автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование машинной технологии производства картофеля

На правах рукописи

БРАТУШКОВ Николай Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАШИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КАРТОФЕЛЯ

/СЦииДА-/! 05.20.01 - Механизация сельскохозяй-

) ственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1999

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения им. В.П. Горячкина - ОАО «ВИСХОМ».

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Колчин H.H.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Пшеченков К.А.

- канд. технических наук, доцент Бышов Н.В.

Ведущая организации - Государственная Центральная машиностроительная станция - ЦМИС.

Защита состоится 29 декабря 199 9 г. в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д 169.06.01 в Научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения им. В.П. Горячкина - ОАО «ВИСХОМ» по адресу: г. Москва, Дмитровское шоссе. 107

С диссертацией можно познакомиться в Научно-технической библиотеке ОАО «ВИСХОМ».

Автореферат разослан 29 ноября 199_9_г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета -доктор технических наук, профессор

Ст/^-

А.А.Сорокин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картофель - одна из важнейших сельскохозяйственных культур, возделываемых во многих странах мира; его производство в мире постоянно возрастает.

При общем снижении производства сельхозпродукции в нашей стране за последние годы на 20-25%, годовое производство картофеля уменьшилось лишь на 7% и достигает 33-36 млн. тонн. При средней урожайности в стране 10-11 т/га многие хозяйства собирают по 26-30 т "второго хлеба" с гектара.

Широко распространенная машинная технология на основе сортировальных пупктов КСП-25 сыграла большую роль в повышении производства клубней. Однако, в новых условиях, определяемых рыночными отношениями, эта технология не позволяет реализовать весь потенциал эффективности машинного производства картофеля.

Поэтому обоснование и внедрение машинной технологии производства картофеля на основе комплекса по обработке и хранению, располагающегося в хозяйстве, является важной и актуальной задачей.

Настоящая работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Научно-исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения им. В.П. Горячкина - ОАО ВИСХОМ: направление 0.12.07 «Хранение сельскохозяйственной продукции», проект 5-167.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является обоснование и внедрение усовершенствованной машинной технологии производства картофеля на основе комплекса по его обработке и хранению, обеспечивающей получение качественных клубней при существенном снижении их потерь и затрат труда на единицу продукции по сравнению с имеющейся технологией.

Для выполнения поставленной цели намечается решить следующие задачи:

- установить закономерности взаимодействия потоков транспортных средств с приемными каналами технологического оборудования комплекса;

- обосновать схему технологического оборудования комплекса для обработки и хранения картофеля и основные его параметры;

- провести оценку надежности работы приемных каналов комплекса и сравнительный технико-экономический анализ технологии на основе комплекса в условиях хозяйственной уборки картофеля и, частично, моркови;

- определить основные направления дальнейшего совершенствования машинной технологии уборки картофеля применительно к условиям Нечерноземной зоны РФ.

Объекты исследований. Объектами исследования являются:

- потоки транспортных средств продукции (картофель, морковь) с поля на обработку во время машинной их уборки;

- оборудование комплекса для обработки и хранения картофеля и корнеплодов, в том числе приемные каналы этого оборудования;

- типы (варианты) машинных технологий производства картофеля.

Методика исследований. Теоретические исследования заключались в анализе на основе теории систем массового обслуживания (СМО) технологических взаимодействий в послеуборочном цикле с целью определения основных параметров технологического оборудования комплекса. Проведен вероятностный анализ надежности работы приемных каналов технологического оборудования комплекса, как основного звена, определяющего работу всего послеуборочного цикла.

При проведении экспериментальных исследований использовались общие методики, а также частные специальные методики испытаний на основе отраслевых стандартов. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием вариационных и статистических методов с применением современных программ на ПЭВМ IBM PC.

Научная новизна. Разработаны математические модели:

- функционирования двухканального технологического оборудования комплекса в виде простейшей замкнутой СМО с использованием общих закономерностей теории систем массового обслуживания;

- оценки надежности подсистемы приемных каналов технологического оборудования комплекса на основе теории графов и системы линейных дифференциальных уравнений Колмогорова.

Практическая значимость и реализация работы. По результатам исследований обоснована схема технологического оборудования комплекса по обработке и хранению картофеля и корнеплодов и основные его параметры. Комплекс построен в СЗАО «Ленинское» и с 1995 г. запущен в эксплуатацию. Обработано и заложено на хранение - 10,4 тыс.т. продукции. Использование комплекса снизило потери продукции на 30...50% и ее себестоимость почти на 38%, существенно повысило прибыль и обеспечило эффективную работу хозяйства в рыночных условиях. Годовая прибыль - более 600 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на секции НТС ОАО ВИСХОМ, во ВНИИКХ, на научно—производственных семинарах по технологии производства картофеля в Московской области в1996, 1997 и 1998гг., проводимых Минсельхозпродом РФ в Коломенском районе Московской области.

Публикация. Основное содержание диссертации изложено в 3-х печатных

работах общим объемом в 1,3 п.л.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 88 наименований, в том числе 12 - на иностранных языках и приложений. Работа изложена на 143 стр. машинописного текста, содержит 23 таблицы и 30 иллюстраций.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы направления работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе, «Состояние вопроса и задачи исследований» дан обзор и анализ состояния исследуемой проблемы. Исследованиям машинных технологий производства картофеля и комплексов машин посвятили свои труды отечественные ученые и специалисты: Анисимов Б.В., Бакулев JI.C., Бышов Н.В., Верещагин Н.И., Волкинд И.Л., Глухих Е.А., Гусев С.А., Завалишин Ф.С., Колчик H.H., Пшеченков К. А., Старовойтов В.И., Сорокин A.A., Фомин И.М., Хвостов В.А., Фирсов Н.В., Чаус В.М. и др. Из зарубежных ученых, работающих в данном направлении известны Gebert Р., Leppack Е., Мс Rae De., Neumann F., Restovski A., Wormanns G., и др.

Отмечено, что современный этап развития послеуборочного цикла уборочных технологий картофеля и корнеплодов определяется устойчивыми мировыми тенденциями:

- совмещение в едином комплексе на базе хранилищ операций послеуборочной обработки, хранения и подготовки к реализации убранных клубней;

- перенос хранения основной массы убранных клубней в зоны их производства.

На основе данных ВНИИКХ показано, что повреждения клубней при уборке комбайном и с последующей доставкой убранного картофеля в хранилища, расположенные непосредственно в хозяйстве, снижаются более чем в 5 раз по сравнению с доставкой в городские хранилища, существенно повышается выход :тандартной продукции.

Широкие технологические возможности механизации работ в широких и «меняющихся условиях послеуборочного цикла, включая хранение, по "гибким" технологиям обеспечивают линии и комплексы блочно-модульной компоновки )азличной конфигурации.

Была сформулирована цель диссертационной работы и поставлены основные ¡адачи исследований.

Во втором разделе, "Теоретический анализ технологии на основе комплекса по хранению и обработке картофеля", проведен анализ технологических взаимодействий в послеуборочном цикле общей технологии. Отмечается, что данный комплекс является сложной внутрипроизводственной логистической системой, взаимосвязанной с полевыми блоками технологии. В ее состав входят три технологически связанных производственных циоа: послеуборочная обработка картофеля и овощей, их длительное хранение и предреализационная подготовка. Они объединены единой инфраструктурой на основе прямых связей. В данную систему входят здание, инженерное оборудование и технологическое оборудование. Главным интегративным свойством данной системы является согласованная работа всех ее подсистем на общий экономический результат, получаемый от реализации картофеля и овощей, а также от продуктов их переработки.

При уборке по единой технологии, когда вся продукция с поля поступает в комплекс на обработку и хранение, имеют место потоки транспортных средств. Общий поток транспортных средств независимо от степени последействия слагающих его единичных потоков, по теореме Хинчина А. Я., становится сколь угодно близким к простейшему или стационарному пуассоновскому потоку.

В целом, поток транспортных средств с продукцией с поля во время уборки, обладающий свойствами однородности и ординарности и имеет вероятностный характер. Он может характеризоваться, как простейший поток событий, общей зависимостью (распределением по закону Пуассона)

где Рт - вероятность прибытия т транспортных средств с поля в хранилище за 1 час;

Л - среднее число транспортных средств (математическое ожидание), поступающих в приемные каналы хранилища за один час.

Установлено, что при данном потоке механизированная уборка картофеля (овощей) с закладкой их на длительное хранение в местах производства можст быть представлена, как простейшая система массового обслуживания (СМО).

В данной СМО "Хранилище - транспортные средства" имеются приемньк каналы (линии) технологического оборудования комплекса. Заявками, которые обслуживаются в этих каналах, являются транспортные средства с продукцией, прибывающие на этот комплекс с поля. При этом количество транспортных средсп (заявок) не зависит от самой СМО и ее возможно определить, как открытую про стейшую СМО с неограниченной очередью на обслуживание.

(

Прием продукции с поля может производиться в п приемных каналов. В общем случае n > 1. В работе участвуют Шт - транспортных средств, выполняется условие п < Шт •

При простейшем потоке транспортных средств распределение времени обслуживания заявок to6M , т.е. общее время разгрузки транспортных средств, выражается показательным законом с параметром ц, определяющим интенсивность обслуживания.

1

и----, 3/ч. (2)

t

обсл

При стационарном режиме работы подсистемы (А. = const, ц = const, у = const, t — оо) с исправными приемными каналами могут иметь место следующие возможные ее технологические состояния: S0 ~ все приемные каналы свободны; Sk - к приемных каналов занято (k<n); S„ - п приемных каналов занято, очереди гранспортных средств нет; S„+r - п приемных каналов занято, г машин находится в эчереди на разгрузку (п+г < Шт); Sm, - п приемных каналов занято, m-r - п машин находится в очереди на разгрузку. Граф технологических состояний подсистемы гриемных каналов показан на рис. 1.

Представление взаимосвязи полевых уборочных машин с комплексом по об->аботке и хранения продукции в виде открытой простейшей СМО "хранилище --ранспортное средство", позволяет определить предельные вероятности Р,, основ-[ых рабочих состоящий этой системы и ее основные параметры. Они соответству-эт состояниям Sj подсистемы приемных каналов (рис. 1).

Вероятность Р0 состояния подсистемы в свободном рабочем состоянии S0 , .е. все приемные каналы свободны, определится из зависимости (3):

Ро =

\ + тта + ("Г -1)+ .

Т 2! п\ (3)

mT(тт - 1)...(|ЯГ -п) +1 mT(mT -1)... 1

+----------------а +... +------------ее

п\п n\n"r'"

Вероятность состояния подсистемы 8П при всех занятых приемных каналах

шна

_ mT(mT -!)...(mT -и-1) И)

п | 0 *

Это состояние подсистемы также характеризуется, как отказ (Р0Тк)> т.к. прибывающие транспортные средства не могут разгрузиться (быть обслуженными).

Аналогично определяются значения вероятностей Рк, Рп+Г, Ртг состояний подсистемы 8„+г, вщт.

Необходимо также знать среднее число транспортных средств с, которые разгружаются в подсистеме.

С=Рп

У

к-тт \а

(А:-!)!•(/и -к)\

(")к е п m ^-ш-л-i vay

п\

к\

(5)

{-Те* а

Среднее время пребывания транспортных средств в очереди определяется и: зависимости

(c + r)/mr 1 =---— •— • 1/ч. . . (6)

А(1_£±1) А2 тТ

Абсолютная пропускная способность системы (маш/ч)

(7)

Вышеприведенные зависимости можно определить, как математическуг модель функционирования простейшей системы СМО «хранилище - транспорты средства», характеризующую технологические связи в послеуборочном цикле в время уборки. По ним на основе данных экспериментальных исследований потоко могут быть определены предельные значения вероятностей рассмотренных сс стоянии и определены ее основные параметры.

В качестве критерия надежности (безотказности в работе) подсистемы npi емных каналов, как определяющего звена в послеуборочном цикле технологии, hi пользуем вероятностный фактор оценки. Количества остановок приемных канале по различным причинам и пусков их в работу, т.е. событий, зависят от состоят системы лишь в данный момент времени, т.е. являются потоками заявок, обладаь щих свойствами ординарности и последействия и также образуют пуассоновсю

потоки.

Частота переходов подсистемы ив одного состояния в другое (из рабочего в неисправное) и обратно, определяются интенсивностью потоков заявок поломок и пусков Дс > fe , Я-с и характеризуют среднее число событий в единицу времени в соответствующем переходе.

Подсистема приемных каналов технологического оборудования комплекса, определяющего по существу работу всего послеуборочного цикла, во время работы с точки фения надежности может быть в трех состояниях; Sp - все каналы работают и исправны; Зрн - один канал работает, один - неисправен; S„ - оба канала не работают. Размеченный -раф состояний надежности подсистемы приемных каналов показан на рис. 2.

Принимаем, что в начальный момент (t = 0) подсистема находится в состоянии Sp, г.е. все приемные каналы работают. Для определения вероятности P¡ (t) нахождения под-жстемы с состоянии Si составим дифференциальные уравнения Колмогорова вероятно-:тей этих состоянии, пользуясь графом на рис. 2. Данные дифференциальные уравнения, соличество которых равно числу состояний подсистемы, являются линейными, а знаки 1еред их членами определяются направлениями потоков событий.

dP"<!) - {,)Pf (t) + Pc{,)Ррн (,) _ Яс(t)P„(i) + Лс (l)P„ (О

d!

dPm (О dt

-J^ = Лс (t)PH (0 + Ac Q)PfQ) - Ye {')PH «) + п ('Vm (0 at

~Yc (' )Ррн + /с (t)PAO-ЙС (l)PfH0) + fJc (l)PAt) (9)

Начальными условиями для решения полученной системы уравнений явля-

этея

Граф состояний надежности подсистемы приемных каналов техноло-ического оборудования комплекса вместе с системой дифференциальных уравне-[ий Колмогорова являются математической моделью работы подсистемы в реаль-[ых условиях. Для оценки надежности работы подсистемы приемных каналов в ве-оятпостной форме, данную систему уравнений целесообразно записать, принимая '¡(0=Р|; рс (1) = Но; Ус(0 = Ус,! ^с (») = Хс, в виде

Рр = ^с{Рри-Рр) + Лс{Ри-Рр) Ррн = Гс(Ри ~ Ррн)+ ~ Ррн)

РН=ЛС{РР-РП) + УС{РРИ-РН)

=о

Числовые значения интенсивностей переходов из одного состояния в другое за определенный промежуток времени |аС) То ^с определяются при экспериментальных исследованиях.

Основными параметрами технологического оборудования комплекса являются количество приемных каналов, производительность и способность принимать (обслуживать) соответствующее количество транспортных средств с поля от уборочных машин за один рабочий день. При определении рационального количества приемных каналов технологического оборудования комплекса нами использован поток транспортных средств с картофелем на сортировальный пункт КСП-25.

Общий поток машин за весь срок уборки составил 998 машин. Рассматривая этот поток, как простейший, среднее количество машин, поступающих за 1 час в этом потоке X = 4,6 маш/час. Он характеризуется зависимостью

Р.-^-е-**

т *

т\

(11)

Экспериментальные и теоретические значения вероятностей Рт в зависимости от количества машин т за 1 час, характеризующие данный поток, приведены е табл. 1.

Таблица 1

Экспериментальные и теоретические значения вероятностей Рт в зависимости от ш - поступления машин в хранилище.

т, маш/ч 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Теор 0,01 0,046 0,106 0,163 0,187 0,173 0,132 0,086 0,050 0,026 0,012

Рт Эксп 0 0,115 0,075 0,115 0,23 0,075 0,19 0 0,037 0,075 0,075

Оценка соответствия экспериментальных и теоретических данных проводи лась по критерию Пирсона %2. В нашем случае имеем Р(х2) > 0,36, что говорит < достаточной степени их совпадения. Достаточное соответствие этих данных под тверждается также правилом Романовского

W-A

л/27

= 0,11 < 3.

Таким образом, распределение по закону Пуассона достаточно полно отра

ь

жает поток транспортных средств в простейшем СМО "хранилище -транспортные средства".

. Нормальное функционирование подсистемы приема характеризуется средним числом заявок a = X./(i, приходящихся на среднее время обслуживания (среднее относительное число заявок)

Для нормальной работы подсистемы необходимо а< 1. Прием клубней (обслуживание заявок) обеспечивается при условии а < п. На основе полученных опытных данных - среднее время обслуживания Ш|0бсл = 0,085 часа (5,0 мин). Поэтому получаем а = 0,38. В этом случае при п »1 подсистема приема обеспечит разгрузку всех транспортных средств рассматриваемого потока. Основные показатели функционирования простейшей СМО "хранилище - транспортные средства" при различном количестве приемных каналов на одном и том же потоке транспортных средств в количестве 998 рейсов в сутки приведены в табл. 2.

Подсистема с одним приемным каналом наиболее проста. Но, как видно из табл. 2, показателя ее работы существенно улучшаются при переходе от одного приемного канала к двум, и весьма незначительно - от двух к трем. Но при трех приемных каналах подсистема усложняется, увеличивается ее материалоемкость. Поэтому для данной подсистемы целесообразно принять оптимальное число приемных каналов п = 2, При средней вместимости транспортных средств - 4,2 т расчетная пропускная способность технологического оборудования с двумя приемными каналами составит более 14 тонн/час. '

Производительность подсистемы приемных каналов в условиях нерегулярного потока транспортных средств с продукцией с поля Qc должна быть несколько выше ее расчетной пропускной способности Q„.

Опыт показывает, что оптимальное значение Q„/Qc лежит в пределах = 0.7...0.8. При 0,75 производительность загрузочной системы для нашего случая будет равна 19 т/ч. Опыт также показывает, что ее величина должна быть увеличена в 1,4... 1,5 раза с учетом вероятности простоев. Тогда производительность технологического оборудования хранилища по входу должна быть не ниже 25 т/час.

В целом, компоновку технологического оборудования следует выполнить в виде двух независимых линий. Подобная компоновка линий используется в отечественных (пункт КСП-25) и в зарубежных линиях (фирмы Downs & Son Ltd, Tong & Son Ltd, Climax и др.) Каждый приемный канал в виде линии состоит из приемного бункера, отделителя примесей, сортировки и переборочного стола. Учитывая, что данное звено определяет работу всего послеуборочного цикла, производительность - 25 т/час целесообразно обеспечить на одной линии, что повысит надеж-

11

ность работы и улучшит обслуживание оборудования.

Таблица 2.

Показатели функционирования простейшей СМО "хранилище - транспортные средства" с различным числом приемных каналов

Показатели КТтииргтпп пписмнму к-яняппи

1 0 Ч

Вероятности:

- занятости всех приемных каналов Р„(отказ) 0,723 0,265 0,0022

- очереди в 1 машину около каждого канала Р„+/ 0,099 0,009 0,00003

Среднее количество машин в очереди 1,044 0,074 0,0011

Среднее время нахождения машин в очереди, мин. (1оч) 8,8 1,0 0,2

Пропускная способность системы маш/ч(т/ч) (5„ 1,27 (5,3) 3,38 (14,2) 4,58 (19,2)

Производительность технологического оборудования, т/ч 7,1 18,9 25,6

В третьем разделе, «Программа и методика экспериментальных исследований и испытаний», изложена программа и методика исследований и испытаний в целом и представлена общая программа экспериментальных исследований. Для получения сравнительных данных исследования проводятся по технологии производства картофеля с применением сортировального пункта КСП-25, имеющегося в хозяйстве и по технологии производства картофеля на основе комплекса но обработке и хранению картофеля.

Экспериментальные исследования выполняются на двух видах потоков:

- потоки транспортных средств с поля к приемным каналам пункта и комплекса,

- потоки отказов и пусков в работу подсистемы приемных каналов комплекса.

Технико-экономическая оценка результатов внедрения новых технологий производится на основе разработанной и утвержденной Минсельхозпродом РФ "Методике определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники" . В ней для оценки приняты основные и дополнительные

12

показатели эффективности. К основным показателям относится чистая прибыль. В рамках данной работы проводится оценка технологий по двум дополнительным показателям; затратам труда и себестоимости продукции. Все названные показатели представляются как удельные, т.е. на единицу продукции.

Объектами экономической оценки являются три типа машинных технологий производства картофеля:

- применявшаяся в хозяйстве до 1994 г. технология на основе картофеле-сортировального пункта КСП-25 (базовый вариант);

- внедренная в хозяйстве с 1995 г. технология на основе комплекса для обработки и хранения картофеля;

- перспективная технология на основе полевых фермерских хозяйств.

В четвертом разделе, "Экспериментальные исследования и испытания технологического оборудования комплекса", представлены результаты экспериментов.

Экспериментальные исследования и испытания технологического 'оборудования и технологии проводились во время уборки картофеля и моркови в СЗАО "Ленинское" в период 1996-1998 г.г.

Комплекс для обработки и хранения продукции имеет блочно-модульную схему и включает отдельные блоки и модули: приемно-сортировальное отделение под навесом, камеры-секции хранения продукции, цех товарной обработки, помещения экспедиций, административно-бытового обслуживания. Например, в блоке хранения модулями являются отдельные камеры-секции. В комплексе реализованы новые, разработанные в России, элементы зданий и системы инженерного и технологического оборудования.

Технологическое оборудование комплекса для приема, обработки и закладки на хранение плодоовощной продукции навалом и в контейнерах построено также по блочно- модульному способу, что позволяет его использовать по "гибким" технологиям.

Основные технические данные технологического оборудования Количество агрегатов-модулей (наименов.) - 34

Производительность общая, т/ч - до 80

Мощность, кВт - до 70

Обслуживающий персонал, чел. - 4...20

Оборудование для приема и обработки картофеля было установлено под навесом и смонтировано в двух основных линиях. Линии соединены системой ленточных транспортеров и могут принимать и обрабатывать картофель и столовые корнеплоды. С любой линии при помощи системы передвижных и реверсивных

ленточных транспортеров картофель, морковь и столовая свекла могли направляться либо в разные секции для хранения навалом, а морковь - загружаться в контейнеры. В случае необходимости переборка продукции может быть дополнительно осуществлена на транспортерах. В этом случае снижается скорость их лент. Отдельные агрегаты-модули (приемный бункер, сортировка, переборочный стол, ленточные транспортеры) использовались на предреализационной подготовке продукции после ее длительного хранения.

Каждый год наблюдения охватывали весь период уборки. Сводные данные по транспортным потокам представлены в табл. 3. Из данных, приведенных в табл. 3, следует, что физические потоки транспортных средств при уборке картофеля и моркови могут характеризоваться распределением по закону Пуассона, т.е. имеет место работа на основе простейшей СМО.

В результате испытаний установлено, что технологическое оборудование комплекса осуществляет запроектированный технологический процесс и имеет основные показатели на один приемный канал):

-производительность -13,6 т/час;

- точность сортирования - 98,IX;

- потери (возвратимые) - не более 1-2%

Таблица 3

Основные характеристики потоков в системе "поле - хранилище"

Показатели Годы

1996 1997 1998

Поступающий продукт картофель картофель морковь картофель морковь

Период уборки 04.08- 02.09- 03.09-

07.10 30.09 14.10

Количество рабочих дней ; 42 - 27 40

Общее количество рейсов транспортных 1048 485 798.

средств в потоке, шт.

Общее количество продукции, т 4402 2663 3316

Средняя масса продукции в транспортном 4,20 4,46 4,15

средстве, т

Среднее количество транспортных 3,1 2,25 4,2

средств X, шт/ч ■

Общее количество продукции, принятое и обработанное на комплексе за период проведения экспериментальных исследований показано в табл. 4.

Таблица 7

Удельные экономические показатели машинных технологий производства картофеля в СЗАО "Ленинское" (прибыль и себестоимость - руб/ц, затраты - чел.ч/ц)

Группы технологических блоков Типы (варианты) машинных технологий и их показатели

На основе сортировального пункта КСП-25 На основе комплекса по обработке и хранению На основе фермерских хозяйств

себестоимость затраты труда прибыл ь себестоимость затраты труда прибыль себестоимость затраты труда прибыль

Полевая группа (блоки 01-06), включая транспорт 66,03 0,59 - 61,6 0,59 - 58,82 0,50 -

Послеуборочная (стационарная) группа (блоки 07-09) 39,17 0,38 - 36,0 0,30 - 36,0 0,30 -

ИТОГО: 105,2 0,97 12,63 97,6 0,89 44,54 94,82 0,80 46,77

Таблица 4

Общее количество картофеля и столовых корнеплодов, принятых, обработанных на технологическом оборудовании и заложенных на хранение в комплексе СЗАО «Ленинское» (тонн)

Наименование продукта Годы Всего

1996 1997 1998

Картофель 1639,5 741,8 1457,1 3838,4

Морковь 2096,5 1426,4 1854,3 5377,2

Столовая свекла - 177,8 996,6 1174,4

Итого 3736,0 2346,0 4308,0 10390,0

Оценка результатов длительного хранения данной продукции показала, что отходы в целом снизились на 30...50%, что говорит о высоком качестве подготовки продукции к закладке, осуществляемом на технологическом оборудовании комплекса .

Определение характеристик потоков событий (отказов) и пусков в работу при работе приемной системы проводилось в период одного сезона работы в течение 240 рабочих часов, т.е. практически весь срок уборки. Результаты обработки экспериментальных данных приведены в табл. 5.

Таблица 5

Среднее число переходов (событий) в подсистеме приемных каналов

Вид переходов Обозначение переходов Количество переходов (событий) Среднее число событий, 1/ч

От двух исправных каналов к одному исправному и обратно ^— 5рн 46 Цс = 0,19

От одного исправного канала к двум неисправным и обратно $рн м— ^н 26 Ус = 0,И

От двух исправных каналов к двум неисправным и обратно ^— 19 = 0,08

В пятом разделе, "Анализ результатов исследования", приведены материалы, обобщающие проведенные эксперименты и позволяющие оценить адек-

ватность разработанных математических моделей реальным процессам. Результаты обработки экспериментальных данных по потокам транспортных средств и оценка функционирования технологического комплекса оборудования, как простейшей СМО, показаны в табл. 6.

Из данных табл. 6 следует, что полученные в эксперименте значения основных показателей потоков транспортных средств, в том числе смешанных и имеющих различные характеристики, укладываются в ранее принятые значения. При этом для всех потоков <Х< 1, т.е. все транспортные средства с картофелем и морковью, прибывшие на комплекс, были разгружены в день прибытия. Таким образом, подтверждается целесообразность применения математической модели функционирования технологического оборудования комплекса как простейшей СМО, для обоснования и анализа послеуборочного цикла технологии производства картофеля и корнеплодов на основе комплекса для их обработки и хранения, располагающегося в хозяйстве, производящем эти продукты.

Было установлено, что интенсивности потоков отказов и восстановлении приемных каналов, принятых за пуассоновские, переводящих подсистему в одно из состояний ( Sp, Spll, S„) на каждом этапе практически равны между собой.

Таблица 6

Итоговые показатели функционирования технологического оборудования комплекса

Показатели ГОДЫ

1996 1997 1998

Общее количество рейсов транспортных средств с поля в хранилище, шт 1048 485 798

Интенсивность потока А., маш/час 3,1 2,25 4,2

Среднее относительное число заявок а 0,25 0,07 0,34

Вероятности: свободных приемных каналов Р0 0,777 0,835 0,709

занятости всех приемных каналов Р„ (отказ) 0,194 0,161 0,242

Среднее время нахождения в очереди, мин О,,,) 0,6 1 0,8

Производительность технологического оборудования, т/ч 14,0 8,5 13,4

Система дифференциальных уравнений Колмогорова (10) для вероятностей состояний Рр(0, Ррнф, Р„(0 подсистемы приемных каналов с учетом полученных значений интенсивностей потоков отказов и восстановлении имеет вид

Рр=0,щррн-Рр) + 0№(Рн-Рр)

Ррн = 0,1 \{РН -Ррн) + ОД9(Рр -Ррн)

ри=ъ,щрр-рн)+т{ррн-рн)

(12)

Решением системы уравнений (12) являются значения вероятностей Рр, Ррн, Р„ нахождения подсистемы соответственно в состояниях вр, 5р„ , ви: Рр = 0,838, Рр„=0,125, Рн=0,037.0бщая вероятность К нахождения подсистемы приемных каналов в рабочем состоянии, т.е. в состоянии 8Р и 8Р„

Х=РР+РРН = 0,838 +0,125 =0,963

Таким образом, приемные каналы находятся в рабочем состоянии 96, 3% общего времени работы, а их простои составляют - 3,7 %, что говорит о высокой технологической надежности данной подсистемы и о высокой работоспособности послеуборочного цикла. Полученные данные позволяют дать вероятностную оценку изменения режимов работы подсистемы приема. Так, переход подсистемы с режима работы с двумя приемными каналами на режим работы с одним в среднем может происходить через 6,6 часа, а остановка (выход ив строя обеих каналов) -черев 25,3 часа работы оборудования.

В шестом разделе, "Технико - экономический анализ внедрения результатов исследования", изложены материалы экономической оценки внедрения в хозяйстве новой технологии производства картофеля на основе комплекса по его обработке и хранению. :

В табл. 7 приведены названные показатели по полевой и стационарной группам технологических блоков технологий. Как видно из данных табл. 7, в технологии на основе комплекса имеет место существенный рост прибыли, снижение себестоимости продукции почти на 8% и затрат труда - на 9%.

В комплексе снижение себестоимости достигается, в основном, за счет большей сезонной загрузки оборудовании и более высокой степени механизации, т.е. меньшей доли ручного труда.

Общий экономический эффект или .прирост прибыли полученной при переходе на технологию на основе комплекса за один 1998 год составил: (44,54 - 12,68) х 19000 = 606,3 тыс.руб. ■ -

Работа инженерного и технологического оборудования комплекса осуществлялась по "гибким" технологиям в зависимости от вида и сорта культуры, условий выращивания, способа хранения, количества, назначения и спроса на продукт.

Совершенствование полевой технологии, как показал опыт работы последних лет, целесообразно проводить на основе специализации производства отдельных культур, в частности картофеля, и существенного улучшения использования техники по всей технологии от семян до уборки. При внедрении этой технологии урожайность картофеля может быть доведена до 40-46 т/га.

Передовой отечественный и зарубежный опыт показывает, что на землю надо "сажать" конкретного человека, который будет относиться к ней по-хозяйски и ему выгодно подешевле и качественно производить на ней сельскохозяйственную продукцию. На основе этих положений в рамках нашего хозяйства осуществляется дальнейшее совершенствование технологии производства картофеля и овощных культур на основе фермерских хозяйств, организуемых на базе полевых бригад. Схема организации такого производства представлена на рис.4. .

Как видно из рис. 4, создается Объединение из четырех полевых фермерских хозяйств, по 105 га пашни на каждое из них. В каждом хозяйстве имеется трехпольный севооборот (горох, озимая пшеница, картофель) . Общее количество картофеля, произведенное всеми четырьмя фермерскими хозяйствами, составит 4200 т. Объем высококачественного картофеля, получаемый после обработки и хранения в комплексе, для реализации населению г. Москвы намечается в количестве 3400 т. Для обслуживания фермеров, как видно из рис.5, в Акционерном Обществе организуются соответствующие службы. Выращенный картофель передается в блок хранения, обработки и реализации продукции.

Результаты прогнозного расчета основных показателей технологии производства картофеля на основе фермерских хозяйств с использованием комплекса приведены в табл. 7. Этот расчет показывает, что при внедрении данной технологии имеются перспективы дальнейшего улучшения ее показателей. Так, возможен рост прибыли на 8-10%, а снижение себестоимости картофеля и затрат труда - более чем на 15%. Это достигается не только за счет повышения урожайности, но и за счет более эффективного выполнения комплекса полевых работ. :

Наряду с организационными формами совершенствования и развития машинной технологии производства картофеля важным фактором является использование новой техники. За последнее время разработаны автоматические устройства для сортирования клубней картофеля, , корнеплодов, яблок и др, по размерным и качественным признакам. Эти машины заменяют механические сортировки, подчас повреждающие продукт, а также ручной труд на переборке. Они выделяют некон-

диционные клубни (гнилые, поврежденные,. уродливой формы, недозревшие и т.п.) из общей их массы. Данные устройства отличаются качественной работой.

При установке подобных устройств в комплексе на предреализационной подготовке продукта по предварительным расчетам имеется возможность высвободить до 80% персонала. При этом затраты труда могут быть снижены с 0,3 чел.ч/ц до 0,12-0,15 чел.ч/ц, т.е. в 2...2.6 раза. Однако, вопросы снижения себестоимости и роста прибыли из-за высокой стоимости автоматических устройств и их эксплуатации требуют дополнительного анализа.

Совершенствование машинной технологии производства картофеля следует проводить также за счет повышения его качества, в частности, за счет снижения его повреждений, возникающих на клубнях при использовании машинных технологий.

Проведен анализ возможных мест возникновения повреждений клубней при их машинной посадке, уборке, транспортировке, хранении и предреализационной обработке. Несмотря на высокую стоимость отдельных устройств для снижения повреждений, их применение экономически целесообразно. В диссертационной работе приводятся конкретные предложения и способы снижения повреждений в этих местах, применение которых приносит значительный экономический эффект. '

В перспективе, используя сочетание организационных форм, соответствующих технологических приемов и сортов картофеля, новой техники и мер по повышению качества клубней, в частности за счет снижения уровня их повреждений, имеются реальные возможности существенно улучшить основные технико-экономические показатели машинной технологии производства картофеля.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Картофель является ценной продовольственной культурой и его производство в мире постоянно растет. Используемая ранее в СЗАО "Ленинское" типовая разомкнутая технология производства картофеля на базе картофелесортиро-валыюго пункта КСП-25 по основному показателю экономической эффективности -приросту прибыли не отвечала современным условиям рыночной экономики. Установлено, что наиболее эффективным направлением совершенствования технологии производства картофеля является применение единой технологии на основе комплекса для обработки и хранения картофеля, расположенного в хозяйстве, с современным технологическим оборудованием блочно-модульного типа, обеспечивающим работу по "гибким" технологиям.

2. С целью обоснования совершенствования машинной технологии произ-

водства картофеля разработана математическая модель функционирования технологического оборудования комплекса для обработки и хранения картофеля с учетом условий хозяйства, в основу которой положены общие закономерности теории массового обслуживания. Полученная модель характеризует комплекс по обработке и хранению картофеля, как простейшую замкнутую СМО, позволяет проводить анализ технологических связей на плече "поле-хранилище" и дает возможность определить основные параметры технологического оборудования комплекса. На основе этой модели:

- определены основные параметры технологического оборудования комплекса:

количество приемных каналов - 2;

пропускная способность одного приемного канала - до 26 т/ч;

- проведен анализ его функционирования и дана вероятностная оценка различным режимам работы оборудования, позволяющая определить наиболее эффективные.

3. Разработана математическая модель работы подсистемы приемных каналов технологического оборудования комплекса, определяющей работу всего послеуборочного комплекса, в основу которой положены дифференциальные уравнения Колмогорова (зависимость 9). Полученная модель позволяет оценить надежность работы технологического оборудования комплекса в целом при отказе, как одного так и двух приемных каналов.

4. На основе теоретических исследований обоснованы основные параметры технологического оборудования, которые были использованы при разработке комплекса по обработке и хранению картофеля и овощей. Комплекс был смонтирован в хозяйстве и запущен в эксплуатацию в технологии производства сортов картофеля взамен сортировального пункта КСП-25.

5. Экспериментальные исследования, проведенные на комплексе в течении трех лет непосредственно в хозяйственных условиях СЗАО "Ленинское" подтвердили основные положения выполненных теоретических исследований:

- потоки транспортных средств с продукцией (одиночные - картофель и смешанные: картофель + морковь) на комплекс являются простейшими и могут характеризоваться распределением по закону Пуассона в условиях хозяйства с параметром (интенсивностью потоков) в пределах А. = 2,25...4,6 маш/час;

- - двухканальное технологическое оборудование комплекса, как простейшая СМО обеспечило надежную работу (вероятность простоев - 3,7%) по приему, обработке и закладке на хранение картофеля и корнеплодов.

6. В целом, усовершенствованная технология производства картофеля на ба-

зе комплекса по обработке и хранению картофеля, обоснованная в данной работе, реализованная и проверенная в нашем хозяйстве в течение ряда лет, является современной и высокоэффективной. С учетом требований рыночной экономики установлены оценочные показатели эффективности исследуемой машинной технологии; основной показатель - прибыль, дополнительные - себестоимость продукции и затраты труда, отнесенные к единице продукции (1 ц картофеля). Ив время наблюдений в комплекс принято, обработано и заложено на хранение более 10 тыс. тонн картофеля и моркови со средней производительностью 8,5... 14 т/ч; Общий годовой прирост прибыли только за один 1998 г. составил 606,3 тыс.руб. на основе роста прибыли в 3,6 раза ( с 12,68 руб/ц до 44,54 руб/ц), снижения себестоимости на 8% (со 102,5 руб/ц до 97,6 руб/ц) и затрат труда на 9% (о 0,97 чел.ч/ц до 0,89 чел .ч/ц).

7. Намечены пути дальнейшего совершенствования машинной технологии на основе комплекса при помощи организационных мероприятий, за счет внедрения новой техники и повышения качества продукции. Прогнозный расчет показывает, что перевод полевых технологических блоков на организационную форму работы по полевым фермерским хозяйствам с приемом продукции на комплекс по обработке и хранению позволяет повысить прибыль на 8...10% при одновременном снижении себестоимости картофеля и затрат труда на 15%. При использовании в комплексе автоматизированных устройств на обработке продукции затраты труда могут быть снижены в 2.. .2,6 раза по сравнению с существующим уровнем. Предложены; меры по повышению качества клубней, в том числе за счет снижения их повреждений. :■< -

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах автора:

1. Новый комплекс хранения картофеля и овощей. Достижения науки и тех-

ники АПК, № 3, 1998, стр. 30-32. (Соавтор - Колчин H.H.)

2. Вопросы совершенствования технологии производства картофеля. Дости-

жения науки и техйики АПК, № 2, 1999, стр. 38-40 ' -3. Оборудование для комплекса по обработке и хранению картофеля и овощей: Тракторы и сельхозмашинь!,г№ 6, 1999, стр. 11-15. (Соавтор-Колчин H.H.)

1

Рис. 1. Граф технологический состояний подсистемы приемных каналов (1 - очередь транспортных средств отсутствует, 2 - очередь имеется)

Рис. 2. Размеченный граф состояний надежности работы подсистемы приемных каналов: Эр - все приемные каналы работают и исправны, 8РН - один канал работает, один неисправен, - оба канала не работают и неисправны, Не Г. - интенсивности потоков отказов и восстановлений.

обработки и хранения картофеля и овощей: 1 - приемный бункер, 2 - подающий транспортер, 3 - отделитель примесей, 4 -сортировка, 5 - переборочный стол, б - компенсационная емкость (бункер), 7, 8 - выгрузные транспортеры, 9 -телескопический передвижной транспортер, 10 самопередвижной загрузчик хранилища, 11-14 - ленточные транспортеры, 15 - пульт управления, 16 - загрузчик контейнеров.

.с.

Продукция

Рис. 4. Схема производства, хранения и обработки картофеля на основе фермерских хозяйств: МТС -машинно-тракторная служба, ФКХ - фермерское хозяйство по выращиванию картофеля, СХВУ - служба химзащиты и внесения удобрений, АС - агрономическая служба, КОХ - комплекс по обработке и хранения картофеля, СМРС - служба маркетинга, реализации и снабжения, ТС - транспортная служба.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Развитие машинных технологий производства картофеля и их особенности

1.2. Применение технологий и машин в различных условиях.

1.3. Анализ условий применения перспективной Машинной технологии производства картофеля в

СЗАО "Ленинское".

1.4. Цели и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ

КОМПЛЕКСА ПО ОБРАБОТКЕ И ХРАНЕНИЮ КАРТОФЕЛЯ

2.1. Общие положения

2.2. Анализ основных закономерностей технологии послеуборочного цикла

2.3. Обоснование основных параметров технологического оборудования комплекса

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ

3.1. Основные положения программы исследований

3.2. Особенности методики исследования потоков в машинных технологиях

3.3. Программа и методика испытаний технологического оборудования комплекса

3.4. Технико-экономическая оценка технологий в условиях рыночных отношений

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПЛЕКСА.

4.1. Устройство, конструктивные и технологические особенности комплекса и его технологического оборудования

4.2. Исследования и испытания технологического оборудования комплекса.

4.3. Экспериментальные исследования подсистемы приемных каналов

5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Анализ потоков продукции, поступающей в комплекс на обработку и хранение

5.2. Анализ надежности работы подсистемы приемных каналов.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ,ВНЕДРЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Основные показатели технологий

6.2. Анализ вариантов машинной технологии производства картофеля

6.3. Перспективы развития машинной технологии производства картофеля.

Картофель - одна из важнейших сельскохозяйственных культур, возделываемых во многих странах мира. По данным Международного центра по картофелю (С1Р) его производство в мире постоянно возрастает. Средняя его урожайность в мире около 13 т/га, но в ряде стран (США, Германия, Нидерланды, Великобритания и др.) убирают по 35-40 т и более с гектара[84].

При общем снижении производства сельхозпродукции в нашей стране за последние годы на 20-25%, годовой объем производства картофеля уменьшился лишь на 7% и достигает 33-36 млн. тонн. При общей средней урожайности в стране 10-11 т/га в настоящее время многие хозяйства собирают по 25-30 т "второго хлеба" с гектара [6,42, 59].

Столь значительный диапазон изменения урожайности картофеля объясняется широким варьированием основных факторов, определяющих условия его производства: сортовых особенностей культуры, почвенно-климатических характеристик, применяемой технологией и организацией труда. Эффективное производство высококачественных клубней картофеля в современных условиях возможно только на основе машинных технологий в крупных специализированных хозяйствах независимо от их формы собственности, подобное производство высокорентабельно .

Передовой отечественный и зарубежный опыт показывает, что производство картофеля с высокой урожайностью и минимальными затратами труда и средств является сложной комплексной задачей. Она может быть решена на основе передовой машинной технологии, высокой организации работ, применения высокоурожайных и устойчивых к болезням сортов [11, 43].

Существенное значение при эффективном производстве картофеля имеет также и отдельные элементы технологии. Так, на основе нашего опыта и учитывая опыт других отечественных и зарубежных производителей картофеля, в частности, западноевропейских, весь картофель в СЗАО "Ленинское" возделывается с междурядием 75 см. Это способствует повышению его урожайности.

Существенным шагом в развитии машинной технологии производства картофеля явился перенос процесса вторичной сепарации с мобильных уборочных машин на стационарные сортировальные пункты. Эта технология, впервые примененная в нашей стране, расширила диапазон условий использования уборочной техники, обеспечила общее снижение затрат труда в 1,5-3,5 раза. Также достигнуто повышение качества клубней за счет снижения их повреждений, на 1025% уменьшены их потери. В настоящее время эта технология в различных вариантах и разновидностях применяется практически во всех картофелепроиэводящих странах мира [34].

В СЗАО "Ленинское" на протяжении многих лет осуществляется устойчивое промышленное производство картофеля на базе современных машинных технологий на площади до 200 га при средней урожайности, колеблющейся по годам в пределах 18-24 т/га. Первоначально эта технология базировалась на стационарном картофелесортиро-вальном пункте КСП-2 5. Однако, подобная технология в новых условиях, определяемых рыночными отношениями, не позволяла хозяйству реализовать весь потенциал эффективности, который может дать рациональное машинное производство картофеля. Вышеизложенное показывает высокую актуальность работ по совершенствованию машинной технологии производства картофеля.

Поэтому на основе накопленного отечественного опыта, проведя комплекс теоретических обоснований, включая технико-экономический анализ технологий, экспериментальные исследования хозяйство за последние годы перешло на современную машинную технологию производства картофеля на основе комплекса для обработки и хранения картофеля и устойчиво работает с 1995 г. по этой технологии .

Настоящая диссертация содержит материалы по обоснованию, теоретическому анализу, экспериментальным исследованиям и хозяйственной проверке усовершенствованной современной машинной технологии производства картофеля и, частично, моркови на основе комплекса для обработки и хранения выращенной продукции в хозяйствах Нечерноземной зоны РФ - одной из основных производителей картофеля и овощей в России.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Обоснование актуальности и направлений совершенствования машинной технологии производства картофеля.

2. Математические модели функционирования комплекса по обработке и хранению картофеля и оценки надежности работы подсистемы приема технологического оборудования комплекса.

3. Результаты экспериментальных исследований технологии производства картофеля и моркови, в т.ч. названных выше моделей, на основе комплекса по его обработке и хранению.

4 . Результаты эффективной эксплуатации комплекса по обработке и хранению картофеля в машинной технологии производства картофеля и моркови в СЗАО "Ленинское".

5. Результаты сравнительного технико-экономического анализа трех типов машинной технологии производства картофеля.

6. Рекомендации по использованию усовершенствованной машинной технологии производства картофеля на основе комплекса по его обработке и хранению и направления ее дальнейшего совершенствования .