Введение к работе
Актуальность работы. Вековой опыт и международная практика показывают, что пастбищное животноводство- одна из самых рентабельных отраслей в производстве животноводческой продукции. Анализ показывает, что затраты на ее производство на 40-50% меньше, чем в условиях ограниченного содержания животных.
Пастбища можно использовать с наибольшим эффектом для развития отгонного животноводства только при наличии достаточного количества воды. В силу этого проблема обеспечения водой потребителей была и остается самой важной, причем капитальные вложения, направленные на обводнение и освоение пастбищ, окупаются в два раза быстрее, чем в других отраслях сельского хозяйства.
В улучшении обеспечения населения мясом, молоком, шерстью важная роль принадлежит дальнейшему развитию отгонного животноводства, которое по сравнению с производством указанной продукции на фермах имеет ряд преимуществ: продукция, получаемая в условиях пастбищ, более дешевая и требует меньших затрат труда; заготовка кормов в большинстве случаев исключается, так как животные в течение весенне-осеннего периода добывают их сами.
В решении поставленных правительством задач по развитию пастбищного животноводства, наряду с улучшением кормоемкости пастбищ, важную роль играет система механизированного водоснабжения. Механизация водоснабжения решает, по меньшей мере, три основные задачи: позволяет увеличить количество животных, выпасаемых в конкретных условиях, способствует повышению их продуктивности и высвобождает значительное количество обслуживающего персонала, занятого снабжением животных водой. Оптимальное решение этих задач возможно только на научной основе.
Разработка рациональных систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства тесно связана с дефицитом и специфичностью энергетического обеспечения систем механизации. Для обеспечения энергией водоподъемных установок на водопойных пунктах, расположенных на обширной территории пастбищ, большая часть которых обводняется малодебитными шахтными колодцами глубиной до 30 м и более, в большинстве случаев нельзя ориентироваться на использование электрической энергии от централизованных источников или на широкое применение двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим необходимы научно обоснованные рациональные и оптимальные системы механизированного водоснабжения (СМВ). Научные исследования и разработки, выполненные в рамках решений данной проблемы, являются основой диссертационной работы, которая соответствует заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02. «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг., одобренной Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г. и тематическим планам НИР ОГАУ
Научное значение работы. Состоит в обосновании методов и технических средств, направленных на повышение надежности, эффективности функционирования систем механизированного водоснабжения; решение задач рационального сочетания основных, резервных и дополнительных средств водоподъема для стабильного функционирования в условиях пастбищного животноводства.
Научно-техническая гипотеза. В качестве гипотезы положены теоретические разработки автора и сформулировано предположение о возможности построения СМВ на основе принципов системности, адаптивности и оперативных оценок их экономической эффективности, в соответствии с которыми повышение качества готовой продукции и снижение эксплуатационных затрат может быть достигнуто за счет изменения структуры и режимов работы объекта.
Цель исследования. На основе многоуровневого системного подхода обосновать ресурсосберегающие параметры и режимы работы технических средств рациональных систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства.
Объект исследования. Процесс механизированного водоподъема из закрытых, малодебитных источников и гарантированного водоснабжения пастбищного животноводства.
Предмет исследования. Закономерности взаимосвязей элементов в системе механизированного водоснабжения и их эффективного функционирования.
Задачи исследования.
1. Обосновать и разработать классификацию районирования территории пастбищ применительно к системе механизированного водоснабжения с использованием малодебитных источников по наиболее характерным признакам.
2. Выполнить анализ характеристик, структур и специфических особенностей построения и функционирования СМВ, обосновать основные параметры водоподъемного оборудования и технических требований к его элементам.
3. Теоретически обосновать режимы работы малодебитных шахтных колодцев, методы повышения коэффициента водоотдачи для гарантированного обеспечения животных водой и эффективной работы технических средств в системе механизации водоподъема.
4. Разработать математическую модель и определить основные параметры элементов системы механизированного водоподъема и обосновать варианты резервирования, сформулировать целевую функцию (критерий оптимальности), позволяющую решать задачи проектной и оперативной оптимизации по технико-экономическим показателям.
5. Провести теоретические и экспериментальные исследования различных систем механизированного водоснабжения и обосновать наиболее приемлемый вариант для конкретных условий пастбищ.
6. Дать технико-экономическую оценку различных систем механизированного водоснабжения при использовании малодебитных источников.
Методология и методика исследований. Научно-методологической основой исследований, разработки и оптимизации СМВ является системотехнический подход. Методологически осуществление этого подхода выражается в создании СМВ, построение которых состоит из анализа теоретических и информационных аспектов проектирования и управления, учитывающих специфику конкретных объектов. В работе использованы следующие системотехнические и математические методы: системного анализа, математического моделирования, теории систем, теории управления, теории вероятностей и математической статистики. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%, погрешность опытов - не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Statistica, MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научную новизну исследования составляют:
- разработанная система технических средств механизированного пастбищного водоснабжения на основе системного анализа, включающего основные элементы комплекса «пастбище – водоисточник – энергетика – водоподъемник - потребитель»;
- аналитические зависимости и закономерности притока воды в малодебитных шахтных колодцах;
- математическая модель описания процесса водообеспечения с учетом геодезических, технологических факторов и экономико-математическая модель оптимального формирования и эффективного использования систем механизированного пастбищного водоснабжения;
- рекомендации по резервированию СМВ и сервисному обслуживанию пастбищного водоснабжения при использовании малодебитных источников и определению технико-экономических показателей процесса.
- разработанные модели и методика расчета рациональных параметров водоподъемников;
- обоснованные конструктивные и режимные параметры рабочих органов ленточного водоподъемника;
- обоснованные режимы работы малодебитных шахтных колодцев, методы повышения коэффициента водоотдачи для гарантированного обеспечения животных водой и эффективной работы технических средств в системе механизации водоподъема.
Практическая ценность работы. Предложено научно-теоретическое, методическое и программное обеспечение работы, позволяющее существенно повысить функциональную надежность и эффективность систем механизированного пастбищного водоснабжения. Обобщена и развита теория и практика пастбищного водоснабжения, разработаны механико-технологические основы создания и проектирования водоподъемников, позволяющие обеспечить получение готового продукта зоотехнически требуемого качества с одновременным снижением удельной энерго- и металлоемкости в 1,4…1,6 раза по сравнению с существующей технологией. Результаты исследований позволят ускорить разработку современного энергосберегающего оборудования для пастбищного водоснабжения.
Разработанные образцы водоподъемников прошли производственную проверку и актами хозяйственных комиссий рекомендованы к внедрению, что является основой для создания новых машин и оборудования для водообеспечения пастбищ.
Предложены рациональные системы механизированного водоснабжения пастбищ и способы их резервирования с учетом характерных признаков районирования территории пастбищ.
Разработаны рекомендации по повышению надежности, улучшению параметров элементов систем механизированного пастбищного водоснабжения.
Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на: международных научно-практических конференциях (Кокшетау, 1999г.), (Челябинск, 2004;2005гг.), (Оренбург, 2004-2008гг.), (Костанай, 2005;2006гг.), (Днепропетровск, 2005г.), (Рудный, 2005г.), межрегиональных научно-практических конференциях (Оренбург, 2000-2008г.г.); международных научных конференциях (Воронеж, 2007г.), (Москва, 2008г).
Реализация результатов исследований. Технические решения, отличающиеся существенно новизной и представляющие собой значимость для практики использованы Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан, внедрены в сельскохозяйственных предприятиях, крестьянских хозяйствах Северного Казахстана. Рекомендации по использованию результатов в народном хозяйстве одобрены и утверждены Отделением механизации, электрификации и автоматизации РАСХН.
Разработанная методика инженерных расчетов основных параметров водоподъемников и техническая документация на их изготовление переданы в научно-конструкторские отделы ДГП ЦелинНИИМЭСХ.
Методические разработки по обоснованию основных параметров водоподъемного оборудования внедрены в учебном процессе Оренбургского государственного аграрного университета, Костанайского государственного университета, Челябинского государственного агроинженерного университета, Костанайского инженерно-экономического университета, Рудненского индустриального института. Отдельные разделы диссертационной работы используются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала. Образцы водоподъемников изучаются студентами и слушателями факультетов повышения квалификации. Технические разработки демонстрировались и отмечены наградами Всероссийского выставочного центра.
На защиту выносятся следующие положения:
- концептуальные основы методики математического моделирования систем механизированного пастбищного водоснабжения;
- математическая модель процесса механизированного водоснабжения животных в пастбищных условиях;
- научно обоснованные рекомендации по выбору рациональной системы механизированного пастбищного водоснабжения и ее параметров;
- конструктивно-режимные параметры различных вариантов ленточных водоподъемных установок;
- рекомендации по определению оптимальных режимов работы технических средств и резервированию систем механизированного водоснабжения при использовании малодебитных водоисточников на пастбищах.
- новые технологические и технические решения по созданию водоподъемного оборудования для пастбищного водоснабжения;
- результаты энергетической и экономической оценки энергосберегающего процесса водоподъемного оборудования.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 54 печатных работах: монографиях, рекомендациях, учебных пособиях и 18 статьях в ведущих научных журналах РФ и РК. Новизна технических решений защищена 6 патентами на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 308 наименований, изложена на 317 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 21 таблицу и приложения.
