Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований . 10
1.1. Анализ состояния кормопроизводства в условиях Вологодской области ( на примере Вологодского района) 20
1.2. Состояние и тенденции развития технологий заготовки кормов из провяленных трав 30
1.3 Анализ методов проектирования технологий и комплексов технических средств для заготовки кормов из трав .37
1.4. Цель и задачи исследований
ГЛАВА 2. Теоретические и методологические основы формализации технологических процессов заготовки кормов из трав ...40
2.1. Многоуровневая математическая модель заготовки кормов. Структура модели 40
2.1.1. Математические модели отдельных процессов при заготовке кормов (модели 4-го уровня) 43
2.1.2. Модели технологий заготовки кормов из трав (модели третьего уровня) 52
2.1.3. Анализ процесса провяливания травы 55
2.1.4. Модели взаимодействия уборочных и транспортных машин в технологиях заготовки кормов 57
2.1.5. Обоснование показателей технологических операций заготовки кормов из подвяленных трав 66
2.2. Сравнительная оценка эффективности машин кормопроизводства 69
2.3. Обоснование критериев оценки технологий 73
2.4 Обоснование взаимосвязи процессов при заготовке кормов из трав . 78
2.5. Оценка влияния вида кормов из трав на продуктивность животных ". : 80
2.6. Проблемы выбора структуры кормов из трав 91
ГЛАВА 3. Анализ условий кормопроизводства в вологодской области и обоснование типовых хозяйств 93
3.1. Статистический анализ погодных условий в период заготовки кормов 93
3.2. Анализ структуры посевных площадей трав в Вологодской Области .: 100
ГЛАВА 4. Выбор технических средств и проектирование оптимальных технологий для заготовки подвяленных кормов 104
4.1. Оценка эффективности кормоуборочных машин ...104
4.2. Оценка эффективности использования транспортных средств при заготовке кормов из подвяленных трав 108
4.3. Определение структуры кормов из трав 114
4.4 Проектирование оптимальных технологий заготовки кормов из подвяленных трав 117
ГЛАВА5. Комбинированный метод оценки технологий и технических средств при заготовке кормов 124
5.1. Основы комбинированного метода '...'. .124
5.2. Экспертная оценка технологий и технических средств заготовки кормов 124
5.3. Результаты обработки опросных листов 131
Основные выводы и предложения 141
Глава 6. Оцекнка экономической эффективности предлагаемых мероприятий
Список литературы 142
- Анализ методов проектирования технологий и комплексов технических средств для заготовки кормов из трав
- Сравнительная оценка эффективности машин кормопроизводства
- Анализ структуры посевных площадей трав в Вологодской Области
- Проектирование оптимальных технологий заготовки кормов из подвяленных трав
Введение к работе
Кормопроизводство и животноводство являются важнейшими отраслями агропромышленного комплекса Северо- Запада России, темпы и научно-технический уровень которых во многом определяют эффективность функционирования сельского хозяйства и конкурентоспособность его продукции.
Кормопроизводство наиболее энергоемкая и затратная отрасль растениеводства. Кормовой клин России составляет почти 80% всех сельскохозяйственных угодий. В Северо- Западной зоне под кормовыми культурами занято около 70% площадей. Значимость кормопроизводства сводится не только к обеспечению животноводства кормами, но и к решению проблем по биологизации земледелия, сохранению плодородия почвы, охране окружающей среды.
Однако, производство кормов за последние годы резко сократилось. Если заготовка грубых и сочных кормов в России в среднем за 1986-1990 гг. составляла 79,0 млн. т к.е., то за 1991-1995 гг. - 53,3 млн. т к.е. При этом качество кормов остается низким. В результате увеличился расход кормов на единицу животноводческой продукции: по молоку с 1,4-1,5 до 1,7 к.е. на 1 л.; по приросту живой массы КРС с 13-15 до 18,9; свиней с 8,9 до 12,5 к.Е. [7].
В условиях ограниченных финансовых ресурсов стабилизирующим фактором кормопроизводства и биологизации земледелия является полевое травосеяние. Суммарные затраты на возделывание и уборку бобовых трав и их травосмесей составляют 14-15 Гдж/га, что в 1,5 раза ниже чем по зерновым и в 2,5-3,0 раза ниже по сравнению с кормовыми корнеплодами и кукурузой. Окупаемость затрат энергии или коэффициент энергетической эффективности по травам находится на уровне 4:5; по зерновым культурам - 2,5:3,0; корнеплодам - 1,5:2,0 [7]. - .'-. 6
Наиболее затратной, определяющей качество корма и уровень сохранения питательных веществ в полученных кормах, является уборка урожая трав.
Совершенствование процессов заготовки кормов из трав является наиболее актуальной проблемой кормопроизводства.
На практике используются три основных способа консервации питательных веществ в кормах.
Это - сушка до влажности 18% и ниже (сено); консервация в кислой среде, образующей в результате деятельности микроорганизмов в герметических, исключающих доступ кислорода условиях или внесения химконсервантов (силос); приготовление сенажа из провяленного до влажности 55% и ниже растительного сырья с последующей герметизацией кормов. При этом способе заготовки жизнедеятельность микроорганизмов прекращается из-за отсутствия кислорода.
Разработано большое количество технологий и технологических приемов заготовки основных видов кормов из трав. Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается множество техники, обеспечивающей практически полную механизацию всех технологических операций.
Однако научное обоснование их использования, как правило, выполнено недостаточно полно, что сказывается на эффективности технологий при их использовании в конкретных условиях.
Таким образом, формирование технологий и комплексов технических средств, адаптивных к природно-климатическим и экономическим условиям является одной из основных проблем кормопроизводства, решение которой позволит снизить себестоимость энергетической единицы корма, повысить его качество и повысить эффективность животноводства.
Процесс заготовки кормов представляет собой сложную систему взаимодействия человека, как оператора машин, природы, технологий и техники. В свою очередь природные воздействия характеризуются биологической средой - растениями и микроорганизмами, погодными условиями и почвой. Большинство факторов, влияющих на процесс заготовки кормов, имеют вероятностный характер. Управление процессом заготовки кормов требует оперативной обработки большого объема информации, расчета и сопоставления различных технологических вариантов, эффективность которых зависит от условий их реализации.
Поэтому разработка методов проектирования адаптивных технологий заготовки кормов из трав, а также обоснование критериев оценок их функционирования обеспечит повышение эффективности технологий и технических средств за счет их адаптированности к конкретным условиям хозяйства или региона.
Отмеченное позволяет ставить проблему проектирования адаптивных технологий и машин, а так же принятия управленческих решений, обеспечивающих максимальный сбор биологического урожая трав и его консервацию с наименьшими издержками средств, энергии и труда для конкретных природно-климатических и экономических условий с учетом вероятностной оценки погодных условий, как одну из важнейших народнохозяйственных задач. Решение этой задачи с использованием современных методов и технических средств позволит проектировать технологии, адаптированные к конкретным условиям, а также обеспечить специалиста оперативной информацией для применения управленческих решений при изменении условий в ходе реализации технологий.
Решению теоретических и методических проблем принятия решений в кормопроизводстве, а так же проектирования адаптивных технологий заготовки кормов из подвяленных трав, повышающих их эффективность, и посвящено данное исследование. -В диссертации решены вопросы принятия управленческих решений, проектирования технологий и выбора оптимальных технических средств При ограниченной априорной информации и изменяющихся условиях работы, адаптированных к природно-климатическим и экономическим условиям их функционирования, имеющих наибольшую ресурсе- и энерго-экономичность. Оценка качества функционирования технологий и технических средств основана на принципах многокритериальной оптимизации, при этом критерий оптимизации является векторной величиной, образуемой осями критериев: минимальные затраты энергии, труда, наименьшие потери корма и удельная металлоемкость, максимальная производительность.
Работа велась в соответствии с региональной научно-технической программой 5Р (1991 -1995 гг.) и 8Р: "Разработать научные основы развития системы технологического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирование эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики", являющейся составной частью Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 1996-2000 гг., выполняемой по заказу Минсельхозпрода РФ.
Тема диссертации утверждена Ученым советом СЗ НИИМЭСХ и соответствует тематическим планам института.
Результаты выполненной научно-исследовательской работы доведены до стадии пригодной для широкого практического применения. На основе предложенных моделей и методов разработаны компьютерные программы и автоматизированные системы, позволяющее решать как прогнозные (плановые) задачи, так и задачи one- ратйвного управления, при изменении условий уборки. Предложенные методы и модели позволяют на стадии проектирования технологий проанализировать возможности адаптации технологий и определить основные управляющие факторы, возможные границы изменения показателей при их практической реализации в условиях хозяйства или региона, а также оценить влияние изменения параметров машины на показатели работы всей технологии.
Анализ методов проектирования технологий и комплексов технических средств для заготовки кормов из трав
Главной, наиболее существенной, особенностью функционирования технологий и технических средств заготовки кормов является зависимость их работы от погодных условий. Поэтому для проектирования технологий необходим анализ погодных условий, анализ экономических показателей конкретных хозяйствующих субъектов. Изменение погодных условий в процессе реализации базовой технологии требует подготовки оперативной информации и оценки вероятности риска, а также возможности оценки ущерба при выборе альтернативного варианта. Поэтому возникает важнейшая задача разработки методологических основ принятия решений при проектировании и управлении технологиями.
Как показано выше значительная часть кормов теряется из-за нарушения сроков уборки, операций технологического процесса, погодных условий . Очевидно, что проблема не решается только выбором технических средств. Даже при использовании эффективных технических средств конечный показатель при заготовке кормов может быть отрицательным если не будут учитываться условия заготовки, особенности вегетации трав, изменение биологической структуры урожая.
Для успешного решения проблемы заготовки необходимого объема кормов с заданными количественными, качественными и стоимостными показателями необходимо решения комплекса задач принятия решений, из которых основными являются следующие: - выбор тактики уборки трав, обеспечивающей наиболее полное использование биологического урожая; -. определение оптимальной структуры кормов из трав в зависимости от погодных условий в период уборки;
- определение оптимальных составов технических средств, обеспечивающих выполнение заданных объемов работ при благоприятных и неблагоприятных погодных условиях. Динамика питательных веществ в растениях предполагает выполнение уборочных работ в определении агротехнических сроков. В реальных условиях они, как правило, нарушаются из-за несоответствия состава и количества технических средств объемам работ. Необходима разработка метода обоснования продолжительности уборочного периода, исходя из минимального значения функции затрат, включающего динамику питательных веществ в траве в процессе вегетации и зависимость удельных затрат на приобретение и содержание кормозаготовительной техники при изменении сезонной выработки.
Оценка проектируемых технологий и технических средств в своей сути многокритериальная и необходимо находить решения, учитывающие все основные критерии. Однако в большинстве исследований оценка технологий, выбор технологических комплексов машин или оптимизация исследуемых процессов сводится к решению одно-критериальной задачи. При этом в качестве критерия выступает комплексный критерий, который не дает отдельных результатов при оценке сложных многопараметрических систем, какой является процесс заготовки кормов из трав, зависящий от природно-климатических, биологических и экономических факторов, часть из которых имеет вероятностный характер. Таким образом, возникает задача многокритериальной оценки проектируемых технологий, определения множества допустимых и парето-оптимальных решений. В общей постановке проблема проектирования и оценки технологий и комплексов технических средств заготовки кормов из подвяленных трав включает: - разработку моделей технологического процесса заготовки кормов из подвяленных трав;
- анализ погодных условий в период заготовки кормов, установление вероятностных характеристик уборки по погодным условиям;
- разработку методики проектирования технологий кормопроизводства, обеспечивающую получение оценок для сравнения эффективности вариантов;
- проектирование оптимальных вариантов технологий для различных типо- размерных категорий хозяйств Вологодской области;
- экспериментальная проверка оптимальных технологий в хозяйствах Вологодской области, оценка адекватности полученных результатов.
Сравнительная оценка эффективности машин кормопроизводства
Для каждой операции заготовки кормов могут быть использованы машины различных конструкций, отличающихся между собой производительностью, расходом топлива, технологическими показателями. Это во многом обусловлено конструкцией рабочих органов, характеристиками кинематических режимов работы машины, динамикой движения массы травы по рабочим органам. Для выполнения каждой из операций разработано достаточно большое количество машин, отличающихся разнообразием конструкторского оформления. Так для выполнения операции скашивания в хозяйствах Вологодской области используются машины свыше десяти наименований. По существующим нормативам [13,48] технико-экономические показатели работы машин оцениваются в виде табличных данных зависимости производительности машины и расхода топлива от урожая травы и длины гона поля. То есть эти показатели представляют собой зависимости вида: В качестве примера на рис.2.10 показаны эти поверхности для кор-моуборочного комбайна Е-281. Аналогичные поверхности производительности и расхода топлива имеют и другие кормоуборочные машины.
Анализ поверхностей показывает, что все они имеют криволинейный характер с резким возрастанием в начале координат. Анализ поверхностей однотипных машин при различных значениях урожая травы и длины гона приводит к выводу, что в конкретных условиях не все машины равноценны по производительности и расходу топлива на единицу полученной продукции. Для сравнительного анализа эффективности однотипных машин предлагается следующее соотношение [48]:
Рассмотрим размерность полученного соотношения:
Полученная размерность показывает, что физический смысл коэффициента эффективности есть произведение производительности машина га/см на расход топлива, приходящийся на единицу убранных кормов. Так каждый из сомножителей должен стремиться к максимуму, то и коэффициент эффективности лучшей машины должен быть выше, у более эффективной из сравниваемых машин. Коэффициент эффективности представляет собой также поверхность в координатах урожая и длины гона. На рис. 2.11 представлена поверхность эффективности комбайна Е-281.
Анализ табличных данных изменения производительности машин и расхода топлива показал, что для их описания лучше всего подходят показательные зависимости . Компьютерный анализ позволил установить, что показательная функция описывает данные с наибольшей статистической достоверностью. Для аппроксимации данных были использованы зависимости вида:Эта формула была использована для вычисления сравнительной эффективности однотипных машин различной конструкции , выполняющих основные операции кормопроизводства. Как сказано выше коэффициент эффективности представляет собой поверхность в координатах и и I, и позволяет выполнить сравнительный анализ машин по взаимному расположению поверхностей. Возможны следующие случаи:
- если поверхности kj и kj пересекаются, то при kj kj более выгодна і -ая машина, при k} kj более выгодной является j - ая машина;
- если при всех значениях и и 1 kj kj , то более эффективной во всех случаях является і -я машина.
Анализ структуры посевных площадей трав в Вологодской Области
Это показывает, что технологии заготовки кормов с провяливанием до влажности 17-20% являются не достаточно надежными. Как показано в разделе 2.1.3. при заготовке кормов из подвяленных трав время провяливания составляет 6-11 часов, т.е. при скашивании травы в ночные или ранние утренние часы, подбор травы можно выполнять в этот же день. Определим вероятностную характеристику благоприятных погодных условий при заготовке кормов из подвяленных трав. Для этого найдем вероятность того, что благоприятные погодные условия будут больше одного дня. Рассмотрим интеграл от плотности вероятности (3.11) в пределах от 0 До 101 Значение А. можно определить, зная математическое ожидание. При т=3 получим А,=0,33. Отсюда получим: F(x l) = e 33=0.72. (злз) То есть вероятность благоприятных погодных условий составляет 0.72, что значительно выше, чем вероятность при трех днях провяливания.
Травы являются основным сырьем для заготовки кормов для КРС. В качестве основных травяных культур используются ежа сборная, тимофеевка луговая, овсяница луговая. Выращиванием трав в Вологодской области занимаются практически все хозяйства, хотя объемы посевов изменяются в очень широких пределах. Для их оценки был выполнен статистических данных площадей посева многолетних и однолетних трав по всем хозяйствам области. Выполненный анализ показывает, что в хозяйствах в основном возделываются многолетние травы , на которые приходится 46% общей площади посевов. Основные статистические характеристики площадей посевов трав при-. ведены в табл.3.2.
Как видно из результатов обработки основу кормопроизводства составляют многолетние травы, для которых представляет интерес выполнить более полную обработку.
Статистические данные были проверены на соответствие стандартным законам распределения. В результате обработки на статистическом пакете "STATGRAPHICS" получено, что данные достоверно описываются логнормальным распределением. При 15 классах гистограммы расчетное значение X значительно меньше табличного на уровне
Р{Х ) = 0.95, что позволяет использовать его для расчета доверительных интервалов. В графическом виде результаты подбора закона распределения приведены на рис. 2.13.
Анализ данных показывает, что площади возделывания изменяются в очень широких пределах от 50.0 до 3200.0 га. Ранжирование данных по возрастанию (рис.3.3.) показывает, что интегральная кривая имеет криволинейный возрастающий участок до 250.0 га. Далее идет прямолинейный участок до 1100 га, после которого опять идет криволинейный участок. Таким образом можно считать, что основная часть посевных площадей находится в интервале 250.0 - 1100.0 га.
Проектирование оптимальных технологий заготовки кормов из подвяленных трав
До выбора технических средств и проектирования оптимальных технологий необходимо определить объемы заготовки кормов различного вида, или оптимальной структура кормов для данных конкретных погодных условий и их прогнозируемой стоимости.
Общий подход к решению данной задачи и алгоритм решения приведены в разделе 2.1.2.
Решение задачи выполнено на системе EXCEL 97, на которой разработана программа « КормаЗ-2000» и выполнены расчеты.
Для расчетов использованы исходные данные по структуре кормов, приведенные в разделе 2.1.2. Общий вид программы «КормаЗ-2000» с вариантом решения приведен на рис.4.1.
Кроме решения задачи линейного программирования, система EXCEL 97 позволяет выполнить исследования по оценке влияния изменения параметра «цена сена» на общую структуру кормов и стоимость заготовки всего объема кормов.
Исследование сценария влияния стоимости сена на структуру кормов (рис. 4.2) показывает, что при увеличении стоимости сена с 300 до 350 руб. за тонну структура кормов изменяется - количество сена уменьшается с 500 тонн до 300, а количество сенажа возрастает с 550 до 750 тонн. Второе изменение структуры кормов происходит при изменении стоимости сена с 600 до 650 руб.
В этом случае количество сенажа не изменяется, но уменьшается количество сена до 100 т., а необходимое количество силоса (подвяленного корма) возрастает до 1700 тонн.
Характер изменения стоимости заготовки всего объема кормов приведен на рис. 4.3.
Как показано выше, структура кормов из трав в значительной мере зависит от стоимости кормов различного вида. В наибольшей степени изменению стоимости подвержено сено, так как на этот вид корма в наибольшей степени влияют погодные условия в период уборки. Альтернативным видом кормов для сена, как показано в разделе 4.3, является силос из подвяленной травы.
Поэтому рассмотрим более подробно проектирование на компьютере этой технологии. Количество возможных вариантов реализации технологии может быть достаточно большим, что затрудняет выбор из них оптимальной, в наибольшей степени соответствующей конкретным хозяйственным условиям. Для автоматизации процесса проектирования технологии по алгоритмам, представленным в главе 2, в СЗ НИИМЭСХ была разработана компьютерная программа [45]. С помощью программы могут быть спроектированы как возможные типовые технологии для хозяйств различного типоразмера, так и индивидуальные применительно к конкретному хозяйству.
Как показано в разделе 3.2 посевные площади многолетних трав изменяются в достаточно широких пределах, от 50 га до 3200 га. Различные площади возделывания трав предполагают использование различных технических средств, что обусловлено экономическими требованиями минимизации стоимости кормов.
Так как часть посевов многолетних трав используются под пастбища, зеленый корм и заготовку кормов другого вида ( до 60% от площади посева), то в расчетах примем, что для заготовки используется до 40% площади посева.
Для модельных расчетов были приняты следующие площади уборки:
50 га - для малых хозяйств, 200 га - для средних, и 500 га - для 120 больших.
Расчетную урожайность многолетних трав примем 12 т/га, что соответствует средней урожайности по Вологодской области.
Сравнительная оценка вариантов технологии, как указывалось выше, может быть выполнена по различным критериям, основными из которых, при существующих экономических отношениях являются энергозатраты и стоимость кормов.
Здесь принят радиус перевозки больший по сравнению с предыдущим случаем, так как с увеличением площади уборки увеличивается и радиус перевозки травяной массы.
Количество выбранных из базы данных технических средств остается тем же, что и в случае 50 га, так как состав операций не изменился. По критериям минимума энергозатрат и стоимости получен следующий оптимальный состав технических средств (табл. 4.6). Как видно из сравнения состав техники изменился. Конкурирующими по показателям стоимости и энергозатрат являются машины на операциях ворошения и транспортировки.
Резерва времени практически нет. Удельные затраты при принятых показателях стоимости составили 116,0 руб./т. Наиболее затратными операциями являются подбор и транспортировка травяной массы.
