Моделювання комплексів машин для основного обробітку ґрунту в системі сівозмін

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР „ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА”(ННЦ „ІМЕСГ”)

УДК 631.31.001.57:631.582

МОДЕЛЮВАННЯ КОМПЛЕКСІВ МАШИН ДЛЯ ОСНОВНОГО ОБРОБІТКУ ҐРУНТУ В СИСТЕМІ СІВОЗМІН

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

БОНДАР СЕРГІЙ МИРОНОВИЧ

Глеваха - 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор, заслужений працівник народної освіти України

Мельник Іван Іванович, завідувач кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту Національного аграрного університету.

Офіційні опоненти:

академік УААН, доктор сільськогосподарських наук, професор

Лінник Микола Кіндратович, заступник академіка-секретаря відділення механізації та електрифікації Української академії аграрних наук;

кандидат технічних наук, доцент

Пастухов Валерій Іванович, декан факультету механізації сільського господарства Харківського національного технічного університету сільського господарства Міністерства аграрної політики України.

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, кафедра експлуатації машинно-тракторного парку, м. Львів.

Захист відбудеться 6 липня 2005 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.358.01 у Національному науковому центрі „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н., смт Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кім. 613.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н., смт Глеваха, вул. Вокзальна, 11.

Автореферат розісланий 3 червня 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В. Адамчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сільське господарство України має стійку тенденцію до багатогранності організаційних форм. Відповідно до цього змінюються умови використання окремих машинних агрегатів та в цілому комплексів машин. Комплекси машин, які використовуються протягом останніх десятиліть, не завжди відповідають новим виробничим відносинам, чинникам економічної, екологічної й енергетичної доцільності. Разом із тим вимоги інженерно-технічних рішень невпинно зростають, що обумовлено високою ціною помилки при використанні високопродуктивних і високовартісних засобів механізації.

Існуючі методи моделювання комплексів машин для основного обробітку ґрунту, обґрунтування їх роботи та режимів ефективного використання не в усіх випадках прийнятні. Дуже рідко комплекси машин для основного обробітку ґрунту розглядаються й оцінюються в системі сівозміни господарства. Отже, особливої актуальності набувають наукові дослідження й розробки, які сприяють забезпеченню ефективності механізованих технологічних процесів обробітку ґрунту шляхом вмотивованого використання машинних агрегатів і комплексів машин у системі сівозміни з обов'язковим виваженим урахуванням техніко-економічних умов і природно-виробничих ознак аграрних господарств.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі експлуатації техніки та інженерного менеджменту НАУ у відповідності до плану науково-дослідних робіт на основі держбюджетних тем: „Оптимізація технологічних процесів і комплексів машин для вирощування зерна в господарствах України різних організаційних форм”, державна реєстрація 0100U002341 (2000-2004); “Розробити раціональні технологічні процеси обробітку ґрунту та сівби зернових культур на базі багатофункціональних технічних засобів”, державна реєстрація 0197U017943 (2001-2005); „Розробити ресурсозберігаючі технології і технічні засоби виробництва сільськогосподарської продукції для нехарчових цілей”, державна реєстрація 0102U006205 (2001-2005).

Мета і задачі досліджень.

Метою роботи є підвищення ефективності основного обробітку ґрунту за рахунок системного обґрунтування машинних агрегатів і комплексів машин.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

здійснити огляд досліджень із питань вибору комплексів машин, обґрунтування їх експлуатаційних характеристик та параметрів, систематизувати й формалізувати найбільш впливові фактори, що позначаються на робочому процесі основного обробітку ґрунту;

визначити суттєвість застосування системного та ситуаційного підходів при обґрунтуванні комплексів машин, здійснити координацію функціональних і структурних складових механізованого виробничого процесу вирощування продукції рослинництва;

розробити математичну модель обґрунтованого вибору комплексів машин у системі: сівозміна - технологічний процес обробітку ґрунту - машина-знаряддя - машинний агрегат-оператор - комплекси машин;

дослідити експлуатаційні характеристики машинних агрегатів для обробітку ґрунту лабораторно-польовими, хронографічними та аналітичними методами;

дослідити експлуатаційні характеристики комплексів машин у залежності від виробничого навантаження, обґрунтувати раціональні обсяги обробітку;

обґрунтувати склад комплексів машин для основного обробітку ґрунту в сівозміні та визначити їхні техніко-економічні показники, нормативи потреб у техніці.

Об'єкти дослідження - механізовані технологічні процеси основного обробітку ґрунту в системах сівозмін.

Предмет дослідження - обґрунтування комплексів машин для основного обробітку ґрунту.

Методи дослідження - теоретичні дослідження з використанням загальної теорії систем та теорії множин. Експериментальні з використанням лабораторно-польових випробувань, виробничо-хронографічних спостережень, аналітичного дослідження моделей за допомогою програмних продуктів із використанням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів. Обґрунтовано вплив взаємовідношення сільськогосподарських культур на процес механізованого обробітку ґрунту на засадах узагальнення науково-практичних результатів досліджень ефективності сівозмін. Розроблений новий метод обґрунтованого вибору комплексів машин для конкретної господарської одиниці в єдиному системному взаємозв'язку: виробниче завдання - структура посівних площ - сівозміна - технологічний процес обробітку ґрунту - машина-знаряддя - машинний агрегат-оператор - комплекси машин і побудована математична модель, які дають можливість, по_перше, структурувати посівні площі господарства, визначати сукупність технологічних операцій основного обробітку ґрунту в залежності від схеми чергування попередників і культур; по_друге, за обраними показниками аналітично оцінити механізовані технологічні процеси та комплекси машин для обробітку ґрунту в системі сівозміни з урахуванням різних умов функціонування машинних агрегатів; по_третє, визначати, на які складові робочих процесів механізованого основного обробітку ґрунту необхідно впливати, з метою досягнення бажаного, наперед визначеного результату.

Удосконалена математична модель та алгоритм програмного продукту “Комплексне машиновикористання” Пакет прикладних програмних засобів для персональних комп'ютерів “Комплексне машиновикористання” (розробка кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту Національного аграрного університету України)., в яких ураховано вплив систем сівозмін на обґрунтування комплексів машин для обробітку ґрунту та структури машинного парку в єдиному системному взаємозв'язку.

Практичне значення одержаних результатів полягає в підвищенні ефективності використання комплексів машин для обробітку ґрунту на підставі їхнього обґрунтованого вибору з урахуванням діючої системи сівозмін, що відповідає структурі посівних площ при різних умовах функціонування машинних агрегатів визначені нормативи потреб у техніці.

Проведена порівняльна оцінка відмінних механізованих технологічних процесів, визначено раціональні обсяги виконання обробітку ґрунту для різного складу комплексів машин.

За розробленим методом обґрунтовані комплекси машини та апробовані в трьох господарствах поліської зони Чернігівської області. Економічний ефект досягається за рахунок підвищення продуктивності комплексів машин, зменшення затрат праці, зменшення витрат палива при виконанні машинними агрегатами визначених технологічних операцій обробітку ґрунту в системі сівозміни.

Розроблену методику та програмне забезпечення обґрунтування раціонального складу технологічних комплексів машин для основного обробітку ґрунту Департаментом науково-технічної політики Міністерства аграрної політики України рекомендовано для впровадження в сільськогосподарських підприємствах різних організаційних форм.

Метод обґрунтування раціональних технологічних комплексів машин для обробітку ґрунту в системах сівозмін та програмне забезпечення впроваджені в системі Мінагрополітики України в навчальний процес чотирьох вищих навчальних закладів.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто обґрунтовано необхідність поєднання системного та ситуаційного підходів при моделюванні комплексів машин, сформульовані науково-методичні принципи виявлення впливу систем сівозмін на вибір системи: культура - технологічний процес - механізовані операції - машинний агрегат-оператор - комплекси машин, а також впливу природно-виробничих умов на роботу машинних агрегатів для основного обробітку ґрунту. Розроблена математична модель та на її основі вдосконалений програмний продукт для аналітичної оцінки складових механізованих технологічних процесів обробітку ґрунту.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях викладацького складу та аспірантів, що проводились у Національному аграрному університеті протягом 1999 - 2005 років, на технічній раді Департаменту науково-технічної політики Міністерства аграрної політики України (2001 - 2005 рр.), на розширеному засіданні кафедри експлуатації МТП Харківського державного технічного університету сільського господарства (м. Харків, ХДТУСГ, - пр. № 5 від 23 січня 2003 р.), на міжнародній науково-технічній конференції „Біоекотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві” (м. Київ, НАУ. - 2004 р.), на V - й міжнародній науково-технічній конференції „Стан і перспективи розвитку аграрної механіки” (м. Вінниця, ВДАУ. - 2004 р.), на міжнародній науково-технічній конференції до 75-річчя факультету механізації сільського господарства Навчально-наукового технічного інституту НАУ „Перспективи технічного забезпечення агропромислового виробництва” (м. Київ, НАУ. - 2004 р). Дисертаційна робота в повному обсязі була заслухана на розширеному засіданні кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту НАУ (м. Київ, листопад 2004 р.), на засіданні науково-технічного семінару ННТІ НАУ (м. Київ, грудень 2004 р.), на об'єднаному засіданні відділу системи машин і використання техніки та відділу механізації вирощування польових культур у Національному науковому центрі „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН (смт Глеваха, березень 2005р).

Публікації. За результатами досліджень надруковано 17 наукових праць, із них - 9 статей, 1 деклараційний патент України, 5 тез доповідей на науково-практичних конференціях, 2 навчальних посібника.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, переліку посилань та додатків. Робота викладена на 220 сторінках машинописного тексту, включає 21 таблицю, 49 рисунків, 137 бібліографічних посилань та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи й сформульовано мету дослідження.

Відмічено, що історичними за своїм значенням залишаються дослідження, проведені академіком Горячкіним В.П. Поглибленням наукового спадку Горячкіна В.П. стали досягнення в створенні й розвитку експлуатації машинно-тракторного парку як науки, пріоритет яких належить видатним ученим -- академікам Желіговському В.О., Свірщевському Б.С., професорам Бойку І.І., Веденяпіну Г.В., Виноградову В.І., Іофінову С.А., Кацигіну В.В., Кіртбаї Ю.К., Лишку Г.П., Лінтварьову Б.О., Полканову І.П., Сергєєву М.П., Фере М.Е. та іншим.

Значний вклад у дослідження закономірностей процесів механізації обробітку ґрунту зробили Білоткач М.П., Войтюк Д.Г., Грибановський А.П., Гуков Я.С., Дубровін В.О., Зирянов В.О., Корабельський В.І., Костріцин А.К., Кушнарьов А.С., Левчук М.С., Лінник М.К., Пастухов В.І. та інші.

У першому розділі здійснено огляд досліджень з питань моделювання експлуатаційних характеристик та оптимізації параметрів комплексів машин.

У наукових працях Погорілого Л.В., Крамарова В.С., Губка В.Р., Фінна Е.А., Ліпковича Е.І., Діденка М.К., Мельника І.І. та інших глибоко досліджені питання оптимізації машинних агрегатів, комплексів машин та машинно-тракторного парку.

Так у роботах Крамарова В.С., Губка В.Р., Терехова А.П. уперше були розроблені типові технологічні процеси та методика інженерних розрахунків МТП на ЕОМ. У наукових працях академіка Погорілого Л.В. уперше обґрунтовано необхідність застосування системного аналізу для дослідження проблем машиновикористання. У роботах Ліпковича Е.І. на основі зональної системи встановлюються головні впливи, яким піддаються технологічні комплекси, а агротехнічні процеси відповідають оптимальним сівозмінам. Втіленням наукових досліджень Фіна Е.А. є розробки щодо оптимального складу машинно-тракторного парку, що були впроваджені в ряді господарств різних зон УРСР. У працях Зангієва А.А поряд з економічними критеріями ефективності враховані також вимоги, обумовлені законами механіки стосовно машинних агрегатів.

Установлено, що існуючі методи моделювання та обґрунтування комплексів машин для основного обробітку ґрунту не достатньо ідентифікують особливості дійсних умов функціонування машинних агрегатів коли зовнішнім середовищем системи „машинний агрегат-оператор - комплекс машин” виступає конкретна господарська одиниця з відповідною їй системою сівозмін та притаманними умовами природокористування.

Проаналізовані й систематизовані найбільш важливі фактори, що впливають на технологічні процеси та ефективність використання машинних агрегатів для обробітку ґрунту. Диференційовано механізовані технологічні процеси обробітку ґрунту за повнотою обробітку земельного виділу та ступенем загортання рослинних решток. Відзначено, що механізований технологічний процес (водночас агротехнологічні вимоги та співвідносний їм набір робочих органів машин для обробітку ґрунту) є функцією, залежною від ланки чергування культур у системі сівозміни. Зроблено висновок про те, що обґрунтування комплексів машин повинно спиратися на систему математичних моделей, які відтворюють взаємозалежні виробничі процеси.

За матеріалами першого розділу сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі аргументується істотність застосування системного та ситуаційного підходів при обґрунтуванні комплексів машин.

Здійснена декомпозиція загальної задачі на низку більш простих завдань. За наслідками аналізу та координації функціональних і структурних складових, оперативних ознак загальної системи землеробства визначено цілі й зміст більш простих завдань, проведено їх підпорядкування загальній меті виробничої системи. Прийняті рішення щодо способу побудови підмоделей.

Розроблені теоретичні положення впливу взаємодії культур у системі сівозмін на робочий процес основного обробітку ґрунту. Вибудовано систему математичних моделей. Структуровані фактори впливу на оперативні ознаки машинних агрегатів. Сформульовані науково-методичні засади методу обґрунтування раціонального складу комплексів машин.

Відправною точкою теоретичних досліджень служать поняття системи, логіки системного підходу, ситуації, моделювання.

Рослини, ґрунти, машини - усе це приклади підсистем, що є взаємозалежними частинами певної цілісності - загальної системи землеробства. Якщо одна з цих частин буде відсутня або незадовільно функціонувати, то система землеробства не досягне своєї мети.

Зовнішній прояв системи землеробства як виробничої системи - ступінь досягнення мети - характеризує ефективність виробництва продукції рослинництва. Мірою повноти використання ресурсів та досконалості технологічних процесів у середині виробничої системи є результативність її складових. Тобто результативність окремих складових уможливлює ефективність системи в цілому.

Якість розглядається в роботі як ступінь дотримання машинними агрегатами агротехнічних вимог до операційних технологій обробітку ґрунту. Агротехнічні вимоги операційної технології, формалізовані кількісними показниками, відповідають певному якісному рівню технологічного процесу обробітку ґрунту.

Комплекс машин -- складова технологічного процесу обробітку ґрунту, що об'єднана межами діапазону нормативних агротехнологічних вимог як ознакою еквівалентності елементів (машинних агрегатів). Машинний агрегат для обробітку ґрунту, що в процесі роботи не забезпечує дотримання нормативних агротехнологічних допусків, не може розглядатися як складова комплексу машин через неможливість реалізації ним внутрішнього ресурсу системи обробітку ґрунту.

Реалізувати внутрішній ресурс системи обробітку ґрунту, тим самим досягти ефективності загальної виробничої системи, можна за умов координації структурних, функціональних та оперативних ознак, окреслених завданнями дослідження елементів.

Обраним компонентам виробничої системи - підсистемам (системі сівозмін, системі обробітку ґрунту, системі машин) - властиві ознаки, що відображають стан системи. Мінливість ознак свідчить про розвиток системи і, навпаки, розвиток системи (під розвитком розуміємо рух до мети) передбачає перманентні зміни ознак. Якщо Сі - стан системи в момент часу ti , то, дослідивши, виявив залежність зміни стану С у функції часу, отримаємо функцію, де ситуація -- похідна стану системи.

Стан виробничої системи (структура посівних площ - сівозміна - технологічний процес обробітку ґрунту - машина-знаряддя - машинний агрегат-оператор - комплекси машин) характеризується миттєвим значенням характеристик - фіксацією поточного положення структури, зв'язків, властивостей та інших категорій характеристики системи й зовнішнього (навколишнього) середовища (техніко-економічні умови та природно-виробничі відзнаки конкретної господарської одиниці).

Враховуючи зазначене, попередньо вивчивши й проаналізувавши існуючі методи моделювання й обгрунтування, прийшли до висновку, що положення теорії множин і математичної логіки дозволяють вибудувати необхідну для обґрунтування раціональних комплексів машин цілісну систему математичних моделей.

Систему сівозмін - основну ланку загальної системи землеробства агрономічною наукою визначають як найбільш універсальний та суттєвий за своїм впливом на умови розвитку рослин землеробський захід (рис. 1).

Багатовіковою практикою землеробства визначено "відношення" або "співвідношення" між культурами як елементами множини культур. Поняття "відношення між елементами множини" можна чітко окреслити, спираючись на визначальні поняття теорії множин.

Нехай k і р - довільні культури, елементи відповідних множин K i P, де К - множина культур ki  K; а Р - множина попередників цих культур pj  P.

Основними законами та науково-практичним досвідом землеробства доведено, що за системою ознак одна з цих культур є попередником для іншої, або зазначені культури - несумісні, тобто k і р перебувають у бінарному відношенні, що виражене відповідністю ( ki , pj ). Зазначена відповідність ототожнюється як підмножина - .

Для кожної культури - k, що належить множині сільськогосподарських культур - K, існує попередник - p, що належить множині попередників культур - P, і разом вони утворюють бінарне відношення (p, k), що належить множині с, тобто:

. (1)

Для оцінки ефективності попередника в бінарному відношенні „попередник-культура”, як правило, виділяється діапазон (шкала) оцінок зазначеного відношення - D = {d1, d2, … dі}, dі  D та для кожного на основі науково-практичного досвіду або іншими методами визначаються домінуючі показники. При оновленні програмного алгоритму системи “Комплексне машиновикористання” в частині структурування технологічних процесів та обсягів основного обробітку ґрунту в сівозміні, відповідно до розробленої математичної моделі, нами було вжито десять категорій, де числовими значеннями у діапазоні 0…9 відображена оцінка бінарного відношення ”культура-попередник”, що дозволило програмними засобами відтворювати потенційно продуктивні схеми чергування культур.

Культури неоднаково реагують на фізичні властивості ґрунтового середовища, а відтак чергування культур у часі й просторі апріорно впливає на виробничі процеси в рослинництві, отже, зумовлює вибір характерних технологічних процесів обробітку ґрунту та особливих схем у машиновикористанні. Як правило, товаровиробник серед низки культур визначає основну або основні, вирощування яких є пріоритетним для розвитку господарства. Під ці культури визначає технологічні процеси обробітку ґрунту, аргументує їх технічне забезпечення, у тому числі підбирає ефективні машинні агрегати, обґрунтовує раціональні склади комплексів машин.

Відправною точкою у вирішенні зазначеної проблеми є зміст технологічних процесів основного обробітку ґрунту та обсяги його виконання. Тобто необхідно спроектувати схему чергування культур для загальної земельної площі S. Вихідними даними є потреба в обсягах виробництва основної культури спеціалізації kс, що має кількісний показник. Це ступінь насичення нею сівозміни. Позначимо коефіцієнт насичення i_ю культурою проектованої сівозміни i. Зрозуміло, що

, (2)

де si - площа посіву i_ї культури проектованої сівозміни.

Об'єктивно кожна i-а культура характеризується кількістю років повернення на колишнє місце в сівозміні (пшениця -- 1…3; горох, віка, люпин -- 3…5; соняшник -- 7…9 тощо). Позначимо цей показник як - i. Зв'язавши між собою поняття коефіцієнта насичення сівозміни i і кількість років повернення культури i, можемо зробити висновок про те, що (3).

В іншому випадку неминучі повторні посіви. Отже,

(4)

Тоді рівняння балансу структури культур за умови недопустимості повторних посівів прийме вигляд:

(5)

де m - кількість культур, що беруть участь у чергуванні.

Далі остаточно визначається кількість культур, що беруть участь у чергуванні - m, кількість полів - n, множина культур К={k1, k2, …, ki}, де i = m, множина земельних виділів - S={s1, s2, …, sj}, - де j = n, а n m.

Щоб отримати множину всіх можливих бінарних відношень (ланок сівозміни), необхідно послідовно виконати декартовий добуток множин відібраних (рівняння 5) для складання схеми чергування культур,

(6)

Для формування можливих схем чергування (п - нарних відношень) та їх оцінки необхідно здійснити відповідні перетворення в рядках матриці (6),

, (7)

де r1 … ri - підсумкова оцінка і-х схем чергування (п - нарних відношень), що є сумою оцінок окремих ланок сівозміни (бінарних відношень). Сортування п - нарних відношень за максимальним значенням rimax визначає найбільш потенційно продуктивну схему чергування культур у сівозміні.

Для кожного бінарного відношення (p, k), що є елементом множини бінарних відношень „культура-попередник” - с, існує операційна технологія - t як елемент технологічного процесу обробітку ґрунту, що належить множині Т і разом вони утворюють нову множину відображень відповідності - Ф,тобто

. (8)

Оскільки у вирішальній мірі вибір технологічного процесу основного обробітку ґрунту залежить від відповідності ( рj , ki ) , тоді завжди знайдеться кінцева підмножина Т = {t1, t2, … tі}, tі  T, яка є відображенням даного відношення та утворює множину відображень , де .

У свою чергу - підмножини множини Т - всіх можливих технологічних процесів обробітку ґрунту, які містять у собі елементи, що відношенням еквівалентності елементів множини Т за механічною дією на ґрунтове середовище виокремленні науковцями на так звані - традиційні технологічні процеси, мінімальні, диференційовані, нульові тощо. Математичне визначення поняття матиме вигляд:

, (9)

де - традиційний технологічний процес обробітку ґрунту після j_о попередника під і-у культуру;

- технологічний процес мінімального обробітку ґрунту після j_о попередника під і-у культуру;

- n-й технологічний процес обробітку ґрунту після j-о попередника під і_у культуру.

У залежності від обраного технологічного процесу обробітку ґрунту проведемо заміщення співвідносних елементів множини відповідностей ( pj , ki )   на їх відображення у підмножинах множини Т.

У системі землеробства України існує велика кількість науково обґрунтованих сівозмін. Чергування культур у сівозмінах кожної ґрунтово-кліматичної зони будують із таким розрахунком, щоб воно в першу чергу поповнювало той фактор, який знаходиться в мінімумі. Наприклад, для зони Полісся методичними рекомендаціями УААН пропонується впроваджувати дев'ятипільну сівозміну з одним полем озимої пшениці та двома полями озимого жита. Як типова, виникає ситуація, коли після трьох (може бути двох або чотирьох) різних попередників для озимої культури необхідно виконувати обробіток за різними технологічними процесами так на полі, де попередник - люпин на зелену масу, рекомендують оранку на глибину гумусового горизонту; під час проростання бур'янів - культивацію на 5…6 см; на полі, де попередник - багаторічні трави, - лущення важкою дисковою бороною на 10…12 см, оранка на 20…22 см, культивація на 5…6 см; на полі після кукурудзи на силос - обробіток дисковими лущильниками на 6…8 см, безполицевий обробіток важкою дисковою бороною на 10…12 см. У той час, коли озима культура є попередником, поле під люпин на зелену масу розпушують на 10…12 см агрегатом із плоскорізу та голчастої борони з наступним плоскорізним обробітком на глибину 18…20 см; для картоплі рекомендують лущення стерні на 5…6 см, оранку на глибину гумусового горизонту; для льону - це лущення стерні та розпушення плоскорізами на глибину 18…20 см. Отже, лише для двох полів озимої пшениці і одного поля озимого жита необхідно виконати шість різних технологічних процесів основного обробітку ґрунту.

Зрозуміло, що кожен технологічний процес включає в себе різний набір операцій. Для виконання цих операцій обробітку ґрунту існує множина сільськогосподарських машин і знарядь, які в поєднанні з енергетичними засобами разом утворюють нову множину альтернативних машинних агрегатів, що за ознаками еквівалентності агротехнологічним вимогам певного технологічного процесу об'єднані у комплекси машин для основного обробітку ґрунту. Їх експлуатаційні характеристики залежать від унікальних умов машиновикористання конкретної господарської одиниці, в тому числі й від обсягів обробітку ґрунту.

Із наведеного прикладу узагальнюємо: неможливо без урахування обсягів виробництва, структури посівних площ, схеми чергування культур в часі й просторі, визначених технологічних процесів, наявних або прогнозованих технічних засобів достатньо точно визначити та обґрунтовувати експлуатаційні характеристики комплексів машин для основного обробітку ґрунту.

Отже, існує - множина відношень між елементами множин культур і попередників та - множина відображень елементів множини технологічних процесів обробітку ґрунту, у множині цих відношень, з іншого боку, очевидно, що існує - множина відображень елементів множини машин для обробітку ґрунту М у множині технологічних процесів, тобто для кожної технологічної операції обробітку ґрунту t, що є елементом множини технологічних процесів Т, існує елемент м - машина-знаряддя, що кореляційна агротехнічним вимогам операційної технології t та належить до множини М, і разом вони утворюють нову множину - И відповідностей (t, м), а саме:

(10)

Критерієм еквівалентності елементів у певній множині машин М є їх здатність досягати кількісних показників, що відповідають певному якісному рівню і_о, j_о технологічного процесу обробітку ґрунту після і_о попередника під j_у культуру.

Тоді комплекс машин для основного обробітку ґрунту розглядається як множина, що складається з елементів (машинних агрегатів), об'єднаних ознакою еквівалентності - умовою дотримання нормативних агротехнологічних допусків певних технологічних процесів.

З іншого боку, нехай М - уся множина існуючих машин для обробітку ґрунту М={м1, м2, …, мj}, тоді відношення еквівалентності елементів множини за типом робочих органів, знарядь виокремлює підмножини Мv; Мd; Мch; Мk, а саме:

(11)

де Мv; Мd; Мch; Мk відповідно підмножини машин-знарядь з полицевими, дисковими, чизельними та комбінованими робочими органами пасивної й активної дії.

Також відношення еквівалентності елементів множини існуючих машин М за глибиною обробітку ґрунту виокремлює підмножини Ма<8; М8?а?16; М16<а?24; М24<а?32, а саме:

(12)

де Ма<8 ; М8?а?16 ; М16<а?24 ; М24<а?32 відповідно підмножини машин-знарядь у діапазоні обробітку ґрунту до 8 см; 8…16 см; 16…24 см; 24…32 см.

Виконавши процедуру множення підмножин виразів (11) і (12), отримаємо:

(13)

(14)

(15)

(16)

За аналогією, машина для обробітку ґрунту мі як елемент множини М перебуває у певному відношенні з елементами {е1 е2 … еі} множини енергетичних засобів Е виражене множиною Щ, а саме:

. (17)

Відображенням цього відношення є машинний агрегат як елемент множини комплексів машин, тоді за властивістю комутативності послідовного перемноження відображень с, ц , о , щ отримаємо відображення комплексів машин для обробітку ґрунту в множині відношень між культурою та її попередником . Тобто

. (18)

Виконавши процедуру множення підмножин відповідностей технологічних процесів і машин - t, м =  на підмножину відповідностей культур і земельних наділів - k, s = , обумовленого рівнянням:

, (19)

зв'яжемо обсяги обробітку - s під культуру - k із i-м машинним агрегатом на j-й операції, що характеризується певною сукупністю агротехнологічних параметрів - р та продуктивністю за годину - Wij.

Продуктивність технологічних машинних агрегатів визначається за відомими формулами. Наукою та практичним досвідом виокремленні поняття „продуктивність” та „змінна норма виробітку”, останнє поняття -- один з найважливіших показників ефективності використання машинного агрегату в тих або інших умовах функціонування. У практичній діяльності господарств науково обґрунтовані норми виробітку лежать в основі планування виробничих процесів.

У дисертації при побудові системи узгоджених математичних моделей системного обґрунтування комплексів машин для основного обробітку ґрунту, з метою ідентифікації програмними засобами особливостей умов функціонування машинних агрегатів в конкретних господарських одиницях, виокремлено дев'ять категорій умов роботи машинних агрегатів, у яких для врахування впливу факторів, відмінних від типових, уведено узагальнюючий коефіцієнт складності умов - kск.у.

У зв'язку з цим розроблена система корективів, що визначає різницю між справжніми й типовими умовами та має градацію за складністю конфігурації земельних виділів, нерівномірністю рельєфу, кам'янистістю й вологістю ґрунту, наявністю перешкод та висотою над рівнем моря. У формалізованому вигляді узагальнюючий коефіцієнт, який характеризує складність умов використання машинних агрегатів, визначають із виразу:

, (20)

де відповідно коефіцієнти: kзв - конфігурації земельного виділу, kпл. - пересіченості ландшафту, kкг. - кам'янистості ґрунту, kпр. - наявності перешкод, kвл. - вологості ґрунту, kвс. - висоти над рівнем моря.

Знаючи годинні обсяги робіт - юj і експлуатаційну продуктивність машинного агрегату за годину - Wij, при різних умовах функціонування можна визначити xij - необхідну цілочислову кількість i-х машинних агрегатів для виконання кожної j-ї операції обробітку ґрунту.

Вибір, аналітичні розрахунки та визначення експлуатаційних і техніко-економічних показників використання машинних агрегатів для обробітку ґрунту проводимо за розробленою методикою. Критеріями оптимізації прийняті приведені затрати (C>min), затрати робочого часу (H>min), витрата палива (П>min), а також коефіцієнт використання парку машин (Kп>mах), матеріаломісткість (М>min), капітальні вкладення (Kв>min). Показники використання машинних агрегатів виражаються через arij (r = 1, 2, …, n).

Множина варіантів використання машинних агрегатів у календарному періоді виконання основного обробітку ґрунту розкривається матрицею:

, (21)

де - множина техніко-експлуатаційних показників машинних агрегатів;

arij - r-й елемент множини , показник використання i-о агрегату на j-й операції;

Dij - початок виконання j-ї операції для i-о агрегату;

dij - тривалість виконання j-ї операції для i-о агрегату;

xij - кількість i-х агрегатів на j-й операції;

Wij - продуктивність i-о агрегату на j-й операції;

Cij - приведені затрати i-о агрегату на j-й операції;

Hij - затрати праці i-о агрегату на j-й операції;

Mij - матеріаломісткість i-о агрегату на j-й операції;

Пij - витрата палива i-о агрегату на j-й операції;

Kвij - коефіцієнт використання i-о агрегату на j-й операції;

KВij - капітальні вкладення i-о агрегату на j-й операції.

Цільову функцію - Y(f) розглянутої вище системи узгоджених математичних моделей для системного обґрунтування комплексів машин у загальному вигляді можна описати залежністю:

, (22)

де - критерій ефективності;

відповідно динамічний стан системи (попередник і культура; культура і технологічна операція; технологічна операція і машина для обробітку ґрунту - енергетичний засіб; машинний агрегат-оператор і комплекс машин).

Позначення вирази - 1; 8; 10; 17; 19.

На підставі теоретичних викладок удосконалений алгоритм та програма розрахунків на ПЕОМ “Комплексне машиновикористання”, що в цілому забезпечує обґрунтований вибір раціонального комплексу машин у залежності від схеми чергування культури й попередника, а також структури посівних площ конкретної господарської одиниці при різних умовах функціонування та сприяє зменшенню прямих експлуатаційних затрат на виконані роботи.

У третьому розділі викладені програма й методика лабораторно-польових, виробничо-хронометражних та обчислювальних досліджень основних експлуатаційних, техніко-економічних показників роботи машинних агрегатів та комплексів машин для основного обробітку ґрунту.

Програма експериментальних досліджень складалася з трьох об'єднаних парадигмою мети окремих досліджень, виконання яких забезпечує перевірку та корегування теоретичних положень, міркувань і висновків щодо методу обґрунтування раціонального складу комплексів машин для основного обробітку ґрунту.

Лабораторно-польовими випробуваннями досліджувалися основні типи машинних агрегатів для обробітку ґрунту в межах їх використання для різних технологічних процесів обробітку ґрунту, а саме: полицеві, чизельні, комбіновані. Дані лабораторно-польових випробувань отримані за допомогою універсальної вимірювальної системи на базі трактора Т-150К, що оснащена вимірювальною тензоланкою, витратоміром палива та пристроєм для вимірювання шляху. Згідно з ГОСТ 9500-84 всі прилади метрологічною атестацією визнано придатними до застосування за третім розрядом.

Дослідження проводилися на полях дослідного господарства УААН агрофірми “Лосинівська” Ніжинського району Чернігівської області. Отримані адекватні природно-виробничим умовам агрофірми дослідні дані лабораторно-польових випробувань використані для перевірки й корегування теоретичних положень узгодженої системи математичних моделей та удосконалення системи “Комплексне машиновикористання” для аналітичного визначення експлуатаційних та техніко-економічних показників машинних агрегатів.

Використані результати лабораторно-польових випробувань сільськогосподарських машин для обробітку ґрунту, що проводилися ННЦ „ІМЕСГ”.

Аналітичні дослідження моделей комплексів машин для основного обробітку ґрунту при різних умовах функціонування проведені з використанням розробленої моделі та бази даних, побудованої на синтезі існуючої апріорної інформації, отриманої під час проведення лабораторно-польових випробувань.

Виробничо-хронографічні дослідження проведені з урахуванням вимог ГОСТ 24055-88. Протягом зміни здійснювався послідовний запис усіх видів затрат часу відповідно до виконуваних елементів механізованих технологічних операцій обробітку ґрунту разом із виміром виконаного обсягу робіт і фактичних витрат палива. При обробці листів спостережень визначалась середня ширина захвату агрегату, середня робоча швидкість руху агрегату під навантаженням, продуктивність агрегату за годину чистої роботи, витрати палива на 1 га. Узагальнені дані спостережень за роботою машинних агрегатів для обробітку ґрунту в шести господарствах Чернігівської області були використані для верифікації та оцінки адекватності моделювання комплексів машин.

Під час виконання лабораторно-польових випробувань і виробничо-хронографічних спостережень окремо досліджувалась ступінь забезпечення машинними агрегатами для обробітку ґрунту встановлених вимог агротехніки до якості робіт. Якщо машинний агрегат у процесі обробітку не забезпечував дотримання нормативних агротехнологічних допусків на механізовані технологічні операції, то дослідна спроба не зараховувалася, а результати вимірювання параметрів експлуатаційних показників даного агрегату не брались для наступного опрацьовування.

Запропонована особливість програми досліджень - поєднання польових випробувань, виробничих спостережень і аналітичних розрахунків, зумовлена системним підходом до вирішення завдань - визначення ефективних комплексів машин для основного обробітку ґрунту з урахуванням чергування культур у сівозміні при різних умовах функціонування, що дозволило досягти зменшення затрат часу, праці й коштів у порівняні з традиційними виробничими експериментами.

У четвертому розділі викладені результати та аналіз дослідних даних лабораторно-польових випробувань, виробничо-хронометражних спостережень, проаналізовані показники якості виконання технологічних операцій обробітку ґрунту. Встановлено, що при роботі комплексів машин на характерних для зони Полісся України піщаних та супіщаних за гранулометричним складом ґрунтах навіть у сприятливих для руху машинних агрегатів умовах, значних величин досягає показник буксування рушіїв енергетичного засобу, а робоча швидкість значно відрізняється від теоретичної. Це в свою чергу має відчутний вплив на продуктивність машинних агрегатів та витрату ними палива на гектар обробітку ґрунту. Так на легких піщаних ґрунтах буксування трактора Т-150К з компактором К-600 досягло 36 %, а коротка довжина гонів та складна конфігурація на окремих полях призводила до зменшення коефіцієнта використання часу зміни до рівня 0,63...0,71 і відповідно до зменшення на 40…42% продуктивності та збільшення майже вдвічі витрати палива.

У результаті експериментальних виробничих досліджень сформовані бази даних, які використовувалися для аналітичного дослідження та моделювання комплексів машин при обчисленні показників роботи машинних агрегатів для основного обробітку ґрунту в різних умовах їх функціонування.

Порівняння результатів експериментальних досліджень з даними моделювання дозволяє зробити висновок про адекватність розробленої математичної моделі (рис. 2).

У п'ятому розділі проаналізовано основні результати моделювання раціональної структури й складу комплексів машин для основного обробітку ґрунту в системі картопляно-льонарсько-зернової сівозміни.

Моделювання виконано для 13 різновидів основних технологічних операцій обробітку ґрунту та 130 типорозмірів машинних агрегатів. За фактори впливу прийняті головні нормоутворюючі показники: глибина обробітку, питомий опір, довжина гонів, складність умов використання машинних агрегатів (конфігурація земельних виділів, нерівномірність рельєфу, кам'янистість, вологість ґрунту, наявність перешкод, висота над рівнем моря). При визначенні раціональних варіантів машинних агрегатів для обробітку ґрунту їх ефективність оцінювалася прямими експлуатаційними затратами. Це узагальнюючий показник, що враховує продуктивність, затрати праці та витрату палива і зв'язує експлуатацією техніки з економікою виробництва, технічним сервісом, ресурсами та ін.

Аналіз співвідношень усереднених даних між показниками прямих експлуатаційних затрат на виконання обробітку ґрунту, продуктивністю машинних агрегатів та витратами палива на гектар показав, що вітчизняні машинні агрегати поступаються своїм зарубіжним аналогам за продуктивністю на 8,5...11,7%, за витратами палива на - 9,3...27,6%. Зважаючи на значну вартість імпортної сільськогосподарської техніки, прямі експлуатаційні затрати при виконанні операцій обробітку ґрунту вітчизняною технікою на 34,8...87,5% нижчі, ніж у їх зарубіжних аналогів (рис. 3).

Дослідженнями залежності коефіцієнта використання від завантаження машинних агрегатів обґрунтовано раціональні обсяги обробітку ґрунту для різних типів машин-знарядь (рис. 4 і 5).

Моделюванням експлуатаційних показників машинних агрегатів установлені діапазони допустимих для природно-виробничих умов зони Полісся обсягів обробітку ґрунту за умов дотримання вимог традиційного технологічного процесу.

Так для трикорпусних плугів раціональними є обсяги оранки в діапазоні 35…75га, відповідно для чотирикорпусних плугів - 45…95га; п'яти - 55…115га; шести - 65…135га; восьми - 85…175га; десяти - 105…215га.

За критерієм продуктивності кращими є широкозахватні агрегати, укомплектовані на базі енергонасичених тракторів. Це К-701 + ПНЛ-8-40, ХТЗ_153Б + ПЛП-6-35, ДжДір8400 + ПУМ-8-40 та Т-150 + ПЛП-6-35 (рис. 6).

Разом з тим орний агрегат в складі ХТЗ-153Б + ПЛП-6-35 має кращі за інші агрегати показники витрат палива, віднесені на гектар виконаної роботи. Близькі до кращих показники витрат палива машинного агрегата в складі ХТЗ_17021 + ПН_5_40 (рис. 7).

Діапазон обсягів площ обробітку менш як 250 га не дає значимої переваги більшості розглянутих схем машиновикористання й не є раціональним. Раціональний обсяг робіт, що забезпечує прийнятний діапазон мінімуму приведених затрат та максимального коефіцієнта завантаження комплексів машин, становить 300 га.

При обсязі обробітку ґрунту 300 га для досліджуваних комплексів машин коефіцієнт використання коливається в межах 0,91...0,94.

Аналіз результатів досліджень техніко-економічних показників машинних агрегатів при виконанні технологічних процесів основного обробітку ґрунту показав, що обгрунтування комплексу машин у сівозміні забезпечує зменшення на 36…40% затрат праці та на 10…12% прямих експлуатаційних затрат, збільшення коефіцієнта використання на 22…27%.

ВИСНОВКИ

Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили зробити такі висновки:

Установлено, що існуючі методи моделювання та обґрунтування комплексів машин для основного обробітку ґрунту в конкретній господарській одиниці не в достатній мірі ідентифікують особливості дійсних умов функціонування машинних агрегатів.

Відомі математичні моделі не враховують усю множину взаємозалежних елементів робочого процесу обробітку ґрунту, формалізовані науково-практичні дані про властивості культур, технологічні процеси, технічні засоби та природно-виробничі умови їх функціонування.

На основі аналізу і координації функціональних та структурних складових виробничого процесу вирощування рослинницької продукції розроблена математична модель, що дозволяє в системі сівозміни конкретної господарської одиниці науково обґрунтувати раціональні технологічні комплекси машин для обробітку ґрунту в реальних природно-виробничих та техніко-економічних умовах.

У результаті моделювання роботи 130-ти машинних агрегатів при дотриманні вимог відповідних технологічних процесів у природно-виробничих умовах зони Полісся встановлено діапазони раціональних обсягів робіт з обробітку ґрунту для різних типів машин та умов використання.

Так для плугів раціональними є обсяги обробітку в діапазоні 45…75га на один метр ширини захвату, відповідно для дискових лущильників - 30…50га; для дискових борін - 35…60га; для культиваторів - 40…50га; для комбінованих агрегатів - 45…60га.

Дослідженнями техніко-експлуатаційних показників машинних агрегатів для обробітку ґрунту встановлено, що агрегати, укомплектовані на базі вітчизняних енергетичних засобів і машин-знарядь, мають більші на 10...28% витрати палива, менші на 9...12% продуктивність та на 35...88% прямі експлуатаційні затрати, ніж їх аналоги від провідних світових виробників сільськогосподарської техніки.

Обґрунтовано раціональні технологічні комплекси машин для обробітку ґрунту в природно-виробничих умовах зони Полісся з урахуванням структури посівних площ та чергування культур у сівозміні.

Встановлено, що раціональне комплектування машинних агрегатів на основі сучасної вітчизняної сільськогосподарської техніки при виконанні технологічних процесів основного обробітку ґрунту забезпечить збільшення продуктивності на 14,3…18,7% та на 22…27% коефіцієнта використання комплексів машин, зменшення витрати палива на 8,6…14,5% та прямих експлуатаційних затрат на 11,8…28,4%.

Установлені діапазони раціональних обсягів робіт з обробітку ґрунту для технологічних комплексів машин:

при традиційному технологічному процесі із застосуванням простих агрегатів (лущення стерні дисковими знаряддями, звичайна оранка, культивація, коткування) - 250…500га;

при традиційному технологічному процесі із застосуванням комбінованих агрегатів (звичайна оранка; обробіток комбінованими агрегатами) - 100…350га;

при технологічному процесі мінімального обробітку із застосуванням простих агрегатів (безполицевий обробіток чизельними знаряддями, культивація, коткування) - 250…500га;

при технологічному процесі мінімального обробітку із застосуванням дискових знарядь (дискування 8…10см, дискування 10…12см, коткування) - 250…500га;

при технологічному процесі мінімального обробітку із застосуванням комбінованих агрегатів (обробіток комбінованими агрегатами, коткування) - 200…500га.

Оптимальне завантаження технологічного комплексу машин у системі сівозміни забезпечується при обсязі робіт - 300 га. При цьому значення коефіцієнта використання становить 0,91...0,94.

У результаті виробничої перевірки рекомендованих технологічних комплексів машин для основного обробітку ґрунту в господарствах Чернігівської області встановлено економічний ефект від їх впровадження:

дослідне колективне підприємство УААН агрофірма “Лосинівська” Ніжинського району - 12553,75 грн. (10,04 грн./га);

господарство ТОВ “Земля і воля” Бобровицького району - 22851,2 грн. (11,84 грн./га);

ВАТ “Чернігіврайагропромтехніка” Чернігівського району - 26276,8 грн. (10,72 грн./га).

Загальний економічний ефект становив 61681,75 грн. (10,96 грн./га).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

агрегат машинний площа посівний

Загальна кількість публікацій за темою дисертації складає 10 друкованих праць.

Бондар С.М., Мельник І.І. Основні проблеми машиновикористання в сучасних технологіях обробітку ґрунту Полісся України. // Науковий вісник НАУ, вип. 33. - К.: НАУ. - 2000. - С. 101-107 (особистий внесок - аналіз стану машиновикористання та обґрунтування актуальності досліджень).

Бондар С.М., Мельник І.І. Математична модель алгоритму вибору комплексів машин основного обробітку ґрунту. // Науковий вісник НАУ, вип. 41. - К.: НАУ. - 2001. - С. 155-165 (особистий внесок - розробка математичної моделі).

Бондар С.М., Мельник І.І., Шостак А.В., Мороз А.І. Хронографічні дослідження механізованих процесів основного обробітку ґрунту. // Сб. науч. трудов Керченского морского технологического института “Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий”. Вып. 2. - Керчь: КМТИ, 2001. - С. 85-90 (особистий внесок - адаптація методики хронографічних спостережень).

Бондар С.М., Мельник І.І. Формалізація еколого-технологічних процесів механічного обробітку ґрунту. // Сільськогосподарські машини. 36. наук, ст., вип. 8. - Луцьк: Ред. - вид. відділ ЛДТУ, 2001. - С. 167-170 (особистий внесок - формалізація технологій основного обробітку ґрунту).

Бондар С.М., Мельник І.І. Аналіз умов використання ґрунтообробних комплексів у зоні Полісся України. // Зб. Наук. праць НАУ “Механізація с/г. виробництва”. Том Х. - К.: НАУ, 2001. - С. 131-138 (особистий внесок - аналіз природно-виробничих умов використання комплексів машин для основного обробітку ґрунту).

Бондар С.М., Мельник І.І., Демко А.А. Вплив виробничих умов на продуктивність ґрунтообробних машинних агрегатів. // Науковий вісник НАУ, вип. 58. - К.: НАУ. - 2002. - С. 122-126 (особистий внесок - розробка значень коректив між реальними і типовими умовами).

Бондар С.М. Техніко-економічні показники використання комплексів машин типових технологій основного обробітку ґрунту. // Науковий вісник НАУ, вип. 60. - К.: НАУ. - 2003. - С. 54-65.

Бондар С.М., Дубровін В.О., Бабій В.П. та ін. До обґрунтування засобів механізації вирощування сидеральних культур // Зб. наук. праць ТДТА. - Мелітополь: ТДТА, 2003. - Вип. 10. - С. 62-68 (особистий внесок - аналіз технологічних процесів обробітку ґрунту).

Бондар С.М. Поєднання системного та ситуаційного підходів при обґрунтуванні комплексів машин для основного обробітку ґрунту. // Науковий вісник НАУ, вип. 73, ч. 2. - К.: НАУ. - 2004. - С. 42-55.

Бондар С.М., Мельник І.І., Гречкосій В.Д. та ін. Оптимізація комплексів машин і структури машинного парку та планування технічного сервісу. - К.: Видавничий центр НАУ. - 2004. - 151 с. (особистий внесок - обґрунтовано необхідність поєднання системного та ситуаційного підходів при моделюванні комплексів машин, а також впливу природно-виробничих умов на роботу машинних агрегатів для основного обробітку ґрунту).

...