автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Оптимизация использования зерноуборочных комбайнов по параметрам надежности

На правах рукописи

I/

Михайлов Михаил Романович

ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ ПО ПАРАМЕТРАМ НАДЕЖНОСТИ

Специальность 05.20.03 — Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

1 9 СЕН 2013

005533202

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

Научный руководитель: Жосан Артур Александрович,

кандидат технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Голубев Иван Григорьевич, доктор технических наук,

профессор, заведующий отделом технического сервиса ФГБНУ «Росинформагротех»;

Евтюшенков Николай Ефимович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом транспорта и погрузочно-разгрузочных работ ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» Россельхозакадемии.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский

научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии).

Защита состоится 30 сентября 2013 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д.16 а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ. Автореферат разослан « 2?» ФГ 2013 г.

Ученый секретарь ¡^ 7 (

диссертационного совета, / /г Л • Ч

кандидат технических наук A.C. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность темы. Состояние парка зерноуборочных комбайнов и их неэффективная эксплуатация стали одной из основных причин снижения валового сбора урожая и рентабельности производства зерновых культур. Более половины товаропроизводителей используют в своей деятельности упрощенные технологии и изношенную технику. В Государственной программе развития сельского хозяйства на 2008-2012 годы предполагалось существенное обновление парка зерноуборочных комбайнов, однако высокие темпы обновления парка на 100% были достигнуты только в 12 регионах. Новая программа развития сельского хозяйства на 2013-2020 годы предусматривает реализацию производителями сельскохозяйственной техники сельскохозяйственным товаропроизводителям 5,3 тыс. зерноуборочных комбайнов, и довести к 2020 году обеспеченность аграрного комплекса комбайнами до 3,3 шт. на 1000 га зерновых посевов.

В условиях снижения численного состава и морального износа парка зерноуборочных комбайнов в сельском хозяйстве особенно актуальной становится задача повышения эффективности их использования. Особую актуальность эта задача приобретает для МТС и специализированных уборочно-транспортных комплексов, оказывающих услуги по уборке зерна на площадях с достаточно большими плечами переездов. В связи с тем, что зерноуборочные комбайны используются в течение крайне ограниченного периода сезона эксплуатации с высокой интенсивностью, необходим поиск новых методов повышения эффективности их эксплуатации.

В этих условиях возрастают требования к зерноуборочной технике по повышению оперативной готовности парка и увеличению сезонной выработки за счет оптимального распределения работ между группами комбайнов. Решение данной задачи позволит снизить эксплуатационные затратыпри выполнении уборочных работ и уменьшить простои высокопроизводительных машин, связанных с устранением отказов и приводящих к затягиванию агротехнических сроков, что позволит снизить потери урожая.

Цель исследования заключается в обосновании методов повышения технической готовности парка зерноуборочных комбайнов технологического комплекса и оптимизации его использования с учетом технического состояния и сезонной нагрузки.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- провести анализ показателей надежности технологического комплекса зерноуборочных комбайнов с учетом технического состояния машин и производственных условий;

- разработать методику распределения зерноуборочных комбайнов по ресурсным группам;

- обосновать методику и разработать алгоритм оптимизации сезонной нагрузки на комбайн для выделенных ресурсных групп зерноуборочных комбайнов;

- обосновать методику выбора методов оптимизации сезонной нагрузки для выделенных ресурсных групп комбайнов в зависимости от коэффициента обеспеченности техникой;

- разработать программу и методику сбора экспериментальных данных и выполнить имитационное моделирование работы технологического комплекса одно-марочных зерноуборочных комбайнов;

- выполнитьтехнико-экономическую оценку рекомендаций по повышению эффективности использования парка зерноуборочных комбайнов.

Объект исследования: парк зерноуборочных комбайнов технологического комплекса.

Предмет исследования: эксплуатация парка зерноуборочных комбайнов и оптимизация его сезонной нагрузки.

Методы исследования: теоретические (системный анализ, методы оптимизации надежности и управления), общелогические (сравнение, обобщение и анализ научной литературы по проблеме исследования), статистические (обработка материалов эксперимента). Расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с использованием ПЭВМ и пакета прикладных программ (Excel, SPSS).

Научная новизна заключается в разработке методики оптимизации сезонной нагрузки ресурсных групп зерноуборочных комбайнов технологического комплекса с учетом их технического состояния и условий эксплуатации.

Практическая значимость работы. Практическую ценность результатов исследования имеют:

- результаты анализа показателей надежности технологического комплекса зерноуборочных комбайновс различными сроками эксплуатации с учетом технического состояния машин и производственных условий и методика их распределения по ресурсным группам по минимуму эксплуатационных затрат на предсезонную подготовку машин;

- методика определения потребности в зерноуборочных комбайнах с учетом дифференциации машин по ресурсным группам;

- методика и алгоритм оптимизации сезонной нагрузки на комбайн для выделенных ресурсных групп зерноуборочных комбайнов;

- методика выбора методов оптимизации сезонной нагрузки для выделенных групп комбайнов в зависимости от коэффициента обеспеченности техникой.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Обеспечение устойчивого развития АПК в условиях глобального экономического кризиса» (Орел ГАУ, 2009 год), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК» (Орел ГАУ, 2009 год), Международной научно-практической конференции «Особенности технического и технологического оснащения современного сельскохозяйственного производства» (Орел ГАУ, 2013 год).

Реализация результатов исследования: методика распределения зерноуборочных комбайнов по ресурсным группам по минимуму эксплуатационных затрат на предсезонную подготовку машин, математическая модель оптимизации распределения сезонной нагрузки для ресурсных групп парка зерноуборочных комбайнов внедрена в учебный процесс при изучении дисциплины «Эксплуатация машинно-тракторного парка» на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного

парка и тракторы» ФГБОУ ВПО Орловский государственный аграрный университет».

В агрофирме «Мценская» оптимизирован состав парка зерноуборочных комбайнов с учетом технического состояния по разработанной методике распределения комбайнов по ресурсным группам.

В ООО «Орловский лидер» оптимизирована сезонная нагрузка ненагружен-ного резерва парка зерноуборочных комбайнов на этапе уборки яровых культур.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, включенных ВАК в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты анализа показателей надежности технологического комплекса зерноуборочных комбайнов с учетом технического состояния машин и производственных условий;

- методика распределения комбайнов по ресурсным группам зерноуборочных комбайнов;

- методика и алгоритм оптимизации сезонной нагрузки на комбайн для выделенных ресурсных групп зерноуборочных комбайнов;

- методика выбора методов оптимизации сезонной нагрузки для выделенных групп комбайнов в зависимости от коэффициента обеспеченности техникой;

- результаты экспериментальных исследований и имитационного моделирования работы технологического комплекса одномарочных зерноуборочных комбайнов;

- результатытехнико-экономической оценки рекомендаций по повышению эффективности использования парка зерноуборочных комбайнов технологического комплекса.

Структура и объем работы. Структура диссертационной работы определена логикой и последовательностью решения поставленных задач. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены объект и предмет научного поиска, обозначена цель научной работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы и задачи исследования» дан аналитический обзор литературных источников по теме диссертации, приведены данные о состоянии парка зерноуборочных комбайнов сельскохозяйственных предприятий в Российской Федерации на современном этапе развития АПК и государственные меры по поддержке технического переоснащения отечественного парка сельскохозяйственной техники. На протяжении последних двух десятилетий наблюдается постоянное снижение количественного состава парка зерноуборочных комбайнов. Несмотря на одновременное снижение посевных площадей, уменьшение парка

идет более интенсивно, что приводит к повышению нагрузки на единицу техники. В сложившихся условиях особенно актуальной становится проблема эффективного использования существующего парка зерноуборочных комбайнов.

Анализ распределения затрат на содержание и эксплуатацию современных зерноуборочных комбайнов показывает, что, несмотря на повышение производительности и энергонасыщенности, наблюдается увеличение удельных затрат на уборку сельскохозяйственной продукции, обусловленное повышенными амортизационными отчислениями из-за высокой первоначальной стоимости машин, особенно импортного производства. Кроме этого при выполнении уборочных работ в условиях крупных агрофирм значительны холостые переезды машин по убираемым участкам, что существенно увеличивает износ систем трансмиссии. Необходимость увеличения сезонной наработки комбайнов приводит к снижению показателей надежности, что увеличивает простои на устранение последствий отказов и приводит к увеличению биологических потерь урожая, вызванных нарушением агротехнических сроков.

Рассмотренные аспекты позволяют утверждать, что одним из путей повышения эффективности эксплуатации парка зерноуборочных комбайнов может стать изменение подхода к предсезонной подготовке машин для обеспечения безотказной работы, комплектованию парка зерноуборочных комбайнов на основе выделенных ресурсных групп, планированию и распределению их сезонной нагрузки между ресурсными группами.

Основополагающие работы по различным аспектам производственной эксплуатации и повышению надежности машинно-тракторного парка принадлежат Бараму Х.Г., Веденяпину Г.В., Горячкину М.И.,Дидманидзе О.Н., Евтюшенкову Н.Е., Ерохину М.Н., Пучину Е.А., Рабиновичу А.Ш., Киртбая Ю.К., Краснощекову Н.В, Левшину А.Г., Линтвареву Б.А., Михлину В.М., Плаксину A.M., Скороходо-ву А.Н., Горбачеву И.В., Халфину М.А., Черноиванову В.И., и др. Они провели исследования по влиянию различных факторов на эффективность и разработали методические основы для практического применения своих исследований.

Во второй главе диссертации «Исследование влияния показателей надежности на эффективность эксплуатации зерноуборочных комбайнов» изложены теоретические основы надежности технических систем и обоснован выбор показателей надежности применительно к решению поставленных задач. При эксплуатации зерноуборочных комбайнов наибольший интерес представляют показатели безотказности и комплексные показатели надежности.

Существующие методики определения потребности хозяйства в зерноуборочной технике не учитывают дифференциациюмашин по техническому состоянию и служат только для определения усредненной количественной потребности в технике для выполнения запланированных работ. Распределение машин по ресурсным группам позволит планировать использование комбайнов с разной интенсивностью нагрузки технологических систем и трансмиссии комбайна и снижать их сезонную наработку по мере увеличения потока отказов и расходов на техническое обслуживание и ремонт (ТОР).

Особенность эксплуатации зерноуборочных комбайнов заключается в том, что они используются для крайне ограниченного количества сельскохозяйствен-

ных операций в течение ограниченного агротехнического срока. Соответственно, потери в результате отказов во время уборочного периода включают в себя не только расходы на ремонт техники, но и биологические потери урожая из-за нарушения агротехнических сроков вследствие простоя. С учетом этого, для повышения времени безотказной работы в план проведения ремонтных воздействий при подготовке к сезону необходимо включать не только операции технического обслуживания и ремонта, но и дефектовку и замену сборочных единиц и агрегатов, не выработавших свой ресурс, но которые могут выбыть из строя в течение планируемой сезонной наработки. Стоимость устранения последствий отказов, проведение ТОР схематично представлены на рисунке 1.

Т,. Т2, Т5 — наработка и Т|опт Т2опт Т5опт - оптимальная наработка в ресурсных группах 1,2...5 с коэффициентом оперативной готовности, близким к единице; С,-С;+, - стоимость устранения последствий отказов; С;-Сг - стоимость ремонтных воздействий планово-предупредительной системы и технического обслуживания.

Рисунок I - Зависимость роста эксплуатационных расходов при устранении последствий отказов по мере их возникновения (1) и при планово-предупредительной системе ТОР (2) и определение границ ресурсных групп в зависимости от наработки

На основании анализа изменения стоимости поддержания комбайна в работоспособном состоянии, можно выделить границы ресурсных групп (РГ), основными критериями которых будет достигнутые показатели надежности при имеющейся наработке, объем ремонтных воздействий планово-предупредительной системы обслуживания, прогнозируемая сезонная наработка, а также стоимость устранения последствий отказов. Также важным фактором при расчете состава парка зерноуборочных комбайнов и планировании его сезонной нагрузки будет рыночная стоимость комбайнов для каждой из ресурсных групп, снижение которой также происходит нелинейно.

Оптимизация наработки заключается в определении границ РГ, снижении наработки за пределом снижения коэффициента оперативной готовности, что приводит к простою комбайнов и потерям в результате нарушения агротехнических сроков. Так как сезонная эксплуатация зерноуборочных комбайнов складывается

из нескольких этапов уборки различных культур или их сортов, имеющих разные сроки созревания, математически данная модель выражается:

С - 2 С[ -» тах, (1)

где С и С/ — прибыль, получаемая предприятием за сезон и на /-ом этапе уборки. Прибыль, получаемая на каждом из этапов, имеет следующее выражение:

С/ = Сдох, - (сраб( + Сзчг + Сду,) -» тах, (2)

где Сдохр Сраб., Сзч. и САу. - доход, получаемый от выполнения работ, стоимость расходов на устранение последствий отказа, затраты на запасные части и стоимостные потери урожая от нарушения агротехнических сроков, руб.

Количество комбайнов, требуемое на этапе_£ рассчитывается по формуле с учетом установленного коэффициента готовности для каждой из ресурсных групп по формуле:

п

{^Щх Кем X Тсм X пдН{ х к,;

(3)

где Б/ - площадь, убираемая на одном этапе, га; Wf — производительность, при уборке данной культуры, га/ч; Ксм — коэффициент сменности; Тсм — продолжительность смены, час; «д,/- оптимальные агротехнические сроки уборки данной культуры.

Коэффициент обеспеченности к11б сельскохозяйственных предприятий зерноуборочными комбайнами представляет собой отношение требуемого количества техники (в эталонных или физических единицах) к имеющемуся количеству (в эталонных или физических единицах)

Кб = тА (4)

пна1

где пщ„ пт1 — требуемое количество техники и количество техники, имеющееся в наличии, шт.

В зависимости от коэффициента обеспеченности, предприятие может иметь оптимальный к„ц=1, избыточный к0е>1 или недостаточный кой< I состав парка зерноуборочных комбайнов. Значение данного коэффициента лежит в основе выбора метода оптимизации сезонной нагрузки для ресурсной группы комбайнов.

Для распределения оптимального состава парка в пределах собственного хозяйства, когда основной целью является соблюдение агротехнических сроков на всех уборочных площадях, применяется линейное программирование. Оптимизация производится с наименьшими стоимостными показателями, распределение нагрузки учитывает величину уборочных площадей, их удаленность и коэффициент готовности машин в РГ.

В случае превышения коэффициента обеспеченности, существует возможность выбора — оптимизация распределения нагрузки производится при помощи линейного программирования, но создается возможность значительного недоис-

пользования ресурса, или состав парка оптимизируется и из него выделяется нена-груженный резерв, распределение наработки которого происходит с помощью метода динамического программирования.

Метод динамического программирования применяется также в том случае, когда коэффициент обеспеченности недостаточен. При расчете оптимального распределения в формулу определения веса грани включается оценка возможных потерь от нарушения агротехнических сроков.

В общем виде алгоритм выбора математической модели оптимизации парка зерноуборочных комбайнов и распределения сезонной нагрузки представлен на

комбайнов

Если количество зерноуборочных комбайнов с учетом их марочного состава и технического состояния соответствует потребности предприятия, то для решения задачи распределения нагрузки с наименьшими стоимостными показателями используют симплекс-метод для линейных функций с системой ограничений (5).

Для задачи с правильным балансом математическая постановка задачи

1=1 у»1

заключается в определении минимального значения функции расходов на доставку комбайна до уборочных площадей:

F = ¿2>Л = II F, -> ии» , (5)

„1 y-l /.I

при ограничениях: ¿ ^ = b¡ -; ¿дг,у = а,; х > о (= 1,.», j = 1,..., я),

1-1 yri

где а, (i = 1,2,...^и) — прогнозируемая наработка одного комбайна, находящегося на /-ом пункте отправления;(J = 1,2,...,«) - уборочная площадь на j-ом пункте назначения; с,у (/' = \,2,...,m\j = 1,2,- стоимость доставки комбайна из /-го пункта отправления в у'-ый пункт назначения; xt/ количество комбайнов, перевозимых из / -го пункта отправления в j -пункт назначения.

Если коэффициент обеспеченности больше единицы (см. рис.2), то из состава парка можно выделить ненагруженный резерв и использовать его за пределами хозяйства. При использовании ненагруженного резерва, оптимизация всего парка поводится при помощи математической модели линейного программирования.

Для оптимизации наработки выделяемого ненагруженного резерва, а также в случае, когда ресурс комбайна недостаточен для выполнения работ на всех этапах, необходимо определить, на каких полях работа будет наиболее выгодна. Это возможно определить путем применения метода динамического программирования, в основе которого лежит принцип оптимальности Беллмана.

Так как поля имеют разные размеры, и разную удаленность, то вес ребра при построении прямой рекуррентной прогонки определяется доходом, который получает хозяйство от выполнения данным комбайном определенной работы и расходами на транспортировку комбайна до места работы, а также стоимостными потерями от простоя во время устранения последствий возможных отказов и нарушением агротехнических сроков вследствие этого.

Рекуррентные вычисления динамического программирования можно выразить математически следующим образом. Максимальный доход/ (x¡), получаемый при уборке урожая до вершины (x¡) на этапе /:

fi (x¡) = max {dixi~i. *¡) + /¡-i(*¡-i)},= 1,2,3,4, (6)

где - все доступные маршруты.

d(x,./.*/) = CSij - Cl(x._íxú , (7)

где Cs.j - доход от уборки площади S¿j на /' этапе j поля.

При этом на оптимизацию данного выражения накладывается ограничение S¡j < Smax.y так как максимальная площадь, убираемая комбайном в течение одного этапа равна Smax. = W4 х Кг х Т х Ксм х Допт, то 5¡+1J = Smax - 5¡;-. При этом Smaxi' исход51 из условия задачи, задается в виде максимальной прогнозируемой наработки для данной РГ. С( стоимость транспортировки одного комбайна

от узла до узла x¡, в большей степени зависит от удаленности филиалов на i-I и i этапах.

Учитывая стоимость комбайнов в РГ (СА. = СрА + ССРд ) и стоимость технического обслуживания и ремонта в период их эксплуатации, определим оптимальный эффект от использования комбайна этой РГ по уборке представленных полей:

<-эф = /¡О;) — + СтОиРА1 + СЭкспл)<

где С4( — стоимость комбайна в начале эксплуатации в РГ А,-; СрА — рыночная стоимость комбайна в РГ А,; ССРд — стоимость ремонта при подготовке к сезону в РГ А;; Сто,/р - стоимость технического обслуживания и средние расходы на устранения последствий отказов в период уборки в РГ А/; Сэкспл — удельные расходы на эксплуатацию комбайна при уборке данной культуры.

Графическое представление алгоритма распределения сезонной нагрузки с применением средств динамического программирования представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 — Пример построения прямой рекуррентной прогонки динамического программирования

В третьей главе диссертации«Программа и методика проведения исследований» указаны этапы проведения исследования и дается методика его проведения.

Программа работы предусматривает сбор и обработку информации о наработке комбайнов, изменении показателей надежности в течение эксплуатации, проведении технического обслуживания и ремонтов при подготовке техники к сезону.

Эксплуатационные испытания проводились с соответствии с РД 50-690-89 по плану рЧМТ], согласно которому под наблюдением находилось N=39 комбайнов, отказавшие объекты подвергались восстановлению, и наблюдения за ними продолжались до выполнения заданного объема работ - сезонной наработки Т в конкретном хозяйстве. Под наблюдение брали комбайны одной марки, выполнявшие работы в одном хозяйстве в одной климатической зоне.

На основании полученных статистических данных об увеличении трудоемкости и стоимости устранения последствий отказов и операциях ТОР были определены границы межремонтной наработки и выделены границы ресурсных групп. В

пределах ресурсных групп определяли показатели надежности - среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности по общему времени, коэффициент готовности по оперативному времени и коэффициент оперативной готовности.

Сбор информации проводился в соответствии с РД 50-204-87 и ОСТ 70.2.8,82. Трудоемкость устранения последствий отказов, замену запасных частей и проведение операций технического обслуживания рассчитывалось в соответствии с «Указаниями по нормированию рабочего времени и кодов ошибок комбайнов №\¥Но11ап<1 серии СЬ/СЗ/СХв». Риск потерь от недобора урожая оценивали в соответствии с методическими указаниями по определению потерь от простоев машин по техническим причинам, разработанным в ГОСНИТИ.

Для оценки эффективности применения математических моделей оптимизации предлагается использовать коэффициент эффективной работы (КЭР) как отношение годовой наработки технологических рабочих органов комбайна (ТРО) в часах к годовой наработке двигателя:

_ МЧтро

Кзр - "мчГ"' (9)

где Кэр - коэффициент эффективной работы; МЧТР0 - наработка технологических рабочих органов в моточасах; МЧдв - наработка двигателя в моточасах.

В четвертой главе диссертации «Результаты исследования и их анализ» изложены основные результаты экспериментальных исследований по описанной ранее методике.

Для выбора объекта исследования был проведен анализ марочного парка зерноуборочных комбайнов Орловской области. Комбайн NHCX-840 является одним из наиболее распространенных марок зерноуборочных комбайнов. Большинство комбайнов NHCX-840 эксплуатируются в основном в МТС, что приводит к сезонной наработке, намного превышающей среднюю по стране при условии достаточно высокого уровня технического сервиса.

Площадь, га 1400 ......

Шт. — приходится посе-

1200 : вов в среднем на один

комбайн по стране;

- наработка в среднем на один комбайн но обследуемому

200 т т » Ш Ш Ш Ш "арку-

о

1 2 3 4 5 6 7

Год эксплуатации

Рисунок 4 - Сравнение средней нагрузки на один комбайн по стране и наработку по обследуемому парку комбайнов

Эксплуатационные исследования проводились в условиях эксплуатации зерноуборочных комбайнов в МТС. Уборка зерновых проводилась в 8 филиалах хозяйств размерами 702...6892 га и удаленностью 5...95 км. Распределение убирае-

мых культур по долям составило: озимая пшеница - 72%, ячмень - 22%, зернос-месь — 0,5%, овес - 1%, тритикале - 4%, рапс — 0,5%.

Анализ наработки комбайнов на начало внедрения результатов исследования представлен на рисунке 5. Из рисунка видно что, несмотря на одновременное введение в эксплуатацию и работу в идентичных условиях в одном предприятии, разница в наработке двигателя отличается в 1.82 раза, а технологических рабочих органов (ТРО) - 2,36 раза.

Из рисунка 6 и 7 видно, что разница в наработке технологических рабочих органов и двигателя составляет от 752 до 1166 моточасов, а коэффициент эффективной работы варьируется от 0,56 до 0,73. Первые два года не являются типичными для рядовой эксплуатации в условиях Орловской области. Большая разница в наработке двигателя и ТРО в этот период объясняются выполнением работ в южных регионах Российской Федерации, куда машины следовали своим ходом. Меньшая наработка в первый год объясняется тем, что при покупке техника была поставлена заводом-изготовителем не к месту постоянного базирования, а к месту выполнения дополнительных работ.

Моточасы 3500 ............

12345578 9 101112 131415 16171819202122 23242526 2728295133132 333435363733 39

Номера комбайнов

Рисунок 5 - Наработка двигателя и ТРО по обследуемым единицам зерноуборочных комбайнов

1234567 1234567

Год эксплуатации эксплуатации

Рисунок 6 - Разница в наработке двига- Рисунок 7 - Коэффициент эффективной теля и жатки по годам исследования работы по годам исследования

В результате подконтрольной эксплуатации был собран фактический материал, характеризующий динамику изменения трудоемкости устранения последствий отказов, технического обслуживания и ремонта и стоимости запасных частей и увеличения стоимости поддержания зерноуборочного комбайна в исправном состоянии.

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

1,га

а) б)

1 - группа 1 (технологические рабочие органы); 2 - группа 2 (остальные сборочные единицы и агрегаты); 3 — техническое обслуживание.

Рисунок 8 — Увеличение трудоемкости (а) и стоимости (б) поддержания комбайнов в исправном состоянии и в зависимости от наработки (нарастающим итогом)

На основании анализа графиков на рисунке 8 выявляется несоответствии динамики увеличения трудоемкости устранения последствий отказов и ремонта сборочных единиц и агрегатов первой и второй группы, а также увеличения их стоимости.

Полученные сведения были обобщены в итоговом графике увеличения стоимости поддержания комбайнов в исправном состоянии.

С,5430

25 ..................... ..................................

20 .........................:....

15 : ■.......................................ж________X"'"' ......

10 : .......................... I...................

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000

I. ГА

Рисунок 9 - Итоговый график увеличение стоимости поддержания комбайнов в исправном состоянии в процентах от первоначальной стоимости комбайна в зависимости от наработки в убранных объемах за весь период наблюдения.

На основе анализа данных, приведенных на рисунке 10, после первого этапа исследований были установлены параметры ресурсных групп, которые приводятся в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры ресурсных групп

Ресурсная группа 1 2 3 4 5

Прогнозируемая сезонная наработка, га 2500 1200 800 600 500

Коэффициент готовности по оперативному времени 0,99 0,97 0,95 0,95 0,93

Коэффициент готовности по основному времени 0,99 0,98 0,92 0,88 0,83

Рыночная стоимость, в % от начальной стоимости. 100 78,26 70,65 54,13 43,48

Стоимость подготовки к сезону, в % от начальной стоимости (нарастающим итогом) 0 2,25 6,29 8,47 11,06

Стоимость устранения последствий отказов, в % от начальной стоимости (нарастающим итогом) 4,76 7,92 8,74 10,39 11,55

На этапе внедрения оптимизация эксплуатации проводилась в соответствии с разработанным алгоритмом. Дополнительные работы не выполнялись, планируе-

мая наработка не превышала прогнозируемую. Оптимизация проводилась на этапе уборки яровых культур при помощи динамического программирования.

В пятой главе диссертации «Технико-экономические показатели применения алгоритма оптимизации сезонной нагрузки» выявлена зависимость изменения динамики количества отказов и расхода ГСМ от показателя коэффициента эффективной работы. На основании статистических данных об изменении стоимости зерноуборочного комбайна марки New-Holland СХ-840 и увеличении стоимости поддержания его в работоспособном состоянии была проведена оценка максимально целесообразной наработки.

В контрольной группе расход топлива на уборку одного ГА составил 13,15 литра при коэффициенте эффективной работы 0,75, а в экспериментальной группе - 12,95 литра при коэффициенте эффективной работы 0,81.

При условии снижения расхода топлива на уборку одного гектара зерновых в среднем на 0,2 литра экономическая выгода, например, при уборке площадей ООО «Орловский лидер» общим объемом 18,5 тыс. га составляет 14615 литров или в льготных ценах 2012 года - 306622 рубля.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ показателей надежности технологического комплекса зерноуборочных комбайнов выявил, что с изменением технического состояния и сохранением производственных условий происходит рост количества отказов, стоимость устранения последствий отказов увеличивается в среднем на 1,5-2% от первоначальной стоимости комбайна в год.

2. Установлено, что при сохранении производственных условий и суммарной наработке 3500 га происходит резкое снижение коэффициента готовности по основному времени с 0,98 до 0,92, последующее снижение составляет 4...5% в год.

3. На основании анализа 7 лет эксплуатации разработана методика распределения зерноуборочных комбайнов на 5 ресурсных групп по относительному изменению минимума эксплуатационных затрат на предсезонную подготовку.

4. Планово-предупредительное ТОР для выделенных групп зерноуборочных комбайнов и оптимальное распределение сезонной нагрузки с учетом коэффициента эффективной работы позволяет поддерживать коэффициент готовности равным 0,98 на протяжении всего срока эксплуатации.

5. Оптимизация распределения сезонной нагрузки технологического комплекса зерноуборочных комбайнов для коэффициента обеспеченности техникой >1 позволяет снизить эксплуатационные затраты за счет сокращения плеч переездов, при коэффициента обеспеченности техникой >1 дает возможность выделить ненагруженный резерв техникииувеличитьего нагрузку по критерию максимуму дохода от выполнения работ, а также минимизировать биологические потери убираемой культуры при коэффициенте обеспеченности <1.

6. Проверка имитационной модели работы технологического комплекса зерноуборочных комбайнов, направленная на снижение эксплуатационных расходов, показала вероятность схождения результатов в 4,3%.

7. Определен экономический эффект от внедрения результатов исследования. При уборке площадей ООО «Орловский лидер» общим объемом 18,5 тыс. га применение алгоритма оптимизации позволяет сэкономить 306622 рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Жосан А. А., Головин С. И., Михайлов М. Р. Структура и состав МТП в отечественном сельском хозяйстве // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. № 6. С. 3^1.

2. Жосан А. А., Головин С. И., Михайлов М. Р. Анализ эксплуатации зарубежной техники в России // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2009. №4. с. 52-53.

3. Михайлов М. Р., Жосан А. А. К вопросу планирования сезонной наработки зерноуборочных комбайнов // Вестник Орел ГАУ. 2011. № 2 (29). С. 6365.

4. Михайлов М. Р. К вопросу выбора математической модели оптимизации сезонной нагрузки зерноуборочных комбайнов в зависимости от их технического состояния // Вестник Орел ГАУ. 2013. № 1 (40). С. 21-28.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций:

1. Жосан А. А., Михайлов М. Р., Головин С. И. Эффективность эксплуатации зарубежной сельскохозяйственной техники в России // Обеспечение устойчивого развития АПК в условиях глобального кризиса: сб. материалов Междунар. науч,-практ. конф. молодых ученых, январь 2009. Орел: изд-во Орел ГАУ, 2009. С. 108112.

2. Перспективы импорта сельскохозяйственной техники / А. А. Жосан, С. И. Головин, М. Р. Михайлов, С. Вальтер II Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф., март 2009. Орел: изд-во Орел ГАУ, 2009. С. 35-38.

Подписано в печать 27.06.2013 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 73. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2013, Орел, бульвар Победы, 19

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201361057

На правах рукописи

МИХАИЛОВ МИХАИЛ РОМАНОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ ПО ПАРАМЕТРАМ НАДЕЖНОСТИ

Специальность - 05.20.03 - «Технологии и средства технического обслуживания в

сельском хозяйстве»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н, доцент Жосан А.А.

Орел 2013

Оглавление

Введение.................................................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования...............................9

1.1 Особенности эксплуатации зерноуборочных комбайнов.................................9

на современном этапе.................................................................................................9

1.2 Государственные меры по поддержке технического переоснащения парка сельскохозяйственной техники................................................................................12

1.3 Анализ эксплуатации отечественных и зарубежных зерноуборочных комбайнов...................................................................................................................15

1.4 Отечественный и зарубежный опыт по повышению сезонной наработки зерноуборочных комбайнов.....................................................................................18

1.5 Выводы по первой главе. Цель и задачи исследования..................................26

Глава 2. Теоретические предпосылки проведения исследований.................30

2.1 Процесс уборки зерновых как системный многофакторный процесс...........30

2.2 Показатели надежности зерноуборочных комбайнов, их значимость для потребителя................................................................................................................31

2.3 Определение потребности хозяйства в зерноуборочной технике.................34

2.3.1 Существующие методики определения количества требуемой техники... 34

2.3.2 Определение потребности хозяйства в зерноуборочных комбайнах с учетом их технического состояния.........................................................................37

2.4 Методика расчета обеспеченности хозяйства зерноуборочными комбайнами ...............................................................................................................................41

2.5 Обзор и обоснование выбора математических методов оптимизации ресурсов......................................................................................................................43

2.5.1 Линейное программирование..........................................................................45

2.5.2 Метод динамического программирования....................................................56

2.6 Выбор метода оптимизации...............................................................................61

2.7 Выводы по главе..................................................................................................65

Глава 3. Программа и методика проведения исследования............................66

3.1 Этапы и программа экспериментальных исследований.................................70

3.2 Обоснование периодичности обследований....................................................73

3.3 Определение объема испытаний........................................................................75

3.4 Сбор информации при разовом обследовании комбайнов.............................77

3.5 Определение временных и материальных затрат для обеспечения работоспособности зерноуборочного комбайна....................................................78

3.6 Методика определения потерь сельскохозяйственной продукции при нарушении агротехнических сроков.......................................................................80

3.7 Определение стоимости комбайнов..................................................................82

3.7.1 Определение стоимости новых импортных зерноуборочных комбайнов. 82

3.7.2 Определение стоимости зерноуборочных комбайнов на вторичном рынке . ...............................................................................................................................83

Глава 4. Результаты исследования и их анализ................................................85

4.1 Выбор объектов исследования...........................................................................85

4.2. Анализ эксплуатации парка..............................................................................90

4.3 Определение границ ресурсных групп...........................................................104

4.4 Имитационное моделирование работы технологического комплекса одномарочных зерноуборочных комбайнов.........................................................107

4.5 Выводы по четвертой главе.............................................................................. 109

Глава 5. Определение экономической эффективности оптимизации сезонной нагрузки..............................................................................................................111

5.1. Определение оптимального срока использования зерноуборочных комбайнов.................................................................................................................112

5.2 Экономический эффект от экономии горюче-смазочных материалов........118

Общие выводы и рекомендации............................................................................120

Литература.........................................................................................................122

Приложения.......................................................................................................132

Введение

Актуальность темы. В условиях рыночных отношений в сельском хозяйстве особенно актуальной становится задача повышения эффективности использования сельскохозяйственной техники.

Одними из основных причин, приведших в последние два десятилетия к резкому снижению объема валового сбора урожая продукции растениеводства стали как неэффективное использование машинно-тракторного парка сельскохозяйственных товаропроизводителей, так и его сложившееся состояние, которое характеризуется интенсивным старением и количественным уменьшением. Для преодоления сложившейся ситуации и восстановления технической обеспеченности отечественного сельского хозяйства необходимо принять эффективные меры по повышению экономичности и интенсивности использования сельскохозяйственной техники. Одним из направлений при решении данной проблемы является совершенствование использования машинно-тракторного парка в целом, и парка зерноуборочных комбайнов в частности, что влечет за собой принципиально новый подход к планированию их сезонной нагрузки. Эффективность использования МТП в рыночных условиях требует решения многих технических, технологических, организационных и экономических задач. В первую очередь это относится к повышению надежности техники и интенсивности её производственной эксплуатации.

Поскольку требования к сельскохозяйственной технике непрерывно возрастают и находят своё выражение как в необходимости улучшения качества самой техники и диапазона выполняемых сельскохозяйственных операций, так и в повышении производительности, это приводит к увеличению наработки машин. С одной стороны, увеличение наработки на каждый агрегат дает в итоге увеличение количества отказов и, соответственно, времени пребывания техники в ремонте, с другой стороны, увеличение наработки является необходимым условием окупаемости современной энергонасыщенной техники.

Старение имеющегося машинно-тракторного парка и повышение энергонасыщенности современных машин и агрегатов приводят к достаточно быстрому сокращению состава МТП при одновременном увеличении мощностного диапазона. В сложившихся обстоятельствах решающее значение имеет обеспечение как надежности отдельных деталей и узлов, так и зерноуборочных комбайнов и сельскохозяйственных машин в комплексе. Простои такой высокопроизводительной техники из-за недостаточной надежности приводят к затягиванию агротехнических сроков, что в итоге приводит к потерям урожая.

Таким образом, экономическая целесообразность использования таких машин складывается из их первоначальной цены, стоимости проведения технического обслуживания и ремонта, соблюдения их регламентов, стоимости запасных частей и ремонтных работ, а также потерь от простоя техники и нарушения агротехнических сроков.

Состояние и изученность проблемы. Основополагающие работы по различным аспектам производственной эксплуатации и повышению надежности машинно-тракторного парка принадлежат Бараму Х.Г., Веденяпину Г.В., Голубеву И.Г., Горячкину М.И., Дидманидзе О.Н., Евтюшенкову Н.Е., Ерохину М.Н., Киртбая Ю.К., Краснощекову Н.В, Левшину А.Г., Линтвареву Б.А., Михлину В.М., Плаксину A.M., Пучину Е.А., Рабиновичу А.Ш., Скороходову А.Н., Горбачеву И.В., Халфину М.А. Черноиванову В.П., и др.

Ситуация, сложившаяся в настоящее время в отечественном сельском хозяйстве требует поиска новых методов решения проблемы повышения надежности и эффективности эксплуатации МТП в целом и парка зерноуборочных комбайнов в частности.

Объект исследования: парк зерноуборочных комбайнов технологического комплекса.

Предмет исследования: эксплуатация парка зерноуборочных комбайнов и оптимизация его сезонной нагрузки.

Теоретическая и методологическая основа исследования.

Диссертационное исследование проведено на основе научных работ отечественных и зарубежных специалистов, посвященных проблемам повышения надежности сельскохозяйственных машин и эксплуатации машинно-тракторного парка. В качестве инструментов исследования были использованы теоретические методы исследования (системный анализ, методы оптимизации надежности и управления), общелогические (сравнение, обобщение и анализ научной литературы по проблеме исследования), статистические (обработка материалов эксперимента). Расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с использованием ПЭВМ и пакета прикладных программ (Excel, SPSS, MathCad).

Научная новизна заключается в разработке методики оптимизации сезонной нагрузки ресурсных групп зерноуборочных комбайнов технологического комплекса с учетом их технического состояния и условий эксплуатации.

Практическая значимость работы. Практическую ценность результатов исследования имеют:

- результаты анализа показателей надежности технологического комплекса зерноуборочных комбайнов с различными сроками эксплуатации с учетом технического состояния машин и производственных условий и методика их распределения по ресурсным группам по минимуму эксплуатационных затрат на предсезонную подготовку машин;

- методика определения потребности в зерноуборочных комбайнах с учетом дифференциации машин по ресурсным группам;

- методика и алгоритм оптимизации сезонной нагрузки на комбайн для выделенных ресурсных групп зерноуборочных комбайнов;

- методика выбора методов оптимизации сезонной нагрузки для выделенных групп комбайнов в зависимости от коэффициента обеспеченности техникой.

Достоверность результатов обеспечена использованием современных апробированных методов анализа и прогнозирования, применением достоверного математического аппарата.

Реализация результатов исследования: методика распределения зерноуборочных комбайнов по ресурсным группам по минимуму эксплуатационных затрат на предсезонную подготовку машин, математическая модель оптимизации распределения сезонной нагрузки для ресурсных групп парка зерноуборочных комбайнов внедрена в учебный процесс при изучении дисциплины «Эксплуатация машинно-тракторного парка» на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного парка и тракторы» ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет».

Методика оптимизации технологического комплекса комбайнов с учетом их наработки и технического состояния путем их распределения их по ресурсным группам по минимуму эксплуатационных затрат на предсезонную подготовку машин использована в агрофирме «Мценская» в качестве рекомендации при оптимизации парка зерноуборочных комбайнов.

В ООО «Орловский лидер» оптимизирована сезонная нагрузка ненагруженного резерва парка зерноуборочных комбайнов на этапе уборки яровых культур.

Публикации: основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 6 печатных работах, 4 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований. На защиту выносятся:

- результаты анализа показателей надежности технологического комплекса зерноуборочных комбайнов с учетом технического состояния машин и производственных условий;

- методика распределения комбайнов по ресурсным группам зерноуборочных комбайнов;

- методика и алгоритм оптимизации сезонной нагрузки на комбайн для выделенных ресурсных групп зерноуборочных комбайнов;

- методика выбора методов оптимизации сезонной нагрузки для выделенных групп комбайнов в зависимости от коэффициента обеспеченности техникой;

- результаты экспериментальных исследований и имитационного моделирования работы технологического комплекса одномарочных зерноуборочных комбайнов;

- результаты технико-экономической оценки рекомендаций по повышению эффективности использования парка зерноуборочных комбайнов технологического комплекса.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы состоящего, из 120 наименований, в том числе 12 на иностранном языке, 6 приложений, изложена на 141 странице, содержит 13 таблиц, 39 рисунков.

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Особенности эксплуатации зерноуборочных комбайнов

на современном этапе

В последние десятилетия в отечественном сельском хозяйстве произошли кардинальные изменения, которые привели к смене организационно-правовых форм землепользования и изменению принципов хозяйствования. Эти изменения затронули также и сложившуюся в советский период систему использования машинно-тракторного парка (МТП).

Тем не менее, эффективность производства сельскохозяйственной продукции по-прежнему во многом обуславливается рациональным применением сельскохозяйственной техники, которое, в сочетании с другими факторами, создает необходимые предпосылки для проведения сельскохозяйственных работ в оптимальные агротехнические сроки и снижения их себестоимости [54,103].

Появление большого количества мелких и средних сельскохозяйственных предприятий, которые должны иметь собственный парк машин, должно было привести к росту количества сельскохозяйственной техники и повышению уровня технического облуживания вследствие того, что фермер является собственником техники, что в итоге должно положительно сказаться на качестве сельскохозяйственного производства.

Однако тенденцией последних десятилетий, как в отечественном, так и зарубежном сельском хозяйстве стало снижение общего количества сельскохозяйственной техники и повышение нагрузки на каждую из них [40].

На рисунке 1.1 видно, что в Российской Федерации ежегодно происходит снижение количества зерноуборочных комбайнов. Наиболее резкое снижение происходило с 1992 по 2002 годы. В этот период их количество сократилось более чем в 2 раза.

350 300 250 200 150 100 50 0

1992 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Год

Рис. 1.1 — Парк зерноуборочных комбайнов в сельскохозяйственных организациях Российской Федерации (на конец года; тыс. штук) [100]

Однако следует отметить, что по данным разных источников в этот же период имело место и снижение объемов посевных площадей. Несмотря на это, количество зерноуборочных комбайнов снижалось более активно. Данные исследований приведены на рисунке 1.2.

Можно отметить, что в 2010 году наметилась небольшая положительная динамика, которая связана в первую очередь с реализацией национальных проектов.

Шт. 7

5 4 3 2 1 о

1992 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Год

Рисунок 1.2 - Приходится на 1000 га посевов соответствующих культур, зерноуборочных комбайнов, шт. (на конец года) [100]

I I I I I

Как видно из рисунка 1.3, с 1992 года наблюдалось постоянное увеличение на один зерноуборочный комбайн. Некоторое снижение нагрузки наблюдается только в 2010 году. При этом следует отметить, что в последние годы обновление парка зерноуборочных комбайнов происходит в основном за счет приобретения высокопроизводительных энергонасыщенных машин. Однако в этом случае имеется и своя отрицательная сторона, которая заключается в высокой стоимости и повышении рисков в результате нарушения агротехнических сроков при отказе единицы техники из-за её высокой нагруженности.

Га. 400 350 300 250 200 150 100 50 0

1992 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Год

Рис. 1.3 - Приходится посевов (посадки) соответствующих культур на один зерноуборочный комбайн, га [100]

Тенденции к снижению количества сельскохозяйственной техники в частных хозяйствах при одновременном повышении их энергонасыщенности отмечаются и в Европе. Так, по данным Рейнского сельскохозяйственного общества (Das Rheinische Landwirtschafts-Verbande (RLV)), наибольшее количество тракторов, находящихся во владении всех немецких хозяйств, пришлось на 1985 год и составило 1,48 миллионов, в 2004 - 868000, а в 2005 -около 833200 единиц. Состав машинно-тракторного парка является в первую очередь отражением структурных изменений в сельском хозяйстве, так как меньшему количеству хозяйств требуется меньшее количество тракторов. Второй причиной, приводящей к снижению общего количества, является повышение энергонасыщенности и мощности тракторов, поскольку только средняя мощность

всех используемых в Германии тракторов выросла с 31,3 к\¥ в 1985 году до 43,6 к\¥ в 2004 и 44,2 к\¥ в 2005 [115].

По мнению И.Г. Голубева, для современных машин и сельскохозяйственной техники будущего характерно следующее:

- рост единичной мощности трак