7.1 - Обоснование универсальности, комбинирования, агрегатирования СХМ.

7.2 - Анализ возможности агрегатирования сельхозмашин и энергетических средств.

7.3 - Методы обоснования ширины захвата проектируемой СХМ.

7.4 - Обоснование типоразмеров сельскохозяйственных машин.

             Сельскохозяйственные машины, образующие систему машин, подразделяются на специальные, универсальные, комбинированные и универсально-комбинированные.

            К специальным машинам относятся машины, которые способны в производственном процессе выполнять только одну технологическую операцию (плуг, картофелесажалка и т.д.).

            К универсальным машинам относятся машины, способные выполнять две и более операций в различное время в течение года (стационарные зерноочистительные машины, культиватор (сплошная и междурядная обработка почвы)).

            К комбинированным машинам относятся сельскохозяйственные машины, способные одновременно выполнять две и более операций в одном технологическом процессе (зернотуковые сеялки, комбинированные почвообрабатывающие машины и т.д.)

            Комбинация комбинированных и универсальных машин –универсально-комбинированная машина (зерноуборочный комбайн) (рис.7.1).

Рис. 7.1. Схема основных технологических процессов и операций,

выполняемых универсально- комбинированной СХМ – зерноуборочный комбайн

            Применение универсальных и комбинированных СХМ позволяет повысить производительность труда, снизить эксплуатационные издержки, уменьшить металлоемкость, капитальные затраты на приобретение машинно-транспортного парка. Кроме того, уменьшается номенклатура и общее количество используемых машин, что требует меньших затрат на организацию ремонтной базы и хранение техники, создаются предпосылки к внедрению более мощных тракторов. Снижение эксплуатационных издержек происходит по всем составляющим элементам эксплуатационных затрат СХМ.

            Универсализация машины с одной и той же несущей конструкцией, но с заменяющими рабочими органами для выполнения различных операций ведет к снижению металлоемкости и стоимости СХМ по сравнению с группой универсальных СХМ, выполняющих эти технологические операции.

            Применение комбинированных машин устраняет необходимость многократного передвижения агрегатов по полю, при этом полнее используется мощность трактора, что ведет к повышению производительности труда и сокращению потребления горючего, к снижению расходов на зарплату в связи с уменьшением общего количества работ.

            Большинство специализированных машин в течение года используется короткое время, например: зерновые сеялки – 5-20 дней; зерноуборочные комбайны – 15-20 дней (при уборке только зерновых); картофелесажалки – 6-8 дней и т.д. Вследствие этого возникает огромная потребность в металле и требуются дополнительные капиталовложения. Физическая амортизация специализированных СХМ растягивается на много лет, следовательно, такие СХМ морально «стареют» еще до их полного износа.

            Универсальные машины, у которых амортизационные сроки намного короче, чем у специализированных, в большей степени способствуют техническому прогрессу.

            К настоящему времени издержки эксплуатации агрегатов и СХМ становятся превалирующими в общей сумме затрат производимой земледельческой продукции. В дальнейшем доля этих затрат будет все время увеличиваться, а доля человеческого труда уменьшаться. Возрастающая роль техники в сельскохозяйственном производстве потребует дополнительных денежных вложений. Универсализация и комбинирование сельхозтехники позволит рационально использовать эти денежные вложения при всемерном повышении производительности труда.

            Условия создания универсальных машин. Особенности сельскохозяйственного производства создают предпосылки для универсализации и комбинирования техники. Принципы универсализации вытекают из технологии сельскохозяйственного производства, расчленяющиеся на технологии производства отдельных продуктов. Универсальные машины целесообразно создавать в случаях, когда:

1) выполнение работ ограничено жесткими и несовпадающими по времени сроками, и сроки выполнения работ имеют между собой разрывы времени, достаточные для переоборудования машины на выполнение другой технологической операции, например, перестройка зерноуборочного комбайна с уборки зерновых (июль) на уборку кукурузы на зерно (сентябрь);

2) отдельные работы, даже достаточно продолжительные, производятся машинами, близкими между собой по выполняемому технологическому процессу, а сроки этих работ могут совпадать, например, междурядная обработка и сплошная культивация занимают соответственно 17,5% и 37% от общего рабочего времени полевого периода, но сроки их выполнения совпадают. В этом случае сплошную культивацию и междурядную обработку можно выполнять универсальной машиной, у которой в зависимости от производимой работы только заменяют или различным образом расставляют на раме рабочие органы.

Условия создания комбинированных машин. Комбинированные машины целесообразно создавать в случаях, когда сроки выполнения разноименных операций или полностью совпадают, и данные работы возможно выполнять одновременно, или совпадают не полностью, а только отдельными своими отрезками, например, совмещение вспашки, выравнивания, прикатывание катками.

            Анализ сформулированных принципов универсализации и комбинирования техники показывает о целесообразности использования специализированных СХМ на операциях с большой длительностью их выполнения.

            Универсализация и комбинирование СХМ должны происходить в разумных пределах и в соответствии с достигнутым уровнем развития техники. Экономическая выгода в проектировании универсальных и комбинированных СХМ устанавливается путем сравнения их эксплуатационных или приведенных затрат с этими же затратами у специальных СХМ.

Универсальную-ю СХМ можно проектировать, если имеет место неравенство [4]

,                  (7.1)

где -е технологические операции, которые возможно выполнять универсальной СХМ, индексы «у» и «с» - соответственно универсальной и специальной СХМ; - объем работы на максимальной по объему работ операции (га, т); - наработка одной СХМ на         -й операции (га, т); - цена выполнения -й операции (руб.); , ,  - отчисления соответственно на реновацию (отчисления на приобретение новой машины после износа старой), ремонт и поддержание работоспособности СХМ;  - время              агросрока на выполнение -й операции (ч);  - суммарное время агросроков -х операций, выполняемых универсальной машиной (ч).

            Неоднозначность выражения (7.1) определяется тем, что числители левой части неравенства больше числителей правой части, так как цена универсальной машины больше специальной

,

но время универсальной машины больше времени работы специальной

.

            Определяющим фактором универсализации, как правило, можно считать то, что цена универсальной машины меньше, чем сумма цен            -го количества специальных машин.

            Комбинированные машины проектируют также при условии неравенства (7.1), где индекс универсальной машины « Y» надо заменить на индекс комбинированной машины «К». При этом возможно прибавить к правой части неравенства (7.1) стоимость дополнительного продукта, который получается за счет сохранения плодородия почвы, вызываемого меньшим травмированием почвы колесами комбинированной СХМ (может выполнять несколько операций на один проход по полю – скашивание, обмолот, сепарацию (зернокомбайн), или специальные машины: скашивание в валок – один проход по полю, обмолот – второй проход и т.д.)

Рис. 7. 2. Зависимость урожайности зерновых от плотности  почвы; - потери урожайности от увеличения плотности почвы

            Для зерновых культур известна, например, зависимость урожайности от плотности почвы, в которую уложены семена (рис 7.2.). Видно, что величина плотности  существенно влияет на будущий урожай.

            Иногда к правой части неравенства (7.1.) целесообразно прибавить разницу затрат на горючее (специальные СХМ перемещаются по полю  раз, комбинированные один раз).

            Кроме комбинированных СХМ, в сельскохозяйственном производстве применяют комбинированные агрегаты, которые составляются из комбинированных СХМ различного назначения. Комбинированный агрегат формируется в тех случаях, когда в технологических процессах необходимы различные операции, которые могут быть выполнены в отдельных СХМ, вошедших в агрегат.

            Для обоснования агрегатируемости проектируемой СХМ необходимо решить следующие задачи [4, 45]:

1) целесообразность проектирования самоходной СХМ или СХМ агрегатированной с энергетическим средством (трактором или самоходным шасси);

2) вид соединения энергетического средства с проектируемой СХМ;

3)  анализ возможности агрегатирования СХМ и энергетических средств.

Решение этих вопросов достигается различными путями. Основным из них является определение приведенных затрат (руб. /т., руб. /шт.) на единицу продукции проектируемой СХМ для различных ее выполнений (самоходная, агрегатируемая с энергетическим средством, прицепная, навесная, полунавесная), при этом необходимо предварительно оценить оптимальные параметры машины в каждом рассматриваемом случае. Эта задача достаточно сложная и трудоемкая. При составлении исходных данных для решения таких задач накладывается большое количество ограничений, которые необходимо учитывать.

            Самоходные машины экономически целесообразно применять в напряженный период полевых работ, который устанавливается анализом технологических процессов сельскохозяйственного производства и характеризуется максимальным объемом работ данного вида в определенный период времени.

            Для выполнения технологической или вспомогательной операции в этот период времени с применением проектируемой машины потребуется привлечение дополнительного количества тракторов по сравнению с остальными периодами года (трактора для отвоза соломы, вспашки поля и т.д.). При этом затраты, зависящие от капитальных вложений на тракторы и агрегатируемые СХМ, будут превышать аналогичные затраты на самоходную СХМ, [4]

            Условие экономической целесообразности для выполнения самоходной СХМ можно выразить неравенством:

,    (7.2)

где - цена энергетического средства (ЭС) агрегата; -время агросрока -й СХМ и время загрузки ЭС в году; - цена       -й СХМ в агрегате и самоходной СХМ; - соответственно отчисления на реновацию, ремонт и восстановление -й СХМ () в агрегате и самоходной (с) СХМ;  - стоимость дополнительного продукта, образующегося при самоходном варианте СХМ (например, при выполнении самоходной СХМ для уборки свеклы, срезаемая ботва (200 – 250 ц/га) собирается и используется в кормопроизводстве; при работе подобной СХМ в агрегате впереди идущим трактором часть ботвы разрушается, придавливается трактором).

            Вид соединения СХМ с энергетическим средством зависит от ряда факторов:

            при необходимости свободного и точного копирования рельефа местности (посев, баранование, прикатывание и т. п.) целесообразно проектировать прицепные машины  и  агрегаты. В этих  агрегатах предусматриваются гидросцепки для быстрого перевода СХМ из транспортного положения в рабочее и обратно;

            при необходимости копирования местности и регулирование глубины хода рабочих органов или их высоты над землей применяются полунавесные агрегаты, которые позволяют передать часть веса СХМ или вертикальной реакции рабочих органов при выполнении техпроцесса на ходовую часть ЭС. В связи с этим конструкция СХМ упрощается, а ее функции передаются машинисту ЭС;

            навесные СХМ  целесообразно применять тогда, когда не требуется точного копирования рельефа почвы, и ее копирование производится колесами ЭС (болотные плуги с большой энергоемкостью); при этом СХМ имеет короткую рабочую базу (например, 2,4-корпусные плуги), также в случаях, когда давление СХМ или ее элементов на почву, исходя из необходимости реализации технологических операций, должно быть небольшим для хорошего копирования (например, жатка, навешиваемая на молотилку зернокомбайна). 

Соединение сельскохозяйственных технологических машин с источником энергии (энергетическим средством) передаточными и вспомогательными устройствами называется сельскохозяйственным агрегатом.

Агрегаты, энергетическим средством которых являются тракторы (от traction – тянуть), называют машинно-тракторными агрегатами.

Помимо машинно-тракторных в сельском хозяйстве находят применение агрегаты на базе самоходных машин (например, комбайнов), универсальных и специализированных самоходных шасси.

По числу машин агрегаты определяют как одномашинные и многомашинные.

По составу машин и числу выполняемых операций агрегаты классифицируют: однородные, в которых все машины выполняют одну и ту же  сельскохозяйственную операцию (например, культивацию или сев); комплексные, в которых машины выполняют заданную технологией возделывания культуры последовательность операций (например, основную обработку почвы, рыхление и выравнивание); комбинированные, в которых машины выполняют разнородные технологические операции по возделыванию культуры (например, подготовку почвы, посев, внесение удобрений и защиту растений за один проход); универсальные, которые приспособлены к выполнению нескольких технологических операций по возделыванию и уборке сельскохозяйственных культур.

По способу соединения (агрегатирования) рабочей машины с энергетическим средством агрегаты классифицируют как: прицепные, рабочие машины  которых имеют собственную ходовую систему, обеспечивающую позиционирование рабочих органов в рабочем и транспортном положениях; полунавесные, - рабочие машины  которых имеют собственную ходовую систему, но одной из опор которых является сцепное устройство энергетического средства; изменением высоты точки соединения этого сцепного устройства обеспечивают позиционирование рабочих органов в рабочем и транспортном положениях; навесные, рабочие машины, имеющие собственную раму, на которой смонтированы их сборочные единицы, но для перемещения и позиционирования рабочих органов используют навесное (специальное сцепное) устройство энергетического средства; монтируемые, рабочие машины которые не имеют единой собственной рамы, их сборочные единицы смонтированы на раме и навесных устройствах энергетического средства, обеспечивающего перемещение и позиционирование рабочих органов.

По расположению рабочих органов относительно продольной оси агрегаты бывают симметричные и асимметричные.

По способу получения энергии рабочими органами агрегаты определяют как: тяговые; с приводом рабочих органов от вала отбора мощности (ВОМ) энергетического средства; с приводом рабочих органов от собственного двигателя; с приводом рабочих органов от опорно-ходовых колёс.

Независимо от способа агрегатирования агротехнологические, энергетические, экологические, эргономические свойства агрегата существенно отличаются от свойств, входящих в него машин и тракторов. Эксплуатационные свойства агрегата в рабочем или транспортном положении могут не удовлетворять агротехническим требованиям или требованиям безопасности. Поэтому при проектировании необходимо анализировать возможности агрегатирования проектируемых сельхозмашин с энергетическими средствами.

7.2.1. Анализ соответствия прицепных, сцепных

и навесных устройств сельхозмашин и энергетических средств

Прицепные устройства для агрегатирования прицепных и полунавесных сельхозмашин с энергетическими средствами должны соответствовать ГОСТ 13398-82. Типы, основные параметры и размеры тягово-сцепных устройств (скоба для присоединения прицепных машин, крюк для транспортных орудий, гидрокрюк для полунавесных машин, ВОМ) энергетических средств должны соответствовать ГОСТ 3481-79. Это обеспечит соответствие размеров, но только в рамках тяговых диапазонов энергетических средств. Размеры тягово-сцепных устройств энергетических средств тяговых классов 0,6 – 2 отличаются от соответствующих размеров энергетических средств классов 3 – 6 , а эти, в свою очередь, от размеров тягово-сцепных устройств энергетических средств тяговых классов 8 и более.

При назначении агрегатирования сельхозмашин, таким образом, необходимо проверять соответствие размерам тягово-сцепных устройств энергетических средств, назначаемых тяговых классов, а по ГОСТ 19677-87 и по технической документации - наличие заданного типа сцепного устройства у конкретно назначаемых модификаций энергетического средства.

Навесные устройства сельхозмашин должны соответствовать ГОСТ 10677-2001 на задние навесные устройства и ГОСТ 27378-87 на передние навесные устройства энергетических средств. При этом также необходимо учитывать различия присоединительных размеров навесных устройств энергетических средств тяговых классов 0,6 – 2 и 3 – 6. Необходимо также учитывать некоторые кинематические различия навесных устройств колёсных и гусеничных энергетических средств. Если в агрегате предусмотрено устройство быстросоединяющее (автосцепка), его параметры должны соответствовать ГОСТ 25942-90.

При агрегатировании монтируемых сельхозмашин наличие присоединительных элементов энергетических средств и их размеры проверяют по технической документации, предоставляемой разработчиком или производителем этого энергетического средства.

7.2.2. Анализ соответствия агрегата

техническим требованиям

Если у сельскохозяйственной машины и энергетического средства сцепные или навесные устройства соответствуют, предполагаемый агрегат проверяют на соответствие агротребованиям по допустимому удельному давлению на почву, колее и ширине движителя, дорожному просвету, абрису (контуру) агрегата в рабочем и транспортном положениях.

Наибольший вес навешиваемой или монтируемой на энергетическое средство машины  указывается в технической документации. Оценивается наибольший вес машины по запасу грузоподъёмности шин колёсного трактора и по предельному среднему давлению на почву. Например, предельное среднее давление на стерню гусеничных энергетических средств должно быть не более 80 кПа, а на пашню – 60 кПа.

Ориентировочно, максимальный вес навешиваемой или монтируемой машины может быть рассчитан для агрегата с гусеничным энергетическим средством:

 ;                               (7.3)

с колёсным энергетическим средством:                                                                                    

 ,                            (7.4)

где Q  - наибольший вес агрегатируемой машины, кг; L – длина опорной поверхности гусеницы, см; b – ширина гусеницы, см; G – вес            энергетического средства, кг; Y₁ и Y₂ – предельные нагрузки            на шины переднего и заднего колес при заданном давлении по ГОСТ 7463-80, кг;  - допустимое время, кг/см².

Колея (расстояние между центрами опорных поверхностей шин и траков гусениц) энергетических средств, прицепных, полунавесных машин, а также расстановка опорных колёс навесных и монтируемых машин в рабочем положении должны соответствовать схеме посадки (чередованию ширин междурядий)  обрабатываемой культуры на пропашных операциях. Пределы регулирования колеи, расстановки опорных колёс должны охватывать все рекомендуемые схемы посадки культур. Ширина опорной поверхности колёс и гусениц должна обеспечивать установленные агротребованиями ширины защитных полос при рекомендуемых технологией междурядиями.

Расстояние до почвы от нижней точки энергетического средства и машины в транспортном положении (дорожный просвет) у агрегата не может быть менее 0,35 м, в рабочем положении – в соответствии с агротребованиями на выполняемые операции. Наибольшая высота агрегата в транспортном положении не должна превышать 4,5 м. На агрегаты, работающие в садах, виноградниках, посадках хмеля, иных высокорослых культурах агротребывания накладывают дополнительные ограничения по контуру в рабочем и транспортном положениях. Для проверки соответствия агрегатов агротребованиям по дорожному просвету и контуру выполняют прочерчивание агрегата в рабочем и транспортном положениях.

7.2.3. Анализ устойчивости агрегата

Агрегаты, соответствующие агротребованиям, проверяют на продольную и поперечную устойчивость в рабочем и транспортном положениях.

Угол статической продольной устойчивости навесного и монтируемого агрегата в транспортном положении должен быть более 33⁰. Потеря продольной устойчивости возникает, если при предельном угле наклона опорной поверхности давление на переднюю ось колёсного энергетического средства равно нулю, или проекция центра тяжести агрегата с машиной в транспортном положении выходит за опорную поверхность гусениц.

Рис.7.3. Схема сил, действующих на агрегат с машиной в транспортном положении: Gt – вес энергетического средства; Ac – плечо центра масс энергетического средства; Gm – вес

агрегатируемой машины; Am – плечо агрегатируемой машины; Hc – высота центра масс энергетического средства над опорной поверхностью; Hm - высота центра масс агрегатируемой

 машины в транспортном положении над опорной поверхностью

Рассчитывается статический угол α продольной устойчивости агрегата (рис.7.3) следующим образом:

,                                (7.5)

где Gt – вес энергетического средства, кг; Ac – плечо центра тяжести энергетического средства, м; Gm – вес агрегатируемой маши-           ны, кг; Am – плечо

агрегатируемой машины, м; Hc – высота центра масс энергетического средства над опорной поверхностью, м; Hm - высота центра масс агрегатируемой машины в

транспортном положении над опорной поверхностью, м (см. рис.7.3).

Прицепные и полунавесные агрегаты проверяют на продольную устойчивость в рабочем положении. Эти агрегаты должны сохранять продольную устойчивость

при работе на полях с наклоном: для колёсных энергетических средств – в 12^о; для гусеничных энергетических средств – 20^о.

Продольная устойчивость энергетического средства с прицепной машиной (рис.7.4) определяется уравнением

,            (7.6)

где α – предельный угол работы агрегата, градусы; Gt – вес энергетического средства, кг; Ac – плечо центра масс энергетического средства, м; Pkp- тяга энергетического средства, кгс; Hkp – высота точки прицепа над опорной поверхностью, м; Hс - высота центра                  масс энергетического средства над опорной поверхностью, м           (см. рис.7.4).

Рис.7.5. Схема сил, действующих на агрегат при движении вдоль склона: α – предельно допустимый угол работы агрегата; Gt – вес энергетического средства; В – колея энергетического средства; е –смещение центра давления движителя на грунте для колёсных энергетических средств; Gm – вес заправленной агрегатируемой машины; Hс - высота центра масс энергетического средства над опорной поверхностью; Hр - высота центра масс агрегатируемой машины в транспортном положении над опорной поверхностью; Fин.t – центробежная сила энергетического средства при заданной скорости и мгновенном радиусе поворота; Fин. m – центробежная сила агрегатируемой машины при заданной скорости и мгновенном радиусе поворота

Поперечная устойчивость оценивается при повороте агрегата в транспортном положении во время движения вдоль склона. Угол наклона поля для работы

агрегатов принимают 12^о; для работы агрегатов на базе крутосклонных (горных) энергетических средств – 18^о. Скорость движения агрегата принимается равной

 скорости движения холостого хода, мгновенный радиус поворота вверх по склону – 1,5 минимального для агрегатируемого энергетического средства.

Условие устойчивости агрегата на склоне находим уравнением

_\, (7.7)

где α – предельно допустимый угол работы агрегата, градусы; Gt – вес энергетического средства, кг; В – колея энергетического средства, м; е –смещение центра давления движителя на грунте для колёсных энергетических средств, м; Gm – вес заправленной агрегатируемой машины, кг; Hс - высота центра масс энергетического средства над опорной поверхностью, м; Hm - высота центра масс агрегатируемой машины в транспортном положении над опорной поверхностью, м; V - скорость движения агрегата вдоль склона, м/с; R- мгновенный радиус поворота агрегата , м; g – ускорение силы тяжести (см. рис.7.5).

Кроме поперечной устойчивости, проверяют отсутствие сползания при повороте агрегата в транспортном положении во время движения вдоль склона. Условие отсутствия сползания агрегата при работе вдоль склона определяем выражением

,                 (7.8)

где φ – коэффициент сцепления движителя; Gt – вес энергетического средства, кг; Gm – вес заправленной агрегатируемой машины, кг; α – предельно допустимый угол работы агрегата, градусы; V - скорость движения агрегата вдоль склона, м/с; R- мгновенный радиус поворота агрегата , м; g – ускорение силы тяжести.  

7.2.4. Оценка скорости движения агрегата

Для агрегатов, удовлетворяющих агротребованиям и требованиям устойчивости, рассчитывают приблизительную, ориентировочную рабочую скорость движения, необходимую для оценки эффективности агрегата.

Ориентировочная рабочая скорость агрегата рассчитывается зависимостью

,             (7.9)

где Vp - рабочая скорость агрегата, м/с; γ – допустимый КПД буксования агрегата (до 0,15); α – предельный угол работы агрегата, градусы; Pkp- тяга энергетического средства, кН; Gt – вес энергетического средства, кН; Gm – вес заправленной агрегатируемой машины, кН; f – коэффициент перекатывания для движителя по агрофону (0,6 – 0,8);  Ne – номинальная мощность двигателя энергетического средства, кВт; Nв – мощность на привод рабочих органов машины от вала отбора мощности (ВОМ) или от гидросистемы энергетического средства, кВт.

Если агрегатирование выбрано правильно, то рабочая скорость Vp агрегата должна быть в диапазоне 1,35…2,3 м/с. Если рассчитанная скорость движения агрегата оказывается меньше 1 м/с, то выбранное универсальное энергетическое средство может работать с машиной только при наличии дополнительного оборудования (ходоуменшителя). Необходимо ещё раз проанализировать агрегатирование и по возможности выбрать другое, более мощное энергетическое средство. Если рассчитанная скорость более 2,5 м/с, агрегат не полностью использует эффективную мощность двигателя энергетического средства. Это также является основанием для пересмотра агрегатирования, но в меньшую сторону. Если спроектированная рабочая машина не находит эффективного агрегатирования или противоречит агротребованиям и требованиям устойчивости со всеми универсальными энергетическими средствами – это основание для пересмотра параметров этой машины.

Современные методы по оценке ширины «b» захвата проектируемой мобильной СХМ базируются, как правило, на экономических показателях. При этом на первой стадии проводится оценка ширины «b» захвата СХМ с использованием принципов согласования параметра «b» в технологических процессах по качеству выполняемой работы,  согласования производительности в поточных технологических линиях, согласование с требованиями сохранения плодородия почвы и неповреждаемости растений, согласование с энергетическими и техническими характеристиками трактора и др. На втором этапе проводится обоснование типоразмеров (один или несколько рациональных величин «b» СХМ одного типа (например, жатки –хедер (ЖХ) зерноуборочного комбайна) по экономическому критерию (приведенные затраты на выполнение СХМ заданного технологического процесса) (7.26) с учетом вышеуказанных согласований параметра «b» СХМ.

7.3.1. Согласование параметров по качеству работы

Возникает из-за необходимости обеспечения качества работы на предыдущих и последующих технологических операциях. Рассмотрим несколько примеров.

1. При выборе ширины захвата СХМ, выполняющих культивацию или подкормку пропашных культур (свекла, картофель) должна учитываться ширина захвата (рядность) СХМ, выполняющих предшествующую технологическую операцию (например, посев). СХМ, выполняющие i-ую операцию должны иметь число секций  равное или кратное числу секций СХМ на предыдущей (i -1)-й технологической операции

 ,                     (7.10)

где К= 1,2,3 …,С – целые числа. 

При нарушении условия (7.10) возможно нарушение агротребований в технологии обработки пропашных культур (например, рациональное количество сошников в i-1-й операции и культиваторных лап в     i–й операции. Здесь: В -расстановка рабочих органов (секций) в СХМ:            i-1-я  операция - СХМ с 4-мя секциями (например, посев); i-я операция - СХМ с 5-ю секциями (например, междурядная культивация) (рис.7.6).

2. При проектировании ширины В жатки-хедер (ЖХ) для зерноуборочного комбайна (ЗК) для заданных условий его функционирования (урожайность q (Ц/га); производительность молотилки ЗК Q (кг/с); средняя рабочая скорость ЗК V (м/с); С – отношение зерна к соломе) для этих условий расчетная рабочая ширина  ЖХ определяется из условия

,

где  -подача хлебной массы из ЖХ в молотилку ЗК, обеспечивающая рациональные условия функционирования молотилки.

 кг/с                        (7.11)

.

Из (7.11)

 м.                                  (7.12)

            Например, для молотилки зерноуборочного комбайна с Q=9кг/с, при c=1/2 (),   V=6км/ч (1,666 м/с) в зависимости от урожайности q зерновых необходимая расчетная рабочая ширина  захвата ЖХ представлена в табл.7.1.

Таблица 7.1

Рациональные параметры  жатки зернокомбайна

производительностью 9 кг/с от урожайности q зерна пшеницы

Некоторая корректировка в оценке параметра может быть проведена за счет небольшого изменения величины рабочей скорости V ().

            Изменение урожайности q повлечет за собой и изменение расчетной рабочей ширины  жатки для выполнения условия (7.11).

            Рациональные типоразмеры ЖХ для различных исходных данных при функционировании определяются из условия обеспечения максимальной прибыли от изготовления и эксплуатации зернокомбайна       с проектируемой ЖХ (см. п.7.5).

7.3.2. Согласование производительности СХМ в поточных технологических линиях

Для обеспечения максимальной эффективности непрерывного функционирования СХМ в поточных технологических линиях необходимо, чтобы производительность  машины на предыдущей операции была бы равна или меньше производительности  СХМ на последующей операции

 .                          (7.13)

            При нарушении условия (7.13) производительность поточной технологической линии будет равна производительности СХМ (с минимальной производительностью) в этой технологической линии, что снижает эффективность эксплуатации всей технологической линии.

7.3.3. Согласование параметров СХМ с требованием сохранения плодородия почвы и неповреждаемости культурных растений

В агропромышленном производстве имеют место условия работы мобильной СХМ, когда выезд транспортного средства для погрузочно-разгрузочных работ в поле не допускается из-за возможного нарушения плодородия почвы или из-за травмирования культурных растений. Например: нежелательно заправлять сеялки и разбрасыватели удобрений на поле; недопустимо движение транспортных средств для отвозки готовой продукции от комбайна по хлопковому полю и т.д. В этих случаях загрузку машин надо выполнять на поворотной полосе или на краю поля.

Поэтому объем бункера  СХМ должен обеспечить работу без остановок для выгрузки (загрузки) бункера при  проходах (=1,2,3,…,), длиной (м), по полю  длиной (м). Это требование выполняется при условии [4]

.                       (7.14)

Здесь - масса продукта, заполняющего (или опорожняющего) емкость бункера (норма высева семян, урожайность), кг/га.

            Если объем  бункера можно увеличить, то он рассчитывается с учетом целого числа  проходов по полю, т. е.

.

            Расчетный объем  бункера СХМ необходимо согласовать с объемом  кузова транспортной машины из условия

 .                               (7.15)

Здесь с=1,2,…, - целое число. 

            Условие (7.15) при  определяет выгрузку (загрузку) сельхозматериала из бункеров нескольких СХМ в кузов одной транспортной машины.

Из условия (7.15) можно определить необходимый объем  СХМ, а из выражения (7.14) – длину  ее рабочего пути и число проходов  СХМ по полю.

            Время заполнения (опорожнения) бункера СХМ

,                                   (7.16)

Подставив в (7.16)  из (7.14), получим

.                                       (7.17)

            При расчете время  подхода транспортной машины к СХМ на поворотной полосе для обеспечения ее разгрузки (загрузки) примем

.

Для выполнения этого условия число  транспортных машин будет

 ,

где -время, затрачиваемое транспортной машиной на весь цикл ее работ (без учета времени на ее восстановление в период времени цикла)

,                 (7.18)

где - время на доставку материала «поле-склад», определяется из выражения (6.9);  - время на холостой ход «склад-поле», определится из выражения (6.7); - время  маневрирования на поворотной полосе, определяется из выражения (6.11); -время на разгрузку (загрузку) материала на складе, определяется из выражения (6.12); - время ожидания транспортной машины у склада на разгрузку (загрузку), определяется из выражения (8.28);         - время на отдых и естественные надобности оператора транспортной машины, определяется из выражения (8.16).

            Выражения (7.10)-(7.18) позволяют при проектировании бункеров мобильных СХМ оценивать их рабочий объем  для различных условий функционирования. Дополнительными ограничениями на величину объема бункера  являются: допустимое удельное давление колес СХМ на поле; прочность несущих конструкций СХМ; расположение центра масс проектируемой СХМ, определяющее ее устойчивость, маневренность и др.

7.3.4. Согласование параметров СХМ с энергетическими характеристиками трактора

            При известном энергетическом средстве (тракторе), используемом для агрегатирования с проектируемой СХМ с высоким потреблением энергетики (плуги, глубокорыхлители), ограничением ширины В захвата является сила тяги  трактора на крюке

,                                        (7.19)

где - суммарное сопротивление от перемещения СХМ, выполняющей технологический процесс;  - коэффициент использования силы тяги  трактора.

При равномерном, прямолинейном движении агрегата (трактор и СХМ)

.                      (7.20)

Здесь  - движущая сила трактора; - сила веса трактора; -коэффициент перекатывания колес трактора по полю; -угол наклона поля к горизонту.

            На стадии проектирования движущую силу трактора примем равной силе F сцепления ведущих колес трактора с почвой [45]

,                                  (7.21)

где - нагрузка на ведущие колеса трактора в его горизонтальном положении;  - коэффициент сцепления колес траектора с почвой.

.

Здесь  -колесная база трактора; -расстояние центра масс трактора от ведущих колес.

,                              (7.22)

где - тяговое усилие на перемещение одной СХМ или секции         СХМ при ее функционировании, например, тяговое усилие плуга в           первом приближении можно определить по формуле В.П.Горячкина [40]

.                            (7.23)

Здесь - сила веса плуга; - коэффициент сопротивления передвижению плуга в борозде; - удельное сопротивление почвы деформации и разрушению при вспашке;  - глубина и ширина пласта земли, вырезаемого одним корпусом плуга;  - коэффициент, зависящий от формы рабочей поверхности отвала и свойств почвы;  - рабочая скорость плуга (трактора);  - сила веса СХМ, на стадии проектирования можно принять для секционных машин с шириной  захвата  одной секции и количества   секций (например, корпуса плугов, глубокорыхлителей)

.                                      (7.24)

Здесь  - удельная металлоемкость СХМ, кг/м; - количество             секций СХМ.

Подставив  из (7.20) и  из (7.22) в выражение (7.19), с учетом  из (7.24) и  из (7.21), получим

,           (7.25)

отсюда

,          (7.26)

принимая  - целое число, расчетная ширина агрегата или СХМ с  секциями шириной  каждая

.                                           (7.27)

            Очевидно, что величина тягового усилия  различна для СХМ одного типа (например, плуг) в разных природно-климатических зонах (в России 20 природно-климатических зон), следовательно, различны и расчетные величины  агрегатируемых с трактором СХМ и орудий.

            Эффективность применения СХМ в сельском хозяйстве обеспечивается не только организационно-техническими мероприятиями при ее эксплуатации, но также должна планироваться в процессе проектирования СХМ, создания системы машин с рациональными параметрами.

            К созданию системы машин привлекаются конструкторские организации. Напомним, что под системой машин понимается рациональная совокупность машин различного назначения, подлежащая реализации на предприятиях сельхозмашиностроения и позволяющая образовывать комплексы для выполнения всего многообразия производственных процессов во всех природно-климатических зонах Российской Федерации.

            При проектировании машины, вошедшей в систему, необходимо выбрать один или несколько основных ее типоразмеров (например, жатка с шириной захвата 3,5; 4; 5; 6м), обеспечивающих высокие технико-экономические показатели.

            Установлено, что с точки зрения рациональной эксплуатации системы для различных природно-климатических зон требуются разные рациональные параметры (типоразмеры) для одной и той же машины (например, для южных зон, с урожайностью 50 ц/га зерна для комбайна ДОН -1500А требуется жатка с шириной захвата 3,6 м ( =6 км/ч), а для условий северо-запада России при средней урожайности зерна           20 ц/га – жатка с шириной захвата 9м).

            Установлено, что если в какой-либо зоне эксплуатировать СХМ с параметрами, отличными от рациональных (для этой зоны), то это приводит к увеличению затрат в эксплуатации этой СХМ, а отказ от рациональных параметров в целях унификации машин и увеличения при этом масштаба их производства может привести к относительному снижению затрат в промышленности. Таким образом, наличие этого противоречия сводит задачу к поиску экстремума типоразмеров СХМ.

            Для обоснования рациональных параметров машин (ширина захвата, производительность), как правило, используют экономические критерии (приведенные затраты на единицу продукции, прибыль П).

            Примем функцию цели, позволяющую определить рациональные характерные показатели СХМ – ширину  (или несколько однотипных СХМ с разной шириной )-й проектируемой СХМ.

            Тогда  функцию цели можно записать в виде

,(7.28)

где - индекс операций, выполняемых -й СХМ; - индекс природно-климатической зоны; -заработная плата механизаторов ( основная и дополнительная) на единицу работы (продукции) (ЕП), руб./еп; - заработная плата рабочих на ручных операциях (основная и дополнительная), руб./еп; -амортизационные отчисления от балансовой стоимости, руб./еп; -затраты на технический уход и ремонт машины, руб./еп; -амортизационные отчисления от балансовой цены трактора, агрегатируемого с машиной, руб./еп; - затраты на технический уход и ремонт трактора, руб./еп; -затраты на горюче-смазочные материалы или электроэнергию, руб./еп; -затраты на транспорт или авиообслуживание, руб./еп; - затраты на хранение техники, руб./еп; - максимальное требуемое количество СХМ с параметром «» в зоне «» для выполнения -й операции в лимитирующий период (период, требующий максимального количества СХМ для выполнения -й операции).

.                                 (7.29)

Здесь - объем работы на -й операции в зоне «» (га., т);           - эксплуатационная производительность СХМ с параметром «» при выполнении -й операции; - время работы СХМ с параметром «» на -й операции в зоне «».

            Для обеспечения требований сельхозпроизводства вводится условие – необходимость выполнения всеми СХМ данного назначения с различными параметром «» всего объема работ -й операции во всех природно-климатических зонах страны [4]

,                      (7.30)

            Экономические показатели в выражении (7.28) определены в [21], поэтому покажем только часть из них:

амортизационные отчисления от балансовой цены СХМ

,                                 (7.31)

где - отпускная цена СХМ; - коэффициент амортизационных отчислений от цены СХМ; -время работы СХМ на выполнение всех -х операций;

            затраты на технический уход и ремонт СХМ

,                                (7.32)

где -коэффициент отчислений от цены СХМ на ее техобслуживание и ремонт.

            Другие экономические показатели в выражении (7.28) также связаны с ценой СХМ и с параметром «».

            Оптовая цена СХМ, на проектных стадиях, может быть определена из выражения

,                                     (7.33)

где-себестоимость СХМ; -прибыль.

.                             (7.34)

Здесь - чистая масса машины (без покупных изделий), кг;            - коэффициент конструктивной сложности проектируемой СХМ;              -затраты на изготовление 1 кг чистой массы проектируемой СХМ (данные по прототипу) при годовой программе 10 тыс. штук, руб.; - коэффициент изменения величины  в зависимости от объема производства СХМ; -стоимость 1 кг чистой массы материалов, использующихся при изготовлении машины, руб.; - стоимость покупных изделий, руб.

            Расчетная прибыль на одну СХМ

.                            (7.35)

Здесь -принятый уровень рентабельности продукции в сельскохозяйственном машиностроении (); - стоимость материала, составляющего чистую массу СХМ.

            Расчетная отпускная цена СХМ определим из выражения

,                                  (7.36)

где -налог на производство изделия.

            Очевидно, что рациональными будут параметры «» СХМ, при которых реализуется функция цели (7.28)

.

            Для решения (7.28) предварительно оцениваются рациональные параметры «» СХМ для различных природно-климатических зон из условия их эксплуатации (например, см. табл. 7.1)

            Подставляя поочередно найденные рациональные величины параметра «» в выражения (7.29)-(7.36), определяющие его отпускную цену, и в функцию цели (7.28), с учетом ограничений (7.30), находят предварительно одну рациональную величину параметра «» для всех зон «». Затем аналогичный расчет проводится для сочетания двух возможных сочетаний размеров «» (например, табл. 7.1 - два из шести), трех, четырех и более возможных сочетаний при их различных долевых соотношений в количестве СХМ.

            Рациональным будет размер параметра «» ( или соответствующие сочетания параметров «»), определяющий рациональные типоразмеры СХМ, при котором реализуется функция цели (7.28) при выполнении ограничения (7.30)

            Решение такой задачи для всех типов СХМ позволяет создать систему машин, включающую марки машин, их типоразмеры и основные параметры («»,) для различных природно-климатических зон. Причем при ее решении следует учитывать ограничения на параметр «b», вытекающие из согласования параметров машин, работающих на смежных операциях (сеялка и культиватор для междурядной обработки пропашных культур и др.).

            Исследования[1] в области формирования рациональных типоразмеров жатвенного парка машин с учетом 7 природно-климатических округов в РФ показали, что жатвенный парк должен состоять из 190 тыс. валковых жаток и хедеров с шириной захвата 4-12 м на 50-60 млн. га зерновых: преимущественно 6 м, сдваивающие 6-12 м и широкозахватные 10-12 м в вариантах агрегатирования с комбайном (до 30%), прицепные к трактору (до 20%) и самоходные навесные на спецэнергосредство (до 50%) – рис.7.7 и 7.8. Энергосредства должны быть двух типов – малогабаритные для валковых жаток и косилок для трав с шириной захвата до 5 м и с требуемой мощностью до 50 л.с. Для валковых жаток большого типоразмера и другой с.-х. техники необходимо создать энергосредства с мощностью двигателя до 100 л.с., массой не более 4 т и годовой загрузкой не менее 600 ч (рис.7.9). По-прежнему актуальна проблема создания и выпуска универсальных жаток-хедеров с шириной захвата 6-12 м.

Рис.7.7. Структура типажа валковых жаток и хедеров

Рис.7.8. Распределение технологической потребности

в валковых жатках по регионам РФ (тыс. шт.)

Валковые жатки должны иметь материалоемкость на 1 м ширины захвата до 150-160 кг (при ширине захвата до 6 м) и 170-190 кг (до 10 м), частоту вращения вала привода режущего аппарата не менее 750 мин^-1, гидрофицированный привод рабочих органов и гидрокопирование, время стыковки с энергосредством и подключения привода до 5 мин и унификацию с хедерами и жатками внутри семейства не менее 60%.

            Заслуживает внимания и распространение опыт Тульского комбайнового завода по созданию семейства навесных и прицепных блочно-модульных валковых жаток (рис.7.10) В табл.7.1 представлена структура жатвенного парка по различным видам агрегатирования.

Рис.7.9. Структура типажа энергосредств

Рис.7.10. Структурная схема семейства валковых жаток серии «Простор»

производства ОАО «Тульский комбайновый завод»