Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 16
Системный подход и задачи повышения эффективности использования сельскохозяйственной техники 16
Проблемы соотношения ширины захвата и рабочей скорости МТА 19
Анализ показателей эффективности эксплуатации техники
и обоснование критерия оптимизации ширины захвата и рабочей
скорости машинно-тракторных агрегатов 23
Результаты оптимизации параметров и режимов работы МТА по критерию интегральные затраты 36
Связь экономического и энергетического показателей эффективности производственных процессов и систем 46
Общие вопросы энергетической эффективности современного сельского хозяйства 53
Общие понятия 53
Структура энергетических затрат 65
Энергетические эквиваленты затрат энергии и энергосодержание продуктов 70
Цель и задачи исследований 71
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
МАШИННО - ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ 74
2.1 Общие принципы теоретических исследований
машинно-тракторных агрегатов 74
2.1.1 Реализация принципов системного подхода к машинно-
тракторным агрегатам 107
2.1.1.1 Выявление системности проблемы 107
Выявление признаков системы ПО
Характеристики машинно-тракторных агрегатов 119
Методы создания системной модели машинно-тракторных агрегатов 123
Типовая структурная схема системной модели машинно-тракторного агрегата 135
2.2 Постановка задачи 137
2.2.1 Факторы, влияющие на эффективность использования
машинно-тракторных агрегатов 139
2.3 Определение энергетических затрат при изготовлении техники на
примере трактора ДТ-75Н 142
2.3.1 Теоретические зависимости определения производительности
в энергетической модели машинно-тракторного агрегата 148
2.4 Определение составляющих элементов совокупных энергетических затрат, израсходованных на ремонт и техническое обслуживание
техники 155
2.4.1 Методика определения энергозатрат на проведение
технического обслуживания техники на примере трактора ДТ-75Н
за весь срок амортизации 155
2.4.2 Методика определения совокупных энергетических
затрат при проведении текущего ремонта тракторов 162
2.4.3 Определение совокупных энергетических затрат на
капитальный ремонт трактора ДТ-75Н за период амортизации... 167
Расчет энергии, затраченной на управление агрегатом 170
Расчёт прямых энергетических затрат через топливо - смазочные материалы 173
Расчет энергии, потерянной с урожаем из-за не оптимально выбранной марки трактора, параметров и режимов работы агрегата. 174
Определение мощности двигателя трактора необходимой
для работы агрегата 180
2.8.1 Определение мощности двигателя трактора, необходимой для работы агрегата с шириной захвата Вр и с рабочей скоростью Vp„ 180
Удельное сопротивление машин-орудий и его зависимость от скорости агрегата 181
Коэффициент полезной тяги трактора и его зависимость от параметров МТА 184
Коэффициент буксования и его зависимость от параметров МТА 188
Механический КПД трансмиссии трактора и его
связь с параметрами МТА 190
2.8.1.5 Тяговый КПД трактора и его зависимость от
почвенных условий работы 191
2.8.1.5.1 Определение корреляционных зависимостей
буксования, коэффициента сопротивления
перекатыванию, КПД трансмиссии, расхода топлива от
ширины захвата и скорости МТА по типовой тяговой
характеристике трактора, снятой на стерне 195
2.8.1.6 Обобщенный коэффициент использования мощности
двигателя 201
2.9 Особенности энергетической модели машинно-тракторных
агрегатов на некоторых технологических операциях 203
Погрузка сыпучих материалов 204
Транспортировка и внесение минеральных
удобрений разбрасывателями 206
Энергетическая модель транспортных агрегатов 206
Энергетическая математическая модель
агрегатов на опрыскивании посевов 209
Энергетическая модель агрегатов при скашивании зерновых в валки зерноуборочными комбайнами 212
Математическая модель зерноуборочного
комбайна на обмолоте валков 215
2.9.7 Математическая модель зерноуборочного
комбайна при прямом обмолоте зерновых культур 217
Математическая модель агрегатов на сволакивании соломы и сена 218
Особенности математической модели
агрегатов для скирдования соломы и сена 219
2.9.10 Особенности энергетической математической
модели комплекса машин для первичной очистки
и сушки зерна типа КЗС 220
ВЫВОДЫ 222
3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 226
Программа экспериментальных исследований 226
Методика лабораторно-полевых исследований 228
Агротехническая оценка агрегатов 228
Энергетическая оценка работы агрегатов 229
3.2.2.1 Выявление факторов, определяющих
явление и контролируемых параметров 229
3.2.2.2 Обоснование точности измерений
и выбор средств измерения 231
3.2.2.3 Планирование опытов, их проведение и контроль... 237
3.3 Методика полевых исследований 242
3.3.1 Эксплуатационно-технологические исследования
посевных, культиваторных и пахотных агрегатов 242
3.3.2. Методика экспериментов по определению стоимости урожая,
потерянного из-за нарушения агросроков проведения посева 245
3.3.3. Методика планирования эксперимента при определении оптимальной ширины захвата, скорости агрегата и срока
проведения операции на посеве 246
3.3.4 Методика производственных опытов 248
3.4. Методика обработки экспериментальных данных 249
ВЫВОДЫ 252
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ИИХАНАЛИЗ 253
4.1 Определение агротехнически допустимых пределов
рабочей скорости агрегатов 253
4.2 Результаты энергооценки машинно-тракторных агрегатов 255
4.2.1 Сравнение экспериментальных уравнений
с уравнениями, полученными из типовой тяговой
характеристики трактора, снятой на стерне 258
4.2.2 Определение эмпирических зависимостей удельного
сопротивления орудий на посеве, культивации и вспашке 261
4.3 Результаты эксплуатационно - технологических
исследований агрегатов 263
Результаты опытов по определению потерь урожая от нарушения агросроков проведения посева 266
Алгоритм и укрупненная блок-схема алгоритма определения оптимальной ширины захвата и скорости МТА 268
Расчёт производительности агрегатов с использованием математической модели МТА и сравнение с экспериментальными данными 271
Результаты многофакторного эксперимента по определению оптимальной - ширины захвата,
скорости агрегата и срока проведения посева 272
4.8 Результаты производственной проверки влияния параметров и
режимов работы посевных агрегатов на урожайность
сельскохозяйственных культур 274
ВЫВОДЫ 277
5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ 279
5.1 Анализ структуры энергетических затрат МТА
и оптимизация параметров и режимов его работы 279
Анализ посевных агрегатов 279
Анализ пахотных агрегатов 290
Анализ культиваторных агрегатов 295
Анализ транспортных агрегатов 299
Анализ уборочных агрегатов 303
5.2 Анализ влияния внешних факторов на оптимальные
значения ширины захвата и рабочей скорости посевных МТА 310
Влияние природных, технических и эксплуатационных факторов на энергетические показатели выполнения технологических операций 314
Рекомендации по составлению агрегатов на технологических операциях по различным критериям оптимизации. 330
6 «АГРОЭНЕРГОМЕНЕДЖЕР» - АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
КОМПЛЕКС ДЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КАРТ,
ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ЗАТРАТАМ 332
Характеристики программного приложения 332
Порядок работы с программным приложением 333
Примеры построения технологических карт, оптимизированных по техническим энергетическим затратам 348
Сравнение различных технологий возделывания сельскохозяйственных культур
по показателю «суммарные энергетические затраты» 361
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 373
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ 377
ПРИЛОЖЕНИЯ 397
Введение к работе
Вопросы, решаемые в данной диссертации, относятся к области знаний, занимающейся управлением техническими системами и организацией их использования. Основу рассматриваемых знаний составляют ряд новых научных направлений, объединяемых понятием «Кибернетика».
Возникновение данной науки вызвано - усложнением техники и технологий, используемых во всех отраслях производства. В связи с этим появились понятия - «сложная система», «большая система», что нашло отражение в появлении новых методов познания - «Системный анализ», «Системный подход» и в науках «Системотехника», «Теория управления большими системами» и т.д.
В сельскохозяйственном производстве, так же, как и в других отраслях производства, основой существования материальных объектов является -движение.
Движущиеся объекты можно охарактеризовать тремя основными обобщенными величинами (атрибутами материи): массой, энергией и информацией.
При взаимодействии материальных тел друг с другом происходит преобразование материи при соблюдении законов сохранения массы, энергии и законов существования, передачи, развития и накопления информации.
Целенаправленное воздействие на «систему», является управляющим воздействием, а сам процесс формирования воздействия называется процессом управления.
В процессе управления производством, крен научных исследований в сторону одной из составляющих мироздания - материи или энергии или информации, часто приводит к неадекватным результатам, которые неприменимы при практической деятельности человека. Только взвешенное определение доли всех трех составляющих, сопровождающих практически
производственную деятельность человека, могут дать результаты, применимые в его жизнедеятельности.
На сегодня информация является нематериальной составляющей жизнедеятельности человека. В основном процессы, происходящие в обществе (материальном мире), за счет энергии, подводимой извне, преобразуются в «энергию», наиболее высокого уровня - информацию. Информация должна иметь носителей: небиологические - книги, записи на различных материалах (магнитные ленты, диски и т.д.); биологические -человек и представители живого мира. Информация не может быть задействована (использована, приведена в движение), так же как и материя, без энергии. Значит, в основе жизни главным элементом является - энергия. Поэтому в данной работе основное внимание уделяется взаимодействию материальных объектов в сельскохозяйственном производстве, приводимых в движение за счет подводимой энергии, с учетом информационных (функциональных) связей между элементами сложной системы.
Возможно, смыслом жизни человека является преобразование энергии более низкого порядка (энергии пищи) в «энергию» наиболее высокого порядка - информацию - предмет исследования раздела теории информации - негоэнтропии (отрицательная энтропия), служащего как бы эквивалентом информации.
Г. Н. Волков пишет, что знания, приобретенные человеком, представляют собой аккумулированную энергию такой потенциальной мощности, которая даже не сравнима ни с какими уже познанными энергетическими мощностями, ибо это знание, эта развитая творческая способность человека «ежедневно обуздывает и ставит на службу производству и обществу все новые силы природы».
Результат наших исследований в материальном плане это - программное приложение на диске с информацией, которая может быть задействована за счет незначительных затрат энергии через компьютер. В результате расчетов, с использованием, разработанного программного приложения, мы можем, на
производственных процессах в сельском хозяйстве, сэкономить значительную энергию более низкого порядка - через топливо, косвенные энергозатраты, затраты живого труда и т.д.
Процесс исследования технологических операций в сельском хозяйстве с точки зрения снижения энергетических затрат и знания, полученные на основе действующего закона диалектики - о переходе количества информации в новое качество, являются предметом научных исследований, удовлетворяющих требованиям новизны и воспроизводимости опыта на основе измерений. Т.е задача исследования производственных процессов в сельскохозяйственном производстве, на основе использования математических моделей технологических операций, является, несмотря на использование при этом элементов системного анализа, научной задачей.
Мы концентрируем внимание на этих вопросах в связи с тем, что часто системный подход и системный анализ предполагают из себя более искусство, нежели науку. Математические модели на основе системного анализа можно и нужно воспринимать как искусство при рассмотрении вопросов социального управления, когда изучаемую ситуацию невозможно многократно воспроизвести и когда человек является элементом сложной системы, включающим в структуру математической модели свою интуицию.
В наших исследованиях интуиция играет роль только в самом начале абстрагирования системы, с целью определения границ системы и его иерархической и функциональной структур.
Новые знания, полученные на основе, вычислительных экспериментов с использованием математической модели МТА на технологических операциях вполне отвечают требованиям новизны знаний и воспроизводимости результатов, для проверки адекватности модели.
Актуальность работы. При эксплуатации высокоэнергонасыщенной техники влияние факторов, снижающих эффективность их использования, сказывается тем чувствительнее, чем производительнее техника. Для
получения более высокого эффекта при эксплуатации машинно-тракторных агрегатов (МТА), необходимо, с учетом условий работы, правильно выбрать его оптимальную ширину захвата и рабочую скорость.
Всякая оптимизация предполагает критерий оптимизации. Отечественная и зарубежная наука предлагает различные критерии оптимизации названых параметров: максимальное - тяговое КПД трактора, производительность МТА; минимальные - расход топлива, труда, металла, эксплуатационных или приведённых затрат и другие. Однако оптимальные параметры МТА, рассчитанные по ним не совпадают.
Одной из причин такого положения является то, что система - трактор - оператор - орудие - поле - почва - урожай (ТООППУ), является довольно сложной и на ранних этапах научного познания возникает необходимость расчленения её на отдельные, менее сложные составляющие, с целью более досконального их изучения. Сегодня достижения науки в области эксплуатации МТА значительны и возникает необходимость системного подхода при решении проблемы выбора оптимальной ширины захвата и рабочей скорости движения сельскохозяйственных агрегатов на основе комплексного энергетического критерия, учитывающего конечный результат производства.
Работа соответствует плану НИР Казанского государственного аграрного университета по теме «Энергосбережение в сельскохозяйственном производстве», выполненному согласно федеральной целевой программе «Энергосбережение России» (Постановление Правительства Российской Федерации №80 от 24.01.98) и Республиканской целевой программы «Энергосбережение в Республике Татарстан на 2000-2005 годы» (Постановление кабинета министров Республики Татарстан №468 от 3 июля 2000 года).
Объект исследования - машинно-тракторные агрегаты на технологических операциях.
Предмет исследования - качественные и количественные взаимосвязи
между критерием эффективности, параметрами МТА, урожайностью сельскохозяйственных культур и факторами внешней среды, влияющими на эффективность работы агрегатов.
Целью работы является развитие научных положений повышения эффективности (результативности) функционирования машинно-тракторных агрегатов на основе системного подхода путём разработки математической модели для оптимизации ширины захвата, рабочей скорости движения агрегатов, снижения потерь урожая и уменьшения энергозатрат.
Научной новизной работы является:
- критерий эффективности функционирования МТА - суммарные
энергетические затраты, впервые учитывающий кроме прямых и косвенных
энергетических затрат - энергию урожая, потерянного от нарушения
агротехнических сроков выполнения операций и уплотнения почвы
движителями тракторов;
метод повышения эффективности технической и производственной эксплуатации машинно-тракторных агрегатов на основе энергетического анализа с использованием методологии и методов системного анализа и обоснованного критерия;
математические модели определения энергетических затрат при техническом обслуживании, текущем и капитальном ремонте тракторов и другой сложной техники;
- математические модели машинно-тракторных агрегатов на
технологических операциях, позволяющие анализировать работу агрегатов на
различных уровнях - техническом, технологическом, энергетическом,
экономическом, организационном;
- разработанное, на основе исследований, программное приложение
«АГРОЭНЕРГОМЕНЕДЖЕР» - автоматизированная система формирования
технологических карт возделывания сельскохозяйственных культур,
оптимизированных по энергетическим затратам, связанным с техникой -
зарегистрированное в Федеральной службе по интеллектуальной
собственности, патентам и товарным знакам за №2005612774 от 26 октября 2005 года.
На защиту выносятся:
- комплексный критерий оценки эффективности производственной и
технической эксплуатации машинно-тракторных агрегатов, связанный с
урожайностью культур - суммарные энергетические затраты;
- метод оценки эффективности функционирования МТА на
производствен-ных процессах в растениеводстве, основанный на системном
анализе;
-математические модели МТА на технологических операциях в сельском хозяйстве;
рекомендации по снижению энергетических затрат на технологических операциях в растениеводстве, связанных с использованием техники;
программный комплекс для автоматизации разработки технологических карт производственных процессов в растениеводстве, оптимизированных по энергетическим затратам, связанным с использованием техники.
Практическая ценность исследований заключается в том, что впервые, на основе информационных технологий, разработан и внедрен на предприятиях Республики Татарстан и в учебный процесс сельскохозяйственных ВУЗов Российской Федерации автоматизированный комплекс для составления технологических карт, оптимизированных по энергетическим затратам, связанным с эксплуатацией техники -«АГРОЭНЕРГОМЕНЕДЖЕР».
Апробация. Основные положения проведенных исследований доложены и одобрены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Казанской ГСХА — в 1986 - 2007 гг.; на расширенном заседании кафедры тракторы и автомобили Казанского ГАУ в 2007 г.; на научно-техническом совете Министерства СХ и П РТ в 1988, 1990, 1997,2006 г.; на научных конференциях преподавателей и аспирантов ЛСХИ в 1988 г.; ЧИМЭСХ в 1988 г.; Ульяновского СХИ в 1988г.; Рязанской ГСХА в
1989-1990гг.; в Российском ГАЗУ 1990г., на II и III Международных научно-практических конференциях «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2001 и 2003 гг.); на XI Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (Казань, 2002 г); на 13-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья (Нижний Новгород, 2003); в Чувашской ГСХА 2003-2004 гг., в ГНУ ВИЭСХ в 2003 г., на Всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые агропромышленному комплексу» (Казань, Академия наук РТ, 2004); в Московском ГАУ 2005 г.; программное приложение «АГРОЭНЕРГОМЕНЕДЖЕР» демонстрировалось на ВЦ «ВИКО» (Казань 2005,2006, 2007 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 52 работы.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и предложений, списка литературы и приложений. Работа изложена на 472 страницах, содержит 100 рисунков и 42 таблицы.
