Введение к работе
Актуальность проблемы. В растениеводстве приоритетной отраслью является зерновое хозяйство, в котором уборка зерна занимает примерно половину трудовых, энергетических и денежных затрат. Из них затраты труда и денежных средств на уборку соломы и половы в 2…3 раза больше, чем на уборку зерна. Современная технология комбайновой уборки зерновых культур трудозатратна, энергоемка и не в полной мере позволяет решить главную задачу – свести до минимума потери урожая, простои машин всего уборочного комплекса из-за нарушения ритмичности процесса, убрать урожай в оптимальные сроки и подготовить основу урожая следующего года. Согласно агротребованиям, на каждом поле сразу после уборки, должна проводиться первичная обработка почвы. За сутки необработанное поле со стерней теряет в среднем 100 т влаги с 1 га, а это означает снижение урожайности последующих культур на 1,5…2 ц/га. По-прежнему не решена задача «комбайн с поля – плуг в борозду», так как она требует большого напряжения сил и технических средств. Однооперационные машины для уборки урожая и лущения стерни предусматривают многократные проходы агрегатов по полю и требуют больших затрат энергоресурсов, при этом послеуборочный комплекс работ рассматривается в отрыве от уборки урожая. Требуют доработки методические основы оптимизации типажа и структуры комбайнового парка и рационального сочетания альтернативных вариантов ресурсосберегающих технологий уборки урожая и послеуборочного комплекса. Эта проблема актуальна для регионов с широким диапазоном урожайности, в том числе и для Краснодарского края – флагмана производства зерна в России. Его доля в валовом сборе зерна составляет 10…11 %, а в 2010 г. – 15 %. Однако и здесь заметна тенденция снижения интенсивности развития зерновой отрасли главным образом из-за недостаточного уровня химизации и машинно-технологического обеспечения.
В нашей стране разработана концепция совершенствования технологии уборки урожая, современной наукой предложены теоретические основы моделирования и оптимизации производственных процессов уборки урожая. Вместе с тем, требуются новые концепции создания ресурсосберегающих технологий уборки с учетом экологической безопасности, новые способы уборки урожая на базе многоцелевых уборочно-почвообрабатывающих агрегатов, а также научно-методические основы эффективного взаимодействия всех звеньев уборочного комплекса, включающего уборку урожая, внесение удобрений и первичную обработку почвы для сохранения влаги и уничтожения сорняков, что представляет актуальную научную проблему, имеющую важное народно-хозяйственное значение.
Научно-техническая проблема заключается в разработке методов обоснования и синтеза технологических операций, технических средств, оптимального типоразмерного ряда (типажа) и структуры комбайнового парка, оптимальной системы ресурсосберегающих технологий уборки с одновременным выполнением работ по закладке основы будущего урожая.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим пла-
ном НИР Кубанского госагроуниверситета на 2006-2010 гг. (ГР № 01. 200606833), в рамках которой автор являлся соруководителем и ответственным исполнителем.
Цель исследований – сокращение затрат производственных ресурсов, потерь урожая и повышение производительности труда на производстве зерна за счет оптимального типоразмерного ряда, структуры комбайнового парка, системы ресурсосберегающих технологий уборки урожая и выполнения основных работ послеуборочного комплекса.
Объект исследований – система ресурсосберегающих технологических процессов и средств механизации нового поколения для уборки зерновых культур с широким диапазоном распределения урожайности.
Предмет исследования – закономерности ресурсосберегающих процессов уборки урожая и послеуборочного комплекса работ в зависимости от условий функционирования машин.
Научную новизну исследований представляют:
- новая концепция разработки оптимальной системы ресурсо-сберегающих, природоохранных, экологически безопасных технологий уборки зерновых культур и их технического обеспечения в зависимости от природно-климатических условий региона, направленная на комплексное проведение жатвы, рациональное использование незерновой части урожая (НЧУ) и послеуборочной обработки почвы;
- математическая модель оптимизации системы эффективных ресурсосберегающих технологий уборки зерновых культур, учитывающая минимальный расход производственных ресурсов (трудовых, денежных, энергетических) и максимальное значение обобщенного критерия оценки. Влияние внешней среды оценивалось матрицей коэффициентов – вероятностных величин, распределенных Бета-распределением;
- математическая модель оптимизации типоразмерного ряда и структуры комбайнового парка для широкого диапазона урожайности зерна, способов и технологий уборки и позволяющая определить оптимальную потребность в комбайнах каждого класса и оптимальную продолжительность уборки с использованием функции затрат и потерь;
- математическая модель оптимизации параметров и режимов работы машин уборочно-транспортного процесса с одновременной обработкой почвы по критерию ресурсосбережения. С использованием аппроксимированных зависимостей установлено взаимодействие всех машин уборочного комплекса, их оптимальные параметры и режимы работы;
- зависимости параметров и режимов работы синтезированного много-функционального уборочно-почвообрабатывающего агрегата (УПА) от условий эксплуатации (урожайности зерна, размеров полей, скорости движения и др.);
- зависимости затрат производственных ресурсов оптимальной системы уборочных технологий и обобщенного критерия ее оценки от уровня урожайности зерна, позволяющие установить преимущество оптимальной системы по сравнению с альтернативными вариантами;
- зависимости тягового усилия полноприводного зерноуборочного комбайна и его эффективной мощности двигателя с учетом агрегатирования прицепной машины для лущения стерни в составе УПА;
- функционал удельных совокупных затрат энергии на выполнение произ-
водственных процессов уборки урожая, транспортировки зерна и однврмен-ного лущения стерни УПА, учитывающий прямые и овеществленные затраты энергии на рабочий процесс машин, энергозатраты живого труда, расход топлива на производство и обслуживание всех машин уборочного комплекса;
- закономерности изменения коэффициента биоэнергетической эффективности и удельных совокупных затрат энергии на выполнение уборочных процессов от рабочей скорости движения УПА и ширины его захвата подчеркивают наилучшие показатели его функционирования в различных условиях эксплуатации;
- графовая модель оптимальной системы технологий уборки зерновых культур, матрицы независимых путей графа и коэффициентов производитель-ности для всех видов МТА оптимальной системы, учитывающих влияние среды на снижение производительности машин и имеющих вероятностную природу.
Новизна разработанных технологических и технических решений под-тверждена тремя патентами РФ на изобретения и тремя – на полезные модели. При этом разработан новый способ уборки зерновых культур с одновременной обработкой почвы согласно патентам РФ № 2307498 и № 2369078 и исходные требования на базовую машинную технологическую операцию в Федеральном регистре технологий: «Прямая комбайновая уборка зерновых культур с измельчением и разбрасыванием НЧУ по поверхности поля, одновременным его лущением и заделкой стерни и измельченной соломы в почву».
Практическую значимость работы составляют:
- оптимальная система технологий и технологических комплексов машин для уборки зерновых колосовых культур, в том числе на базе многофункционального уборочно-почвообрабатывающего агрегата и оптимальная продолжительность уборки, параметры и режимы работы агрегатов, применяемых в новой технологии уборки;
- типоразмерный ряд и структура комбайнового парка для условий Краснодарского края;
- дополнения к отраслевому адаптеру Р-АТП-1.3 Федерального регистра технологий по совмещению операций прямого комбайнирования колосовых, внесению удобрений и лущения стерни.
Разработанные рекомендации по уборке зерновых колосовых применяются в АПК Краснодарского края и Ростовской области. Алгоритмы и программы для ЭВМ с госрегистрацией, а также методические указания по энергосберегающим технологиям и технологическим комплексам используются в учебных пособиях для подготовки инженерных кадров.
Результаты исследований могут быть использованы в сельско-хозяйственных предприятиях, научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро при разработке перспективных способов и технических средств для уборки зерновых и других сельскохозяйственных культур, а также в учебном процессе сельскохозяйственных ВУЗов.
Методы исследований. Многоуровневый системный подход на основе исследования операций (моделирование и оптимизация сложных производственных процессов), метод аппроксимации, теория вероятности и математическая статистика, тензометрирование машин. Разработаны также 10 специаль-
ных программ к ЭВМ для расчета тяговых показателей полноприводного зерноуборочного комбайна, оптимизации сроков уборки зерновых и параметров всех агрегатов уборочно-транспортного процесса. При проведении исследований использовались ПЭВМ, информационный фонд КубГАУ и Интернет, а также новые ОСТы для испытаний сельхозтехники.
Реализация результатов исследований. Многофункциональный УПА внедрен в 2009 году в АФ «Россия» Тимашевского района и других хозяйствах Краснодарского края на уборке озимой пшеницы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс КубГАУ и приняты к внедрению ПО «Гомсельмаш» (республика Беларусь) и ООО КЗ «Ростсельмаш».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены в 2006-2011гг. на научных конференциях КубГАУ, на международных научных конференциях: «Кластер-Билот» (г. Белград, 2006 г.) и международных выставках (комплекс «Крокус», Москва, 2010 г. и Краснодар, 2008-2011 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 научные работы, в том числе одна монография, 3 патента РФ на изобретения, 3 патента на полезные модели, а также 10 свидетельств госрегистрации на программы для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 42,5 п.л., из них на долю автора приходится 37 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников из 246 наименований, в том числе 9 на иностранном языке и 14 приложений на 73 страницах. Общий объем диссертации содержит 348 стр. машинописного текста, включая 45 таблиц и 71 рисунок.
