автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности механизирвоанных процессов заготовки силоса и сенажа в условиях Ставропольского края

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ЗАГОТОВКИ СИЛОСА И СЕНАЖА В УСЛОВИЯХ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ

Специальность: 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нальчик-2006

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

А. В. Орлянский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В. X. Малиев (ФГОУ ВПО СтГАУ)

кандидат технических наук, доцент

А. Ш. Теш ев

(ФГОУ ВПО КБГСХА)

Ведущая организация: ГНУ Ставропольский научно-исследовательский

институт животноводства и кормопроизводства Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится « 21 » декабря 2006 года в « 14 » часов на заседании диссертационного совета К 220.033.01 в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Толстого, 185.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия».

Автореферат разослан « 24 » А/ОсУ З/Э^Я 2006 г. и помещён на сайте www.kbs^-ги

Ученый секретарь ___—

диссертационного совета А

кандидат технических наук, доцент * А. Д. Бекаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Грубые измельченные корма имеют важнейшее значение в рационе крупного рогатого скота, составляя 50...60 % общей массы рациона. Для Ставропольского края, являющегося крупным регионом по объемам производства сельхозпродукции, с территорией, расположенной в четырех природно-климатических зонах, проблема организации эффективного кормопроизводства и обеспечения животных качественными, недорогими кормами имеет особое значение.

Около половины себестоимости продукции животноводства, по данным министерства сельского хозяйства Ставропольского края составляют затраты на корма. В себестоимости объемистых кормов высока доля эксплуатационных затрат. Многообразие уборочной техники позволяет осуществлять процесс заготовки силоса и измельченного сенажа по различным технологическим схемам. В ограниченные сроки уборки (10...15 дней), при пиковой загрузке людских и материальных ресурсов большое влияние на эффективность производственных процессов заготовки силоса и сенажа оказывает рациональность выбора технических средств и уровень организации работ.

Актуальность проведенных исследований обусловлена и тем, что в большинстве сельскохозяйственных предприятий Ставропольского края остро стоит проблема обновления парка кормоуборочных машин. Назрела необходимость разработки научно обоснованных рекомендаций по выбору из большого числа предлагаемых на рынке кормоуборочной техники наиболее приемлемых для конкретных условий хозяйствования машин.

Цель работы. Повышение эффективности механизированных процессов заготовки силоса и сенажа в условиях Ставропольского края за счет обоснования рациональных технологических схем, агрегатов и комплексов машин с учетом вероятностного характера действующих факторов.

Объект исследования. Технологические процессы и средства механизации заготовки измельченных стебельчатых кормов.

Предмет исследования. Взаимодействия и взаимосвязи между техническими средствами заготовки силоса и сенажа, обрабатываемым материалом и воздействиями внешней среды с учетом вероятностной природы действующих факторов.

Методика исследований. Объекты исследования рассматривались с использованием теории больших систем, классического и системного анализа, теории массового обслуживания, теории вероятностей, теории надежности. Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях и на разработанной имитационной модели с применением натурных опытов, хронометражных наблюдений и вычислительных экспериментов. Обработка результатов велась с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна. На принципах системного подхода разработана имитационная модель механизированных технологических процессов заготовки измельченных стебельчатых кормов, синтезирующая совместное действие веро-

ятностных внутрисистемных факторов и взаимосвязей с воздействиями внешней среды. На основе натурных и вычислительных экспериментов получены аналитические зависимости показателей эффективности функционирования системы от основных факторов, характеризующих условия ее функционирования.

Практическая значимость. Разработанные модель и рекомендации позволяют повысить эффективность производственных процессов заготовки грубых измельченных кормов за счет обоснования структуры и состава кормоубороч-ных комплексов и режимов их эксплуатации для конкретных производственных условий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и были одобрены на научно-теоретических конференциях профессорско-преподавательского состава Ставропольского ГАУ, Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии, ВНИПТИМЭСХ, I и II Российских научно-практических конференциях «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (г. Ставрополь), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» в рамках международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал — 2006» (г. Невинномысск), научно-практической конференции «Эффективные агротехнологии» (г. Ростов-на-Дону), IX международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве — научное обеспечение реализации направления «Ускоренное развитие животноводства» приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (ВНИИМЖ, МГАУ, г. Москва).

Реализация результатов исследования. Полученные результаты исследований прошли производственную проверку и внедрены в колхозе им. Ворошилова Труновского района и СХ племколхозе «Россия» Новоалександровского района, в СПК колхозе «Новомарьевский» Шпаковского района Ставропольского края в 2004 - 2006 г.г.

Публикация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в десяти печатных работах.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав. Она содержит 143 страницы основного текста, 35 рисунков, 12 таблиц, список использованной литературы из 180 наименований и 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика работы, цель работы, ее научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту. ''

В первой главе на основе анализа состояния вопроса и исследований в области оптимизации механизированных уборочных процессов и совершенствования процессов заготовки кормов, выполненных Ф.С. Завалишиным, М.С.Рунчевым, Б.С. Свирщевским, С.А. Иофиновым, Э.В. Жалниным, 4

Э.И. Липковичем, Ю.И. Бершицким, В.В. Кацыгиным, Р.Ш. Хабатовым, Ю.К. Киртбая, Н.И. Клёниным, А.Б. Когановым A.A. Бориневичем, С.Я. Зафреном, В.А. Бондаревым, И.Ю. Сирвидисом, О.Г. Ангилеевым, Ю.Н. Блынским, А.И. Бурьяновым, A.B. Орлянским, A.A. Зубрилиным, П.Т. Колесниковым, A.M. Семенихиным и другими, обоснованы задачи и разработана общая структурная схема исследования. Установлено, что разнообразие природно-климатических условий заготовки кормов в Ставропольском крае обусловливает необходимость их более полного учета при моделировании изучаемых процессов. Выявлено, что применение только классических аналитических методов оптимизации кормоуборочных процессов существенно снижает достоверность получаемых результатов из-за недостаточного учета влияния вероятностного характера действующих факторов.

Проведенный анализ исследований и состояния заготовки измельченных стебельчатых кормов в регионе позволил сформулировать основные задачи исследования:

1. Анализ существующих технологических схем и технических средств заготовки измельченных стебельчатых кормов.

2. Разработка имитационной модели функционирования уборочно-транспортной системы (УТС) заготовки силоса и сенажа с подсистемой воздействия внешней среды.

3. Анализ хозяйственных и природно-климатических условий функционирования уборочно-транспортных систем на заготовке силоса и сенажа.

4. Исследование влияния параметров обрабатываемого материала на динамику и эффективность кормоуборочного процесса.

5. Исследование эксплуатационно-технологических и технико-экономических параметров кормоуборочных и транспортных машин и агрегатов с учетом их вероятностной природы.

6. Обоснование рациональных технологических схем, агрегатов и комплексов машин по результатам реализации имитационной модели УТС.

7. Разработка практических рекомендаций по выбору рациональных технологий и комплексов машин для заготовки силоса и сенажа в различных производственных условиях.

Во второй главе отражены программа и методика исследований. Объекты исследования — процессы заготовки силоса и сенажа — рассматриваются как большая система с множеством взаимодействующих элементов и подсистем и наличием стохастических воздействий внешней среды.

Методами имитационного моделирования и натурными экспериментами нами исследуются процессы заготовки силоса и сенажа различными уборочно-транспортными комплексами, изучается влияние воздействий внешней среды и условий функционирования на работу , отдельных машин и уборочно-транспортных комплексов в целом.

Основой проводимых экспериментальных исследований являются теория планирования эксперимента, теория вероятностей и математическая статистика.

Характеристики работы УТС, полученные путем реализации имитационной модели носят случайный характер. Для обеспечения статистической устой-

чивости их соответствующие оценки вычисляются как средние значения по большому количеству реализаций. Необходимое количество реализаций модели N для достижения требуемых точности Е и достоверности (), согласно центральной предельной теореме теории вероятностей, определяется из условия:

ф 2 о 2

N =

Е2 (1)

где tL — квантиль нормального распределения порядка, = (1+0)/2;

д2 — дисперсия. -

В качестве критериев оптимизации процессов заготовки силоса и сенажа предлагается использовать совокупные приведенные затраты с учетом стоимости суммарных потерь корма:

3„рв = 3„э + Еп • Куд + Цк • ¿х. > (2)

где 3„р, - приведенные затраты, руб/т;

Зю - прямые эксплуатационные затраты, руб/т;

Е„ — нормативный коэффициент эффективности капвложений;

Куд — удельные капвложения, руб. /т;

Цк — цена реализации 1 тонны корма, руб.;

6? — доля суммарных потерь, (%).

Модель функционирования УТС строится таким образом, чтобы выходные данные позволяли оценить процесс и по другим критериям оптимизации.

В третьей главе приводятся теоретические исследования по разработке моделей уборочно-транспортной системы (УТС) заготовки измельченных стебельчатых кормов.

Стохастическая имитационная модель УТС заготовки силоса и сенажа может быть представлена как динамическая система, которая под воздействием внешних случайных входных переменных изменяет свое состояние, что приводит к изменению выходных переменных. Процесс функционирования любой сложной системы к которым относим и работу УТС заготовки силоса и сенажа, можно разбить на т подсистем. Математическая модель процесса функционирования УТС может быть представлена в виде системы уравнений:

УгО) X/, х2,...^сюс;р1,р2,...,рпр, 0;

у2(0 =/2(и1>и2,—,иПи;у1,у2,...,упг;х1,х2,...^СпХ;р1,Р2,—,Рпр, (3)

■< Уз(0 =/з(и1,и2,...,ипи;у1^2,...,уПУ; х„ х2,...^хнх;рпр2,...,р„Р, 0;

Уту(0 =/тг(и1,и2,...,и„и;у1,у2,...,Ут,;х„Х2,...^спх; р],р2,...,рпр,0,

где у2(0> Уз(0ч ••••> Упу(0 — характеристики подсистем с параметрами

РъРг* «••»Рщ, при наличии входных управляемых и},и2, ..., ипи и неуправляемых XI, х2,х„хвоздействий и воздействий внешней среды V;, у2, ..., гпУ.

Если бы функции/¡,/2,/з,... ,/„/■ были известны, то соотношения (3) оказались бы идеальной математической моделью процесса функционирования системы Я. Однако на практике получение модели достаточно простого вида для сложных систем чаще всего невозможно или нерационально. 6

При системном подходе модель уборочно-транспортной системы (УТС) заготовки силоса и сенажа, на наш взгляд, должна включать следующие составляющие: структуру процесса, то есть определенный набор технологических операций; элементы системы — машины и агрегаты; взаимодействия элементов и подсистем; свойства обрабатываемого материала; воздействия внешней среды.

Процесс заготовки силоса и измельченного сенажа имеет сложную, многовариантную структуру, т.е. корма можно заготовить по различным технологическим схемам, каждая из которых включает в себя набор определённых технологических операций. Структуру процесса можно представить в виде сетевого графика, отражающего последовательность выполняемых технологических операций и состояния заготавливаемой массы (рис. 1).

4скШП|

СОСТОЯНИЯ МАССЫ:

0 — травостой;

1 — скошенная в прокосе; -

2 — скошенная в валке;

3 — измельченная в транспорте;

4 — разгруженная на месте закладки;

5 — уплотнённая в траншее;

6 — укрытая в траншее;

7 — упакованная в рукав.

ОПЕРАЦИИ: СкПр - скашивание в прокос; СкПрПл - скашивание в прокос с плющением; СкПрКн - скашивание в прокос с кондиционированием;

СкВл - скашивание в валок; СкВлПл - скашивание в валок с плющением; СкВлКн - скашивание в валок с кондиционированием; СкИзПг - скашивание с измельчением и погрузкой; СгВл - сгребание массы в валок; РбВл - разбрасывание валков; ОбВл - оборачивание валков; ПдИзПг - подбор с измельчением и погрузкой; ТрРг - транспортировка, разгрузка; Упл . , - уплотнение массы в траншее; Укр , - укрытие массы в траншее; УпРк - упаковка с уплотнением в полимерный рукав

Рисунок 1 — Сетевой график процессов заготовки измельченных стебельчатых кормов На базе приведенного сетевого графика разработана обобщенная блок-схема алгоритма моделирования процесса заготовки измельченных кормов, основными элементами которой являются кормоуборчные и транспортные агрегаты.

Моделирование работы кормоуборочных агрегатов производится по принципу «особых состояний», т. е. определяются и фиксируются характеристики состоя-

ния агрегата в моменты перехода от одного состояния к другому.

К «особым состояниям» нами отнесены (рис. 2): моменты начала рабочей смены, завершения подготовки к работе, переезда к полю, завершения рабочего цикла, наступления и устранения отказа и технологической остановки, завершения смены. За цикл при работе полевых агрегатов удобно принимать ра-

Показатели работы агрегата (наработка и составляющие баланса времени) в каждом из особых состояний фиксируются, и в результате формируется динамика состояний агрегата в моделируемый период. Также уточняется для каждого состояния остаточное значение ресурса безотказной работы агрегата.

Основной операцией при заготовке силоса и измельченного сенажа является подбор-измельчение-погрузка или скашивание-измельчение-погрузка. Особенностью выполнения данных операций является постоянное взаимодействие в процессе рабочего хода кормоуборочных комбайнов и транспортных агрегатов, осуществляющих перевозку заготавливаемой массы к местам закладки на хранение.

Алгоритм модели измельчения-погрузки-транспортировки включает следующие блоки операторов (рис.3):

1 ...2 - запуск модели и ввод исходных данных;

8...20 — проверка агрегата на неисправность вначале смены и при ее наличии, определение времени устранения; 8

С Начало .--—2 I -

/Ввод: ¿р, Л,., Зр, и, Ьт, ст Л/А роЬ аоЬ рт

от Уп» От и„

■ '

г-■< !=1,ЫР;К=1,10 >—|

п

Т5(1,К)г=0,58(0=0, Ыг(1)=Ь1с1

Г

г—Ц=1,ЫТ; К=1,10 У— \~ТС(1,К)=0,вТ(1,К)=0

1=1,ЫР

I[я5(1)=Ь^*(-1одЯ)1/с^> Д

23 I

пе1зр(1)=0

[р=30+4,9*10Г5*\АГ3-45+ I 7>оаа

/^ТГ/УР >-

п-■гв--

| уЬ(1)=руЬ+Е(Я,-6)

8 тре/{1)=ур<1+£(Яг6)*орс1

трег5(1)=Ярег/уИ(1)

130 I —

гдгЪ(1)=1пг(1)+ трб5(!)+ _ трег5(1)

I трйУ)=ррб+1(Яг6)*ор<1

Л

трег6^)=Ярег/уЬ6(3)

Ткг(^=Тпс16+ трс!бУ)+трегбУ)

Выбор (1М) -го агрегата с тШдгЬ(1)

Выбор ^М) -го агрегата с т1п{кг(Ц)

— 38- 1 ||

чк^м^р^+цйгб) *аргщ

У^¡=ррг0)+*(Кг6) *арГ(,) 1 Т^(т)=ТгЦ1М)+тгг

тод5(1М)= Ткг(ЛИ)' ТдгЬ(Ш)

Тод5(1М)= Тод5(1М)+ тод5(1М)

гю(1М)= Ткг(ЛИ)+

тод6(ЛИ)= ТдгЬ(1М ■ Ткг(ЛИ))

Тод6(ЛИ)= Тод6(ЛИ)+ тодб(ЛИ)

Ь1г(1М)=ТдгЬ(1М)+т*

Р1.ог=в/(Ц*В)

1тгу=ргу+1(Яг6) *ог/

Тог^О/.огЛт

тгд = ТОг+Тпп

те/ =Р1.д/уг+тгу

Рисунок 3 — Блок-схема алгоритма имитации измельчения-погрузки силоса и сенажа (начало)

\Тогк=1пг(1М)+Я5(1М)

гй

тгд=й5(1М)

Ыс1=тгд/тсI

Тог=тгд-тп/*Ыс!

DLoz=Vrг*Гoz

в1(им)=и*з

333(1М)=333(1М)+3

СРв=вРв+в1(ЛМ)

85=88+8

Ып/(1М)=Ып/(1М)+Ыс1

-я» I

ЗИ(1М)=к1*и*В(1М)/ Ю(ЛИ)+к2*Щ1М)+ +кЗ*Р1-

Ы8=Ы8+1

—М-

ЗТ(5,1,ЫЗ)=^к

ЗТ(5,2,ЫЗ)=

С

ТЯА

Тгд=1пг(1М)+ тгд

Тоб(1М)=ТовОМ)+Тог

Тп(Щ=Тгу(!М)+Тп/г

Я5(1М) = К5(Ш> тгд

Я6(ЛИ) = Я6(ЛМ)- тгд

в1(ЛИ)=0

333(1М)=333(1М)+3

вРв=вРв+в

33=83+5

Ып/(Ш)=Ып/(1М)+ МЙИг

8Щ1М)=к1*и*В(1М<)/

С

тиэ 5(1М) =^из5(1)+ +1(Я1-6)*сти55П)

№з=Шк+тиз5

Тиз5(1М)= Ти85(1М)+тиз5

109 ' -

ТдгЬ(!М)

±

Тиз5(1М)=Тиз5(1М)+Т

пе'1зр5(!М)=1

гдгЬ(1М)=ТКО

\~R6fJM)=Я6(ЛУ1)-тгд

I

ТТ(5,1,1)=*пгв(1)+тр&5(1), ТТ(5,1,2)=фс15(1),ТТ(5,1,3)=2*трег5(01 ТТ(5,1,4)=0, Т(5,1,5)=0 ТТ(5,1,6)= То(1),ТТ(5,1,7)= Тгу5(1), ТТ(5,1,8)=Тиа5{1),ТТ(5,1,9)=Тгд(0, ТТ(5,1,1О)=Тод50),ТТ(5,1,11)=О, ТТ(5,1,12)=88(1),1=1,ЫР.

7ТС6Д 1)=И<^^4псНтрег6(^,

ТГ(6,12)=ф<ЩУ, ТТ(6ЛЗ)=ТтрегЪ(У,

ТТ(Ы4)=0, 7Т(6Д5>=0,

ТТ(Ы,6)=Тд(4,ТГ(6Л7)=ЩЛ

ТТ(Ы8)=Ти8б(и),ТТ(М9)=Тгд(4,

ТТ(6^,10)=Тод6(^,ТТ(6г1,11)=Т1Уб(и),

ТТ(Ы12)=5в(иуи.

/Вывод: /.р, Эр, и,

М/Ш С/щ Цг, Л/А ^/оь СО«, №уп "и> Упп »-/г,

__1д51_

Конец 3

Рисунок 3 — Блок-схема алгоритма имитации операций подбора и скашивания с измельчением и погрузкой ("окончание)

21...34 — формирование ресурса безотказной работы транспортных и уборочных агрегатов, определение текущего времени готовности к рабочему ходу;

35...48 — выбор агрегата с наименьшим временем готовности к рабочему ходу и определение продолжительности простоев в ожидании; .

49...57 — определение длины рабочего хода комбайна, необходимой для загрузки ТА, продолжительности загрузки ТА и необходимого для этого количества проходов комбайна от одного края поля к другому;

58...78, 79...93 и 95...101 — определение показателей наработки и составляющих баланса времени, соответственно, при безотказной работе агрегатов за время загрузки ТА, при отказе уборочного агрегата, при отказе транспортного агрегата;

102...113 — формирование продолжительности устранения отказа,- нового значения ресурса работы агрегата до следующего отказа;

г 119..Л22 — определение суммарных значений показателей наработки и составляющих баланса времени смены для агрегатов и системы в целом, вывод результатов и завершение работы модели. .

При взаимодействии кормоуборочных агрегатов с транспортными агрегатами (ТА), носящем вероятностный характер, на варьирование продолжительности рабочего цикла транспортного средства существенное влияние оказывает переменная длина пути ТА от места завершения загрузки (точка В) до края поля, через который транспортные агрегаты выезжают на магистраль (до базовой точки 5).

Возможные варианты расположения точек начала и завершения загрузки транспортного агрегата кормоуборочным комбайном приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 — Возможные варианты расположения точек начала и завершения загрузки транспортного агрегата кормоуборочным комбайном

А — точка начала загрузки; В — точка завершения загрузки; Б — базовая точка (край поля с магистралью); Ьха — расстояние от края поля до точки начала загрузки; расстояние от края поля до точки завершения загрузки; Ьр— длина поля.

На основе анализа возможных вариантов расположения на поле точек завершения загрузки ТА относительно края поля, прилегающего к магистрали,

получено выражение, позволяющее определить расстояние от комбайна до базовой точки при любых значениях Л^ и п,{.

Ь,ь = ((-I) (^+Пгг+1) ■пгг+Цпг/2]-пг/2]) •Ьр+(-1)"пЬ,, (4)

где — длина рабочего хода, необходимая для загрузки ТА, м; расстояние от края поля до точки начала загрузки, м;

Ьр — длина поля (м);

пп — число совершаемых за время загрузки ТА рабочих ходов;

N,1, — количество рабочих ходов до края поля, совершенных комбайном с начала смены.

Полученное выражение (4) позволяет более точно описывать в имитационной модели взаимодействие кормоуборочных и транспортных агрегатов.

В четвёртой главе приводятся результаты анализа зональных производственных условий, экспериментальных исследований технологических свойств обрабатываемого материала, эксплуатационно-технологических параметров кормоуборочных и транспортных агрегатов.

По природно-климатическим условиям территория Ставропольского края разделяется на четыре сельскохозяйственных зоны. Каждая зона различается средней влажностью и температурой воздуха (рис. 5), вероятностью выпадения осадков в период заготовки кормов, урожайностью кормовых культур. Средняя дневная относительная влажность воздуха летом — 35...45% на равнинной территории и 50...60% — в предгорьях. Вероятность выпадения осадков по зонам и летним месяцам варьируется от 0,03 до 0,3.

Рисунок 5 — Средняя декадная температура воздуха по четырем природно-климатическим зонам Ставропольского края

Урожайность кукурузы на силос в крае варьируется в широком диапазоне: на орошении — 100...250 ц/га, на богарных землях - 60... 130 ц/га. Урожайность трав на зеленый корм на орошении — 60... 160 ц/га, на богарных землях — 40... 120 ц/га.

В большинстве сельхозпредприятий края, занимающихся животноводством, имеются 1...3 фермы КРС общей численностью 200...600 голов. Небольшое количество хозяйств имеет поголовье, превышающее 1000 голов КРС, около десяти из них содержат несколько тысяч голов. Каждая ферма или отара имеет при себе кормовую площадку, в том числе с одной или несколькими траншеями для силоса или сенажа емкостью 200...800 тонн.

Среднее расстояние перевозок заготавливаемого корма от поля до места закладки на хранение составляет 5...7 километров. Длина полей на посевах кормовых культур в среднем по краю составляет 1000 м.

Одно из решающих условий получения корма высокого качества — своевременное скашивание трав с учетом их биологических особенностей. Запаздывание с уборкой трав и силосных культур может привести к ежедневным потерям до 2 % кормовых единиц (В. А. Бондарев, В.В. Щеглов, А.М. Семенихин и др.).

Для учета динамики качества растительного сырья при моделировании процесса заготовки корма нами обработаны данные ВНИИ кормов и получены зависимости содержания белка Кпр и клетчатки Ккл в люцерне, а также питательная ценность 1 кг сухого вещества Кк.е в зависимости от периода развития растения:

К„р = 25,48 - 0,276-Твег - 0,0006-Т(5) Л™ = 13,56 + 0,7644-Т.сг - 0,01-Твег2, (6)

Кке.= 1,08 - 0,0116 Твег - 0,00007'Т.еД (7)

где Кпр, КК1, Кке — содержание, соответственно, протеина, клетчатки и кормовых единиц в 1 кг зелёной массы люцерны, %;

Т„ег— день вегетационного периода растений (4...25).

При заготовке сенажа и подвяленного силоса из трав скошенную массу необходимо провяливать до влажности, соответственно, 45...55% и 60...70%. Для условий Ставропольского края нами, совместно с А. В. Орлянским и И.А. Орлян-ской, проведены исследования динамики провяливания люцерны в различных погодных условиях для валков разной удельной массы. По результатам исследований скорость провяливания трав от начальной влажности 75...78 % до влажности 50 % описывается с высоким значением корреляционного отношения /?=0,954 полиномом второго порядка:

У50 = -122,78+10,42 Н, -35,99*Муд+0,99 % *Муд -0,20 / 1Муд2, ( 8)

где У50 — скорость провяливания массы от скашивания до влажности 1Г=50 % (%/час);

— средняя температура воздуха в течение безросного периода суток (в летнее время в среднем — от 923 до 2122), °С;

Муд— удельная масса валка в пересчете на сухое вещество, (кг/м2).

Природно-климатические условия Ставропольского края позволяют проводить заготовку силоса при влажности около 70...75%. При такой влажности разные источники рекомендуют измельчать массу на частицы размером от 20 до 50 мм.

Влияние степени измельчения заготавливаемой массы на эксплуатационные показатели работы уборочных и транспортных машин исследовалась нами в производственных условиях. Определялась рабочая скорость Ур и расход топлива gm кормоуборочного комбайна Е-281, суммарные механические потери р при уборке-транспортировке кукурузного силоса, плотность массы рм в кузове транспортного средства. Влажность убираемой силосной массы составляла 69.. .72 %. Длина резки частиц 1рез изменялась скоростью подачи листостебель-ной массы к измельчающему аппарату, и средневзвешенная величина ее составила по опытам 21, 31 и 46 мм. В результате обработки данных получены зависимости исследуемых эксплуатационно-технологических параметров от длины резки листостебельной массы, представленные в графическом виде на рисунке 6.

с£

Рисунок 6 — Влияние длины резки силосуемой массы на основные

эксплуатационно-технологические показатели элементов кормоуборочного комплекса

, При имитации работы УТС заготовки силоса и измельчённого сенажа, состоящей из набора кормоуборочных и транспортных агрегатов, используются статистические характеристики основных параметров работы агрегатов. Для получения статистических данных об эксплуатационно-технологических параметрах кормоуборочных и транспортных агрегатов в хозяйствах края проведены натурные эксперименты. Наблюдалась работа в составе кормоуборочных комплексов комбайнов Е-281, «Дон-680», КСК-100 А, «Полесье» К-Г-6, КДП-3000 и транспортных средств - КамАЗ-55102, КамАЗ-5511, ЗИЛ-ММЗ-554, ТАЗ-САЗ-53Б, МТЗ-80 с прицепом 2ПТС-4 и других. В результате обработки собственных экспериментальных данных и данных машиноиспытатель-14

ных станций получены показатели законов распределения рабочей скорости, продолжительности поворота, наработки на отказ, продолжительности устранения отказа, действительной ширины захвата, фактического объёма перевозимой массы, скорости транспортных агрегатов груженых и порожних.

Выявлено, что по критериям согласия Пирсона, Колмогорова и Смирнова наиболее приемлемым теоретическим распределением для описания статистических данных по скоростям движения, времени поворота, рабочей ширине захвата, фактической массе перевозимого груза является нормальный закон (пример — на рисунке 7).

Рисунок 7 — Плотность распределения рабочей скорости и продолжительности поворота кормоуборочного комбайна «Дон-680»

Надежность кормоуборочных машин существенно влияет на динамику протекания и эффективность уборочного процесса. Особенно актуальны требования к технической надежности комбайнов для уборки трав и силосных культур. Это обусловлено тем, что кормоуборочный комбайн составляет основу уборочного комплекса, а при высокой производительности он зачастую является единственной уборочной машиной, на обслуживании которой заняты несколько транспортных агрегатов. Поломка комбайна приводит к снижению темпа кормозаготовки или вовсе останавливает ее на время устранения неполадок. В то же время лучшие агротехнические сроки уборки трав и силосных культур ограничены 8... 10 днями.

При моделировании процессов заготовки измельченных стебельчатых кормов адекватные результаты исследований могут быть получены только при максимально полном учете показателей надежности машин.

Основными показателями надежности, влияющими на динамику функционирования уборочно-транспортной системы, являются: ресурс безотказной работы (от отказа до отказа) и продолжительность устранения отказа. При моделировании этих показателей важно знать закон их распределения и его параметры. Проверка соответствия экспериментального распределения теоретическим законам требует достаточно большого объема выборки этих показателей. Наиболее достоверная информация о показателях надежности содержится в протоколах испытаний машин, лучше — промежуточных, проводимых в условиях реальной эксплуатации.

Нами использованы данные испытаний кормоуборочных машин в Рос-НИИТиМе (ранее КНИИТиМе и других машинно-испытательных станциях за 1994-2005 г.г. Обработаны результаты испытаний отечественных и зарубеж-

15

ных комбайнов: «Дон-680», Е-281, КПИ-2,4, «Полесье» К-Г-6, КСК-ЮОА, ЬСДП-3000, «Ягуар-840», «Джон Дир-6750». . . .

Подбор теоретического распределения ресурса безотказной работы машин в соответствии с экспериментальными данными проводился на примере комбайнов «Дон-680» и Е-281, имеющих выборки данных наибольшего объема, с использованием программы «81а1§га£-5» (рис. 8, табл. 1).

15 20 25 Наработка на отказ, ч

Рисунок 8 — Гистограмма распределения наработки на отказ комбайна «Дон-680»

Проведенный анализ данных испытаний (табл. 1) позволяет сделать вывод о том, что для адекватного описания периодов безотказной работы кормоубо-рочных комбайнов при моделировании процессов заготовки измельченных кормов можно использовать и логнормальное, и экспоненциальное распределения, но наибольшая достоверность может быть получена при использовании распределения Вейбулла.

Таблица 1 — Характеристики законов распределения показателей надёжности кормоуборочных комбайнов

СЗ . и <U 1 Закон распределения

К >К 03 .. ю S ; " О * оз « к а § <В . Cl- 5 ^ СП " я s 8* логнормальный Вейбулла экспоненциальный

io ю О Я m к к ¡Г о. к » параметры критерий К-С параметры критерий К-С параметр, ц критерий К-С

сх сз е? S m а b с

«Дон -680» 36 0,227 18,46 114,2 0,202 6,92 0,722 0,149 8,28 0,182

Е-281 38 0,221 15,36 37,06 0,142 11,1 0,901 0,098 11,7 0,135

В пятой главе приведены результаты вычислительных экспериментов, выполненных на основе реализации имитационной модели уборочно-транспортных систем заготовки силоса и сенажа, расчет экономической эффективности разработок и оценка адекватности результатов моделирования.

Потери корма и эффективность работы дорогостоящих кормоуборочных комбайнов на заготовке сенажа в значительной степени определяются скоростью и равномерностью провяливания трав, параметрами подбираемого валка, которые зависят от выбранной схемы скашивания-провяливания трав. Для определения рациональной схемы скашивания-провяливания трав проведены исследования наиболее характерных для условий Ставропольского края вариантов, включающих скашивание трав с плющением и без плющения, в валок и прокос, соответственно, без сгребания и со сгребанием трав в валок, с оборачиванием валка и без оборачивания (табл. 2).

Таблица 2 — Исследуемые технологические схемы скашивания-провяливания трав при заготовке сенажа и используемые технические средства

№ варианта Скашивание Сгребание Оборачивание (сдваивание)валка

1 МТЗ-80 + КД-Ф-4 2 агрегата МТЗ-80 + ГВР-6,0 1 агрегат -

2 МТЗ-80+КПРН-3,0 2 агрегата - МТЗ-80 + ГВР-6,0 2 агрегата

3 Е-302 2 агрегата - МТЗ-80 + ГВР-6,0 1 агрегат

4 Е-302 2 агрегата - Е-302+Е-318 1 агрегат

Результаты вычислительного эксперимента по исследованию эффективности технологических схем скашивания-провяливания трав приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Результаты исследования технологических схем скашивания-провяливания трав

№ варианта Удельные прямые эксплуатационные затраты, руб/т Потери % Приведенные затраты с учетом стоимости потерь корма, руб/т Удельные энергозатраты МДж/т

1 41,0 7,2 97,3 1000,4

2 61,8 6,2 122,9 1543,2

3 72,7 5,8 145,9 1325,6

4 82,3 4,5 153,5 1424,4

Полученные данные свидетельствуют о том, что наибольшую экономическую и энергетическую эффективность обеспечивает применение прицепных

косилок, скашивающих травы в прокос с последующим сгребанием их в валки граблями.

Эффективность работы наиболее распространенных в Ставропольском крае транспортных агрегатов оценивалась на обслуживании одного кормоубо-рочного комбайна «Дон-680» при заготовке силоса в типичных для 3-й и 4-й хояйственных зон края производственных условиях: при урожайности силосных культур 20 т/га и расстоянии перевозки массы к месту закладки на хранение 5 км. Результаты вычислительного эксперимента приведены в таблице 4.

Все приведенные в таблице 4 показатели подтверждают эффективность автомобиля КамАЗ-55102 перед другими сравниваемыми транспортными средствами на перевозке измельченных кормов.

Таблица 4 — Эффективность работы транспортных агрегатов __на транспортировке силоса _

Состав агрегата Удельные прямые затраты на транспортировку корма, руб./т Приведенные затраты на транспортировку корма, руб./т Удельные энергозатраты на транспортировку корма, МДж/т Общие приведенные затраты по комплексу с учетом стоимости потерь корма, руб./т

КамАЗ-55102 30,0 38,3 722,4 308,4

ГАЗ-САЗ-3507 45,5 60,3 770,5 352,6

МТЗ-80 + 2ПТС-4-887 52,5 70,3 1330 349,8

Т-150К+ 1ПТС-9 89,7 124,6 2046 405,0

Системное влияние степени измельчения листостебельной массы (длины резки) на эффективность уборочно-транспортного процесса оценивалось проведением вычислительного эксперимента с имитационной моделью системы заготовки измельченных кормов. В качестве исходных данных использованы результаты натурных экспериментов, проведенных с кормоуборочным комбайном Е-281 и транспортными агрегатами на заготовке силоса в производственных условиях (рис. 6).

Исследовался кормоуборочный комплекс в составе комбайна Е-281, автомобилей КамАЗ-55102, бульдозера на базе трактора Т-4А. В качестве выходной информации фиксировались удельные прямые эксплуатационные затраты на выполнение отдельных операций: скашивания-измельчения-погрузки (^р кук), транспортировки ТА), разравнивания и уплотнения массы в траншее (2рУпл), а также общие удельные прямые эксплуатационные затраты (Z^.C^,^Í), потери корма (р) и удельные приведенные затраты с учетом стоимости потерь корма (\Zprp).

30 40

Длина резки, !~г, им

Рисунок 9 — Эффективность работы уборочно-транспортного комплекса на заготовке силоса при различной длине резки массы

Анализ полученных зависимостей в графическом виде (рис. 9) показывает, что с увеличением длины резки прямые эксплуатационные затраты на скашивании-измельчении-погрузке снижаются, а на транспортировке и уплотнении массы — повышаются, общие потери корма — увеличиваются. Минимум суммарных удельных прямых затрат приходится на диапазон длины резки 20...40 мм, минимум приведенных затрат с учетом стоимости потерь корма — при длине резки 30...50 мм. По результатам исследований, можно сделать вывод о том, что при отсутствии зоотехнических ограничений на степень измельчения листостебельной массы, рациональной по критериям общих эксплуатационных затрат и потерь корма является длина резки массы величиной около 30 мм.

Эффективность работы кормоуборочных комплексов определялась на уборке силоса и сенажа при различной урожайности и трав и силосных культур. Сравнивались характерные для зоны Ставропольского края кормоубороч-ные комбайны: прицепной КДП-3000, самоходные производства России и Беларуси — «Дон-680», Е-281, КСК-100, «Полесье» К-Г-6 .и более мощные европейские и американские комбайны «Ягуар-840», «Джон Дир-6750».

В качестве основного критерия оценки кормоуборочных комплексов приняты приведенные затраты с учетом стоимости потерь корма Ziprp. Результаты исследований на заготовке силоса приведены на рисунке 10, а на заготовке сенажа - на рисунке 11.

Сравнительная оценка эффективности работы прицепного кормоуборочно-го комбайна КДП-3000 и самоходного комбайна «Дон-680» на заготовке сенажа осуществлялась при урожайности трав 10, 15, 20 и 25 т/га. Как и на заготовке силоса подтверждена более высокая эффективность прицепного комбайна.

50 55

и, т/га

Рисунок 10 - Эффективность работы уборочно-транспортных систем . заготовки силоса

Рисунок 11 — Эффективность работы уборочно-транспортных комплексов с прицепным кормоуборочным комбайном КДП-3000 и с самоходным комбайном «Дон-680» на заготовке сенажа

Проведенные исследования по увеличению удельной массы подбираемого комбайном валка за путем его «сдваивания» показали эффективность этой операции, особенно при урожайности трав менее 10 т/га. На рисунке 11 пунктиром показаны кривые, характеризующие изменение удельных приведенных затрат при выполнении «сдваивания» валка.

Оценка адекватности результатов моделирования реальному производственному процессу осуществлялась сопоставлением результатов моделирования с данными четырехдневных натурных наблюдений за работой комплексов на заготовке сенажа и силоса в ОГК колхозе «Новомарьевский» Шпаковского района Ставропольского края. Проведенный статистический анализ средней производительности звеньев и всей УТС на заготовке сенажа и силоса подтверждает по критериям Фишера и Стьюдента принадлежность результатов натурных и вычислительных экспериментов одной генеральной выборке. Это дает основание утверждать об адекватности разработанной модели УТС реальному процессу.

Выводы и рекомендации производству

1. Анализ существующих многообразных технологических схем и технических средств заготовки измельчённых стебельчатых кормов позволил выявить сложную многостадийную структуру процесса и обосновать в качестве метода исследования уборочно-транспортной системы (УТС) имитационное моделирование.

2. Разработанная имитационная модель УТС позволяет исследовать все существующие схемы заготовки измельчённых стебельчатых кормов с учетом вероятностной природы факторов внешней среды, свойств обрабатываемого материала, эксплуатационно-технологи-ческих параметров кормоуборочных и транспортных агрегатов.

3. Полученная, аналитическая зависимость скорости влагоотдачи скошенными травами от удельной массы валка позволяет обосновать рациональные технологические разрывы между смежными операциями процесса заготовки сенажа при различных схемах скашивания-провяливания трав и темпах кормозаготовки.

4. Степень измельчения листостебельной массы при заготовке силоса и сенажа существенно влияет на эффективность работы уборочно-транспортного комплекса. При использовании кормоуборочных комбайнов с двигателями мощностью 150...180 кВт (Е-281, КСК-ЮОА) наименьшие удельные эксплуатационные затраты на 1 т корма имеют место при длине резки массы около 30мм.

5. Рациональная технологическая схема скашивания-провяливания трав при заготовке сенажа в условиях Ставропольского края включает следующие операции: скашивание трав в прокос прицепными косилками с шириной захвата не менее 4 м (типа КД-Ф-4) и сгребание в валок граблями с шириной захвата 6 м. Применение этой схемы обеспечивает снижение прямых эксплуатационных затрат на скашивании-провяливании трав на 30...40 % по сравнению с использованием самоходных валковых косилок типа Е-302. При урожайности

трав ниже 15,0 т/га для эффективной работы кормоуборочных комбайнов целесообразно осуществлять «сдваивание» валка. Как показывают проведенные вычислительные эксперименты и подтверждают натурные исследования, эта операция снижает удельные эксплуатационные затраты по всему уборочному комплексу на 6... 10%. .

6. Наивысшая эффективность из всех исследуемых транспортных агрегатов на перевозке измельченных стебельчатых кормов достигается при использовании автомобиля КамАЗ-55102. Приведенные затраты с учетом стоимости потерь корма по всему комплексу работ на 14...32 % ниже, чем при работе тракторных транспортных агрегатов. Использование дополнительных прицепов в транспортных агрегатах не снижает удельных эксплуатационных затрат, но приводит к повышению механических потерь корма при загрузке этих прицепов.

7. На заготовке силоса и сенажа наибольшую эффективность по критерию удельных приведенных затрат с учетом стоимости потерь корма обеспечивает применение прицепных кормоуборочных комбайнов типа КДП-3000 в агрегате с трактором Т-150К. Этот комбайн снижает удельные прямые эксплуатационные затраты на 8.'.'.15 % по сравнению с самоходными комбайнами. Из самоходных кормоуборочных комбайнов наиболее рациональными по указанному критерию являются комбайны «Дон-680», КСК-100 и «Полесье» К-Г-6 . При использовании зарубежных моделей кормоуборочных комбайнов типа «Ягуар-840», «Джон Дир-6750», несмотря на их высокую техническую и технологическую надежность, удельные эксплуатационные затраты выше на 25...30 % из-за высокой стоимости машин.

Выполненные исследования показывают неэффективность использования кормоуборочных комбайнов с двигателем мощностью более 150 кВт на уборке силосных культур с урожайностью менее 15 т/га и трав на сенаж и зеленый корм с урожайностью менее 10 т/га.

8. Обновление парка кормоуборочных машин в сельскохозяйственных предприятиях Ставропольского края рекомендуется осуществлять на базе прицепной кормоуборочной техники. На заготовке измельченных кормов убороч-но-транспортный комплекс, включающий прицепные косилки типа КД-Ф-4 или прицепные косилки-плющилки, грабли и прицепной кормоуборочный комбайн типа КДП-3000, обеспечивает снижение удельных приведенных затрат на 1 тонну корма на 30...60 рублей по сравнению с наиболее распространенными в Ставропольском крае кормоуборочными комплексами, включающими самоходные косилки Е-302 и самоходные кормоуборочные комбайны «Дон-680», «Полесье» К-Г-6, Е-281.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Гребенник, В. И. Выбор критериев эффективности при оценке механизированных процессов / В. И.Гребенник, А. В. Орлянский, И. А. Орлянская, А. Н. Петенёв // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники: сб. науч. тр. / Сгавроп. ГСХА. — Ставрополь, 2000. -С. 67-73.

2. Орлянский, А. В. Имитационная модель работы машинно-тракторного агрегата / А. В.Орлянский, В. С. Койчев, А. Н. Петенёв // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб.науч.тр. 11 Росс, научно-практ. конф. СГАУ. — Ставрополь : АГРУС, 2003. - Т. 3. - С. 738-741.

3. Орлянский, А. В. Оценка надёжности сложных кормоуборочных машин / А. В. Орлянский, А. Н. Петенёв, В. С. Койчев, А. А. Овсянников // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. тр. II Росс, научно-практ. конф. Ставрополь: АГРУС, 2003. - Т. 3. С. 741-744.

4. Орлянский, А. В. Статистическое моделирование параметров надёжности машин при исследовании кормоуборочных процессов / А. В. Орлянский,

A. Н. Петенёв, И. А. Орлянская // Известия вузов. Северо-Кавказский регион, Технические науки. — Новочеркасск, 2006. — Приложение № 7. — С. 85-87.

5. Орлянский, А. В.Структурная схема имитационной модели уборочно-транспортного процесса / А. В. Орлянский, И. А. Орлянская, А. Н. Петенёв // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб.научн.тр. I Росс.научно-практ. конф. — Ставрополь, 2001. - С. 136-137.

6. Петенёв, А. Н. Влияние степени измельчения силосуемой массы на параметры работы кормоуборочных комбайнов / А. Н. Петенёв, А. В. Орлянский, В. Ю. Гальков, Р. М. Якубов // Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники: сб. научн. тр. — Ставрополь: АГРУС, 2004. - С. 170-172.

7. Петенёв, А. Н. Выбор типовых математических схем при моделировании кормоуборочных процессов / А. Н. Петенёв // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб.науч.тр. II Росс, научно-практ. конф. — Ставрополь: АГРУС, 2003. —

Т. 3.-С. 749-752.

8. Петенёв, А. Н. Моделирование пробега транспортных агрегатов по полю при уборке силоса и сенажа / А. Н. Петенёв, А. В. Орлянский, И. А. Орлянская И Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск, 2006. - Приложение № 7. — С. 87-90.

9. Петенёв, А. Н. Определение координат точки завершения загрузки транспортного агрегата кормоуборочным комбайном / А. Н. Петенёв, А. В. Орлянский, И. А. Орлянская // Совершенствование технологий и технических средств в АПК: сб. науч. тр. 69-й научно-практ. конф. — Ставрополь: АГРУС, 2005. - С. 198-201.

10. Петенёв, А. Н. Укрупнённая блок-схема моделирующего алгоритма процесса заготовки измельчённых стебельчатых кормов / А. Н. Петенёв, А.

B. Орлянский, И. А. Орлянская, В. Ю. Гальков // Физико-техническио проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. тр. 11 Росс, научно-практ. конф. — Ставрополь: АГРУС, 2003 — Т.2. - С. 490-493.

Подписано в печать 17.11.2006. Формат 60x84 Vie- Бумага офсетная. Гарнитура «Times». Усл. п. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 720. Печать офсетная.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС». 355017, г. Ставрополь, ул. Мира, 302.