Науково-технічні основи розробки засобів механізації з керованою якістю виконання технологічних процесів у рослинництві

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

УДК 631.3:631.17

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ РОЗРОБКИ ЗАСОБІВ МЕХАНІЗАЦІЇ З КЕРОВАНОЮ ЯКІСТЮ ВИКОНАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У РОСЛИННИЦТВІ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

МИРОНЕНКО ВАЛЕНТИН ГРИГОРОВИЧ

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України.

Науковий консультант:

Дубровін Валерій Олександрович, доктор технічних наук, професор, Національний аграрний університет, директор Науково-дослідного інституту екобіотехнологій та біотехніки.

Офіційні опоненти:

Тіщенко Леонід Миколайович, доктор технічних наук, професор, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, перший проректор, завідувач кафедри деталей машин і підйомно-транспортних машин;

Сидорчук Олександр Васильович, доктор технічних наук, професор, Львівський державний аграрний університет, завідувач кафедри управління проектами та безпеки виробництва в АПК;

Пастушенко Сергій Іванович, доктор технічних наук, професор, Миколаївський державний аграрний університет, декан факультету механізації сільського господарства, завідувач кафедри теоретичної та прикладної механіки.

Провідна установа: Кіровоградський національний технічний університет, кафедра сільськогосподарського машинобудування, Міністерство освіти і науки України, м. Кіровоград.

Захист відбудеться 02 березня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий 01 лютого 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах, коли сільське господарство утверджується як пріоритетний напрямок розвитку економіки України, виробництво потребує наукових розробок, які забезпечили б істотне підвищення ефективності рослинництва. Разом з тим, на сучасному етапі механізація сільського господарства все частіше стикається з проблемами економічного та екологічного плану. Лише за останнє століття коефіцієнт ефективності вкладення одиниці техногенної енергії у ґрунт зменшився з 4 до 1,5. Це вимагає переходу від суцільного до локально-дозованого обробітку характерних ділянок поля з аналізом великого обсягу вхідної інформації, складними поточними обрахунками, відповідним оперативним управлінням робочими органами сільськогосподарських машин з урахуванням біологічних, агротехнічних та економічних факторів. У зв'язку з цим, особливу актуальність набувають питання створення техніки нового покоління, що базується на ефективному використанні методів і технічних засобів оперативного управління робочими процесами машин для забезпечення відповідної якості виконання новітніх технологій рослинництва.

Дослідження, що виконані відомими вченими у провідних наукових установах України та за її межами, свідчать про нагальну потребу об'єднання усього комплексу механізованих робіт у рослинництві в нову енергоресурсну систему, побудовану на загальних принципах технологічної та технічної доцільності виконання як окремих робочих процесів, так і технологій вирощування сільськогосподарських культур з оперативним реагуванням на змінні зовнішні умови і чинники. Технології "точного", "органічного", "екологічного" землеробства потребують переходу до новітніх інтегральних (з позиції комплексного керування органами управління енергетичного засобу і робочими органами машин) технічних засобів їх забезпечення.

Підвищення ефективності рослинництва шляхом керування якістю виконання основних технологічних операцій при оперативному регулюванні положення робочих органів сільськогосподарських машин закладає основу створення техніки нового покоління, що може задовольнити сучасні й майбутні потреби сільськогосподарського виробництва в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися у Національному науковому центрі "Інститут механізації і електрифікації сільського господарства" (1984-2001 рр.) та Науково - дослідному інституті техніки та технологій Національного аграрного університету (2001-2005рр.) відповідно до тематичних планів науково - дослідних робіт згідно з науково - технічними програмами: ДКНТ СРСР О.Ц.047 (проект О.Ц.047.05.09 "Система автоматического управления энергетическими режимами работы машинно-тракторных агрегатов с трактором Т-150КМ"); Державного комітету України з питань науки, техніки та промислової політики 03.12 (проект 03.12.00/097Р-95 "Автоматизована система побудови картограм родючості полів"), 03.03 (проект 3.03.02.1020-93 "Розробити, організувати виробництво та забезпечити високоефективне використання на полях раціональних форм ґрунтозахисної системи основного обробітку ґрунту без переривання технологічного процесу"); Мінсільгосппроду України "Продовольство - 95" та "Технічні засоби нового покоління для сільськогосподарського виробництва" (код 2801040); Мінпромполітики України 4903/07-2-99; господарськими договорами з ВАТ "Завод Фрегат", НВО "Хімавтоматика", ВАТ "Червона Зірка", НВО "Сільгоспмашсистема" та ін.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технічного забезпечення вирощування сільськогосподарських культур шляхом застосування засобів механізації з керованою якістю виконання технологічних процесів.

У відповідності до поставленої мети визначені наступні завдання:

· синтезувати концептуальні засади підвищення ефективності роботи сільськогосподарських машин шляхом оперативного керування якістю виконання механізованих технологічних процесів;

· розробити механіко-математичні моделі виконання основних технологічних процесів сільськогосподарськими машинами з оперативною зміною режимів роботи і параметрів робочих органів;

· обґрунтувати методологічне забезпечення розробки і застосування технічних засобів з оперативним керуванням якістю виконання механізованих технологічних процесів;

· визначити вплив конструктивно-технологічних параметрів і режимів роботи технічних засобів з оперативним керуванням на агротехнічні і енергетичні показники якості виконання механізованих технологічних процесів;

· провести науково-виробничу перевірку та техніко-економічну оцінку ефективності застосування сільськогосподарських машин з керованою якістю виконання технологічних процесів при реалізації сучасних механізованих технологій вирощування зернових культур.

Об'єкт дослідження: механізовані технологічні процеси у рослинництві та зв'язок цих процесів зі змінними конструктивно-технологічними параметрами і режимами роботи відповідних технічних засобів.

Предмет дослідження: науково-технічні основи розробки засобів механізації з керованою якістю виконання технологічних процесів у рослинництві.

Методи дослідження: механіко - технологічне обґрунтування параметрів і режимів роботи сільськогосподарських машин з керованою якістю виконання механізованих технологічних процесів здійснювалось шляхом математичного і фізичного моделювання із застосуванням ПЕОМ на підставі положень землеробської механіки. Визначення фізико-механічних властивостей ґрунту, зерна та інших витратних матеріалів виконувались на підставі загальноприйнятих та спеціальних методик експериментальних досліджень.

Експериментальні дослідження та випробування засобів механізації (машинно-тракторних агрегатів для обробітку ґрунту, посіву, догляду за рослинами та збирання зернових культур) проводилися, як правило, за оригінальними методиками. При їх реалізації використовувалися методи тензометрування, осцилографування і електронного хронометражу, застосовувалось сучасне вимірювальне і обчислювальне обладнання. Обробка дослідних даних здійснювалася на ПЕОМ з використанням регресивного, кореляційного, спектрального аналізів з використанням відомих та розроблених програмних продуктів.

Наукова новизна одержаних результатів:

обґрунтована нова концепція підвищення ефективності засобів механізації вирощування основних культур шляхом застосування сільськогосподарських машин з оперативним керуванням якістю виконання технологічних операцій у рослинництві [1,2,15,16,19,25,26,30];

запропонована структура нового класу механіко-технологічних систем типу "людина - засоби оперативного керування - машина - поле" з керованою якістю виконання базових операцій вирощування сільськогосподарських культур [33-36,41,43];

розроблені оригінальні методи аналізу і синтезу змінних параметрів та режимів керування напрямком руху машинно-тракторних агрегатів за прямолінійною і криволінійною траєкторіями, а також положенням робочих органів машин [10,18,20,32];

теоретично обґрунтовані та експериментально підтверджені залежності агротехнічних і енергетичних показників якості виконання механізованих технологічних операцій (обробітку ґрунту, посіву, внесення мінеральних добрив та збирання зернових культур) від конструктивно-технологічних параметрів і режимів роботи розроблених технічних засобів [9,12,23,28,31];

вперше запропоновані комплексні методи формалізації, синтезу й оцінки сільськогосподарської техніки з керованою якістю виконання технологічних операцій на різних етапах її створення [10,13,27,29].

Практичне значення одержаних результатів. На підставі отриманих автором результатів досліджень:

обґрунтовані конструктивно-технологічні параметри і режими роботи засобів механізації з оперативним керуванням технологічними операціями обробітку ґрунту, посіву, внесення твердих мінеральних добрив, захисту рослин, збирання урожаю зернових культур, які забезпечують підвищення ефективності застосування сільськогосподарської техніки у рослинництві до 25 %;

розроблені вихідні вимоги, технічні завдання і конструкторська документація на сільськогосподарські машини для обробітку ґрунту, посіву та внесення твердих мінеральних добрив з оперативним керуванням технологічними процесами при вирощуванні сільськогосподарських культур;

проведені випробування та впроваджено у сільськогосподарське виробництво машинно-тракторні агрегати з оперативним керуванням технологічних процесів:

- обробітку ґрунту Т-150К+ПЛИ-5-35-І;

- посіву на базі сівалок СЗ-3,6А-І, АПП-6-І;

- внесення твердих мінеральних добрив на основі МВУ-5Б-І;

- збирання зернових культур на базі ДОН-1500-І і КЗС-9-І.

розроблено комплексну методику створення і оцінки нових засобів механізації з оперативним керуванням якістю виконання технологічних процесів;

запропоновано нові механізовані технології і технічні засоби у рослинництві, які захищені 11 охоронними документами України і Росії [37-43].

Результати досліджень прийняті та впроваджені Головним управлінням технічної політики Мінсільгосппроду України, ГСКТБ "Одеський завод сільськогосподарського машинобудування", ВАТ "Завод Фрегат" (м. Первомайськ), НВО "Хімавтоматика" (м. Сєверодонецьк), ГСКБ "Ґрунтомаш", Миронівським інститутом пшениці ім. В.М. Ремесла, дослідним господарством Інституту фізіології та генетики рослин НАН, дослідним господарством Українського інституту механізації та електрифікації сільського господарства "Мар'янівка", КСП "Промінь" Київської області, Емільчинським державним підприємством з виробництва і переробки льону Житомирської області, СП "Росава", агрофірмою "Мрія", агрофірмою "Кодачанка" Київської області та іншими.

Економічний ефект від впровадження засобів механізації, обладнаних системами оперативного контролю висіву насіння, та індикаторів вологості зерна, одержаний у сільськогосподарських підприємствах, становить 45,7 тис. грн за рік. Очікуваний річний економічний ефект комплексного впровадження системи забезпечення оперативного контролю та управління робочими процесами машин при вирощуванні зернових культур у рослинництві становить понад 1200 млн. грн.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем отримані особисто. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок такий: [2,3,4,5,15,26]- обґрунтовані науково-технічні основи створення технологій та машин з оперативним керуванням якості виконання основних механізованих операцій у рослинництві; [8,9,34-36]- складені математичні моделі та алгоритми керування машинно-тракторними агрегатами, розроблений метод оптимального рішення задачі якісного виконання технологічних операцій; [12,17,21,22,31]- розроблені структура, принципові схеми та обґрунтуванні параметрів сільськогосподарської техніки нового покоління, технічних та програмних засобів оперативного контролю і керування робочих процесів машин у рослинництві; [10,27]- розробка методики створення і оцінки нових засобів механізації з оперативним керуванням якістю виконання технологічних процесів. Як науковий керівник і відповідальний виконавець ряду тем наукових досліджень, автор розробив ряд оригінальних методик і обладнання для проведення досліджень і випробування сільськогосподарської техніки нового покоління; приймав особисту участь у державних випробуваннях та впровадженні у виробництво сільськогосподарських машин, оснащених засобами оперативного контролю і управління якістю виконання технологічних процесів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення результатів дисертаційної роботи були представлені на міжнародних науково-технічних конференціях "Питання розвитку механізації, електрифікації та автоматизації сільськогосподарського виробництва в умовах ринкових відносин" (Глеваха, 1994 р.), "Випробування, прогнозування і адаптація до виробничих умов вітчизняної та зарубіжної техніки і технологій для рослинництва та тваринництва" (Дослідницьке, 1995 р.), "Перспективи розвитку механізації, електрифікації, автоматизації та технічного сервісу сільськогосподарського виробництва" (Глеваха, 1996 р.), "Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві" (Глеваха, 1997 р.), "Випробування, техніка і технології для сільськогосподарського виробництва на рубежі ХХІ сторіччя" (Дослідницьке, 1998 р.), "Mikroprocessor systems in agriculture" (Польща, Полоцьк, 2001 р.), "Проблемы дифференцированного применения удобрений в системе координатного земледелия" (Росія, Рязань, 2001р.), "Rozwoi infrastruktury technicznei wsi w drialalnosci doradztwa rolniczego" (Польща, Кельце, 2003р.), "Энерго и экологосберегающие технологии - в сельскохозяйственное производство" (Сімферополь, 2004 р.), "Біотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві"(Київ, 2004 р.), "АГРОМЕХ-2004" (Львів, 2004 р.), "Ресурсозбереження та енергозабезпечення в АПК" (Київ, 2004 р.), "Экологические аспекты механизации растениеводства" (Польша, Варшава, 2005 р.), "Аграрная энергетика в 21-м столетии" (Білорусь, Мінськ, 2005 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 73 працях, серед яких п'ять монографій. Створені автором і за його участю нові способи і технічні засоби керування технологічними процесами захищені 3 авторськими свідоцтвами і 8 патентами. Загальний обсяг опублікованих праць складає близько 37 друкованих аркушів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 212 найменувань та 39 додатків. Дисертація викладена на 399 сторінках комп'ютерного тексту (основна частина 276 сторінок), містить 36 таблиць та 81 рисунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита суть наукової проблеми, обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і основні завдання дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі "Стан та тенденції розвитку сільськогосподарської техніки" виконано аналіз стану проблеми і встановлено, що традиційні фактори підвищення ефективності механізованого рослинництва - збільшення ширини захвату і швидкості руху машинно-тракторного агрегату, головним чином за рахунок збільшення одиничної потужності трактора, а також підвищення надійності сільськогосподарської техніки в значній мірі вичерпані. Одним з перспективних напрямів є забезпечення необхідної якості виконання технологічних процесів за рахунок одержання більш високого (у порівнянні з фізіологічними можливостями людини) рівня інформації та оперативного керування робочими процесами машин і на основі цього перехід до нових прогресивних технологій.

Значний внесок у забезпечення високої якості та ефективності виконання окремих технологічних операцій шляхом створення новітньої сільськогосподарської техніки внесли В.П. Горячкін, П.М. Василенко, П.М. Заїка, М.К. Лінник, І.І. Мартиненко, Л.В. Погорілий, М.Н. Нагорний, Я.С. Гуков, Л.Г. Гром-Мазнічевський, А.С. Кушнарьов, І.П. Масло, Д.Г. Войтюк, А.І. Бойко, А.Т. Лебедєв, І.А. Шевченко, Л.М. Тіщенко, В.І. Кравчук, О.В. Сидорчук, В.О. Дубровін, С.І. Пастушенко, Ю.І. Ковтун, І.В. Морозов, І.С. Нагорський, А.І. Панченко, Д.Н. Саакян, Л.Г. Сакало, І.М. Серебряков, В.К. Хорошенков та інші.

Узагальнення результатів попередніх досліджень із впливу різноманітних факторів на ефективність рослинництва дозволили визначити технологічні (норма внесення, глибина обробітку та ін.), технічні (швидкість руху, навантаження двигуна і т. д.) та організаційні (строки виконання, завантаження машинно-тракторних агрегатів і т. д.) критерії якісної роботи сільськогосподарських машин, вагомість впливу цих факторів на кінцевий результат - величину зібраного урожаю, а також можливий рівень ефективності застосування відповідних технічних засобів механізації з керованим впливом на якість виконання технологічних операцій (табл.1).

Аналіз розвитку оперативно-керованого землеробства за кордоном і на Україні засвідчив наступні тенденції.

У розвинутих країнах світу питанню оснащення сільськогосподарської техніки засобами оперативного керування робочими процесами надається велика увага (наприклад, відомі розробки фірм Dikey John, International Harvester, RDS Technology, Holder, Tecоnoma, Hardy and Evart, і т. д.). На кінець 20 століття вітчизняне машинобудування випускало деякі засоби контролю і регулювання окремих параметрів технологічних процесів, які частково звільнюють людину від функцій контролю і управління. При цьому процент об'єму сільськогосподарських машин, оснащених такими засобами, не перевищував 3 %. За останній час на ринку України з'явився цілий ряд нових розробок: засоби контролю і управління процесами переробки зерна (ТОВ БПФ "Полтвіль"), системи контролю висіву зерна (ТОВ "Полтавська інженерна група"), мікропроцесорна система дозування насіння та добрив (МСНПП "Клен") та ін.

Головним фактором стримування розвитку оперативного керування робочими процесами машин є відсутність багатьох необхідних датчиків і вимірювальних приладів. Так, для повного управління технологічними процесами в сільському господарстві необхідно вимірювати близько 2 тис. фізичних, хімічних, біологічних і інших величин, для чого потрібно до 200 типів приладів і датчиків. Проте випускається їх не більше 25 %, а розробляється порядку 50 %. Немає надійних датчиків для вимірювання рівня і витрати матеріалів, вологості і т. д. Відсутні, а в багатьох випадках навіть не запропоновані, принципи роботи датчиків для експресного вимірювання багатьох специфічних параметрів.

Подальше удосконалення с. -г. машин з позиції забезпечення якісного виконання технологічних процесів буде йти одночасно в наступних напрямках:

- впровадження електронних систем контролю і сигналізації (у першу чергу - монітори для посівних і збиральних машин);

- впровадження систем оперативного управління окремими вузлами і робочими органами (електрогідравлічні системи копіювання рельєфу місцевості хедером зернозбиральних комбайнів, електронно-гідравлічні системи оперативного керування навісним пристроєм, буксуванням трактора, електронні системи автоматизованого управління напрямком руху, дозуванням хімпрепаратів, стабілізацією штанг польових обприскувачів і т. д.);

- впровадження інтегрованих систем управління на базі бортового комп'ютера, що є найбільш перспективним і забезпечить створення технологій з якісно новими економічними, соціальними та екологічними показниками.

Таким чином, одним з напрямів підвищення ефективності роботи засобів механізації вирощування зернових культур є застосування техніки нового покоління з оперативним керуванням якістю виконання технологічних операцій, що дозволяє збільшити продуктивність машин до 20 %; зменшити: витрату палива до 30 % і хімічних препаратів до 70 %, втрати зерна при його збиранні до 67 %.

На основі проведеного аналізу розроблена робоча гіпотеза, сформульовані мета і завдання досліджень.

У другому розділі "Теоретичні передумови розробки технічних засобів оперативного керування якістю роботи сільськогосподарських машин" виконані теоретичні дослідження умов функціонування та принципів побудови інтегрованих з позиції комплексного оперативного керування роботою машинно-тракторних агрегатів для забезпечення необхідної якості виконання технологічних операцій у рослинництві.

Сучасна система "людина - машина - поле" забезпечує прийнятне протікання технологічного процесу, якщо характеристики вхідних сигналів і об'єктів управління (апріорна інформація) практично не змінюються в процесі роботи, або їх зміна ефективно контролюється людиною. Разом з тим, на практиці робота такої системи з точки зору якості виконання технологічних операцій є недостатньою. В зв'язку з цим, пропонується перехід до нового класу систем типу "людина - засоби оперативного керування - машина - поле", які можуть бути названі системами з керованою якістю виконання технологічних процесів, що забезпечують кероване переведення умов одержання урожаю з одного дійсного багатофакторного фазового стану в інший визначений стан у процесі виконання будь-якої технологічної операції.

Вирішення такої задачі потребує наступних дій:

· отримання інформації про стан об'єкту керованого впливу (ґрунт, рослина, шкідники, бур'яни) за основним і додатковими параметрами;

· визначення вектору зміни фазового стану контрольованої точки з врахуванням факторів зовнішнього впливу;

· формалізація параметрів бажаного стану об'єкту керування;

· розробка алгоритму оптимального керування процесом переходу об'єкту в заданий фазовий стан;

· реалізація заданого алгоритму виконання технологічного процесу.

Реалізація системи "людина - засоби оперативного керування - машина - поле" полягає в доданні до базової структури системи контуру оперативного керування (рис. 1).

Рис. 1. Структурна схема системи "людина - засоби оперативного керування - машина - поле" з керованою якістю виконання технологічного процесу.

За способом одержання оперативної інформації системи з керованою якістю роботи можна розділити на активні (сенсорні) і пасивні (програмні). У першому випадку організуються спеціальні виміри в процесі руху агрегату, а в другому - необхідна інформація формується за допомогою аналізу робочих сигналів. Важливе місце серед пасивних займають системи з еталонною моделлю. На цьому принципі побудовані, наприклад, системи "точного землеробства", коли для ділянки з відповідними географічними координатами закладено відповідний алгоритм виконання технологічного процесу.

Задача синтезу системи з керованою якістю виконання технологічного процесу полягає у визначенні алгоритму функціонування керуючого пристрою, тобто його структури і параметрів, при відомих рівняннях роботи базової системи і характеристиках вхідних сигналів. При цьому оптимальне керування слід шукати не у формі U = U(t), а у формі U = V(x), тобто оптимальне керування у кожний момент залежить від того у якій точці простору знаходиться в даний момент фазова точка об'єкту впливу. Якщо, наприклад, мова йде про внесення оптимальної дози добрив, то при формуванні керуючої дії необхідно враховувати не лише ефективну дію даної норми добрив на відповідну культуру на тому чи іншому полі, але і динаміку забезпечення ґрунту цими поживними елементами на протязі певного часу кожної характерної ділянки цього поля.

Лінійна математична модель роботи базової системи відносно розрахункового режиму справедлива лише при певних обмеженнях, що накладаються на обмеження сигнали і параметри об'єкту, діапазони і швидкості зміни його коефіцієнтів. Указані можна записати у вигляді нерівності

Для спрощення запису математичних викладень доречно, ввівши позначення рівняння похибки (1) представляти у матричній формі (2).

Рівняння (2) вирішується як неоднорідне, методом варіації постійних. Для цього позначимо через p₁(t), p₂(t),….p _n (t) фундаментальну систему рішень однорідного рівняння, що задовольняє початковим умовам.

А через m¹ (t), m² (t),….mⁿ (t) - фундаментальну систему рішень однорідного рівняння, яка задовольняє початковим умовам.

Таким чином, часткове рішення рівняння (2) при довільному керуванні U(t) і початкових умовах:

x(t₀) = x₀ = (x₀¹, x₀², …x₀ⁿ).

Створення систем з керованою якістю виконання технологічних процесів потребує розробки сільськогосподарської техніки нового покоління. Ця техніка відрізняється наявністю спеціальних засобів оперативного керування, що інтегровано вписані в конструкцію та режими роботи базових агрегатів. Відбір базових сільськогосподарських машин необхідно проводити за цілим рядом технічних та економічних критеріїв. Серед технічних критеріїв слід виділити можливості: забезпечити дистанційне управління роботою машини, контролю і впливу на якість виконання технологічних процесів; одержання інформації, що характеризує стан поля. До економічних критеріїв відносяться ціна, надійність, завантаженість машин на протязі року. Запропоновано базові технологічні комплекси машин для вирощування стратегічних культур з аналізом відповідності цих машин загальним вимогам застосування засобів оперативного контролю та керування.

У відповідності з факторами можливого підвищення ефективності механізованого рослинництва (табл.1) визначені додаткові функції засобів механізації (табл.2), які зводяться до вирішення двох основних задач на основі інтегрованого інформаційного забезпечення:

· технічне забезпечення необхідної точності водіння;

· оперативне керування положенням робочим органом машини.

Для дослідження перехідних процесів та визначення раціональних параметрів засобів оперативного керування напрямом руху агрегату та зміни положення робочих органів машин розроблені відповідні математичні моделі. Рішення систем диференційних рівнянь за спеціально розробленою програмою дозволило визначати характер і динаміку зміни напрямку руху та взаємозв'язок показників процесу. Ці дані використовувалися при розробці алгоритмів роботи, визначенні законів керування та виборі параметрів технічних засобів оперативного керування напрямком руху машин по прямолінійних і криволінійних траєкторіях.

Розроблено загальну структурну схему пристрою оперативного керування робочими процесами машин (рис. 2), проведено класифікацію та визначено елементну базу технічних засобів для реалізації поставленої задачі.

Рис. 2. Загальна структурна схема пристрою оперативного керування робочими процесами машин.

Розрахунок параметрів пристрою для оперативного керування положенням робочого органу більшості сільськогосподарських машин може бути проведений за наступною системою рівнянь:

При використанні електричних або інших виконавчих механізмів у моделі необхідно провести відповідні заміни залежностей переміщення, швидкості та прискорення руху вихідного штоку механізму. Для деяких задач рівняння переміщення штоку виконавчого механізму може бути спрощеним і прийнятим лінійним.

За результатами аналізу характеристик технічних засобів контролю і керування робочими органами, що використовуються на машинах кращих фірм світу та власних досліджень цілого ряду пристроїв для контролю переміщення і технічного стану робочих органів машин, рівня і потоку сипучих та рідких матеріалів, вимірювання вологості зерна і таке інше, сформульовані додаткові загальні вимоги до засобів механізації з керованою якістю виконання технологічних процесів у рослинництві.

У третьому розділі "Методичне забезпечення розробки технічних засобів керування якістю роботи сільськогосподарських машин" розроблені комплексні методи формалізації, синтезу й оцінки сільськогосподарської техніки з керованою якістю виконання технологічних операцій на різних етапах її створення.

Перехід до технологій з необхідною якістю виконання робочих процесів передбачає ускладнення, а відповідно і подорожчання машин. Світовий досвід засвідчує про ефективність цього напряму лише за умови обґрунтованого вибору об'єкту, рівня та засобів удосконалення.

Аналіз структурної схеми (рис. 1) і умов ефективної роботи системи "людина - засоби оперативного керування - машина - поле" показує необхідність врахування великої кількості різнорідних факторів, пов'язаних з параметрами і режимами роботи самих машин та відповідних технічних засобів, параметрами об'єкту обробітку для забезпечення необхідної якості виконання технологічного процесу, умов навколишнього середовища та ін. Виходячи з цього та з метою ефективного впровадження систем механізації з керованою якістю виконання робочих процесів, запропонована загальна методика вдосконалення механізованих технологій у рослинництві на основі використання комплексних інтегральних методів оцінки таких систем на всіх етапах їх створення (табл. 3).

Важливим етапом запропонованої методики є формування вимог до засобів, що розробляються. Цей етап є перехідним від аналізу відомого до синтезу нового, і його реалізація в значній мірі визначає ефективність розробки. Для вирішення цієї задачі запропоновано системний метод аналізу функції якості технічного засобу. Цей метод оснований на побудові деталізованої матриці якості продукції, що розробляється (наприклад, табл.. 4 - для засобів оперативного контролю висіву зерна). Вона дозволяє: враховувати інтереси споживачів, виробників та інших зацікавлених суб'єктів, які мають відношення до даної продукції; визначати структуру технічних засобів, за допомогою яких можуть бути вирішені поставлені задачі; а також оцінювати переваги різних варіантів розробки і вплив на її ефективність тих чи інших рішень на будь-якому етапі створення продукції.

Для проведення оперативної та комплексної оцінки удосконалених технологічних процесів чи технічних засобів з керованою якістю роботи на наступних етапах розробки та досліджень запропоновано метод інтегральної оцінки. Метод оснований на використанні інтегрального критерію відстані до мети у вигляді площі багатокутника, побудованого в системі кількох осей координат на яких відкладені значення критеріїв, що визначають ефективність розробки. Метод дає можливість за допомогою ПЕОМ наочно та просто проводити аналіз ефективності різних варіантів технологічного процесу, визначати можливі шляхи підвищення вказаної ефективності, проводити аналіз можливих варіантів застосування засобів оперативного управління та оптимізацію рівня автоматизації технологічного процесу. В табл. 5 (як приклад) наведені результати оцінки різних технологій суцільного обробітку ґрунту за даним методом. механізація якість дозований керований

Першим важливим етапом практичної перевірки розроблених засобів оперативного контролю та керування робочими процесами машин є їх лабораторні дослідження. Основною метою лабораторних досліджень була оптимізація алгоритмів роботи та параметрів окремих вузлів засобів контролю та керування. Об'єкти досліджень - експериментальні зразки засобів контролю та керування роботою сільськогосподарських машин для обробітку ґрунту, посіву, внесення мінеральних добрив, внесення хімічних засобів захисту рослин, збору урожаю зернових культур та інші.

Частіше всього вирішувалися наступні задачі досліджень:

· перевірка функціональної працездатності розроблених засобів контролю та керування;

· вивчення взаємодії та погодження параметрів окремих вузлів засобів контролю та керування з робочими органами машин;

· перевірка достовірності математичних моделей функціонування сільськогосподарських машин, оснащених засобами оперативного керування;

· удосконалення алгоритмів роботи засобів контролю та керування;

· проведення тарування, настроювання та відлагодження первинних перетворювачів, схем погодження і формування сигналів, виконавчих механізмів і таке подібне;

· визначення раціональних параметрів засобів оперативного керування роботою сільськогосподарських машин;

· оцінка впливу на роботу засобів оперативного керування зовнішніх збурень.

Лабораторні дослідження проводилися на спеціально створених стендах (для досліджень пристрою оперативної зміни ширини захвату плуга при зміні напрямку руху агрегату, досліджень пристрою керування нормою внесення мінеральних добрив, пристроїв контролю висіву та втрат зерна та ін.) або на сільськогосподарських машинах. При проведенні лабораторних досліджень використовувався цілий ряд стандартизованих приладів, первинних перетворювачів сигналів, блоків обробки та відображення інформації, в тому числі дванадцяти канальний магнітоелектричний осцилограф К 12-22.

Рис. 3. Мікропроцесорний прилад для безперервної реєстрації даних під час досліджень зернозбирального комбайну КЗС-9-І та фрагменти обробленої інформації.

Основним етапом перевірки розроблених засобів оперативного контролю та керування робочими процесами машин є їх польові випробування. Мета випробувань - оцінка якості роботи засобів контролю та керування робочими процесами сільськогосподарських машин. Об'єкти випробувань - дослідні зразки засобів контролю та керування роботою сільськогосподарських машин для обробітку ґрунту, посіву, внесення мінеральних добрив та інші. Задачі випробувань: експертиза конструкції машин та обладнання; визначення техніко - економічних показників; оцінка умов праці; оцінка надійності та інші.

При проведенні польових досліджень та випробувань використовувалася комплексна вимірювальна система на основі оригінального мікропроцесорного приладу (рис. 3) для тривалої безперервної реєстрації параметрів, що характеризують роботу дослідної машини. Прилад забезпечує ввід інформації від шести органів керування роботою приладу, десятизначного цифрового табло, 15 частотних датчиків, 25 релейних та 15 аналогових датчиків. Після завершення досліду інформація із запам'ятовуючого пристрою переноситься у комп'ютер для обробки в стаціонарних умовах. Обробка експериментальних даних проводилася за відомими методиками. При практичних обчисленнях за допомогою комп'ютера відомі залежності математичного очікування, кореляційної функції, дисперсії, середньоквадратичного відхилення, коефіцієнта варіації та інші замінювалися відповідними дискретними залежностями на основі кінцевих сум.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень засобів механізації з керованою якістю виконання робочих процесів" приведені результати досліджень залежностей агротехнічних і енергетичних показників якості виконання механізованих технологічних операцій від параметрів і режимів роботи розроблених технічних засобів.

За результатами проведених досліджень експериментальних зразків машин з керованою якістю роботи розроблені структурні схеми, визначені раціональні конструктивно-технологічні параметри та проведена оцінка ефективності використання засобів оперативного керування робочими процесами машинно-тракторних агрегатів (МТА) при виконанні основних технологічних процесів у рослинництві.

Водіння МТА відноситься до робіт середньої складності і займає до 80 % робочого часу. Проведена класифікація технічних засобів підвищення точності водіння мобільних агрегатів та визначено, що їх застосування дозволяє знизити рівень фізичного навантаження в 5-10 раз і зменшити енерговитрати тракториста до 20 % (рис. 4).

Найбільш актуальною з позиції підвищення якості виконання технологічних операцій є водіння широкозахватних агрегатів. У зв'язку з цим, розроблена система водіння широкозахватних агрегатів на основі гіронавігаційних методів (СВГ).

Рис. 4. Зменшення навантаження на механізатора при водінні МТА за використання технічних засобів керування.

З використанням запропонованої системи реалізується водіння широкозахватних МТА при основному внесенні мінеральних та органічних добрив, обробітку ґрунту засобами хімічного захисту рослин, посіві та інших операціях з відхиленням від межі суміжного проходу до 0,5м (рис. 5).

Рис. 5. Відхилення від заданої траєкторії при водінні МТА за допомогою гірокомпаса: 1 - при керуванні напрямком руху за сигналами дослідного зразку гіронавігаційної системи водіння МТА; 2 - при урахуванні курсового і лінійного зміщення агрегату та інструментальної похибки гірокомпаса.

Це дозволяє зменшити витрати пального та робочих матеріалів на 15-20 %, підвищити продуктивність праці до 10 % та покращити рівномірність внесення добрив і засобів захисту рослин. Наприклад, нерівномірність розподілу твердих мінеральних добрив по ширині захвату (24 м) агрегатом із гіронавігаційною системою водіння у порівнянні зі звичайним водінням агрегату з реально існуючим перекриттям суміжних проходів, величина якого залежить від кваліфікації та суб'єктивних особливостей тракториста, при рівних інших умовах може бути зменшена на 7 % (рис. 6).

Рис. 6. Залежність зменшення нерівномірності розподілу добрив інтегральною машиною з гіроскопічною системою водіння в залежності від перекриття суміжних проходів.

Застосування агрегату у складі трактора Т-150К, плуга зі змінною шириною захвату ПНИ-5-45, водіння МТА по борозні та пристрою оперативної зміни ширини захвату пристрою плуга при зміні напрямку руху, забезпечило можливість обробітку ґрунту по спіралі без розриву технологічного процесу. З точки зору якості обробітку ґрунту в цьому випадку досягається зменшення (до 10 %) частини ріллі, яка виводиться з категорії ерозійнонебезпечних земель у порівнянні з обробітком поворотних смуг уздовж схилів при звичайному загінному обробітку ґрунту (рис. 7).

Рис. 7. Залежність частки ріллі, що набуває ерозійної стійкості при обробітку ґрунту за криволінійною замкненою траєкторією, в залежності від співвідношення довжини гону до ширини поворотної смуги.

Оснащення посівної техніки запропонованими засобами оперативного контролю на основі оригінального уніфікованого датчика рівня технологічних матеріалів, що пройшли приймальні випробування, дозволяє зменшити величину просівів у 20 разів (рис. 8.), підвищити врожайність на 1,4-3,9 %, збільшити продуктивність посівного агрегату на 2-4 % та зняти з сівалки допоміжних працівників.

Рис. 8. Довжина просівів при різних варіантах контролю за забиванням сошників сівалки: 1 - трактористом; 2 - трактористом та сівачем; 3 - трактористом та системою оперативного контролю.

Комплект пристроїв для оперативного контролю та управління процесом дозованого внесення міндобрив машинами з відцентрованими робочими органами (рис. 9,10) забезпечує оперативне реагування про зменшення потоку добрив під датчиком на 0,5 % від загального об'єму добрив, що проходить через вивантажувальне вікно, контроль спорожнення бункера на 25,50,75 і 100 %.

Рис. 9. Загальний вигляд машини МВУ-5-І з керованою якістю внесення твердих мінеральних добрив.

Рис. 10. Схема машини з оперативним керуванням процесу внесення твердих мінеральних добрив: 1-кузов; 2-конвеєр-живильник; 3 - регулювальна заслінка; 4 - датчик положення заслінки; 5-механізм установки заданої норми внесення добрив; 6-датчик рівномірності потоку добрив.

Точність установки заслінки при оперативному дозуванні складала в Точність установки заслінки при оперативному дозуванні складала в середньому 7 мм при параметрах управління, які визначалися за допомогою номограм, побудованих за системою рівнянь (3). При виборі раціональних значень проміжків між чутливими елементами датчика потоку добрив, що поступають на робочі органи машини, і висоти установки датчика для різних видів добрив, похибка дозування може бути знижена відносно реальної при порушенні потоку і становити 3-9 % (рис. 11).

Запропоновано пристрій вимірювання та підтримування заданого положення штанги обприскувача відносно поверхні, що обробляється, який забезпечує паралельність штанги у процесі роботи з точністю до 0,25є і задану висоту з точністю ±5 см.

Рис. 11. Залежності похибки дозування при внесенні добрив інтегральними машинами типу МВУ в залежності від проміжків між датчиками наявності потоку.

Для забезпечення ефективної роботи інтегрального зернозбирального комбайну визначені основні функції засобів оперативного контролю і керування. Розроблено мікропроцесорний пристрій контролю відносних втрат зерна (ПВЗ-1), що дозволяє з високою точністю визначати втрати зерна зернозбиральним комбайном, а також будувати картограми урожайності поля. При цьому втрати зерна не перевищують 0,5 % (рис. 12), а продуктивність комбайна збільшується до 20 %.

Створений та серійно впроваджений індикатор вологості зерна. Індикатор дозволяє проводити експресну (6с) оцінку вологості зерна однієї з культур у виробничих умовах (поле, тік, комора) без будь-яких додаткових пристосувань чи матеріалів. Прилад забезпечує ефективне визначення терміну початку збирання врожаю (при вологості зерна 18-22 %), а також обумовлює виробничі можливості при підготовці зерна до реалізації чи зберігання.

Рис. 12. Залежності зміни розрахункових (абсолютних та відносних) і реальних втрат (д, %) зерна від врожайності озимої пшениці при збиранні комбайном "Дон-1500-І".

Засоби оперативного контролю за спеціально розробленими алгоритмами та відповідне керування енергетичними режимами роботи машинно-тракторного агрегату дозволяють суттєво зменшити витрати палива (табл.6).

Суттєве покращення ефективності рослинництва може бути досягнуто при переході від суцільного до локально-дозованого обробітку ґрунту і рослин. При цьому кожна технологічна операція виконується згідно отриманої оперативної інформації, або відповідної картограми, яка розробляється попередньо на основі різнопланової інформації. Загальна схема (рис. 13) реалізації програмного локально-дозованого обробітку ґрунту і рослин інтегрованими засобами механізації з керованою якістю виконання технологічних процесів наступна. Під час збирання урожаю мікропроцесорними бортовими засобами комбайна знімається інформація про урожайність поля із зазначенням відповідних координат. Ця інформація переноситься в комп'ютер, де за спеціальною програмою будується картограма урожайності з виділенням характерних за урожайністю ділянок поля (наприклад, рис. 14). На реальних характерних ділянках поля проводять необхідні агрохімічні, агрофізичні, біологічні і інші дослідження. Результати заносять в комп'ютерну базу даних конкретного поля та за спеціальними програмами розробляють рекомендації з подальшого обробітку ґрунту і рослин на цьому полі у вигляді відповідних картограм. Дозований обробіток визначених ділянок поля проводиться комплексом машин з керованою якістю виконання технологічних операцій за відповідною програмою.

Рис. 14. Схема програмно-технічного забезпечення локально-дозованого обробітку поля під зернові культури.

В агропромисловому господарстві "Промінь" (Київської області) на двох полях загальною площею 40 га проведено господарські випробування програмних та технічних засобів оперативного збору інформації про урожайність зернових культур, побудовано картограми урожайності дослідних полів, проведено агрохімічні дослідження визначених характерних ділянок, визначено основні складові родючості та їх відмінності на вказаних ділянках (табл. 7).

Рис. 14. Картограма врожайності ділянки поля з центрами (1, 2, 3) характерних площадок для взяття проб ґрунту.

Проведено розрахунок необхідних норм внесення мінеральних добрив за традиційною методикою (коли вміст рухомих форм добрив визначається за єдиним зразком ґрунту, який отримують шляхом змішування зразків ґрунту відібраних у рівновіддалених точках діагоналі поля) та за зразками ґрунту, відібраними у центрах характерних за врожайністю ділянок поля.

Встановлено (рис. 15), що для даного поля використання картограми його урожайності дозволяє зменшити норму внесення мінеральних добрив на 11 % при умові відповідного забезпечення ґрунту мінеральними елементами.

Рис. 15. Норми механізованого внесення мінеральних добрив (кг/га) на дослідному полі агропромислового господарства "Промінь".

Підбір сільськогосподарських машин для новітніх механізованих технологій слід проводити за технічними (дистанційне управління, контроль і вплив на якість виконання технологічних процесів, одержання інформації про стан поля) та економічними (ціна, надійність, завантаженість) показниками.

У п'ятому розділі "Ефективність застосування та впровадження технічних засобів оперативного керування якістю роботи сільськогосподарських машин" запропоновано ряд методик визначення ефективності застосування засобів механізації з керованою якістю виконання технологічних процесів на основі енергетичних показників, приведених і прямих затрат, а також розрахунку лімітної ціни та строку окупності.

Інтегровані машини для основного обробітку ґрунту, вплив якості роботи яких на кінцевий результат (зібраний урожай) визначати досить складно, доцільно оцінювати за енергетичними показниками. Розрахунок паливно-енергетичних показників обробітку ґрунту по спіралі за запропонованою методикою показав, що у порівнянні з традиційним загінним способом продуктивність агрегату більша на 18 %, витрати пального менші на 9,7 %, а загальні затрати енергії менші на 10 %. Вплив якісного внесення мінеральних добрив на урожай достатньо формалізовано. Тому ефективність нових машин для внесення добрив пропонується визначати за прямими затратами і прибутками. Застосування інтегрованих засобів локально-дозованого внесення мінеральних добрив дозволяє одержати прибуток понад 152,6 грн на гектар за рік. Ефективність засобів оперативного контролю та керування процесами висіву насіння і збирання урожаю пропонується визначати за приведеними затратами. За проведеними розрахунками строк окупності використання запропонованих засобів на посіві становить 2,5 роки, а на збиранні урожаю зернових культур - 3,7 роки.

Результати досліджень зі створенню засобів механізації нового покоління та їх впровадження з відповідним ефектом представлено в таблиці 8.

Методологічні основи створення засобів механізації з керованою якістю виконання робочих процесів використано в ННЦ "ІМЕСГ" при удосконаленні технологічних операцій обробітку ґрунту, сівби, внесення добрив і збиранні урожаю, що виконувалися за відповідними державними замовленнями, а також у навчальних програмах НАУ при вивченні дисциплін "Методика проектування сільськогосподарських машин", "Вимірювальні прилади і системи вимірювань".

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми підвищення ефективності технічного забезпечення процесів вирощування сільськогосподарських культур, які відображені у запропонованих науково-технічних основах розробки перспективних засобів механізації рослинництва з керованою якістю виконання технологічних процесів й реалізовані в інтегрованих МТА, що забезпечують вагомий економічний і екологічний ефект. Основними результатами виконаних досліджень є наступні:

1. Підвищення ефективності роботи засобів механізації вирощування зернових культур потребує застосування сільськогосподарської техніки нового покоління з оперативним керуванням якістю виконання технологічних операцій, що дозволяє, за певних умов, збільшити продуктивність машин - до 20 %, зменшити витрату палива на базових операціях до 30 %, хімічних препаратів при догляді за рослинами до 70 %, зерна при його збиранні до 67 % та зумовлює зростання врожайності.

2. Для технічного забезпечення новітніх технологій вирощування зернових культур необхідна розробка інтегрованих машинно-тракторних агрегатів, що здійснюють основні технологічні процеси (обробітку ґрунту, посіву, внесення твердих мінеральних добрив, захисту рослин, збирання врожаю) на основі оперативного керування режимами та параметрами робочих органів машин з використанням результатів моніторингу стану поля і банку агротехнологічних даних.

3. Поточні відхилення показників стану об'єктів керування від заданих та параметри керуючих дій, спрямованих на усунення цих відхилень дозволяє визначати розроблена структура нового класу механіко-технологічних систем типу "людина - засоби оперативного керування - машина - поле" з керованою якістю виконання базових механізованих процесів вирощування зернових культур, що реалізовано при обґрунтуванні змінних конструктивно-технологічних параметрів і режимів роботи ґрунтообробного (Т-150К+ПЛИ-5-35-І), для внесення добрив (МВУ-5Б-І), посівних (на базі СЗ-3,6А-І, АПП-6-І) і збирального (ДОН-1500-І) агрегатів.

4. Визначення поточних параметрів і режимів керування напрямом руху агрегатів та положенням робочих органів машин з обробітку ґрунту і внесення твердих мінеральних добрив для досягнення заданої якості виконання технологічних процесів забезпечується запропонованими математичними моделями перехідних процесів роботи цих агрегатів. Зокрема, при виконанні основного обробітку ґрунту без розриву технологічного процесу ("за спіраллю") інтегральним машинно-тракторним агрегатом Т-150К+ПЛИ-5-35-І відхилення криволінійних траєкторій суміжних проходів не перевищує 10 %.

5. Для визначення доцільності застосування тих чи інших технічних засобів і ефективності альтернативних варіантів реалізації сучасних технологічних процесів запропонований комплексний метод формалізації, синтезу й інтегральної оцінки сільськогосподарської техніки з керованою якістю виконання технологічних операцій на різних етапах її створення. За розробленою "матрицею якості" технологічного процесу висіву зерна визначено раціональну структурно-функціональну схему інтегрованого посівного агрегату, що реалізована на базі сівалок СЗ-3,6А-І, АПП-6-І.

...