Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса эффективности механизированных работ в отрасли растениеводства 12
1.1. Анализ развития методов проектирования механизированных операций зернового подкомплекса АПК 12
1.2. Анализ производственных условий, влияющих на качество механизированных операций в растениеводстве 16
1.3. Постановка задач исследования 38
1.4. Выводы 42
Глава 2. Теоретические модели повышения эффективности механизированных работ в отрасли растениеводства 43
2.1. Моделирование влияния климатической адаптивности машинной системы на формируемые технологические линии 43
2.2. Моделирование влияния климатических факторов на эксплуатационные свойства машинных агрегатов 56
2.3. Моделирование климатической адаптивности машин к условиям зернового подкомплекса 61
2.4. Энергоэкономическое моделирование оптимизации механизированных технологических линий в зависимости от пространственных и климатических факторов 68
2.5. Выводы 72
Глава 3. Методика исследований по эффективности машинных работ в растениеводстве в условиях климатической адаптивности технологий 73
3.1. Показатели эффективной эксплуатации машинных систем при климатической адаптации технологий 73
3.2. Методика формирования механизированных операций 78
3.3. Методика агрегирования энергетических и сельскохозяйственных машин 82
3.4. Методика формирования технологического элемента машинной системы 84
3.5. Методика формирования структуры механизированных операций в условиях Красноярской лесостепи 98
3.6 Выводы 105
Глава 4. Результаты исследований по формированию структуры механизированных звеньев производства зерна 106
4.1 Влияние климатических факторов на эксплуатационные свойства машин, агрегатов и технологических линий 106
4.2. Предлагаемая классификация факторов влияния климата по воздействиям на производительность машин 111
4.3. Предлагаемая классификация механизированных операций по климатической адаптивности машин 117
4.4. Инновационная структура механизированных операций с учетом адаптации к пространственным и климатическим факторам 123
4.5. В ыводы 133
Глава 5. Технико-экономические показатели и результаты формирования эффективной структуры механизированных звеньев в условиях климата Красноярской лесостепи 135
5.1. Расчет эксплуатационных и энергетических эквивалентов машинной системы в условиях Красноярской лесостепи 135
5.2. Разложение существующей и проектируемой структур машинной системы на технологические элементы 139
5.3. Оценка эффективности преобразования структуры механизированных операций в растениеводстве 145
5.4. Отношение экономических и энергетических показателей эксплуатационных издержек 146
5.5. Определение экономического эффекта от введения инновационной структуры механизированных операций в зоне Красноярской лесостепи 148
5.6 Выводы 149
Общие выводы 151
Библиографический список 153
Приложение 169
- Анализ развития методов проектирования механизированных операций зернового подкомплекса АПК
- Моделирование влияния климатической адаптивности машинной системы на формируемые технологические линии
- Показатели эффективной эксплуатации машинных систем при климатической адаптации технологий
- Влияние климатических факторов на эксплуатационные свойства машин, агрегатов и технологических линий
Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс в развитии сельскохозяйственных технологий поставил задачу создания систем исключительно высокой точности и минимальной сложности. Эффективная структура полевых механизированных операций зернового комплекса АПК Красноярского края должна быть увязана с перспективной структурой посевных площадей, системой севооборотов и удобрений, энергосберегающей технологией возделывания и уборки сельскохозяйственных культур, их энергопродуктивностью, материально-техническими ресурсами, производственными и климатическими условиями сельскохозяйственных территорий. Климатическая адаптивность машинной системы в отрасли растениеводства зависит от амплитуды колебаний влажности, радиации и температуры. Следовательно, применяемый способ укомплектования технологических линий и формирования структуры механизированных операций должен обеспечивать выполнение полевых машинных работ в оптимальные агротехнические сроки с наименьшими потерями урожая зерновых культур и с наибольшей нагрузкой машинной системы зернового комплекса.
Степень приближения к оптимальному уровню при расчете структуры машинно-тракторного парка зависит от климатической адаптивности технологических линий, отражающей природные условия производства. Внедрение новой системы машин требует определенного периода времени, в течение которого старые машины постепенно заменяют новыми с заданным эксплуатационным резервом.
Опыт показывает, что новая техника в первый период ее освоения в эксплуатации дает несколько заниженные по сравнению с расчетными показатели по производительности, экономичности, а во многих случаях и по качеству работы.
По мере освоения машины указанные показатели постепенно повышаются, достигая расчетного уровня, а в дальнейшем могут и перекрывать его. Процесс освоения новой техники требует определенного времени, что зависит от ряда факторов: квалификации кадров, организации производства и др.
Теоретической и методологической базой исследований явились труды отечественных и зарубежных учёных: П.И. Коха, Н.В. Цугленка, В.П. Горячки-на, Б.А. Линтварева, Ю.К. Киртбая, С.А. Иофинова, М.Е. Артемова, В.А. Ушанова, У. Джексона, в которых рассматривались варианты повышения эффективности использования машинного парка и формирования структуры полевых механизированных операций.
В работах А.Г. Баштового, В.А. Ушанова предложены схемы формирования транспортных технологических линий уборки зерновых культур на основе сочетания использования тракторов, комбайнов-и подборщиков. Установлено, что качественная потребность в технике обеспечивается материальными ресурсами АПК недостаточно - на уровне 50!,2%, что сдерживает внедрение инновационных технологий производства зерна на основе современной энергонасыщенной техники.
При расчете, как показал М.Е. Артемов, необходимо учитывать коэффициент технической готовности парка, поскольку часть машин неизбежно простаивает на ремонте или сложном техническом.уходе.
Величина этого коэффициента зависит в значительной мере от уровня ор-ганизации инженерно-технической службы и находится в пределах 0,85-0,90. Особо тщательно должны быть обоснованы сроки выполнения работ.
Специализация и концентрация производства на базе межхозяйственной кооперации позволяют значительно увеличить площади возделывания и повысить эффективность производства.
Если одни и те же машины используют при возделывании разных культур, это позволяет снизить удельные капиталовложения в 1,5-3,5 раза по сравнению с тем случаем, когда комплексы машин используют на возделывании только одной культуры. Для снижения себестоимости возделывания культур необходимо уделять должное внимание рациональному их сочетанию по срокам выполнения производственных процессов, а также подбору и применению универсальных машин. Такое решение требует многовариантного расчета, что связано с большим объемом вычислений.
Существуют многочисленные способы и их варианты для расчета оптимальной структуры машинно-тракторного парка с применением аналитических моделей и ЭВМ.
Это достигается исключением из разработки таких машин и агрегатов, применение которых заведомо нецелесообразно по агротехническим, технико-эксплуатационным и экономическим показателям; объединением одноименных работ, включенных в технологические комплексы возделывания разных культур при условии выполнения их агрегатами одинакового состава; декомпозицией общей модели на отдельные части и делением каждой составляющей модели на отдельные элементы.
Методы определения оптимального состава машинно-тракторного парка предусматривают выбор такой структуры механизированных операций и количественного состава по маркам машин, который обеспечивает выполнение заданных объемов работ в агротехнические сроки при любых колебаниях климатических факторов. Общий методический недостаток применяемых методов, как показали А.Б. Бодман, П.И. Кох, в том, что все они предполагают наиболее эффективное использование только одного ресурса производства — техники, но не учитывают факторы колебания погоды. Проблема определения оптимального состава парка энергетических машин и потребности в механизаторских кадрах должна рассматриваться как задача совместной оптимизации этих основных ресурсов сельскохозяйственного производства. Однако, как показано в исследованиях С.А. Иофинова, недостаточно учитываются потребность в механизаторских кадрах и их годовая загрузка, а также издержки, возникающие при недостатке механизаторов и при их избытке.
Нормативы потребности в тракторах и самоходных машинах на 1000 га посевной площади должны быть пересмотрены с учетом поступления современной отечественной и зарубежной техники на 100000 га, которые рассчиты 8 вают по наиболее напряженному периоду и устанавливают не по отдельным видам сельскохозяйственных работ, а по основным укрупненным напряженным периодам выполнения комплекса работ для тракторов общего назначения.
Следовательно, чтобы обеспечить высокую экономическую эффективность технологической линии, необходимо стремиться к возможно длительному ее использованию, и в первую очередь наиболее дорогостоящих универсальных машин. По мере роста энергонасыщенности технологических линий все больший энергетический и экономический эффект будет давать замена специальных машин универсальными, у которых значительно более дорогая энергетическая неходовая часть будет более полно использоваться в течение года как база для навески рабочих машин.
Возможность широкого применения универсальных машин в технологических линиях определяется, и в определенной мере; ограничивается природными и климатическими условиями, организацией отрасли и производственных процессов, технологией, производства.
Цель работы. Разработать модели формирования структуры механизированных звеньев производства зерна в условиях Красноярской лесостепи для повышения энергетической и экономической эффективности.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Дать анализ современного состояния вопроса эффективности механизированных работ в отрасли растениеводства в условиях резко континентального климата Красноярского края.
Разработать модели повышения эффективности полевых механизированных звеньев производства зерна.
• Разработать методику исследований по эффективности машинных работ в растениеводстве и программу расчета на ЭВМ по основным показателям механизированных работ, адаптированных к условиям Красноярской лесостепи. • Провести исследования по формированию эффективных механизированных звеньев растениеводства, адаптированных к условиям Красноярской лесостепи.
• Определить технико-экономические показатели и провести исследования по формированию эффективного производства зерна в сельскохозяйственных районах Красноярской лесостепи.
Объект исследования. Механизированные звенья зернового комплекса и технологические линии производства зерна в Красноярском крае.
Предмет исследования. Зависимости технологических, энергетических и временных параметров, используемых механизированных звеньев производства зерна от климатических условий сельскохозяйственных территорий и применяемых агротехнологий в Красноярской лесостепи.
Методы исследования. Использованы методы системного анализа, теории случайных процессов и классическая теория эксплуатации машинно-тракторного парка и машинных систем в АПК. Использованы также математические модели, аппараты алгебры и линейного программирования, система компьютерной математики Maple.
Научная новизна. Впервые на основе методологии системного анализа, критерия сопряжения материальных и энергетических потоков разработаны модели и построены расчетные схемы оптимизации структуры полевых механизированных операций зернового комплекса в условиях резко континентального климата.
Предложен новый теоретический подход исследования эффективности человеко-машинных систем - оценка эксплуатационной адаптивности структуры механизированных звеньев к условиям Красноярского края. Разработаны аналитические модели и система программ для исследования по формированию эффективных машинных систем в зерновом комплексе Красноярского края.
Разработаны программы формирования структуры полевых механизированных операций зернового комплекса на пахотных землях сельскохозяйственных районов Красноярского края в условиях резко континентального климата: «Эксплуатация машинных систем», «Энергоэкономическое прогнозирование структуры землепользования», «Гармонический анализ поля суммарной солнечной радиации на территории Красноярского края», «Квазипериодическая модель суммарной солнечной радиации», «Модель прогнозирования поля суммарных осадков», «Прогнозирование поля урожайности зерновых культур», «Модель урожайности яровой пшеницы в структуре звеньев полевых севооборотов на выщелоченных черноземах», «Агроэкологические технологии ведения сельского хозяйства Красноярского края», «Прогнозирование состояния зернового комплекса в системе агротехнологий растениеводства», - зарегистрированные Федеральным институтом промышленной собственности в виде девяти свидетельств Роспатента.
Практическая значимость работы. Программа «Эксплуатация машинных систем» для расчета технологических параметров машинных работ использована в сельскохозяйственных районах Красноярского края. Основные резуль-таты исследования используются научно-исследовательским и проектно-изыскательским институтом по землеустройству ОАО «ВостСибНИИгипрозем» и в учебном процессе ФГОУ ВПО КрасГАУ.
На защиту выносятся:
• модели повышения эффективности полевых механизированных звеньев производства зерна и построения эффективной структуры технологических звеньев в зависимости от их климатической адаптивности на основе сопряжения стохастических и энергетических методов исследования;
методика и результаты расчета экономического эффекта от проектирования структуры механизированных звеньев производства зерна в условиях Красноярской лесостепи;
результаты расчетов и предложения по преобразованию структуры механизированных звеньев производства зерна в условиях Красноярской лесостепи. Апробация. Основные результаты диссертации представлялись и обсуждались на международных, всероссийских, региональных и внутривузовских научных конференциях, в том числе: международная студенческая конференция «Молодежь и наука XXI века» (Красноярск, 2001); международная студенческая конференция «Молодежь и наука XXI века» (Красноярск, 2002); региональная студенческая конференция «Красноярский край: освоение, развитие, перспективы» (Красноярск, 2002); региональная студенческая конференция «Красноярский край: освоение, развитие, перспективы» (Красноярск, 2003); XLII научно-техническая конференция ЧГАУ, Челябинск, 2003; всероссийская научно-практическая конференция посвященная 50-летию КрасГАУ (Красноярск, 2003); мейфегиональный студенческий научный фестиваль «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2002); всероссийская научная конференция «Энергетика и энергосбережение» (Красноярск, 2005); международная заочная научная конференция «Проблемы современной аграрной науки» (Красноярск, 2008), а также обсуждались на заседаниях совместного научно-практического семинара кафедры высшей и прикладной математики и Информационно-вычислительного центра «Математическое моделирование и оптимизация сельскохозяйственных технологий» 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы [24, 26, 27, 39 9, 129-131, 136, 137, 139, 141,144, 145], в том числе 2 - в издании, рекомендованном ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций, и получено 9 свидетельств Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ и базы данных [1-9].
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 24 таблицы. Список литературы содержит 151 наименование. Приложение представлено на 11 страницах.
Анализ развития методов проектирования механизированных операций зернового подкомплекса АПК
Исследования в области аналитического мониторинга и проектирования эффективных механизированных технологий в растениеводстве являются единственно возможным средством интеграции получаемых знаний о процессе формирования урожая сельскохозяйственных культур при заданных условиях эксплуатации технических средств в АПК [63, 64, 122].
На свойства композиционных материалов и адаптивность энергетических и сельскохозяйственных машин, эксплуатируемых в полевых условиях на открытом воздухе, влияет комплекс климатических факторов: влажность, температура, солнечная радиация. Интенсивность их влияния на производительность машинно-технологических линий зависит от режима эксплуатации машины и изменяется во времени в соответствии с изменением погоды, привязанной к географической точке.
Начиная с классических работ В.П. Горячкина [37] и С.А. Иофинова [53], Б.А. Линтварева [73], Н.В. Цугленка [128, 140], разрабатывается вопрос экономической эффективности эксплуатационных показателей машин в технологических линиях, а также методика качественной энергетической оценки процессов технологических линий.
С.А. Иофинов заложил основы методики расчета и оценки экономической эффективности поточно-группового использования машинно-тракторных агрегатов с элементами случайности реакции работоспособности машин на внешние климатические изменения.
В трудах Р.Ш. Хабатова [125] впервые на основе статистического материала были выработаны рекомендации по созданию и эксплуатации механизированных отрядов для заготовки кормов — приведены составы отрядов и звеньев, обеспечивающих наиболее высокую производительность и параллельное техническое обслуживание.
В исследованиях Н.В. Цугленка [127, 138, 147], А.С. Миндрина [84], Ю.Ф. Новикова [88-90], А.А. Кивы [57], Ю.В. Пануса [95], Е.И. Базарова [18-19], А.В. Каверина [54], И.П. Масло [74], И.И. Свентицкого [106, 107], М.М. Севернева [108]. Д.С. Стребкова [116], В.И. Сыроватки [117] и др. [81, 82, 77] определены доминирующие факторы, влияющие на производительность и энергозатраты агрегатов в составе механизированных комплексов, и разработаны рекомендации, способствующие выполнению всего объема работ в кратчайшие сроки и с высоким качеством.
Последовавшие далее публикации посвящены созданию и методике оценки энергетической эффективности технологий уборки" при различных транспортных схемах и при согласовании ритмичности работ с эксплуатационной адаптивностью механизированной технологической линии.
Вопросами организации технического обслуживания и ремонта машин занимались М.Е. Артемов [15-16], В.А. Ушанов [121] с соавторами. Применяя методы теории массового обслуживания, статистического моделирования, они обосновали показатели изношенности техники и технических услуг. Модель В.А. Ушанова учитывает случайный характер изменения нагруженности агрегата при взаимодействии с другими агрегатами и изменение надежности агрегата при работе.
Н.И. Селиванов [109] с учениками разработал математическую модель работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки в сезонных условиях для различных природно-климатических зон Красноярского края. Ими предложены зональные схемы формирования парка энергетических машин, с учетом эксплуатации техники на зимних работах. Установлено, что наиболее эффективными эксплуатационными показателями обладают тракторы с двумя уровнями мощности. В.М. Михлин [85], В.А. Самсонов [105], М.М. Фирсов [123, 124], В.И. Черноиванов [149], А.Л. Эйдис [151], Н.В. Краснощеков [62] и др. [93, 112-114, 120] занимались вопросами эксплуатационной технологичности кон-струкций энергетических машин.
Направление теоретических и экспериментальных работ в области технологий производства основных групп продукции растениеводства определяет основы проектирования,технологий в условиях конкретных предприятий АПК. В этих исследованиях отражена методология построения технологических схем, повышающих уровень экономического и технологического совершенства комплексов растениеводства, определена структура объектов технологического регламента повышения качества сельхозработ.
Исследования Н.В. Цугленка [133-135] показывают, что структура экономических затрат в растениеводстве сильно связана с энергозатратами и энергоотдачей от производства продукции. Им предложена методика оценки технологий на основе энергетического аналога экономической эффективности, разработан критерий сопряжения энергетических и продуктивных потоков АПК предложен интегрированный экономико-энергетический подход, представления АПК в виде агроэкологической системы.
Н.В. Цугленок с учениками [24, 45, 132, 147] исследовали структуру энергозатрат в растениеводстве и выяснили, что общие энергозатраты машинных работ распадаются на категории, соответствующие основным технологическим звеньям: расходы на изготовление машин, расходы на ГСМ, расходы электроэнергии, энергии удобрений и живого труда. Ими построены модели квантования эксплуатационных показателей и энергоемкости некоторых элементов сельскохозяйственного производства и, таким образом, разработана методика оценки технологии на основе общенаучного понятия энергии. Модели энергетического анализа технологического комплекса растениеводства находят применение для решения задач прогноза и управления машинными системами при поддержании технической готовности энергетических машин. В контексте развития теории оптимизации машинных систем указанные подходы существуют не изолированно. Они органически вытекают один из другого по мере освоения новых аналитических методов и совершенствования методики исследований. Определившаяся перспектива развития теории эффективности технологических комплексов растениеводства лежит в плоскости системно-энергетической методологии. Она определяет необходимость формирования экономически эффективных и энергосберегающих технологических комплексов на основе оптимизации их состава и структуры по энергетическому критерию.
Методологией организации технологического процесса зернового комплекса на научной основе занимались Н.И. Агафонов [10-11], В.М. Баутин [22], В.Ю. Грицык [38], Э.В: Жалнин [50], Ю.И. Бершицкий [28], Е.В. Жидкова.[51], С.А. Иофинов [53], Ю.К. Киртбая [58], Н.В. Краснощеков [65-68], Ю.Л. Морозов [87], К.С. Орманджи [91, 92], Ю.Н. Павловского [94], В.А. Прокопенко [101], Р.Ш. Хабатова [125], зарубежных исследователей [56] и др. [115].
Моделирование влияния климатической адаптивности машинной системы на формируемые технологические линии
Современные методики формирования инновационных структур в сельском хозяйстве через теоретические модели учитывают закономерности преобразования их экономических и энергетических эквивалентов, а посредством прикладных программных систем для ЭВМ [118] поддерживают устойчивость технологического процесса в режиме реального времени и обеспечивают его корректировку в соответствии с изменяющимися экологическими и экономическими условиями. При выборе аппарата для анализа реакции системы энергомашинных воздействий системы на случайные возмущения, вызванные колебаниями климатических факторов (солнечной радиации, температуры, осадков, влаги, ветра и др.), необходимо учитывать существенные свойства случайных функций, описывающих внешние воздействия на объемлющую машинную систему [30, 52, 55, 59, 60]. Результаты наблюдений энергомашинных воздействий и экспериментов с отдельной механизированной технологической линией могут получить различную интерпретацию. Они могут быть описаны как детерминированные функции в том смысле, что условия эксперимента практически однозначно определяют его результаты, и возмущающий фактор можно элиминировать. Они также могут оказаться случайными функциями, когда при неизменном комплексе условий изменяются от эксперимента к эксперименту и невозможно предсказание исхода каждого последующего эксперимента [86, 104, 119,126].
Машинная система, формируемая с помощью структуры механизированных операций на базе машинно-тракторного парка, состоит из механизированных технологических линий (МТЛ), каждая из которых, в свою очередь, является подсистемой технологических звеньев, связанных между собой материально-сырьевыми и энергетическими потоками.
В соответствии с концепцией профессора Н.В. Цугленка [142], формирование и управление технологическим комплексом сельского хозяйства должны быть организованы так, чтобы его /-линия с производительностью w( в каждый интервал времени At выдавала столько единиц продукции, сколько она может произвести за время At при безотказной работе. Управление каждой конкретной технологической линией подчиняется этому же принципу, с той лишь детализацией, что после обработки в (/,_/)-звене продукция поступает в {i,j +1)-звено /-линии. Каждое технологическое (/, у)-звено, входящее в МТЛ, работоспособно в данный момент времени, если оно может получать на вход продукцию от (/, у-і)-звена и на выходе передавать продукцию (/, у + 1)-звену. В качестве входных и выходных параметров (i,j)-звена можно использовать количество единиц продукции растениеводства, произведенной за время безотказной работы, а также энергопродуктивность продукции растениеводства. В свою очередь, каждое (/, у)-звено можно рассмотреть как систему одного или нескольких машинно-тракторных агрегатов (МТА) или, по крайней мере, как их совокупность. При системной организации звена каждый (/, j, &)-агрегат получает результат (/, j,k-і)-агрегата и передает его (/, j,k +1)-агрегату или по меньшей мере воздействует на (/, у, л)-агрегаты с интенсивностями, равными, скажем, Я .
При отказе (/, у)-звена или уменьшении его производительности за счет колебаний климатических факторов на некоторый (/, у, А:)-агрегат поступление продукции на выход прекращается либо замедляется. В общем случае технологический процесс машинной системы и всех ее линий складывается из взаимосвязанных технологических цепочек - технологических звеньев. Если задержка в одном звене, порожденная климатическими изменениями, вызывает значительное нарастание задержек в последующих звеньях, то можно говорить о слабой климатической адаптивности технологической линии. Это, в свою очередь, приведет к снижению производительности поточной линии и может привести к функциональному сбою машинной системы. Нарастание задержек по нескольким технологическим линиям может указать на пониженную климатическую адаптивность машинной системы в целом. Но, без сомнения, приведет к возрастанию энергозатрат и материально-денежных затрат и себестоимости продукции растениеводства [128].
Для обеспечения устойчивости машинной системы в целом каждой отдельной технологической линии под воздействием возмущающих климатических факторов (резкоконтинентального климата) необходимо достичь высокой стабильности технологического процесса в каждом звене линии. Значит, для каждой / -линии необходимо рассчитать такой количественный и качественный состав (/, j, к)-агрегатов, который гарантировал бы непрерывность процесса. Вероятность» безразрывности технологического процесса является функцией относительно надежностей входящих в линию агрегатов-и поэтому надежности агрегатов можно.рассмотреть как параметры модели, определяющей состав агрегатов в технологических звеньях. Однако понятие надежности машин (энергетической и сельскохозяйственной) включает в себя кроме безотказности еще и ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность, что в этой работе не рассматривается.
Экспериментально установлено, что безотказность МТЛ возрастает при ее резервировании. Временной резерв производительности линии создается за счет увеличения времени работ в пределах агросрока. Но нарушение агросрока под действием климатических факторов приводит к значительным потерям урожая и увеличению затрат на выполнение работ, что существенно ограничивает этот резерв:
Показатели эффективной эксплуатации машинных систем при климатической адаптации технологий
Высокие амплитуды колебаний климатических факторов оказывают неблагоприятное воздействие на эксплуатацию энергетических и сельскохозяйственных машин в период полевых работ и в периоды хранения техники. При хранении машина находится в нерабочем состоянии, но под действием климатических факторов могут возникать, например, пробои изоляции в результате насыщения ее влагой и др. Причинами возникновения пусковых отказов двигателей внутреннего сгорания являются условия, ухудшающие воспламенение топлива в цилиндрах, повышающие вязкость смазочных и горючих материалов, что затрудняет их поступление в цилиндры двигателя. Причинами пусковых отказов гидронасосов может быть непоступление жидкости во всасывающие полости вследствие ее застывания.
Решение задачи комплексной оценки влияния климатических факторов на эксплуатационные свойства сельскохозяйственной техники начнём с разработки информационно-логической модели системы [17, ПО], описывающей заданные звенья пуска машинного агрегата (А), нагружения (В), работы (С) и эксплуатации машинного агрегата ( ) с учётом элементов пускового отказа (а), устранения пускового отказа (ма), нагрузочного отказа (Ь), устранения нагрузочного отказа (иД рабочего отказа (с), устранения рабочего отказа (ис) и потоков в системе (рис. 2.1).
Под климатическими отказами обычно понимают отказы, в основе возникновения которых лежит воздействие климатических факторов на материалы деталей машин (металлы, полимерные материалы), рабочие, охлаждающие, смазочные и горючие жидкости и на машину в целом. Изменение свойств материалов в результате старения под воздействием климатических факторов внешней среды вызывает постепенные, износные отказы. Обозначим через Wx{t) — показатель работоспособности звена X; Я - интенсивность потока вероятности из звена X в звено Y, обеспечивающая работоспособность звена Y.
Для пуска машины (А) при действии факторов радиации, осадков, тумана и ветра (Е) во всех случаях необходимо определенное время для приведения в действие пусковых устройств. Это время необходимо также для улучшения пусковых условий до необходимых параметров (нагрев двигателя). Вследствие этого реальным является предположение, что вероятность пуска машины за бесконечно малый промежуток времени равна нулю. Тогда начальным значе-ниєм функции WA(t) является Р (о) = 0.
Нагружение машины (В) сопряжено с нагрузочными отказами, при воз-никновении- которых машина не может развивать расчетные нагрузки, скорости, моменты, т.е. не может выполнять свои эксплуатационные функции (рис. 2.2). Нагрузочные отказы являются следствием, нарушения функциональных связей между элементами: машины, возникающих главным образом под действием климатических факторов — колебаний; температуры, осадков, радиации: (см. рис. 2.1); К типичным нагрузочным отказам относятся буксование пневмо-колесных машин, недержание тормозов, снижение: моментов передаваемых фрикционными муфтами. Нагрузочные отказьв могут значительно, снижать эффективность использования машин, эксплуатируемых на открытом воздухе. Эти отказы,возникают главным образом непосредственно после пуска машины, однако возможно их появление и в, период работы машины прш попадании в устройства осадков, понижении- температуры и других явлениях (кривая; 5: на рис. 2.2), поэтому можно считать, что в начальный: момент функция Wtt(t) имеет значение :0 (0)=0--.
Приработе машины (С) возникают.рабочие:отказы, которые по природе своего возникновения могут быть внезапными, износными и климатическими. Внезапные отказы; возникают вследствие воздействия, случайных факторов; и: внезапной концентрации; напряжений в і элементах машин. Природа таких внезапных концентраций напряжений весьма различна (случайные перегрузки, воздействие концентраторов в конструкциях деталей, внутренние дефекты материалов), и появление отказов во времени носит внешне случайный характер.
Износные отказы появляются при наличии предельных износов-в деталях и элементах машин. Такие отказы по характеру проявления относятся к постепенным, в известной; мере прогнозируемым отказам. К износным отказам относятся не только собственно износные отказы, вызываемые механическими, теп-ловымш окислительным видами изнашивания элементов машин, но и накапливающиеся повреждения и, ухудшения свойств, вызываемые старением материалов (пластмасс, изоляционных материалов). Логично: установить- начальное значение Wc (о) = 0.
Влияние климатических факторов на эксплуатационные свойства машин, агрегатов и технологических линий
В результате изменения погодно-климатических условий происходит отклонение фактических сроков механизированных операций от плановых оптимальных сроков. Такие отклонения по совокупности операций характеризуют климатическую адаптивность проектируемых технологических линий зернового комплекса [72].
Наибольшее значение среди всех пространственных и климатических факторов, влияющих на эксплуатацию сельскохозяйственной техники, имеют количество выпавших осадков за период работ и накопленная влажность почвы. Поэтому негативные условия эксплуатации технологических линий реализуются в жарком сухом и жарком влажном состояниях климата. На основании собранных статистических данных по количеству выпавших осадков и почвенной влаги и разработанных теоретических моделей с помощью системы компьютерной математики Maple [36, 75] построены зависимости, описывающие характер возмущающих факторов машинной системы.
Расчётным путём установлена степень влияния сухого жаркого климата на производительность технологических линий (адаптивность к сухому жаркому климату) в виде следующей зависимости (балл.): где Ттлхср - среднее значение максимальных амплитуд колебаний температуры воздуха за временной период, С; vT — средняя скорость ветра за временной период, м/с; ср., — среднее значение относительной влажности воздуха за временной период, мм; ] — среднее число дней с туманом за временной период; t7 — продолжительность действия максимальных колебаний температур.
Аналогично получена степень влияния влажной жаркой погоды на производительные свойства (балл.): средние значения климатических факторов за временной период, указанных в формуле (4.1); щ — среднее число дней с дождями, туманом и грозами за временной период. Например, результаты статистических исследований по формированию и эксплуатации технологической линии уборки зерновых культур показывают, что уборочные работы проходят в конце августа - начале сентября в наиболее сложных производственных и климатических условиях из-за осадков. Минимальное количество осадков (44 мм) в период уборки выпадает с той же вероятностью,- что и максимальное количество осадков (200 мм). Среднее значение количество выпавших осадков за этот период равно 90 мм, причем за один день может выпасть до 70 мм осадков. Следовательно, скошенные валки зерновых культур могут попасть под такое количество осадков, что необходимость в их обмолоте теряет смысл. Увеличение параметров потока отказов во влажные месяцы отмечается у всех эксплуатируемых энергетических машин, в том числе проявляется в отношении комбайнов и комплексных полевых агрегатов. Расчет на ЭВМ по значениям потока отказов coKi и баллов влияния климата (климатической адаптивности) Nn позволил получить уравнения регрессии для механического оборудования основных моделей комбайнов и тракторов, эксплуатируемых в условиях влажного или с повышенными осадками климата. Так, например, для механического оборудования тракторов шестого класса тяги, эксплуатируемых в Енисейске, эти уравнения имеют вид: й)и =0,00188(іУл -79,5)+0,426 ; N„ =343( -0,426)+79,5, а рассчитанный выборочный коэффициент корреляции равен гп = 0,81. Поскольку значения параметра потока отказов и баллов влияния климатических факторов для ограниченного отрезка времени есть величины случайные, связи между ними являются корреляционными и должны исследоваться методами корреляционного и регрессионного анализа. Математические связи со и Nn являются уравнениями или функциями регрессии следующего вида: где а0 — свободный член, характеризующий параметр потока отказов при Nj = 0; а, и а2 - коэффициенты при линейных и квадратичных членах уравнения. Уравнения регрессии, полученные с помощью ЭВМ для механического оборудования тракторов, эксплуатируемых в типичных условиях холодного климата, имеют вид4(рис. 4.1): для тракторов шестого класса тяги при эксплуатации в Енисейске При рассмотрении корреляционных связей соИ и Nn сложных машин с заменой отказавших элементов нужно иметь в виду, что при резком колебании температуры воздуха в первую очередь отказывают наименее устойчивые элементы — элементы с наибольшими концентраторами напряжений. На их место устанавливают другие элементы, которые могут иметь ту же или повышенную работоспособность при резких колебаниях температуры. В первом случае происходит повторный отказ, во втором - элемент будет продолжать работу даже при более интенсивных колебаниях температуры. Поэтому в первый период работы машины увеличиваются параметры потока отказов, которые затем могут стабилизироваться или уменьшаться, несмотря на снижение интенсивности колебаний температуры воздуха. Такие явления - изменение частостей поломок деталей энергетических машин при их эксплуатации отмечаются в практике сельскохозяйственных организаций, например в Минусинском районе (рис. 4.2). При рассмотрении вопросов эксплуатации машин в условиях жаркого сухого климата было установлено значительное увеличение параметра потока отказов электрического оборудования машин в летние месяцы [12], т.е. было показано существование определенных связей соэ и Sn.
