автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Методологические основы разработки технологий и технических средств посева при возделывании зерновых культур в условиях Забайкалья

На правах рукописи

РАДНАЕВ Даба Нимаевич

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОСЕВА ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ЗАБАЙКАЛЬЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 2 СЕН 2013

Улан-Удэ 2013

005533049

Работа выполнена на кафедре «Механизация сельскохозяйственных процессов» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова»

Научный консультант: Докин Борис Дмитриевич доктор технических

наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ , заведующий лабораторией машиноиспользования ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии

Официальные оппоненты: Беляев Владимир Иванович, доктор технических

наук, профессор ФГБОУ ВПО Алтайский государственный аграрный университет, заведующий кафедрой «Сельскохозяйственные машины»

Нестяк Вячеслав Степанович, доктор технических наук, заведующий лабораторией механизации овощеводства ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии

Вишняков Андрей Анатольевич, доктор технических наук профессор ФГБОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, заведующий кафедрой «Сопротивления материалов и теоретической механики»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 11 октября 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.06 при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40-а.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Телефон, факс 8(3012)41-15-37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления».

Автореферат разослан « 2013г. и размещен на сайте ВАК

Минобрнауки РФ referat_vak@obrnadzorgov.ru 4 июля 2013 г.

Ученый секретарь ^ __

диссертационного совета —' Б.Д. Цыдендоржиев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В отличие от аналогичных почв европейской части России каштановые почвы Забайкалья имеют легкий гранулометрический состав. Эта особенность определяет их физико-механические свойства: содержание физической глины составляет не более 30%, фракции мелкого песка - 38-53%, крупной пыли - 10-21% и ила 3-12%. Эти почвы могут уплотняться до 1,55-1,58 г/см3 и достигать твердости до 28-30 кг/см2. Содержание гумуса - 1-3%. Сумма атмосферных осадков на территории степи невелика - 250-350 мм. Особой засушливостью отличаются весенний и раннелетний периоды. Для сохранения почвенной влаги следует уплотнять поверхность почвы после каждой обработки. Наилучшим предшественником для возделывания зерновых культур является чистый пар, где оптимальные сроки посева пшеницы совпадают с массовым прорастанием сорняков. Поэтому нет условий для провокации их в предпосевной период. В степных районах большая часть пахотных земель подвержена ветровой эрозии и рельеф местности горный.

Для получения экономически оправданного урожая не представляется возможным рекомендовать единую унифицированную технологию при многообразии природных и хозяйственных условий. Она должна быть дифференцированной и максимально адаптированной к конкретным условиям.

Основное внимание при возделывании сельскохозяйственных культур уделялось задачам анализа технологических процессов с целью выявления влияния различных факторов на выполнения агротехнических требований, производительность и экономическую эффективность отдельных процессов. В то же время методы синтеза технологических процессов на основе характеристик технического средства и производственной системы хозяйства, в условиях которой необходимо реализовать проектируемый технологический процесс, пригодный для системно-структурного анализа и алгоритмизации, исследовались еще недостаточно. Поэтому разработка общих концепций проектирования технологических процессов с учетом экологических и производственных ограничений - важнейшая социально-экономическая проблема.

Сущность проблемы. Современный уровень техники позволяет осуществлять производственный процесс с помощью различных технических средств и значений их параметров, но вопрос в том, какие из них обеспечат максимальную эффективность, и это требует специального исследования.

Научная гипотеза. Повышение эффективности возделывания зерновых культур может быть достигнуто путем использования таких технологических процессов, а также применения таких технических средств, которые способствуют притоку и накоплению в растениях больше энергии, чем та, которая была для этого затрачена из почвенных запасов. 1 ;

Цель исследования. Повышение эффективности возделывания зерновых культур в зависимости от условий применения, за счет разработки принципов исследований, методологических подходов к решению задач оптимизации технологий и параметров технических средств посева на основе системно-структурного анализа.

Объект исследования. Технологические процессы возделывания зерновых культур.

Предмет исследования. Закономерности формирования и обоснования рациональных технологий, а также оптимизация параметров технических средств посева и оценка их эффективности в зависимости от условий применения.

Методы исследований. Общей методологической основой исследований являлся системный анализ, который направлен на решение крупных проблем, основанных на концепции систем. При системном анализе использовались теории подобия и планирования эксперимента, методы математического программирования и имитационного моделирования. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на персональной ЭВМ с использованием программ Ехсе1, Б^й^са, МаЛСАБ.

Научная новизна:

1. Разработана совокупность новых принципов исследования процессов проектирования технологических процессов, отличающаяся тем, что состоят из утверждений, имеющих иерархическое строение, где от уровня к уровню степень детализации целей возрастает, причем утверждение последнего уровня определяет не, только направление поиска варианта оптимального решения задачи, но и наиболее рациональный путь к нему ведущий.

2. Разработана многоуровневая структурная модель проектирования технологического процесса, отличающаяся направленностью решения «снизу-вверх», которая позволяет создать долгосрочный механизм воспроизводства решений и обосновать предпосылки для модернизации агротехнических требований.

3. Разработана система моделей и критериев для оценки эффективности технических средств, состоящая из показателей, имеющих иерархическую структуру, причем применение показателей верхнего уровня обусловлено необходимостью принимать во внимание категории экономического и социального характера.

4. Впервые разработана совокупность критериев подобия, позволяющая установить кубическую зависимость вместимости бункера посевного агрегата от ширины захвата и соотношение, где произведение производительности на массу агрегата пропорционально к произведению мощности трактора на ширину захвата

посевного агрегата.

5. Предложена система коэффициентов для оценки перспективности технических средств, заключающаяся в том, что на основе усредненных показателей эффективности структурирована и систематизирована информация и выявлены пути совершенствования и повышения их эффективности.

6. Впервые разработаны технические решения и на их базе совокупность ма- -тематических моделей, состоящих из уравнений второго порядка, позволяющих выявить закономерности взаимосвязей от комбинации параметров для описания оптимума. Техническая новизна подтверждена 3 патентами РФ на изобретение.

Практическая значимость. Разработана методология системно-структурного анализа процессов проектирования технологий и технических средств посева зерновых культур и многоуровневая система моделей и критериев для оценки эффективности технических средств' посева. Разработаны эффектив-

4

ные технические средства посева, которые используются в ресурсосберегающих технологиях и повышают урожайность зерновых культур в среднем на 14,5-18,4 ц/га. Результаты исследований могут быть использованы для разработки эффективных технологий и технических средств, с последующей их алгоритмизацией.

Реализация результатов работы. Результаты исследований вошли в состав программы «Развитие агропромышленного комплекса и сельских территорий в Республике Бурятия до 2017 года» и издание «Ресурсосберегающие технологии в земледелии Республики Бурятия» (рекомендации).

В 2007 году через ИП «Ванин Д.В.» на ЗАО «Белинсксельмаш» (Каменка Пензенской области) был размещен заказ для изготовления модернизированных сошников, которые позволили переоборудовать сеялки СЗУ-3,6 и СЗП-3,6.

Агротехнические требования и технические задания, составленные в результате исследований, использовались при изготовлении модернизированных сеялок С3п-3,6 и СЗС-2,1 (ООО «Литейщик» г. Гусиноозерск, Республика Бурятия) и рассеивателей к лаповым сошникам сеялок СЗС-2,1 (ООО «Судостроительный завод», г. Улан-Удэ, Республика Бурятия). Разработанные ресурсосберегающие технологии с применением перспективных технических средств внедрены в ряде хозяйств Забайкальского края и Республики Бурятия.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях Технического совета Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Бурятия и Забайкальского края, на научно-практических конференциях Бурятской ГСХА (БСХИ) (1985-2008 гг.), Иркутской ГСХА (ИСХИ) в 1987, 2006 гг., Челябинском ГАУ в 1989 г.; на международных научных конференциях: «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (г. Барнаул, АГАУ, 2010 г.), «Engineering problems in agriculture and industry» (Монголия, г. Улан-Батор, 2010 г.), на докторском семинаре ГНУ СибИМЭ СО Россельхозака-демии (2009 г., 2011 г.);

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 53 научные работы, в том числе 17 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобр-науки РФ и рекомендация в производство. Получено одно авторское свидетельство, один патент на изобретение и два патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 373 страниц, в том числе 57 рисунков, 39 таблиц, 21 приложение и список литературы из 298 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- основы методологии системно-структурного анализа, позволяющие проектировать эффективные модели технологических процессов;

- концепция многоуровневой системы моделей и критериев для оценки эффективности технических средств посева;

- закономерности взаимодействия основных параметров технического средства посева с последующей возможностью варьировать их выбор;

- результаты оптимизации технологий возделывания зерновых культур и основных параметров технических средств посева в зависимости от условий применения.

Содержание работы

Введение содержит краткое изложение проблемы в данной области, сущность выполненной работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы, цель и задачи исследования» рассмотрены агроклиматические особенности Забайкалья, определяющие условия возделывания зерновых культур, типичные технологические схемы возделывания зерновых культур; дан анализ состояния и перспективы механизации технологических процессов на основе ресурсосберегающих технологий с учетом почвенно-климатических условий.

Большой вклад в решение проблемы повышения функционирования и совершенствования технологий и технических средств по возделыванию зерновых культур внесли такие организации, как ВИМ, ВИСХОМ, ВНИПТИМЭСХ, Сиб-НИИСХ, СибИМЭ, ТатНИИСХ, ОАО "САД", ООО "Сибсельмаш-спецтехника", ОАО "Белагромаш-сервис" и другие.

Основные положения теоретических основ технологических процессов обработки почвы, посева рассмотрены в трудах В.П. Горячкина, МЛ. Летошнева, В.А. Желиговского, И.Д. Лучинского, Л.В. Гячева, А.Н. Семенова, М.Б. Саблико-ва, Г.Н. Синеокова, В.А. Кленина и других ученых.

Повышению эффективности производственных процессов посвящены работы Л.П. Кормановского, А.Б. Лурье, А.П. Иофинова, И.М. Панова, В.Г. Еникеева, А.Н. Семенова, Л.Е. Агеева, И.П. Терских, И.Т. Коврикова, Е.П. Огрызкова, Н.М. Беспамятновой, Н.К. Мазитова и других.

Вопросы разработки систем машин для механизации растениеводства с учетом зональных условий рассматривались М.С. Рунчевым, Э.И. Липковичем, Г.Е. Чепуриным Б.Д. Докиным, В.А. Домрачевым, П.Х. Хараевым, Ю.А. Сергеевым, А.П. Батудаевым, В.В. Тумурхоновым и др.

Анализ литературных источников показал, что наряду с основательными исследованиями в области технологии и технических средств обработки почвы и посева при возделывании зерновых культур, недостаточно сведений о наличии аналитических и логических зависимостей, связывающих параметры технического средства со структурой и характеристиками технологического процесса в зависимости от условий эксплуатации. Традиционные методы изучения и формализации сложных объектов и процессов, при которых основное внимание уделялось качественному и количественному описанию свойств объектов и составляющих их частей, не позволяют строить соответствующие действительности модели, отображающие связи объектов с окружающей средой, их функцию и многоуровневую структуру. Поэтому необходим переход от существующих задач анализа и эмпирических классификаций к проблематике задач синтеза технологических процессов для возделывания сельскохозяйственных культур.

В связи с этим, особое значение приобретает разработка основ методологии проектирования производственных процессов и технических средств, где их специфика не исчерпывается свойствами составляющих их элементов, а обусловлена характером связей и отношений между элементами.

Для решения поставленной проблемы необходимо решение следующих задач:

1. Обосновать научно-методологические принципы формирования и выбора рациональных вариантов технологии возделывания зерновых культур.

2. Разработать систему критериев и моделей для оценки эффективности технического средства посева.

3. Выявить характер закономерностей, позволяющих варьировать выбор параметров технического средства в зависимости от условий применения.

4. Разработать технологии возделывания зерновых культур и технические средства посева, адаптивные к условиям применения.

5. Оценить эффективность научных разработок.

Во втором разделе «Теоретические основы системно-структурного анализа технологических процессов обработки почвы и посева» за счет дедуктивного обобщения исследований в области разработок по механизации сельского хозяйства обоснована концепция многоуровневой системы построения эффективных моделей сложных процессов и объектов.

Большое разнообразие машин и агрегатов для обработки почвы, посева и различный набор рабочих органов в них приводит к тому, что проектирование технологических процессов представляет собой сложную, многовариантную, трудноформализуемую задачу.

Исходными данными для ее решения служат задание функции технологического процесса ф: обработка почвы с нуля до засеянного поля Ка ~г К.к и на площади возделывания В данной функции известной является информационная модель готового поля:

Кк = < ЬР, 2? >, (1)

где Г - заданные функции системы; N — структура технологического процесса; 2 — совокупность заданных параметров; ц - уровень условного расчленения. Техническими ограничениями, определяющими допустимые варианты технологического процесса, выступают применяемые в хозяйстве прогрессивные методы обработки почвы; состав сельскохозяйственной техники и его техническая характеристика; набор универсальных, типовых рабочих органов; множество основных и вспомогательных материалов.

Задача проектирования состоит в том, чтобы при заданных технических ограничениях определить системные характеристики технологического процесса, обеспечивающие агротехнические требования обработки почвы и посева с наименьшими приведенными удельными затратами:

\уб=Суд+Щд-+™ П, (2)

где Суд - себестоимость единицы продукции; Е - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; £ — удельные капитальные затраты.

Независимо от способа представления объекта, вида и характера его изменения основным при оптимизации систем является выбор наиболее подходящего решения. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологии системного подхода, которая направлена на комплексное изучение объектов и процессов. Характерной особенностью указанной методологии является примене-

7

ние моделирования систем и замещения на время анализа реального объекта подобной ему моделью. При проектировании моделей необходимо придерживаться некоторых принципов, соблюдение которых позволит получить адекватное и точное отображение исследуемого процесса.

Теоретические основы проектирования следует строить не столько «снизу» за счет индуктивного обобщения полученных инженерной наукой и практикой, сколько «сверху» по отношению к ним, то есть на основе сформулированных фундаментальных принципов целой системы более конкретных утверждений, раскрывающих структуру и содержание проектных операций синтеза, оптимизации и выбора решений. На основе сформулированного принципа полученные утверждения имеют иерархическое строение, которое характеризует наличие нескольких уровней. Утверждения последнего уровня при помощи алгоритма определяют не только единственный вариант оптимального решения задачи, но и рациональный путь, к нему ведущий.

Анализ результатов науки и практики в области разработки технологий растениеводства позволяет сформулировать наиболее важные принципы и их построение.

Принцип почвозащитной целесообразной и экологической адаптивности приемов и технологий обработки почвы и посева направлен на предупреждение эрозии и защиту почвы или уменьшение их до нормативных пределов влияния на

почву и окружающую среду.

Утверждение 1. Минимум воздействия на почву предусматривает уменьшение вероятности возникновения дефляции и деградации почвы за счет оставления на поверхности поля стерневых остатков или мульчирующего слоя и уменьшения проходов по полю.

Утверждение 2. Уменьшение механического воздействия на почву достигается чередованием отвальных обработок с плоскорезными и поверхностными, совмещением нескольких технологических операций путем применения комбинированных почвообрабатывающих агрегатов и посевных комплексов.

Утверждение 3. Оптимальным вариантом из множества технологий будет такой, которой обеспечивает наименьшую технологическую себестоимость с учетом экологических ограничений.

Принцип технологической совместимости характеризует совокупность объектов, которые могут быть объединены в одну систему, если обеспечивается их совместное функционирование как единого целого в соответствии с заданными агротехническими требованиями. Так, обработка почвы и посев совместимы, если форма и размеры трубки сошника культиваторного типа соответствует форме и размерам семяпровода сеялки. Операции технологического процесса совместимы, если состояние почвы на выходе одной операции будет исходным для другой.

Утверждение 1. Объединение в систему элементов, не совместимых по одному или нескольким видам связи, осуществляется путем введения специальных звеньев-посредников. Так, вентилятор является звеном-посредником между прицепным бункером и культиватором посевного комплекса, предназначенного для транспортирования семян по семяпроводу от бункера к лапам-сошникам, с учетом наличия одного или двух распределительных устройств.

Утверждение 2. Оптимальным среди множества вариантов будет такой вариант совместимости, который обеспечивает заданные агротехнические требования при минимальных суммарных затратах на узлы и детали, выполняющие функции совместимости.

Утверждение 3. Оптимальным среди множества допустимых вариантов технологических процессов будет такой, который обеспечивает минимальные суммарные затраты на совместимость системы с окружающей средой, выполнение заданных функций и затраты на модернизацию за период эксплуатации.

Принцип целостности модели отображает способность воспроизводить механизм функционирования объекта, который можно условно расчленить на совокупность более простых взаимосвязанных между собой частей, выступающих как единое целое. Методологическим выражением действия этого принципа является метод декомпозиции, где сложный объект расчленяется на несколько взаимосвязанных уровней, характеризующихся последовательно возрастающей от уровня к уровню степенью детализации. Существо метода декомпозиции раскрывается совокупностью принципа целостности и его утверждений, определяющих характер и структуру процессов проектирования.

Утверждение 1. Проектирование технологических процессов обработки почвы и посева расчленяется на три уровня: принципиальная схема процесса (ПС), последовательность операции (ПО), операционная технология (ОТ).

Утверждение 2. Многоуровневый процесс проектирования развивается сверху вниз, то есть от синтеза общих принципиальных моделей на первом уровне к проектным решениям требуемой степени детализации на последующих уровнях. На основе исходных данных (ИД) получим выражение:

Пт = ИД V1ПСу2ПОУ3ОТ (3)

Утверждение 3. На всех уровнях, кроме последнего, ввиду недостаточной детализации проектных решений критерии отбора вариантов 3 носят обобщенный, эвристический характер. Они последовательно уточняются при переходе от уровня к уровню, достигая необходимой точности на последнем уровне проектирования:

3\<3)<31 (4)

В качестве критериев на последних уровнях часто принимаются приведенные затраты и производительность.

Утверждение 4. На рассматриваемом уровне производится корректировка и уточнение принятых решений на предыдущем уровне, что приводит к возникновению обратной связи. Так, выбранная на втором уровне марка технического средства или тип рабочих органов в ряде случаев могут уточняться при проектировании операционной технологии на третьем уровне.

Утверждение 5. Проектирование на каждом уровне расчленяется на совокупность проектных операций, итерационно взаимосвязанных между собой и осуществляющих формирование множества проектных вариантов, их анализ, оптимизацию и отбор (рис.1).

С помощью операции «накопление опыта» отбираются и заносятся в систему лишь оригинальные технологические решения и процессы, которые до этого отсутствовали. Операцией «обобщение опыта» из числа ранее спроектированных технологических процессов формируются проектные решения и алгоритмы.

Цель обобщения опыта на 1 уровне оптимизации - определить сроки начала и суточный темп выполнения полевых работ с минимальными затратами на основе почвенно-климатических условий и агротехнических требований, влияющих на величину урожая.

Цель обобщения опыта на 2 уровне - определить структуру, состав основных и вспомогательных технических средств с учетом потребности в технике, обеспечивающие суточный темп выполнения работ с допустимыми затратами.

Цель обобщения опыта на 3 уровне - выполнить оптимизацию по критерию минимума приведенных затрат на основе имитационного моделирования, которое позволяет одновременно получить множество показателей, характеризующих эффективность функционирования рассматриваемой системы.

В конечном итоге приходим к необходимости организации итерационного алгоритма процесса проектирования, основной чертой которого является последовательное улучшение исходного варианта до требуемой степени совершенства. Общая схема итерационного проектирования технологий приведена на рисунке 2.

10

Выход

Рисунок 2 - Итерационный алгоритм проектирования на каждом уровне

Основными структурными элементами являются такие проектные операции, как поиск решений - аналогов, синтез вариантов технологий, имитационное моделирование процесса, анализ и оценка результатов моделирования, оптимизация и отбор наиболее рациональных вариантов.

Принцип обратной связи характеризуется поддерживанием этой связи в процессе взаимодействия системы с факторами окружающей среды за счет направленности решения «снизу - вверх», позволяющего не только добиться его реализации, но и создать долгосрочный механизм воспроизводства таких решений в будущем.

Принцип эмерджентности рассматривается как проявление в наиболее усиленной форме свойств целостности системы, то есть наличие у системы таких свойств, которые не присущи ни одному из составляющих систему элементов, взятому в отдельности вне системы.

Современный уровень техники позволяет осуществлять производственный процесс с помощью различных технических средств и значений их параметров. Поэтому обоснование выбора комбинаций технических средств, способных реализовать оптимальную технологию возделывания сельскохозяйственных культур, составляет содержание задач оптимальных решений. В качестве сбалансированной задачи принимаем следующее.

Условие необходимости обработки почвы и посева определенной площади при выполнении любой технологии возделывания:

+ ^ w/2 • Х32 > S2

(5)

У ч=1 У XU+YJWbl'X2,+ ¡=1 У У ¡=1 ¡=1

где W£bc- годовая наработка агрегатов при работе на заданной операции, га; Х] 2,з - количество агрегатов, занятых на выполнении i-й операции; Sy - площадь возделывания культуры по i-й операции наJ-й технологии.

Система уравнений (5) на основе исходных данных по конкретному хозяйству и включает в себя все операции по технологии возделывания зерновых культур с учетом почвенно-климатических условий.

Условие выполнения всего объема работ планируемым составом механизаторов

Ajfci + Х2к2 + Х3к3 < yN, (6)

где N— наличие механизаторов в хозяйстве; к! 2,з — количество механизаторов, обслуживающих один агрегат в период работ; у - коэффициент, учитывающий изменение числа механизаторов.

Условие выполнения работ на /-й операции в агротехнические сроки:

ЯЛ1 < Лг

К - хг (7)

Я„з <Д3

Л„( < Л[

где \ - фактический агросрок выполнения операции; Л„. - планируемый агросрок выполнения операции определяется:

1 _ _ßJii__ГД-)

где ß - кратность выполнения операции; W£%c - сменная производительность агрегатов.

В условиях ограничения затрат на возделывание зерновых культур в качестве целевой функции приняты приведенные затраты:

У

Зпр = (с^ + Е„ ■ к^) Xt -> min, (9)

¡=i

где С/ - себестоимость выполнения работы агрегата /"-й операции; Е„ - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; кудл - удельные затраты.

Если Sj - объем работы, выполненный в данный агротехнический период, а W£b c - производительность одного агрегата, то:

Xi= -4- (Ю)

Для решения задачи, помимо ограничений, следует выполнить условие:

Z-.Xi-XciO, (11)

то есть суммарное число агрегатов, выполняющих данные работы в пиковые периоды времени, не должно превышать общего количества существующих агрегатов (Хс);

У У

£ ^ь.Х, (12)

то есть производительность всех агрегатов, выполняющих данные работы в течение агротехнического периода, не должна быть меньше объема работ, который должен быть выполнен за тот же период.

Разработанная методология системно-структурного анализа позволяет строить адекватные действительности модели, отображающие их связи, функцию и многоуровневую структуру.

В третьем разделе «Применение методов моделирования и подобия для оценки, определения параметров и прогнозирования развития технических средств» разработана система моделей разного типа для оценки эффективности технических средств с учетом условий применения.

При использовании почвообрабатывающих посевных машин, их модернизации и определении оптимальных режимов эксплуатации оценивают возможные варианты машин и значения ее параметров. При этом применение системного анализа позволяет анализировать технические системы как целое, обеспечивает рассмотрение многих альтернатив, каждая из которых описывается большим числом переменных, вносить измеримость. Системные объекты характеризуются входом, процессом, выходом, обратной связью и ограничением. Количественная форма модели выхода выражает ожидаемый исход в виде предполагаемой величины (приведенных затрат, удельных технических показателей и т.д.), что видно из рисунка 3.

Рисунок 3 - Представление функционирования почвообрабатывающей посевной машины в виде системного процесса

Система показателей оценки эффективности почвообрабатывающих посевных машин целесообразно сформировать на базе анализа приведенных удельных

13

затрат, который с учетом связей и ограничений наиболее полно позволяет оценивать эффективность машины. Производительность агрегата является одним из важнейших показателей при формировании агрегата. При помощи ее можно производить анализ ряда технико-экономических показателей различного уровня, таких как рентабельность, приведенные удельные затраты, энергоемкость, металлоемкость и др.

При оценке почвообрабатывающей посевной машины и ее сопоставление с существующими образцами наиболее целесообразно использовать такие зависимости, как масса машины, мощность двигателя, физико-механические свойства почвы, рельеф местности, квалификация оператора-тракториста.

В качестве удельных показателей для оценки технико-экономической эффективности сельскохозяйственной техники в ряде случаев используют энергоемкость, металлоемкость и другие, полученные на их основе.

Энергоемкость процесса оценивают показателем как отношение мощности N к производительности IV

Ы^-К/Фс» (13)

Металлоемкость агрегата является показателем, определяющимся через отношение массы агрегата т к производительности Ш и:

(14)

Обобщенный показатель оценки эффективности агрегата является эквивалентом комплекса двух показателей - энергоемкости и металлоемкости:

где = М^/т - удельная производительность.

Коэффициент использования циклового времени смены:

гц = Т0/Т„, (16)

где Т0 - продолжительность основной операции, Тц — цикловое время (основная операция, холостые ходы и обслуживание агрегата).

Показатель Я можно рассматривать как наиболее общую комплексную оценку эффективности агрегата. Показатель Я включает в основном технико-экономические, эксплуатационные параметры агрегата и не характеризует эксплуатационные, капитальные затраты, возникающие в сфере производства машины и ее эксплуатации. Наиболее важным показателем оценки эффективности сложных систем являются приведенные удельные затраты, которые выражают народнохозяйственную полезность технического средства с учетом его эффективности в сфере производства и эксплуатации. Для рассматриваемых показателей характерна иерархическая структура построения по полноте охвата параметров, определяющих протекание процесса (табл.1).

При наличии функционально взаимозаменяемых технических средств, отличающихся друг от друга значениями технических параметров, стоимостью изготовления, эксплуатационными и экономическими показателями возникает необходимость определения, какие из них обеспечат наибольшую эффективность.

Это составляет содержание задач оптимальных решений и для выбора критерия оптимальности подходит минимум приведенных затрат.

Таблица 1 - Система моделей для оценки эффективности и оптимизации параметров машин

Уровень оценки 1 II III

Наименование показателей Приведенные удельные затраты Обобщенный показатель Удельная металлоемкость Удельная энергоемкость Производительность Коэффициент времени цикла

Обозначение Злруд Пыт Суд Nyd wa, ъ,

Показатель эффективности Cyd+Ekyä Nyö wvd G Кем N Wc.» 0,1B V TCM т То т.

Условия оптимизации 3„р.уд -> min Пк„-*тт Gytj —> min Nyd~*min Wa, —> max т,,—> тах

В данном случае эффективен метод оптимизации направленного перебора вариантов, сущность которого заключается в последовательном улучшении исходного варианта до требуемой степени совершенства. Схема итерационного алгоритма решения задачи по оптимизации параметров показана на рисунке 4.

Выход

Рисунок 4 - Итерационный алгоритм решения задачи по оптимизации параметров технического средства

Основными структурными элементами являются такие этапы разработки, как поиск аналогов, синтез различных вариантов посевных агрегатов, имитационное моделирование процесса его работы, анализ и оценка результатов моделирования, оптимизация и отбор наиболее рациональных вариантов.

Для окончательного решения задачи необходимо установить рациональные интервалы варьирования параметров технического средства посева в зависимости от условий применения. Посевной комплекс (ПК) как система определяющая технологию производства весьма сложна. Поэтому вполне допустимо для оценки характера поведения технической системы описывать поведение не реальной системы, а ее модели, то есть более простой системы, имитирующей поведение более сложной, реальной.

На основании справочных данных (табл.2) можно предположить, что эффективность посевных комплексов зависит от следующих параметров:

Э =/|(В, !¥,т, N,<2), (17)

где В - ширина захвата, м; IV- производоггельность, га/час; т - масса комплекса, кг; N -мощность трактора, кВт; <2~ вместимость бункера, м3.

Получить такую зависимость аналитически очень сложно, в то время как применение теории подобия, в частности метода размерностей, приводит к положительным результатам без необходимости составлять систему уравнений.

Положения теории подобия позволяют правильно ставить эксперимент, выбирать параметры модели так, чтобы получать моделирующие процессы, тождественные процессам в системе-оригинале.

На рисунке 5 по координатным осям отложены коэффициенты подобия \¥с , {2с, тс, Ыс и Вс.. Это позволяет проследить изменение основных параметров в относительных единицах при выбранной модели ДТ-75М+ЗСЗС-2,! -№ 5.

ч N.

\ 1,0

• >

У •

2,0 1.5 1.0 0.5 0

0

<3с

и

• /

1.0 2.0 3,0 4,0

ОТО1

оо

Рисунок 5 - Параметры почвообрабатывающих посевных машин и агрегатов в относительных координатах

2.0 1.5 1.0 0,5 \\ч 0 2 4 б 3 тс

В сравнительно широких границах изменения параметров имеются соотноше-

ния;

тс = Ыс, №С = ВС (18)

Здесь же показана зависимость Вс и (¿е.. Далее проведем преобразования, необходимые для определения безразмерных комплексов и получения критериев подобия. В качестве основных параметров примем В, т и N.

о ю 00 а\ го о< ю 4л. N> ы to К) к> to о VO 00 Оч О) ы - о чО с •о ОЧ Ol 4^ ю - %

Ч о л о £3 | О ОЧ О О г -а о й s оо 3. 3 о 3 04 О »j о 0 1 сл О Ч о » •о I Конкорд 4012/2000 Т5 -J о + р •1) О 5 я * 00 КЗ 3 0 1 ы "ю -о о + « о о + Оч | КУ701+ПК-8.5 Кузбасс ^ vj о о fc» СР т) п 1 о Оч •о о + п со о ^ ^ v4 О О а о to -4 О О + О СП В" ОО •4 О £ 0 о ]о | ДТ-75М+ СЗС-4,2 -о о + G а to н 0 1 я с: to н Ol о « + о со о Оч Сл 0 ?? + 1 ОО 0 01 о> + (л) о ш ¿3 н «XI 0 я 1 Jx к> V1 Ol о + to о (Г f u> ч tJ 7i vi Ol s: Ä о u> о JO ? ОО о А OJ ОЧ о S d ОО ¥ ■о ¿3 ОО о л to о 6 о to п о п

ю А чО ОО "о £ Ol ЧО ОО ОЧ \о 00 ел чО оо с* ОО CK vo ОО Ъ\ чо ОО о\ ЧО ОО Оч -4 vj ю Оч ЧО ОО сл vi v4 ОО о -4 ю to to 4* ОО о to 4» ю 4»- oo о Ol Ol С7ч Ol Ol оч Ol ОЧ Ol Оч Установ. моиш. N. кВт

Оч ОЧ Оч SJ к> М "ю to 4». 00 "to к> to "■о р у ОО NJ Оч OJ оч to U» v4 V О 4*-*ю to О JO о Оч Оч 4s. Ol Ol о 4^ к» ОО оч OJ OJ оч to Ol JO to Ширина захвата, В м

00 LJ О о> V й U) tO о о» -J ОО 4х «■J ОО Jb. ■о -о -о о у» "to 4ь о« о to Ol -t» KJ К> 0 -4 01 о Оч ОЧ о» to VO ю ЧО to О» о VO о Оч To 4». Ol 0 ОЧ Оч 01 4» о» 0 J3» 01 о 4». Емкость бункера, (} V

|11815 « О О о W оо о о to 4^ О О to о 4* О OJ О Ч? О О м vi Ol о о to ич о о о к» и> VC о о ОО 1Л о о KJ Оч о о v4 о о о Оч v4 О о to tüj о о to о ■vi о» о Cj о о о to 0 01 о ОО Оч о v4 Оч Оч Ol to U1 ä и> Ol 0 Оч ЧЭ 01 о о to о» IO о» о> о о to о о 4^ to ОО о чо <74 с? 4^ о о Масса агрегата, ш кг

чО Ö ЧО о V© О OJ О {о 4* ОО К) to k> \о Uj рч Оч Ln Ol оч Ol Оч = о» Оч о о U» to to о (О о Ol о» о о» о Оч Ol о OJ OJ KJ Ol vi Произаод. XV га/час

ы NJ К» оч Ьч Оч OI оч о to 45. го о> ы ю р ю ю UJ (О Оч LO to •О ^ fO со ю ОЧ U» 4>. to Ol о to Lo о to чо и> о Ui С-ч о to Оч 4* ю 1л) to л k> vi чо to м OJ to А о Энергоемкость, N уд

] 0.00076 О О о о о о о о о ОО О О о о 4^ сь о 0 g 01 О О о о 4* о о о о ы р о о о ■с* VO о Ö о о 4^ о о о о U) и> р о о ы р 'о о о ы р о о о ы и> о о о о Оч о о о 0 01 о о о о ы UI р о о о VO о о о о ы •vj о о о оч ОО р Ö о о <о --I р Ö о о 4Ь -о О О о о OJ •О о о о о р Ö о о 4^ 1>J о о о о 4ь о о о о UI to о о о о vi to о о о 0 01 о о с? о ы ОО о о о о to о» Уд. проиэвод. Ща

| ! 7.8 4* О» OJ Ьч о> со to UI О О ОО о kl ы го К) Ui LO -4 и> Ö Оч U» -J ЧО Ol ОО о ю to k> u> СГ\ -4 VO <Тч U» о Ö Оч •vi Оч ОО ö о оч Ьч ОО к> о К> Ö ОЧ Оч о Оч о vj vi Ol kl ОЧ м 4»-ОО Оч £ OJ 00 01 to ОЧ to о о V Обобш. показ, оценки

0 VO 01 о чэ сл 0 •о 01 ЧЭ *>о чО О» VO 1л о «о -4 Оч о ЧО ОО to OJ Ю VO Оч -Л Оч vi о Оч -4 VO VO о ЧО ОО р -vi р к) чо о Ьч k> vi - 0 01 о 4» о OJ OJ о OJ OJ ет

to '•о ОО К) I» 4». W Ъ\ OJ ОО to у> ю VO ОО to Оч v4 '•о 4=> k) о и> Oi о о Ot OJ Ьч LO CA к) Ol Ol - о чо 4S. о "vi ОЧ 0 01 р OJ OJ

I 1.16 Оч 00 Ы ЧЭ ю ы Ох О» о OJ К) к) (О го ^ ОО ю ы to "сгч -о Оч 4^ JO Ы м о ы b\ -j to ö р bi to Ol о о чо чо to w - о 4» ю о 4» VO о 4=к ОЧ о Оч £

й Ю 4» 00 ОО ю 4* 00 ы 00 ю ОО ю 4*. 00 к> ОО (О ОО ОО to 4». ОО ю 4^ 00 to 00 00 4>> 00 ОО 4». - ОО 4^ О. to 1л ю Ö - о» К) 1Л to - р Ьч VO р Ьч Ч£> о Ьч ЧО о Ьч чо г

1 4.66 N) W '-J OJ VO СО 00 4* £ 4». 1Л С4 у» СГч У сг> У Оч ю - А о to N Ö ы vi Оч -О р Ol UI fO 1л» ы fO OJ - р ОО го ш и> (О OJ Ы - р Ol OJ ОЧ О о> о OJ о> Р

| 0.027 О О о о оч о о о vi о о 0 01 о о о о о 4х о о о о о о ОО о о OJ о о о о о о о о p о о К) о о о о о о о о о ы о о о VO О О о to о о о to о о 0 01 о о о о го UJ о а о» о о о 00 о о 0 01 о 4Х р о to OJ о о О» о 0 01 <51 о

1 146.0 ы о» vO V£> ы 00 VO о\ Ьч OJ 00 01 К) У1 ЧО Jo о 1а к» ОО у ОО -J 0О чо ю О ОО о Ьо ЧО Ui 4». ОО ■vi ОЧ OJ to ОО в о о to о о о ЧО 00 <7-. 01 •о ОО fO о» Ьч о U) ОЧ 4^ Ьч Оч оч kj ЧО Оч Оч 00 to ОО ЧО VO ю Оч 'vi to 4*. ОО ОО со ? ® 3

1 0.0102 о о о О О о -о -о Ö о о 00 о о о о о о сгч о о о V} ю о о о ■-J ЧЭ о о о ОО о о о ОО о о о о ОО vi о о о ОО Оч о о о ОО 00 о О О чо ю р о о VO Оч о о о ОО Оч о о о «vi to о о о чэ ы о о ОО ш U» о Ö о чо ОО о о О Ы р о ы о 'о о ОО о р Ö о со р о ЧО о о о vj ОО р Ö к> ЧО о о 0 Ö ю 01 о о to о» 315:

oi о» о VO ы о ЧО ОО О о Ö Ö о Ö о Оч 00 р ОО р чо Оч о О "vj Оч 0 VO 01 о Оч о о О 00 ЧО о ОО VO о р Оч OJ р Ol К) р ОО ОЧ о р р to

н р>

g»

я e

К1

ю I

О

о ж о

а -а

а о

■S

га

3

о W

в к о 2 а й

В качестве основных независимых единиц выберем В, т и //тогда, согласно 7Г-теореме, выражение (17) в форме критериев будет иметь вид:

'ж

ф,

' -rn

1 - N ' В 3 )

(19)

W-ТП Q

На рисунке 6 в безразмерных координатах-и -=— нанесены параметры

В ■ N в

ПК, приведенные в таблице 2. Каждая точка связывает между собой пять основных параметров: В, IV, т, N. £).

На рисунке 6 показана линейная зависимость, найденная методом наименьших квадратов, которую можно использовать в первом приближении для определения параметров ПК, если применить новую модель как базовую. Области параметров со значениями координат:

П,

B-N

Поделив Я/ на получим:

W'm =60...140; П2=Яг-103 = 1...18 В3

п =

В IV -т

Q-N

(20)

Win B-N

• h

/

; : •

4 - •

Рисунок 6 - Параметры ПК в безразмерных координатах

8(1

о ю-'.в»

Это выражение для подобных ПК имеет одно и то же значение (idem), а индикатор подобия (преобразования) имеет вид:

Bl-W-mr

Л = 1 =:

При Nc=mc и Wc =ВС имеем:

В?.

tie

(21) (22)

что указывает на кубическую зависимость вместимости бункера ПК от линейных размеров (ширины захвата).

Для базовых моделей, согласно рисунку 6, значение подобия равно:

я= у = = 120:0,0012 = 10000 илиД=У'Ш'Д ■

В-Ы В3 N-0

N

По данным таблицы 2 принимаем — = 0,0085. Тогда для производительно-

т

сти ПК можно составить следующую формулу:

тВ2 В2 В2 Согласно таблице 1 эмпирический коэффициент к=ТУ/В = 0,9 и тогда из ранее известного выражения <2=вЗ определяем:

О^—В3 *0,01-В3. 85

Например, при ширине захвата ПК В=4 м вместимость бункера будет равна з з

£ = 0,64 м , а если В = 8м, то 0 = 5,12 м .

На основании зависимостей (рис. 5 и 6) можно сделать попытку определить параметры базовых моделей ПК.

На рисунке 5 видно, что наиболее рациональные параметры ПК имеются при относительных вместимостях бункера <2С=4,2...5,2; ширине захвата Вс~ 0,5...2,0; производительности ТУС=2,1... 3,7, установленной мощности УУС=1,5...2,5; массе агрегата /яс=1,5...2,5. Если взять базовую модель ДТ-75М+ЗСЗС-2,1 (табл. 2) и применить нижнее значение коэффициентов преобразования, получаем следующие параметры новой базовой модели:

о = 1,245 • 4,2 = 5,2 м3; В = 6,3 • 1,5 = 9,45 м; ТУ= 3,3 ■ 2,7= 8,9 га/час; И= 80 • 1,5 = 120 кВт; т = 10200 • 1,5 = 15300 кг. Для любой промежуточной базовой модели эти данные можно получить из

ТУ-т О

связи между безразмерными параметрами ^ ^ и -=у- критериями (рис. 6). Например, при (2 - 5,2 м3; IV- 120 кВт; т = 15300 кг для среднего значения базовой модели координаты точки ах=^ =12, далее определяем 5=7,5 м, а из

В3

ТУ ■ т

выражения координаты ау = = 120 определяем ТУ= 6,5 га/час.

Масса ПК, ширина захвата при данной вместимости удовлетворяют условию надежности во время его работы.

Основные параметры ПК с вместимостью бункера 2,5; 4,75; 7,0 м3 с вариацией ширины захвата В и значением производительности ТУ, по данным таблицы 2 и построенным закономерностям (рис. 5 и 6) приведены в таблице 3.

Таким образом, можно отметить, что характер закономерностей позволяет моделировать выбор параметров посевных комплексов, который дает возможность более уверенно определять основные рабочие параметры технических средств посева для различных условий применения. Эти величины используют при оценке эффективности, оптимизации параметров и условий применения агрегатов в соответствии с системой моделей и зависимостей для определения технико-экономической эффективности посевных комплексов.

N=80 кВт т = 10000 кг Q В =9,0 N=140 кВт т = 15000 кг QB =28 N=200 кВт т = 20000 кг QB =56

в В W Q В W 0. В W

1,75 5,1 4,6 4,0 7 6,3 6,25 9,0 8,1

2,5 3,6 3,2 4,75 5,9 5,3 7,0 8 7,2

3,25 2,8 2,5 5,5 5,1 4,6 7,15 7,2 6,5

При оценке технических средств по обобщенному показателю эффективности, согласно таблице 1, имеется условие:

nNmn min (23)

Таким образом, выбор серийного агрегата устанавливается путем последовательного вычисления показателей эффективности для машин, составляющих исследуемую типоразмерную группу и сопоставление полученных величин в виде ранжированного невозрастающего упорядоченного ряда:

> nNmni (24)

где П-, - показатель эффективности i образца в рассматриваемой типоразмерной группе.

Количественная оценка с учетом среднего уровня объекта возможна с помощью коэффициента перспективности. Оценку перспективности новой машины следует определить следующим образом:

(25)

где nWmo - показатель перспективности серийного агрегата (ДТ-75М+ЗСЗС-2,1); nWm. - показатель перспективности для оцениваемого агрегата.

Для этих целей может, использована система коэффициентов оценки перспективности машины (табл.4). Соответствующие коэффициенты рассчитываются по усредненным значениям показателей эффективности.

Таблица 4 - Оценка технической эффективности посевных агрегатов

Соотношения между коэффициентами и их значения Оценка машины, агрегата Перспективность машины, агрегата

Ниже среднего уровня Не перспективна

k„p kcp 1 Соответствует среднему уровню Не перспективна

1,1 С к™, С 2,0 Выше среднего уровня Мало перспективна

2,1 □ к„р С 3,0 Соответствует современным образцам Перспективна

кп»3 3,1 Выше современных образцов Весьма перспективна

Графическая иллюстрация расчета дана на рисунке 7. Оценка уровня технической эффективности технических средств может быть дифференцированной. Наблюдается большой разброс показателя Пцт (табл.2). Такой разброс может быть следствием конъюнктуры производства и спроса.

/7«, кВт ч/га кН га/ч

8 б Л 2

2 и 6 8 10 12 V/.га/час Рисунок 7- Области оценки технической эффективности применения машин

Кривая В, построенная по средним точкам совокупности, определяет группу среднего уровня. Зоны А-В и В-С характеризуют группы, имеющие технический уровень, соответственно, выше и ниже среднего. Зона ниже кривой А соответствует группе, у которой основные технические параметры находятся на уровне лучших современных образцов.

Анализ системы обобщенных показателей позволяет выделить два пути совершенствования и повышения эффективности технического средства. Переход ниже огибающей А будет связано, во-первых, с увеличением ширины захвата агрегатов, а во-вторых, с использованием новых принципов взаимодействия рабочего органа с почвой и способов посева.

В четвертом разделе «Методика экспериментальных исследований и обработка опытных данных» изложена программа и методика экспериментальных исследований. Лабораторно-полевые испытания предусматривали изготовление опытных образцов технических средств посева и их рабочих органов.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось решение следующих задач:

-верификация теоретических принципов и утверждений, определяющих характер и структуру процессов проектирования;

-проверить адекватность математической модели оптимизационной задачи и оценить полученное решение;

-проверить соответствие моделей критериев подобия при выборе основных параметров технического средства посева;

-оценить адекватность разработанных моделей при оптимизации параметров предложенных технических решений и экспериментально подтвердить их эффективность.

С усложнением технических систем необходимость в математическом моделировании возрастает, поскольку возникает необходимость решения задач оптимальных решений. Необходимо наличие одного условия - возможности математической формализации данной задачи. Для исследования сложных систем, обладающих вероятностным характером функционирования, целесообразно использовать метод имитационного моделирования. Для имитационного моделирования характерно воспроизведение явлений, описываемых математической моделью, с

1 С в * \

\ V-

А \ \

> • •

сохранением их логической структуры и последовательности чередования во времени. Характерной особенностью имитационной модели является возможность одновременного получения множества показателей, характеризующих функционирование рассматриваемой системы. Учитывая, что имитационные модели не имеют механизма оптимизации, то определение оптимального варианта технологии может быть осуществлено методом оптимизации направленного перебора вариантов.

В такой постановке эту проблему можно рассматривать как задачу линейного программирования, в которой все необходимые условия и ограничения, а также целевая функция описываются линейными уравнениями и неравенствами.

Распределение семян по площади при безрядковом посеве - процесс случайный в вероятностно-статистическом смысле. Поэтому в виду сложности процесса, не поддающегося адекватному описанию средствами классической механики и математики, весьма результативным является применение методов математической теории планирования эксперимента. Методика исследования состоит из следующих этапов: предварительное изучение объекта; выбор параметра оптимизации основных параметров; проведение опытов и построение математической модели; оценка адекватности и ее математическая интерпретация; обоснование технологических и конструктивных параметров.

При проведении теоретических исследований был применен полный факторный эксперимент вида 23, где поверхность отклика изучалась методом крутого восхождения. В случае неадекватности линейной модели использовали центральное композиционное ротатабельное униформ-планирование второго порядка, которое позволяет аппроксимировать изучаемую поверхность отклика полиномом второй степени. Число опытов в матрице планирования для трех входных параметров равно 20, а для четырех - 31. Порядок опытов рандомизировали посредством случайных чисел, что исключает влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента. Проверка однородности дисперсий проводилась по критерию Кохрена. Значимость коэффициентов уравнения регрессии определялась по ¿-критерию Стьюдента путем нахождения абсолютного значения доверительного интервала для коэффициентов уравнения. При проверке адекватности представления результатов эксперимента уравнениями полиномов второго порядка использовался ^-критерий Фишера. Полученные уравнения второго порядка для получения геометрического образа преобразовывались в типовую каноническую форму. Для проверки правильности результатов параллельно провели экспериментальные исследования в почвенном канале. Среднеквадратическая ошибка не превышала 4,7%. ■>

Для проведения лабораторных исследований были разработаны экспериментальные рабочие органы. В почвенном канале кафедры «Механизации сельскохозяйственных процессов» сконструирована мобильная лабораторная установка для моделирования процесса посева с различными конструкциями экспериментальных сошников. Общий вид лабораторной установки показан на рисунке 8.

2 S 4 Г & 7 Л

Рисунок 8 - Схема лабораторной установки: 1 - почвенный канал; 2 -электродвигатель; 3 - мобильная тележка; 4 - редуктор высевающего аппарата; 5 - емкость для семян; 6 -высевающий аппарат; 7 - рама; 8 -семяпровод; 9 - направляющие рельсы; 10 - трос; 11 - прикатывающий каток; 12 - лаповый сошник; 13 - пружина; 14 - параллело-граммный механизм

Математической сущностью критерия равномерности распределения семян по площади при безрядковом посеве является среднее значение кратчайших расстояний между соседними растениями:

где у. _ /.тое значение кратчайшего расстояния между двумя растениями; п -количество растений на данной площади.

В наилучшем случае, при размещении 400 растений на одном квадратном метре расстояние между растениями будет составлять 5 см, то есть одно растение имеет площадь питания в 25 см2.

Для проведения лабораторных исследований по оптимизации параметров гидропневматического посевного устройства (ГПУ) разработана стационарная установка для определения расхода жидкости в зависимости от диаметра насадка, давления жидкости и конструкции распределительного узла. Затем на лабораторную установку монтировалось экспериментальное устройство, изготовленное в натуральную величину. Критерием оптимизации является глубина заделки семян.

Величины, входящие в математическую модель, представляют исходную информацию. Экспериментальные и лабораторно-полевые исследования проводились по частным и стандартным методикам ОСТ 105.1-2000 «Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей».

Для обработки экспериментальных данных применялся набор компьютерных программ Windows Excel, STATISTICA 6.0, MathCAD-11.

В пятом разделе «Результаты экспериментальных исследований» приведены полученные данные в подтверждение части выдвинутой гипотезы, теоретических принципов и технических решений, а также влияния конструктивных параметров и режимов работы отдельных технических средств на эффективность тех-

Проверка теоретических принципов, которые влияют на эффективность вариантов технологий, проведена на базе новых перспективных технических средств посева.

В технологии возделывания зерновых культур для посева использовалась модернизированная сеялка на базе серийной сеялки СЗУ-3,6 с целью размещения семян по площади питания, близкой оптимальной.

нологии.

Для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях и полевых испытаний разработан опытный образец сошника (рис. 9, патент №2427124).

Рисунок 9 - Схема модернизированного узкорядного дискового сошника: 1 - корпус; 2 -левый диск; 3 - профилеобразователь; 4 -рассеиватель

Рабочий процесс следующий. При работе сошника диски 2 образуют две бороздки с междурядьем 7-8 см. Профилеобразователь 3, расположенный между дисками формирует, семенное ложе, сдвинув почву с междурядья к дискам на глубине заделки семян. Из семяпровода семенной поток поступает на рассеиватель 4 и распределяется в междисковом пространстве в виде полосы.

Наиболее объективным параметром оптимизации при безрядковом посеве является среднее значение кратчайших расстояний между соседними семенами. На основании априорного ранжирования факторов были выбраны следующие наиболее значимые параметры и уровни варьирования: X/ = 0,05 - 0,07 м - высота установки рассеивателя (/г); хг = 0,523 - 1,047 рад - угол наклона рассеивателя (а); х3 = 2,2 - 3,2 м/с - скорость движения сошника (у).

Для определения параметров сошника, удовлетворяющего параметр оптимизации, был проведен эксперимент вида 23. После реализации эксперимента и обработки данных было получено уравнение регрессии:

у = 0,032 + 0,0023*! + 0,0025л2 + 0,0087*3 + 0,003хгх2 + 0,009*!*3 +

0,001*2*3 - 0,0007*| + 0,0017*| + 0,0079*1 (27)

Оценка адекватности теоретических и экспериментальных исследований проводилась по критерию Фишера, где 0,25 □ = 3,22 при 95%-ной дос-

товерности. Среднеквадратическая ошибка не превышала 3,5%.

Канонический анализ математической модели (26) позволил получить наглядное представление о геометрическом образе изучаемой функции отклика.

Во-первых, после рассмотрения влияния факторов х/ и х2 на показатель распределения семян по площади при стабилизации х3 на нулевом уровне и дифференцирования по х, и х2 уравнение (26) в канонической форме запишется:

у = 0,023 + 0,0019х? - 0,0009х| (28)

Каноническое уравнение (27) в геометрическом образе можно представить в виде гиперболического параболоида, имеющего поверхность типа минимакса, ибо коэффициенты уравнения имеют разные знаки (рис. 10).

Во-вторых, рассмотрим влияние факторов х} их3 при стабилизации х2, После аналогичных математических преобразований, получим каноническое уравнение: у = 0,030 + 0,0042x1 - 0,00030х| (29)

По аналогии уравнение (28) в геометрическом образе представляет собой гиперболический параболоид (рис.11).

В-третьих, если рассмотреть влияние факторов х2 и х3 при стабилизации то уравнение (26) после аналогичных преобразований получим уравнение в канонической форме:

у - 0,022 + 0,0023x1 + 0,0013х| (30)

Уравнение (29) в геометрическом образе представляет собой эллипсоид вращения, то есть поверхность отклика имеет экстремум (рис. 12).

Анализ поверхностей позволил обосновать параметры: среднее расстояние между семенами 0,019 - 0,022 м, при высоте установке рассеивателя 0,060 - 0,065 м, скорости движения 2,7 - 3 м/с, угла наклона рассеивателя 0,78 - 0,82 рад.

Рисунок 10 — Поверхность отклика, характеризующая равномерность распределения семян по площади в зависимости от высоты установки рассеивателя Н(х!) и угла наклона рассеивателя а(х?)

т

XI.'

Рисунок 11 - Поверхность отклика, характеризующая равномерность распределения семян по площади в зависимости от высоты расположения рассеивателя семян ¡¡(х/) и скорости движения сошника V (х3)

Рисунок 12 - Поверхность отклика, характеризующая среднее расстояние между семенами (у) в зависимости от угла наклона рассеивателя (х^ и скорости движения (хз)

Разработана почвообрабатывающая посевная машина (патент на полезную модель № 103695, рис 13).

Рисунок 13 - Почвообрабатывающая посевная машина: 1 - рама, 2 -самоустанавливающееся колесо, 3 - семяпровод, 4 - высевающий аппарат, 5 - бункер, 6 - шарнирная тяга, 7 - опорно-прикатывающий каток, 8 - каток, 9 - культиваторная лапа-сошник, 10 - нажимная пружина, 11 - параллелограммный механизм

Главной особенностью машины является посевная секция (патент на полезную модель № 75824, рис.14). Рабочий процесс следующий. Семенной поток из семяпровода направляется на рассеиватель 1 и распределяется в подсошниковом пространстве лапы-сошника 2. Лапа-сошник прикреплена к сошниковому брусу посредством параллелограммного механизма 3, а сзади имеется опорный каточек 4, который одновременно прикатывает засеянную полосу, обеспечивает равномерность и регулировку глубины хода лапы-сошника.

Рисунок 14 - Схема посевной секции: 1- рассеиватель; 2-лапа-сошник; 3 - паралеллограммньш механизм; 4-опорный каток

Параметром оптимизации выбрано среднее значение кратчайших расстояний между соседними семенами. Для определения основных параметров, весьма эффективным является применение теория планирования эксперимента, которая описывает сложные системы, абстрагируясь от простых процессов, происходящих в системе.

На основании результатов априорного ранжирования факторов были определены следующие наиболее значимые факторы и их уровни варьирования: х/ = 0,0122 - 0,2269 рад - угол наклона образующей (/3); х2 = 0,007 - 0,02 м - высота установки рассеивателя (/г); х3 = 1,5 - 2,5 м/с - скорость движения сошника (и).

Для реализации эксперимента использовали композиционное ротатабельное униформ-планирование второго порядка, проводимое в соответствии с планом-таблицей.

После расчета коэффициентов регрессии было получено уравнение: у=0,0477+0,0146х(+0,005 8х2+0,0174х3+0,0002х1х2+0,0277х1х3+

0,0085х2х3-0,0088х2,- 0,0098х22+0,0198х23 (31)

Для оценки адекватности экспериментальных и теоретических измерений необходимо рассчитать критерий Фишера, где Fpacч= 0,64 □ /гта6л= 3,22 при 95%-ной достоверности. Среднеквадратическое отклонение не превышало 4,7%.

Чтобы получить представление о геометрическом образе, проводили каноническое преобразование уравнения (30).

Во-первых, после рассмотрения влияния факторов х, и х2 при стабилизации х3 на первом уровне и дифференцирования по х, и уравнение (30) в канонической форме запишется:

у =0,0547+0,0088х2,+0,0098х22 (32)

Каноническое уравнение (31) в геометрическом образе представляет собой эллипсоид вращения, имеющий экстремум (рис. 15).

Во-вторых, после рассматривания влияния х, и х3 на показатель у при на нулевом уровне и дифференцирования по и х3 уравнение (30) канонической форме будет иметь вид:

у =0,0441+0,00134х2,-0,0024х23 (33)

Данное уравнение (32) в геометрическом образе представляет собой поверхность типа минимакса, ибо коэффициенты уравнения имеют разные знаки (рис. 16).

В-третьих, после рассмотрения влияния х2 и х3 на показатель у при х, на нулевом уровне и дифференцирования по х2 и х3 уравнение (30) в канонической форме записывается:

у =0,0457 - 0,0034х22+0,0144х23 (34)

Уравнение (33) в геометрическом образе представляет собой поверхность типа минимакса, ибо коэффициенты уравнения имеют разные знаки (рис. 17).

Анализ поверхностей отклика позволяет определить значения параметров: среднее расстояние между семенами у =0,0441-0,0547 м при л;=0,1514 - 0,1708 рад; х3=2,0 - 2,2 м/с; х¡=0,007 -0,010 м.

Рисунок 15 - Поверхность отклика, характеризующая расстояние между семенами (у) в зависимости от угла наклона образующей кривой X] и высоты установки рассеивателя х: при х3 на нулевом уровне

Рисунок 16 - Поверхность отклика, характеризующая среднее расстояние между семенами (у) в зависимости от высоты установки рассеивателя Х2 и скорость движения сошника х3 при я; на нулевом уровне

Рисунок 17 - Поверхность отклика, характеризующая у в зависимости от высоты угла наклона образующей кривой X! и скорость движения сошника хз при на нулевом уровне

Разработано гидропневматическое посевное устройство, которое позволяет создать благоприятные условия для прорастания семян за счет использования струи жидкости как твердого тела, способного образовать бороздку на поверхности почвы и потока воздуха для транспортирования семян (рис. 18).

Рисунок 18 - Гидропневматическое посевное устройство: 1 - корпус; 2 - распределитель жидкости; 3 - распределитель воздуха; 4 - насадка; 5 - направитель семян; 6 - семяпровод.

Рабочий орган представляет собой корпус 1, на котором крепится распределитель жидкости 2 с тремя насадками 4 и распределитель воздуха 3, где смонтированы три направителя семян 5 с семяпроводом 6. Насадки и направители семян расположены фронтально друг за другом с междурядьем 15 см. Вместо трех дисковых сошников устанавливается один рабочий орган.

Для выбора интервалов варьирования параметров ГПУ при образовании бороздки используется физическое моделирование для проведения поисковых опытов. При этом необходимо предусмотреть ограничения, где необоснованное увеличение диаметра насадка ведет к повышению расхода жидкости, а повышение скорости движения - к нарушению агротехнических требований посева. В связи с этим принимаем, что изменение глубины бороздообразования кс зависит от величины осевого динамического давления струи жидкости Р; твердости почвы г, скорости перемещения струи с„; угла встречи с почвой сх, расстояния между насадками и почвой I; диаметра насадки

0,08 0,06 0,04 0,02

4 I I ! 1 -1

V

N N. 1 г У - 0.085х

ч I

С

3} И!"""3

1 -и

! ! 1 ! 1

Рисунок 19 - Графики зависимости А„=/ (V,), при т=0,3 МПа и (/=0,004 м. 1-Р=0,2 МПа; 2-Р=0,3 МПа;3-Р=0,4 МПа.

--расчетные;

-----экспериментальные.

Коэффициент множественной детерминации в среднем составляет =0,9635.

1,0

3,0 4,0 рД) м/с

На рисунке 19 приведены результаты опытов по установлению характера зависимости к„ = / (гу. Из графика следует, что влияние скорости перемещения на характер изменения процесса бороздообразования подчиняется гиперболическому закону вида: А6 = а)V" , (35) где ^-коэффициент пропорциональности, зависящий от физико-механических свойств почвы и гидравлических параметров струи; п - показатель степени, характеризующий интенсивность изменения глубины бороздки в зависимости от скорости перемещения.

Рисунок 20-Графшси зависимости = / (й), при т= 0,3 МПа, Р = 0,4 МПа. 1-К„ = 2 м/с;

2 - К„ = 3 м/с; 3 - У„ = 4 м/с.

--расчетные;

-----экспериментальные.

Коэффициент множественной детерминации в среднем составляет Д"'=0,9839.

с1 1(Х3, м

Далее из рисунка 20 следует, что при данных условиях проведения опытов зависимости /г<г = / (ф может рассматриваться как линейные, выходящие из начала координат и выражение примет вид: /г„ = В х, (36)

где ¿¡-коэффициент пропорциональности.

Параметром оптимизации является глубина заделки семян. На основании поисковых опытов и априорного ранжирования факторов были выбраны следующие варьируемые факторы: = 0,3 - 0,5 МПа - давление жидкости (Р); х2 = 0,003 - 0,005 м - диаметр насадки (й); х3= 1,5 — 3,5 м/с - скорость передвижения (уп); х4 = 0,2 - 0,4 МПа - плотность почвы (г).

После реализации эксперимента получено уравнение регрессии:

(37)

Оценка адекватности теоретических и экспериментальных исследований проводилась по критерию Фишера, где Ррасч= 2,3 □ Fтз5„ = 3,22 при 95%-ной достоверности. Среднеквадратическая ошибка не превышала 4,2%.

Канонический анализ математической модели (36) позволил получить наглядное представление о геометрическом образе изучаемой функции отклика построением соответствующей геометрической поверхности в трехмерном пространстве.

Во-первых, при рассмотрении параметров х3 и х4 при X} и х2 на нулевом уровне получим уравнение:

у = 0,0638 + 0,00152 х32 +0,00098х42 (38)

Во-вторых, при рассмотрении параметров х, и х3 при х2 и х4 на нулевом уровне получим уравнение:

у = 0,061+0,0016х,2+0,0019х32 ( 39)

В-третьих, при рассмотрении параметров и х4, где х, и х3 на нулевом уровне получили каноническое уравнение:

у = 0,0647 - 0,0025х22 + 0,001 х42 (40)

В-четвертых, при рассмотрении параметров х, и х3, где х3 и х4 на нулевом уровне получили каноническое уравнение:

у = 0,0641 - 0,00197х, + 0,00247х22 (41)

На рисунках 21 и 22 представлены поверхности типа минимакса, ибо коэффициенты канонического уравнения имеют разные знаки.

На рисунках 23 и 24 представлены поверхности откликов, имеющие вид эллипсоида (коэффициенты канонических уравнений имеют одинаковые знаки), то есть поверхности с экстремумом вблизи центра эксперимента.

Рисунок 21 - Изменение глубины заделки семян 0') в зависимости от И(х^) и т(х4)

Рисунок 22 - Изменение глубины заделк семян (у) в зависимости от с!(и Р (х/)

Рисунок 23 - Поверхность отклика, Рисунок 24 - Поверхность отклика,

характеризующая глубину заделки семян характеризующая глубину заделки семян в в зависимости от У„(х3) и т(х,) зависимости от Р(х,) и У„(х3)

Общий анализ поверхностей откликов показал, что оптимальное значение глубины заделки семян й=0,06 - 0,065 м может быть обеспечено при следующих значениях факторов: р=0,35 - 0,43 МПа; ¿=0,0043 - 0,0045 м; у„ =2,5 - 2,85 м/с; твердость почвы г= 0,3 - 0,33 МПа.

В шестой главе «Технико-экономическая оценка результатов исследований» приведена оценка агротехнической эффективности разработок и рассмотрены варианты технологий с оценкой экономической эффективности технологических процессов, технических средств по обработке почвы и посева.

На основании таблиц 5, 6 и 7 приведены расчеты рационального уровня механизации для технологии возделывания яровой пшеницы по пару для типичных, хозяйств Забайкалья в зависимости от площади посева, мощности трактора и длины гона.

Таблица 5-Технологии и комплекс машин для возделывания зерновых культур (площадь S =250 га, мощность трактора N= 80 кВт, длина гона - до 400 м.)

Состав агрегата Произвол, агрегата Эксп.затр., тыс.руб к U й> &

№ оп Наименование операции Марка трактора Марка с/х машины Кол-во маш. в агр. За один день (10ч) За весь период За один день (10ч) За весь период >i В о е- < « 4 о И ю 5 ес

XI Вспашка ПЛН-3-35 1 5,3 26,5 1,5 7,5 5 6

*2 Безотвальная обработка КПП-2,2 1 13,6 68 2,6 13 5 4

Хз Культивация сорняков КПС-4 1 23 130 2,2 11 5 2

Х4 Предпосевная обработка 1 23 130 2,2 11 5 2

Xs Посев с внес минер. удобр МТЗ- сзу-з,б 1 36 144 1,6 6,4 4 2

Хб Посев с внес минер. удобр 80 сзу-3,6 с экс. сошн 1 36 144 1,7 6,8 4 2

х7 Посев с внес минер. удобр сзу-з,б с гпу ( 28 112 2,1 8,4 4 3

Xs Послепосевное прикатывание ЗККШ-6 1 56 112 1,2 4,8 4 2

Хд Посев(предпос обраб., внес. уд. и прикатывание комб. посев. маш 1 21,2 84,8 2,3 7,2 4 3

Для первого типичного хозяйства (табл. 5) получены следующие экономико-математические модели.

-Целевая функция приведенных затрат при традиционной технологии:

Зпр =7,5x1+2(11х3)+1 1х4+6,4х5+4,8х8 (42)

-Целевая функция приведенных затрат по модернизированной технологии:

Зпр =7,5х,+2(11х3)+11X4+6,8X6+4,8X8 (43)

-Целевая функция приведенных затрат с плоскорезной обработки почвы:

Зпр=11х2+2(11х3)+11x4+6,8x^+4,8x8 (44)

-Целевая функция приведенных затрат по ресурсосберегающей технологии:

Зпр=7,5х,+2(11х3)+7,2х9 (45)

Удельные приведенные затраты, соответственно, составляют 0,559; 0,564; 0,547 и 0,470 тыс. руб./га. Экономия затрат по ресурсосберегающей технологии составляет в среднем 16% по сравнению с технологиями с отвальной и плоскорезной обработками.

Для второго типичного хозяйства (табл. 6) получены следующие экономико-математические модели.

-Целевая функция приведенных затрат по традиционной технологии:

3Пр=28х1 +(23х3)-2+8,8х4+9,2х5+7,2хб (46)

-Целевая функция приведенных затрат с плоскорезной обработкой почвы:

3„р =36х2+2-23 Хз+8,8X4+9,2X5+7,2X6 (47)

-Целевая функция приведенных затрат по ресурсосберегающей технологии:

Зпр =26х2+2-23 -хз+10x7 (48)

Удельные приведенные затраты, соответственно, составляют 0,649; 0,637 и 0,548 тыс. руб./га. Экономия затрат по ресурсосберегающей технологии составляет в среднем 17% по сравнению с технологиями с отвальной и плоскорезной обработками.

Таблица 6-Технологии и комплекс машин для возделывания зерновых культур (площадь S =1000 га, мощность трактора N= 140 кВт, длина гона 400 - 600 м)

№ оп Наименование операции Состав агрегата Произвол, агрегата Эксп.з тыс. атр., эуб Агротех. сроки, дни Необход, кол. агр.

Марка трактора Марка с/х машины Кол-во маш. в агр. За один день (10ч) За весь период За один день (10ч) За весь период

XI Вспашка Т- 150К ПЛН-5-35 1 8,2 82 2,8 28 10 12

хз Плоскорезная обработка КПГ-2,2 2 12,0 120 3,6 36 10 9

Хз Культивация сорняков КПЭ-3,8 2 30 300 2,3 23 10 4

х4 Предпосевная культивация КПС-4 2 39 156 2,2 8,8 4 7

Х5 Посев с внес, минер. удобр. СЗП-3,6 3 60 240 2,3 9,2 4 5

Хб Послепосевное прикатывание ЗККШ-6 2 90 360 1,8 7,2 4 3

Х7 Посев( предпос. обраб., внес. уд. и прикатывание) АУП-18.05 1 31,5 126 2,5 10,0 4 8

Для третьего типичного хозяйства (табл. 7) получены следующие экономико-математические модели.

-Целевая функция приведенных затрат по традиционной технологии:

3пр=39,4х, +2(27х3)+10,4X4+12X5 (49)

-Целевая функция приведенных затрат с плоскорезной обработкой почвы:

Зпр=ЗЗх2+2(27х3)+10,4x4+12x5 (50)

-Целевая функция затрат по ресурсосберегающей технологии:

3^=33X2+16,8X6 (51)

Удельные приведенные затраты, соответственно, составляют 0,457; 0,319 и 0,255 тыс. руб./га. Экономия затрат по ресурсосберегающей технологии по срав-

нению с технологиями с отвальной и плоскорезной обработками, соответственно, составляют 79 % и25%.

Таблица 7-Технологии и комплекс машин для возделывания зерновых культур (площадь 5 =3000 га, мощность трактора ^ 200 кВт, длина гона св. 600 м)

Состав агрегата Произвол, агрегата Эксп.зат., тыс.руб Агротех. сроки, дни и О) &

№ оп Наименование операции Мар ка трак тора Марка с/х машины Кол-во маш . в агр. За один день (10ч) За весь период За один день (10ч) За весь период ч о а § X >о о о к

XI Вспашка ПТК-9-35 1 16,8 168 3,94 39,4 10 18

Х2 Плоскорезная обработка Агрегат почвообр. дисков. АПД-7,2 1 35,0 350 3,3 33 10 9

Х3 Культивация сорняков К- КПЭ-3,8 2 46,0 460 2,7 27 10 7

х4 Предпосевная культивация 701 КПС-4 3 76 304 2,6 10,4 4 10

Х5 Посев с внес, мин. удобрений СЗП-3,6 4 51 204 3,0 12 4 15

Хб Посев (предпос. обраб., внес. уд. и прикатывание) ПК-8,5 «Кузбасс» 1 72 288 4,2 16,8 4 10

Для выявления эффективности разработанных средств посева проводились сравнительные испытания посевных агрегатов. Посев модернизированной сеялкой СЗУ-3,6 по сравнению с серийной позволил повысить урожайность пшеницы в среднем с 16,7 ц/га до 19,4 ц/га, то есть на 16,2%.

Посев экспериментальной почвообрабатывающей посевной машиной по сравнению с серийной сеялкой СЗС-2,1 повышает урожайность в среднем с 16,1 ц/га до 18,5 ц/га, то есть на 14,5%.

Посев сеялкой с гидропневматическим посевным устройством по сравнению с серийной сеялкой С3-3,6 позволил повысить урожайность в среднем с 16,8 ц/га до 19,9 ц/га, то есть на 18,4%.

Во всех трех случаях наблюдается синергетический эффект в виде повышения урожайности за счет эмерджентности системы. Первопричиной данного эффекта является творчество при построении операций с известными системами или технологиями.

Для оценки экономической эффективности предлагаемой ресурсосберегающей технологии в условиях Забайкалья нами проведено сравнение затрат по трем вариантам (табл. 8). Приведенные технико-экономические исследования применительно к ресурсосберегающим технологиям по сравнению с традиционной показали, что разработанные мероприятия снижают прямые затрат на 16-18%, затраты труда на 30-57%, расход топливо-смазочных материалов на 59-75% и повышают уровень рентабельности с 107% до 146-158 %.

Таблица 8 - Сравнение показателей при возделывании яровых зерновых по различным _технологиям (в условиях Забайкалья) _

Основные показатели Традиционная технология (ПН-8-40, КПЭ-3,8 (2 следг СЗУ-3,6, ЗККШ-б) Минимальная обработка почвы с раздельным посевс АПД-7,2, ПК-8,5 «Кузбасс Прямой посев ПК-8,5 «Кузбасс»

Прямые затраты на I га, ру Руб. В % к традицио ной технологи) Руб. В % к традициоь ной технологии Руб. В % ктрадищ онной технол< гии

Затраты труда 39,31 100 27,49 70 16,78 43

тем 1004,2 100 414,85 41 244,85 25

Удобрения 738 100 738 100 738 100

Ср. заш. раст 327 100 340 104 660 202

Семена 1200 100 1200 100 1200 100

Амортизация 113,1 100 71,7 64 32,1 29

Ремонт и Т О 56,5 100 35,8 64 16,0 29

Прочие и прямые расхода 139 100 93,1 67 66,7 48

Всего 3560 100 2920 82 2974,3 84

Экономия прямых затрат н 0 640 585,7

Всего затрат на 1 га (вкл накладные 30%) 4628 3894 3722

Выручка с 1га, руб 9600 9600 9600

Прибыль с 1га, руб 4972 5878 5706

Уровень рентабельн.,% 107 146 158

Экономия ТСМ,% 0 59 75

Экономия затрат труда, 0 30 57

Годовой экономический эффект обеспечивает снижение прямых затрат по технологиям с минимальной обработкой и прямого посева при сравнении с традиционной технологией, соответственно, на 640 рубУга и 585,7 рубУга. Ожидаемый годовой эффект из расчета 300 тыс. га, занятых под зерновые в Забайкалье по ресурсосберегающим технологиям, составляет 292,2 млн. руб.

Общие выводы

1. Выявлено, что традиционные технологии возделывания зерновых культур многооперационны, нерентабельны из-за низкой урожайности и это обусловлено не только несоблюдением технологической дисциплины вследствие недостаточности финансовых ресурсов хозяйств, но и отсутствием механизма проектирования эффективных технологий и технических средств посева с учетом условий применения.

2. Разработана совокупность новых принципов исследования процессов проектирования технологий, состоящих из утверждений, имеющих иерархическое строение, где от уровня к уровню степень детализации целей возрастает, причем -утверждение последнего уровня определяет не, только направление поиска варианта оптимального решения задачи, но и наиболее рациональный путь, к нему ведущий.

3. На основе сформулированных принципов и утверждений разработана структура модели системы в виде совокупности трех взаимодополняющих моделей: иерархической, то есть наличием нескольких уровней; информационной -наличием множества технических средств, используемых в технологиях; логико-

функциональной - наличием обратной связи системы с факторами окружающей среды через накопление и обобщение опыта на каждом уровне.

4. Разработан итерационный алгоритм процесса проектирования технологий и технических средств, заключающийся в последовательном улучшении варианта до тех пор, пока вариант по всем основным показателям не будет удовлетворять критерию выбора и дальнейшее его совершенствование не приведет к существенному улучшению.

5. Получена модель функционирования технического средства в виде системного процесса, состоящего из входа, процесса и выхода, где количественная форма выхода выражает ожидаемый исход в виде приведенных затрат. Данная величина как показатель эффективности имеет иерархическую структуру и способна принимать во внимание влияние на эффективность процесса не только технических и эксплуатационных параметров, но и категории экономического и социального характера.

6. Разработанная совокупность критериев подобия позволяет:

- установить кубическую зависимость вместимости бункера посевного комплекса

от его ширины захвата (—) и соотношения, где произведение производительно-В3

сти на массу агрегата пропорционально к произведению мощности на ширину Ж-тя

захвата агрегата (-—);

- моделировать выбор основных параметров посевных агрегатов в зависимости от условий применения, например для малых хозяйств - N=80 кВт; <3=2,5 м ; В=3,6 м; \У=3,2 га/час; для средних хозяйств - N=140 кВт; С2=4,75 м3; В=5,9 м; \У=5,3 га/час; для крупных хозяйств - N=200 кВт; <3=7 м3; В=8,0 м; АУ=7,2 га/час.

7. Разработана система коэффициентов для оценки перспективности технических средств, заключающаяся в том, что на основе усредненных показателей эффективности структурирована и систематизирована информация и выявлены пути совершенствования и повышения их эффективности.

8. Разработаны технические решения и на их базе получена совокупность математических моделей, состоящих из уравнений второго порядка, которые позволяют выявить закономерности взаимосвязей от комбинации параметров для описания области оптимума, обеспечивающих наиболее полное удовлетворение агротехнических требований посева зерновых культур, а именно:

а) модернизированный узкорядный дисковый сошник для разбросного посева (патент РФ №2427124) с оптимальными параметрами - среднее расстояние между семенами 0,019 - 0,022 м при высоте установки рассеивателя к = 0,060 -0,065 м, угле наклона рассеивателя а = 0,78 - 0,82 рад и скорости движения V = 2,7 - 3 м/с;

. б) почвообрабатывающая посевная машина (патент на полезную модель РФ №103695) с лаповым сошником разбросного посева (патент на полезную модель РФ №75824) с оптимальными параметрами - среднее расстояние между семенами 0,044 - 0,055 м при угле наклона ¡3 = 0,1514 - 0,1708 рад, высоте установки рассеивателя И = 0,007 - 0,010 м, скорости движения V =2,0 - 2,2 м/с;

35

в) гидропневматическое посевное устройство, где гидравлическая струя жидкости образует бороздку на поверхности почвы, а воздушный поток транспортирует семена ко дну бороздки с оптимальные параметрами - глубина заделки семян у =0,060 - 0,065 м при давлении струи />=0,35 - 0,43 МПа; диаметре насадки о; =0,0043 - 0,0045 м; твердости почвы г =0,3 - 0,33 МПа; расходе жидкости £) =4,6 - 5,0 м3/га; давлении воздуха Р=0,2 - 0,25 МПа; скорости движения V =2,5 -2,85 м/с.

9. Разработанные базовые технологии возделывания зерновых культур на основе внедрения технических средств посева обеспечивает повышение урожайности на 14,5-18,4%. Применение комбинированных почвообрабатывающих и посевных комплексов приводит к снижению прямых затрат на 585,7-640 руб./га. Годовой экономический эффект по ресурсосберегающим технологиям из расчета 300 тыс. га, занятых под зерновые в Забайкалье, составляет 292,2 млн. руб.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Раднаев, Д.Н. Обоснование оптимальных параметров гидропневмосош-ника для посева сельскохозяйственных культур в условиях Забайкалья [Текст] /Ю.А.Сергеев, Д.Н.Раднаев //Вестник Крас. ГАУ № 2(21). - Красноярск, 2008. -С.188-192.

2. Раднаев, Д.Н. Система моделей для оценки посевных машин [Текст] / Д.Н. Раднаев //Аграрная наука. - 2009. - № 10. - С.31 -32.

3. Раднаев, Д.Н. Агротехническая оценка посевных агрегатов [Текст] / Д.Н. Раднаев //Вестник Крас. ГАУ. - Красноярск: - 2010. - № 4(43). - С.101-104.

4. Раднаев, Д.Н. Эффективность совмещения операций в условиях Забайкалья [Текст] /Д.Н. Раднаев //Вестник Крас. ГАУ. - Красноярск: - 2010. - № 5(44). -С.108-111.

5. Раднаев, Д.Н. Применение методов системного подхода для проектирования технологических процессов [Текст] /Д.Н. Раднаев //Аграрная наука. - 2010. -№ 5. - С.28-30.

6. Раднаев, Д.Н. Сравнительная оценка эффективности посевных агрегатов в условиях Забайкалья [Текст] /Д.Н. Раднаев //Международный сельскохозяйственный журнал. - 2010. - № 5. - С.58-60.

7. Раднаев, Д.Н. Системный подход к определению показателей эффективности посевных агрегатов [Текст] /Д.Н. Раднаев //Аграрная наука. - 2010. -№ 8. -С.26-27.

8. Раднаев, Д.Н. Обоснование основных параметров посевных агрегатов [Текст] /Д.Н. Раднаев //Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2010. -№ 10. - С.82-87.

9. Раднаев, Д.Н. К методике проектирования технологических процессов [Текст] /Д.Н. Раднаев //Вестник БГСХА им. В.Р. Филиппова. - 2011.- № 1(22). -С.71-75.

10. Раднаев, Д.Н. Связи системных процессов, объектов с окружающей средой и их функция [Текст] /Д.Н. Раднаев //Аграрная наука. - № 2. - 2011. -С.29-30.

11. Раднаев, Д.Н. Условия применения показателей эффективности посевных агрегатов [Текст] /Д.Н. Раднаев //Вестник Крас. ГАУ,- № 3 (54).- 2011. -С.141-146.

12. Раднаев, Д.Н. Математическое моделирование в оптимизации параметров посевного агрегата [Текст] /Д.Н. Раднаев //Известия Оренб. ГАУ. - № 2 (30). — 2011. - С.69-71.

13. Раднаев, Д.Н. Многоуровневая декомпозиция процессов технологического проектирования [Текст] /Б.Д. Докин, Д.Н. Раднаев //Вестник Ир. ГСХА. -№47(дек). - 2011. - С. 77-82.

14. Раднаев, Д.Н. Обоснование принципов для построения эффективной модели проектирования технологических процессов в растениеводстве [Текст] /Д.Н. Раднаев, В.В. Тумурхонов, Ю.А. Сергеев //Вестник БГСХА им. В.Р. Филиппова. - 2012. - №1(26). - С.85-89.

15. Раднаев Д.Н. Совершенствование разбросного посева семян зерновых культур дисковым сошником [Текст] /Д.Н. Раднаев, В.М. Дринча //Тракторы и сельхозмашины. — 2012. - №3. — С.33-35.

16. Раднаев, Д.Н. Агротехнические результаты исследования почвообрабатывающей посевной машины [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев, В.В. Тумурхонов //Вестник ВСГУТУ. - 2012. - №2(37). - С.53 - 57.

17. Раднаев, Д.Н. Проектирование эффективных технологий возделывания зерновых культур [Текст] /Д.Н. Раднаев, А.П. Батудаев, Б.Б. Цыбиков //Вестник БГСХА им.В.Р. Филиппова. - 2012. - №3(28). - С.30 - 35.

Рекомендации для производства:

18. Раднаев, Д.Н. Ресурсосберегающие технологии возделывания РБ (рекомендации) [Текст] /Д.Н. Раднаев// МСХиП РБ, Бур. НИИСХ, БГСХА, АУ ИМЦ СТ РБ. - Улан-Удэ, 2009. - 40с.

Статьи в сборниках, журналах и других изданиях:

19. Раднаев, Д.Н. Гидравлический способ посева зерновых культур [Текст] /П.Х. Хараев, Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев //Информационный листок № 3685. - Улан-Удэ: ЦНТИ. 1985. - 2 с.

20. Раднаев, Д.Н. Гидропневматический способ посева зерновых культур [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев, П.Х. Хараев //Тезисы докладов зональной науч.-практ. конф. молодых ученых Сибири и Дальнего Востока, посвященной 40-летию Великой Победы. - Улан-Удэ: 1985. -С.29 .

21. Раднаев, Д.Н. Результаты испытаний экспериментального образца сеялки [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев, П.Х. Хараев //Тезисы докладов зональной науч.-практ. конф. молодых ученых Сибири и Дальнего Востока, посвященной 40-летию Великой Победы. - Улан-Удэ, 1985. -С.30 .

22. Раднаев, Д.Н. Совершенствование рабочих органов и узлов зерновых сеялок [Текст] /П.Х. Хараев, Б.А. Дампилов, Д.Н. Раднаев //Отчет по НИР БСХИ № 79009456. - Улан-Удэ: Изд. БСХИ, 1986. - 115 с.

23. Раднаев, Д.Н. Снижение тягового сопротивления плугов путем применения перспективных конструкций [Текст] /Д.А. Мердыгеев, Д.Н. Раднаев //Тезисы докл. И конференции: Вклад молодых ученых в решение вопросов

Продовольственной программы и охраны окружающей среды. - Улан-Удэ, -1987. - С.153-154.

24. Раднаев, Д.Н. Испытание экспериментальной гидропневматической сеялки [Текст] /П.Х. Хараев, Ю.А. Сергеев, В.В. Тумурхонов, Д.Н. Раднаев //Тезисы докл. II конференции: Вклад молодых ученых в решение вопросов Продовольственной программы и охраны окружающей среды. - Улан-Удэ, -1987. - С.157-158.

25. Раднаев, Д.Н. Результаты испытаний гидропневматического посевного устройства [Текст] /П.Х. Хараев, Д.Н. Раднаев /Сб. науч. трудов Ир. СХИ. Серия: Тех. обслуживание и диагностика сельскохозяйственной техники. - Иркутск, 1987. — С.63-67.

26. Раднаев, Д.Н. Физические особенности образования бороздки перемещающийся струей жидкости при посеве зерновых [Текст] /Д.Н. Раднаев, Ю.А. Сергеев //Материалы науч.-практич. конф. преподавателей, сотрудников и аспирантов БГСХА. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА, - 2000. - С.78.

27. Раднаев, Д.Н. Лабораторные исследования образования бороздки струей жидкости [Текст] /Д.Н. Раднаев, Ю.А. Сергеев //Материалы региональной науч.-практ. конф., посвященной 40-летию ФМСХ и 70-летию БГСХА. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА. 2001. -С.88-90

28. Раднаев, Д.Н. Сеялка с экспериментальным рабочим органов для посева зерновых [Текст] /Д.Н. Раднаев, Ю.А. Сергеев //Бурятские аграрные информационные новости. - 2001, - № 5. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА. - С51-52.

29. Раднаев, Д.Н. Разработка комбинированных агрегатов для посева сельскохозяйственных культур в сухостойной зоне Забайкалья [Текст] /Д.Н. Раднаев //Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 70-летию БГСХА. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2002. - С.249-251.

30. Раднаев, Д.Н. Разработка комбинированных агрегатов для посева сельскохозяйственных культур в сухостепной зоне Забайкалья [Текст] /М.В. Рютин, Ю.А. Сергеев, Д.Н. Раднаев //Материалы науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2004. - С. 176-178.

31. Раднаев, Д.Н. Культиватор-сеялка для ресурсосберегающей технологии возделывания зерновых в условиях Республики Бурятия [Текст] /Д.Н. Раднаев //Материалы науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2004. - С.174-175.

32. Раднаев, Д.Н. Тенденции развития почвообрабатывающих и посевных машин [Текст] /Ю.А. Сергеев, Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев //Материалы науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2004. - С. 176-179.

33. Раднаев, Д.Н. Агротехнические требования при совмещении обработки почвы и посева [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев, В.Л. Шахаев //Материалы науч.-практ. конф., посвященной 75-летию БГСХА.-Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2006. - С.40-42.

34. Раднаев, Д.Н. Обоснование приемов защиты почв от ветровой эрозии и повышения урожайности зерновых культур в условиях Бурятии [Текст] /В.В. Тумурхонов, Н.Т. Татаров, Д.Н. Раднаев //Материалы науч.-практ. конф., посвященной 75-летию БГСХА.-Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2006. - С.45-46.

35. Раднаев, Д.Н. К вопросу ресурсосберегающей почвозащитной технологии возделывания зерновых культур [Текст] /Д.Н. Раднаев //Агроинженерная наука: Проблемы и перспективы развития. Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ФГОУ БГСХА, 2005. - С.60-64.

36. Раднаев, Д.Н. К обоснованию и разработке зональных систем машин [Текст] /Д.Н. Раднаев, Ю.А. Сергеев, С.Н. Прокопьев //Сб. науч. трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. - Улан-Удэ, Изд. ВСГТУ, 2006. -Вып.2. - С.110-114.

37. Раднаев, Д.Н. Основные положения теории подобия и исследования рабочего процесса сельскохозяйственных машин [Текст] /Д.Н. Раднаев //Вестник БГСХА. Вып. III (8). - Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2007. - С.80-91.

38. Раднаев, Д.Н. Сеялка с гидропневматическим сошником для посева зерновых культур в сухостепной зоне Забайкалья [Текст] /P.C. Рахимов, Ю.А. Сергеев, Д.Н. Раднаев //Материалы XVII международной научно-технической конференции «Достижения науки агропромышленному производству». 4.2, Челябинск: ЧГАУ, 2009 - С.82-85.

39. Раднаев, Д.Н. Состояния и пути развития материально-технической базы сельского хозяйства в рыночных условиях, на примере РБ [Текст] /Ю.А. Сергеев, Д.Н. Раднаев //Сб. науч. трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. - Улан-Удэ: Изд. ВСГТУ, 2004. - Вып.1. - С.83-85.

40. Раднаев, Д.Н. Ресурсосберегающие технологии возделывания зерновых культур для сухой степи Бурятии [Текст] /Д.Н. Раднаев, В.Д. Бубеев //Материалы III междунар. науч.-практ. конф.: Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона-Улан-Удэ: Изд. БГСХА, 2008. - С. 108-112.

41. Раднаев, Д.Н. Системный характер сложных дискретных технологических процессов [Текст] /Д.Н. Раднаев //Вестник ВСГТУ, вып.4 (октябрь-декабрь) - Улан-Удэ. Изд. ВСГТУ, 2009. - С.24-28.

42. Раднаев, Д.Н. Почвозащитное земледелие Республики Бурятия [Текст] /В.В. Тумурхонов, Д.Н. Раднаев //Современные тенденции развития земледелия для защиты почв: Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 75-летию заслуж. деятеля науки РФ, проф. В.Б. Бохиева. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА им. В.Р.Филиппова, 2009. - С.97-99.

43. Раднаев, Д.Н. Развитие конструкция и пути повышения эффективности посевных агрегатов [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев, М.Б. Балданов //Современные тенденции развития земледелия для защиты почв: Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 75-летию заслуж. деятеля науки РФ, проф. В.Б. Бохиева. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2009. -С.138-142.

44. Раднаев, Д.Н. Повышение эффективности посева зерновых культур в Забайкалье [Текст] /Д.Н. Раднаев //Аграрная наука - сельскому хозяйству: Сб. статей V международной науч.-практ. конф. (17-18 марта 2010 г.) - Барнаул: Изд. АГАУ, 2010, кн.1. - С.345-347.

45. Раднаев, Д.Н. Подходы к выбору машин, применяемых в ресурсосберегающих технологиях [Текст] /Д.Н. Раднаев //Сб. докладов регионального круглого стола: Инновационные и ресурсосберегающие технологии в системе земледелия в современных условиях. - АУ ИМЦ СТ РБ. - Улан-Удэ, 2010. - С.28-29.

46. Раднаев, Д.Н. Эффективность широкозахватных посевных агрегатов в условиях Республики Бурятия [Текст] /Б.Д. Докин, Д.Н. Раднаев //International Conference: Engineering problems in agriculture and industry. Ulaanbaatar, Mongolia Duly 2-4, 2010. - PP. 178-182.

47. Раднаев, Д.Н. Обоснование технологии и параметров рабочего органа для посева зерновых в условиях сухостепной зоны Забайкалья [Текст] /Д.Н. Раднаев //Дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск, 2002. - 229с.

48. Раднаев, Д.Н., Калашников С.С. Агротехническое обоснование для усовершенствования сеялки-культиватора [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.С. Калашников/ /Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК: Материалы ме-ждунар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию БГСХА и 50-летию инженерного факультета (9-12 июня 2011 г. Улан-Удэ) // - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В .Р. Филиппова, 2011. - С.98-101.

49. Раднаев, Д.Н., Применение методики имитационного моделирования при оптимизации посевных комплексов [Текст] /Д.Н. Раднаев, С.Н. Прокопьев /Инновационное развитие агропромышленного комплекса и аграрного образования: Материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию БГСХА. - Улан-Удэ: Изд. БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2011. - С.155-159.

Авторские свидетельства и патенты:

50. Авторское свидетельство СССР № 1607702. Орудие для противоэрози-онной обработки почвы /П.Х. Хараев, В.В. Тумурхонов, Д.Ц. Амагаев, Д.Н. Раднаев //«Открытия и изобретения», 1990. Бюл. № 43.

51. Патент на полезную модель № 75824 МПК АО 1 С/20. Лаповый сошник разбросного посева /Ю.А. Сергеев, Д.Н. Раднаев, Б.С. Забанов, Д.К. Данжеева //Заявитель и патентообладатель Бурятская госсельхозакадемия. - Заявка № 2008105296/13 (005744) от 12. 02. 2008. Опубл. 27.08.2008. Бюл. № 24.

52. Патент на полезную модель № 103695 МПК А01В 49/00. Почвообрабатывающая посевная машина /Д.Н. Раднаев, В.В. Тумурхонов, С.Н. Прокопьев //Заявитель и патентообладатель Бурятская госсельхозакадемия. - Заявка № 2010143380/21 от 22. 10. 2010. Опубл. 27. 04. 2011. Бюл. № 12.

53. Патент на изобретение № 2427124 МПК АО 1С 7/20. Сошник /В.В. Тумурхонов, Д.Н. Раднаев, И.Ф. Лобанов, С.Н. Прокопьев //Заявитель и патентообладатель Бурятская госсельхозакадемия. - Заявка № 2010110214/21 от 17.03.2010. Опубл. 27. 08.2011. Бюл. № 24.

Подписано в печать ■ Формат 60*84 1/16

Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № /РУ/.

Издательство ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова» 670024, г. Улан-Удэ, ул. Пушкина 8.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова»

Методологические основы разработки технологий и технических средств посева при возделывании зерновых культур в условиях Забайкалья

Специальность:

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

На правах рукописи

Раднаев Даба Нимаевич

0^201351763

УДК 631.331:631.17

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор Б.Д. Докин

Улан-Удэ-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 .СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 .Почвенно-климатическая характеристика территорий Забайкалья ..... 11

1.2. Технология возделывания зерновых культур.............................. 14

1.2.1. Влияние технологических операций на урожайность культуры ..... 14

1.2.2. Влияние приемов обработки почвы на урожайность

и ресурсосбережение в технологии.............................................. 20

1.3. Структура и объекты вариантной технологии возделывания зерновых культур и условия ее функционирования....................................... 28

1.4. Анализ технологий и технических средств по возделыванию

зерновых культур.................................................................. 32

1.5.Выбор критерия эффективности оптимального решения................. 54

1.6. Выводы и задачи исследований................................................ 61

2 .ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.

2.1.Системный характер сложных объектов

и технологических процессов.................................................... 64

2.2.Связи системных объектов и процессов с окружающей средой

и их функция.......................................................................... 70

2.3. Структура сложных систем и их функциональные свойства ............ 73

2.4.Методологические основы системно-структурного анализа технологических процессов....................................................... 82

2.4.1. Принципы моделирования сложных технологических процессов

и технических средств............................................................ 82

2.4.2 Принцип целостности при многоуровневой декомпозиции

технологических процессов................................................... 90

2.5. Оптимизация комплекса машин для возделывания зерновых культур... 100

3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПОДОБИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

3.1. Системный анализ при определении показателей

эффективности..........................................................................................................................................104

3.2. Система моделей для оценки эффективности

технических средств..............................................................................................................................108

3.3. Условия применения моделей различного уровня и назначения..............115

3.4. Математическое моделирование при определении

рациональных параметров технических средств......................................................118

3.5. Определение технического уровня технического средства

и его прогнозирование........................................................................................................................125

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ

ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

4.1. Общая методика экспериментальных исследований....................................................133

4.2. Методика планирования эксперимента................................................................................135

4.2.1. Априорное ранжирование факторов................................................................................137

4.2.2. Крутое восхождение по поверхности отклика ........................................................139

4.2.3. Ротатабельное планирование второго порядка ........................................................144

4.3. Методика экспериментальных исследований................................................................146

4.3.1. Лабораторная установка для исследований рабочих органов

при разбросном посеве......................................................................................................................148

4.3.2. Лабораторная установка для исследования гидропневматического

посевного устройства......................................................................................................................150

4.3.3. Определение удельного расхода жидкости в зависимости

от напора и диаметра выходного отверстия насадка ............................................152

4.3.4.0пределение конструкции распределительного устройства ............................152

4.3.5. Определение глубины заделки семян в лабораторных условиях................154

4.4. Методика полевых исследований..............................................................................................155

4.4.1. Определение равномерности глубины заделки семян....................................155

4.4.2. Определение равномерности распределения растений по площади

и полевой всхожести семян........................................................................................................156

4.4.3. Определение урожайности........................................................................................................156

4.4.4. Обработки данных лабораторно-полевых опытов

и экспериментальных исследований....................................................................................................157

4.5. Методика сравнительных испытаний..................................................................................158

4.6. Приборы и оборудование..............................................................................................................160

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И АНАЛИЗ ДАННЫХ

5.1. Результаты планирования эксперимента при разработке узкорядного

дискового сошника для безрядкового посева зерновых культур....... 161

5.1.1. Результаты и анализ априорного ранжирования факторов.......... 161

5.1.2. Результаты и анализ полного факторного эксперимента и метода крутого восхождения............................................................ 163

5.1.3. Результаты и анализ центрального композиционного ротатабельного униформ - планирования второго порядка.......... 165

5.1.4. Канонический анализ математической модели........................... 167

5.1.5. Совершенствование безрядкового посева зерновых культур

дисковым сошником............................................................ 172

5.2. Результаты планирования эксперимента при разработке сошника

для подпочвенно - разбросного посева зерновых культур................. 175

5.2.1. Результаты и анализ априорного ранжирования факторов........... 175

5.2.2. Результаты и анализ полного факторного эксперимента и метода крутого восхождения........................................................... 177

5.2.3. Результаты и анализ центрального композиционного ротатабельного униформ - планирования второго порядка.......... 179

5.2.4. Канонический анализ математической модели........................ 181

5.2.5. Разработка почвообрабатывающей посевной машины............... 187

5.3. Результаты экспериментальных исследований при разработке гидропневматического посевного устройства............................. 194

5.3.1. Определение расхода жидкости в зависимости от давления

и диаметра насадка............................................................. 194

5.3.2. Определение параметров струи жидкости в зависимости

от скорости движения рабочего органа.................................... 195

5.3.3. Определение рациональной конструкции

распределительного устройства жидкости................................. 202

5.4. Результаты планирования эксперимента при разработке

гидропневматического посевного устройства............................. 205

5.4.1. Результаты и анализ априорного ранжирования факторов.......... 205

5.4.2. Результаты и анализ полного факторного эксперимента и метода крутого восхождения............................................................ 206

5.4.3. Результаты и анализ центрального композиционного ротатабельного униформ - планирования второго порядка.......... 209

5.4.4. Канонический анализ математической модели........................... 211

5.4.5.Разработка конструкций гидропневматического посевного устройства и экспериментальной сеялки.................................... 221

5.5. Агротехническая оценка посевных агрегатов.............................. 226

5.6. Агротехнические результаты исследований почвообрабатывающей посевной машины.................................................................. 229

5.7. Результаты оптимизации комплекса машин при возделывании зерновых культур.................................................................. 234

5.7.1. Подготовка исходной информации........................................... 234

5.7.2. Построение экономико-математической модели с учетом конкретных условий производства........................................... 238

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Расчет годового экономического эффекта........................................................................245

6.2 Показатели экономической эффективности........................................................................251

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................................................259

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................................263

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................290

Введение

Большое разнообразие технических средств по обработке почвы и посеву и различный набор рабочих органов в них приводят к тому, что проектирование технологических процессов представляет собой сложную, многовариантную и трудноформализуемую задачу.

Независимо от способа представления объекта области его существования и характера его изменения основным при оптимизации систем является выбор наиболее подходящего решения. Выбор зависит от способности оценить эффективность каждого решения. В таких случаях универсальной методологией решения проблем, основанной на концепции систем, является системный анализ. Сущность системного анализа определяется его стратегией, которая базируется на общих принципах, применяемых к решению любой системной задачи.

В центре методологии системного анализа находится операция количественного сравнения альтернатив, которая выполняется с целью выбора альтернативы, подлежащей реализации. Процесс нахождения решения концентрируется вокруг итеративно выполняемых операций в соответствии условию, цели и возможностей для решения проблемы.

Основным понятием системного анализа является система, то есть объект, взаимодействующий с внешней средой и обладающий сложным внутренним строением, большим числом составных частей и элементов. Взаимодействующие элементы, обладающие определенной целостностью, выделяются в функциональные подсистемы. Расчленение системы в подсистемы позволяет вскрыть иерархию структуры и рассматривать систему на разных уровнях ее детализации.

Система формализуется с помощью математической модели, выражающей связь между выходными параметрами системы, параметрами состояния и входными управляющими и возмущающими переменными.

С позиции системного анализа решаются задачи моделирования, оптимизации, управления оптимального проектирования технологических систем в

масштабе конкретного хозяйства. Сущность системного подхода в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая из сельскохозяйственной науки и практики, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки математической модели технологической системы. Построенная математическая модель затем используется для оптимизации технологического процесса.

Таким образом, система - это сложный объект, который можно расчленить на составляющие подсистемы. Подсистемы информационно связаны друг с другом и с окружающей средой. Совокупность связей образует структуру системы. Система имеет алгоритм функционирования, направленный на достижение определенной цели.

За последние годы, во-первых, сельхозтоваропроизводители находятся в различных технико-экономических ситуациях и поэтому вынуждены осуществлять свою производственную деятельность на различных уровнях культуры земледелия и используемые технологии соответствуют производственно-ресурсному потенциалу конкретного хозяйства. Для получения экономически оправданного урожая не представляется возможным рекомендовать единую унифицированную технологию для существующего многообразия природных и хозяйственных условий. Она должна быть дифференцированной и максимально адаптированной к конкретным условиям. При этом необходимо использовать ресурсосберегающие технологии, учитывая главную составляющую - почвен-но-климатические условия региона. Во-вторых, современный скачок в создании материально-технической базы сельского хозяйства связан с применением энергонасыщенных тракторов со шлейфом новых комбинированных сельскохозяйственных машин. В связи с этим наблюдается явное несоответствие между новыми возможностями энергонасыщенных тракторов и существующими технологиями возделывания сельскохозяйственных культур, которые базировались на применении маломощных тракторов.

Современный уровень техники позволяет осуществлять данный производственный процесс с помощью различных технических средств и значений их

параметров, но вопрос в том, какие из них обеспечат максимальную эффективность. В связи с этим, при решении задач оптимальных решений, связанных с поиском лучшего варианта, лицо, принимающее решение, сталкивается с необходимостью пересмотра и оценки большого количества вариантов. Окончательное решение он принимает на основе технико-экономических расчетов, сводящихся к поиску варианта с наилучшими экономическими показателями.

Дальнейшее развитие работ по проектированию технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур натолкнулось на серьезные трудности. Они, в первую очередь, связаны с недостаточной разработкой методологических основ проектирования технологических процессов, пригодной для математического моделирования и алгоритмизации процессов проектирования. Основное внимание при возделывании сельскохозяйственных культур уделялось задачам анализа технологических процессов с целью выявления различных факторов на выполнение агротехнических требований, повышение производительности и экономической эффективности отдельных процессов. Вместе с тем, методы синтеза технологических процессов на основе характеристик технического средства и производственной системы хозяйства, в условиях которой необходимо реализовать проектируемый процесс, исследовались еще недостаточно.

В данной работе сделана попытка обосновать методологические основы проектирования технологии с выбором адаптивных технических средств посева, которые позволяют повысить эффективность возделывания зерновых культур в экстремальных условиях и решать многие задачи, имеющие научное и практическое значение.

В связи с этим в работе приведены: 1) методологические основы системно-структурного анализа для проектирования эффективных моделей технологий и технических средств посева; 2) концепция многоуровневой системы критериев для оценки эффективности технического средства посева; 3) закономерности взаимодействия основных параметров технического средства посева на основе

теории подобия и размерностей; 4) новые технические решения по разработке рабочих органов посева с обоснованием их оптимальных параметров.

Изложена методика выбора наиболее эффективных машин в зависимости от условий применения и оценки их технического уровня. Расчеты по различным методикам, излагаемым в работе, в основном, показаны на примере хозяйств Республики Бурятия и Забайкальского края. Результаты исследований по модернизации машин и их рабочих органов посева внедрены и внедряются в хозяйствах Забайкалья.

Результаты работы вошли в практические рекомендации: «Ресурсосберегающие технологии в земледелии Республики Бурятия» (2009 г.)

Приведенные в работе материалы в течение ряда лет излагались в лекциях и рассматривались на практических занятиях инженерного факультета по дисциплине «Проектирование сельскохозяйственных комплексов».

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Почвенно-климатическая характеристика территорий

Забайкалья.

Большая протяженность территорий Забайкалья, расположенность ее в центре Евроазиатского материка, значительная удаленность от морей и океанов и горный рельеф местности обуславливает неоднородность, своеобразие и ее выраженную континентальность[25, 254].

В качестве характеристики климата необходимо отметить, что среднегодовая температура воздуха составляет -0,5°С...-2,8 °С. Январь месяц самый холодный, со средней температурой от -25 до -35 °С, при абсолютном минимуме, достигающем -40...-58 °С. Это приводит к глубокому примерзанию почвы - до 3...3,5 м. Зима продолжительная, морозная, с большим количеством солнечных дней. Лето жаркое, короткое. В июле среднемесячная температура достигает до +15...+25 °С, а средняя минимальная - до +34...+39 °С.

Весной из-за прогревания монгольских степей снижается атмосферное давление, и на территорию Забайкалья устремляются потоки холодного и сухого воздуха из северных районов. Поэтому весна и первая половина лета устанавливаются холодными, ветреными, сухими. В течение апреля и мая выпадает 90 до 15% от годового количества осадков.

До конца первой декады июля отчетливо выражено умеренно теплое лето, а со второй половины июля в течение месяца продолжается период устойчивого лета. На всей территории преобладает западный перенос теплых воздушных масс, но нередки заходы холодного воздуха с севера и теплого влажного - с юга и юго-востока. Общее количество осадков невелико и �