автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Формирование ресурсосберегающих комплексов агрегатов для обработки почвы на основе имитационного моделирования в условиях степной зоны Северного Кавказа

На правах рукописи

Тарасенко Борис Фёдорович

ФОРМИРОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

9 СЕН 2015

Краснодар 2015

005562135

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный

консультант: ОСЬКИН Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор

Официальные

оппоненты: КАПОВ Султан Нануович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», кафедра «Механика и компьютерная графика», профессор КРАВЧЕНКО Владимир Алексеевич, доктор технических наук, профессор, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» (г. Зерноград), факультет «Автомобильный транспорт в АПК», декан кафедра «Тракторы и автомобили», профессор СТАРЦЕВ Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», кафедра «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК», профессор

Ведущая

организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Северо-Кавказская государственная зональная машиноиспытательная станция» (г. Зерноград)

Защита состоится «14» октября 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, КубГАУ и на сайте http://kubsau.ru.

Автореферат разослан «39» августа 2015 г. и размещен на официальном сайте ВАК РФ http://vak2.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» http://kubsau.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, Курасов Владимир Станиславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возрастающие потребности продукции растениеводства и животноводства требуют интенсификации земледелия. Интенсификация земледелия ведёт к деградации почвенного покрова и снижению плодородия. Технологические процессы производства зерновых культур характеризуются наращиванием энергетических затрат, причем 40-50 % ресурсного потенциала расходуется на технологический процесс обработки почвы. Поэтому существенны исследования в области поиска и разработки технологий и технических средств почвообработки нового поколения, чтобы, как сказал президент РФ В.В. Путин, «снизить критическую зависимость от зарубежных технологий и промышленной продукции, причем разумное импортозамещение является для РФ долгосрочным приоритетом». Исследования существенны также для обеспечения сбережения топливо-энергетического ресурса, предупреждения деградации почв и повышения плодородия, в том числе в связи: с принятием закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» (от 23.11.1009 № 261-ФЗ); с концепцией развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства РФ; с необходимостью эффективного управления растениеводческими предприятиями с тем, чтобы, с одной стороны, максимально повысить урожайность, а с другой стороны, свести к минимуму антропогенную нагрузку на биосферу и затраты ресурсов. Инновационной составляющей эффективного управления является «точное земледелие», одним из элементов которого является программное обеспечение.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными планами научно-исследовательских работ - ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университ» (1996-2000, 2001-2005, 2006-2010, 20112015гг) по темам с ГР №№ 01200113462, 01200113467, 01200606833, 01201153626.

Степень разработанности данной темы: возрастающее разнообразие производимых сельскохозяйственных машин и рабочих органов, внедрение новых технологий в земледелии, дефицит финансовых ресурсов на предприятиях, не позволяющий проводить своевременное обновление техники, и, вместе с тем, отсутствие адекватного методологического подхода к выбору типа и количества агрегатов не позволяют сформировать оптимальные по составу и количеству комплексы агрегатов для отдельных технологических операций в растениеводстве. Основой комплексного подхода к формированию групп агрегатов может стать имитационное моделирование процесса функционирования почвообрабатывающих агрегатов, позволяющее получить информацию максимально приближенную к действительности и стать составляющей частью программного обеспечения для точного земледелия.

Научная гипотеза: наличие адекватного сегодняшнему экономическому состоянию сельскохозяйственных предприятий методологического подхода к выбору типа и количества агрегатов для основной обработки почвы, к внедрению и усовершенствованию новых конструктивно-технологических решений рабочих машин позволят сократить потребности в ресурсах этих организаций.

Цель исследований. Сформировать ресурсосберегающие комплексы агрегатов для обработки почвы на основе использования имитационного моделирования процесса функционирования таких агрегатов, а также усовершенствовать и внедрить новые рабочие органы машин.

Объект исследований. Технологический процесс, методы (приёмы, режимы работ, последовательность операций и процедур), а также технические средства механизации, инструменты и материалы производства зерновых колосовых культур.

Предмет исследований - характеристики оборудования для обработки почвы, целевые функции по почвообработке на отдельных технологических операциях, имитационные модели процесса функционирования машино-тракторных агрегатов.

Методы исследований. В работе использованы разработанные на основе логики предикатов методы комплексного подхода для обеспечения сбережения топливо-энергетических ресурсов при производстве семян зерновых колосовых культур, агроландшафтной экологии, поисковых исследований, классической механики, а также частные методики с использованием теории планирования экспериментов, методики H.A. Качинского, в том числе, методы оценки технических средств с использованием однофакторных экспериментов, однофакторного дисперсионного анализа и функции желательности. Применен метод имитационного моделирования при решении оптимизационных задач для формирования эффективного технологического комплекса машин, выбран пакет имитационного моделирования - специальная надстройка для MS Office Excel «Монте-Карло». Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

- формализованные логические модели технологических операций по почвообработке, разработанные на основании логики предикатов и квантор-ной алгебры;

- целевые функции для основной обработки почвы на отдельных технологических операциях для оптимизации количества работающих агрегатов и получению минимума затрат на топливо и компенсации ущербов из-за срыва агросроков и уплотнения почвы после движения агрегатов по полю;

- полный алгоритм и структура вероятностной имитационной модели целевой функции по определению состава пахотного агрегата и его технологических параметров для реализации моделирования по методу Монте-Карло;

- имитационные модели для каждой технологической операции почво-обработки и варианты состава комплекса машин с учетом эксплуатационно-технологических показателей, соответствующие графические и аналитические зависимости по определению оптимального значения количества агре-

гатов при различных нормативных агросроках, агрофонах, составах агрегатов и соответствующих ущербах;

- принципы дифференцирования всех агрегатов по группам эффективности на основе выбранного критерия оптимальности и предложенной целевой функции, составы наиболее и наименее эффективных комплексов агрегатов с характеристиками в зависимости от агротребований, тяжести выполняемых работ;

- уравнения регрессии для определения рациональных параметров усовершенствованных почвообрабатывающих орудий.

Теоретическую и практическую значимость работы представляют:

- алгоритм вероятностной имитационной модели целевой функции по определению состава агрегата и его технологических параметров, который может быть использован для анализа работы и других технологических процессов в растениеводстве: посеве, уборке, внесении удобрений, транспортировке;

- результаты имитационного моделирования для каждой технологической операции почвообработки, которые позволят для конкретных предприятий выбрать наиболее рациональный состав комплекса агрегатов, определить затраты на топливо и возможные ущербы от уплотнения почвы, срыва агросроков, и на основании этого определить минимальное количество агрегатов, выводимых на поле, и точнее прогнозировать объем работ и сроки;

- вероятностные имитационные модели, которые можно включить в состав программного обеспечения бортовых компьютеров и ПЭВМ при внедрении оборудования точного земледелия;

- методики по оптимизации параметров средств безотвальной обработки почвы с пакетами программ, подтвержденные 14-ю свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ;

- серийное производство предлагаемых усовершенствованных технических средств, повысит конкурентоспособность отечественного сельскохозяйственного машиностроения;

- обоснованные конструктивно-технологические схемы для механизированных приёмов (процессов) безотвальной обработки почвы (патенты РФ №№ 2214076, 2267893, 2144749, 2298302, 2349063, 2479971, 2202159, 2259028, 2244387, 2298303, 2404560, 2448448, 2468558, 2404559, 2404558, 2189127, 2299537, 2316921, 2343657, 2407257, 2449520, 2177213, 2384985, 2457645, 2297127; 2518254, 2297127; 2267893, 2327322, 2338360, 2370929; полезные модели свидетельства РФ №№ 1989, 10041, 10507);

- монографии, лабораторные установки, используемые в учебном процессе агроинженерных и экономических факультетов Кубанского ГАУ и других учебных заведениях агроинженерного профиля, позволяющие повысить качество обучения специалистов на всех уровнях подготовки и лучше освоить профессиональные компетенции по современному ресурсосберегающему сельскохозяйственному производству.

На защиту выносятся.

1. Формализованные логические модели технологических операций по почвообработке, разработанные на основе логики предикатов и кванторной алгебры для обеспечения сбережения топливо-энергетических ресурсов.

2. Целевые функции основной обработки почвы на отдельных технологических операциях для оптимизации количества работающих агрегатов и получения минимума затрат на топливо и компенсацию ущербов, необходимых для разработки имитационных моделей.

3. Алгоритм и структура вероятностной имитационной модели целевой функции по определению состава пахотного агрегата и его технологических параметров для реализации моделирования в прикладных программах по методу Монте-Карло.

4. Имитационные модели для каждой технологической операции почво-обработки и варианты состава комплекса машин с учетом эксплуатационно-технологических показателей, графические и аналитические зависимости по определению оптимального значения количества агрегатов при различных

нормативных агросроках, агрофонах, состава агрегатов и соответствующих ущербах.

5. Принципы дифференцирования всех агрегатов по группам эффективности на основе выбранного критерия оптимальности и предложенной целевой функции, составы наиболее и наименее эффективных комплексов агрегатов с характеристиками в зависимости от агротребований, тяжести выполняемых работ.

6. Результаты экспериментальных исследований.

7. Новые методы и технические средства почвообработки при производстве семян зерновых колосовых культур, обеспечивающие экономию топливо-энергетических ресурсов, при интенсивном земледелии и результаты их полевых испытаний.

8. Технико-экономическая оценка результатов исследований.

Достоверность исследований подтверждается проведением экспериментов с использованием апробированных общепринятых методик, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, высокой точностью имитационного моделирования при статистических испытаниях, широкой апробацией в хозяйствах Краснодарского края.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: ежегодных научных конференциях факультетов механизации и энергетики КубГАУ (Краснодар, 1997 -2015); посвященной 40-летию образования СКНИИЖ (г. Краснодар, 2009 г.); X международной сельскохозяйственной выставке Золотая Нива'1 (Краснодарский край, г. Усть-Лабинск, 2010 г.); X Московском международном «Салоне инвестиций и инноваций» (г. Москва, 2010 г.); выставке Российская агропромышленная неделя «Золотая осень» (г. Москва, 2010 г); 18 международной агропромышленной выставке «ЮГАГРО» (г. Краснодар, 2011 г.); - международной научно-практической конференции «Техника будущего: перспективы развития с.-х. техники» в честь 100-летия CLAAS (г. Краснодар, 2013 г.); V международной научно-практической конференции «Технические и технологические

системы», (г.Краснодар, 2013 г); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы механизации и электрификации сельского хозяйства» (Краснодар, 2013); - международной научно-практической конференции Б Г АТУ (Минск, 2014 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 85 печатных работах включая: 2 монографии; 19 научных работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 12 работ в других научных изданиях; 35 патентов РФ на изобретения; 17 свидетельств на программы и полезные модели. В автореферате приведены 33 наиболее значимые работы.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объём работы - 370 страниц, который включает в себя основной текст и приложения. Основной текст изложен на 284 страницах, содержит 101 рисунок и 51 таблицу. Список использованных источников литературы включает 197 наименований, в том числе 9 - на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность проблемы, сформулирована цель работы и изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе отражена роль энергосбережения в сельскохозяйственной отрасли, при этом выделено, что главным фактором снижения себестоимости производства является снижение энергозатрат.

Рассмотрены способы обработки почвы, затраты топливо-энергетических ресурсов на их выполнение. Отмечено, что научные труды: Докучаева В.В., Вильямса В.Р., Горячкина В.П. посвящены основам плужной обработок почвы; Бараева А.И., Мальцева Т.С. посвящены приёмам защиты от ветровой и водной эрозии; Рунчева М.С., Липковича Э.И. посвящены созданию

научных основ разработки ресурсосберегающих механизированных технологических комплексов для растениеводства; Чеботарёва М.И., Рыкова В.Б., Сохта К.А., Трубилина Е.И. посвящены механизированным технологиям обработки почвы, в которых предпочтение отдается безотвальным и комбинированным орудиям. Отмечены исследования Нечаева C.B. (КубГАУ), показавшего, что в Краснодарском крае удельный вес эксплуатационных затрат в себестоимости основных сельскохозяйственных культур региона колеблется от 40 до 80 %, а удельный вес расхода ГСМ на выполнение основных групп механизированных работ при производстве сельскохозяйственных культур составляет от 32 до 54 %. Приведены классификация средств обработки почвы и схемы с операциями традиционной технологии, почвозащитной (проти-воэрозионной), совмещенной (комбинированной) и прямого посева по стерне с затратами моторного топлива.

Проанализированы современные исследования таких ученых, как Капов С.Н., Матюк Н.С., Татаров Н.Т., Золотарев С.А., Юнусов Г.С., Борисенко И.Б., Камбулов С.И., Карапетян М.А., Иванов Д.А., Николаев В.А., Новожилов А.И., Абаев В.В., Кобяков И.Д., Кравченко В.А., Тихонов В.В., Свечников П.Г., Соколов Н.М., Прядкин В.И., Перфильев Н.В., Старцев C.B. и др., которые, в основном, отметили необходимость ресурсосбережения, а также то, что современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур основаны на многократных проходах все более тяжелых машинно-тракторных агрегатов. Наблюдается все большее распыление верхнего и уплотнение нижнего слоев почвы, причем неизменно при уплотнении снижалась доля культурного сообщества в составе агрофитоценозов. В исследованиях Новожилова А.И. применено имитационное моделирование сезонного использования механизированных технологических комплексов в производственных процессах растениеводства. Отмечено, что применение энергосберегающего растениеводства целесообразно вести в комплексе с технологиями «точного (прецизионного) земледелия», что резервом снижения себестоимости, в том числе затрат энергии, является минимизация общих затрат

на рыхление почвы, минимизация затрат на компенсацию эрозионных потерь почвы.

Установлено, что стратегией энергосбережения должен быть комплекс принципов, факторов, методов, мероприятий, обеспечивающих неуклонное снижение расхода совокупных затрат энергии в сельском хозяйстве на единицу аграрного продукта при условии обеспечения и сохранения экосистемы.

Обоснована научная проблема, отображены объект исследований, научная гипотеза решения проблемы, цель работы и сформулированы следующие научные задачи исследований:

1) проанализировать известные технологические операции (приёмы) сплошной обработки почвы, используемое оборудование, определить их основные характеристики и показатели качества;

2) разработать модель соответствия параметров процессов обработки почвы показателям ресурсосбережения, а также разработать формализованные модели с использованием логики предикатов и кванторной алгебры;

3) получить целевые функции по почвообработке на отдельных технологических операциях для оптимизации количества работающих агрегатов и получению минимума затрат на топливо и компенсации ущербов из-за срыва агросроков и от уплотнения почвы после движения агрегатов по полю;

4) разработать полный алгоритм вероятностной имитационной модели целевой функции по определению состава пахотного агрегата и его технологических параметров для реализации моделирования по методу Монте-Карло;

5) произвести имитационное моделирование для каждой технологической операции почвообобработки и получить графические и аналитические зависимости по определению оптимального значения количества агрегатов при различных нормативных агросроках, агрофонах, составу агрегатов и соответствующих ущербах;

6) произвести дифференцирование всех агрегатов по группам эффективности на основе ресурсозатрат и сформировать варианты наиболее и наименее эффективных комплексов агрегатов;

7) произвести оценку эффективности замены почвообрабатывающего орудия на одном тракторе и замену трактора при работе с одним орудием с целью определения целесообразности проведения таких модернизаций;

8) на основе анализа сводных данных по всем технологическим операциям при традиционной системе обработки почвы подтвердить существование выдвинутых предикатных высказываний;

9) установить эффективность отдельных комплексов агрегатов при минимальной обработке почвы по сравнению с общепринятой технологией на различных режимах работы, определить как общие затраты так и затраты на топливо;

10) обосновать новые энергосберегающие конструктивно-технологические решения для механизированных приёмов (процессов) обработки почвы, и разработать формализованные модели для сравнения с базовыми аналогами;

11) оптимизировать конструктивные параметры предлагаемых, более конкурентоспособных средств почвобработки, проверить в полевых условиях, выполнить оценку в сравнении с российскими и зарубежными аналогами;

12) провести работы по реализации и внедрению новых конструктивно-технологических решений разработанных на основании метода комплексного подхода к формированию комплекса агрегатов для почвобработки;

13) дать технико-экономическую оценку эффективности использования различных комплексов агрегатов и выполнить расчёты экономических показателей от применения новых технических средств основной обработки почв.

Во второй главе описаны основные технологические операции сплошной обработки почвы. Выявлено, что результатом операций является качественный показатель X, от которого зависит урожайность. Имеются трудности

установления функциональных зависимостей между параметрами рабочих органов, силами сопротивления почвы, физико-механическими свойствами почвы, её структуры и плодородия. Предложено дальнейшие исследования проводить с использованием логики предикатов и кванторной алгебры. Установлены предметные переменные, принимающие значения из некоторой предметной области предметных констант. Разработаны соответствующие формализованные модели.

В качестве первого предиката взят «Минимум общих затрат на почво-обработку»:

А(х,...хц): х5=/(х,,... х4), х,,= х5+х7+хя+х9+х,0, (1)

где X!... ха - предметные переменные: д- глубина обработки; х2 — ширина корпуса (лапы рабочего органа); дг^ - масса плуга; х4 - производительность; х$ - затраты на обработку почвы (рыхление); х6 - затраты на компенсацию потерь урожая из-за эрозии почвы; х7 - затраты на компенсацию потерь урожая из-за срыва агротехнических сроков обработки; - затраты на дополнительные обработки (боронование, культивация, дискование, прика-тывание и т.д.); х9 - общие затраты на обработку почвы; х,0 - затраты, связанные с заделкой незерновой части урожая; Хц- затраты, связанные с вла-госбережением.

После навешивания квантора «существования» - «Существует такое почвообрабатывающее орудие или мобильное энергосредство, которые приводят к минимальным общим затратам» и, что можно записать в виде:

3*9 ■А(х1,..*д) = А(а1,Ь1,...р1)чА(а2,Ь2,...р2)ч..А(а„,Ь„,...рк), (2) где Я/, а2,..., ат предметные константы для Хи Ь для х2\ с - й - х4\ е - лг5; к - Хв ; / - х7; т - л:«; п-х9\р-х10.

Вторым многоместным предикатом взят минимум затрат энергоресурсов на обработку почвы В(Х[... х9). Соответственно, с квантором «существования» - «Существует такое почвообрабатывающее орудие и мобильное энергосредство, которые приводят к минимальным затратам при рыхлении», что можно представить в виде:

Зх9 ■ А(х^...х9) лЗх5 • В(х1,...х9) -^Зх9Зх5С(х1,...х9). (3)

Выявлен новый предикат С, который говорит, что на данной области определения имеются агрегаты с минимальными общими затратами и затратами на рыхление. Это высказывание принимает значение «истина», только при тех значениях переменных, при которых каждый из предикатов А и В принимали значение «истина». Таким образом, не является фактом утверждение, что области определения предикатов пересекутся.

На основании того, что все работы на земле необходимо проводить с минимальными воздействиями на экологию, разработана формализованная модель, когда данный вид работ можно выразить предикатом «минимум затрат на компенсацию эрозионных потерь почвы»:

Зх9 • Л(дг,,...дг9) аЭлг6 • Д(дг,,...х9) Зг9Нг6Е(*,,.. _г9). (4)

Ключевыми показателями эффективности работы мобильной машины являются две характеристики - норма выработки (производительность) и расход топлива, которые, в свою очередь, зависят от сложности работ, глубины обработки и состава машины (тип трактора и плуга). Выбор наиболее оптимального состава почвообрабатывающего агрегата для работы в конкретном хозяйстве очень затруднителен из-за многих детерминированных и случайных факторов. Если принимать в качестве критерия минимальное количество топлива, то это может оказаться не самым лучшим вариантом, так как есть большая вероятность получить малопроизводительный агрегат. Данный подход к анализу эффективности работы агрегатов приводит к необходимости исследований первоначально по каждому виду затрат и по каждому агрегату. Указанные выше характеристики почвообрабатывающих орудий хорошо систематизированы в соответствующих нормативных документах. При поиске оптимума необходимо стремиться к меньшему количеству агрегатов и иметь минимальные затраты на топливо и компенсацию ущербов. В связи с этим, получены целевые функции на отдельные виды работ.

Так определена целевая функция для пахоты, которая после модернизации представлена следующим выражением: Ф = Згси -У0ещ => О

или

3 ГСМ + У ОБЩ => min

ф=Цт-(а. Н+Ь. .Q^+c, -Га)-у, Цк ■ Цт {а. Н+Ь. &„+с.-rJ+y.-Ц,

=>о

(5)

где 3гсм - затраты на ГСМ, руб.; У общ - компенсация ущербов, руб.; Цт -удельная цена топлива, руб./л; а„ ,Ъп ,с„- коэффициенты, полученные в результате регрессионного анализа; Н— глубина вспашки, см; Qan - сменная норма выработки, га/смену; Гс, - группа сложности работ; ук - урожайность культуры, ц/га; Цк - цена реализации данной зерновой культуры, руб./ц; кц - коэффициент интенсивности потерь урожая при отклонении сроков выполнения полевых работ от агротехнических; Sn - площадь пахотного участка, га; Qa - сменная норма выработки данного агрегата, га/смену; Na - количество работающий агрегатов; пнорн - нормативное количество дней или смен для обработки участка; Дрфакт - фактическое увеличение плотности почвы, г/см3; ксу — коэффициент снижения урожайности с учетом уплотнения почвы, г/см3.

Анализ полученной зависимости целесообразно вести с помощью имитационного моделирования. Объектами настройки в таких моделях выступают параметры распределений (средние, дисперсии, объемы выборок). Укрупненная блок-схема алгоритма имитационного моделирования с использованием метода Монте-Карло представлена на рисунке 1, а реализация проводилась с использованием специальной надстройки в MS Office Excel.

Рисунок 1 - Алгоритм вероятностной модели целевой функции

Значения 11 переменных принимаются в зависимости от состава агрегата, статистических данных по урожайности в конкретном регионе и сложившихся рыночных цен на топливо и зерно. Расчеты ведутся на площадь пашни в 1000 га. На рисунке 2 представлены графики количества агрегатов от затрат.

Рисунок 2 - Графики зависимостей количества агрегатов от затрат по каждой группе

Чем ближе график к началу координат, тем эффективней группа, а все агрегаты предложено разделить по эффективности на четыре группы - таблица 1. Таблица 1 - Ранжирование групп агрегатов по графикам эффективности

Группа

13 (Т4-А+ ПН6-35),

15 (ДТ-75М (Агромаш 90ТГ)

+ ПН6-35;

16 (ДТ-75М (Агро-маш90ТГ) + ПН4-35)

4 (1ТГ-220+ IP 1-4 - "Джон Дир" мод. 8100, "Нью Холланд" мод. G-210, "Фент" мод. Фаворит 822 + плуги IP1-

4 — четырехкорпусные фирмы "Джон Дир";);

5 (1ТГ-180+ IP 1-4 - "Джон Дир" мод. 7810, "Денц-Фар" мод. Агротрон 175, "Нью Холланд" мод. 8560);

6 (ITr-180+ IP 1 -6 - плуги шестикор-пусные фирм "Кивонь" и "Лемкен" мод. 160-6); 7 (Т-150К + ПЛН6-35), 14 (Т4-А + ПН4-35)_

(Т-150К + ПЛН5-35),

9 (Т-150К + ПН4-40), 11 (МТЗ-1221 +IP1-6),;

10 (Т-150К + ПЛН4-35),

1(К701+ ПТК9-35), 2 (К700+ ПГП7-40), 3(К700+ ПП8-35), 12 (МТЗ-1221 + ПН4-35),

При этом по каждому агрегату из 16-и проводилось моделирование для трех нормативных значений агросроков 5, 10, 15 дней и отдельным агрофо-нам.

При оценке эффективности (рисунок 3) показано, что для трактора К-744 Р наиболее рационально орудие ПГП7-40 затраты с ним на 22 % ниже, чем с ПТК9-35. Для Т-150К замена орудий ПН6-35 на ПН5-35, ПН4-40 и ПЛН4-35 не оказывает существенного влияния, разница 3-9%. Замена орудий ПН6-35 на ПН4-35 на тракторах Т4-А и ДТ-75М (рисунок 4) приведет к снижению затрат на 16 % на обоих тракторах.

I -«-ПТК 9-35*-ПГП 7-40-ЩП 8-3^ |^»ПЛН 6-35-» ПЛН 5-35 ПН 4-40 -*ПЛН 4-35 |

а - для тракторов К-744 Р б - для тракторов Т-150К

Рисунок 3 - Зависимости затрат на топливо и компенсацию от ущербов от количества агрегатов при замене почвообрабатывающих орудий при нормативном количестве смен равное 10

а - для тракторов Т-4А,01 б - для тракторов Агромаш 90ТГ

Рисунок 4 - Зависимости затрат на топливо и компенсацию от ущербов от количества агрегатов при замене почвообрабатывающих орудий при нормативном количестве смен равное 10

Эффективность агрегатов при смене типа трактора при работе с одним и тем же почвообрабатывающим орудием ПН6-35 показывают низкую зависимость эффективности от замены тягового агрегата - в пределах 10%.

При моделировании почвообработки (рисунок 5), согласно следующим агрофонам: 1 - целина, пласт многолетних трав, залежь; 2 - старопахотные земли, стерня зерновых-колосовых и однолетних трав; 3 - поле после корнеклубнеплодов и перепашки - подтверждено, что агрофон влияет на эффек-

тивность через почвообрабатывающее орудие, так как изменяются сопротивления почвы.

Таким образом, совершенствование орудий почвообработки приведет к повышению эффективности, как данных агрегатов, так и наиболее эффективных таких как "Джон Дир", "Нью Холланд" и др.

Заакшссть уделмых laipai от юлнествз aperara для 1-й |р>шы (К701+ПТК9-35)

Зшиишь иельиьк jaífaroT кол1чествэ афегатседля Wiipjnnbi iltr-18'>IP 1-6.1

S

J

1 Г

Г*

г** Г"" ■04

ID 12 11 Количество агрегатов шт.

—Я|роф|| 1 "^Дгроф)! 2 -в-А|роф;| 3

t 6 8 10 12 И 18 18 20 22 21 Kontue стео агрегатов, шт.

1 ^^Дрзфц 2 Э |

13

0 17

Е и

h15 а и р 13

1 S 12 ¡Í " I 10

О 9

/

J 1537

1745

го 18 i ie

5 5

1 ¡5- 12 I *

/ 1100:21

/

/ 1407;V

/ -

/ 1486:13

900 1000 1100 1200 1300 140Q 1500 160017001800 Удетаизде затрата, pyS.fra

[—AipotjDi 1 —ДгрофЭ! 2 ^^Агрофэ! Э I

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Удельные затраты, руб.ta

—йтрофон 1 ■

-Л-рофон 2 -

Рисунок 5 - Моделирование почвообработки согласно агрофонам

Определена целевая функция на выполнение операции боронования, осуществлено имитационное моделирование.

Ь=ЦТ •(«„ т6 +Й.-&. +с„ ■ Гс)ппр-Ук.цк ,К \—П---ПнщнL ,=>0

Sn &-Na

Sj, Q,-Na

К • I ТгЛг -"«VM l+4W К ■ "про

(6)

ЦТ ■ (а„ • т6 +6, • &„ +с„ • rj■ Ппрв+Л ■ Цк где т6 - количество борон; ппр6 _ количество проходов при бороновании.

Изменение типа борон мало влияет на эффективность агрегатов, большее влияние оказывает количество проходов. При моделировании строились соответствующие графики целевых функций и зависимости затрат на компенсацию ущерба от количества агрегатов (рисунок 6).

Количество агрегатов, шт.

—Т-4А -»-1ГО-1221--МТЗ-80 -»-Т-150К —К-701]

вид целевой функции

I - зависимость затрат от количества агрегатов

Рисунок 6 - Вид целевой функции для трактора К-744 Р (а); - Зависимости затрат на компенсацию ущербов из-за срыва агросроков от количества агрегата при двух проходах по полю при бороновании (б)

Определена целевая функция для операции дискования, проведено имитационное моделирование основных затрат и ранжирование. Агрофон -целина, пласт многолетних трав и залежь в два прохода — разделка дернины с глубиной обработки около 10 см.

ф = Цт{Ьп<2<т+спГ„)-укЦкки

е. ■лг»

■ о

. ДГ "'">)>■"

+ А /V™ ксу

(7)

Также сформулированы целевые функции и проведено моделирование для сплошной культивации и прикатывания.

В третьей главе представлена формализованная логическая модель для определения эффективности усовершенствования рабочих органов агрегатов для технологического процесса обработки почвы для каждой операции. Созданы по всем операциям традиционной технологии обработки почвы (пахота, боронование 2 прохода, дискование, культивация без боронования, прикатывание) два базовых состава агрегатов (высоко- и низкоэффек-

тивные группы) для среднего уровня работ (2 - агрофон). После моделирования и анализа установлено, что при замене отвальной обработки плугом на безотвальную культиватором типа КПЭ-3,8 или чизельными плугами ПГ 3100, ПЧН-3,2 общие затраты на операцию пахоты снижаются в два раза, а топливные ресурсы в — 3,5 раза. В общей почвообработке общие затраты снижаются на 17% и затраты на топливо - в два раза. Обоснованы новые технологические решения для обработки почвы, техническая новизна которых защищена патентами РФ (рисунок 7). Выявлено, что приём блокированного резания снижает сопротивление почвы деформации или отрыву пласта (йях) примерно на 20 %.

Рисунок 7 - Схемы новых конструктивно-технологических решений для обработки почвы, защищенные патентами и свидетельствами, соответственно №№ 2214076; 2267893; 2298302; 2349063; 10041; 2404560; 2468558; 2189127; 2316921;2384985; 2407257; 2518254

Разработаны новые математические закономерности для определения

сопротивления почвы деформации лапам, где он применён при конструировании.

1. Для плоской стрельчатой лапы шириной 0,5 м, составленной из 7-ми плоских частей шириной 0,07 м, И/су определено как

Rjcxt = c-(a-dk\7)+2 c,\7(ardk+ ardk+ardk); (8)

где a¡, a2, аз - глубина резания (толщина срезаемого слоя) 1-ой, 2-ой и 3-ей ступенью лапы; с — коэффициент удельного сопротивления почвы долота, с = 50-150 кН/м2; c¡ - новый коэффициент удельного сопротивления почвы для 1-ой, 2-ой и 3-ей ступеней лап, c¡=0,8-c; dk - размеры получаемых комков, равных 0,04-0,07 м за один проход.

2. Для плоской стрельчатой лапы шириной 0,5 м с размещением в средней части долота Rica определено как

Rk\2 = с-(ад-вд)+2 с2 а,-(вл-вд), (9)

где а,ь ал - толщина срезаемого слоя долотом и лапой; вд - ширина долота; с2 = 0,8-с - новый коэффициент удельного сопротивления почвы лап.

3. Для плоской стрельчатой лапы, размещённой в несколько ярусов, Якхз определено как

Rk\3 = c-(ai„p-du„p ) + с2яр а2яр dk2xp ( 10)

где с2яр - новый коэффициент удельного сопротивления почвы лапы второго яруса (с2яр=(с+с/)/2), a c¡ - коэффициент удельного сопротивления почвы лапы при обработке легких почв; a¡v, а2яр - глубина обработки лап 1-го и 2-го ярусов.

Получена новая математическая закономерность для определения продольной слагающей силы тяги для плоскорезных стрельчатых лап Pxj=0,3-GJn+RKx^G-tg(ß+V)+a-e_1-p-V1-tS(ß+<p) или, Pxj=2,94-m/n+Ria-,+25688,25-ав,-1+16382,81 авл. (11)

где Rfcxi - сопротивление почвы деформации или отрыву пласта двухгранным клином: плоской лапой, плоской составной лапой, плоской лапой с долотом, плоскими ярусными лапами (RKY, Rkxi, Rica, Rkxí)', n - количество рабочих органов.

Получена также новая закономерность для определения тягового усилия Рть (Н), с учётом блокированного резания.

Ртк=0,8-В-Рх]/вл+ fi-m-g/2, (12)

Определено, что замена в базовых комплексах рабочих органов для безотвальной обработки типа КПЭ-3,8, ПЧН-3,2 на новые, приводит к снижению общих затрат на данной операции, в среднем на 10%. Большинство разработанных и усовершенствованных орудий позволяют сократить количество технологических операций.

Предложены для подтверждения экономической целесообразности следующие варианты замены рабочих органов и соответствующие значения затрат.

В первом варианте производятся следующие технологические операции: пахота - один из органов 3,4, 6,7, 8; лущение -5; культивация - 9. В данном варианте комплекта рабочих машин возможно выполнение пахоты также рабочими органами 1 и 2.

Во втором варианте (возможном при более тяжелых почвах): пахота - один из органов 3, 4; лущение -11; боронование (один проход) - 10; культивация - 9; сохранение влаги (один проход, дает прибавку урожая 10-15%) -12.

Анализ полученных данных при втором варианте комплекса машин показывает, что все затраты достигают случая традиционной обработки. Однако если прибавка урожая будет 10%, то дополнительная прибыль (около 3,5 тыс. рубУга) перекроет даже общие затраты на компенсацию ущербов и топливо.

Результаты сравнения всех затрат по базовому комплексу машин и новым показали, что: для высокоэффективных комплексов машин безотвальная технология позволяет сократить оптимальное количество агрегатов на 25-32% (в зависимости от уровня требований к агросрокам); для новых почвообрабатывающих машин - за счет пониженных сопротивлений и совмещения технологических операций - позволит сократить количество работающих агрегатов на 50-58%, или в два раза (рисунки 8, 9).

Результаты сравнения по затратам топлива показывают (рисунки 10, 11), что переход на безотвальную технологию как для высокоэффективных агрегатов, так и низкоэффективных, приведет к экономии этого ресурса на 45%, а внедрение новых орудий снизит потребление топлива на 61-64%.

Рисунок 8 - Диаграмма зависимостей количества агрегатов от способа обработки почвы и уровня требований к агросрокам для высокоэффективных (а) и низкоэффективных (б) агрегатов.

Общие :атр.иы. тыс. руб.

Рисунок 9 - Диаграмма зависимостей общих затрат от способа обработки почвы и уровня требований к агросрокам для высокоэффективных агрегатов

Традиционный Беэотваль ньй С усовершенствован ньми орудиями

0,93 0.51 0.38

Рисунок 10 - Диаграмма зависимостей затрат на топливо от способа обработки почвы для высокоэффективных агрегатов.

Способы оир.]0ОIМ1 почвы

Рисунок 11 - Диаграмма зависимостей затрат на топливо от способа обработки почвы для низкоэффективных агрегатов.

Приведен краткий анализ технологических операций совмещения поч-вообработки, внесения и заделки удобрений как минеральных (МУ), так и органических (ОУ), а также предложены разработанные новые рациональные способы и конструктивно-технологические решения (рисунок 12).

Рисунок 12 - Схемы новых рациональных способов и конструктивно-технологических решений совмещения почвообработки и внесения удобрений, защищенные патентами, соответственно №№ 2267893, 2327322, 2338360,2370929

В четвёртой главе приведены программа, определение рациональных параметров и результаты полевых испытаний согласно частным методикам средств обработки почвы, а также комплексная оценка машин для безотвальной обработки почвы с использованием функции желательности.

Для рабочих органов с двухъярусными плоскорежущими лапами (рисунок 13) определено, что существенными (переменными) факторами, влияющими на величину тягового сопротивления, являются технологические параметры - глубина обработки (аь м) с принятым интервалом варьирования от а,тП=0,Зм до атах=0,5, а за середину интервала принята а0=0,4м и -конструктивные параметры - межъярусное расстояние (Ц, см) с интервалом варьирования от Ьт1П=0,1м до Ьтах=0,2, а за середину интервала принято Ьо=0,15м. Скорость обработки была принята близкой к первичным требованиям (до 9км/ч), а остальные конструктивные параметры лапы оставлены те же, что у

ПЧН. Уравнение регрессии в каноническом виде:

У=3999,2+166,7х,-533,4х2-1346,2 х,2-1150,5 х22, (13) где Y - величина тягового сопротивления рабочего органа, Н.

Решением после дифференцирования системы линейных уравнений и определением координат центра отклика и значения оптимальной величины после канонического преобразования получено уравнение:

У-У5=-1346,2х12-1150,5х22, (14) где У5 - рациональная величина тягового сопротивления рабочего органа, Н.

Согласно полученному уравнению поверхность отклика тягового сопротивления рабочего органа от глубины обработки (аО и межъярусного расстояния (Ъу) и поверхность отклика в изолиниях имеют следующие виды (рисунок 14), а при фиксированном значении технологического параметра X! или конст-

Рисунок 13 - Двухъярусный рабочий орган

руктивного параметра Х2

а - при фиксированном параметре Хь б - при фиксированном параметре х2 Рисунок 15 -Зависимость тягового сопротивления рабочего органа от a¡ и Ц

а - поверхности отклика; б - двухмерное сечение; в, г - графики

Рисунок 14 - Поверхности зависимости тягового сопротивления от глубины обработки и межъярусного расстояния

(находящихся в центре плана) величина тягового сопротивления рабочего органа У максимальна и равна 4066,2 Н, а для межъярусных расстояний ^=0,1 м, ЬяЮ,2 м или глубины обработки а!=0,35 м, а2 =0,45 м величины (У) равны соответственно 3010,3 Н и 3707,1 Н (рисунок 15).

Таким образом, получены следующие результаты определения рациональных параметров: глубина обработки, а=0,41 м; межъярусное расстояние, Ь=0,14 м; тяговое сопротивление, ¥=4066,2 Н (4,07 кН).

Для чизельных лап с нижней заточкой факторами (рисунок 16), вли-яю-щими на величину тягового сопротивления, приняты ширина лапы (ЬО с интервалом варьирования от ЬШщ=0,07м до Ьтах=0,5м, и серединой Ь0=0,285м, и угол крошения (Р;) с интервалом варьирования от рт1П=30° до ртах=40° и серединой р0=35°. При этом часть конструктивных параметров лапы принята такой, как у плуга чизельного навесного типа ПЧН (задний угол £=10-13°,

Рисунок 16 - Экспериментальный образец (а); Схема рабочего органа (б)

угол заточки у=25°), а технологические факторы - глубина обработки и скорость обработки - приняты близкими к первичным требованиям (15±1см, до 9 км/ч соответственно).

Для составных чизельных лап (рисунок 17) факторами, влияющими на величину тягового сопротивления, приняты общая ширина лапы с интервалом варьирования от Ьп„=210мм до Ьтк=490мм, с серединой Ь0=350 мм, и угол расстановки составных её частей (долот с шириной равной 70мм) Р| с интервалом варьирования рт1П=0° до ртах=45°, с серединой р0=22.5°.

Результаты определения рациональных параметров следующие: ширина лапы Ь=336,4 мм; угол крошения р=35,2°; тяговое сопротивление У 8=4157,5 Н (4,16 кН).

Рисунок 17-Рабочий орган с составной лапой

Для плугов с цилиндрическими долотами и поворачивающимися лапами (рисунок 18) факторами, влияющими на величину тягового сопротивления, приняты конструктивные параметры диаметр долота (с^, мм) с интервалом варьирования от £1т1п=70мм до с1тах= 120мм, с серединой ё0=95мм и радиус закругления загнутого конца наставки (Я,-, мм) с интервалом

Ш варьирования от Ят1п=250мм до 11тах=350мм, с серединой Я0=300мм. Результаты исследований по оптимизации следующие: глубина обработки, а=30±1 см; скорость обработки до 9 км/ч; диаметр долота с!=94 мм; радиус закругления загнутого конца наставки Я=307 мм; значение оптимальной

Рисунок 18-Экспери- величины тягового сопротивления рабочего органа ментальный образец

У$=1556,5 Н (1,6 кН).

Для универсального средства со складывающимися лапами

Рисунок 19 - Экспериментальные рабочие ДОЛота х3 с интервалом от органы со складывающимися лапами

0,18 до 0,08 м, при этом высота долота не фиксировалась, скорость перемещения х4 рабочего органа с интервалом от 4 до 8 км/ч. Результаты исследований следующие. Оптимум тягового сопротивления У5= 2085 Н, при котором: оптимальная ширина долота составила Ь = 98,8 мм; оптимальная длина рабочей части долота С = 122 мм; оптимальный угол крошения долота р = 41,3°; скорость перемещения орудия с наименьшими показателями энергоемкости процесса у=4-5 км/ч.

Комплексная оценка предлагаемых нами машин для безотвальной обработки почвы и аналогов, выпускаемых в России, в ближнем зарубежье и за границей выполнена с использованием функции желательности (кривой Харрингтона). Данное обоснование выполнялось согласно применению метода «Иерархической комплексной оценки машин» на основании работ исследователей В.Н. Плешакова, К.А. Сохта и др. Оценочные показатели с1 находятся в пределах, определяемых значением уровня желательности (рисунок 20)

0=0,2-0,8. Максимальное значение обобщённого показателя Э характеризует технический уровень (ТУ) конкретной машины относительно других.

0.4 С )едни г уров ек*

0.2 / уров >итег

0 -И V X

0 -0.2 1 2 3 4 5 6 7 1

Рисунок 20 - Функция желательности (по Харрингтону)

л = чЕ

(15)

где Б - обобщённый показатель комплексной оценки; п - количество частных оценочных ¡-показателей; К -

коэффициент весомости каждого ¡-го показателя; ф - желательность ¡-го показателя в долях от ].

В пятой главе рассмотрены:

- производственные (полевые) испытания машин, разработанных для безотвальной обработки почвы (рисунки 21, 22);

а - плуг ПЧН-3,2; б - плуг ПЧН-4,1; в, г, д, е - плуг «Универсал Куб ГАУ» Рисунок 21 - Моменты испытаний плугов ПЧН-3,2 и «Универсал Куб ГАУ»

а - целина; б - весновспашка; в- под зябь

Рисунок 22 - Качество обработки почвы плугом «Универсал Куб ГАУ»

- промышленные образцы и технологии, внедрённые в хозяйствах Краснодарского края (рисунки 23-26);

I.

гшш

1

Рисунок 23 - Промышленный образец плуга ПЧНГ-3,2

Рисунок 25 - Гусеничный энергетический модуль М-100 -внедрено 75 шт. (а); - Разбрасыватель удобрений СНЦ-500 - внедрено 500 шт. (б)

Рисунок 24 - Схема «Лущильника чи-зельного навесного ЛЧ-4,2» (внедрено 10 шт.)

Рисунок 26 - Образец плуга «Универсал Куб ГАУ»

- доработка некоторых конструктивных элементов средств почвобра-ботки;

- расчеты экономической эффективности.

Результаты испытаний в полевых условиях экспериментальных плугов и сравнение с базовыми плугами ПЧН-2,2, ПЧН-3.2 следующие: для плугов с двухъярусными лапами - это снижение размера комка (фракции почвы) на 65-70 % и удельного тягового сопротивления с 6,8 кН/м у базового средства ПЧН до 5,9 кН/м, и у экспериментального при глубине обработки почвы 0,3 м; с прямоугольными лапами с нижней заточкой - степень крошения 30% после базового средства и 100% после экспериментального, и рост удельного тягового сопротивления с 4,3 до 4,5 кН/м при глубине 0,2 м; с составными лапами - это повышение степени крошения с 30 до 75 %, снижение удельного тягового сопротивления с 4,3 до 3,4 кН/м соответственно при глубине обработки почвы 0,2 м; цилиндрическими долотами и поворачивающимися лапами - степень крошения одинаковая и составляет 30 %, удельное тяговое сопротивление при глубине обработки почвы 0,2 м 4,3 кН/м у базового средства и 3,8 у экспериментального; со складывающимися лапами «Универсал КубГАУ» - степень крошения одинаковая и составляет 30 %, удельное тяговое сопротивление при глубине обработки почвы 0,2 м 4,3 кН/м у базового средства и 4,2 у экспериментального.

Расчётная эффективность процессов обработки почвы под озимые зерновые культуры экспериментальных средств в сравнении с известными техническими средствами показывает экономию расхода топлива (кг/га) соответственно: с составными лапами 7,2; со складывающимися лапами 2,34; с

прямоугольными лапами с нижней заточкой 4,7; с двухъярусными лапами 17; с совмещением безотвальной обработки и посева 14,6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итоги выполненных исследований.

1. С использованием логики предикатов и кванторной алгебры определены предметные переменные и их области существования для логического программирования по сплошной обработке почвы. Выделено три многоместных предиката, и после операции квантификации получены логические уравнения, позволяющие определить направления исследований.

2. Получена общая целевая функция по почвообработке для оптимизации количества работающих агрегатов и определению минимума затрат на топливо и компенсацию ущербов из-за срыва агросроков и от уплотнения почвы после движения агрегатов по полю. На основе общей целевой функции по почвообработке разработаны частные - для отдельных технологических операций: пахота, боронование, сплошная культивация, дискование, прикатывание.

3. Разработан полный алгоритм вероятностной имитационной модели целевой функции по определению состава пахотного агрегата и его технологических параметров. Реализацию моделирования по методу Монте-Карло предложено проводить с использованием специальной надстройки в Excel. Выполнялась проверка адекватности результатов моделирования данных статистических наблюдений, относительная ошибка моделирования не превысила 5%.

4. В результате имитационного моделирования по пахоте сформированы 4 группы эффективности агрегатов и получена информация по оптимальному значению количества агрегатов при различных нормативных агросроках и соответствующих ущербах, а также сроках, превышающих данные нормативы. На пахоте произведена оценка эффективности замены почвообрабаты-

вающего орудия на одном тракторе, что позволило заключить следующее: для трактора К-700 наиболее эффективным является орудие типа ПГП-7-40, и при работе с ним затраты в среднем на 22% ниже по сравнению с ПТК-9-35 и на 32% с ПП-8-35; для Т-150К замена рабочего органа типа ПЛН-6-35 не оказывает существенного влияния на эффективность: на 3% по сравнению с ПЛН-5-35 и ПН-4-40, на 9% по сравнению с ПЛН-4-35; на тракторах Т4-А и ДТ-75М замена орудий ПН-6-35 на ПН-4-35 приводит к снижению затрат на 16%. Таким образом, вид орудия оказывает влияние на эффективность работы агрегата, но не для всех типов тракторов. Рассчитана также эффективность агрегатов при смене типа трактора при работе с одним и тем же почвообрабатывающим орудием, и результаты показывают низкую зависимость эффективности от замены тягового агрегата - в пределах 10%.

5. Моделирование работы агрегатов при бороновании показало: изменение типа борон мало влияет на эффективность агрегатов, большее влияние оказывает количество проходов; оптимальное количество агрегатов колеблется в небольших пределах и для всех агрегатов составляет 2-3 шт.; все агрегаты условно разбиты на 5 групп эффективности - в зависимости от затрат на топливо и компенсацию общего ущерба. Анализ данных боронования говорит о том, что наибольшее влияние на ущерб от срыва агросроков оказывает агрегат с трактором типа МТЗ-80, а наименьшее - К-701 (из-за разной производительности).

6. После моделирования технологической операции - дискование - все агрегаты распределены также на четыре группы эффективности: на первом месте идут агрегаты с гусеничными тракторами Т-150, Т-4А с дискаторами БД-10, на последнем месте тракторы К-700, К-701 с тяжелыми дискаторами БДТ-7. Для агрегата К-701 + БД-10, при количестве нормативных смен равное 12, уже после трех работающих агрегатов ущерб становится равным нулю (дальнейшее увеличение неэффективно), а для агрегата Т-4А, Т-4М +БДТ-7, при том же количестве нормативных смен, только после 6 агрегатов их увеличение не влияет на ущерб из-за срыва агросроков

7. На основе анализа моделирования при культивации были сформированы 4 группы по эффективности и в 1-ю группу попали агрегаты К-700, К-701, которые ранее обычно были на последних местах. Это связано с тем, что данная технологическая операция теснее связана с агросроками, а эти агрегаты имеют высокую производительность, что приводит к высокой эффективности, несмотря на более сильное воздействие на почву. Также проанализированы данные при культивации с боронованием и отмечено значительное влияние типа почвообрабатывающего орудия на эффективность агрегатов.

8. Произведены расчеты по эффективности смены почвообрабатывающих орудий, так, например, для культивации и агрегатировании с трактором К-700 данные показали следующее: при 2- сменном нормативном сроке, работой от 1-5 шт., с орудием КШУ-18-1 общие затраты на топливо и компенсацию ущербов составят от 2597 до 832 руб./га; переход на КСП-4-4 приведет к увеличению данного вида расходов на 23 - 17%; замена на КШУ-12 1, КСП-4-3 увеличит затраты на 56-33%; при 4-х сменном нормативном сроке затраты будут 2230-750 руб./га (от 1 до 4 агрегатов), замена на КСП-4-4 приводит к увеличению расходов на 27-4%, переход на КШУ-12 1, КСП-4-3 -65-22%. Чем короче нормативный срок, тем больше влияние вида почвообрабатывающего орудия на эффективность агрегата. Замена таких орудий как КСП-4-4 на КШУ-12-1, КСП-4-3 в среднем повышает эффективность на 30%. Установлено, что для орудия КСП-4-3 смена трактора К-700 на Т-150К не оказывает влияние на эффективность работы. Также небольшая разница (до 20%) между гусеничными тракторами Т-4А и ДТ-75М. По орудию КСП-4-2 нужно сказать, что только трактор ДТ-75М отличается низкой эффективностью - ниже на 41% по сравнению с Т-150К, а остальные - находятся ориентировочно на одном уровне.

9. После анализа данных моделирования по операции прикатывание произведено разделение агрегатов на три группы эффективности и установлено, что 2-ю и 3-ю группы эффективности занимают все агрегаты с тракторами Т-150К и МТЗ-122; для тракторов Т-150К и МТЗ-122 замена почвооб-

рабатывающего орудия практически не влияет на эффективность по топливу и компенсацию ущербов; при достаточно большом количестве тракторов (более 5-6) по сравнению с другими технологическими операциями становятся более эффективными агрегаты ДТ-75М+ ЗКВГ-1,4 ДТ-75М+ ЗКВГ-1,4, и они переходят в первую группу ввиду малого воздействия на почву.

10. Анализ сводных данных по всем технологическим операциям при традиционной системе обработки почвы подтвердил существование выдвинутых ранее следующих предикатных высказываний. Так, первому кванти-фицированному предикату («существует такое почвообрабатывающее орудие или тяговая машина, которые приводят к минимальным общим затратам») соответствует мобильное энергосредство - трактор Т-4А.

11. После интегрирования всех агрегатов в общую традиционную технологию почвообработки и выборки их характеристик (количество агрегатов, общие затраты на топливо и компенсацию ущербов, в том числе затраты на топливо) в зависимости от требований к выполнению агросроков предложено их дифференцировать на три категорийных режима: жесткий (в зависимости от технологической операции 2 или 5 смен), норма (4 или 10 смен), мягкий (6 или 15 смен). Также, учитывая агрофоны и типы оборудования, были сформированы два режима работы агрегатов: «тяжелый» - при работе на агрофонах, требующих низкую производительность с большими затратами топлива или обработку тяжелыми двойными боронами, и «облегченный» - на легких агрофонах и с обычными боронами.

12. Для тяжелого режима работы между высокоэффективной группой и низкоэффективной практически нет разницы в оптимальном количестве агрегатов, независимо от уровня требований к агросрокам (от «жесткого» до «мягкого»). Имеется существенное отличие по общим затратам между группами эффективности: высокоэффективная превышает низкоэффективную от 1,43 до 1,6 тыс. руб./га (на 33- 37%). Также высокоэффективная группа имеет меньшие затраты на топливо - от 0,38 до 0,71 тыс. руб./га (на 26-50%).

13. Для облегченного режима работы низкоэффективная группа для уровня «норма», имеет большее значение оптимального количества агрегатов: для жестких требований к агросрокам - на 14 шт., для нормальных - на 6 шт., для мягких - на 5 шт. В то же время превышение общих затрат низкоэффективной группы по сравнению с высокоэффективной находится в интервале от 1,3 до 1,4 тыс. руб./га (на 37-40%). Превышение уровня затрат на топливо для низкоэффективной группы составляет от 0,23 до 0,38 тыс.руб./га (на 29-45%). Следует заметить, что затраты на топливо, во всех случаях, находятся на уровне 30-35% от общих затрат на топливо и компенсацию ущербов от воздействия на почвы и ввиду срыва агросроков.

14. При минимальной обработке почвы разница по общим затратам между группами эффективности составила: высокоэффективная превышает низкоэффективную в тяжелом режиме работы в среднем на 1,5 тыс. руб./га (на 37%), в легком - на 1 тыс. руб./га (на 26%). Также высокоэффективная группа имеет меньшие затраты на топливо, в среднем на 33%. По сравнению с общепринятой технологией при минимальной обработке и тяжелом режиме работы общие затраты для высокоэффективной группы снизились на 1,6 -2,1 тыс. руб./га (на 40-45%), для низкоэффективной группы - на 1,73-1,8 тыс. руб./га (на 31%); для облегченного режима работы: для высокоэффективной группы затраты снизились на 50%, а для низкоэффективной — на 23%. Затраты на топливо при минимальной обработке и тяжелом режиме работы в два раза ниже, а для облегченного режима меньше на 32%. Также сократилось общее оптимальное количество работающих агрегатов на 10-17%.

15. Обоснованы и разработаны энергосберегающие конструктивно-технологические решения, имеющие техническую новизну, отражённые в патентах РФ №№ 2214076, 2267893, 2144749, 2298302, 2349063, 2479971, 2202159, 2259028, 2244387, 2298303, 2404560, 2448448, 2468558, 2404559, 2404558, 2189127, 2299537, 2316921, 2343657, 2407257, 2449520, 2177213, 2384985, 2457645, 2297127; 2518254, 2297127; 2267893, 2327322, 2338360, 2370929 и полезных моделях (свидетельствах) РФ №№ 1989, 10041,10507.

16. Предложены аналитические выражения для расчётов энергосберегающих параметров и тяговых сил новых средств почвообработки. Сравнение традиционной технологии обработки почвы с предлагаемым вариантом комплекса машин привело к заключению, что для высокоэффективных комплексов машин безотвальная технология позволяет сократить оптимальное количество агрегатов на 25-32% (в зависимости от уровня требований к агросрокам), а также уменьшить общие затраты на 27%. В то же время внедрение новых почвообрабатывающих машин за счет пониженных сопротивлений и совмещения технологических операций позволит сократить количество работающих агрегатов на 50-58% и уменьшить общие затраты на 48-50%.

17. Сравнение традиционной технологии обработки почвы с минимальной обработкой почвы для низкоэффективных машин показало, что безотвальная технология приводит к сокращению агрегатов на 11-14%, общих затрат - на 12%; а новый комплекс машин сократит количество работающих агрегатов на 14-27% и общих затрат - на 55%. Анализ затрат на топливо показал, что переход на безотвальную технологию как для высокоэффективных агрегатов, так и низкоэффективных приведет к экономии этого ресурса на 45%, а внедрение новых орудий снизит потребление топлива на 61-64%.

18. В хозяйствах Краснодарского края внедрены: лущильник ЛЧ-4,2 (10 шт.); разбрасыватель минеральных удобрений СНЦ-500 (400 шт.); мобильное энергосредство «Гусеничный энергетический модуль М-100» (75 шт.); энергосберегающая технология обработки почвы комплексом машин - безотвальным плугом ПЧНК-4,1 и ротационным рыхлителем РР-3,2; двухъярусный плуг ПЧНГ-3,2; плуг со складывающимися лапами «Универсал КубГАУ»; современная технология предупреждения деградации почв; имитационные модели при планировании норм расхода топлива сельскохозяйственной техники.

Рекомендации производству и перспективы дальнейшей разработки темы

1. Использовать полученные составы ресурсосберегающих комплексов агрегатов для обработки почвы, хозяйствам АПК степной зоны Северного

Кавказа, а также применять при планировании норм расхода топлива в поч-вообработке.

2. Применять разработчиками новых орудий логику предикатов и кван-торную алгебру для определения предметных переменных и их области существования, для выявления направления исследований и совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих машин.

3. Использовать разработанные имитационные модели в научно-исследовательских организациях при определении рациональных составов агрегатов для сельскохозяйственных работ, а энергосберегающие конструктивно-технологические решения, с технической новизной, отражённой в патентах, проектным организациям и предприятиям-изготовителям сельхозмашиностроения для изготовления промышленных образцов.

4. Применять полученные имитационные модели при программировании микроконтроллеров готовых наборов оборудования «точного земледелия» и использовать в работе главных специалистов хозяйств и в навигаторах механизаторов.

5. Использовать полученные логические предикаты, имитационные модели в дисциплинах учебных программ магистратуры и аспирантуры по направлению «Агроинженерия». Внедрить изданные монографии, патенты и учебные пособия в лекционных курсах, лабораторно-практических занятиях и при подготовке выпускных квалификационных работ.

6. Перспективным является использование имитационного моделирования для формирования различных энергосберегающих комплексов в растениеводстве как путь снижения себестоимости продукции.

7. Для интенсификации внедрения «точного земледелия» в сельском хозяйстве необходимо разработать отечественные программные продукты на основе имитационных моделей агрегатов российского и зарубежного производства.

Основные публикации по теме диссертации: Монографии:

1.Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологические решения энергосберегающего комплекса машин для предупреждения деградации почв в Краснодарском крае: монография / Б. Ф. Тарасенко; КубГАУ. - Краснодар, 2012.-280 с.

2. Тарасенко, Б. Ф. Имитационное моделирование при формировании эффективных комплексов почвообрабатывающих агрегатов - еще один шаг к точному земледелию: монография / С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко; КубГАУ. - Краснодар, 2014. - 290 с.

Статьи в журналах из перечня ВАК:

3. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологические решения безотвальной обработки почвы с повышенной степенью крошения пахотного слоя / Б. Ф. Тарасенко // Тр. / КубГАУ. - 2010. - № 2(23). - С. 188-192.

4. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологические решения безотвальной обработки почвы с увеличенной глубиной пахотного слоя / Б. Ф. Тарасенко // Тр. / КубГАУ. - 2010. - № 2(23). - С. 197-200.

5. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологические решения безотвального разрыхления почвенных структур верхнего горизонта Рлекгронный ресурс] / Б. Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2010. - № 58(04). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2010/04/pdf/27.pdf

6. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологическое решение для внесения и заделки органических удобрений при безотвальной обработке почвы / Б. Ф. Тарасенко // Тр. / КубГАУ. - 2010. - № 3(24). - С. 144-147.

7. Тарасенко, Б. Ф. Оптимизация параметров рабочего органа безотвального плуга с двухъярусными плоскорежущими лапами / Б. Ф. Тарасенко // Тр. / КубГАУ. - 2010. - № 3(24). - С. 184-187.

8. Тарасенко, Б. Ф. Оптимизация параметров рабочего органа конструктивно-технологического решения безотвального разрыхления почвенных

структур верхнего горизонта [Электронный ресурс] / Б. Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2010. - № 60(06). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2010/06/pdf/24.pdf

9. Тарасенко, Б. Ф. Универсальный плуг для безотвальной обработки почвы с цилиндрическими долотами и поворачивающимися лапами и оптимизация его параметров при глубоком рыхлении [Электронный ресурс] / Б. Ф. Тарасенко, С. А. Горовой, В. В. Цыбулевский // Науч. журн. КубГАУ. -Краснодар, 2010. - № 60(06). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2010/06/pdf/25.pdf

10. Тарасенко, Б. Ф. Оптимизация параметров рабочего органа конструктивно-технологического решения для безотвальной обработки почвы с повышенной степенью крошения пахотного слоя [Электронный ресурс] / Б. Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2010. - № 61(07). - Режим доступа http://ej.kubagro.ru/2010/07/pdf/03.pdf

11.Тарасенко Б. Ф. Экспериментальные и теоретические исследования работы рабочих органов универсального безотвального плуга [Электронный ресурс] / А.Н. Медовник, Б. Ф. Тарасенко, С. А. Горовой // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2010. - № 61(07). - Режим доступа: Ьнр:/Ау .kubagro.ru/2010/07^/02^

12.Тарасенко Б.Ф. Теоретические основы расчёта энергетических параметров механизированных процессов обработки почвы [Электронный ресурс] / Б.Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2011. - № 66(02). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/02/рс1Г/15.pdf

13.Тарасенко, Б.Ф. Производственные испытания и экономические показатели универсального безотвального плуга Рлектронный ресурс] / Б.Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2011. - № 66(02). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/02/рс1Г/17.рс1Г

14.Тарасенко, Б. Ф. Комплексная оценка машин для безотвальной обработки почвы Рлектронный ресурс] / Б. Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. -

Краснодар, 2011. - № 66(02). - Режим доступа: 1тр:/Лу .kubagro.ru/2011/02/рсШ 16.pdf

15.Тарасенко, Б. Ф. Комплексный подход к технологии производства зерновых колосовых культур [Электронный ресурс] / Б. Ф. Тарасенко, С. В. Оськин // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2013. - № 87(03). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/03^/26^

16.Тарасенко, Б.Ф. Новая полевая установка для инженерной оценки почвообрабатывающих рабочих органов Рлекгронный ресурс] / В.А. Дробот, Б. Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2013. - № 91(07). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/07/pdf/59.pdf

17.Тарасенко, Б.Ф. Надежность технических систем и экологический, экономический ущербы в сельском хозяйстве. / С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко Рлекгронный ресурс] // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2014. - № 101(07). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/62.pdf

18.Тарасенко Б.Ф. Имитационное моделирование при анализе эффективности почвообрабатывающих агрегатов [Электронный ресурс] / С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко, В. Н. Плешаков // Науч. журн. КубГАУ. - Краснодар, 2014. - № Ю2 (08). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/066.pdf

19.Тарасенко, Б.Ф. Новая полевая установка для динамометрирования и результаты оценки тяговых сопротивлений почвообрабатывающего рабочего органа / В. А. Дробот, Б. Ф. Тарасенко // Тракторы и с.-х. машины. - 2014. -№ 12.-С. 10-13.

20. Тарасенко, Б.Ф. Имитационное моделирование для оптимизации состава почвообрабатывающих агрегатов при возделывании зерновых культур Рлектронный ресурс] /С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко // Науч. журн. КубГАУ. -Краснодар, 2015. - № 106 (02). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/02/pdf/033.pdf

21. Тарасенко, Б. Ф. Оптимизации количества и состава почвообрабатывающих агрегатов / С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 2015. - № 2, - С. 25-27.

Статьи в сборниках научных трудов, материалах научных конференций и прочие публикации:

22. Тарасенко, Б. Ф. Новое техническое средство для обработки почвы в междурядьях сада / А.Н. Медовник, Б.Ф. Тарасенко, С.А. Твердохлебов // КубГАУ. - Краснодар, 2008. - 9 с. - Библиогр.: 5 назв.

23. Тарасенко, Б. Ф. Схема сил при работе долота универсального рабочего органа / А. Н. Медовник, Б. Ф. Тарасенко, С. А. Твердохлебов // Энерго - и ресурсосберегающие технологии и установки: материалы науч. конф. факультета механизации. - КубГАУ. - Краснодар, 2008. - С. 46-54.

24. Тарасенко, Б. Орудие для обработки почвы в междурядьях сада / А. Медовник, Б. Тарасенко, С. Твердохлебов, С. Горовой // Сел. Механизатор. -2008. -№10.-С. 10-11.

25. Тарасенко, Б. Ф. Параметры дисковых ворошителей универсального плоскореза / Б. Ф. Тарасенко, С. А. Горовой // Науч. основы повышения продуктивности с.-х. животных: Сб. науч. тр. юбил. междунар. (2-ой) науч,-практ. конф., посвящ. 40-летию образования СКНИИЖ. - Краснодар, 2009. -С. 146-148.

26. Тарасенко, Б. Ф. Проектные решения универсальных плугов для безотвальной обработки почвы / С. А. Моргунов, Б. Ф. Тарасенко // Студенчество и наука. - Краснодар: КубГАУ. - 2012. - С. 324-328.

27. Тарасенко, Б. Ф. Метод комплексного подхода и методология энергосбережения и сохранения плодородия при производстве зерновых колосовых культур / Б. Ф. Тарасенко, С. В. Оськин // Техн. и технолог, системы: материалы У-ой междунар. науч.-практ. конф. - Краснодар, 2013. - С. 272-277.

28. Тарасенко, Б. Ф. Усовершенствованное конструктивно-технологическое средство / Б. Ф. Тарасенко, Н. Ф. Яковлев, В. А. Дробот // Проблемы механизации и электрификации сел. хоз-ва: материалы Всерос. науч. практ. конф. - Краснодар, 2013. - С. 153-158.

29. Тарасенко, Б. Ф. Применение имитационного моделирования для оптимизации количества, состава и безопасности почвообрабатывающих аг-

регатов / С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко // Чрезвычайные ситуации; промышл. и экол. безопасность. - 2014, № 3-4 (19-20). - С. 110-122.

30. Тарасенко, Б. Ф. Перспективы уменьшения эрозии почв при работе пахотных агрегатов / И. А. Пястолова, С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко // Чрезвычайные ситуации; промышл. и экол. безопасность. - 2014, № 3-4 (19-20). -С. 122-128.

31. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологические решения для борьбы с подтоплениями и для накопления влаги в почве / Б. Ф. Тарасенко // Техн. и кадровое обеспечение инновац. технологий в сел. хоз-ве: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГАТУ. - Минск, 2014. - Ч 1,-С. 101-104.

32. Тарасенко, Б. Ф. Результаты оценки тяговых сопротивлений почвообрабатывающего рабочего органа с зарубежными аналогами и новая полевая установка для динамометрирования / Б. Ф. Тарасенко, В. А. Дробот // Техн. и кадровое обеспечение инновац. технологий в сел. хоз-ве: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГАТУ. - Минск, 2014. - Ч. 1,-С. 122-124.

33. Тарасенко, Б. Ф. Формирование состава и количества почвообрабатывающих агрегатов при возделывании зерновых культур как фактор снижения влияния на экологию / С. В. Оськин, Б. Ф. Тарасенко // Чрезвычайные ситуации; промышл. и экол. Безопасность. - 2015, № 1 (21). - С. 101-111.

Подписано в печать 16.07.2015 г.

Бумага офсетная Формат 60x84 1„6

Печ. л. 1 5 Офсетная печать

Тираж 100 экз._Заказ №403

Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13