольших по площади участках, а также при сложной конфигурации повороты агрегатов могут быть произвольными. Они совершаются на поворотных полосах рабочего участка. Виды поворотов агрегатов зави­сят от состава агрегата, ширины его захвата, вида выполняемой работы, конфигурации участка, квалификации тракториста.

При создании лесных культур чаще всего применяются грушевидные и беспетлевые дугообразные повороты, а на небольших участках ‑ петлевые повороты с задним ходом. При работе агрегатов в лесных питомниках используются петлевые грушевидные, дугообразные беспетлевые и беспетлевые повороты на 180°.

Рис. 4.6. Повороты МТА на 90°:

а ‑ беспетлевой; б ‑ петлевой с открытой петлей; в ‑ петлевой с закрытой петлей; г ‑ петлевой с задним ходом

Рис. 4.7. Повороты МТА на 180°:

а‑ беспетлевой дугообразный; б‑ беспетлевой с прямолинейным участком; в‑ петлевой грушевидный; г ‑ петлевой восьмерной; д ‑ с закрытой петлей (с задним ходом); е‑ с открытой петлей (с задним ходом)

Траектория движения МТА (пахотного, лесопосадочного, культиваторного) очень сложная, особенно на нераскорчеванной вырубке, и состоит в основном из криволинейных отрезков. С увеличением количества пней на 1 га до 700 шт. проходимость агрегата затрудняется. Он движется, как правило, по кривым с радиусом 4‑7 м и через каждые 20‑25 м сталкивается с пнем.

Экономичность движения агрегата зависит от соотношения рабочего и холостого движений и определяется по коэффициенту рабочих ходов φ′:

, (4.28)

где ‑ суммарная длина рабочих ходов, м:

, м (4.29)

где: S ‑ площадь рабочего участка, га; В_р ‑ рабочая ширина захвата агрегата, м; ‑ суммарная длина холостых ходов, м:

, м (4.30)

где: ‑ длина холостого хода при повороте, м; n ‑ количество поворотов.

В среднем коэффициент рабочих ходов агрегата колеблется в пре­делах 0,7‑0,75. При работе МТА на вырубках и склонах этот коэффициент может иметь меньшее значение.

4.4. Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляются к машинно-тракторному агрегату во время его работы.

2. Как происходит комплектование машинно-тракторного агрегата.

3. Что такое тяговое сопротивление плуга и из каких величин оно складывается.

4. Какие орудия используются для дополнительной обработки почвы.

5. Что такое управляемость движения.

6. Способы движения машинно-тракторных агрегатов.