автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Имитационное моделирование при формировании технологического комплекса машин в природообустройстве

рукописи

ПОДХВАТИЛИН Иван Михайлович

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МАШИН В ПРИРОДООБУСТРОЙСТВЕ

(на примере строительства закрытой оросительной сети)

Специальность 05.20.01 — технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005061136

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Новиченко Антон Игоревич

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РАСХН Дидманидзе Отари Назирович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ)

кандидат технических наук, профессор Ильин Семён Петрович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное

учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГБНУ «Росинформагротех»)

Защита диссертации состоится « 25 » июня 2013 г. в _П_ часов _00_ минут на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 1/201. Тел./факс: 8 (499) 976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУП Автореферат разослан «<$_» мая 2013 г. и размещен на официальных сайтах: ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ni «(¿О » мая 2013 г., ФГБОУ ВПО МГУП http://www.msiiee.ru «ЛО » мая 2013 г.'

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.И.Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной задачей агропромышленного комплекса является надежное обеспечение страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем, что во многом зависит от биопродуктивности и влагообеспеченности сельхозугодий. Решение этой задачи может быть достигнуто за счет применения комплексной системы земледелия, которая базируется на взаимосвязанных агротехнических, мелиоративных и организационных мероприятиях, направленных на эффективное использование природных ресурсов, повышение плодородия почв, а также формирование бережного отношения к земле в рамках концепции природообустройства.

В настоящее время состояние существующих мелиоративных систем не способно обеспечить стабильное развитие сельскохозяйственного производства в зонах рискованного земледелия: новые мелиоративные объекты строятся крайне медленно, а старые нуждаются в реконструкции.

Изменить сложившуюся ситуацию сможет утвержденная распоряжением Правительства РФ от 22 января 2013 годы Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 — 2020 годы», которая предполагает существенные денежные вливания в развитие мелиоративного комплекса.

В связи с этим, разработка современных технологий и эффективных технологических комплексов машин для проведения работ по строительству и реконструкции осушительно-оросительных систем является актуальной задачей.

Цель работы — разработать методику оценки эффективности технологических комплексов машин в природообустройстве с применением методов имитационного моделирования.

Задачи исследования. Для достижения выбранной цели настоящей работы были поставлены следующие задачи:

— провести анализ существующих технологий механизированных работ в строительстве осушительно-оросительных систем;

— обосновать выбор материала трубопровода, профиля траншеи оросительной сети и технологии производства землеройных работ с учетом нормативных требований и особенностей грунтов в конкретной организации;

— определить эксплуатационно-технологические показатели работы технологического комплекса по результатам хронометражных наблюдений за работой существующего комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети в условиях выбранной организации;

— провести сбор и обработку статистических данных по эксплуатационно-технологическим показателям и показателям надежности объектов исследования в условиях реальной эксплуатации;

— выбрать критерий оптимальности и разработать экономико-математическую модель для определения оптимальной структуры технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования;

— применить методы имитационного моделирования для определения параметров технологического процесса работы рассматриваемых вариантов комплекса;

— определить оптимальный состав технологического комплекса машин на основе предложенной технико-экономической модели;

-выполнить оценку экономической эффективности использования оптимального технологического комплекса машин в условиях реальной организации.

Объектом исследования являлись средства механизации в природо-обустройстве в виде землеройной техники различных производителей.

Предметом исследования являлось влияние эксплуатационно-технологических показателей и показателей надежности объектов исследования на эффективность работы технологического комплекса машин в природообустройстве.

Методика исследования. Методической основой выполненных исследований послужили труды выдающихся ученых, занимавшихся проблемами повышения эффективности эксплуатации техники в сельском хозяйстве и мелиоративном строительстве.

В работе использованы: теория планирования эксперимента, математическая статистика, методы имитационного моделирования с использованием ЭВМ.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. Разработана имитационная модель по определению параметров технологического процесса рассматриваемых вариантов состава комплекса машин с учетом эксплуатационно-технологических показателей, надежности каждой машины, категории грунта и параметров профиля траншеи.

2. Предложена экономико-математическая модель для определения оптимального состава технологического комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети с учетом эксплуатационно-технологических показателей и надежности каждой машины.

Научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Результаты статистических наблюдений за работой объектов исследования в условиях реальной эксплуатации, их эксплуатационно-технологические показатели.

2. Структура имитационной модели и результат имитационного моделирования параметров технологического процесса работы предложенных вариантов комплекса машин.

3. Состав оптимального технологического комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети, сформированный на основе выбранного критерия оптимальности и предложенной целевой функции.

4. Экономико-математическая модель для определения приведенных затрат на единицу выполненной работы технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования.

5. Экономическое обоснование эффективности использования оптимального технологического комплекса машин в условиях реальной организации.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Разработанная методика и полученные результаты исследования будут востребованы сельхозпредприятиями как в период формирования нового парка машин технологических комплексов, так и при эксплуатации существующего.

Применение имитационного моделирования технологических процессов позволяет рационально использовать производственный потенциал предприятия, точнее прогнозировать объем и сроки выполняемых работ, повысить эффективность механизированных работ в природообустройстве.

Результаты исследований реализованы в рекомендациях по определению оптимального состава парка машин и оборудования, разработан программно-вычислительный комплекс «ЗОС: Яхрома-1.0» для автоматизированного выбора состава технологического комплекса машин и расчета его экономических показателей.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО МГУП (2007 - 2013 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 176 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Список литературы включает в себя 147 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы научной работы и необходимость ее разработки. Сформулированы цели и задачи исследования, дана оценка теоретической значимости и прикладной ценности полученных результатов. Намечены области применения и дальнейшие пути исследований.

Актуальность работы подтверждается Федеральной целевой программой «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы».

В первой главе рассмотрено состояние изучаемого вопроса, на основе анализа литературных источников обоснованы направления и методы решения поставленных задач. Рассмотрены разновидности и технологии механизированных работ в природообустройстве, выполнен анализ существующих конструкций и материалов осушительно-оросительных систем.

Проведен анализ состояния мелиоративных систем в Центральном регионе Российской Федерации. Выявлено, что средняя величина износа осушительно-оросительных сетей сельхозугодий составляет до 80% и выше.

Такое крайне неудовлетворительное состояние мелиоративного комплекса обусловлено отсутствием государственной поддержки сельхозпроизводителей при строительстве и реконструкции капитальных мелиоративных сооружений, а также при их ремонте и обслуживании.

Проблемы технической эксплуатации и ремонта оросительных систем рассмотрены в работах А.И. Голованова, И.П. Айдарова, Е.П. Борового, К.В. Губера, Б.С. Маслова, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Рыбкина, М.Ю. Храброва, A.A. Пахомова, М.С. Григова, Ю.И. Сухарева и других ученых.

Исследования показывают, что характеристики земель различных природно-климатических зон страны демонстрируют необходимость мелиоративного улучшения большинства сельскохозяйственных угодий для повышения эффективности их использования. Доказано, что выход продукции с орошаемого гектара в 2-5 раз выше, чем с богарного, а производительность труда, эффективность использования природных и материально-технических ресурсов, в том числе удобрений, увеличиваются в 2-3 раза.

Во второй главе рассмотрены технологии строительства закрытых оросительных сетей, осуществлен выбор материалов трубопровода и параметров сооружения оросительной сети, предложена методика формирования комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети сельскохозяйственных угодий на пойме реки Яхромы Дмитровского района Московской области. Вопросы строительства насосных станций и шлюзов в работе не рассматривались.

Для реализации поставленных задач Программы необходимо не только разрабатывать современные технологии строительства мелиоративных сооружений, но и решать задачи по созданию эффективных систем комплексной механизации строительства с учетом передовых технологий.

В последнее время в мелиорации широко используются полимерные трубопроводы. Это обусловлено высокими эксплуатационными свойствами трубопровода и сравнительно низкими затратами на строительство и эксплуатацию. Область применения полимерных трубопроводов в сельском хозяйстве на сегодняшний день довольно обширна (таблица 1).

Таблица 1 - Возможные области применения полимерных трубопроводов

Область применения Диаметр трубопровода, мм Доля полимерных труб, %

Орошение сельхозугодий Орошение культурных пастбищ Обводнение пастбищ Сельхоз водоснабжение Ко в зоне орошения в зоне осушения 100-300 50-300 50-200 50-300 ллекторно-дренажная се 100-200 50-200 70 80 95 85 ГПЬ: 85 97

Технология укладки полимерного трубопровода регламентируется техническими нормами и требует бережного обращения на всех этапах строительства.

Сегодня одним из главных поставщиков сельхозпродукции Московского региона является Яхромская пойма Дмитровского района площадью 9,2 тыс. га, которая дает до 70% овощной продукции всего Подмосковья (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема расположения сельхозугодий поймы реки Яхромы —--старое русло;--новое русло; — - оросительные каналы; — - граница поймы

Оросительная сеть поймы реки Яхромы в проекте увязана с осушительной сетью с целью недопущения пересечений. При строительстве оросительной сети с применением магистрального напорного трубопровода из ПНД (полиэтилена низкого давления) диаметром 315 мм и глубине заложения до 1,8 м рекомендуется с учетом природно-климатических условий разрабатывать траншею с коэффициентом заложения откосов 0,75. При этом в зависимости от рельефа местности глубина траншеи на отдельных участках может колебаться от 1,8 до 2,5 метра.

Согласно требованиям нормативной документации дно траншеи укрывают песчаной подушкой высотой до 0,2 м с последующим выравниванием и уплотнением. После укладки трубопровода осуществляется подсыпка пазух, образуемых между трубой и стенками траншеи на высоту, позволяющую укрыть трубу на 0,1 м. Затем осуществляется засыпка остальной части траншеи с помощью бульдозерной техники, после чего производится планировка и рекультивация участка.

Параллельно процессу землеройных работ осуществляется сварка трубных плетей с помощью специализированной сварочной установки, затем производится их опрессовка сжатым воздухом. Сваренная плеть стыкуется с уже уложенной в траншею, для чего предварительно оставляют на бровке траншеи конец плети, длина которого позволяет беспрепятственно выполнить соединение.

В целом, технологический процесс строительства закрытой оросительной сети с применением труб ПНД характеризуется высокой трудоемкостью и многообразием технологических операций. Процессы такого рода относятся к сложным объектам управления, которые характеризуются большим числом изменяющихся во времени параметров и действием большого количества факторов.

Существующие разногласия в методических рекомендациях по формированию технологических комплексов для строительства магистральных трубопроводов закрытых оросительных сетей с применением труб ПНД вынуждает подрядчиков выполнять работы на свое усмотрение, что зачастую приводит к снижению качества и повышению конечной стоимости сооружения.

Формирование эффективных технологических комплексов машин дня выполнения таких работ требует глубокой научной проработки в вопросах согласования технических параметров машин и их эксплуатационной производительности.

В третьей главе изложена программа и методика исследования. Данный раздел устанавливает основные методические и организационные положения по сбору и обработке данных по надежности и эксплуатационно-технологическим показателям объектов исследования в реальных условиях их эксплуатации.

Проведен анализ основных факторов, влияющих на надежность технологического процесса, и причин снижения производительности машин. Определена система мероприятий, направленных на повышение согласованности, надежности и производительности технологического комплекса машин.

В качестве объектов исследования были выбраны землеройные машины различных фирм-производителей, которые нашли широкое применение в мелиоративном строительстве (таблица 2).

Таблица 2 - Краткая техническая характеристика объектов исследования

№ Модель Мощность, кВт Объем рабочего органа, м3 Масса, т Стоимость, тыс.руб.

Одноковшовые экскаваторы на гусеничном ходц

САТ 322С 129 1,0 22,80 6400

1 Когтей РС220-8 143 1,0 19,70 5800

ТВЭКС ЕТ-25 131 1,0 23,50 4830

Бцльдозеры

САТ И6Ы ХЬ 127 5,6 18,20 8700

2 Коп^и П65П-12 132 5,4 19,80 9800

ЧТЗ Б ЮМ 132 5,7 18,80 3600

ЭкскаВаторы-погрцэчики

САТ 428И 62 0,8 7,10 3600

3 Коп^и \VB97S 5 67 0,8 8,10 3600

МТЗ ЭО-2626.01 65 0,8 7,90 1700

Для оценки влияния показателей надежности на эффективность работы технологического комплекса машин были собраны и систематизированы статистические данные о работе объектов исследования в реальных условиях эксплуатации. Согласно поставленной задаче проводилось наблюдение за группой однотипных машин по плану [МЯТ] в течение 1000 мото-часов в реальных условиях эксплуатации.

В процессе наблюдения за объектами исследования фиксировались хронометражные данные по рабочим циклам машин, агрегатированных соответствующими рабочими органами. Параллельно фиксировались эксплуатационные затраты, наработка на отказ, время на восстановление работоспособности, определялся коэффициент готовности машин.

Для описания работы технологического комплекса и его оптимизации было принято решение об использовании методов имитационного моделирования.

Наиболее оправданным для решения оптимизационной задачи был признан пакет моделирования от разработчиков из СПбГУ - Rand Model Designer (RMD). Достоинства этой программы заключаются в следующем:

- удобная среда программирования;

— подробное руководство пользователя;

- свободный доступ к ресурсам продукта.

Пакет моделирования Rand Model Designer - это визуальная среда объектно-ориентированного моделирования и исследования сложных динамических систем, которая имеет графические инструменты, позволяющие выполнять:

— моделирование поведения сложных систем;

- планирование вычислительных экспериментов;

— визуальную отладку и анализ поведения моделей.

Структура предлагаемой модели состоит из нескольких взаимоувязанных блоков, которые описывают поведение машин при выполнении технологических операций (рисунок 2).

Ф Rand Model Designer 6Lile [C:VI)ocumenls and Scllin&s\igoeoVPo6

Q md Классы ® taJ Model

H Константы проекта И Глобальнее параметры 5s Глобальные переменке а Процедуры и функции гроб

Э ® Импортируете пакеты в Щй Syslb

тЬ С Aper iod tun it ® CCkxk тИ CDeadZone

ȣ CDifferenoator

I>CGan S» CIntegrator 033 Clnterpolator COscMlaBngM'iit

■ С Pu beGenerator У CRarrpGenerator

CRelay =i= CSattrabon M CSawtoothGenerat FV CSmeGenerator Iй CStepsGenerator ф CSiiDb-actor 2 CSummator >CSwltch

Рисунок 2 - Скриншот экрана программной структуры имитационной модели Блоки модели описывают следующие технологические операции:

1 - снятие растительного слоя почвы (бульдозер);

2 - разработка траншеи (одноковшовый экскаватор на гусеничном ходу);

3 - подсыпка песчаной подушки (экскаваторы-погрузчики)',

4 - выравнивание и уплотнение песчаной подушки (виброплиты);

5 - сварка трубных плетей и опрессовка (установка сварочная, компрессор);

6- стыковка плетей и укладка в траншею (установка сварочная, экскаваторы-погрузчики);

7 - обратная подсыпка пазух траншеи (экскаваторы-погрузчики);

8 - обратная засыпка траншеи и рекультивация участка (бульдозер).

Алгоритм описания блоков модели учитывает все параметры, полученные в ходе наблюдения за объектами исследования в процессе реальной эксплуатации.

[^7<1.6-г6} впй агк)(1.7<1)]

»-

ег*гу ¿сЬкгё {

К1дт:-ип^огт(0.5,1.2); 1дт:-Рдт/5(г;

[11>-1рГ+г1Т"

а«сг5 {г1:-0;(-

егЛгу асйогё?......................

РЬо!:-(60*Удг*Ки*Кп*Ку)ЛсЬи1*К9с*Э; Кп:—ип/ог гл(0,85,1 .СБ);

1.7:-17+[.Ьи1; Кд^Э :«0.05-К1 *п7; п7:-п7+1/60;>

а) б)

Рисунок 3 — Структура блоков модели, описывающих технологические операции: а) ведущей машины (операция 2); б) вспомогательной машины (операция 8)

В целом, программирование блоков модели сводится к математическому описанию рабочих циклов машин с привязкой к системному времени моделируемого процесса с учетом параметров сооружения.

В качестве ведущей машины комплекса был принят одноковшовый экскаватор на гусеничном ходу, с помощью которого производится разработка траншеи. Вспомогательные машины работают на разных операциях и вынуждены периодически переходить с одного участка на другой: бульдозер участвует в операциях 1 и 8, экскаваторы-погрузчики — в операциях 3, 6, 7 (рисунок 4). Данное обстоятельство проявляется в виде «ступенчатости» линий, отображающих операции на графике.

Ь, м.п.

Операция 1

Снятие растительного слоя почвы

Операция 2

Разработка траншеи

Операция 3

Подсыпка песчаной подушки

Операция 4

Выравнивание и уплотнение песчаной подушки

Операция 5

Сварка трубных плетей и опрессовка

Операция 6

Стыковка и укладка плети в траншею

Операция 7

Обратная подсыпка пазух траншеи

0перация~~8

Обратная засыпка траншеи и рекультивация

Рисунок 4 - Фрагмент графика имитационной модели технологического процесса строительства закрытой оросительной сети: £ - длина трубопровода (метр погонный)', Тр - рабочее время (часы)

Отличительной особенностью созданной имитационной модели является возможность изменения технических параметров машин комплекса и их эксплуатационных показателей, параметров профиля траншеи и всех технологических параметров механизированных работ. Применение встроенной функции генератора случайных чисел (по заданному закону и в заданном диапазоне распределения) позволило учесть вероятностный характер некоторых эксплуатационных показателей, что придало модели еще большей «реальности».

Следующим этапом являлась настройка имитационной модели, которая включает в себя несколько последовательных шагов (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема процесса настройки имитационной модели Проверка адекватности результатов имитационного моделирования данным статистических наблюдений выполнялась методом оценки дисперсий отклонений откликов модели от среднего значения откликов системы.

В общем виде моделируемый технологический процесс характеризуется как

у=А-х + В, (1)

где х, _)> — вход и выход (отклик) механизированного производственного процесса;

А - оператор преобразования «вход-выход»;

В - корректирующий коэффициент.

Модель считается адекватной реальному производственному процессу, если

Уфе. [Ум~(а ■ 0>; Ум + /а-^у], при хм=хф, (2)

где Уф , ум - отклик фактической системы и моделируемой соответственно;

Хф, Хм~ входные условия фактической системы и моделируемой соответственно; /„-критерий Стьюдента (¡„=2 при надежности а=0,95); (Ту- среднеквадратичное отклонение значений моделируемых показателей.

Таким образом, если фактические результаты (уф) статистических наблюдений принадлежат доверительному интервалу согласно формуле (2), то модель дает результаты, адекватные натурным экспериментам.

Оценка согласованности технологических операций модели производилась путем анализа графиков технологических процессов (рисунок 6).

комплексом с различными параметрами рабочего органа ведущей машины: а) объем ковша - 0,8 м3; б) объем ковша - 1,0 м3; в) объем ковша - 1,2 м3. (условные обозначения соответствуют рисунку 4)

На рисунке 6 - а видно, что ведущая машина малопроизводительна и сдерживает выполнение последующих операций. На рисунке 6-е наблюдается значительное опережение ведущей машиной последующие операции. Максимальная согласованность достигнута при объеме ковша ведущей машины 1,0 м3 (рисунок 6-6).

Также была выполнена оценка согласованности по остальным операциям, определены наилучшие технические параметры объектов исследования. Эксперименты с параметрами трубной плети показали, что при увеличении длины плети — повышается согласованность технологических операций. Оптимальная длина плети принята 120 м, что соответствует 10 трубам по 12 метров.

На следующем этапе проводилась оценка точности моделирования:

в -

л/ЛГ • у

где £ — относительная ошибка моделирования, %;

N— количество проведенных экспериментов, ед.

Для обеспечения точности моделирования технологических процессов необходимо учитывать показатели надежности машин, которые были получены по результатам наблюдений за объектами исследования. Надежность машин учитывалась комплексным показателем - коэффициентом готовности, который монотонно снижался в зависимости от наработки машин (рисунок 7).

Тм, мото-ч_

Т„ч

Ь, м.п.

а) ' б)

Рисунок 7 - Динамика изменений эксплуатационных показателей машин комплекса

а) изменение производительности комплекса в зависимости от надежности машин: УУт - техническая производительность, м.п./ч; УУ} — эксплуатационная производительность, м.п./ч;

Ы - изменение общей продолжительности работ, ч; /,-дшна трубопровода, м.п.; Тр - рабочее время, ч;

б) изменение наработки машин в зависимости от объемов выполненной работы комплексом: 1- экскаватор на гусеничном ходу; 2- бульдозер; 3- экскаватор-погрузчик; Т„ - наработка машин, мото-ч

Заключительным этапом настройки имитационной модели являлась калибровка математических выражений модели, использующих функции случайных величин, и уточнение законов их распределения. После проведения всех этапов настройки имитационной модели был получен инструмент для проведения серий компьютерных экспериментов (рисунок 8).

Ь, Т : "..... ^ /..

а) 'г н- б)

Рисунок 8 - Фрагменты серии компьютерных экспериментов:

а) - моделирование технологического процесса работы комплекса 1 (см. таблиц 3);

б) - моделирование технологического процесса работы комплекса 3 (см. там же);

(условные обозначения соответствуют рисунку 7)

Относительная ошибка результатов имитационного моделирования не превысила 9%, что позволяет использовать полученные экспериментальные данные в процессе дальнейших исследований.

В четвертой главе изложены основные результаты статистических и экспериментальных исследований: определены показатели надежности объектов исследования (таблица 3), приведены результаты имитационного моделирования, проведена оценка эксплуатационной производительности сравниваемых комплексов машин, определено влияние глубины заложения и суммарной длины трубопровода на продолжительность выполнения работ (таблицы 4 и 5), выявлены статистические зависимости продолжительности работы технологического комплекса от суммарной длины трубопровода и получены соответствующие уравнения аппроксимации (таблица 6).

Таблица 3 - Показатели надежности объектов исследования (за 1000 мото-ч)

№ Состав комплекса Среднее время восстанов ления, ч Параметр потока отказов ед/ч*10 Коэффициент готовности Затраты на ТО и ТР, тыс. руб. Затраты на устранение неисправностей, тыс. руб.

Комплекс 1

1 Caterpillar 322С Caterpillar 428D Caterpillar D6N XL 24 53 40 1,50 2,25 1,53 0,976 0,947 0,960 75,00 50,60 78,40 15,90 8,70 12,66

Комплекс 2

2 Komatsu PC220-8 Komatsu WB97S 5 Komatsu D65E-12 36 45 42 1,59 1,86 1,53 0,964 0,955 0,958 87,90 49,60 76,38 18,81 16,80 16,95

Комплекс 3

3 ТВЭКС ET-25 MT3 30-2626.01 ЧТЗ Б10М 74 98 78 4,77 4,80 4,23 0,926 0,902 0,922 98,52 46,60 70,36 32,85 25,20 15,87

Комплекс А

4 CAT 322C MT3 ЭО-2626.01 ЧТЗ Б10М 24 98 78 1,50 4,80 4,23 0,976 0,902 0,922 75,00 46,60 70,36 15,90 25,20 15,87

Комплекс 5

5 Komatsu PC220-8 MT3 ЭО-2626.01 ЧТЗ Б10М 36 98 78 1,59 4,80 4,23 0,964 0,902 0,922 87,90 46,60 70,36 18,81 25,20 15,87

Результаты имитационного моделирования технологического процесса строительства закрытой оросительной сети с применением различных вариантов состава комплекса сведены на рисунке 9.

L, м.п., 20 ООО

15 000

10 000

5 000

0 500 1000 1500 2000

Рисунок 9 - Сравнительный анализ результатов компьютерных экспериментов (условные обозначения соответствуют таблице 3)

Таблица 4 - Влияние глубины заложения трубопровода Лг на продолжительность выполнения работ ТР (при длине трубопровода Ь=10 000м)

№ комплекса (см. таблицу 3) Средняя продолжительность выполнения работ, ч

кТ= 1,4 м йг = 1,6 м кт= 1,8 м

1 685,1 729,2 865,8

2 686,7 734,3 870,9

3 689,4 739,1 954,6

4 685,9 731,5 885,1

5 688,3 736,4 889,3

Таблица 5 - Влияние суммарной длины трубопровода Ь на продолжительность выполнения работ ТР (при глубине заложения трубопровода ИТ 1,8 м)

№ комплекса (см. таблицу 3) Средняя продолжительность выполнения работ, ч

/. = 4000 м Ь = 8000 м ¿ = 12 000 м Ь = 16 000 м ¿ = 20 000м

1 355,2 694,1 1036,7 1380,1 1731,6

2 359,4 701,7 1047,1 1392,3 1746,1

3 377,4 754,8 1158,2 1590,3 2041,8

4 361,1 705,6 1061,3 1436,2 1824,6

5 364,1 710,4 1067,8 1445,7 1836,4

Таблица 6 - Статистическая зависимость продолжительности работы комплекса Тр (ч) от суммарной длины трубопровода Ь (м.п.) (при глубине заложения 1гт = 1,8 м)

№ комплекса (см. таблицу 3) Параметры аппроксимации

Вид уравнения Достоверность, Я2

1 Тр = 0,0855 •/. + 13,927 0,9999

2 Тр = 0,0861-/, + 16,113 0,9999

3 Гр = 0,101-/ - 24,247 0,998

4 Тр = 0,09 Ь + 1,348 0,9994

5 Тр = 0,0904-/. + 2,2935 0,9994

В пятой главе изложены основные результаты исследования, получены экономические показатели работы различных вариантов состава комплексов, предложена целевая функция оптимизации состава комплекса, определен наиболее эффективный вариант состава технологического комплекса для строительства закрытой оросительной сети в условиях сельхозугодий поймы реки Яхромы, разработана экономико-математическая модель для определения приведенных затрат на строительство погонного метра сооружения в зависимости от длины трубопровода. Разработан программно-вычислительный комплекс «ЗОС: Яхрома-1.0» для автоматизированного выбора технологического комплекса машин и расчета его экономических показателей.

Эффективность эксплуатации технологического комплекса машин характеризуется величиной приведенных затрат на единицу выполненных работ.

При известных приведенных затратах на эксплуатацию машин комплекса, учитывая при этом приведенные издержки, связанные с устранением отказов машин, определим приведенные затраты на погонный метр сооружения:

= сэ+сПр— ^ (4)

где Ц — приведенные затраты на погонный метр закрытой оросительной сети, руб./м.п.;

Сэ— приведенные затраты на эксплуатацию машин комплекса, руб./ч.;

Спр- приведенные издержки, связанные с восстановлением работоспособности машин, руб./ч.;

IV-) - среднечасовая эксплуатационная производительность комплекса, м.п./ч.

Приведенные затраты на эксплуатацию машин комплекса определяются как

Сэ =С]+С2 +С3+С4+С5+С6+С7 , (5)

где С/ - амортизационные отчисления на машины, руб./ч.;

С2 - амортизационные отчисления на средства малой механизации, руб./ч.;

С3 - затраты на топливо и эксплуатационные материалы, руб./ч.;

С/ - затраты на техническое обслуживание и ремонт, руб./ч.;

С5 — заработная плата машинистам, руб./ч.;

Сц - заработная плата вспомогательным рабочим и ИТР, руб./ч.;

Ст- накладные расходы и прочие эксплуатационные затраты, руб./ч.

Приведенные издержки, связанные с восстановлением работоспособности машин определяются как ^ = (Сзп+Срр+Упр )/Т[]р , (6)

где Сзя- средняя стоимость запасных частей машин комплекса, руб.; Срр— средняя стоимость ремонтных работ машин комплекса, руб.; Уир—ущерб от простоя технологического комплекса, руб.; Тпр- среднее время восстановления работоспособности, ч.

По результатам статистических наблюдений и обработки экспериментальных данных были определены значения экономических показателей работы технологических комплексов машин (таблица 7).

Таблица 7 — Экономические показатели работы технологических комплексов

Состав комплекса is f-г; В s S x (3 <D II Часовая зарплата машинистам, рубЛ Затраты на ТСМ, рубЛ Затраты на ТО и TP, рубЛ Затраты на устранение отказов, рубЛ Себестоимость машино-часа, рубЛ Стоимость машино-часа с накладными расходами (К =1,25) и НДС, рубЛ Затраты на средства малой механизации, рубЛ. Стоимость работы всего комплекса, рубЛ Зарплата подсобных рабочих, рубЛ Зарплата ИТР, рубЛ Суммарная стоимость машиночаса, руб М

К омплекс 1

Caterpillar 322С Caterpillar 428D Caterpillar 428D Caterpillar D6N 402 226 226 546 259 229 229 229 773 269 269 891 75,0 50,6 50,6 78,4 15,9 8,7 8,7 12,6 1525 783 783 1758 2250 1155 1155 2592 190 7342 960 610 8912

Комплекс 2

Komatsu PS 220-8 Komatsu WB97S5 Komatsu WB97S5 364 226 226 259 229 229 874 269 269 87.9 49,6 49,6 18.8 16,8 16,8 1604 791 791 2366 1166 1166 190 7462 960 610 9032

Komatsu D65E-12 616 229 807 76,4 16,9 1745 2574

Комплекс 3

ТВЭКС ET-25 MT3 30-2626.01 MT3 ЭО-2626.01 303 107 107 259 229 229 941 302 302 98.5 46.6 46,6 32.8 25,2 25,2 1635 710 710 2412 1048 1048 190 7084 960 610 8654

ЧТЗ Б10М 226 229 1076 70,4 15,9 1617 2386

Комплекс и

Caterpillar 322C MT3 30-2626.01 MT3 ЭО-2626.01 402 107 107 259 229 229 773 302 302 75.0 46,6 46,6 15,9 25,2 25,2 1525 710 710 2250 1048 1048 190 6922 960 610 8492

ЧТЗ Б10М 226 229 1076 70,4 15,9 1617 2386

Комплекс 5

Komatsu PS 220-8 MT3 ЭО-2626.01 MT3 30-2626.01 364 107 107 259 229 229 874 302 302 87,9 46,6 46,6 18,8 25,2 25,2 1604 710 710 2366 1048 1048 190 7038 960 610 8608

ЧТЗ Б10М 226 229 1076 70,4 15,9 1617 2386

В соответствии с планом развития сельхозугодий поймы реки Яхромы на ближайшие годы намечены значительные объемы работ по комплексному обустройству земель - планируется ввести в оборот до 600 га мелиорируемых земель, что потребует реконструкции изношенных и строительства новых мелиоративных систем, в том числе закрытых оросительных сетей суммарной протяженностью 18,9 км.

В связи с этим были определены экономические показатели работы технологических комплексов машин из расчета заданных объемов (таблица 8).

Таблица 8 - Экономические показатели работы технологических комплексов машин (из расчета суммарной длины трубопровода Ь=18 900 м)_

№ Стоимость машин Среднее время выполнения заданного объема работ, ч Приведенные затраты на погонный метр оросительной сети, руб./м.п.

комплекса (см. таблицу 7) комплекса, тыс. руб.

1 22300 1605 756.8

2 22800 1678 801,9

3 11830 1889 864,9

4 16200 1670 750,3

5 17100 1730 787,9

Анализ проведенных экономических расчетов показывает, что наиболее эффективным комплексом по критерию минимума приведенных затрат является комплекс №4, стоящий из ведущей машины Са1егрП1аг 322С и вспомогательных машин: экскаваторов-погрузчиков МТЗ 30-2626.01 и бульдозера ЧТЗ Б10М.

В свою очередь согласно формуле (4) суммарные приведенные затраты на погонный метр сооружения (без учета стоимости материалов и их транспортировки) характеризуются затратами на эксплуатацию машин комплекса и издержками от простоя комплекса по причине технических отказов машин (рисунки 10 и 11).

Комплекс 1

Комплекс 2

Комплекс 3

Комплекс 4

Комплекс 5

8844

8930

8508

8371 8483

102,2

Комплекс 1 67,7

Комплекс 2

Комплекс 3 146,2

Комплекс и 121,2

Комплекс 5 125,5

7000 7500 8000 8500 9000 9500 0 50 100 150 200

Сэ, руб./ч Ср, руб./ч

Рисунок 10 — Приведенные затраты на Рисунок 11 - Приведенные издержки, связанные эксплуатацию машин комплекса с восстановлением работоспособности машин

Анализ приведенных затрат на эксплуатацию сравниваемых технологических комплексов также демонстрирует преимущество комплекса №4.

Анализ стоимости машин комплексов с учетом стоимости средств малой механизации (рисунок 12) демонстрирует лидирующую позицию комплекса №3, однако это преимущество теряется из-за низкой производительности комплекса (таблица 8), что в результате приводит к удорожанию выполняемых работ (рисунок 13).

Комплекс 1

22300

Комплекс 2

22800

Комплекс 3

Комплекс 4

16200

Комплекс 5

17100

Комплекс 1

756,!

Комплекс 2

801,9

Комплекс 3

Комплекс 4

750,3

Комплекс 5

787,9

10000 15000

20000 25000

Тыс.руб.

500

600

Рисунок 12 - Суммарная стоимость технологического комплекса машин

700 800 900

Руб./м.п.

Рисунок 13 - Приведенные затраты на погонный метр оросительной сети

В проведенных исследованиях наилучшим результатом признан вариант состава комплекса №4. Данный комплекс характеризуется наименьшими приведенными затратами на погонный метр сооруженного трубопровода оросительной сети - 750,3 рублей и сравнительно низкой стоимостью машин комплекса. Учитывая специфику выполняемых работ и их сезонность, можно сделать вывод о целесообразности приобретения этих машин для выполнения работ по сооружению оросительной сети на пойме реки Яхромы.

Наиболее дешевый комплекс машин №3 выполняет ту же работу за более длительное время и ощутимо дороже - 864,9 рублей. Комплекс №2 имеет также довольно высокие приведенные затраты, а его стоимость самая высокая среди рассматриваемых комплексов - 22800 тысяч рублей. Комплекс №1 обладает невысокими приведенными затратами, но является одним из самых дорогих. Преимущество данного комплекса заключается в высокой производительности и надежности. В случае ограничения по срокам работ - выбирать следует его. Комплекс №5 обладает средними показателями работы, приведенные затраты составляют 787,9 рублей на погонный метр оросительной сети.

Для определения экономических показателей на разных этапах строительства рекомендуется пользоваться экономико-математической моделью, полученной на основе выражения (4) и уравнений продолжительности выполнения работ технологическими комплексами (таблица 6). Для комплекса №4 экономико-математическая модель будет иметь следующий вид:

3П = (Сэ + Ср)-(0,09 + 1,348 / Ь) (7)

Данное выражение позволяет определять стоимость строительных работ заданных объемов и прогнозировать сроки их выполнения.

На основе полученных результатов исследования разработан программно-вычислительный комплекс «ЗОС: Яхрома-1.0» для автоматизированного подбора технологического комплекса машин и расчета его экономических показателей.

Предложенный программно-вычислительный комплекс может быть рекомендован к использованию на сельхозпредприятиях Яхромской поймы, а разработанная модель - для изучения производственных процессов в АПК, в том числе в качестве методического обеспечения в образовательном процессе при изучении особенностей эксплуатации технологических комплексов машин.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих технологий механизированных работ в мелиоративном строительстве, который показал, что применение полимерных материалов при строительстве оросительных систем является оправданным и перспективным. Это обусловлено высокими эксплуатационными свойствами и сравнительно низкими затратами на строительство и эксплуатацию трубопровода.

2. Установлено, что при строительстве закрытой оросительной сети с применением напорного трубопровода из ПНД (полиэтилена низкого давления) для обеспечения надежной работы сооружения необходимо выполнить подготовку основания траншеи: дно профилировать с заданным уклоном, укрыть песчаной подушкой, выровнять и уплотнить. Операции по сварке трубных плетей, подготовке траншеи и укладке трубопровода требуют значительной доли ручного труда, что приводит к увеличению трудоемкости всего технологического процесса.

3. Применен метод имитационного моделирования при решении оптимизационных задач для формирования эффективного технологического комплекса машин, выбран пакет имитационного моделирования, отвечающий требованиям исследования - Rand Model Designer. Разработана имитационная модель технологического комплекса машин, предложена схема настройки модели, выполнена проверка адекватности результатов моделирования данным статистических наблюдений, проведена оценка согласованности технологических операций. Относительная ошибка моделирования не превысила 9%.

4. Определены эксплуатационно-технологические показатели объектов исследования по результатам хрономегражных наблюдений за работой существующего технологического комплекса для строительства оросительной сети в условиях поймы реки Яхромы. Получены экономические показатели объектов исследования - землеройных машин различных производителей (Caterpillar, Komatsu, ТВЭКС, МТЗ, ЧТЗ). По результатам обработки статистических данных выявлено, что коэффициенты готовности объектов исследования принимают значения от 0,976 до 0,902 (за 1000 мото-ч).

5. Осуществлен выбор критерия оптимальности и разработана целевая функция для определения эффективной структуры технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования. В качестве критерия оптимальности выбран минимум приведенных затрат на строительство погонного метра закрытой оросительной сети. Целевая функция учитывает суммарные часовые затраты на эксплуатацию машин и суммарные часовые издержки, связанные с восстановлением их работоспособности, отнесенные к среднечасовой эксплуатационной производительности комплекса.

6. Определен оптимальный состав технологического комплекса машин на основе предложенной методики с применением методов имитационного моделирования. Оптимальным комплексом для проведения работ в условиях поймы реки Яхрома признан комплекс №4, стоящий из экскаватора Caterpillar 322С, двух экскаваторов-погрузчиков МТЗ 30-2626.01 и бульдозера ЧТЗ Б10М общей стоимостью 16,2 млн.руб.

7. Выполнена оценка экономической эффективности использования сравниваемых технологических комплексов машин в условиях сельхозугодий поймы реки Яхромы, которая показала, что оптимизация состава комплекса позволяет снизить приведенные затраты на погонный метр закрытой оросительной сети с 864,9 до 750,3 рублей.

8. Предложена экономико-математическая модель для определения приведенных затрат в зависимости от объемов строительства, которая для рекомендуемого комплекса имеет вид: 3П=(Сэ+Ср)-(0,09+1,348/L). Результаты исследования реализованы в программно-вычислительном комплексе «ЗОС: Яхрома-1.0».

9. Внедрение полученных результатов позволит снизить затраты при выполнении запланированных работ по строительству и реконструкции закрытой оросительной сети сельхозугодий поймы реки Яхромы на 2,16 млн. рублей и сократить сроки выполнения работ на 27 рабочих смен.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах (курсивом выделены работы, опубликованные в изданиях перечня ВАК РФ):

1. Подхватилин, И.М. Оценка эффективности функционирования средств технологического оснащения АПК [Текст] /А.И Новиченко, И.М. Подхватилин // Природообустройство: науч.-практ. журн.—2013—№2 — С.86-89—ISSN 1997-6011.

2. Подхватилин, И.М. Возможности имитационного моделирования в механизации процессов мелиоративного строительства [Текст] / И.М. Подхватилин, В.А. Евграфов, А.И. Новиченко // Международный научный журнал.- 2013.-№3.- С. 88-92.- ISSN 1995-4638.

3. Подхватилин, И.М. Применение методов имитационного моделирования при оптимизации состава технологических комплексов в природообустройстве [Текст] / В.А. Евграфов, А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин, В.И. Горностаев, A.B. Шкиленко // Образование. Наука. Научные кадры: науч.-практ. журн-2013.- №3.- ISSN 2073-3305.

4. Подхватилин, И.М. К вопросу оценки качества технологического оборудования предприятий [Текст] / А.И. Новиченко, М.Н. Шолохов, И.М. Подхватилин // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики / Естественные и технические науки: науч.-практ. журн.-2012-№12 — С.45-50-ISSN2223-2966.

5. Подхватилин, И.М. Оценка качества технологических машин и оборудования [Текст] / А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин // Отраслевые аспекты технических наук: науч.-практ. журн,-2012,-№12,- С.37-39.- ISSN 2221-2507.

6. Подхватилин, И.М. Формирование технологического комплекса машин в мелиоративном строительстве с помощью имитационного моделирования [Текст] / И.М.Подхватилин, А.И.Новиченко, В.А.Евграфов, A.B.Шкиленко, В.И.Горностаев //Современная наука: актуальные проблемы теории и практики / Естественные и технические науки: науч.-практ. журн - 2013 - ISSN 2223-2966.

7. Подхватилин, И.М. Применение методов имитационного моделирования при решении оптимизационных задач в механизации мелиоративного строительства [Текст] / С.Н. Насонов, А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин, В.И. Горностаев // Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем: Сб. материалов Международной науч.-практ. конференции - М.: МГУП, 2013.

Подписано в печать 16.05.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № ЗЛ^ Отпечатано в лаборатории множительной техники ФГБОУ ВПО МГУП

® Московский государственный университет природообустройства 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА»

На правах рукописи

04201358056

ПОДХВАТИЛИН Иван Михайлович

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МАШИН В ПРИРОДООБУСТРОЙСТВЕ

(на примере строительства закрытой оросительной сети)

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Новиченко А.И.

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................................... 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 12

1.1. Современное состояние и перспективы развития мелиоративного комплекса Российской Федерации................................... 12

1.2. Краткий обзор мелиоративных систем и способов производства строительных работ в природообустройстве................................... 18

1.3. Разработка мелиоративных систем на пойменных землях с

учетом природоохранных мероприятий........................................... 30

1.4. Природно-климатические условия и мелиоративное состояние агроландшафтов поймы реки Яхромы Московской области......... 35

1.5. Краткий обзор технологий механизированных работ и

средств механизации в природообустройстве................................. 44

1.6. Анализ исследований по оптимизации парка технологических комплексов машин и повышению эффективности их работы....... 52

1.7. Общая программа и задачи исследования.............................. 63

Выводы по первой главе...................................................... 65

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ И ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕЛИОРАТИВНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.................................. 66

2.1. Общие теоретические предпосылки к моделированию технологического процесса мелиоративного строительства......... 66

2.2. Выбор критерия оптимизации при формировании технологического комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети поймы реки Яхромы......................... 81

2.3. Организация технологического процесса строительства закрытых оросительных трубопроводов.......................................... 90

2.4. Выбор материалов трубопровода и определение параметров сооружения закрытой оросительной сети поймы реки Яхромы .... 98 Выводы по второй главе.................................................................... 102

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................... 103

3.1. Программа экспериментальных исследований........................103

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований...........105

3.2.1. Выбор объектов исследования.................................... 107

3.2.2. Планирование экспериментальных наблюдений.............. 109

3.2.3. Методика сбора и обработки экспериментальных данных .... 110 3.3. Имитационное моделирование работы технологического

комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети ... 113

3.3.1. Разработка алгоритма работы технологического комплекса 114

3.3.2. Выбор программной среды имитационного моделирования 115

3.3.3. Математическое описание операций технологического процесса строительства закрытой оросительной сети......................116

3.3.4. Настройка имитационной модели работы

технологического комплекса машин................................................ 118

Выводы по третьей главе................................................................... 121

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СТАТИСТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................122

4.1. Результаты обработки данных хронометражных наблюдений за работой технологического комплекса машин................................. 122

4.2. Результаты обработки данных статистических наблюдений

в процессе технической эксплуатации объектов исследования.....124

4.3. Определение эксплуатационно-технологических показателей объектов исследования.......................................................................125

4.4. Результаты имитационного моделирования работы различных вариантов состава технологического комплекса машин................ 126

4.5. Выявление статистических зависимостей продолжительности

работы комплекса машин от параметров сооружения........................128

Выводы по четвертой главе................................................129

Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ..............130

5.1. Определение экономических показателей работы технологических комплексов машин................................................130

5.2. Сравнительная оценка технико-экономических показателей технологических комплексов машин................................................131

5.3. Разработка экономико-математической модели для определения приведенных затрат комплекса на единицу выполненных работ ... 134

5.4. Разработка программно-вычислительного комплекса

«ЗОС: Яхрома-1.0» с учетом полученных результатов исследования 135

Выводы по пятой главе..................................................... 136

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .....................................................................137

ЛИТЕРАТУРА................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................... 148

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей агропромышленного комплекса является надежное обеспечение страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем, что во многом зависит от биопродуктивности и влагообеспеченности сельхозугодий.

Решение этой задачи может быть достигнуто за счет применения комплексной системы земледелия, которая базируется на взаимосвязанных агротехнических, мелиоративных и организационных мероприятиях, направленных на эффективное использование природных ресурсов, повышение плодородия почв, а также формирование бережного отношения к земле в рамках концепции природообустройства. Система адаптивно-ландшафтного земледелия в наиболее полной мере отвечает принципам природообустройства в сельском хозяйстве, предусматривая учет и сохранение природных ресурсов совместно с ограничением антропогенного фактора, негативно влияющего на окружающую среду.

В настоящее время состояние существующих мелиоративных систем не способно обеспечить стабильное развитие сельскохозяйственного производства в зонах рискованного земледелия: новые мелиоративные объекты строятся крайне медленно, а старые нуждаются в реконструкции.

Особую актуальность вопросу природообустройства и повышения почвенного плодородия придает тенденция сокращения общей площади возделываемых земель. За период с 1992 по 2006 годы в сельском хозяйстве Российской Федерации произошли существенные перемены, обусловленные изменением аграрной политики государства. Согласно официальным источникам из сельскохозяйственного оборота выведено и не используется около 18 млн. га сельскохозяйственных угодий и более чем на 30 млн. га уменьшились посевные площади [2].

Минэкономразвитием России утверждена федеральная адресная инвестиционная программа на 2013 год и на плановый период 2014 и 2015 годов. Согласно данной инвестиционной программе в 2013 году Минсельхозом России предусмотрено осуществление двух федеральных целевых программ, направленных на восстановление потенциала мелиорированных земель Российской Федерации [35].

По первой из них — ФЦП «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России в 2006-2010 годах и на период до 2013 года» — предусмотрены бюджетные инвестиции в объекты капитального строительства в объеме более 5,5 млрд. рублей, по второй - ФЦП «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 20122020 годах» - 1 млрд. рублей соответственно.

В плановый период 2014 и 2015 годов на реализацию капитальных вложений в мелиоративные объекты в рамках разработанной федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения на 2014-2020 годы» из федерального бюджета запланировано выделение средств в объемах 5,5 млрд. рублей и 7,1 млрд. рублей соответственно.

Вместе с этим предусмотрена реализация мер по защите 33,2 тыс. гектаров земель от водной эрозии, затопления и подтопления и 130 тыс. гектаров сельскохозяйственных угодий от ветровой эрозии и опустынивания.

Мероприятия по сохранению и обустройству возделываемых площадей Российской Федерации являются важнейшим фактором устойчивого развития сельскохозяйственного производства. Одним из главных направлений развития сельского хозяйства является его техническая и технологическая модернизация.

Для решения этих задач запущена государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы предусматривается инновационное развитие АПК, обеспечивающее его высокую эффективность.

В результате реализации программы будут сохранены существующие и дополнительно созданы 18 тыс. рабочих мест в сельской местности [103].

В процессе реализации поставленных задач необходимо отводить значительную роль вопросам рационального выбора технического уровня закупаемой техники, ее соответствие назначению и приспособленности к условиям эксплуатации.

Осуществляемое в стране возрождение хозяйственной деятельности требует применительно к организациям и предприятиям отрасли коренного изменения метода управления системой обеспечения надежности, повышения технического уровня и качества выпускаемой сельскохозяйственной техники, в том числе средств механизации в области природообустройства.

Одной из главных задач в повышении эффективности эксплуатации машинно-тракторного парка является оптимизация расхода трудовых и материальных ресурсов на поддержание техники в работоспособном состоянии. Особая роль в снижении затрат в процессе эксплуатации принадлежит мероприятиям по улучшению эксплуатационной технологичности конструкций машин, основной смысл которых заключается в обеспечении приспособленности их элементов к проведению технического и технологического обслуживании.

Для повышения технического уровня и конкурентоспособности отечественных машин необходимо систематически принимать комплексные меры по обеспечению качества и надежности их конструкций, активно внедрять информационные технологии и передовой опыт зарубежных производителей.

При отсутствии таких мер будут постоянно возрастать трудовые и материальные затраты на эксплуатацию средств механизации сельского хозяйства.

Таким образом, основными направлениями экономического и социального развития отрасли является не только введение в оборот мелиорируемых земель, но и осуществление целенаправленного технического перевооружения сельскохозяйственного производства как за счет увеличения поставок новых машин, так и за счет создания условий для обеспечения высокого уровня эксплуатационной технологичности поставляемых машин, приспособленных к применению передовых энергосберегающих технологий земледелия и природообустройства [111].

Повышение эффективности использования, как отдельных машин, так и технологических комплексов за счет обеспечения рационального технического уровня и надежности их конструкций является важной проблемой, требующей отдельных научных исследований.

Актуальность проблемы. Основной задачей агропромышленного комплекса является надежное обеспечение страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем, что во многом зависит от биопродуктивности и влагообеспеченности сельхозугодий. Решение этой задачи может быть достигнуто за счет применения комплексной системы земледелия, которая базируется на взаимосвязанных агротехнических, мелиоративных и организационных мероприятиях, направленных на эффективное использование природных ресурсов, повышение плодородия почв, а также формирование бережного отношения к земле в рамках концепции природообустройства.

В настоящее время состояние существующих мелиоративных систем не способно обеспечить стабильное развитие сельскохозяйственного производства в зонах рискованного земледелия: новые мелиоративные объекты строятся крайне медленно, а старые нуждаются в реконструкции.

Изменить сложившуюся ситуацию сможет утвержденная распоряжением Правительства РФ от 22 января 2013 годы Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 - 2020 годы», которая предполагает существенные денежные вливания в развитие мелиоративного комплекса.

В связи с этим, разработка современных методик для формирования эффективных технологических комплексов машин для проведения работ по строительству и реконструкции осушительно-оросительных систем является актуальной задачей.

Актуальность исследований также подтверждается федеральной целевой программой «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы и на период до 2013 года».

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлась разработка методики оценки эффективности технологических комплексов машин в природообустройстве с применением методов имитационного моделирования.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

- провести анализ существующих технологий механизированных работ в мелиоративном строительстве осушительно-оросительных систем;

- обосновать выбор материала трубопровода, профиля траншеи оросительной сети и технологии производства землеройных работ с учетом нормативных требований и особенностей грунтов в конкретной организации;

- определить эксплуатационно-технологические показатели работы технологического комплекса по результатам хронометражных наблюдений за работой существующего комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети в условиях выбранной организации;

- провести сбор и обработку статистических данных по эксплуатационно-технологическим показателям и показателям надежности объектов исследования в условиях реальной эксплуатации;

- выбрать критерий оптимальности и разработать экономико-математическую модель для определения оптимальной структуры технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования;

-применить методы имитационного моделирования для определения параметров технологического процесса рассматриваемых вариантов комплекса;

- определить оптимальный состав технологического комплекса машин на основе предложенной технико-экономической модели;

- выполнить оценку экономической эффективности использования оптимального технологического комплекса машин в условиях реальной организации.

Объекты и предмет исследования. Объектами исследования являлись средства механизации в природообустройстве в виде землеройной техники различных производителей. Предметом исследования выступает технический уровень объектов исследования, в частности коэффициент готовности машин, а также влияние надежности машин на эффективность их эксплуатации в составе технологического комплекса.

Методы исследования. Методической основой выполненных исследований послужили труды выдающихся ученых, посвященных проблемам повышения эффективности эксплуатации техники в сельском хозяйстве и мелиоративном строительстве.

В работе использованы: теория планирования эксперимента, математическая статистика, методы имитационного моделирования с использованием ЭВМ.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. Разработана имитационная модель по определению параметров технологического процесса рассматриваемых вариантов состава комплекса машин с учетом эксплуатационно-технологических показателей, надежности каждой машины, категории грунта и параметров профиля сооружения.

2. Предложена экономико-математическая модель для определения приведенных затрат на единицу выполненных работ технологическим комплексом машин для строительства закрытой оросительной сети с учетом эксплуатационно-технологических показателей и надежности каждой машины.

Полученные зависимости позволяют прогнозировать эффективность использования машин различных производителей в зависимости от их эксплуатационно-технологических показателей.

Достоверность полученных результатов обеспечивается математической строгостью доказанных утверждений.

Исследования проводились с использованием стандартных приборов по стандартным методикам в соответствии с разработанной программой экспериментальных исследований.

Практическая значимость исследований Разработанная методика и полученные результаты исследования будут востребованы сельхозпредприятиями как в период формирования нового парка машин технологических комплексов, так и при эксплуатации существующего.

Применение имитационного моделирования технологических процессов позволяет рационально использовать произво