OPTYMALIZACJA PRACY CIĄGNIKA U 912. Adam Koniuszy

Transkrypt

1 MOTROL, 2006, 8A, OPTYMALIZACJA PRACY CIĄGNIKA U 912 Adam Koniuzy Zakład Podtaw Techniki, Akademia Rolnicza w Szczecinie Strezczenie. W artykule przedtawiono ymulacyjną metodę optymalizacji pracy ciągnika rolniczego U 912 na przykładzie 900-hektarowego gopodartwa rolnego na Pomorzu Zachodnim. W proceie optymalizacji jako warunki ograniczające przyjęto oiągi ilnika Z oraz prędkości jazdy ciągnika wymagane ze względów agrotechnicznych. Wyniki przedtawiono w potaci charakterytyki gętości czaowej. Porównano optymalne utawienia prędkości obrotowych ilnika i przełoŝeń w układzie napędowym ciągnika z utawieniami najczęściej wytępującymi w praktyce ekploatacyjnej. Słowa kluczowe: ciągnik rolniczy, optymalizacja, przełoŝenia, charakterytyka gętości czaowej WSTĘP Projektowanie urządzenia technicznego polega na takim doborze parametrów kontrukcyjnych, aby uzykać poŝądane właności fizyczne i ekonomiczne. W zakreie układu przenieienia napędu kołowego ciągnika rolniczego ze topniową krzynią biegów wiąŝe ię to z właściwym doborem liczby oraz wartości przełoŝeń między wałem korbowym ilnika a kołami napędowymi. PrzełoŜenia dobierane ą według kryteriów kinematycznych i dynamicznych, m.in. takich jak: minimalna i makymalna prędkość jazdy ciągnika, rozwijana iła uciągu, zdolność do pokonywania wznieień, przyczepność kół ciągnika do podłoŝa. Kontrukcja ciągnika oparta jet zwykle na itniejącym juŝ ilniku o znanych włanościach energetycznych i określonym oddziaływaniu na otoczenie. Według tych informacji porządzany jet wykre trakcyjny oraz charakterytyki przebiegowego zuŝycia paliwa na pozczególnych biegach w funkcji prędkości ciągnika. Więkza niŝ w pojazdach amochodowych liczba przełoŝeń ciągnika powoduje, Ŝe wybór właściwego biegu, zapewniającego zachowanie jednotkowego zuŝycie paliwa przez ilnik na optymalnym poziomie nie zawze jet uwzględniony w poobie ekploatacji ciągnika. Trudności wynikają z faktu, Ŝe ekploatacja ciągnika jet proceem loowym, zaleŝnym od wielu czynników związanych z rodzajem wykonywanej pracy. W zaleŝności od oporu jednotkowego gleby, jej truktury i topnia uwilgotnienia, operator ciągnika decyduje o wyborze przełoŝenia, które przede wzytkim pozwala na uzykanie Ŝądanej prędkości i jej utrzymanie w przypadku wzrotu oporów ruchu agregatu. Dodatkowo, zatoowanie reduktora oraz wzmacniacza momentu w układzie napędowym

2 OPTYMALIZACJA PRACY CIĄGNIKA U powiela ilość moŝliwych do uzykania prędkości jazdy, z których część, dzięki zmianie prędkości obrotowej ilnika, moŝe być taka ama dla róŝnych utawień w krzyni przekładniowej. W praktyce ekploatacyjnej wybór właściwego przełoŝenia zaleŝy od doświadczenia i cech pychomotorycznych operatora ciągnika, który bierze pod uwagę ubiektywne wkaźniki oceny pracy ilnika, co nie zawze związane jet z uzykaniem optymalnych oiągów, np. utrzymywanie zakreu wyokich prędkości obrotowych odpowiadających mocy znamionowej ilnika przy kaŝdym z wykonywanych zabiegów uprawowych. Decyzja co do wyboru optymalnego przełoŝenia nie uwzględnia tym amym itotnych wkaźników waŝnych z punktu widzenia ekonomiki pracy ilnika. Pomiary i analiza obciąŝeń ciągnika mają bardzo duŝe znaczenie na etapie projektowania układu napędowego i doboru ilnika do konkretnego typu ciągnika. Dlatego tak itotne jet zbieranie informacji na temat najczęściej wykorzytywanych przełoŝeń i rozwijanych przez ciągnik prędkości. Nieliczne badania prowadzone w tym zakreie wkazują, Ŝe wykorzytanie dotępnych przełoŝeń ciągnika jet znacznie ograniczone przy jednoczenym niepełnym wykorzytaniu mocy znamionowej ilnika [Kim i in. 2000]. Optymalizacja proceu produkcji rolnej odbywać ię moŝe równieŝ poprzez harmonogramowanie prac, poprawiające wykorzytanie środków produkcji [BłaŜczak, Przybył, 1997] lub poprzez określenie optymalnych mocy (typozeregów ciągników) zaleŝnie od zapotrzebowania i rozmiezczenia w danej gminie [Golka, 1998, Bręczewki, Kryztofiak 1999]. Znaną w krajach Europy Zachodniej oraz USA metodą optymalizacji jet technika terowania ciągnikiem oparta na załoŝeniu gear-up and throttle-down. Polega ona na zmniejzeniu prędkości obrotowej ilnika przy jednoczenym przejściu na wyŝzy bieg (niŝze przełoŝenie) ciągnika, który pracuje przy częściowym wykorzytaniu wej mocy znamionowej. Ozczędności w zuŝyciu paliwa przez tak terowany ciągnik w porównaniu z tradycyjną techniką jazdy ięgają nawet do 20% [Grio, Pitman 2001]. Stoowanie tej właśnie metody, równieŝ w warunkach polkich przy obecnym poziomie parku ciągnikowego, chociaŝby ze względu na brak konieczności toowania jakichkolwiek urządzeń dodatkowych, wydaje ię być najbardziej uzaadnione. METODYKA BADAŃ W celu utrzymania wymaganej ze względów agrotechnicznych prędkości jazdy operator ciągnika dyponuje zazwyczaj kilkoma przełoŝeniami, które w połączeniu ze zmienną prędkością obrotową ilnika dają poŝądany efekt. WyraŜa to zaleŝność (1), która jet przekztałceniem równania uprozczonego bilanu mocy ciągnika poruzającego ię z niewielką prędkością po płazczyźnie poziomej [Dajniak 1985]: gdzie: v prędkość ciągnika, M moment obrotowy ilnika, v M i ω η P c u = (1) u

3 170 Adam Koniuzy i c przełoŝenie całkowite w układzie napędowym, ω prędkość kątowa ilnika, η u prawność uciągu, P u iła uciągu. Poprzez optymalizację pracy ciągnika rozumiane jet potępowanie, polegające na utaleniu takiego przełoŝenia i obciąŝenia ilnika, przy którym zachodzą natępujące relacje: jednotkowe zuŝycie paliwa ge jet moŝliwie na najniŝzym poziomie, moment obrotowy ilnika jet M mniejzy od momentu znamionowego rozwijanego przy określonej prędkości obrotowej ilnika, prędkość ciągnika v jet równa lub zbliŝona do Ŝądanej prędkości agregatu vo, prędkość obrotowa ilnika n mieści ię w zakreie wartości dopuzczalnych. W przedtawionym poobie optymalizacji pracy ciągnika U 912 połuŝono ię dodatkiem Solver arkuza kalkulacyjnego Microoft Excel. Jako warunki ograniczające przyjęto zaleŝności (2) (4): n = n n 2200 (2) min 800 max = v o v (3) 5 2 M 5 e n + 0,1472 n + 168,66 (4) Przebieg funkcji (4) znamionowego momentu obrotowego ilnika Z wyznaczono za pomocą programu komputerowego Orient. Wartościami zmienianymi były: prędkość obrotowa ilnika n oraz przełoŝenie w układzie napędowym. Natomiat wartością minimalizowaną było jednotkowe zuŝycie paliwa g e. Za najbardziej optymalne warunki pracy ciągnika U 912 uznane zotały takie utawienia przełoŝeń i obciąŝeń ilnika, przy którym ciągnik podcza pojedynczego zabiegu agrotechnicznego rozwija Ŝądaną prędkość roboczą, a prędkość i moment obrotowy ilnika miezczą ię w polu pracy ilnika o moŝliwie najniŝzym jednotkowym zuŝyciu paliwa. Zakre przeprowadzonej optymalizacji obejmował zabiegi agrotechniczne wykonywane z udziałem ciągnika U 912 w gopodartwie rolnym o powierzchni 906 ha, zlokalizowanym na Pomorzu Zachodnim. Na podtawie wcześniej wykonanych badań, dotyczących m.in. analizy truktury gopodartw rolnych Pomorza Zachodniego, wytypowano zabiegi uprawowe najczęściej wykonywane badanym ciągnikiem [Siekacz, Wiśniewki 1993, Dobrzycki 2005, Koniuzy 2005]. Po rozwinięciu ogólnego bilanu mocy ciągnika (5) wyznaczono wartości pozczególnych kładników bilanu z uwzględnieniem parametrów charakterytycznych dla kaŝdego z zabiegów uprawowych, tj.: rodzaj podłoŝa, zerokość, głębokość oraz prędkość robocza narzędzia, itp. [Kuczewki 1974, Dajniak 1985]. gdzie: N N moc uŝyteczna ilnika, M moment obrotowy ilnika, ( ) + W v + P v + P v = M ω 1 η (5) u tc n u

4 OPTYMALIZACJA PRACY CIĄGNIKA U ω prędkość obrotowa ilnika, η u prawność uciągu, W tc iła oporu toczenia ciągnika, v prędkość ciągnika, P n iła napędowa, v prędkość poślizgu kół napędowych, P u iła uciągu. Jednym z najitotniejzych czynników, rozpatrywanych w bilanie mocy jet rodzaj podłoŝa po jakim poruza ię ciągnik. Związane jet to nie tylko z oporem toczenia amego ciągnika czy teŝ jego poślizgiem, ale przede wzytkim z oporem narzędzia. Dlatego teŝ, w celu wyznaczenia jednotkowego oporu narzędzi, przyporządkowano komplekom przydatności rolniczej gleb właściwe opory jednotkowe przy optymalnym tanie uwilgotnienia gleby [DomŜał i in. 1980, Skrobacki 1980]. W ten poób obliczono zapotrzebowanie mocy efektywnej kaŝdego z zatoowanych agregatów (tab. 1). Tabela 1. Zetawienie niektórych danych zabiegów agrotechnicznych z udziałem ciągnika U 912 w ciągu roku Nr zabiegu Table 1. The lit of ome data of a year ploughing with the tractor U 912 Zabieg uprawowy Roślina Symbol Mazyna Szer. rob., a m Prędkość robocza, v o m/ Cza pracy, t h Wymagana moc Uciągu, N u kw Silnika, N kw 1 Podorywka Kukurydza U043/1 1,7 1, ,9 31,5 2 Pzenica 1,0 1, ,0 45,0 3 Orka Rzepak U024 1,0 1, ,3 33,8 4 Kukurydza 1,0 1, ,3 25,5 5 Doprawianie Buraki 2,5 1, ,6 27,1 U708/2 6 gleby Kukurydza 2,5 2, ,8 21,4 7 Pzenica 6,0 1, ,4 24,0 8 Siew Rzepak S045/2 6,0 1, ,6 17,7 9 Kukurydza 6,0 1, ,6 14,4 10 NawoŜenie Buraki N218/2 2,2 1, ,7 29,5 11 Tranport Pzenica T070-4, ,8 24,7 WYNIKI I DYSKUSJA Na podtawie przeprowadzonej analizy twierdzono, Ŝe dla przyjętych warunków ograniczających w kaŝdym z rozpatrywanych zabiegów agrotechnicznych itnieją przynajmniej dwa moŝliwe utawienia w krzyni przekładniowej i prędkości obrotowe ilnika, odpowiadające wymaganej mocy ilnika. Optymalne i najczęściej toowane utawienia przełoŝeń i prędkości obrotowych ilnika przedtawiono w tab. 2.

5 172 Adam Koniuzy Tabela 2. Utawienia przełoŝeń i prędkości obrotowych ilnika; nr biegu, I z reduktorem, II bez reduktora, W z wzmacniaczem momentu Table 2. Gear etting and rotation peed of the engine; 1 4 running number, I with reduction, II without reduction, W with the torque amplifier Wymagana Utawienia optymalne Utawienia najczęściej toowane Prędkość Nr moment prędkość moment prędkość moc robocza, zabiegu obrotowy obrotowa obrotowy obrotowa ilnika, v o m/ przełoŝenie przełoŝenie ilnika, M ilnika, n ilnika, M ilnika, n N kw Nm obr/min Nm obr/min 1 31,5 1,50 4 I 231, I 163, ,0 1,35 4 I W 275, II W 224, ,8 1,35 2 II W 267, II W 168, ,5 1,30 4 I 212, II W 129, ,1 1,66 2 II 232, I 126, ,4 2,20 4 II W 234, II W 103, ,0 1,60 3 II W 253, I 116, ,7 1,60 3 II W 187, I 85, ,4 1,43 3 II W 170, II W 67, ,5 1,00 1 II 266, I 143, ,7 4,50 4 II 176, II 124, ,8% 10,5% Moment obrotowy, M [Nm] ,9% 6,9% 5,2% 10,9% 14% 7,7% 10,5% 14% 12,8% 10,9% 7,7% 5,2% 6,9% 6,9% Prędkość obrotowa, n [obr/min] Ry. 1. Momenty i prędkości obrotowe ilnika podcza zabiegów agrotechnicznych (pola powierzchni kół proporcjonalne do czau trwania obciąŝenia); kolor zary wielkości zoptymalizowane Fig. 1. Torque and rotation peed of engine during ploughing (field of circle proportionally to load duration); grey color value optimization

6 OPTYMALIZACJA PRACY CIĄGNIKA U Na ry. 1 przedtawiono w potaci cykli obciąŝeń optymalne wartości momentów i prędkości obrotowych ilnika (pola zare) i porównano je z wartościami najczęściej toowanymi w praktyce ekploatacyjnej (pola białe). Obzary pracy ilnika zazwyczaj wykorzytywane w praktyce (pola białe) znajdują ię w pobliŝu znamionowych prędkości obrotowych ilnika. Jak wynika z oberwacji ekploatacyjnych, ciągłe utrzymywanie przez operatora ciągnika prędkości obrotowych ilnika, zbliŝonych do znamionowych wynika niekiedy z konieczności uzykania Ŝądanej prędkości obrotowej WOM przy niektórych zabiegach agrotechnicznych z mazynami aktywnymi, jednak w duŝej mierze jet kwetią cech pychomotorycznych kierowcy. Optymalne obzary pracy ilnika (pola zare) ą wyraźnie przeunięte w tronę niŝzych prędkości obrotowych i wyŝzych momentów obrotowych ilnika. Taki układ obciąŝeń ilnika odpowiada korzytnym ekonomicznie warunkom pracy ilnika ciągnikowego, co potwierdzają prowadzone w tym zakreie wyniki badań innych autorów [Wang Zoerb 1989, Souza, Santa Catarina 1999]. Aby ocenić efekt ekonomiczny optymalizacji, porównano zuŝycie paliwa ciągnika U 912. W tym celu, uwzględniając czay pracy ilnika przy róŝnych momentach i prędkościach obrotowych, wyznaczono średnie waŝone dwóch zakreów obciąŝeń (ry. 1), a natępnie nanieiono je na charakterytykę uniweralną badanego ilnika (ry. 2). Obzar pracy ilnika A odpowiada średniej waŝonej obciąŝeń optymalnych, zaś obzar B obciąŝeń najczęściej wytępujących. 300 N =29kW M =max 250 A 220 Moment obrotowy, M [Nm] B g e - jednotkowe zuŝycie paliwa [g/kwh] Prędkość obrotowa, n [obr/min] Ry. 2. Średnie waŝone obzarów pracy ilnika (A, B) na charakterytyce uniweralnej ilnika Fig. 2. Average weighed working area (A, B) in performance map for an engine

7 174 Adam Koniuzy Dodatkowo na ry. 2 nanieiono średnią waŝoną uzykiwanej w ciągu roku mocy ilnika (29 kw), która tanowi 51% mocy znamionowej tego typu ilnika. Szacunkowy bilan ekonomiczny przeprowadzonej ymulacji przedtawia ię natępująco. Ciągnik U 912 pracuje w podanym gopodartwie rolnym przez 478 godzin w roku ze średnią mocą 29 kw. Przy uwzględnieniu jednotkowego zuŝycia paliwa w obzarze B charakterytyki uniweralnej ilnika na poziomie ok. 280 g/kwh zuŝycie paliwa wynoi odpowiednio 8,12 kg/h oraz 3900 kg/rok. Zachowując tę amą moc średnią i cza trwania pozczególnych obciąŝeń w zoptymalizowanym obzarze A pracy ilnika, w którym jednotkowe zuŝycie paliwa wynoi ok. 230 g/kwh, godzinowe zuŝycie paliwa 6,67 kg, a roczne 3200 kg i jet o 18% mniejze od wartości uzykanej w obzarze B. Po uwzględnieniu gętości oleju napędowego moŝna ozacować, Ŝe róŝnica w zuŝyciu paliwa jet równa 844 litry w roku. Przyjmując średnią cenę oleju napędowego w województwie zachodniopomorkim (ok. 3,65 zł za l litr na początku roku) obliczono, Ŝe ozczędności wynikające z proceu optymalizacji pracy ciągnika U 912 w analizowanym gopodartwie mogą ięgnąć nawet do 3080 zł w roku. Do wdroŝenia metody optymalizacji pracy ciągnika, polegającej na ograniczeniu prędkości obrotowej ilnika przy jednoczenym przejściu na wyŝzy bieg, zczególnie przy mniejzych niŝ znamionowe obciąŝeniach, potrzebne jet duŝe doświadczenie praktyczne operatora ciągnika. Ciągła konieczność kontroli obciąŝenia ciągnika oraz częta zmiana przełoŝeń powodować mogą ograniczenie percepcji kierowcy, a w konekwencji padek kuteczności jego działania. Jeśli nawet korzyści wynikające z tak prowadzonego proceu optymalizacji ą tylko częściowe, to otateczny bilan ekonomiczny proponowanej metody będzie zawze dodatni. Przedtawiona ymulacja uświadamia jak duŝe ozczędności w zuŝyciu paliwa mogą zotać oiągnięte w rocznej ekploatacji jednego ciągnika. W kali całego Pomorza Zachodniego, przy ogólnej tendencji do wzrotu mocy ciągników, efekty proponowanej metody optymalizacji mogą przyczynić ię do wkazania rezerw w zuŝyciu paliwa, co przy obecnym poziomie cen paliw ma bardzo itotne znaczenie. Aby jednak moŝliwe było wykonanie komplekowej optymalizacji pracy ciągnika rolniczego w kali makroregionu, naleŝy wykonać zereg badań pozwalających na tworzenie modelu proceu ekploatacji ciągnika, który byłby przedmiotem analiz zczegółowych [Dobrzycki, Koniuzy 2005]. WNIOSKI 1. Optymalizacja pracy ciągnika rolniczego przyczynia ię do polepzenia wkaźników ekonomiki pracy ilnika. 2. W kaŝdym z rozpatrywanych zabiegów agrotechnicznych itnieją minimum dwa moŝliwe utawienia w krzyni przekładniowej i odpowiadające im prędkości obrotowe ilnika, pełniające załoŝone warunki obciąŝeń ilnika. 3. Ozczędności w zuŝyciu paliwa ciągnika U 912 ekploatowanego wg optymalnego zakreu obciąŝeń mogą wynieść nawet do 18% w porównaniu z zakreem obciąŝeń najczęściej wytępujących.

8 OPTYMALIZACJA PRACY CIĄGNIKA U PIŚMIENNICTWO BłaŜczak P., Przybył J. 1997: Metoda harmonogramowania proceów produkcji rolniczej. Prace Przemyłowego Intytutu Mazyn Rolniczych, Poznań (42) 3, Bręczewki J., Kryztofiak A. 1999: Metoda optymalizacji typozeregu ciągników rolniczych w apekcie obniŝenia energo- i materiałochłonności prac ciągnikowych. Prace Przemyłowego Intytutu Mazyn Rolniczych, Poznań 4, Dajniak H., 1985: Ciągniki. Teoria ruchu i kontruowanie. WKiŁ, Warzawa. Dobrzycki J., Koniuzy A. 2005: Modelowanie proceu ekploatacji ciągnika rolniczego w warunkach województwa zachodniopomorkiego. InŜynieria Rolnicza 3 (63), DomŜał H., Słowińka Jurkiewicz A., Turki R. 1980: Gleboznawtwo z elementami geologii i mechaniki gleby. Akademia Rolnicza, Lublin. Golka W. 1998: Rozmiezczenie ciągników rolniczych w makroregionach gopodarczych Polki, w zaleŝności od wieku, mocy ilnika i wielkości gopodartw. Problemy InŜynierii Rolniczej 2, Grio R., Pitman R. 2001: Gear Up and Throttle Down-Saving Fuel. Virginia Cooperative Extenion. Virginia Polytechnic Intitute and Univerity, Publication , 6 page. Kim J. H., Kim K. U., Wu Y. G. 2000: Analyi of tranmiion load of agricultural tractor. Journal of Terramechanic 37, Koniuzy A. 2005: Proce ekploatacji ciągników w gopodartwach rolnych Pomorza Zachodniego. Motrol, t. 7, Kuczewki J. 1974: Podtawy ekploatacji agregatów rolniczych. PWRiL, Warzawa. Siekacz W., Wiśniewki A. 1993: Próba zbudowania modelu ekploatacji ilnika ciągnika U 912 i C 360 dla przeciętnego gopodartwa rolnego na Pomorzu Zachodnim. Praca magiterka niepublikowana, AR Szczecin. Skrobacki A. 1980: Wpływ czynników przyrodniczych i organizacyjnych na zuŝycie paliw ilnikowych w proceach trakcyjnych w gopodartwie rolnym. SGGW AR, Warzawa. Souza E. G., Santa Catarina A. 1999: Optimum Working Curve for Dieel Engine. Tran. ASAE, 42 (3), Wang G., Zoerb G. C. 1989: Determination of Optimum Working Point for Dieel Engine. Tran. ASAE, 32 (5), OPTIMIZATION OF THE U 912 TRACTOR S WORK Summary. The aim of the article i to preent a method of optimization for U 912 tractor on the example of ploughing in Wetern Pomerania farm. The computer imulation wa ued in the proce of optimization. A limiting condition were taken the performance of the tractor engine Z and the required ploughing peed. The output data have been hown on the time denity graph. The optimal rpm and gear election have been compared with the agricultural practice. Key word: tractor, exploitation, optimization, gear ratio, time denity of engine Recenzent: prof. dr hab. Zbigniew Burki