Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Развитие машинных технологий производства картофеля и их особенности 7
1.2. Применение технологий и машин в различных условиях 2 7
1.3. Анализ условий применения перспективной Машинной технологии производства картофеля в СЗАО "Ленинское" 34
1.4. Цели и задачи исследования 39
2. Теоретический анализ технологии на основе комплекса по обработке и хранению картофеля 42
2.1. Общие положения 42
2.2. Анализ основных закономерностей технологии послеуборочного цикла 4 4
2.3. Обоснование основных параметров технологического оборудования комплекса 56
3. Программа и методика экспериментальных исследований и испытаний 66
3.1. Основные положения программы исследований бб
3.2. Особенности методики исследования потоков в машинных технологиях 67
3.3. Программа и методика испытаний технологического оборудования комплекса 7 0
3.4. Технико-экономическая оценка технологий в условиях рыночных отношений 7 0 4.
Экспериментальные исследования и испытания технологического оборудования комплекса 7 2
4.1. Устройство, конструктивные и технологические особенности комплекса и его технологического оборудования 72
4.2. Исследования и испытания технологического оборудования комплекса 8 4
4.3. Экспериментальные исследования подсистемы приемных каналов 95
5. Анализ результатов исследований 100
5.1. Анализ потоков продукции, поступающей в комплекс на обработку и хранение 100
5.2. Анализ надежности работы подсистемы приемных каналов 103
6. Технико-экономический анализ,внедрения результатов исследований 105
6.1. Основные показатели технологий 105
6.2. Анализ вариантов машинной технологии производства картофеля 108
6.3. Перспективы развития машинной технологии производства картофеля 118
Общие выводы и рекомендации 12 8
Список использованной литературы
- Анализ условий применения перспективной Машинной технологии производства картофеля в СЗАО "Ленинское"
- Анализ основных закономерностей технологии послеуборочного цикла
- Программа и методика испытаний технологического оборудования комплекса
- Исследования и испытания технологического оборудования комплекса
Введение к работе
Актуальность темы. Картофель - одна из важнейших сельскохозяйственных культур, возделываемых во многих странах мира; его производство в мире постоянно возрастает.
При общем снижении производства сельхозпродукции в нашей стране за последние годы на 20-25%, годовое производство картофеля уменьшилось лишь на 7% и достигает 33-36 млн. тонн. При средней урожайности в стране 10-11 т/га многие хозяйства собирают по 26-30 т "второго хлеба" с гектара.
Широко распространенная машинная технология на основе сортировальных пунктов КСП-25 сыграла большую роль в повышении производства клубней. Однако, в новых условиях, определяемых рыночными отношениями, эта технология не позволяет реализовать весь потенциал эффективности машинного производства картофеля.
Поэтому обоснование и внедрение машинной технологии производства картофеля на основе комплекса по обработке и хранению, располагающегося в хозяйстве, является важной и актуальной задачей.
Настоящая работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Научно-исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения им. В.П. Горячкина - ОАО ВИСХОМ: направление 0.12.07 «Хранение сельскохозяйственной продукции», проект 5-167.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является обоснование и внедрение усовершенствованной машинной технологии производства картофеля на основе комплекса по его обработке и хранению, обеспечивающей получение качественных клубней при существенном снижении их потерь и затрат труда на единицу продукции по сравнению с имеющейся технологией.
Для выполнения поставленной цели намечается решить следующие задачи:
установить закономерности взаимодействия потоков транспортных средств с приемными каналами технологического оборудования комплекса;
обосновать схему технологического оборудования комплекса для обработки и хранения картофеля и основные его параметры;
провести оценку надежности работы приемных каналов комплекса и сравнительный технико-экономический анализ технологии на основе комплекса в условиях хозяйственной уборки картофеля и, частично, моркови;
определить основные направления дальнейшего совершенствования машинной технологии уборки картофеля применительно к условиям Нечерноземной зоны РФ.
Объекты исследований. Объектами исследования являются:
потоки транспортных средств продукции (картофель, морковь) с поля на обработку во время машинной их уборки;
оборудование комплекса для обработки и хранения картофеля и корнеплодов, в том числе приемные каналы этого оборудования;
типы (варианты) машинных технологий производства картофеля.
Методика исследований. Теоретические исследования заключались в анализе на основе теории систем массового обслуживания (СМО) технологических взаимодействий в послеуборочном цикле с целью определения основных параметров технологического оборудования комплекса. Проведен вероятностный анализ надежности работы приемных каналов технологического оборудования комплекса, как основного звена определяющего тэаботу всего послеуборочного цикла.
При проведении экспериментальных исследований использовались общие методики, а также частные специальные методики испытаний на основе отраслевых стандартов. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием вариационных и статистических методов с применением современныx программ на пэвм шм pa
Научная новизна. Разработаны математические модели:
функционирования двухканального технологического оборудования комплекса в виде простейшей замкнутой СМО с использованием общих закономерностей теории систем массового обслуживания;
оценки надежности подсистемы приемных каналов технологического оборудования комплекса на основе теории графов и системы линейных дифференци-альных уравнений Колмогорова.
Практическая значимость и реализация работы. По результатам исследований обоснована схема технологического оборудования комплекса по обработке и хранению картофеля и корнеплодов и основные его параметры. Комплекс построен в СЗАО «Ленинское» и с 1995 г. запущен в эксплуатацию. Обработано и заложено на хранение - 10,4 тыс.т. продукции. Использование комплекса снизило потери продукции па 30.„50% и ее себестоимость почти на 38%, существенно повысило прибыль и обеспечило эффективную работу хозяйства в рыночных условиях. Годовая прибыль - более 600 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на секции НТС ОАО ВИСХОМ, во ВИИИКХ, на научно—производственных семинарах по технологии производства картофеля в Московской области ВІ996, 1997 и 1998гг., проводимых Минсельхозпродом РФ в Коломенском районе Московской области.
Публикация. Основное содержание диссертации изложено в 3-х печатных
работах общим объемом в 1,3 п.л.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 88 наименований, в том числе 12 - на иностранных языках и приложений. Работа изложена на 143 стр. машинописного текста, содержит 23 таблицы и 30 иллюстраций.
Анализ условий применения перспективной Машинной технологии производства картофеля в СЗАО "Ленинское"
Технологическое оборудование в данном случае выполняется стационарным. На данном комплексе осуществляется "минимальная" обработка картофеля, а его отдельные агрегаты в зимний период используются на предреализационной обработке продукта.
Уборку с закладкой на хранение без послеуборочной обработки по принципу "поле - хранилище" практикуют по единой системе технологии на легких почвах нормальной влажности. Наряду со снижением повреждений клубней при такой технологии сокращаются затраты труда.
Как следует из вышеизложенного, технология послеуборочного цикла, включая хранение, может осуществляться по различным схемам. На конфигурацию этих схем влияет в определенной степени состав массы клубней и корнеплодов, поступающей о поля от уборочных машин. Характеристика этой массы (средние значения) показана в табл. 1.4.
Как видно из табл. 1.4, характеристики массы клубней картофеля и корней моркови, поступающие от уборочных машин, изменяются в широких пределах за счет различных способов уборки, отличия в условиях выращивания, сортовых особенностей культур, степени засоренности полей и др. факторов.
Как отмечалось выше, послеуборочный цикл общей технологии уборки включает технологический блок хранения. Технология хранения и сохранность продукции зависят от вида культуры, ее сортовых особенностей, в том числе лежкоспособности, способов возделывания, уборки и послеуборочной обработки [21, 63]. Основные осредненные характеристики массы клубней и корней моркови, определяющие условия их хранения, приведены в табл. 1.5.
В хозяйстве используются закромный, навальный и контейнерный способы хранения. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. В целом, выбор способа хранения в постоянных хранилищах зависит от условий производства, вида и назначения продукции. Поэтому к оценке эффективности применения данных способов следует подходить всесторонне. Так, имеющееся в хозяйстве закромное хранилище переоборудовано под навальный и закромный способы хранения семенного картофеля.
За последние годы в зарубежных картофелепроизводящих странах увеличиваются капиталовложения в строительство контейнерных хранилищ [77, 79] . Это вызвано тем, что при переходе на хранение в деревянных жестких контейнерах вместимостью 1т типа "евроконтей-нер" значительно снижаются удельные капиталовложения, в том числе за счет длительного срока их службы (до 2 5 лет) . Контейнерный способ имеет более широкие технологические возможности по сравнению с навальным, т.к. позволяет выгружать клубни различных сортов с любого места массива хранения. При контейнерном способе упрощается система механизации хранилища [29, 30].
В целом, условия работы технологического оборудования в послеуборочном цикле производства картофеля, включая хранение, весьма разнообразны, а само оборудование должно работать по "гибким" технологиям.
Широкие технологические возможности механизации работ в широких и изменяющихся условиях послеуборочного цикла, включая хранение, по "гибким" технологиям обеспечивают линии и комплексы блочно-модульной компоновки различной конфигурации [34].
Существо блочно-модульного способа компоновки состоит в следующем. Общность характера ряда операций послеуборочного цикла, включая хранение, что видно из табл. 1.2, позволяет сделать вывод о целесообразности выполнения каждой из этих операций на соответствующем агрегате-модуле. Для проведения той или иной операции с различными параметрами, например с разной производительностью, определяемой условиями работы, на основе базового агрегата-модуля образуется семейство унифицированных агрегатов-модулей. Они имеют общую конструктивную схему, но отличаются друг от друга отдельными параметрами.
Так, семейство агрегатов-модулей приемного бункера имеет 8 модификаций, отличающихся вместимостью, производительностью и др., модели семейства сортировок отличаются по ширине, т.е. по производительности, переборочных столов - по длине и типу рабочей поверхности и т.п..
Агрегаты-модули в тех или иных сочетаниях образуют блоки, которые могут использоваться в различных линиях и самостоятельно. Среди основных блоков следует отметить блоки приема и первичной обработки, переборки продукта, загрузки хранилища и др.
Блочно-модульные линии образуются из набора соответствующих блоков и агрегатов модулей. Схема образования таких линий показана на рис. 1.4. Образованные по данной схеме линии могут быть различной конфигурации, т.е. иметь различное количество потоков продукции, приемных каналов (бункеров), различные места выдачи обработанного продукта и т.п..
Отдельные приспособления и устройства, устанавливаемые на блоки и модули, расширяют диапазон использования последних. Согласованное функционирование блоков и модулей в технологической линии требуемой конфигурации и производительности осуществляется системой управления, в которую могут быть включены средства автоматизации.
Анализ основных закономерностей технологии послеуборочного цикла
Опыт показывает, что выбор технологии производства картофеля и набора машин для ее осуществления в условиях конкретного хозяйства или зоны должен учитывать ситуацию, сложившуюся в данных хозяйствах: природно-климатические и организационные условия, состояние материально-технической базы, назначение картофеля, возможности его реализации и др. В качестве оценочных критериев являются урожайность, сохранность и экологическая чистота клубней, технико-экономические показатели и др.
По уровню подготовки почвы, применяемым сортам картофеля, нормам внесения органических и минеральных удобрений и средств защиты, применяемым техническим средствам общая технология возделывания картофеля в Федеральной Системе технологий и машин разделена на 3 типа [68].
Высокие технологии (А) - система получения в конкретных аг-роландшафтах наивысшей урожайности высококачественных клубней, окупающая финансовые, энергетические и трудовые затраты о использованием новейших знаний на базе высокоинтенсивных сортов, комплексной защиты растений от вредителей, болезней, сорняков, применения микро- и макроудобрений, обеспечивающих реализацию потенциала сорта более 80% и затраты труда не более 0,9 чел./ч на 1 ц картофеля, гарантирующая в условиях Нечерноземной зоны урожай картофеля 25-30 т/га.
Интенсивные технологии (Б) - система получения высококачественного картофеля с компенсацией выноса питательных веществ урожаем, с мерами по защите растений картофеля от наиболее опасных болезней (фитофтороз), вредителей (колорадский жук), сорняков, обеспечивающая реализацию потенциала сорта выше 60 % затраты тру да не более 1,4 чел./ч на 1 ц картофеля, гарантирующая в условиях Нечерноземной зоны урожай картофеля 15-20 т/га.
Нормальные технологии (В) - система получения картофеля с использованием биологических ресурсов агроландшафта и потенциала растений, обеспечивающая реализацию потенциала сорта более 40% и затраты труда не более 2,2 чел./ч на 1 ц картофеля, позволяющая получить в условиях Нечерноземной зоны 10-12 т/га.
Каждый из потенциальных производителей картофеля, сообразуясь со своим финансовым положением, наличием сельскохозяйственной техники и планируемой урожайностью, определяет для себя тот тип технологии (А, Б, В), который бы в его конкретных условиях дал бы наибольший эффект.
Для получения стабильных высоких урожаев картофеля в СЗАО "Ленинское" применяется соответствующий уровень технологического процесса его производства, который по классификации, принятой в Федеральной системе технологий и машин, определяется как высокая технология - тип А.
Данная технология применительно к условиям нашего хозяйства может характеризоваться, как организованная система получения в конкретных условиях поймы реки Оки наивысшей урожайности высококачественных клубней картофеля продовольственного назначения для потребления в свежем виде и для переработки, а также семенного материала высоких репродукций.
Важнейшим условием для получения высокой урожайности, как отмечалось выше, является выбор сорта и посадка семенным материалом высоких репродукций (не ниже второй).
Оценивая отечественные сорта и сравнивая их с зарубежными, следует отметить, что основное преимущество многих зарубежных сортов - их привлекательный внешний вид, красивая выровненная форма, что важно в современных рыночных условиях. Многие зарубежные сорта устойчивы к золотистой цистообразующей картофельной нематоде. Но многие из них имеют низкую устойчивость к фитофто-розу и требуют в период вегетации большого количества химобрабо-ток. Отмечено в наших условиях быстрое прогрессирующее падение продуктивности зарубежных сортов о каждой последующей репродукцией. По данным ВНИИКХ, наши сорта более устойчивы к фитофторо-зу, значительно меньше поражаются паршой, ризоктонией, гнилями при хранении [4,10,16,69].
Сорта в целом характеризуются потенциальной урожайностью (т/га), содержанием крахмала, Сахаров и др. веществ (%), внешней характеристикой клубня и другими особенностями сорта, устойчивостью к различным заболеваниям и к механическим повреждениям и лежкоспособностью. Следует отметить, что в нашей стране потенциал сортов картофеля используется недостаточно, всего на 25-35 %, когда, например, в Нидерландах этот показатель равен 80%.
Наибольшей потенциальной урожайностью в 55-60 т/га характеризуются отечественные сорта: Брянский ранний (PC), Вятка (PC), Жуковский ранний (PC), Невский (СР), Бронницкий (СС), Ресурс (СС) , Лорх (СП), Темп (ПС) и др. Наибольшая устойчивость к механическим повреждениям у сортов: Вятка (PC), Иэора (PC), Удача (PC), Резерв (СР) , Бронницкий (СС) , Ресурс (СС) , Темп (ПС) и др.
Программа и методика испытаний технологического оборудования комплекса
Принимая для данного суммарного потока вместимость всех транспортных средств равной средней их вместимости, их поток можно рассматривать как однородный. При этом вероятность одновременного поступления двух или более транспортных средств к приемным каналам технологического оборудования комплекса пренебрежимо мала по сравнению о вероятностью поступления одного транспортного средства машины. Это позволяет характеризовать данный поток и как ординарный.
Поэтому поток транспортных средств о продукцией о поля во время уборки, имеющий вероятностный характер, может характеризоваться, как простейший поток событий, общей зависимостью (распределением по закону Пуассона) р — т р-Л (2.1) где Рш - вероятность прибытия т транспортных средств с поля в хранилище за 1 час; Л - среднее число транспортных средств (математическое ожидание) , поступающих в приемные каналы хранилища за один час. Установлено, что при данном потоке механизированная уборка картофеля (овощей) с непосредственной закладкой их на длительное хранение в местах производства может быть представлена, как простейшая система массового обслуживания (СМО).
В данной СМО "Хранилище - транспортные средства" имеются приемные каналы (линии) технологического оборудования комплекса. Заявками, которые обслуживаются в этих каналах, являются транспортные средства о продукцией, прибывающие на этот комплекс с поля [8, 12, 31] . Схема потока на уборке картофеля При организации уборки картофеля на основе уборочно-транспортных отрядов, используемую ранее, структура последних позволяла определять систему "хранилище - транспортные средства", как простейшую замкнутую СМО. Практика показывает, что в связи со структурными изменениями в сельском хозяйстве изменилась и организация работ на уборке картофеля, когда количество транспортных средств определяется, в основном, условиями работы и может изменяться в течение сезона. Поэтому количество транспортных средств (заявок) не зависит от самой СМО и в имеющихся условиях ее возможно определять, как открытую простейшую СМО с неограниченной очередью на обслуживание.
Эта система работает без взаимопомощи между приемными каналами. Последнее обусловлено тем, что разгрузка одного транспортного средства осуществляется только в какой-либо один приемный канал, т.е. в его бункер.
Прием продукции с поля может производиться в п приемных каналов. В общем случае их число п 1. В работе участвуют mt транспортных средств, при этом выполняется условие n mt. Для стационарного режима работы имеем mt = г + с + h (2.2) где г - среднее число транспортных средств, стоящих в очереди на выгрузку; с - среднее число транспортных средств, из которых в данный момент производится выгрузка (обслуживаемые заявки); h - среднее число транспортных средств, находящихся в движении. Общий средний цикл работы транспортного средства Ъц можно выразить уравнением t = t -ht -\ (2 3: Іц L04 1обсп Lde где t04 среднее время нахождения транспортного средства в очереди в ожидании выгрузки; обсл среднее время обслуживания (выгрузки) транспортных средств; t-дв среднее время транспортного средства в движении и при загрузке в поле (на пункте).
Используя основные положения теории систем массового обслуживания и имеющиеся на ее основе разработки [8, 15, 23, 31, 34, 73], выведем зависимость основных вероятностных характеристик подсистемы приемных каналов от числа занятых каналов к и числа машин г, находящихся в очереди.
При простейшем потоке транспортных средств распределение времени обслуживания заявок Ьо6сл, т.е. времени разгрузки транспортных средств, выражается показательным законом с параметром [І определяющим интенсивность обслуживания: /Л — 1/ч (2.4) о бел Рассмотрим стационарный режим работы подсистемы при X = const, /л = const, t = oo Могут иметь место следующие возможные состояния подсистемы: S0 - все приемные каналы свободны; Sk - к - приемных каналов занято (k n); Sn - п приемных каналов занято, очереди транспортных средств нет; Sn+r - п приемных каналов занято, г машин находится в очереди на разгрузку (n+r m);Sm - п приемных каналов занято, mt-n машин находится в очереди на разгрузку.
Граф технологических состояний подсистемы приемных каналов показан на рис. 2.2. Представление взаимосвязи полевых уборочных машин (блока Об) со стационарными технологическими блоками 07-08-09 в виде открытой простейшей СМО "хранилище - транспортные средства" позволяет определить предельные вероятности основных рабочих состояний этой системы и ее основные параметры. Эти состояния определяются состояниями Si подсистемы приемных каналов (см. рис. 2.2) . Вероятность состояния подсистемы в свободном рабочем состоянии SP, т.е. все приемные каналы свободны, определится из зависимости
Исследования и испытания технологического оборудования комплекса
Как отмечалось ранее, основными устойчивыми мировыми тенденциями, определяющими перспективы развития послеуборочного цикла машинных технологий производства картофеля и основных овощных культур, включая их длительное хранение после уборки, являются перенос хранения основной массы названных продуктов в зоны их производства и совмещение в едином комплексе на базе хранилищ послеуборочной обработки, хранения и подготовки к реализации убранной продукции. Комплекс, в целом, является сложной логической системой, в которую входят подсистемы: здание (строительная часть), инженерное оборудование, технологическое обору дование.
В комплексе реализуются основные логистические принципы: - однонаправленность функционирования (обработка и хранение с.х. продукции); гибкость технологического процесса (работа на разных культурах и по различным вариантам технологии); - синхронизация работы всех подсистем (совмещение во времени работы по многим технологическим операциям и блокам); - интеграция, и в конечном итоге, согласованная работа всех подсистем комплекса на общий экономический результат, получаемый от поставок картофеля и овощей, а также в перспективе и от продуктов их переработки [22].
Реализация этих принципов осуществляется за счет обеспечения ритмичной согласованной работы всех производственных звеньев, максимальной непрерывности процесса, при минимальной трудоемкости и за счет более оперативного руководства. Мировой опыт показывает, что в данной технологии обеспечивается значительное снижение потерь урожая и повышение качества клубней картофеля и плодов овощей и, как результат, получение высокой прибыли [1, 58, 84].
Комплекс выполняет три основные задачи: - прием, обработку и закладку на хранение продукции непосредственно о поля, либо в контейнерах, либо навалом (россыпью); - длительное хранение с осуществлением различных его циклов (просушивание, лечебный период, длительное хранение, прогрев перед выгрузкой) с искусственным охлаждением в сочетании и с использованием холодного наружного воздуха, что существенно снижает потери продукции, энергозатраты и стоимость хранения; - подготовка продукции к реализации, в том числе через оп товые рынки, в различной таре и упаковке по требованию потребителей .
Комплекс (рис. 4.1) выполнен в виде моноблока с размерами 94x120,6 м по модульной схеме. Он включает отдельные блоки и модули: приемно-сортировальное отделение, располагающееся под навесом, камеры-секции хранения продукции, цех товарной обработки, отделение протравливания, помещения экспедиций, административно-бытового обслуживания. Например, в блоке хранения модулями являются отдельные камеры-секции. Блок хранения имеет два продольных коридора с примыкающими с 2-х сторон камерами-секциями хранения и сквозной поперечный коридор.
В комплексе реализованы новые, разработанные в России элементы зданий и системы инженерного и технологического оборудования .
Инженерное оборудование комплекса предназначено для создания и обеспечения режимов длительного хранения картофеля и овощей. Оно состоит из отечественных вентиляционных установок УВХ-10 с осевыми вентиляторами, смесительных клапанов, приточно-рециркуляционных агрегатов, холодильной и низкотемпературных установок. В камерах, где предусмотрено хранение продукции навалом (картофель) и в контейнерах(морковь, столовая свекла и др.), применена система низкотемпературного (лучистого) обогрева [65].
Технологическое оборудование комплекса для приема, обработки и закладки на хранение плодоовощной продукции навалом и в контейнерах было спроектировано на основе вышеприведенных в настоящей работе положений ОАО ВИСХОМ с нашим участием, а также институтов ВНИИКХ и "Гипронисельпром".