автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности послеуборочной и предпосадочной обработки картофеля на основе структурной гибкости технологического оборудования

/ ( л.

РАСХН

Северо - Западный научный центр

Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства

/ , ^ ■

На правах рукописи

Рыбакова Нина Алексеевна

Повышение эффективности послеуборочной и предпосадочной обработки картофеля на основе структурной гибкости технологического

оборудования

специальность 05.20.01.-Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители, кандидаты технических наук, старшие научные сотрудники

Клейн В.Ф.

Шабуров Н.В.

Санкт-Петербург - Пушкин 1998

Содержание стр

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

1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования...............................7

1.1.Общие положения...........................................................................7

1.2.Технология производства картофеля.............................................12

1.3.Послеуборочная обработка картофеля...........................................21

1.4. Анализ исследований технологий и машин для послеуборочной обработки картофеля......................................................................31

1.5.Цель и задачи исследования...........................................................37

2. Методы оптимизации уборочно-обрабатывающих процессов

при производстве картофеля.....................................................................38

2.1. Детерминированный алгоритм оценки функционирования уборочно - обрабатывающего комплекса.....................................42

2.2.Статистический алгоритм оценки функционирования уборочно -обрабатывающего комплекса......................................47

2.2.1.Модель системы......................................................................47

2.3.Оптимизация параметров системы массового обслуживания

(уборочно - обрабатывающего комплекса)...................................55

2.3.1.Выбор модели оптимизации...................................................55

2.3.2.Оптимизация параметров обрабатывающего комплекса......59

2.4.Методы формирования оптимальной структуры обработки вороха картофеля............................................................................60

2.5.Исследование математической модели..........................................63

2.6.Выбор оптимальных параметров системы

"автомобиль - бункер - линия"......................................................63

2.7.Исследование модели уборочно-обрабатывающего комплекса... 65

2.8.Крутое восхождение по поверхности отклика...............................67

2.9.Расчет оптимальных параметров системы "автомобиль-бункер - линия обработки".......................................................................................74

3. Программа и методика экспериментальных исследований................78

3.1.Программа экспериментальных исследований.............................78

3.2.Методика экспериментальных исследований...............................78

3.2.1. Описание устройства гибкой технологической линии-ГТЛ 78

3.2.2. Условия проведения экспериментов.....................................93

3.2.3. Методика оценки исходного вороха картофеля...................96

3.2.4. Определение точности сортирования...................................97

3.2.5. Определение повреждений и потерь клубней......................107

3.2.6. Методика определения производительности линии............111

3.2.7. Обработка результатов эксперимента...................................112

3.3 .Методика энергетической оценки технологического процесса

обработки картофеля на ГТЛ.........................................................115

4. Результаты экспериментальных исследований и испытаний ГТЛ.... 116

4.1.Условия проведения экспериментальных исследований и испытаний ГТЛ...............................................................................116

4.2. Результаты экспериментальных исследований и испытаний оборудования ГТЛ..........................................................................121

4.2.1. Результаты исследований по точности сортирования..........121

4.2.2. Исследования ГТЛ на повреждаемость клубней картофеля

в процессе обработки............................................................126

4.2.3. Оценка ГТЛ по энергетическим затратам.............................127

4.2.4. Экономическая оценка ГТЛ в сравнении с базовым

вариантом (КСП-15В)...........................................................131

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ....................................................................................132

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................135

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Аграрная реформа в России предусматривает комплексное переустройство агропромышленного производства, многоукладность сельского хозяйства, многообразие форм собственности на землю и средства производства, технико-технологическое переоснащение АПК, развитие кооперации и интеграции, формирование рыночной инфраструктуры.

Основной причиной спада производства сырья и продовольствия, сокращения посевных площадей, ухудшения финансового положения товаропроизводителей служит не сам факт аграрных преобразований, а сложная социально-экономическая ситуация. Для данной ситуации характерны неустойчивость производственно-хозяйственных связей, утрата государственного контроля над ценами и оплатой труда, инфляция, удорожание кредитных ресурсов, сокращение государственного финансирования, снижение покупательной способности потребителей сельскохозяйственной продукции и рост неплатежей между предприятиями, неконкурентноспособность продукции АПК на мировом рынке, его недостаточное законодательное обеспечение.

Выход сельскохозяйственной отрасли из кризиса - в сосредоточении сил и средств науки на разработке и реализации наиболее актуальных программ, дающих наиболее быструю и эффективную отдачу. Минсельхозпрод России, Россельхозакадемия с учетом фактического положения в АПК предложили Программу стабилизации и развития агропромышленного производства на 1996-2000 годы. Основные положения Программы ориентированы на укрепление экономики сельских товаропроизводителей и на повышение восприимчивости агропромышленного производства к научным и техническим достижениям.

Отделение по Нечернозёмной зоне Российской Академии сельскохозяйственных наук разработало концепцию эффективного развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства НЗ Рос-

сии на 1995 и на период до 2000 года. Концепция заключается в научном обосновании и практической реализации системы организационных, экономических и технических мероприятий, обеспечивающих комплексную механизацию сельскохозяйственных работ во всех категориях хозяйств и предприятий в соответствии с требованиями прогрессивных зональных технологий производства продукции, её обработки, хранения и переработки при снижении удельных трудовых и материальных затрат. Система технического обеспечения зональных машинных технологий производства, обработки, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции базируется на всестороннем учёте климатических, природных, почвенных и других особенностей зоны и её отдельных регионов, свойств культуры и сорта. Агротехнология оценивается не только традиционными экономическими критериями, но и с позиций топливно-энергетических затрат, по критерию энергетической эффективности.

Техническая политика в области сельскохозяйственного производства направлена на обеспечение повышения производительности труда и на сокращение, а в дальнейшем и ликвидацию дефицита трудовых ресурсов, на значительное снижение энергоёмкости и материалоёмкости сельскохозяйственной продукции.

К 2000 году комплексная механизация производства картофеля по прогнозным данным должна быть завершена. Энерговооруженность труда возрастёт до 41 и 46 кВт на одного работающего, а энергообеспеченность соответственно до 412 и 434 кВт на 100 га пашни.

Вследствие несовершенства применяемых технологий и средств механизации, слабой материально-технической базы сельскохозяйственное производство зоны несет большие потери продукции на всех этапах её производства. Из-за малоэффективной технологии уборки и отсутствия базы хранения и переработки в местах производства продукции, потери картофеля составляют от 30 до 50 % валового сбора.

Используя перспективные машинные технологии картофелеводства, в концепцию развития средств механизации и системы машин включены следующие основные положения:

- создание типоразмерного ряда технологических комплексов машин, охватывающего многообразие почвенно-климатических и хозяйственных условий зоны;

- многовариантность и гибкость технологических комплексов машин с целью регулирования основных параметров среды формирования и сохранности урожая в различных условиях;

- адаптированность технических средств к внешним условиям и их экологическая безвредность.

В связи с данным направлением важной и актуальной становится задача проведения научных исследований по определению оптимальной технологии, оптимальных параметров машин, по созданию и внедрению в производство гибких технологических линий для послеуборочной и предпосадочной обработки картофеля.

4

I. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 1.1. Общие положения

Устойчивые тенденции развития средств механизации и автоматизации выявлены в публикациях из стран с высокоразвитым картофелеводством: Нидерландов, Германии, Великобритании, США, Франции и др. В обзорных публикациях отражены качественные изменения, определяемые развитием уборочной техники и тесной увязкой в комплексе операций послеуборочной обработки картофеля с его уборкой, транспортировкой и хранением. [49, 57, 70, 80, 83, 90, 116, 137, 138].

Изменение ориентации с местного рынка на общегосударственный при укрупнении и техническом перевооружении хозяйств - основной фактор сдвигов в территориальной специализации сельскохозяйственного производства США. При этом всё большая концентрация производства картофеля происходит в зонах, имеющих лучшие природные и экономические условия (таб 1.1; 1.2).

В Великобритании на производстве картофеля специализируются фирмы в основном полеводческо - животноводческого направления. В последние годы отмечено значительное сокращение числа фермеров, занимающихся производством картофеля. Развитие техники затруднило рентабельное ведение картофелеводства на малых участках из-за невозможности рационального использования техники. По этой причине производство картофеля концентрируется на более крупных фермах.

Усиление интенсификации картофелеводства Нидерландов объясняется не только улучшением методов возделывания, но и в значительной мере тем, что производство этой культуры концентрируется в специализированных предприятиях, где возможно применение современных технологий.

Отличительная черта современного этапа развития сельского хозяйства Германии - переход от преобладающих ранее трудосберегающих технологий к технологиям ресурсосберегающим.

Нечернозёмная зона России является одним из крупнейших сельскохозяйственных регионов страны, влияющим на обеспечение населения продуктами питания. Она включает 3 зоны и 4 подзоны механизации, принятые при разработке Системы машин, в основе которой имеется районирование страны по природным условиям. Кроме Северо - Западного района (Ленинградская, Новгородская и Псковская области) в зону I входит и Северный район (Архангельская, Вологодская, Мурманская области, республики Карелия и Коми).Площадь сельскохозяйственных угодий зоны 6,4 млн. га, в том числе 3,2 млн. га пашни.

Более освоенными в сельскохозяйственном отношении являются Ленинградская, Новгородская, Псковская и Вологодская области. Здесь выше плотность населения, размещено около 80 % сельскохозяйственных угодий и более 85 % пашни.

Общая площадь занятая под картофель в России составляет более 3,1 млн. га; в том числе на Нечернозёмную зону РФ приходится более 63 % общественного производства, что составляет более 800,0 тыс. га в общественном секторе и около 1,0 млн. га - в личном. В Ленинградской области картофель возделывают 153 хозяйства, в том числе до 100 га пятьдесят три хозяйства и сто хозяйств на площадях более 100 га.

Аналогичная ситуация в Новгородской и Псковской областях. Более 30 % картофелеводческих хозяйств России имеют посадочные площади под картофелем менее 15 га и около 15 % - более 200 га.[94], (рис. 1.1).

Следовательно, с целью выполнения запланированных объемов работ в агросрок и минимизации производственных затрат типоразмерный ряд технологического комплекса машин должен быть адаптирован к условиям производства (объемы работ, назначение продукции и т.д.).

Рис. 1.1. Сегментация производителей картофеля по объему посадок в хозяйстве.

Особенность Северо-Западной зоны - сильная засоренность почв камнями - 45 % пашни. Размеры камней - от мелкого щебня (3 -10 мм) до крупных валунов. Мелкие камни отрицательно влияют на работу посевных и уборочных машин, особенно при уборке картофеля [1, 11, 21, 75, 87, 95]ч

Анализ природно-климатических условий определяет необходимость разработки оптимальной системы машин, обеспечивающей применение многовариантной адаптивной технологии производства продукции.

В последние годы в России и за рубежом большое внимание уделяется учету энергетических затрат на выращивание сельскохозяйственных культур, а также выходу чистой энергии с получаемой продукцией. По энергетическим затратам на производство картофель находится на втором месте после риса /табл. 1.1/. Высокая энергетическая эффективность картофеля указывает на перспективность этой сельскохозяйственной культуры. Из таблицы видно, что при урожайности картофеля около 26,2 т/га получение энергетических запасов в США больше от картофеля по сравнению с другими культурами. Выход энергии с 1 га в условиях США превосходят её затраты в 2 раза [10, 90, 116, 137].

Анализ обобщенных данных традиционной технологии производства картофеля, основанной на применении ручного труда (Перу, Руанда) и технологии, предусматривающей использование современной техники и средств производства (Нидерланды, США) показывает, что картофель - энергоёмкая сельскохозяйственная культура. Следовательно, с учётом природно-климатических условий его возделывания получение качественной продукции, максимально соответствующей целевому назначению, при существенном снижении энергетических затрат имеет важное значение в зональной технологии производства картофеля, его обработки и хранения.

По сравнению с другими продовольственными культурами производство картофеля требует значительно больших расходов в расчёте на единицу площади (табл. 1.2) .

4

Таблица 1.1

Получение энергетических запасов с сельхозпродукцией _и затраты на её производство в США_

Культура Получение с 1 га Затраты на / га Выход в расчете на единицу затраченной энергии прир. ископаемых

Урожая Белка Энергетических запасов энергии природны-хископае-мых Труда, чел.-ч Белка, Энергетических запасов,

т кг ГДж ГДж г/МДж ГДж/ГДж

Картофель 26,2 524 84,5 37,2 60 14,3 2,3

Кукуруза 5,1 457 74,9 21,в 22 16,7 2,7

Рис 5,8 388 87,9 64,9 30 4,8 1,4

Овес 1,0 276 31,0 12,6 6 21,5 2,5

Пшеница 2,3 277 31,4 13,90 7 16,7 2,0

Таблица 1.2

Производственные расходы и потребительская цена в развитых странах

Продукт Средний урожай т/га Расходы Цена

в долларах США в расчёте на

I га 10 кДж энергии I кг белка 10 кДж энергии I кг белка

Картофель 45 2500 18 3 81 13

Пшеница 6,5 1400 17 2 116 13

Примечание: Картофель: потребительская цена 1 кг - 0,30 доллара США; 100 г = 310 кДж, 2% белка

1.2. Технология производства картофеля

Мировое производство картофеля с 1981 по 1990 годы сохранялось на уровне около 300 млн. т с некоторыми колебаниями по годам. Посевные площади под картофелем сократились с 23,7 млн. га в 1965 году до 20,3 млн.га в 1984 году, а урожайность возросла с 12 до 15,4 т/га. Как видно из таблицы 1.3, в развитых странах производство снизилось на 20% в результате ежегодного уменьшения посевных площадей на 2,6% при ежегодных темпах роста урожайности на 1%. В бывших соцстранах уровень производства картофеля за этот период остался постоянным, несмотря на ежегодное сокращение площадей на 1% при одновременном повышении урожайности на 1%.

Различия в урожайности по странам объясняются следующими причинами:

- неодинаковыми почвенно-климатическими условиями;

- разным уровнем возделывания. На современном этапе технология предполагает получение максимального результата на основе оптимального соединения всех элементов и факторов производства картофеля, полных или совокупных энергозатрат на производство единицы конечного продукта.

За последние 7 лет по основным категориям хозяйств России, включая сельскохозяйственные предприятия, личные подсобные и крестьянские (фермерские) хозяйства, произошли существенные изменения в соотношении объемов производства картофеля. Значительно расширились посевные площади, увеличилось производство картофеля в индивидуальном секторе и резко сократились площади и валовые сборы в сельскохозяйственных предприятиях общественного сектора (рис. 1.2) [4, 81. 95, 134]. В то же время объём товарного производства картофеля в крестьянских (фермерских) хозяйствах составляет менее 1% в общем объёме его производства. В целом производство картофеля во всех категориях хозяйств носит экстенсивный характер.

Таблица 1.3.

Темпы роста произв�