автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности технологий возделывания сахарной свеклы на основе энерго-ресурсосбережения

На правах рукописи

ДЕНЦОВ МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГО-РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 АПР 2015

005567753

Киров-2015

005567253

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства».

Научный Горбунов Борис Иванович, доктор технических наук, про-руководитель: фессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства».

Максимов Иван Иванович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Сельскохозяйственная техника».

Дёмшин Сергей Леонидович, кандидат технических наук, доцент. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», заведующий лабораторией «Механизация полеводства».

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва» (институт механики и энергетики).

Защита состоится « 9 » июня 2015 г. в _]3_ часов 00 минут на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166а', ауд. 426.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» и на сайте niish-sv.narod.ru.

Ведущая организация:

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наух

Автореферат разослан «¿2^» агтрелк 2015 г.

Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сахарная свекла - единственная сельскохозяйственная культура в России, дающая сырье для производства сахара. В настоящие годы в России потребность населения и перерабатывающей промышленности в сахаре за счет собственного производства удовлетворяется на 53-59 %, в Нижегородской области на 40 %.

Важнейшим условием повышения эффективности производства сахарной свеклы является разработка и внедрение оптимальных систем управления технологическими процессами в агроэкосистемах с целью оптимизации использования техногенной и природной энергии при формировании урожая.

Применение современных технологий, позволило заметно сократить общие затраты на производство сахарной свеклы. Но в последние годы эффективность данных технологий во многих хозяйствах страны стала заметно падать. При этом стало ясно, что дополнительное насыщение технологий техногенной энергией не эффективно без учета особенностей складывающихся условий сезона.

Поэтому интенсификация свекловодства, сформированная на базе ресурсосберегающих технологий, адаптированных к складывающимся условиям сезона, для сокращения энергетических затрат и получения максимального экономического эффекта, имеет актуальное значение.

Важно отметить, что в условиях вступления России в ВТО вопрос энергоёмкости продукции стал выступать одним из главных критериев конкурентоспособности произведённой продукции. Особенно это связано с такими энергоресурсоёмкими культурами, как сахарная свекла.

Степень разработанности темы. Проблемам повышения эффективности и оптимизации технологий производства в растениеводстве посвящены труды авторов: А.Н. Важенина, А.П. Иванова, Б.И. Горбунова, A.B. Пасина, Ф.Ф. Мухамадь-ярова, Р.Ф. Курбанова,А.И. Новожилова, В.И. Домникова, В.Л. Аничина, В.И. Ту-русова, Н.П. Вострухина, М.М. Давлетшина, H.A. Красюка и многих других. Отмечая достаточно высокую степень научной разработанности темы исследования, следует констатировать, что практически без внимания остались вопросы связанные с затратами техногенной энергии при оптимальном управлении продукционными процессами в складывающихся природно-энергетических условиях сезона, для такой ценной сельскохозяйственной культуры, как сахарная свекла.

Цель работы: повышение эффективности технологий производства сахарной свеклы путём выбора оптимального состава и рационального использования технологических линий её возделывания и уборки, в условиях Нижегородской области.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:

1. На основании результатов системного анализа природно-климатических условий провести паспортизацию основных периодов функционирования средств механизации при возделывании и уборке сахарной свеклы;

2. Разработать модели расчета необходимых темпов основных полевых механизированных работ технологических линий возделывания и уборки сахарной свеклы в складывающихся условиях сезона;

3. Используя принципы энерго-ресурсосбережения разработать алгоритм адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы к складывающимся природно-производственным условиям;

4. На основе экспериментальных исследований, для основных технологических операций производства сахарной свеклы, установить уровни варьирования производственных факторов;

5. Путём имитационного моделирования механизированных процессов возделывания и уборки сахарной свеклы установить влияние производственных факторов на состав технических линий и уровни затрат техногенной энергии;

6. Провести производственную проверку разработанных методов энергоресурсосбережения в технологических процессах возделывания и уборки сахарной свеклы для складывающихся условий сезона.

Методология и методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны механизированные технологические процессы и средства механизации возделывания и уборки сахарной свеклы.

При выполнении диссертационной работы использованы стандартные и частные методики с применением имитационного моделирования и современной вычислительной техники. При обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики и теории планирования экспериментов.

Научная новизна работы: Обоснование содержания количественных и качественных характеристик информации для установления зависимостей темпов проведения основных полевых механизированных работ при возделывании и уборке сахарной свеклы от конкретных условий сезона.

Разработка модели оптимизации состава и расчета необходимых темпов основных полевых механизированных работ технологических линий производства сахарной свеклы в складывающихся природно-энергетических условиях сезона.

Усовершенствование принципов паспортизации природно-энергетических условий сезона для основных периодов использования средств механизации при возделывании и уборке сахарной свеклы.

Разработка алгоритма адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы к региональным условиям на основе энерго-ресурсосбережения, позволяющего учитывать природно-производственные особенности хозяйства.

Разработка методики имитационного моделирования использования средств механизации в технологических линиях возделывания и уборки сахарной свеклы при различных условиях функционирования.

Определены параметры использования техногенных ресурсов в производственном процессе возделывания и уборки сахарной свеклы в условиях Нижегородской области.

Теоретическая и практическая значимость работы. Материалы диссертации приняты к использованию в учебном процессе ФГБОУ ВПО Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии. Разработанная методика оценки природно-климатических условий, алгоритм и модели адаптации механизированных процессов производства сахарной свеклы к складывающимся условиям сезона прошли производственную проверку и используются в хозяйствах ООО АФ «Золотой Колос» и ИП ГКФХ «Шаипов И.Т.» Нижегородской области.

Исследования и разработки, составляющие основу диссертационной работы, выполнены в соответствии с планами научно-исследовательских работ Нижегородской ГСХА с 2010 по 2013 гг., а также согласно плану Министерства сельского хозяйства отраслевой целевой программы «Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010 - 2012 годы» и государственной программы РФ "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 г."

На защиту выносятся следующие положения:

- теоретические предпосылки к разработке моделей адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы, с учётом складывающихся природно-производственным условий;

- алгоритм и имитационная модель адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы при различных условиях функционирования;

- оптимальные параметры использования техногенных ресурсов в производственном процессе возделывания и уборки сахарной свеклы;

- результаты имитационного моделирования и производственной проверки алгоритма адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы в условиях Нижегородской области.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность основных результатов подтверждена актами производственной проверки, проведенной в ООО АФ «Золотой Колос» и ИП ГКФХ «Шаипов И.Т.» Нижегородской области.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции молодых учёных и аспирантов «Знания молодых: наука, практика и инновации» Вятской ГСХА (Киров, 2014 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летия со дня рождения профессора Важенина А.Н. (Нижний Новгород, 2013 г.), на 19-ой Нижегородской сессии молодых учёных (технические науки) (Арзамас, 2014 г.), на конференции «Research Journal of International Studies» XXVI (Екатеринбург, 2014 г.), на 59-ой студенческой научной конференции (с участием аспирантов и молодых учёных) посвященной 110-летию со дня рождения A.A. Патрушева (Нижний Новгород, 2014).

Основные положения диссертации изложены в 12 научных работах, в том числе 3 из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка используемой литературы, включающего 187 наименований и 36 приложений. Содержит 182 страницы основного текста, 39 рисунков и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит актуальность темы исследований, цель исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований» дано обоснование выбранного направления исследований. Проведен анализ свеклосахарного комплекса Нижегородской области и парка свекло - возделывающих и - уборочных машин. На основе анализа данных метеостанций и информации о динамике производственных процессов в сельскохозяйственном

производстве установлены основные природно-климатические факторы, влияющие на параметры и показатели механизированных процессов возделывания и уборки сахарной свеклы, на урожайность и сахаристость корнеплодов. Проведён анализ математических моделей оптимизации состава техники при выполнении полевых механизированных работ. Дано обоснование выбранного энергетического критерия оптимизации технологических линий производства сахарной свеклы. Определены основные направления совершенствования проектирования использования средств механизации в свеклопроизводстве с учётом складывающихся условий сезона.

Во второй главе «Теоретические аспекты повышения эффективности механизированных процессов при возделывании и уборке сахарной свеклы» приведены теоретические исследования процесса производства сахарной свеклы и обоснованы принципы адаптации механизированных процессов к природно-производственным условиям сельскохозяйственных предприятий.

Процесс производства сахарной свеклы протекает в конкретных природно-климатических и организационно-хозяйственных условиях. Поэтому выбор варианта технологии происходит на альтернативной основе с широким привлечением данных информационной базы о законах развития продукционных процессов в агроэкосистеме, характере связей между отдельными её компонентами.

Основой оптимизационного подхода будет являться адаптивная интенсификация продукционных и технологических процессов производства.

Не оптимально принятые решения при управлении природными и техногенными ресурсами приводят к нарушениям производственного процесса, которые влекут за собой неоправданные потери продукции и рост её энергоёмкости. В целях минимизации потерь и энергоёмкости продукции при эффективном использовании ресурсов в течение всего продукционного сезона, на основе принципов энерго-ресурсосбережения, разработана схема адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы к складывающимся природно-производственным условиям (рисунок 1).

Характерной особенностью адаптивного использования природных и техногенных ресурсов производства будет являться - обоснование и выбор стратегии достижения и поддержания необходимых уровней темпов и хода полевых механизированных работ в складывающихся условиях сезона, для получения максимально возможного выхода сахара с единицы площади, при возможно минимальных, для условий сезона, энергетических затратах.

На представленной схеме выделено несколько подсистем. Первая, подсистема производственных ресурсов, принимает информацию о целях и задачах производства. В ней, на основании имеющейся в хозяйстве ресурсной базы и нормативных данных, происходит выбор базовой механизированной технологии, предусматривающей затраты энергии Ё°х.

Для учёта особенностей функционирования технологических систем производства и своевременной корректировки параметров на изменения условий внешней среды в систему управления введена специальная подсистема адаптации, которая на основе производственного мониторинга количественного и качественного состояния компонентов системы проводит: сбор, анализ и предвари-

тельную обработку поступающей информации о природных и техногенных процессах; распознавание природно-энергетических образов сезонов; прогнозирование оптимальных сроков начала и продолжительность работ; укомплектование технологических линий техническими средствами на основе критерия энергоём-

Рисунок 1 - Схема адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы к складывающимся природно-производственным условиям: Е™"- оптимальные энергозатраты; Ёвх - оптимальные энергозатраты с учётом величины потерь продукции; Е™:хк, энергия собранного урожая сахарной свеклы и сахара соответственно; Л(/) -вектор корректировки производственных процессов

Результаты функционирования подсистемы адаптации используются при выборе и обосновании стратегии выполнения полевых механизированных работ, предусматривающей свой оптимум по энергоёмкости, величина которого находится в функциональной зависимости от складывающихся условий сезона.

Эффективность энергетических затрат на производство готового продукта

и оценку рассматриваемых вариантов будем определять с помощью коэффициента энергетической эффективности (К).

На основе теоретических предпосылок, полученных при изучении природно-климатических процессов при возделывании и уборке сахарной свеклы, разработана модель системного анализа (рисунок 2), согласно которой природно-климатический комплекс рассматривается как единая система взаимосвязанных процессов по преобразованию природной энергии.

В данной модели для оценки уровня организованности протекания природных процессов в агросистеме будем использовать показатель - изменение энтропии за сутки, равного:

1=~, (1)

где ( - изменение энтропии за сутки, МДж/°С; В - радиационный баланс; Ь„ -среднесуточная температура воздуха. По изменению энтропии устанавливается динамика природно-климатических процессов сезона.

Данная модель позволила разработать матрицу оценки природно-климатических условий, в которой предусматривается объединение однородных образов в классы (таблица 1). Каждый класс обладает отличительным типом сезона и на его основе разрабатывается оптимальный план выполнения производственного процесса в соответствии с определенными ограничениями, налагаемыми на производственный процесс складывающимися условиями производства. Таблица 1 - Матрица формирования природно-климатических условий сезона

Показатели Условия по теплообеспеченности

теплые умеренно-теплые холодные

Условия по влажности влажные k > ti; ос,- > ос, t2<ti< tù ос,- > ОС, U < t2; ос,- > ос.

умеренно-влажные U > tii ос2 < ос,- < ос. t2 < и < tù ос7 < ОС,- < ос. ti < t2; ос? < ос, < ос.

сухие и > ос,- < ос? t2<ti< tù ос,- < ос7 ti < t2; ос,- < ос2

где t{ - текущее значение суммы температур; t1, t2 - верхние и нижние границы температуры для умеренного (среднего) класса; oq - текущее значение количества осадков; ос1( ос2 - верхние и нижние границы осадков для умеренного класса.

При расчете необходимых темпов основных полевых механизированных работ установлено, что в теплый сезон необходимая продолжительность проведения весенних работ будет значительно меньше, чем в холодный, в свою очередь, на уборочных работах наблюдается обратная зависимость:

весенние работы: ввт > ввср > в«; уборка: df > > О^ , (2)

где в"р\ в" - необходимые темпы выполнения весенних полевых механизированных работ в теплые, средние и холодные сезоны; вус°-, в}" - необходимые темпы выполнения уборочных работ в теплый, средний и холодный сезоны.

Это обосновывается тем, в теплый сезон уборки имеется возможность дополнительного накопления сахара, поэтому основную часть работы рациональнее переносить на более поздние сроки. В холодный же сезон, когда практически отсутствует дополнительный прирост массы и сахара, уборку предпочтительней проводить в оптимально сжатые сроки, для избежания излишних потерь.

Оптимизацию состава и режимов функционирования технологических звеньев механизированных линий производим по критерию минимума совокупных энергетических затрат по математической модели следующего вида:

/с/ jej ЛеГ ieJ jeJ УеТ /ei <кЛ seS

Y^t • к +2X • ■К)+«„ • ->™п (3)

deD оЮ /е/

При условиях:

- по темпу выполнения полевых механизированных работ

0; > 0^ = Л";; • Щ^чу " Л'с.ш ' ^г/ ' Кп ' ^орг1

- объемы механизированных работ должны быть выполнены

^ в, ■ ЬЬ > (£ е /; I е Г);

№

- не отрицательности неизвестных

К, > 0■ Ка> 0; К0 > 0; Кц > 0;

- сахаристость корнеплодов на момент начала уборки

С- > с ■

Корнеплоды, убранные с поля и транспортируемые на завод должны соответствовать следующим физико-химическим показателям: сахаристость, не менее 14 %; загрязнённость, не более 15 %; содержание зелёной массы, не более 3 %; содержание увядших корнеплодов, не более 5 %; содержание корнеплодов с сильными механическими повреждениями, не более 12 %.

В модели приняты следующие обозначения: /' - виды работ;/ - виды агрегатов; Ли - прогнозируемая продолжительность проведения полевых механизированных работ ¡-го вида; КцЛ, - количество агрегатов /-го типа необходимых для выполнения г-ой механизированной работы в АЬый период времени; К1; Ка; К3\ Ка; К„ - соответственно искомое количество тракторов, автомобилей, свеклоуборочных комбайнов, сельскохозяйственных машин (СХМ), сцепок, необходимых для выполнения механизированных работ в агротехнические сроки; ЛуД(: - число рабочих участвующих в выполнении у -ым агрегатом /-ой работы в Д/ -ый период сезона; I - множество механизированных работ, которые выполняются при возделывании и уборке сахарной свеклы;./, Т, Ь, А, 5, Д О - соответственно множество агрегатов, периодов выполнения механизированных работ, тракторов, автомобилей, свеклоуборочных комбайнов, СХМ, марок сцепок; дс- прямые затраты энергии у-го агрегата, на /-ой работе вД/-ый период времени; Еу&ь - энергозатраты живого труда на у -ом агрегате, на /'ой работе в Д/-ый период времени; Е^; Е* ; Е%; Е„ - соответственно энергоёмкость тракторов, автомобилей, свеклоуборочных комбайнов, СХМ и сцепок; - объём механизированных работ /-го вида, выполненный за период А1; 0; - фактический темп выполнения /-ой механизированной работы; -темп выполнения /'-ой механизированной работы, диктуемый складывающимися условиями сезона; И4„(у - сменная производительность агрегата у -го типа на работе ¡-го вида; Н - нормативный коэффициент эффективности косвенных энергозатрат; - сахаристость свеклы на /'-ом поле на начало уборки; СтЫ -минимально допустимая для начала уборки сахаристость свеклы; асах - энергетический эквивалент сахара; Па - потери сахара от нарушения сроков /'-ой полевой механизированной работы в зависимости от складывающихся условий сезона.

Представленная модель даёт возможность адаптировать механизированные технологические процессы возделывания сахарной свеклы к складывающимся природно-производственным условиям сезона по энергетическим параметрам.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложена программа и методика исследований технологических процессов производства сахарной свеклы.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось: определение эксплуатационно-технологических и энергетических показателей средств механизации при возделывании и уборке сахарной свеклы путем проведения хронометражных наблюдений при использовании ГОСТ Р 52778-2007, ГОСТ Р 52757-2007, ГОСТ Р 51750-2001 и ГОСТ 23730-88; проведение паспортизации условий протекания механизированных процессов производства сахарной свеклы согласно разработанной оценки агроклиматических ресурсов по показателям тепло- и влагообеспеченности; программирование урожайности и сахаристости сахарной свеклы с необходимой заблаговременностыо согласно разработанным уравнениям; прогнозирование сроков выполнения полевых механизированных работ для складывающихся условий сезона; расчёт потерь сахара в случаи нарушения технологии и сроков выполнения полевых механизированных работ в зависимости от складывающихся условий сезона; разработка и реализация алгоритма имитационного моделирования использования средств механизации в технологических линиях возделывания и уборки сахарной свеклы (рисунок 3, подробно рассмотрен в тексте диссертации); установление оптимального количественного и качественного состава машинотракторных агрегатов в технологических процессах производства сахарной свеклы для складывающихся условий сезона.

Разработанный алгоритм имитационного моделирования предусматривает три стратегии: 1) оптимальная - поддержания необходимого темпа выполнения работ и использование при этом наиболее эффективных по энергетическим критериям средств механизации; 2) рациональная - поддержание темпа работ за счёт собственных и привлеченных производственных ресурсов при допустимом уровне потерь сахара; 3) нерациональная - ограничение в технических средствах, работы выполняются с нарушением агротехнических сроков.

Математическая модель оптимизации состава и режимов функционирования технологических звеньев механизированных линий возделывания и уборки сахарной свеклы написана в программе Simplex 1.0. Обработка результатов экспериментальных исследований производилась на персональном компьютере при помощи пакета программ Microsoft Office 2007, Statistica 6.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований функционирования средств механизации производства сахарной свеклы в условиях Нижегородской области.

Согласно усовершенствованным принципам дифференциации природно-климатических условий составлены природно-энергетические паспорта для основных участков производственного процесса возделывания сахарной свеклы в условиях Нижегородской области. Они позволяют установить заблаговременно тип сезона, определить пределы варьирования по показателям теплообеспечен-ности и влажности, а также произвести нужную корректировку темпов работ, изменить структуру технологической линии, а при необходимости её рабочие параметры.

-<Йачало уборки

.Да -.') , к-1.-р _

7 у Да : L_- " /

. I <_____________________

| Выбор значения коэффициентов

I к*; кс« > К,а;

_I_

фр.

21' ~П'''^/^«г^/'^орт

, 19^расчет Нет

рациональной ^ стратегии

[Да

3=ЕЕ ЕК^-Е^+Е Е Еы,л-Е~+Н-(Ек1-Е1>+ЕК1!-Еа>+Ек,-Е,к-1

.> I I Т ! ! <.,т ' и и .1 .г

к1 \сУ АсГ

ЛЛ огО

III ¡с] МТ тт

Ш ас А

3411 Ек^+Е Е ЕЩ^+ЩХксЕ^ЕКХ+ХК-Е^

¡с! ¡(1 МсТ ¡11 ¡'.1 ИсТ

+Ек1-Е,'+Еке-Е0к)+а-Епс,} — шш

¡1с О 010 I с I

1с1 асЛ

] Д[ _ —---------------

| Анализ результатов моделирования

Рисунок 3 - Схема алгоритма имитационного моделирования использования средств механизации в технологических линиях возделывания и уборки сахарной свеклы

Проведены исследования влияния природно-климатического комплекса условий на сроки и ход выполнения полевых механизированных работ. Установлено, что метеорологические условия накладывают свои ограничения на работу опрыскивателей, что сказывается на их сменной производительности. На уборочных работах была получена зависимость влияния выпавших за сутки осадков на производительность свеклоуборочных комбайнов (рисунок 4), имеющая следующий вид:

W = 0,0037 • ос2 - 0,1237 • ос + 1,0728 (4)

где W - производительность свеклоуборочного комбайна, га/ч; ос - количество осадков выпавших за одни сутки, мм.

Рисунок 4 - Изменение производительности свеклоуборочных комбайнов в зависимости от выпавших за сутки осадков

Установлено, что суточное количество осадков до 4 мм приводит к не значительным нарушениям хода уборочного процесса. Пределы варьирования производительности при таком количестве осадков в большей степени определяются организационными причинами и технической готовностью комбайнов. При количестве осадков свыше 4 мм производительность комбайнов резко падает. Средний удельный расход топлива комбайнов Ropa Euro Tiger V8-3 при количестве осадков от 5 до 7 мм увеличивается на 23,9 % и составляет в среднем 51,3 кг/га.

На основе хрономегражных наблюдений, проводимых в 201 1-2013 гг., получены эксплуатационно-технологические показатели использования средств механизации в технологических линиях возделывания и уборки сахарной свеклы, определены основные компоненты времени смены при работе МТА, что позволило более полно оценить уровни эксплуатации техники, задействованной в механизированных процессах производства сахарной свеклы (рисунки 5,6; таблица 2).

Таблица 2 - Эксплуатационно-технологическая оценка функционирования средств

15 20

Осадки, мм

Технологическая операция Коэффициент использования времени смены коэффициент готовности коэффициент организации Уровни эксплуатации техники

min среднее max min среднее max низкий высокий

Посев 0,69±0,04 0,81 0,87±0,02 0.93 0,79 0,86±0,04 0,92 0,48 0,85

Опрыскивание 0,51±0,09 0,83 0,89±0,03 0,94 0,81 0,87±0,02 0,92 0,38 0,76

Уборка 0,64±0,05 0,77 0,82±0,04 0,87 0,79 0,85±0,03 0,90 0,49 0,71

Погрузка и транспортировка 0,62±0,07 0,84 0,90±0,02 0,95 0,70 0,78±0,04 0,85 0,48 0,73

Для характеристики уровней эксплуатации техники использовался обобщённый коэффициент природно-производственных условий (Кпу), учитывающий при выполнении механизированных работ готовность технических средств (Кгот), степень организации проводимых работ (Корг) и природно-климатические факторы:

кпу Кгот • К„ ■ К0рГ, (5)

где Км - коэффициент учета влияния метеорологических условий.

Для отработки алгоритма адаптации проведено имитационное моделирование механизированных процессов возделывания и уборки сахарной свеклы, где по критерию минимума совокупных энергетических затрат рассчитаны оптимальные и рациональные составы технологических звеньев.

ш %1-

0,81 0,83 0,85 0,87 0,89

0,91 0.93 Кгот

0.79 0,81 0,83 0,85 0,87

19 0,92 Корг

Рисунок 5 - Распределение частот коэффициентов готовности (а) и организации (б) МТА в посевном звене

Рассчитаны оптимальные количественные и качественные составы технологических линий производства сахарной свеклы для различных типов сезонов (таблица 3). По результатам исследований на механизированных работах установлены значительные колебания состава технологических звеньев в зависимости от складывающихся условий сезона. Так, к примеру, на опрыскивании сахарной свеклы верхняя граница оптимального числа опрыскивателей в сезон с теплыми сухими условиями составила 21 агрегат, в сезон с холодными влажными условиями их потребность уменьшается до 7 агрегатов.

Рисунок 6 - Структура времени смены при работе опрыскивателя RAU Sprido Train, агрега-тируемого с трактором МТЗ-82: Tt-время чистой работы; Т2 - на заправку бака и другое вспомогательное время; Т3 - на отдых и личные надобности; Т4 - на устранение технических неисправностей; Т5 - на обслуживание агрегата; Т6 - на подготовительно-заключительные операции; Т7 - остальное время смены Т. Г- Тз Т< Ts Ts Т?" Согласно выражению (6) определены совокупные удельные техногенные

...

4.0 776...... 5.7 ZT,

энергозатраты (Еуд) для каждого из выделенных типов сезонов (таблица 4):

Е,

i общ

' njiAt >

(6)

УД <2;

где £/общ- общие энергозатраты на /-ой механизированной работе, МДж; (); - объём /-ой механизированной работы, га (т); - количество машинотракторных агрегатов у'-ого типа, для поддержания необходимого темпа, диктуемого условиями сезона на /-ой работе в Лг-ый период.

Таблица 3 - Оптимальный состав технологических звеньев производства сахарной свеклы в разные по природно-климатическим условиям сезоны (S= 8000 га)

Технологическая операция МТА, входящие в состав звена Количество МТА при различных условиях проведения механизированных работ, шт

теплый сухой теплый средний холодный холодный влажный

Уровень эксплуатации техники

Низ. | Выс. | Низ. Выс. | Низ. | Выс. | Низ. | Выс. | Низ. | Выс.

Весенние полевые механизированные работы

Предпосевная культивация John Deere 8420+Lemken Kompaktor-800 13 8 12 7 9 5 8 5 7 4

Внесение удобрений и посев John Deere 8420 + Metro MTR-C 24x45 27 15 25 14 19 11 16 9 13 7

Опрыскивание сахарной свеклы п ротив сорняков

Транспортировка воды МТЗ-1221+РЖТ-10 9 5 9 5 8 4 7 4 6 3

Опрыскивание MT3-1221+ Amazone UG-3000 21 10 20 10 18 9 17 8 15 7

Уборка сахарной свеклы (двухфазная: одно< зазная - 20:80)

Однофазная Holmer Terra Dos T3 12 8 11 8 14 10 19 14 21 15

Двухфазная МТЗ-82+ ботвоуборочная машина WIC 2 2 2 2 3 2 4 3 4 3

МТЗ-1221 + копатель WIC 3 2 3 2 4 3 5 3 5 3

МТЗ-82+2ПТС-4 12 8 11 8 10 7 12 8 13 9

Погрузка Franz Kleine RL-200SF 2 1 2 1 2 2 3 2 3 2

Транспортировка КамаАЗ-6520-029 29 19 27 18 32 21 39 35 43 38

На основании проведенного имитационного моделирования определена структура энергетических затрат приходящихся на средства механизации по видам работ в различные по природно-климатическим условиям сезоны (рисунок 7). Первое место в структуре энергозатрат на средства механизации занимают уборочно-транспортные работы, на которые приходится 65,0 - 68,5% прямых и 66,0 - 69,2% косвенных затрат.

Таблица 4 - Оптимальные удельные энергетические затраты при возделывании и уборке сахарной свеклы для различных типов сезонов

Тип сезона

£уд, (МДж/га)-«

Прямые, -10

Косвенные, -10'

Общие, -10

Теплый -сухой

Теплый

Средний

Холодный

Холодный ■ влажный

31,4

14,4

45,8

12,5

5.5

18,1

Уровень эксплуатации техники

29.3

13,4

42,7

11,9

5,3

17,1

24,2

11,0

35,2

10,0

4,4

14,4

22,5

10.3

32.8

9,6

4,3

13,9

20,5

9,4

29,9

3,9

12,6

Для оптимального состава технологических линий получены графики изменения удельных энергетических затрат в зависимости от необходимых темпов работ на посевных механизированных работах и опрыскивании сахарной свеклы (рисунок 8). Из графиков видно, что удельные энергозатраты уменьшаются при снижении темпов работ. В тоже время отмечается зависимость изменения

удельных энергозатрат от уровня использования техники (рисунок 9). Наиболее ярко эта тенденция проявляется в сезоны, когда выполнение работ необходимо провести в сжатые сроки.

Теплый сезон: Средний сезон: Холодный сезон:

5? 16840 МДж'га 16220 МДж'ш 15320 ВДжУга

Рисунок 7 - Структура оптимальных энергозатрат на выполнение механизированных работ при производстве сахарной свеклы (низкий уровень эксплуатации): 1-обработка почвы; 2-внесение удобрений; 3-посев; 4- опрыскивание; 5-уборка; 6 -погрузка и транспортировка

На основе анализа результатов имитационного моделирования на уборочно-транспортных работах была выявлена зависимость изменения энергозатрат от биологической урожайности сахарной свеклы при различных уровнях эксплуатации техники (рисунок 10). Из рисунка видно, что повышение биологической урожайности сахарной свеклы увеличивает техногенные энергозатраты на один гектар и уменьшает их на производство одной тонны корнеплодов.

Общий энергетический эффект от применения адаптивной интенсификации механизированных процессов производства сахарной свеклы, с учетом дополнительно полученной продукции и проведения механизированных работ в агротехнические сроки составит от 29,4 % до 33,2 %.

К примеру, по результатам производственной проверки на весенних полевых работах для выполнения работ, в сроки диктуемые природой, наблюдается резкий дефицит посевных агрегатов. При этом в теплые весенние периоды посева требуется привлечение внешних резервов: аренда техники или покупка новых посевных агрегатов. Отклонение фактического срока работ от расчётного в теплый сезон составляют 8 дней (рисунок 11), а это согласно разработанному алгоритму по расчету потерь продукции от несвоевременности выполнения работ, приводит к потерям сахара в теплый сезон 0,61 т/га. Возможность выполнения работ в аг-

ротехнические сроки наблюдается только в холодный сезон при высоком уровне эксплуатации техники. При проведении посевных работ в холодных условиях сравнительная иллюстрация показала, что средняя относительная ошибка аппроксимации не превышает 4,1 %.

МДх/т

5000

£ 41X10

I

I 3000

-3

1

г*--- ,4

ПрОДОЛЖ[ГГ£)1ЬНОС7Ъ ЕШПОИНСНИЯ !10ССВНЬ!Х работ, ДНИ

0,167 0,125 0Д00 0,083 0,07 ) 0,063 0.056 Темп работ 0,1/день

а

Продолжительность выполнена опрыскивания, дни

0,17 0,14 0.13 0,11

0,10 0,09 0,08 0,07 Темп работ ©, 1/день

Рисунок 8 - Графики изменения удельных энергозатраты на посевных работах (а) и на опрыскивании (б) в зависимости от необходимых темпов работ: 1,2- удельные прямые энергозатраты соответственно при низком и высоком уровнях эксплуатации; 3, 4 - удельные косвенные энергозатраты соответственно при низком и высоком уровнях эксплуатации

0,80 4,90 1,00 1,10 Уровень использования техники

Биологическая урожайность сахарной свеклы

- энергозатраты, МДж/та

- энергозатраты, ЭДЦж/т

Рисунок 9 - Влияние уровня использо- Рисунок 10 - Графики изменения общих

вания техники на величину энергозатрат энергозатрат на уборочных работах от

в различные по скорости развития при- урожайности корнеплодов (уровень экс-

родных процессов сезоны плуатации техники: 1-низкий; 2-высокий)

Результаты производственной проверки разработанных алгоритмов адаптации показали, что в теплый сезон фактический ход работ отклоняется от расчётного до 12,2 %, при этом фактический ход работ (1) начался раньше расчётного (2) на 11 дней (рисунок 12). Такая разница в сроках начала уборки обосновывается тем, что предприятие по переработке свеклы было запущено в начале 3 декады августа и ООО АФ «Золотой колос» уже имея достаточный урожай свеклы на корню, решило преступить к началу уборки, не дав свекле полностью созреть.

В средний сезон уборки разница между началом фактического (3) и расчётного (4)

100

Ход

работ,

% 80

60 40 20 0

21.апр 20.аир 01 .май Об.май 11,май 16.май 21.май Рисунок 11 - Влияние условий сезона на ход выполнения посевных механизированных работ: 1, 3 - фактический ход работ соответственно в теплый (2013 г) и холодный (2012 г) весенние периоды сезона; 2, 4 - расчётный ход работ соответственно в теплый и холодный весенние периоды сезона

хода работ составила 3 дня. При этом необходимо заметить, что в начале выполнения работ максимальное отклонение между фактическим и расчётным темпами составляла всего 5,6 %. В то же время недостаток свеклоуборочных комбайнов и их круглосуточная эксплуатация приводила к периодическому сбою производственного процесса, что иллюстрируется рассогласованием кривых (3) и (4). В итоге отклонение в сроках выполнения работ составила 12 дней.

100 Ход работ, % 75

50

25 О

18.авг 07.сен 27.сен 17.окт Об.ноя 26.ноя

Рисунок 12. Влияние условий сезона на ход выполнения уборки сахарной свеклы: 1, 3 - фактический ход работ соответственно в теплый (2012 г) и средний (2011 г) сезоны; 2, 4 - расчётный ход работ соответственно в теплый и средний сезоны

Расчёт показателей экономической эффективности показал, что: экономический эффект с учётом дополнительно полученной продукции в среднем составил 5626 руб./га; себестоимость продукции снизилась на 6,8 % на гектар; рентабельность производства увеличилась на 8,4 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствованы принципы паспортизации основных периодов использования техногенных ресурсов при реализации технологий свеклопроизводства.

2. Для определения оптимальных сроков уборки и объемов механизированных работ разработаны уравнения программирования урожайности и сахаристости сахарной свеклы с заблаговременностью прогноза от 50 дней.

4 / /л

уг у у/

2х .у ¡у С/

Дни

3. Разработан алгоритм адаптации технологий возделывания и уборки сахарной свеклы к региональным условиям Нижегородской области, который позволяет учитывать природно-производственные особенности хозяйства (рисунок 1).

4. Разработана методика имитационного моделирования использования средств механизации в технологических линиях возделывания и уборки сахарной свеклы при различных условиях функционирования (рисунок 3).

5. Выявлена зависимость оптимальных значений энергетических затрат на выполнение полевых механизированных работ от природно-климатических условий сезона и на их основе определены оптимальный состав и режимы работы механизированных линий производства сахарной свеклы. Удельные техногенные энергозатраты увеличиваются от условий холодных влажных к условиям теплым сухим в 1,53 и 1,44 раза соответственно для низкого и высокого уровней эксплуатации техники. Причём, объёмы техногенных ресурсов, требуемые на весенних полевых механизированных работах увеличиваются от холодных условий сезона к теплым условиям, а на уборочных работах, за счёт резкого сокращения сроков работ в холодные сезоны, наблюдается обратная зависимость. Потребность в техники на уборочных работах в холодные сезоны на 46% выше по сравнению с теплыми сезонами.

6. Установлено, что на величину коэффициента энергетической эффективности использования техногенных ресурсов наибольшее влияние оказывают природно-климатические условия, определяющие структуру технологических линий и уровень техногенных затрат. Согласно полученной оценке технологического процесса наибольший энергетический эффект от разработанных стратегий ведения механизированных работ в складывающихся условиях сезона наблюдается в холодный умеренно-влажный сезон, значение энергетического эффекта составило 33,2 %, наименьший в теплый сухой сезон - 29,4 %.

7. Использование оптимального состава технологической линии производства сахарной свеклы в условиях Нижегородской области позволит снизить энергетические затраты на средства механизации от 1293 МДж/га при высоком уровне эксплуатации технических средств в теплый сухой сезон до 2253 МДж/га при низком уровне использования технических средств в холодный влажный сезон.

8. Реализация мероприятий, заложенных в рациональных стратегиях использования технологических линий производства сахарной свеклы для выделенных типов сезонов позволила получить эффекг от учёта дополнительно полученной продукции от 3543 МДж/га до 9753 МДж/га.

9. Применение разработанного алгоритма адаптации технологий возделывания сахарной свеклы позволило получить экономический эффект в размере 5626 рубЛа. При пересчёте на выход готового после переработки корнеплодов продукта получаем дополнительно 0,40-0,45 тонны сахара с гектара, с последующей его реализацией по средней закупочной цене 24500 руб./т.

10. Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. На основа проведённой производственной проверки предполагается дальнейшая адаптация механизированных процессов и технологий переработки сахарной свеклы, с целью увеличения выхода сахара.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Денцов, М.Н. Эксгшуатавдотто-технологпческая оценка средств механизации уборки сахар-пой свеклы / МН. Денцов//Сахарная свекяа. - 2014.-№ 4. - С.4142

2. Денцов, М.Н. Пути снижения затрат на выращивание сахарной свеклы в гшжегородской области / М.Н. Дендов, А.В. Павлов!! Сахарная свекла. - 2014. - № 6. - С. 8-9.

3.Денцов, М.Н. Энергетическая оценка технологического процесса уборки сахарной свеклы / М.Н. Денцов, Б.И. Горбунов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - Киров, 2014. -№.4(41)-С. 62-65.

Статьи в материалах международных и всероссийских конференций

4. Горбунов, Б.И. Алгоритм расчёта параметров технологических систем возделывания сахарной свеклы в зависимости от складывающихся условий сезона / Б.И. Горбунов, М.Н. Декцов, В.Б. Горбунов .// Вестник НГСХЛ. Материалы международной научно-практической конференции. Том 3. - Нижний Новгород, 2013. - С.90-96.

5. Горбунов, Б.И. Энер го информационная оценка ресурсов управления процессами в агроэкосистемах / Б.И. Горбунов, И.В. Филимонов, В.Б. Горбунов, М.Н. Декцов // Вестник НГСХА. Материалы международной научно-практической конференции. Тем 3. - Нижпий Новгород, 2013.-С.171-180.

6. Горбунов, Б.И. Определение потерь урожая сахарной свеклы от несвоевременности выполнения полевых механизированных работ / Б.И. Горбуши, М.Н. Денцов // Вестник НГСХА. Материалы международной научно-практической конференции. Том 3. - Нижний Новгород, 2013. - С.86-90.

7. Горбунов, Б.И. Алгоритм расчёта параметров технологических линий возделывания сахарной свеклы на весенних полевых механизированных работах в зависимости от складывающихся условий сезона / Б.И. Горбунов, М.Н. Денцов // Знания молодых: наука, практика к иннозации: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференяии аспирантов и молодых учёных. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2014. - С.185-188.

8. Горбунов, Б.И. Модель расчёта параметр™ технологических систем уборки сахарной свеклы в зависимости от складывающихся условий сезона / Б.И. Горбунов, М.Н. Денцов // Знания молодых: наука, практика и ышовакии: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых учёных. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2014.-С.188-190.

9. Денцов, М.Н. Математическая модель энергетической оценки механизированных процессов производства сахарной свеклы / М.Н. Денцов // XIX Нижегородская сессия молодых учёных (Технические науки). - Нижний Новгород, 2014. - С. 215-218.

10. Денцов, М.Н. Повышение эффективности технологических линий производства сахарной свеклы / М.Н. Денцов // Международный научно-исследовательский журнал. - Екатеринбург. - 2014 - № 4(23) Часп. 2. - С. 17-18.

Прочие издания

И. Денцов, М.Н. Математическая модель оптимизации технологических линий посева н опрыскивания сахарной свеклы на основе эперго-ресурсосбережения / М.Н. Денцов // Вестник НГИЭИ: Серия технические науки. Выпуск 4(35). - Княгишшо: НГИЭИ, 2014. - С. 53-61.

12. ОогЬшоу, В. А(1ар{ас)а 1есЬтю1о{у1 ргскЗикси Ъигако\у сикго\уусЬ до \уагипко\у а§гоеко5у5{ето-иг / В. СогЬипоу, А. Раэт, О. РШтопоу, А. ОогЪшюу, М. Бзпсоу, V. ОогЬипоу // РгоЫету ииещуйкас)! ргоёикс1 глотеггесе! г uwzgledaieniem роргаууу БЬтдкйиу оЬзгаготее] gospcкiаJгstw гсхЗгшпусЬ, осЬ-гопу sгodowíska I 51апс1агс1о\уе. - ^Уагегатеа. - 2014 г. - С.73-79.

Подписано к печати 23.03.2015 . Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 91 .

ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» 603107. г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 97 Типография ФГБОУ ВПО НГСХА