СПОСОБ НОРМИРОВАНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА МАШИННО-ТРАКТОРНЫМ АГРЕГАТОМ Российский патент 2014 года по МПК G06Q10/00 G01F9/00 

Изобретение относится к эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники и касается нормирования ее работы.

Установление технически обоснованных норм расхода топлива машинно-тракторными агрегатами (МТА) при выполнении ими механизированных полевых работ является одной из важнейших составляющих ресурсосбережения в сельскохозяйственных предприятиях.

Известно, что на расход топлива МТА оказывают влияние различные факторы: технические характеристики энергетического средства (трактора, комбайна и др.), свойства рабочих машин (в частности, тяговое сопротивление), размеры поля, его конфигурация, рельеф, состояние почвы, глубина обработки, урожайность убираемой культуры и др. Такое многообразие и динамичность нормообразующих факторов снижают точность прогнозирования расхода топлива МТА и соответственно объективность его нормирования.

Для анализа уровня техники использованы следующие источники информации:

1. Сергеева З.В., Химченко Г.Т. Справочник нормировщика. М.: Россельхозиздат, 1982. - 368 с.

2. Нормативно-справочные материалы по планированию механизированных работ в сельскохозяйственном производстве: Сборник. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 316 с.

3. Барам Х.Г. Научные основы технического нормирования механизированных полевых работ. - М.: Колос, 1970. - 440 с.

4. Гафуров И.Д. Оперативное нормирование полевых механизированных работ. / Техника в сельском хозяйстве. - М., 2009, №3. - С.26-29.

5. Способ определения предельно допустимого расхода топлива при работе тракторного агрегата. Патент РФ №2263286, G01F 9/00.

6. Способ нормирования выработки машинно-тракторного агрегата. Патент РФ №2450357, G06Q 10/06, G06Q 50/02.

Ввиду упомянутого многообразия нормообразующих факторов основной из известных - традиционный - способ нормирования расхода топлива /1, 2, 3/ предусматривает использование удельных (погектарных) нормативов, дифференцированных по группам природно-производственных условий работы МТА, и реализуется в следующей последовательности:

А) Определяют нормы сменной производительности МТА (в гектарах) при различном сочетании нормообразующих факторов по формуле

$$W_{см.н}=\mathrm{0,1}{B}_{р}{V}_{р}{T}_{р},(1)$$

где В_р - рабочая ширина захвата агрегата, м;

V_p - средняя рабочая скорость, км/ч;

Т_р - время основной работы (время рабочих ходов) в течение смены, ч.

Величину В_р определяют измерениями при работе агрегата или по справочным таблицам /1, 3/, V_p - расчетным путем или по результатам наблюдений. Время Т_р вычисляют с использованием данных фотохронометражных наблюдений с учетом V_p, а также других элементов времени смены /1/.

Средние значения W_см.н, определенные по формуле (1), сводят в таблицы типовых норм, дифференцированных по группам /2/.

Б) Для каждой группы устанавливают норматив расхода топлива q_н на гектар обработанной площади (л/га) по формулам /1, 3/:

$$q_{н}Q/W_{см.н}=(Q_{р}{T}_{р}+Q_{х}{T}_{х}+Q_{о}{T}_{о})/W_{см.н}(2)$$

или

$$q_{н}=Q/W_{см.н}=(Q_{р}{T}_{р}+Q_{пов}{T}_{пов}+Q_{пер}{T}_{пер}+Q_{о}{T}_{о})/W_{см.н},(3)$$

где Q - расчетный расход топлива на объем работы W_см.н,л;

Q_p, Q_x, Q_пов, Q_пер и Q_o - нормативы часового расхода топлива на различных режимах работы агрегата: соответственно на рабочем ходу (т.е. при выполнении основной работы), холостом ходу, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем, л/ч;

Т_р, Т_х, Т_пов, Т_пер, Т_о - соответствующие элементы затрат времени смены: время основной работы (рабочего хода), холостого хода, поворотов, внутрисменных переездов с участка на участок (с поля на поле), остановок с работающим двигателем, ч.

В) Проводят паспортизацию полей сельскохозяйственного предприятия, в результате которой определяют группу норм, к которой может быть отнесено предприятие по своим природно-производственным условиям.

Г) Из справочников типовых норм /2/ с учетом группы выбирают норму выработки W_см,н и соответствующий норматив погектарного расхода топлива q_н.

Д) Норму расхода топлива (в литрах) определяют с учетом планируемой или фактически обработанной площади W (га) как

$$Q_{н}=q_{н}W.(4)$$

Описанный выше традиционный способ нормирования расхода топлива имеет следующие недостатки.

1. Среднюю рабочую скорость V_p для расчетов по формуле (1), а также нормативы часового расхода топлива на различных режимах работы агрегата Q_p, Q_x, Q_пов, Q_пер и Q_o для формул (2) и (3) определяют (прогнозируют) с использованием типовых тяговых характеристик тракторов и средних значений (математических моделей) тягового сопротивления рабочих машин или по материалам наблюдений за работой агрегатов.

В первом случае существенная погрешность прогноза обусловлена отклонениями мощности двигателя и тяговых возможностей реальных тракторов от типовых характеристик, что особенно сильно проявляется с увеличением срока службы техники, значительной вариацией сопротивления почвообрабатывающих и посевных рабочих машин в зависимости от влажности и твердости почвы, а уборочных машин - от различных характеристик убираемой культуры, состояния самих машин. Кроме того, для большинства современных импортных и отечественных тракторов и других энергетических средств отсутствуют типовые тяговые характеристики, а для рабочих машин - значения тягового сопротивления и модели, описывающие зависимость сопротивления от основных нормообразующих факторов, например глубины обработки почвы, ее влажности.

Во втором случае (определение V_p и значений часового расхода топлива по материалам наблюдений) погрешность обусловлена неизбежным усреднением полученных данных для широкой области варьирования переменных факторов. Для более полного учета нормообразующих факторов и соответствующей дифференциации искомых показателей необходимо проведение большого числа наблюдений в различных условиях, что весьма сложно в организационном плане.

Таким образом, погрешности в определении значений скорости агрегата и нормативов часового расхода топлива существенно снижают точность расчетов по формулам (1), (2), (3) и, как следствие, объективность нормы расхода топлива, определенной по формуле (4).

2. Следующий недостаток традиционного способа нормирования /1, 2, 3/ предопределяется усреднением норм выработки W_см.н и, соответственно, зависящих от W_см.н нормативов погектарного расхода топлива q_н (формулы 2 и 3) для всех полей сельскохозяйственного предприятия (подразделения) или для некоторой группы полей. В /4/ показано, что такое усреднение применительно к нормам выработки приводит к ошибкам до 60%. Учитывая зависимость q_н от W_см.н, такая ошибка характерна и для q_н.

3. При рассматриваемом способе расход топлива на переездах Q_перT_пер учитывается лишь применительно к внутрисменным переездам с участка на участок (с поля на поле). Причем время переездов Т_пер определяется ориентировочно в зависимости от площади поля /1/, что увеличивает погрешность способа. Кроме того, в рекомендациях по применению способа /1, 2, 3/ отмечается, что переезды в начале и конце смены к месту работы и обратно должны нормироваться и оплачиваться отдельно. Между тем, такие переезды (перегоны) техники, особенно высокопроизводительных агрегатов машинно-технологических станций, выполняющих работы по заявкам отдельных сельхозпредприятий, занимают значительное время при существенном расходе топлива, поэтому их расстояние должно определяться с достаточно высокой точностью, что рассматриваемый способ не обеспечивает.

Известен также способ определения предельно допустимого расхода топлива Q_q при работе тракторного агрегата /5/, который предусматривает непрерывное измерение фактических энергозатрат двигателя W_э (кВт*ч) с последующим умножением полученной величины на норматив удельного расхода топлива двигателем q_e (кг/кВт*ч), т.е. Q_q=W_э q_e (кг). Реализация такого способа сопряжена с необходимостью установки на каждый агрегат достаточно сложных приборов для определения энергозатрат и сопоставления их с режимами работы трактора. Последнее связано с тем, что удельный расход топлива существенно зависит от нагрузки на двигатель и передачи трактора. Например, расчеты с использованием типовых тяговых характеристик трактора МТЗ-80 на залежи показывают, что при нагрузке 5 кН удельный расход топлива q_e в зависимости от передачи варьирует в пределах 0,47…0,69 кг/кВт*ч, а при номинальной нагрузке - 0,38…0,49 кг/кВт*ч.

Кроме того, предельно допустимый расход топлива, определяемый этим способом, не может быть использован в качестве нормы, которая должна устанавливаться по средним показателям.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ нормирования выработки машинно-тракторного агрегата /6/. Способ не предусматривает нормирование расхода топлива, однако здесь предложены решения, позволяющие использовать возможности систем спутникового мониторинга для объективной оценки таких показателей МТА, как средняя рабочая скорость V_p и время основной работы (рабочего хода) Т_р, которые необходимы и для нормирования расхода топлива.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности нормирования расхода топлива машинно-тракторным агрегатом.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем:

- в отличие от известных способов норму расхода топлива устанавливают не до начала работы машинно-тракторного агрегата, а по ее окончании с использованием данных спутникового мониторинга, позволяющего оперативно определить фактические показатели МТА за требуемый период времени и на их основе рассчитать норму посредством прикладной компьютерной программы;

- в базу данных указанной программы вносят предварительно установленные нормативы часового расхода топлива на режиме рабочего хода агрегата, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем, а также виды математических зависимостей, характеризующих влияние различных факторов, например скорости движения на эти нормативы; указанные нормативы и зависимости устанавливают по результатам обработки данных спутникового мониторинга работы контрольного агрегата, оснащенного расходомером топлива;

- проводят фотохронометражные наблюдения за работой контрольного или другого агрегата данного состава, в результате чего определяют и вносят в базу данных программы максимальное время одного поворота агрегата;

- норму расхода топлива за любой требуемый период времени определяют как сумму произведений времени работы агрегата на режиме рабочего хода, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем на соответствующие нормативы часового расхода топлива, причем время работы агрегата на указанных режимах, а также среднюю скорость движения на рабочем ходу и переездах определяют посредством программного обеспечения спутникового мониторинга с использованием сигналов бортового электрооборудования агрегата и/или устанавливаемого на агрегат датчика, фиксирующего моменты перевода рабочей машины из транспортного положения в рабочее и обратно, при этом любой отрезок времени движения агрегата в транспортном (нерабочем) положении, превышающий установленное ранее максимальное время одного поворота, относят к времени переездов, в иных случаях - к времени поворотов, а нормативы часового расхода топлива уточняют для полученных значений средней скорости движения на рабочем ходу и переездах и других факторов с использованием сформированной ранее базы данных.

Способ реализуется следующим образом.

1. Формируют электронную базу данных машинно-тракторных агрегатов, в которую для каждого состава МТА вносят значения указанных ниже параметров.

2. Проводят фотохронометражные наблюдения за работой агрегата данного состава, в результате чего определяют и вносят в базу данных максимальное время одного поворота агрегата.

3. Машинно-тракторные агрегаты оснащают бортовыми терминалами спутникового мониторинга с дополнительными датчиками, позволяющими фиксировать моменты перевода сельскохозяйственной машины из транспортного положения в рабочее и обратно. Если бортовое электрооборудование трактора или другого энергетического средства позволяет определять указанные моменты и передавать соответствующую информацию в систему спутникового мониторинга, дополнительный датчик не устанавливается.

4. На один или несколько контрольных агрегатов данного состава временно устанавливают подключенные к терминалу спутникового мониторинга расходомеры топлива для определения нормативов часового расхода топлива и их зависимости от различных факторов, например скорости движения.

5. В течение некоторого периода отслеживают работу контрольных МТА посредством системы спутникового мониторинга, причем указанный период разбивают на n отрезков, отличающихся условиями работы (например, различные поля или различные агротребования к работе). В результате обработки данных мониторинга:

- определяют время движения при рабочем положении сельскохозяйственной машины, т.е. время рабочего хода Т_{р i} (ч) в каждый i-й отрезок времени (i=1…n), а также соответствующие значения пройденного пути L_pi (км), рабочей скорости движения V_pi=L_pi/Т_рi (км/ч) и израсходованного топлива G_pi (л);

- определяют время движения на поворотах Т_{пов i}, переездах Т_{пер i}, время остановок с работающим двигателем Т_{о i} и соответствующие значения расхода топлива G_{пов i}, G_{пер i} и G_{o i} (л), расстояние переездов L_{пер i}, а также скорость на переездах V_{пер i}=L_{пер i}/Т_{пер i}; при этом любой отрезок времени движения агрегата в транспортном (нерабочем) положении, превышающий установленное ранее максимальное время одного поворота, относят к времени переездов, в иных случаях - к времени поворотов;

- устанавливают и вносят в базу данных для агрегата данного состава нормативы часового расхода топлива (л/ч) на различных режимах:

- на рабочем ходу $$Q_{р}={\displaystyle \sum G_{р\text{ i}}\text{/}{\displaystyle \sum {\text{T}}_{\text{р i}};(5)}}$$

- на поворотах $$Q_{пов}={\displaystyle \sum G_{пов\text{ i}}\text{/}{\displaystyle \sum T_{пов\text{ i}}\text{; (6)}}}$$

- на переездах $$Q_{пер}={\displaystyle \sum G_{пер\text{ i}}\text{/}{\displaystyle \sum {\text{T}}_{\text{пер i}};(7)}}$$

- на остановках $$Q_{о}={\displaystyle \sum G_{о\text{ i}}\text{/}{\displaystyle \sum {\text{T}}_{\text{о i}};(8)}}$$

- если анализ данных мониторинга работы контрольного агрегата показывает существенное влияние скорости движения на часовой расход топлива на рабочем ходу и переездах, то с учетом значений V_{p i}, G_{p i}, V_{пер i}, G_{пер i} определяют и вносят в базу данных виды зависимостей

$$Q_{р}=f(V_{р}),(9)$$

$$Q_{пер}=\varphi (V_{пер}).(10)$$

Например, если зависимость имеет вид Q_p=AV_p+В, в базу данных вносятся значения А и В. Аналогично может быть учтена и зависимость часового расхода топлива от других факторов (например, от агротехнологических параметров работы, рельефа местности).

6. Программное обеспечение спутникового мониторинга дорабатывают таким образом, чтобы в самой программе или после экспортирования данных в другое приложение (например, 1C или Excel) можно было за произвольный период работы агрегата путем обработки сигналов указанного выше датчика и/или бортового электрооборудования в автоматизированном режиме определить:

- фактические значения времени работы агрегата на разных режимах: T_р, T_пов, T_пер и T_о;

- общий рабочий путь L_p, расстояние переездов L_пер и соответствующие значения средней скорости V_p и V_пер.

7. В диалоговом окне программы спутникового мониторинга выбирают агрегат, для которого необходимо установить норму расхода топлива, а также даты и время начала и окончания требуемого периода, например с 0 ч 00 мин 1 августа до 23 ч 59 мин 31 августа. Если в базу данных внесены виды зависимостей для уточнения нормативов расхода топлива от каких-либо факторов, кроме скорости движения, то в качестве исходных данных для расчета указываются значения этих факторов.

8. С использованием программы спутникового мониторинга и базы данных для указанного периода и агрегата в автоматизированном режиме определяют:

- значения времени Т_р, Т_пов, Т_пер, Т_о и скорости V_p и V_пер;

- нормативы часового расхода топлива Q_пов и Q_o (из базы данных);

- нормативы часового расхода топлива Q_p и Q_пер (из базы данных или по зависимостям от скорости (9) и (10) и/или по аналогичным зависимостям от других факторов, если указанные зависимости внесены в базу данных);

- норму расхода топлива (л) по выражению

$$Q_{н}=Q_{р}{T}_{р}+Q_{пов}{T}_{пов}+Q_{пер}{T}_{пер}+Q_{о}{T}_{о}(11)$$

Примечания

1) При использовании предложенного способа расходомеры топлива применяют лишь на контрольных агрегатах, причем временно для установления нормативов часового расхода топлива на разных режимах работы. Один и тот же расходомер может поочередно устанавливаться на контрольных агрегатах различного состава и назначения.

2) Для агрегатов, обладающих высокой маневренностью, время поворота может быть незначительным. В этих случаях норматив расхода топлива Q_пов и время Т_пов могут отдельно не определяться, а учитываться в составе показателей рабочего хода. Тогда выражение (11) примет вид:

$$Q_{н}=Q_{р+пов}{T}_{р+пов}+Q_{пер}{T}_{пер}+Q_{о}{T}_{о},(12)$$

где Q_p+пов - норматив часового расхода топлива на рабочем ходу, включая повороты;

Т_р+пов - суммарное время рабочего хода и поворотов.

В приложении приведен пример реализации предложенного способа и его сравнение с известным (традиционным) способом.

Изобретение относится к эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники и касается нормирования ее работы. Техническим результатом изобретения является повышение точности нормирования расхода топлива машинно-тракторным агрегатом. В способе нормативы часового расхода топлива на рабочем ходе агрегата, его поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем, а также виды математических зависимостей устанавливают по результатам обработки данных спутникового мониторинга работы контрольного агрегата, оснащенного расходомером топлива, путем фотохронометражных наблюдений определяют максимальное время одного поворота и вносят полученные значения в базу данных программного обеспечения для агрегата данного состава. В качестве нормы устанавливают расчетное значение общего расхода топлива за требуемый период времени, при этом определяют продолжительность работы агрегата на поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем в течение указанного периода, а также среднюю скорость движения на переездах, и любой отрезок времени движения агрегата в транспортном (нерабочем) положении, превышающий максимальное время одного поворота, относят к времени переездов. 1 приложение.

Способ нормирования расхода топлива машинно-тракторным агрегатом, заключающийся в предварительном установлении нормативов часового расхода топлива на режиме рабочего хода агрегата, поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем с последующим расчетом общего расхода топлива как суммы произведений времени работы агрегата на каждом из указанных режимов на соответствующие нормативы часового расхода топлива и предусматривающий определение средней рабочей скорости и времени работы агрегата на режиме рабочего хода посредством программного обеспечения спутникового мониторинга с использованием сигналов устанавливаемого на агрегат датчика, фиксирующего моменты перевода рабочей машины из транспортного положения в рабочее и обратно, отличающийся тем, что нормативы часового расхода топлива на указанных режимах, а также виды математических зависимостей, характеризующих влияние различных факторов, например скорости движения на эти нормативы, устанавливают по результатам обработки данных спутникового мониторинга работы контрольного агрегата, оснащенного расходомером топлива, путем фотохронометражных наблюдений определяют максимальное время одного поворота и вносят полученные значения в базу данных программного обеспечения для агрегата данного состава, а расчетное значение общего расхода топлива за требуемый период времени устанавливают в качестве нормы, причем продолжительность работы агрегата на поворотах, переездах и остановках с работающим двигателем в течение указанного периода, а также среднюю скорость движения на переездах определяют посредством программного обеспечения спутникового мониторинга с использованием сигналов упомянутого датчика и/или бортового электрооборудования агрегата, при этом любой отрезок времени движения агрегата в транспортном (нерабочем) положении, превышающий максимальное время одного поворота, относят к времени переездов, в иных случаях - к времени поворотов, а нормативы часового расхода топлива уточняют для полученных значений средней скорости движения на рабочем ходу и переездах и других факторов с использованием сформированной ранее базы данных.