Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и проблемы использования иностранных энергетических средств в зерновом производстве 12
1.1. Природно-производственные условия Южной зоны Центрального экономического района РФ 12
1.2. Тенденции использования иностранных энергетических средств при возделывании зерновых культур 19
1.3. Состояние исследований по оптимизации параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов 26
1.4. Анализ исследований по обоснованию структуры и состава комплексов технических средств для выполнения технологических процессов 34
1.5. Задачи исследования 38
2. Оптимизация эксплуатационного обеспечения технологических процессов агрегатами на базе иностранных энергетических средств при возделывании зерновых культур 39
2.1. Обоснование общей структурной схемы исследования 39
2.2. Факторы, определяющие тяговое сопротивление сельскохозяйственных машин и орудий 40
2.3. Обоснование предельно-допустимой ширины захвата почвообрабатывающих машин и грузоподъемности транспортных средств по тягово-сцепным возможностям энергомашины 43
2.4. Обоснование оптимального сочетания скорости и ширины захвата агрегата 45
2.5. Особенности обоснования параметров тягово-приводных агрегатов и комбинированных агрегатов 48
2.6. Факторы, определяющие эксплуатационные показатели агрегатов 52
2.7. Обоснование оптимальных параметров агрегатов для выполнения отдельной технологической операции и для
технологического модуля 61
2.8. Определение вероятностных характеристик функционирования
системы эксплуатационного обеспечения работы технологических комплексов 64
2.9. Оценка эффективности организации системы
эксплуатационного обеспечения работы технологических комплексов 71
3. Программа и методика проведения экспериментальных и статистических исследований ... 80
3.1. Объекты и программа экспериментальных исследований 80
3.2. Экспериментальные исследования на имитационной модели функционирования посевных комплексов 82
3.3. Методика проведения экспериментальных и статистических исследований 88
3.4. Определение кинематических показателей агрегатов 93
3.5. Исследование баланса времени смены технологических агрегатов 94
3.6. Обоснование степени точности (погрешности) измеряемых параметров 95
3.7. Обработка экспериментальных и статистических данных 96
4. Результаты экспериментальных исследований ... 99
4.1. Основные результаты экспериментальных и статистических исследований 99
4.2. Влияние скорости и ширины захвата на кинематические показатели агрегатов 100
4.3. Составляющие баланса времени смены и их анализ 103
4.4. Состав энергетических средств для сельскохозяйственных организаций Южной зоны ЦЭР РФ в соответствии с нормативами потребности 106
4.5. Прогнозирование оптимальных параметров, режимов и показателей работы агрегатов на основных видах работ 108
4.6. Обоснование темпа и продолжительности выполнении полевых работ по допустимым потерям урожая 116
4.7. Обоснование состава технологических и транспортно-загрузочных звеньев комплексов 123
4.8. Экономическая и энергетическая оценка вариантов организации системы эксплуатационного обеспечения технологического процесса 126
4.9. Оценка эффективности организации системы эксплуатационного обеспечения технологического комплекса по параметрам производительности и использования машин 128
4.10. Обобщенная экономическая оценка системы эксплуатационного обеспечения на примере посевных комплексов и определение экономического эффекта 133
Общие выводы 137
Список литературы 139
Приложения 152
- Природно-производственные условия Южной зоны Центрального экономического района РФ
- Факторы, определяющие тяговое сопротивление сельскохозяйственных машин и орудий
- Экспериментальные исследования на имитационной модели функционирования посевных комплексов
- Состав энергетических средств для сельскохозяйственных организаций Южной зоны ЦЭР РФ в соответствии с нормативами потребности
Введение к работе
Одной из глобальных проблем человечества является продовольственная. Огромная роль в ее решении отводится производству зерна. Оно является системообразующим для остальных секторов агропромышленного производства. В нашей стране зерновые культуры занимают около 60% всех посевных площадей.
Для получения высоких урожаев зерновых культур необходимы огромные затраты ресурсов: дорогостоящие системы машин, топливо-смазочные материалы, средства защиты растений, минеральные удобрения и другие. Однако из-за постоянного увеличения стоимости этих ресурсов их применение с каждым годом снижается, что является основным фактором сокращения валового сбора зерна не только в Центральном экономическом районе, но и по стране в целом.
Происходит физическое и моральное старение техники, это приводит к снижению производительности труда, фондоотдачи и эффективное использование систем машин в зерновом производстве является актуальной проблемой.
За период с 1992 по 2005 годы в сельском хозяйстве Российской Федерации произошли существенные перемены, обусловленные изменением аграрной политики государства, особенно реформированием предприятий и отказа от государственной поддержки. Из сельскохозяйственного оборота выведено и не используется около 17 млн. га сельскохозяйственных угодий, более чем на 30 млн. га уменьшились посевные площади. Резко снизился уровень рентабельности сельскохозяйственных организаций.
Это вызвано существенным сокращением парка машин и оборудования в сельскохозяйственных организациях. Уровень обновления тракторов уменьшился в несколько раз. Ухудшились техническое состояние и технический сервис наличной техники. Нормативный срок службы превысили около 60% парка тракторов и комбайнов, более 55% оборудования.
Это приводит к нарушению выполнения технологических процессов, снижению объемов производства продукции, росту ее себестоимости и снижению конкурентоспособности по сравнению с импортной продукцией.
Устранение последствий спада и дальнейшее развитие агропромышленного комплекса за последние годы в значительной степени обеспечивается ориентацией на инвестиции и крупно-товарное производство. Оба направления связаны между собой. Финансовые средства на обновление и развитие технической базы, оснащение сельскохозяйственных товаропроизводителей высокопроизводительными машинами и рациональным их использованием, способствуют быстрому внедрению ресурсосберегающих технологий.
На рынке сельскохозяйственной техники предлагается большое количество отечественных и зарубежных тракторов, прицепных и навесных машин с различными технико-экономическими параметрами. Многие регионы стали создавать целые программы технического перевооружения села (Белгородская, Липецкая, Орловская, Брянская и др. области). На реализацию этих программ выделяются значительные средства.
Для эффективного их использования следует осуществлять выбор и экс плуатацию наиболее экономических видов комплексов техники, создавать новые машинно-технологические станции для обслуживания сельскохозяйственных организаций. При выявлении экономически эффективных машин и комплексов необходимы научно обоснованные разработки эксплуатационного обеспечения процессов.
Удельный вес затрат на эксплуатацию машинно-тракторного парка в структуре себестоимости зерна отдельных культур составляет более 50%. Исходя из этого можно отметить, что эксплуатационное обеспечение технологических модулей возделывания зерновых является актуальной научной проблемой, решение которой имеет важное значение для сельскохозяйственного производства.
В связи с этим целью данного исследования является обоснование оптимальных эксплуатационных параметров машинно-тракторных агрегатов, звеньев и комплексов на базе иностранных энергетических средств в условиях Южной зоны центрального экономического района РФ и разработка практических рекомендаций по высокоэффективному их использованию.
Объектом исследования являются технологические модули при возделывании зерновых культур, машинно-тракторные агрегаты, звенья и комплексы, создаваемые для возделывания отдельных культур, на базе импортных трактов для выполнения различных технологических и транспортных операций.
Возможности применения разнообразных типов машин на возделывании зерновых, применение различных видов технологий и организационных форм работы в сочетании с широким диапазоном изменения условий работы (длина гона, площадь полей, урожайность и др.) существенно усложняют решение рассматриваемых задач традиционными инженерными методами.
Научно обоснованное их решение возможно при использовании методов экономико-математического моделирования на базе теоретических основ исследования технологических модулей и системного подхода. Применение данных методов позволяет при системности изучаемых производственных процессов оптимизировать параметры энергетических средств. Т.к. для получения конечной продукции с наименьшими затратами ресурсов необходима научно обоснованная система эксплуатационного обеспечения всего производственного процесса.
В данной работе используется система методов, которая для конкретных условий выполнения технологических модулей по энергетическим, техническим и экономическим критериям оценки вероятностных состояний элементов системы позволила определить: суточный темп и сроки проведения полевых работ, количество, параметры и режим работы агрегатов для выполнения каждой операции технологического модуля.
Практическая ценность работы заключается в широком использовании на практике разработанных теоретических положений инженерных методов проектирования, обеспечивающих оптимизацию структуры, параметров, режимов и показателей использования элементов системы эксплуатационного обеспечения технологических модулей в различных условиях их выполнения.
Результаты исследований апробированы в ЗАО «Ломовское» Орловской области и также нашли применение в других сельскохозяйственных организациях области (приложение 2).
Природно-производственные условия Южной зоны Центрального экономического района РФ
Исходя из специализации аграрного производства и природно-экономических условий хозяйствования на территории Центрального экономического района (ЦЭР) в научных документах выделяют три крупных природно-экономических сельскохозяйственных зоны, название которых в документах обозначается не по основному рыночному продукту, а по географическому признаку: Северо-Западная, Центральная и Южная [44] .
Каждую зону представляют по четыре субъекта РФ: Северо-Западную -Костромская, Смоленская, Тверская и Ярославская области; Центральную -Владимирская, Ивановская, Калужская и Московская области; Южную -Брянская, Орловская, Рязанская и Тульская области.
Основным сегментом рынка растениеводческой продукции в Северо-Западной сельскохозяйственной зоне ЦЭР является товарная продукция льноводства. Валовой сбор льноволокна в 2001-2005гг. ежегодно здесь составляет более четырех пятых от производства в ЦЭР и около двух третьих от общероссийского показателя. [44]
Центральная зона ЦЭР в растениеводстве специализируется на производстве овощей и раннего картофеля. В 2001-2005гг. здесь производилась десятая часть овощей общероссийского и 45 процентов ЦЭР.
Основная часть товарной продукции растениеводческой специализации Южной сельскохозяйственной зоны ЦЭР представлена зерновым товаром. Более 64 процентов производства зерна приходится на долю этой зоны в ЦЭР и почти 6 процентов на долю общероссийского производства. В Орловской области валовой сбор зерна значительно превышает каждый из 11 вышеупомянутых областей (Таблица 1.1).
Специализация растениеводства областей Южной зоны ЦЭР на производстве зерна обусловлена наиболее благоприятными природно-климатическими условиями для возделывания этой культуры. Здесь расположено более трех четвертых площадей наиболее плодородных типов почв черноземов, хотя оподзоленных и выщелоченных.
Наиболее благоприятные условия вегетации зерновых культур создаются при нейтральной среде почвенного раствора (Таблица 1.2).
Только рожь и овес выдерживают сильно кислые почвы. Излишняя кислотность подавляет ферментативную деятельность, полезные микробиологические процессы в обмен на усиленное развитие многих бактерий и грибов, которые выделяют ядовитые для растений вещества и тем самым снижают урожайность зерновых культур.
Вместе с тем, почти четвертая часть пашни областей Южной зоны ЦЭР характеризуется очень низким содержанием, фосфорной кислоты и обменного калия, что. требует соответствующей компенсации внесением минеральных и органических удобрений. Например, на 1 т только зерна озимой пшеницы требуется 13 кг фосфорной кислоты, 23 кг калия и 37 кг азота.
Основным признаком, характеризующим генетический тип почвы, является содержание гумуса. Повышение содержания гумуса в почве способствует увеличению урожайности, как при минеральном, так и при навозно-минеральном ее обогащении. Внесением минеральных удобрений и соответствующей обработкой можно лишь временно создать благоприятный для зерновых культур питательный режим в почве, но нельзя сохранить ее как производительную силу длительное время.
Известно, что один и тот же тип почвы может иметь разное содержание гумуса в зависимости от количества вносимых органических удобрений и продолжительности их внесения. Даже дерново-подзолистые малоплодородные песчаные почвы могут содержать от 0,6 до 4% гумуса или в 7 раз больше в зависимости от степени окультуривания почвы.
Низкое содержание органического вещества с тенденцией падения его запасов в пашне ЦЭР дополняется неблагоприятным составом гумуса. Поскольку с потерей гумуса почва утрачивает свое плодородие, то улучшение ее гумусового режима и коренное изменение его состава в дерново-подзолистых почвах ЦЭР возможно только при систематическом применении научно-обоснованных доз органических удобрений и посевов в любом севообороте многолетних трав. Все это является неотъемлемыми составляющими развития зернового хозяйства регионов, материальной основой развития интеграции отрасли.
Наряду с естественными генетическими и физико-химическими различиями почв пашни, слагаемым урожайности зерновых культур являются также климатические ресурсы сельскохозяйственных зон и областей ЦЭР (Таблица 1.3)
Температурным режимом определяется накопление доступных питательных веществ, благодаря мобилизации потенциального плодородия и поглощения их растениями из почвы и вносимых удобрений. Например, в интервале температур от 10 С до 25 С возрастает мобилизация питательных веществ почвы, а ниже 10С, снижается. Этим объясняется повышенная отзывчивость озимых зерновых культур на азотные удобрения ранней весной. Содержание белка в пшенице заметно возрастает при температуре от 20 до 35С. Наоборот, при низких (хотя даже плюсовых) температурах снижается поглощение питательных веществ растениями, что сказывается на урожайности зерновых. Основной вегетационный период в Южной зоне ЦЭР, когда температура выше 10 С, примерно, на 20 дней больше чем в Северо-Западной зоне, на 18 дней больше чем в Центральной зоне.
Из многочисленных исследований известно, что на технико-экономические показатели сельскохозяйственных агрегатов наибольшее влияние оказывает длина гона L, удельное сопротивление рабочих органов К и угол склона а. Этими природно-производственными факторами в основном определяются возможность комплектования сельскохозяйственных агрегатов с энергонасыщенными тракторами и выбор рабочих скоростей. Распределение площади пашни по длине гона в среднем по зоне показано на рисунке 1.1.
Факторы, определяющие тяговое сопротивление сельскохозяйственных машин и орудий
Для объективной оценки новой сельскохозяйственной техники, необходимо определить соответствие основных эксплуатационных параметров машинно-тракторных агрегатов природно-производственным условиям их использования.
Известно, что сложность определения и подбора оптимальных параметров обуславливается тем, что условия работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов применительно к одной зоне очень разнообразны и изменчивы. По своей физической природе различные эксплуатационно-технические факторы относятся, в вероятностно-статистическом смысле, к категории случайных, а сам процесс работы МТА - к сложному случайному процессу. В большинстве своем сопровождаются воздействием очень многих случайных факторов. Так, например, тяговое сопротивление и глубина хода рабочих органов, периодичность технологических и технических отказов и продолжительность их устранения и другие являются случайными. [16, 29, 19 и др.]
Это обуславливает необходимость разработки научно обоснованных рекомендаций по рациональному комплектованию МТА на базе иностранных энергонасыщенных тракторов и определение основных эксплуатационных параметров агрегатов с учетом вероятностного характера, обеспечивающих наибольшую эффективность их применения в Южной зоне ЦЭР РФ.
Наиболее правильным подходом при решении поставленных задач будет комплексное применение основ методики оперативного выбора высокоэффективных МТА [50] и некоторых положений теории массового обслуживания и математической статистики [8, 48,124] с применением для расчетов ЭВМ.
Поэтому комплексное решение проблемы повышения эффективности производственных процессов на выращивании зерна возможно при взаимосвязанном системном решении задач.
Для получения конечной продукции с наименьшими затратами ресурсов необходима правильно подобранная система машин для всего производственного процесса. Сельскохозяйственные предприятия оснащены современной энергонасыщенной и высокопроизводительной техникой. Она, в свою очередь, будет использована в основном на вспашке, лущении, культивации, дисковании, плоскорезной обработке, на транспортных работах и с комбинированными машинами.
Однако, не смотря на оснащение сельскохозяйственных предприятий вышеупомянутой техникой, рекомендации по ее высокоэффективному использованию отсутствуют. Поэтому необходимо разработать научно обоснованные рекомендации по эффективному использованию МТА на базе иностранных трактов с отечественными с.-х. машинами для условий Южной зоны ЦЭР РФ. Общая структурная схема исследования представлена на рис. 2.1.
Закономерность изменения тягового сопротивления рабочих органов сельскохозяйственных машин с повышением скорости их перемещения в обрабатываемом материале была установлена В.П. Горячкиным [25] в его рациональной формуле для расчета сопротивления плугов. Рабочее сопротивление других почвообрабатывающих машин подчиняется этой закономерности.
Экспериментальные исследования на имитационной модели функционирования посевных комплексов
Для обоснования оптимальных режимов, параметров и технико-эксплуатационных показателей агрегатов необходим большой объем исходной информации, характеризующий как зональные условия, так и существующие тенденции развития сельскохозяйственного машиностроения.
Основной объем информации для реализации математической модели был получен в результате статистической обработки данных машиноиспытательных станций, научно-исследовательских институтов, отдельных исследователей, также на основании имитационной модели функционирования посевного комплекса. При недостатке информации проделывались специальные исследования, которые включали:
1. Изучение и обобщение данных естественно-производственных условий зоны и технических характеристик выпускаемых сельскохозяйственных машин.
2. Определение кинематических показателей агрегатов (радиус поворота, длина и время поворота) в зависимости от скорости и ширины захвата агрегатов.
3. Проведение хрономегражных наблюдений для определения составляющих баланса времени смены посевных агрегатов и транспортно-загрузочных средств.
4. Определение агротехнических показателей пахотных, культиваторных, лущильных, посевных, плоскорезных и комбинированных агрегатов на базе импортных тракторов на различных скоростных режимах с целью определения устойчивости хода по глубине и ширине захвата орудий, а также установление пределов агротехнически допустимых скоростей движений.
Лабораторно-полевые испытания агрегатов проводились в типичных производственных условиях зоны на полях ЗАО «Ломовское» Орловской области.
Для проведения лабораторно-полевых исследований в основу положены стандартные методики [28, 29, 30].
Объекты исследований были приняты, исходя из необходимости проверки возможности и целесообразности агрегатирования импортных энергонасыщенных тракторов с отечественными сельскохозяйственными машинами в Южной зоне ЦЭР РФ.
Анализ использования импортных тракторов предполагается для основных технологических модулей предпосевной обработки почвы и посева. Агрегатирование данных тракторов осуществлялось в основном с серийными сельскохозяйственными машинами. Характер изменения их энергетических характеристик достаточно изучен и описывается формулой (2.2). С целью подтверждения данной зависимости при лабораторно-полевых испытаниях нами выбраны операции - вспашка, боронование, культивация, обработка комбинированными машинами и посев. Краткая техническая характеристика соответствующих сельскохозяйственных машин приведена в таблице 3.1.
Энергетические характеристики других сельскохозяйственных машин, используемых при оптимизационных расчетах, получены на основании протоколов испытаний машиноиспытательных станций.
Экспериментальные исследования на имитационной модели проводились с использованием метода статистического моделирования (Монте-Карло).
Этот метод заключается в воспроизведении исследуемого физического процесса при помощи вероятностной математической модели и вычислении характеристик этого процесса. Одно такое воспроизведение функционирования системы называют реализацией или испытанием. После каждого испытания регистрируют совокупность параметров, характеризующих случайный исход реализации. Метод основан на многократных испытаниях разработанной модели с последующей статистической обработкой полученных данных с целью определения числовых характеристик рассматриваемого процесса в виде статистических оценок его параметров. Процесс моделирования функционирования системы сводится к машинной имитации изучаемого процесса, который как бы копируется на ЭВМ со всеми сопровождающими его случайностями.
Экспериментальные исследования на имитационной модели охватывали такие вопросы, как: - изучение влияния объема работ на вероятность выполнения суточного задания; - изучение влияния резерва агрегатов на вероятность выполнения суточного задания; - изучение влияния времени безотказной работы техники на вероятность выполнения суточного задания; - исследование влияния системы технического обеспечения на вероятность выполнения суточного задания.
Результаты имитационных экспериментов служили также основой для экономической и энергетической оценки функционирования посевных комплексов. Целесообразность и необходимость столь обширного имитационного эксперимента объясняется следующими объективными причинами: - отсутствие возможности фиксирования всей необходимой информации без больших затрат на обучение и оплату хронометражистов, наблюдений и т.д.; - проведение эксперимента, фиксация и статистическая обработка информации не позволяет в практически приемлемые сроки получить данные для решения поставленных задач; - изменение режимов работы технических средств, службы технического обслуживания и ремонта может привести к увеличению простоев, дезорганиза ции производства и т.п. Алгоритм моделирования оптимизации работы комплекса в зерновом производстве состоит из трех взаимосвязанных этапов представленных на рис. 3.1,3.3,3.4. На первом этапе производится обоснование режимов работы машин основного звена комплекса, определение количества машин основного и транспортно-загрузочных звеньев (рис. 3.1)
Определение основных вероятностных характеристик работы комплексов с учетом эксплуатационного взаимодействия машин основного звена (посевных агрегатов) с транспортно-загрузочными звеньями и постами ремонтно-технического воздействия рассматривается на втором этапе моделирования (рис. 3.3).
Состав энергетических средств для сельскохозяйственных организаций Южной зоны ЦЭР РФ в соответствии с нормативами потребности
Исследованиями установлено, что тракторы общего назначения заняты на работах по основной и предпосевной подготовке почвы, посеве и транспортных работах.
Анализ зависимостей для отдельных видов работ позволяет установить оптимальные значения мощности тракторов Джон Дир по минимуму интегральных затрат для различных технологических модулей рисунке 4.5, а также производительность, соответствующую определенному сочетанию ширины захвата и скорости агрегатов на базе трактора Фендт 920 для различных технологических модулей (табл. 4.8 - 4.11).
При проведении анализа необходимо учитывать то обстоятельство, что на современном этапе развития сельскохозяйственной техники и технологий механизированных работ рабочие скорости большинства машинно-тракторных агрегатов ограничиваются требованиями агротехники. В ряде случаев допустимые скорости движения агрегатов ниже оптимальных значений, при которых достигается минимум интегральных затрат на единицу выработки (табл. 4.12).
Данные таблицы показывают, что выполнение каждой из рассмотренных работ с минимальными затратами возможно лишь при определенном сочетании мощности и массы трактора, рабочей скорости и ширины захвата агрегатов.
Реализовать такой широкий диапазон изменения мощности и массы в тракторе одной модели не представляется возможным, а создание специальных тракторов для выполнения каждого из видов работ экономически не оправдано.
Оптимальные параметры трактора общего назначения согласно рисунку 4.6, обеспечивающие минимальные суммарные интегральные затраты на всем комплексе работ представлены в таблице 4.13. Исследованиями установлено, что конечные результаты при возделывании сельскохозяйственных культур во многом зависят от сроков и темпов проведения технологических операций. Продолжительность проведения полевых работ определяется темпом наступления готовности полей, объемами работ и интенсивностями потерь урожая при изменении сроков проведения работ. Обеспечить минимально допустимые потери урожая можно при правильном выборе технических средств, их количества и соответствующей организации работы.
Влияние природно-производственных условий на изменение потерь урожая в зависимости от сроков проведения работ на примере посева зерновых представлено на рис.4.7.
Из рис. 4.7 видно, что при темпе наступления готовности полей к посеву 500 га/сутки потери урожая зависят от сроков посева и объема выполняемых работ. При допустимых потерях 1% сроки посева будут 1,8-5 суток соответственно при увеличении объема работ от 50 до 2000 га. С увеличением допустимых потерь до 3% сроки соответственно увеличатся до 4 - 7 суток.
С увеличением темпа наступления готовности полей сроки проведения при допустимых потерях резко сокращаются. Особенно это заметно при увеличении темпа наступления готовности полей от 200 до 500 га/сутки.
Существенное влияние на взаимосвязь потерь, сроков и темпа проведения работ оказывает способ организации посева. При задержке проведения работ на одни сутки по сравнению с моментом наступления готовности полей, сроки проведения посева при допустимых потерях резко сокращаются. Например, если при оптимальной организации и допустимых потерях 1% посев можно было проводить 2,8 суток, то при задержке на одни сутки после наступления наиболее благоприятного момента сроки посева придется сокращать до 1,5 суток, что требует резкого увеличения производительности посевного комплекса. Т.е. резкого увеличения количества основных агрегатов. С учетом допустимых потерь количество основных агрегатов комплекса определяется по выражению:
