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

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАГОТОВКИ СИЛОСА В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДА ПУТЁМ АДАПТАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ

СРЕДСТВ

05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Санкт-Петербург-Пушкин 1998

Работа выполнена в Северо-Западном научно-исследовательс» институте механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗ ШГИМЭСХ).

Научные руководители: доктор технических наук, старший научнг

сотрудник В.Д.Попов;

кандидат технических наук, доцент Ю.В.Лукинский.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РЗ Е.С.Сечкин;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник И.М.Фомин.

Ведущая организация - Псковский научно-исследовательский

институт сельского хозяйства (Псковский ШШСХ).

Защита назначена на 2Z омтЯ-сГря. ISS8 года в Í0 ча на заседании диссертационного совета К 020.59.01 по защите дис таций на соискание ученой степени кандидата технических наук Северо-Западного научно-исследовательского института ыеханизаци: и электрификации сельского хозяйства по адресу: 189625, п.о. Тяр, г.Санкт-Петербург-Душкин, Филыровское шоссе, 3, корпус № I, помещение 201.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке СЗШИМЭСХ.

Автореферат разослан ZZ сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

\ Н.Н.Черей

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 1ивотноводстэо является ведущей отраслью сельского хозяйства Северо-Запада Нечернозёмной зоны 1Ъссии.

Из-за высокой себестоимости производимая в большинстве хозяйств региона животноводческая продукция неконкурентна аналогичной продукции Запада. При производстве' животноводческой продукции доля затрат на корма составляет около 70 Рентабельность животноводства во многом определяется уровнем продуктивности животных, который в свои очередь зависи-фт качества и количества кормов. Наиболее затратной частью кормопроизводства является уборка трав.

В последние годы в структуре кормов Северо-Западного региона больший удельный вес занимает силос из свкжескошенной и провяленной травы. При силосном типе кормления, используемом большинством фермеров Финляндии, этот вид корма составляет около 80 % всего объёма кормов.

Существует несколько технологий и большое количество технических средств для заготовки силоса. Эффективность технологий и технических средств во многом определяется природно-климатическими и хозяйственно-экономическими условиями их использования. Выбор технологий и комплексов машин с учётом этих условий - сложная многовариантная задача. Её речение обеспечит наибольпую эффективность технологии при наименьших удельных затратах.Таким-образом,формирование технологий и комплексов технических средств для заготовки силоса, адаптированных к природно-климатическим я экономическим условиям и их анализ с целью повышения эффективности является одной из важных проблем производства кормов и опре-ляет актуальность настоящего исследования.

Работа выполнялась в соответствии с региональной научно-технической программой 5Р (1991-1995гг.) и 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 АПК Российской Федерации на 199б-2000гт., выполняемой по заказу Минсельхозпрода РФ.

Цель исследований - повышение эффективности заготовки силоса путём выбора рациональной модели формирования технологии и подбора технических средств для её выполнения.

Научная новизна. Научную новизну работы составляй: • трёхуровневая математическая модель заготовки силоса, включающая в себя модели отдельных явлений и операций, для формирования комплектов ыаяин и технологий заготовки силоса, адаптивных к заданным условиям.

- математические модели уборочно-транспортных комплексов для заготовки силоса, учитывающие вероятностные условия функционировани* системы.

- методы исследования технологической цепочки для выявления наиболее затратных операций.

- система оценок эффективности использования отдельных машин.

Практическая ценность работы:

- метод и алгоритм формирования технология и комплексов машин для заготовки силоса, адаптированных к конкретным условиям.

- метод оценки эффективности отдельных технологических операций заготовки силоса и их влияние на показатели технологии в целом.

рациональные технологии заготовки силоса и состав технических средств для областей Северо-Западной подзоны Р$.

Апробация. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов СП6ГА7 в 1995 и в 1998 годах в САякт-Петербурге-Пушкине, на научной и научно-методической конференции "Актуальные вопросы образования, науки и техники" в Псковском политехническом институте в 1995 г., на научных семинарах кафедр технологии машиностроения, теоретической иеханики, теории машин и механизмов Псковского политехнического института в 1996, 1997 годах.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырёх статьях общим объёмом 0.83 печатных листа.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы (139 наименований, из них 8 на иностранном языке) и приложений. Диссертация изложена на 13 5 страницах маиинописного текста, содержит 18 таблиц, 20 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и изложены научные положения, которые выносятся на защиту.

В первом разделе "Состояние проблемы и её содержание. Цель я задачи исследования" дан обзор существующих технологий и технических средств для заготовки силоса и показаны основные тенденции развития.

Большой вклад в исследование и разработку методов формирования технологий заготовки кормов внесли В.Г. Еникеев, Э.И. Лшисович, B.C. Сечкин. Повышению эффективности технологий и технических средств посвящены работы А.А. Артюшна, В.Д. Попова, В.А. Сысуева,' И.М. Фомина, И.Е. Янковского и других.

Проанализированы сложные множества факторов, влияющих на заготовку кормов. Сделан обзор и дана общая характеристика существующих методов исследования технологических процессов. Отмечены достоинства и недостатки аналитических методов, математического программирования, статистических методов анализа процессов, использования теории массового обслуживания и имитационного моделирования. Освещен системный подход к процессам кормопроизводства. /,..-,.

Резервы повышения эффективности заключены в формировании

наиболее выгодных в условиях конкретного района или хозяйства технологий и технических средств, учитывающих изменчивость условий в процессе реализации технологий.

Поэтому в соответствии с поставленной целью настоящая работы в задачи исследований входило:

- обоснование критериев оценки машин, технологических операция и технологии в целом,

- исследование множеств факторов и выявление наиболее значимых для технологии заготовки силоса,

- разработка многоуровневой модели заготовки силоса, обеспечивающей проектирование адаптивных технологий,

- разработка метода анализа технологической цепочки для выявления наиболее затратных операций,

- создание математической модели уборочно-транспортного комплекса для заготовки силоса,

- формирование адаптивных технологий заготовки силоса для отдельных областей Северо-Запада,

- проверка адекватности математических моделей в производственных условиях.

Во втором разделе "Методические основы формирования и анализа адаптивных технологий и технологических комплексов машин для заготовки силоса" приведены характеристики основных этапов процесса формирования и анализа указанных технологий. Проведена систематизация условий работы в Ленинградской, Новгородской, Псков-

ской областях, выявлены особенности региона (Таблица I). Услови Северо-Запада благоприятны для выращивания однолетних и многол них трав. Однако в период уборки чаще всего метеоусловия небла гоприятны, а значит, неизбежны потери. Поэтому на Северо-Запад! особенно необходима адаптация технологий к условиям подзоны.

Таблица I.

Средние значения огсределяпщих факторов кормопроизводства

Наименование подзо [ Длина гона Еезм тер.чо Цоса1к ! А) ишор- £осащ за го Ч рож , МГ1СА Урож. Инне Урож. ИНОТСЛ.

м день мм мм ц/га ц/г 1 ц/гг

/ 3 Н Г £ Северная Севера.-Западная Iе» Центральная 2ая Центральная Золго-Зягояая Уральская 290,0 316,0 500,0 580,0 675,0 612.5 99,6 125,7 132,0 132,0 [29,3 130,: 205, С 568,0 28,5 22,5 133,8 152,7 [57,7 [75,0 :79,з 127,;

|гэ7, а |б35,0 Ы, э] ^7,5

285,5 279,0 255,3 2823 505,8 555,0 529,2 590,0 30,7 32.5 31.6 2 27,0 21.5 31,3 Г, о 21,8

Севере- Западная подзона

Область Ср. пл. (га) УР. Си/га) См) Коэффиц. пог. услов.

сено сенаж илос

Ленинградская Новгородская Псковская 1554,2 1080,9 1116,1 202,1 124,1 131,7 350 2Г0 }Я> 1,6 1.5 1Л 1.4 1,3 1,2 1.3 1,2 1,2

технологических опер Кпу :

С I ) - число дождливых

Для учёта влияния погоды на качество ций вводится коэффициент погодных условий

и М> + Ж" + Ж N ^ - /у0 ;

где /\гс - количество дней без дождя, /К дней, /К - дни для повторных операций.

Обоснованы и выбраны показатели для оценки всех операций технологии: энергоёмкость (Э), трудоёмкость (Т), металлоёмкость См), потери корма (Ю- Важным для расчёта показателем является продолжительность выполнения операции. Энергоёмкость характеризуется затратами энергии на единицу питательной ценности корма. Трудоёмкость рассчитывается как отношение затрат труда в человеко-часах к содержанию питательных веществ в кормовых единицах в произведённом корме. Металлоёмкость характеризуется отношением общей массы машин к единице продукции.

Потери питательных веществ является одним из основных качественных показателей и определяется процентным отношением содержания питательных веществ в готовом корме к содержанию питательных веществ в траве перед скашиванием.

Сравнительная оценка различных вариантов технологий осуществляется по обобщенному энергетическому критерию К.

и __ э-^т^о1пП-аым'М кДн (2) к ~ т-

(X

где в числителе суммарные затраты энергии на заготовке корма,

(5- - объём заготовки в тоннах, С1Т) оС^ - коэффициенты перевода затрат труда, потерь кормом питательности я металлоёмкости в энергетические величины.-

Параллельно использован удельный стоимостной крите-

РИЙ: с= ^^т^Ш^М, да (з)

<5Ь Т

где С^,СГ ,Сс ,СМ - стоимость единицы энергии, труда, корма, металла.

Для сравнительной оценки технических средств (кормоуборочных комбайнов) введён коэффициент эффективности

1/ _ Е- К , (4)

£

где Е - сменная производительность комбайна (га/см),

расход топлива (л/га), ¡А - урожайность травы (т/га). Чем выше значение коэффициента, тем эффективнее машина в конкретных условиях. Графическая зависимость коэффициента эффективности от урожайности для кормоуборочных комбайнов представлена на рисунке I.

В третьем разделе "Моделирование процесса заготовки силоса разработана многоуровневая иерархическая структурная модель получения силоса. Технология заготовки силоса предусматривает как уборку кормовых культур без полевой сушки, так и с провяливание травы в поле до влажности 55...65 %. Рисунок 2. Основные тех* логии заготовки силоса могут иметь различные варианты реализавд (например, использование различных технических средств, различных консервантов). Нижний уровень представляет модели отдельны? физических явлений и процессов. Эмпирические соотношения, опис! вающие процессы провяливания травы, механизмы потерь механичес!

сухого вещества, потерь питательности, являются основой для расчёта технико-экономических показателей при формировании адаптивных технологий заготовки силоса. Такое построение модели позволяет учесть все особенности производства оилоса как в разрезе технологий, так и технических средств. Формирование моделей выполняется последовательно от более низкого уровня к более высокому. Модели самого низкого уровня записаны в виде уравнений.

СИЛОС

УРОВЕНЬ

Силос из амос из

свежея травы провялен, травы

УРШШ 2

!©ч I

о 1

¡а —1— п

я олер

10

УРОВЕНЬ 3

Сувха

Механические потери

I

опер

у£>1

Г^Ы

о

и© I

т

опер

Потери питат. вец-в

рис.2.Многоуровневая модель заготовки силоса

Они составлены в результате обработки экспериментальных данных, полученных в НЛПТЙМЭСХ НЗ РФ и других научных учреждениях. В четвёртом разделе "Проектирование адаптивных; технологий заготовки силоса из трав и их анализ '

приведена блок-схема алгоритма автоматизированного расчёта технологий заготовки основных видов кормов, в том числе си-

лоса. Рисунок 3. Автоматизированная система выполнена в виде ра бочего места технолога по кормопроизводству и позволяет, не име особой подготовки в области программирования, в режиме диалога с ЭВМ моделировать многовариантные технологии заготовки основнь видов кормов. Машина запрашивает'условия заготовки: площадь убс ки, урожайность, длину гона, дальность транспортировки и т.д. Погодные условия по каждой операции задаются с помощью коэффици ента Кпу.

|11 ВыОор вида травы

( Начало )

\2\ Выбор вида симхтп корма |->-

1з I Выбор технологии I

I

k I Моделирование технологии ¡5 | Вю» условии кормопроизводства ~ | 6| Цвод кажрфидиентовпогодных условия |7| Ваод сгоикастдах показателей -»]8|3u(Sop техяич. средств и их количества

|9 | Расчёт продолтатедыюети операций то^ГСогласны е ддительнТТ

|11|Расчёт технико-акодомич. показателей | [12 [Вывод на печать техвико-жовом. показатТ] [13|Вьтод на печать состава тетгогч. средств

[17¡Вывод оптимальной техн. ( Конец у-

Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы АРМ.

После ввода всех условий программа предлагает выбрать состав технических средств и их количество. ЭВМ рассчитывает длительность операций. Если-длительность устраивает оператора, то производится расчёт технико-экономических показателей.

Рассчитаны рациональные технологии заготовки силоса. Результаты расчёта адаптивных к условиям областей Северо-Запада технологий заготовки силоса по составу технических средств сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Рациональные технологии заготовки силоса для Северо-Западной подзоны.

Область Площадь Вид Операция Удельные показатели

уборки технол. И Э Т

(га) Скашив. Трансп. Трамбовка (кг/т) (кВтч/ тХчел- ч/т) %

1 Ленинградская 300 без про! .Ю1ЯГ-75 ПСЕ-12,5 ДТ-75 8.3 12,50 0,11 7,64

г 700 без пр. Е-281 КАМАЗ Т-130 9.4 12,65 0,12 7,64

3 1000 без пр. Е-281 КАМАЗ Т-1Э0 9,5 12,65 0,12 7,64

Новгородская 200 без пр. КПИ-2.4 ИСБ-12.5 ДТ-75 10,1 9,6В 0,26 7,64

500 без пр. КПКУ-75 ПСЕ-20 ДТ-75 7.8 14,10 0,17 7,64

6 700 без пр. Е-281 ПСЕ-20 Т-130 9,7 12,50 0,18 7,64

Псковская 250 без пр. КПИ-2,4 ПСЕ-12,5 ДГ-75 7,6 9,44 0,25 7,64

« 600 без пр. Е-281 ГАЗ-САЗ Т-130 10,0 12,15 0,18 7,64

э 800 без пр. Е-281 КАМАЗ Т-130 II, X 12,13 0,11 7,64

На последующих этапах исследования осуществляется анализ технологий с целью определения звеньев технологической цепочки, совершенствование которых обеспечит наибольшее увеличение эффективности технологии при наименьших затратах.

Любые показатели операций технологической цепочки представляют на диаграмме Парето в виде столбчатого графика, на котором строится 1-ая кривая кумулятивной суммы (Рис.4(а)).

Парето-диаграмму целесообразно применять вместе с причинно-следственной диаграммой Исикавы (рыбья кость). Рисунок 4(6). Она позволяет систематизировать различные причины (факторы), оказывающие влияние на рассматриваемую проблему. Причины разделяют по определённому признаку: А, В,..., выделяя первичные, вторичные

и т.д. (причины обозначены стрелками).

После проведения корректирующих мероприятий вновь строят диаграмму Парето, проверяя эффективность проведённых улучшений (вторая кумулятивная кривая на рис.4(а)).

а)

1-ая кумулятивная кривая Парето

2 3 ...

операции технологии

100«

после улучшения

X

\

/

I - система причинных факторов, 2 - показатель качества

( следствие )

Ric.il. Диаграммы- Парето а) и Исккавы <0 .

П

Для комплексной оценки и сравнения объектов исследования (машин, операций) предложена диаграмма параметров. Рисунок 5. Диаграмма состоит из масштабных шкал, выходящих из одной точки 1елательные значения показателей(параметров, критериев) распол

гаотся ближе к центру, а "худшие" на периферии. Значения частных показателей для одного объекта соединяются линией определённого вида. Площадь полученного многоугольника является комплексным критерием. Чем больше площадь, тем "хуже" объект. Для технологии заготовки силоса наиболее затратной операцией является транспортировка.

Диаграхма параметров для оценка операций технологии заготовки силоса

- скавивание с измельчением и погрузкой === - транспортировка

- /кладка на хранение

Рис.5.

-----------

Поэтому выбору эффективных транспортных средств уделено особое внимание.

Как систему массового обслуживания (СМО) модно рассматривать кормоуборочный комплекс на заготовке силоса: комбайн обслуживает транспортные средства. Система однофазная, замкнутая. Граф всех её возможных состояний с указанием всех переходов на рисунке 6.

Интенсивность поступления требований на обслуживание \ и инте сивность обслуживания ^и .

в,

г

г\

Рис Размеченный граф состояния одноканальной замкнутой системы.

Если поток требований в системе подчиняется распределению Пуассона р, Ц) = ЗД« е~ I (5)

то нетрудно составить систему дифференциальных уравнений, опис вающих функционирование системы. В установившемся режиме поэтому возможен переход к системе алгебраических уравнений. Выражая каядую последующую вероятность состояния системы через предыдущую, получают рекуррентную формулу для определения веро, ности состояния = » г*де , Щ - число тра:

портных средств в системе.

Тогда вероятность простоя ведущей машины (комбайна):

Ь _ _I_ . (0

~ f . ш П

г

Среднее число транспортных средств в очереди на погрузку:

к

04 ¿г { ~ •

(7)

Проведён оптимизационный расчёт для СМО: Е-281 и автомобили ГАЗ-САЗ. Критерий - минимум затрат С,которые складываются из убытков от простоя транспортных средств в очереди на погрузку (Сд'Ху) и убытков от простоя комбайна, если отсутствует транспорт (С/Ё). Су - затраты, связанные с простоем ведущей машины (рублей), Сд- связанные (^простоем транспорта

Рис.7.

7

бтоипэстноЛ критерлА опт:г;иэаци:

Рис

В пятой разделе "Проверка адекватности математических моделей. Расчёт экономической эффективности , полученной от реализа ;ции адаптивных технологий" [ показано, что для установления адекватности математических моделей отдельных процессов и явлений была проведена проверка фрагментов технологий заготовки силоса в ОПХ "Каложицы" Ленинградской области. Хронометрировалась работа уборочно-транспортного комплекса, исследовалась зависимость потерь от условий уборки . Полученные в результате производственной

проверки данные соответствуют значениям аппроксимированных зависимостей.

Компьютерная модель технологии заготовки силоса позволяет проводить машинный многофакторный эксперимент, изменяя входные факторы, прогнозируя поведение погоды. Полученные регрессионные зависимости также подтверждают адекватность моделей.

Для определения экономической эффективности, полученной от реализации адаптивных технологий, рассчитывались приведённые затраты на производство силоса-по базовому (существующему в хозяйстве) варианту технологии и предложенному оптимальному варианту.

Расчёты показали, что использование адаптивных технологий позволяет снизить себестоимость каждой тонны силоса на 10 %.

ОВДЕ ВЫВОДЫ И ПРШОНЭШ

1. В качестве математической модели технологических процессов заготовки силоса предлагается использовать трёхуровневую иерархическую структурную модель, в которую входят: на верхнем уровне модели отдельных технологических вариантов, на втором уровне - модели отдельных технологических операций, на нижнем уровне - модели физических явлений и процессов.

2. В качестве показателей эффективности технологии предложены: энергоёмкость, трудоёмкость, металлоёмкость, потери корма. Обобщённым критерием выступают удельные энергозатраты и параллельно удельный стоимостной критерий, позволяющие сравнивать разные технологии для разных условий.

Метод диаграмм позволяет оценить .технологию и технические средства комплексно. Для выявления наиболее затратных звеньев технологической цепочки следует использовать диаграммы Парето в сочетании с причинно-следственными диаграммами, позволяющими системно подойти к анализу показателей эффективности технологий и технических средств.

3. Для оценки и сравнения различных технических средств, выполняющих одну и ту же операцию, целесообразно использовать коэффициент эффективности, определяемый отношением сменной производительности машины и урожайности культур к удельному расход топлива. Чем больше коэффициент эффективности, тем эффективнее машина в конкретных условиях.

4. Наибольший удельный вес в структуре затрат при заготовке силоса имеет операция транспортировки. Совершенствование им< но этой операции значительно повысит эффективность всей технол( гии. Для оптимизации работы уборочно-транспортного комплекса ц< лесообразно использовать теорию массового обслуживания.(ТМО). ТМО обеспечивает моделирование работы такого комплекса и позволяет получить основные характеристики функционирования и оптим] зировать структуру комплекса с учётом вероятностного характера его работы.

5. Алгоритм формирования адаптивных технологий реализован в виде программного пакета для ЭВМ. Сформированы адаптивные те: нологии заготовки силоса для областей Северо-Западного региона

6. Производственная проверка подтвердила адекватность мат(

матических моделей отдельных явлений и результаты компьютерных расчётов технологий. Использование сформированных технологий З! готовки силоса и рациональных комплексов машин обеспечивает сш жение себестоимости тонны силоса на 10 %.

■ Основное содержание диссертации изложено в следующих опубл кованных работах:

1. Михайлова Г. Я. Анализ технологической операции.-Актуаль ные вопросы образования .науки и техники. Краткие тезисы к науч ной и наунно-методической конференции. чЛ, г. Псков,1995.-с.41

2. Баринов Ю.Г.,Ершова Я.Г., Михайлова Г."Я. Математическое моделирование в задачах динамики машин.-Актуальные вопросы обра зования, науки и техники. Краткие тезисы к научной и научно-мет дической конференции. ч.1,г.Псков,1995.-с.26-28.

3. Михайлова ГЛ1. ¡Методы анализа технологии кормопроизводс ва.-Труды Псковского политехнического института. №1,С-Пет-ербург Деков,1997._с.99-103.

4. Михайлова Г./I.,Попов В.Д. Методы формирования технологи заготовки силоса в условиях Северо-Запада Российской Федерации. Труды Псковского политехнического института. №2,г.Псков,1998,с. 42-46.