автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности заготовки сена в условиях Северо-Запада путем проектирования адаптивных технологий и комплексов технических средств

И У

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(СЗ НИИМЭСХ)

На правах рукописи ЕРШОВА Ирина Глебовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАГОТОВКИ СЕНА

В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДА ПУТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЛЕКСОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Специальность 05.20.01 -механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, старший научный сотрудник

В.Д.Попов

кандидат технических наук, доцент Ю.В.Лукинский

Санкт-Петербург - Павловск 1999год

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ технологического и технического оснащения

заготовки сена в Северо-Западной зоне................................8

1.1.1. Технологии заготовки сена...............................................15

1.1.2. Технические средства, применяемые для заготовки сена

и тенденции их развития..................................................22

1.3. Природно-климатические условия Северо-Запада...............27

1.4. Анализ методов формирования/технологий и комплексов технических средств для заготовки .сена..............................30

1.4.1. Методы формирования технологий и комплексов технических средств...................................................30

1.4.2. Критерии оценки технологий и технических средств........37

1.5. Цель и задачи исследования................................................41

2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЗАГОТОВКИ СЕНА

2.1. Алгоритм проектирования технологических процессов...........43

2.2. Формализованное описание технологических процессов.........48

2.3. Дискриминантный и факторный анализ влияния природно-климатических условий Северо-Запада

на процесс заготовки сена..............................................50

2.4. Критерии оценки технологических процессов........................58

3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЗАГОТОВКИ СЕНА

3.1. Структурно-параметрическая модель технологических

процессов заготовки сена.................................................63

3.2. Математические модели отдельных явлений и процессов

заготовки сена................................................................65

3.3. Математическая модель оптимизации сроков уборки трав на сено........................................................................68

3.4. Моделирование технологических операций..........................71

3.4.1.Оценка и выбор комплексов технических средств.................73

3.5. Моделирование уборочно-транспортного комплекса...............82

3.5.1. Оценка оптимальной грузоподъемности

транспортных средств....................................................82

3.5.2. Формирование уборочно-транспортного комплекса..............87

3.6. Моделирование технологических вариантов заготовки сена.....90

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЛЕКСОВ

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЗАГОТОВКИ СЕНА В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДА

4.1. Проектирование адаптивных технологий и комплексов технических средств для заготовки сена................................96

4.2. Проектирование базовых технологий для Северо-Запада.....99

4.3. Проверка адекватности математических моделей отдельных процессов и явлений в хозяйственных

условиях "Каложицы"......................................................102

4.4. Расчет экономической эффективности применения адаптивной технологии..................................................108

4.4.1. Энергетическая оценка технологического процесса заготовки сена..............................................................108

4.4.2. Экономическая оценка технологии заготовки сена...............110

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................116

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Кормопроизводство и животноводство являются ведущими отраслями сельского хозяйства Северо-Западной зоны России. Развитие животноводства и повышение его продуктивности невозможно без создания прочной кормовой базы, поэтому животноводство должно быть обеспечено высококачественными кормами в достаточном количестве.

Однако производство кормов за последние годы снизилось на 40% вследствие, во - первых, уменьшения посевных площадей кормовых культур и,во - вторых, падения их урожайности, при этом качество кормов остается низким. В этих условиях произошло резкое падение эффективности использования кормов, [63].

Основными способами кормопроизводства являются заготовка сена, силоса, сенажа и травяной муки. Сохранность питательной ценности растительных кормов зависит от вида корма и технологии их заготовки. Заготовка и хранение кормов традиционными способами, применяемыми в условиях Северо-Запада, сопровождается большими потерями питательных веществ и требуют больших энер-го-и трудозатрат.

В структуре кормов Северо-Западной зоны сено является обязательно включаемым видом корма в рацион крупного рогатого скота.

Наиболее существенное влияние по сравнению с другим видом корма на качество и эффективность заготовки сена оказывают погодные условия.

В настоящее время разработано большое количество технологий заготовки основных видов сена. Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается разнообразная техника, обеспечи-

вающая механизацию практически всех технологических операций. Эффективность использования технологий и технических средств во многом определяется условием их применения. За последние годы промышленность под давлением падающего спроса и роста затрат резко сократила выпуск техники для села. Наличие в хозяйствах тракторов и основных видов сельскохозяйственной техники сократилось на 30 - 40%, [63].

В сложившейся ситуации формирование адаптивных технологий и комплексов технических средств к природно-климатическим и экономическим условиям Северо-Запада является одной из основных проблем заготовки сена, решение которой позволит снизить его себестоимость, повысить его качество и повысить эффективность животноводства.

Проблема проектирования технологий заготовки сена адаптированных к природно-климатическим условиям, учитывающих рыночные отношения и различные формы собственности и использующая современные вычислительные машины, недостаточно научно обоснована.

Теоретическому и методическому обоснованию проблемы проектирования адаптивных технологий и комплексов технических средств, позволяющих повысить эффективность технологий заготовки сена посвящена данная работа.

На защиту выносятся следующие научные положения.

Из методических разработок:

- метод и алгоритм проектирования адаптивных технологий и комплексов машин для заготовки сена;

- метод оценки эффективности технических средств в зависимости от условий их работы;

- метод оценки технологий в условиях неопределенности.

Из теоретических разработок:

- структурно-параметрическая модель заготовки различных видов сена, включающая в себя модели отдельных процессов и операций;

- математическая модель оптимизации сроков уборки трав на сено;

- математическая модель уборочно-транспортного комплекса.

В диссертации решены вопросы:

- анализ влияния природно-климатических условий Северо-Запада на процесс заготовки сена;

- проектирование адаптивных технологий заготовки сена;

- выбор комплекса технических средств;

- проектирование базовых технологий для условий Северо-Запада;

- проверка адекватности математических моделей отдельных процессов в хозяйственных условиях ОПХ "Каложицы".

Работа является результатом исследования автора, проведенной в течение пяти лет совместно с сотрудниками сектора АСУ СЗ НИИМЭСХ.

Работа проводилась в соответствии с региональной научно-технической программой 8Р."Разработать научные основы развития системы технологического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирование эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики", являющейся составной частью Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 19962000гг., выполняемой по заказу Минсельхозпрода РФ.

Тема диссертации утверждена Ученым Советом СЗ НИИМЭСХ и соответствует тематическому плану института.

Результаты выполненной научно-исследовательской работы доведены до стадии пригодной для практического применения.

Предложенные модели и алгоритм проектирования технологических процессов позволяют оперативно решать с применением автоматизированного рабочего места специалиста (АРМ) прогнозные задачи, а также задачи управления технологическим процессом в ходе заготовки сена.

Материалы диссертации докладывались на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в С-ПГАУ в1995г. и на научной конференции "Актуальные вопросы образования, науки и техники" в Псковском политехническом институте в 1995г., на научных семинарах кафедр теоретической механики, теории механизмов и деталей машин Псковского политехнического института в 1996, 1997гг.

По теме диссертации опубликованы три научные работы.

Автор выражает глубокую признательность научным руководителям работы Попову В.Д., Лукинскому Ю.В., а также зав. сектором АСУ, к.т.н., с.н.с. Валге A.M. и главному специалисту сектора АСУ Пакскиной Е.Г.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Анализ технологического и технического оснащения заготовки сена в Северо-Западной зоне

Природно-климатические условия Северо-Западной зоны благоприятны для выращивания многолетних трав и других кормовых культур. Однако, достигнутый уровень развития кормопроизводства не отвечает требованиям интенсивного ведения животноводства как по объему, так и по качеству заготавливаемых кормов.

В структуре посевных площадей, занятых под кормовыми культурами, преобладают многолетние травы, а также естественные сенокосы и пастбища (666,14тыс.га и 491,96тыс.га.), (рис.1.1). Урожайность в среднем составляет: многолетних трав на сено - 34,9 ц/га, сено естественных сенокосов - 15 ц/га и однолетних - 17,6 ц/га, (рис. 1.2).

Производство кормовых культур с 1990 по 1996гг. снизилось на 40% вследствие, во-первых, уменьшения посевных площадей кормовых культур и, во-вторых, падения их урожайности, (рис. 1.4).

Из-за неустойчивого урожая кормовых культур, значительной зависимости хода заготовки сена от погодных условий, недостаточной обеспеченности хозяйств кормоуборочной техникой и транспортными средствами, объемы заготовки по годам не стабильны, Наблюдается спад объемов заготовки сена по сравнению с другими видами заготовки корма. В последние годы валовый сбор сена в среднем составил: из многолетних трав - 18,9 млн.т.(14%), однолетних трав - 3,8 млн.т.(3%), сено естественных сенокосов -21.6 млн.т.(16%) (рис.1.3).

В целом по Северо - Западной зоне производство грубых и сочных кормов сократилось с 3,11 млн.т.к.е. в 1986 - 1990гг. до 1,53

Ш 34%

118%

0347%

□ Многолетние травы Ш Однолетние травы

□ Кукуруза на силос, зеленый корм и сенаж

■ Кормовые корнеплоды 0 Сено естественных сенокосов

Рис 1.1. Структура посевных площадей Северо-Западной зоны

■ 7%

£]3% ■ 3%

□ 32%

Ш 55%

0 Кукуруза на силос, зеленый корм и сенаж

□ Кормовые корнеплоды

■ Сено многолетних трав

□ Сено однолетних трав

■ Сено естественных сенокосов

Рис. 1.2 Урожайность кормовых культур в Северо-Западной зоне

о

16%

Ш 14%

□ 63%

□ Кукуруза на силос, зеленый корм и сенаж

В Кормовые корнеплоды

Ш Сено многолетних трав

I Сено однолетних трав

И Сено естественных сенокосов

Рис. 1.3 Валовый сбор кормовых культур в Северо-Западной зоне

1200

го

6 1000

л

ь

г 800

СЕ

го

3" о 600

с;

с

ш 400

л

X

со

ф о 200

о

с

1400

1200

х

I

о н

о

3 н

1000 ^

800

600

ге х ф о

а о ю о

400 '5

л со о с; (в ш

200

1991 1992 1993 1994

Урожайность сена (ц/.га) 48,1 35,2 31,7 33,9

МПосевные площади

Ш Урожайность сена

■Валовый сбор сена

Рис. 1.4 Динамика изменения урожайности и валового сбора сена в Северо-Западной зоне

млн.т.к.е. в 1996г. Заготовка сена сократилась с 2,75 млн.т. в 1986 -1990гг. до 1,56 млн.т. в 1996г. [4,49,87,93,103].

Одним из основных путей повышения качества является совершенствование технологий заготовки сена, проведение уборочных работ в оптимальные сроки. Так промедление с уборкой многолетних трав на 5 - 7 дней приводит к уменьшению питательной ценности кормов на 10 - 20%.

Для обеспечения животноводства высококачественным сеном необходимо разрабатывать, применительно к зональным условиям, и широко внедрять прогрессивные технологии заготовки сена такие как: заготовка прессованного в короткомерные (длиной 40 - 45см) тюки сена с досушиванием принудительным вентилированием в сенохранилище; заготовка подпрессованного в мелкие паковки (без обвязки шпагатом) крупнорезаного сена с досушиванием принудительным вентилированием в сенохранилище, а также применение химических консервантов, что позволит более полно сохранить питательные вещества растительных кормов, [50].

В последние годы в Псковской и Новгородской областях применяется технология заготовки сена в крупногабаритные рулоны массой около 0,5т. Однако экспериментальные исследования показали, что заготовить в крупногабаритных рулонах высококачественное сено практически невозможно, так как в случае закатывания в рулон провяленной травы досушить ее принудительным вентилированием практически невозможно. Такая технология может быть альтернативой заготовке рассыпного сена [50].

Материально-техническая база сельского хозяйства в количественном отношении оценивается в 2-3 раза ниже нормативного. Поступление кормоуборочных комбайнов в хозяйства СевероЗападного региона по сравнению с 1985 г. сократилось с 21,9 до 3,6

тыс.шт, или в 6,1 раза; тракторов с 187,3 до 22,1 тыс.шт, или 8,5 раза; грузовых автомобилей соответственно с 129,9 до 9,1 тыс.шт, или 14,3 раза; тракторных прицепов с 165,3 до 4,0 тыс.шт, или в 41 раз [4,24,49]. Материально-техническая база не соответствует современным требованиям и по качеству. В основном низкие показатели по энергоемкости, металлоемкости, надежности, потерям за уборочными машинами.

В настоящее время хозяйства Северо-Западной зоны в основном оснащены кормозаготовительной техникой, купленной 5-12 лет назад, большинство видов которой поступало из бывших союзных республик и социалистических стран.

Для скашивания травы используют косилки КС-Ф-2,1Б; КРН-2,1; КПРН-ЗА (завод им.Ухтомского) г.Люберцы; КРР-1,85 (АО "Соссовкорммаш" Рязанской обл.) и др. грабли-ворошилки ГВР-6; ГР-3,6; ГВД-Ф-6,0 и ГВК-6.

Для прессования сена в тюки используются пресс-подборщики ПС-Ф-1,6 из Киргизии и К-453 фирмы "Фортшритт" (Германия). Последние годы ряд российских заводов освоили выпуск рулонных прессов ПР-400, ПР-200 (АО "Бурятфермаш"), ПР-1,5 (АО "Бежец-ксельмаш"), ПР-Ф-750 (завод "Сибсельмаш", Псковский машиностроительный завод), [49,50].

Существующий парк кормоуборочной техники позволяет механизировать большинство технологических операций при заготовке сена, однако, уровень механизации таких технологических операций, как укладка сена на хранение, заготовка сена на неудобьях очень низка. Так, уровень механизации при загрузке прессованного сена в хранилище менее 50%, измельченного сена - 33%», формирование скирд из копен сена 25%. Отсюда затраты труда на технологических операциях колеблются в значительных пределах от 0,06 - 0,08

чел./ч. на тонну сухого вещества при ворошении и сгребании провяливаемой травы в поле, до 0, 79 - 1,06 чел./ч. - при перевозке к кор-мохранилищу измельченной и прессованной в тюки провяленной травы. Особую озабоченность вызывает низкая надежность машин и оборудования [50,72].

Кроме того, остается нерешенным вопрос о рациональном выборе того или иного варианта состава технических средств для реализации технологии в конкретных условиях.

1.1.1. Технологии заготовки сена

Современные механизированные технологии предусматривают заготовку сена, прессованного в тюки разных размеров (малогабаритные, коротко-мерные и крупногабаритные), а также в рулоны; не измельченного рассыпного; измельченного рассыпного (рис. 1.5, 1.6, 1.7) [43,72,79].

Технологии заготовки сена состоят из ряда однотипных производственных операций (таких, как скашивание, ворошение, переворачивание и сгребание провяленной травы в валки, досушивание ее активным вентилированием).

В зависимости от природно-климатических и экономических условий хозяйств Северо-Западной зоны технологию заготовки сена выбирают исходя из максимального сохранения в корме питательных веществ; минимальных механических потерь кормовой массы; снижения трудовых затрат на единицу продукции за счет рационального выбора операции и высокой экономической эффективности заготовки сена.

В настоящее время основную часть, более 70%, сено заготавливают в рассыпном не измельченном виде, высушивая его до конди-

ционной (18%) влажности непосредственно в поле и лишь около 6% сена досушивается активным вентилированием. Однако, в условиях Северо-Запада получить рассыпное высококачественное сено �