Обґрунтування оптимальних комплексів машин для механізації польових робіт

На рівні певних критеріїв впливають вихідні значення груп факторів. Питомі витрати ресурсів суттєво залежать від вартості технологічного обладнання, тобто тракторів та сільськогосподарських машин. Вона пов'язана з потужністю двигуна, паливною економічністю, масою машини та її продуктивністю. На останню характеристику має значний вплив надійність машин, одним з найважливіших показників якої є середній час роботи між відмовами, а також час відновлення їх працездатності. Остання характеристика може включати час очікування запчастин, особливо для дорогого імпортного обладнання. Питомі витрати, необхідні для виконання технологічного процесу, суттєво залежать від вдалого вибору обладнання, зокрема доцільного вибору робочих органів агрегатованих засобів, виду рушія.

КРБП культури залежить від якості, терміну виконання окремих операцій та якості технологічних матеріалів, що застосовуються. Найважливішими при виконанні технологічних операцій є фактори: при обробітку ґрунту: це нерівномірність глибини; нерівномірність розподілення добрив при їх внесенні; польова схожість насіння та нерівномірність його розміщення по глибині при сівбі; густота насадження рослин при догляді за ними та глибина ходу викопувальних робочих органів при збиранні врожаю.

Основний вплив на екологічний стан поля мають такі характеристики: щільність ґрунту, процентна кількість ерозивно-небезпечних часток, відхилення від заданої норми внесення добрив та оптимального співвідношення їх діючих речовин. Інтегральною характеристикою стану ґрунту є енергетичне навантаження на грунт.

Всі зазначені характеристики використовувалися у вихідних даних для математичного моделювання.

У четвертому розділі “Застосування нормативного методу” представлені результати досліджень по визначенню показників функціонування комплексів МА з застосуванням нормативного методу, як найбільш простого і доступного для реалізації. За цим методом відповідно до групи господарства або поля встановлені середні норми виробітку заданого складу МА упродовж стандартної зміни, середні витрати палива на одиницю площі обробленого поля та інші характеристики.

Можливості нормативного методу розглянуті для вибору оптимального комплексу з шести альтернативних варіантів, що застосовуються для виробництва цукрових буряків.

Для зазначеного набору альтернативних комплексів визначається кращий комплекс машин по кожному з таких критеріїв: питомі витрати ресурсів у грошовому та енергетичному еквівалентах, питомий час виконання технологічного процесу, а також критерій, що відповідає методу “відстані до мети“.

Рішення про оптимальний варіант комплексу при використанні нормативного методу з підрахунком техніко-економічних показників у грошовому еквіваленті можна прийняти в залежності від обставин, якими керується експерт. Можна віддати перевагу комплексу 1, якщо вирішальним для цього є досягнення мінімуму грошових витрат, або прийняти рішення на користь комплексу 2, якщо головним є досягнення мінімальних значень питомої витрати часу. Можна також прийняти компромісне рішення, коли оптимальним вважається комплекс, що являє собою бажану комбінацію з машин обох зазначених чи інших комплексів.

Більшу стабільність оцінки в ринкових умовах мають показники у енергетичному еквіваленті. Дослідження технологічного процесу здійснюється за допомогою енергетичних вартостей роботи одиниці маси енергозасобу; одиниці маси енергоносія та норми його витрат на одиницю обробленої площі; енергетичних вартостей одиниці маси технологічних матеріалів, норми їх внесення та коефіцієнтів ефективності дії цих матеріалів.

Сумарна питома енергетична вартість виконання робіт є практично однаковою для всіх альтернативних комплексів, тобто вибір кращого з альтернативних комплексів на основі використання нормативних енергетичних показників майже неможливий внаслідок того, що цей метод виявився нечутливим до особливостей розглянутих комплексів.

При обчисленні методом “відстані до мети” враховуються чотири критерії: приведені витрати ресурсів, енергетична вартість, питома витрата палива і повний час виконання операції. Такий підхід виявив кращим перший комплекс. Цей результат є аналогічним до оцінки приведених витрат. Для обох випадків кращим є варіант 1, тобто комплекс, що складається на сьогодні з малопродуктивних, але недорогих машин. Остаточний висновок, який може бути зроблений в результаті застосування експертного методу для оцінки результатів грошових показників альтернативних комплексів, полягав у врахуванні суперечності між питомими витратами та часом виконання технологічного процесу. Врахування цієї суперечності, як видно з результатів застосування методу “відстані до мети”, не призводить до позитивного результату. Виправити цю ситуацію тільки при застосуванні формалізації методом “відстані до мети” можливо при ранжуванні критеріїв з застосуванням експертного методу.

Можливості нормативного методу пошуку оптимальних рішень комплектування комплексів машин є обмеженими через невисоку точність кінцевих результатів. Нові можливості в розширенні області задач, що розв'язуються, відкриваються при моделюванні реальних умов функціонування машинних агрегатів за допомогою ЕОМ.

У п'ятому розділі “Математичне моделювання функціонування сільськогосподарських машинних агрегатів” проведено імітаційне статистичне моделювання функціонування сільськогосподарських агрегатів та отримані їх характеристики.

Задачею математичного моделювання є встановлення оптимального комплексу машин на основі кількісних оцінок за трьома найважливішими критеріями. Такими критеріями є: питома витрата ресурсів, що необхідна для виконання технологічного процесу; КРБП, досягнутий при виконанні технологічного процесу та коефіцієнт погіршення екологічного стану поля після виконання технологічного процесу. Рішення про доцільний варіант комплексу приймається на основі кількісних оцінок критеріїв.

Імітаційна модель створена на базі математичних залежностей, що описують функціонування машинних агрегатів при виконанні технологічних операцій. Імітаційне статистичне моделювання функціонування сільськогосподарських агрегатів, узагальнена схема якого приведена на рис.3, виконується за допомогою розробленого пакету програм.

Пакет програм являє собою самодостатнє прикладне програмне забезпечення для створення вихідних даних, здійснення моделювання та аналізу отриманих результатів. В пакеті інтегровані такі компоненти:

- графічний редактор рельєфу та щільності ґрунту, який дозволяє переглядати, створювати, редагувати, зберігати та експортувати дані стосовно рельєфу та щільності ґрунту;

- консоль даних для створення, редагування і перегляду розрахункових пакетів та їх елементів, організації баз даних та їх елементів; керування чергою процесів моделювання та їх станом; вибір варіантів та розрахованих даних для перегляду або аналізу;

- графічні засоби перегляду карти з нанесеними подіями та ділянками з детальною інформацією по окремій події або ділянці;

- графічні засоби для перегляду статистичних даних.

Функціональність програми забезпечується бібліотеками, які виконують:

- моделювання руху відповідно до рельєфу та навантаження для отримання характеристик щодо режимів роботи двигуна, витрати палива, швидкості руху, чистого часу роботи і т.ін.;

- моделювання подій, що можуть виникати під час роботи; отримання часових характеристик щодо поломок, завантажувально-розвантажувальних робіт, технічного налагодження і т.ін.;

- розрахунок економічних показників - вартості комплексів, вартості ремонту, заробітної платні, вартості технологічних матеріалів, собівартості виконання технологічної операції і т.ін.;

- моделювання показників реалізації біопотенціалу;

- моделювання показників стану екосистеми;

- нормування та згортку критеріїв;

- генерування випадкових чисел за різноманітними параметрами і законами їх розподілу.

Зазначені компоненти та бібліотеки розроблені за допомогою сучасних засобів RAD на мовах С++ та Object Pascal.

Вихідні дані та результати обчислень за допомогою пакету програм використовуються для прийняття рішень про оптимальний комплекс на основі формалізованих або експертних методів.

Альтернативні комплекси формуються експертно, так само як і набір методів пошуку оптимального комплексу. Для визначення критеріїв задається певна кількість реалізацій технологічного процесу, вихідні дані для якого формуються генераторами псевдовипадкових чисел, що розподілені по заданих законах розподілення ймовірностей (нормальний, експоненціальний та Вейбула) з заданими значеннями середнього значення та стандарту (середнього квадратичного відхилення).

Реалізацією вважається технологічний процес, що складається з заданої кількості технологічних операцій. Результатом моделювання є масиви значень критеріїв, закони розподілення їх ймовірностей та числові статистичні характеристики (середні значення, стандарти), а також імовірності переваг певного комплексу. Імітаційне моделювання доцільно проводити на полі площею 100 га. Характеристики виконання кожної технологічної операції обчислюються на елементарних ділянках поля, ширина яких дорівнює ширині захвату агрегату, а довжина дорівнює 100 м.

Для цього поле розбивається на відповідну кількість ділянок, для кожної з яких задається кут нахилу поверхні до горизонту та коефіцієнт питомого опору в напрямку дії сили тяги. Ці характеристики подаються у вигляді відповідних карт поля та подій під час роботи агрегату.

Питомими витратами ресурсів вважаються: паливо; технологічні матеріали; кошти, які потрібні для придбання обладнання (тракторів та агрегатованих засобів), а також для ремонту під час виконання технологічних операцій. Для підрахунку витрат палива визначаються характеристики потужності двигуна, швидкість руху трактора та буксування.

Питомі витрати на технологічні матеріали враховують вартість насіння, добрив та засобів хімічного захисту рослин, а також норми їх внесення. Витрати коштів на заробітну платню персоналу залежать відповідно від кількості працівників, сумарного часу, що витрачається на ці операції та погодинної оплати. При усуненні технічних несправностей враховуються випадки, коли вони ліквідуються на полі силами механізаторів або з залученням ремонтних підрозділів.

КРБП виконаної технологічної операції може бути визначений за допомогою запропонованого адитивного показника, що враховує вагомість двох груп факторів:

, (21)

Де - вагомість впливу груп факторів;

- коефіцієнти зниження реалізації біопотенціалу для кожної групи факторів.

Перша група факторів залежить від якості виконання технологічної операції та відхилення терміну виконання технологічної операції від заданого оптимального значення. Другою групою факторів є якісні показники технологічного матеріалу. Вони враховуються через коефіцієнт їх зниження відносно найвищого значення.

Перший компонент КРБП (К 1) передається через рівняння регресії від двох факторів х1 , х2. Принципово кількість факторів цієї залежності може бути якою завгодно, але збільшення їх кількості ускладнює призначення вагомості кожного. Для двох факторів створене геометричне представлення коефіцієнту К 1.

Після генерування випадкових пар значень х1, х2, і підставлення їх до відповідної регресійної залежності обчислюється значення К 1.

Вплив МА на грунт визначається за допомогою функції погіршення стану екосистеми ( ), яка приймається у вигляді кусково-неперервних функцій, що складаються з ділянок, на яких мають місце ділянки констант, лінійних та параболічних залежностей (рис. 5,6).

Імовірносні характеристики погіршення стану екосистеми встановлюються за заданими рівнями факторів. При цьому задається вид закону розподілення певного фактору, його числові характеристики - середнє значення () та середнєквадратичне відхилення (). Для кожної реалізації генерується відповідне випадкове значення.

Після виконання всіх реалізацій технологічного процесу утворюється статистичний матеріал для визначення імовірносних характеристик стану екосистеми при порівнянні різних технологій з відповідними наборами засобів механізації.

Стан екосистеми для технологічного процесу може бути оцінений кількісно за допомогою адитивного показника:

, (22)

Де - відносна вагомість характеристик відповідно: щільності, коефіцієнту структурності грунту, коефіцієнту вилучення грунту з поля при збиранні; вагомість, пов'язана з вмістом поживних речовин для розвитку рослин; вагомість сумарного енергетичного навантаження;

- кількість характеристик, що враховуються;

- кількість операцій, при яких має місце зміна певної характеристики;

- значення функції погіршення стану екосистеми.

У шостому розділі “Результати моделювання та їх аналіз” наведено аналіз результатів математичного моделювання, яким передбачено розв'язання питань формування комплексів машин. Перед моделюванням формуються необхідні вихідні дані математичної моделі. Дослідження виконано на прикладі виробництва цукрових буряків.

Результати моделювання з застосуванням зазначених вище 9 методів для нормованих та інверсованих характеристик представлені в табл. 3.

Вони свідчать про можливість отримання несуперечливих результатів при застосуванні формалізованих критеріїв та методів прийняття рішення про оптимальний варіант комплексу тільки у випадку суттєвих відмінностей між значеннями критеріїв.

У даному прикладі таким є критерій питомих витрат ресурсів. Згідно до результатів імітаційного моделювання з використанням різноманітних методів прийняття рішень з позицій отримання мінімуму питомих витрат ресурсів (методи 1, 4) оптимальними є комплекс 1 та комплекс машин 5 для реалізації колійної технології.

Оптимізація вибору доцільного комплексу для інших методів оцінки за допомогою застосування суто формальних критеріїв та методів прийняття рішень є малоефективною через незначну відмінність у результатах зазначених критеріїв порівнюваних комплексів або неможливість логічного обґрунтування отриманих результатів.

Продуктивним доповненням застосуванню методів, що використовують формалізовані підходи, є експертні оцінки, при яких можна досліджувати результати при незначних відмінностях у величинах порівнюваних критеріїв та їх вагомості.

Встановлено, що середні сумарні питомі витрати найбільші для закордонного комплексу 2, найменші - для вітчизняних комплексів (1 та 5).

Зауважимо, що відмінність питомих витрат для комплексів 3 та 5 пов'язана з вартістю вітчизняних збиральних машин. Комплекс 3 має у своєму складі новий збиральний комбайн “Збруч”. Комплекс 5 складається з машин для роздільного збирання.

Аналіз складових питомих витрат показує, що найбільша їх частка для всіх комплексів - йде на придбання обладнання, суттєва відмінність цієї характеристики для закордонного обладнання.

Для визначення імовірності переваг певного комплексу було виконане парне порівняння питомих витрат при різних комбінаціях номерів комплексів. Характер відмінностей при порівнянні результатів обчислень показників питомих витрат аналогічний до тих, що має місце при порівнянні середніх значень, але результати порівнянь при використанні імовірносних характеристик є набагато виразнішими. Наприклад, при порівнянні комплексів 3 та 4 по середніх значеннях витрат зі значеннями по імовірносних характеристиках, різниця між показниками у першому випадку становить 20%, а в другому - в п'ять разів.

Повнішу картину результатів ефективності комплексів можна отримати після долучення даних про час виконання окремих технологічних операцій та сумарний час виконання технологічного процесу, який визначався за допомогою математичного моделювання. При цьому враховувалася зміна часу, який витрачається на очікування запчастин.

Найбільший середній час виконання технологічного процесу відповідає комплексові 1 (450 год.), що пояснюється низькою надійністю та меншою шириною захвату машин. Найменший час витрачають комплекси 5 та 2 (близько 350 год.) що складаються з сучасних машин вітчизняного виробництва.

Застосування високопродуктивних машин, що випускаються фірмами високорозвинених країн, супроводжується проблемою своєчасного постачання запчастин. Середній час між відмовами техніки для цього обладнання суттєво перевищує відповідний час для вітчизняної техніки (у 7-10 разів). Але ця позитивна обставина може бути знівельована тим, що час очікування постачання запчастин в практиці застосування імпортного обладнання може бути досить великим. З застосуванням математичного моделювання досліджена зміна середнього часу виконання технологічного процесу в залежності від гіпотетичної зміни часу очікування запчастин для ремонту комплексів 2 та 4. Результати досліджень свідчать про те, що при збільшенні часу очікування запчастин, ефект застосування дорогої техніки зводиться до рівня техніки комплексу 1.

Попарне порівняння сучасного вітчизняного комплексу 3 з застарілим комплексом 1 та комплексами на базі закордонної техніки 2, 4 свідчать про перевагу комплексу 3 для всіх варіантів.

При збиранні врожаю у вітчизняному комплексі 3 застосовується збиральна машина з дисковими активними викопувальними робочими органами, які дозволяють працювати при швидкостях до 10 км/год. та при стані ґрунту, коли твердість його перевищує 4,0 МПа. У комплексах 2 та 4 застосовуються збиральні машини, що працюють при швидкостях біля 6,0 км/год. та майже непрацездатні при твердості ґрунту, що перевищує 4,0 МПа.

Застосування імовірностного підходу відкриває можливість виявити цю різницю набагато виразніше, ніж за середніми значеннями часу виконання технологічного процесу.

Одним з головних показників роботи МА є якість виконання технологічних операцій, для деяких з них вона залежить також від якості технологічних матеріалів. Але дія цих факторів є неоднозначною і суттєво залежить від їх статистичних характеристик.

Так для технологічної операції сівби найсуттєвішим виявився фактор якості технологічного матеріалу тобто якості насіння. Коефіцієнт кореляції КРБП з цим фактором становить майже 0,6 (рис.9). Про значущість впливу зазначеного фактору свідчить те, що толерантні межі для суттєво відмінних значень якості посівного матеріалу не перекриваються для стандартної похибки SE і перекриваються помірно для інтервалів, що відповідають довірчій імовірності біля 95% (1,96 SE).

Наявність кореляції КРБП з якістю виконання технологічного процесу, яка передається через глибину розміщення насіння в інтервалі 2...5 см, тобто в межах агровимог, виявилася незначною.

При внесенні добрив вплив якості виконання технологічної операції, що передається через коефіцієнт варіації норми внесення добрив, є приблизно однаковою з деякою перевагою дії фактору якості технологічного матеріалу. Коефіцієнти кореляції для дії зазначених факторів становлять відповідно 0,93 та 0,73.

Для технологічних операцій, де технологічні матеріали відсутні (догляд за рослинами, збирання врожаю), отримано, що КРБП суттєво залежить від густоти розміщення рослин та глибини ходу копачів. Відповідні коефіцієнти кореляції 0,89 та 0,98. При порівнянні комплексів виявлено, що відмінність КРБП для різних варіантів є несуттєвою, що свідчить про те, що при роботі, в основному, виконуються необхідні вимоги до якісного виконання технологічних операцій. Це забезпечується вчасним технологічним налагодженням машин та дотриманням агротехнічних вимог до терміну виконання операцій.

Аналіз впливу дії машин на екосистему показує, що найбільше значення показника погіршення стану екосистеми щодо сумарного енергетичного навантаження має комплекс 1, найменше - комплекс 6. Такий результат пояснюється тим, що комплекс 1 реалізує технологію, в якій передбачається виконання 49 технологічних операцій. Для комплексу 6 відповідно до ґрунтозахисної біологічної технології кількість технологічних операцій майже вдвічі менша.

Слід зазначити, що оцінка середніх значень показників стану екосистеми дає можливість виконати порівняння результатів одночасно для всіх комплексів. Але відмінність у значеннях можна помітити тільки при суттєвій різниці діаграми. Так, наприклад, це має місце для комплексів 1, 6; різниця ж у парах комплексів 2 - 3; 2 - 4; 3 - 4; 3 - 5 при оцінці по середніх значеннях практично відсутня. Застосування імовірностного критерію дає можливість виявити відмінність між зазначеними комплексами.

Найгірші показники стану екосистеми, щодо характеристики кількості часток розмірами меншими 0,25 мм мають комплекси 2 та 4 через те, що за технологією вони виконують значну кількість операцій основного, передпосівного обробітку та догляду за посівами, що здійснюються машинами, які мають активні робочі органи. Вони подрібнюють ґрунт, створюючи значну кількість часток з розмірами менше 0,25 мм.

Найменше ущільнюють грунт комплекси 1, 3, 5; найбільше - комплекс 6 під час внесення значних доз органічних добрив, але на наступний рік відбувається розущільнення ґрунту за рахунок дії значної кількості внесених органічних добрив. Це підтверджують результати виконаних досліджень, згідно з якими щільність ґрунту на тій частині поля, де застосовувався безвідвальний обробіток ґрунту та елементи ґрунтозахисної системи, була дещо нижчою (приблизно на 10%).

Реалізація результатів досліджень здійснена у трьох напрямках:

- визначена техніко-економічна ефективність досягнутих після застосування результатів роботи у конкретних господарствах;

- впроваджені результати роботи на рівні Міністерства аграрної політики України та Головного управління агропромислового розвитку Харківської області;

- використані результати досліджень в навчальному процесі в вищих навчальних закладах України.

Впровадження методів обґрунтування вибору комплексів машин в сільськогосподарських підприємствах зменшило питомі витати ресурсів при виробництві цукрових буряків на 24%, збільшило врожайність соняшника на 37%. Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи в агропромисловий комплекс Харківської області 20 - 25 млн. грн.

З метою покращення якості виконання механізованих технологічних операцій і, таким чином, підвищення коефіцієнта реалізацій біопотенціалу сільськогосподарських культур запропоновані і запатентовані технічні рішення з удосконаленням наступних пристроїв: навіски колісних тракторів ХТЗ, що використовуються на оранці; робочих органів розкидачів мінеральних добрив та культиваторів; механізму навіски робочих органів посівних машин.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено нове вирішення наукової проблеми обґрунтування оптимальних комплексів машин для механізації польових робіт, що полягає в сукупності критеріїв ефективності функціонування комплексів машин та методі прийняття рішення про їх оптимальний комплекс в умовах невизначеності з врахуванням статистичної достатності реалізацій імітаційного моделювання технологічного процесу. Це дозволило розробити методику визначення складу комплексів машин з мінімальними витратами ресурсів, погіршенням довкілля та забезпеченням максимальної реалізації біопотенціалу рослин.

1. Для існуючих методів обґрунтування оптимальних комплексів машин для механізації польових робіт характерними є неточність критеріїв з огляду на неврахування сукупної їх дії, а саме: ресурсів, необхідних для виконання технологічного процесу; реалізації біопотенціалу рослин та впливу машин на довкілля. Відсутні методи визначення імовірностних характеристик зазначених критеріїв та правила прийняття рішень про оптимальні комплекси для конкретних умов роботи та технічних характеристик машин.

2. Встановлено, що реалізація нових шляхів оптимального вибору комплексів машин з врахуванням такої сукупності критеріїв виконання технологічного процесу як витрати ресурсів, реалізації біопотенціалу рослин та стану довкілля можлива на основі створення статистичної імітаційної моделі технологічного процесу на комбінаторній множині стратегій різновиду варіантів комплексів машин та реалізацій виконання технологічного процесу з одночасним врахуванням обмежень на вибір часткових стратегій, що визначаються експертно призначеними правилами прийняття рішення про оптимальність комплексу.

3. Доцільним методом побудови множин критеріїв ефективності технологічного процесу є згортання часткових критеріїв для кожної операції та стратегії її здійснення. Основним способом згортання критеріїв є застосування адитивного підходу з відмінними значеннями ваги окремих критеріїв та методу визначення відносної відстані до мети. Під час згортання доцільно застосовувати операції нормування та інверсії критеріїв, що поліпшує ефективність прийняття рішення про оптимальний варіант комплексу машин.

4. При імітаційному моделюванні розроблена методика, що містить сукупність нових відмінностей, які полягають в застосуванні карт поля з відомостями про рельєф та питомий опір ґрунту, що дає можливість отримати дійсну швидкість їх переміщення з врахуванням буксування агрегатів, а відтак реальні витрати палива; оцінити кількісно якість виконання технологічних операцій, технологічних матеріалів; а також дію сукупності характеристик екологічних показників та їх вагомість під час виконання технологічних операцій.

5. Визначення доцільного варіанту комплексу з використанням формалізованих критеріїв дає логічні несуперечливі результати лише при значній відмінності у величинах критеріїв. Позитивним доповненням використання формалізованих критеріїв у інших випадках є застосування експертного методу аналізу результатів обчислення окремих критеріїв. При визначенні імовірності переваг певного комплексу досягається значне підвищення чутливості переваг порівнюваного комплексу. Наприклад, при порівнянні комплексів 3 та 4 по середніх значеннях сумарних питомих витрат різниця між показниками зазначених комплексів становить біля 20%. При попарному порівнянні імовірності переваг ці показники відрізняються в п'ять разів.

6. Коефіцієнт реалізації біопотенціалу культур обумовлюється якістю виконання технологічних операцій та якістю технологічних матеріалів, зокрема для технологічної операції сівби вплив фактору якості насіння на КРБП переважає вплив фактору якості виконання технологічного процесу. Для внесення добрив вплив якості виконання технологічної операції, що передається через коефіцієнт варіації норми внесення добрив, дещо переважає вплив якості матеріалу добрив (відповідні коефіцієнти кореляції 0,93 та 0,73).