Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Методические основы оценки использования машин

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Щетинин Н.В.

Зерноград 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская Государственная агроинженерная академия»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Валуев Николай Васильевич;

доктор технических наук, профессор

Скороходов Анатолий Николаевич;

доктор технических наук, профессор

Ермольев Юрий Иванович.

Ведущее предприятие: ФГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ВИМ, г. Москва)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях сельское хозяйство немыслимо без применения машин. Значительная часть затрат сельскохозяйственного производства (по некоторым данным более половины) приходится на машиноиспользование. Достоверная оценка происходящих изменений и сравнение их с предполагаемыми изменениями позволяют осуществлять объективную оценку правильности выбранных решений в использовании ресурсов, экономический контроль над эффективностью разрабатываемых мероприятий. Известно, что затраты в сельском хозяйстве России в три-четыре раза выше, чем в развитых странах. Хотя это может и не выглядеть само собой разумеющимся, но все сегодняшние кричащие проблемы сельского хозяйства уходят своими корнями в неэффективное машиноиспользование. Неконтролируемые расходы инженерной службы способны поглотить больше ресурсов, чем их имеется в хозяйствах.

Эффективность функционирования техники зависит от условий эксплуатации, однако понятие эффективности использования техники весьма неоднозначно, применяемые методики ее оценки не выдерживают элементарного тестирования. В настоящее время проведение объективного анализа машиноиспользования сельскохозяйственными предприятиями невозможно. Поэтому проблема оценки результатов машиноиспользования представляет научный и практический интерес для дальнейшего развития технологий в сельскохозяйственном производстве. Назрела необходимость в переосмыслении основных положений и понятий науки об использовании машин в сельском хозяйстве, ее целей и задач и, как следствие, эффективности машиноиспользования. Анализ информации в области оценки результатов использования машин выявил необходимость теоретического обоснования методов оценки результатов машиноиспользования.

Для решения этих задач нужен новый подход к определению результатов машиноиспользования. Методически новый подход опирается на логику принятия суждений и умозаключений, предусматривает переосмысление основных положений о продукции и результатах функционирования машин.

Оценка эффективности работы машинно-тракторного парка (МТП) базируется на знании энергетических характеристик объектов, участвующих в процессе машиноиспользования. Предлагаемые методы и средства определения энергетических параметров машин и энергоемкости производственных процессов основаны на современных компьютерных технологиях. Отсутствие в современных условиях достоверных методов оценки результатов машиноиспользования делает актуальным данное исследование.

Цель работы (исследования). Разработка методических основ оценки результатов использования машин, соответствующих общим методологическим принципам, обоснование методов и средств достоверной оценки результатов использования машин в эксплуатационных условиях.

Задачи исследований формулировались в процессе их проведения, причем последующие вытекали из предыдущих, а не возникли в начале исследований.

В задачи исследований входило:

1. Установить основные принципы или законы, которыми следует руководствоваться при оценке результатов машиноиспользования.

2. Установить виды продукции, получаемой при использовании тракторов (энергетических средств), рабочих машин и их обслуживающих систем и провести анализ возможностей объективной оценки (измерения) количества продукции, производимой различными машинами.

3. Разработать методы определения энергоемкости процессов (сопротивления машин) и энергетических параметров тракторов и их двигателей для эксплуатационных условий и произвести их экспериментальную проверку

Анализ систем оценки результатов использования машин показал, что применение существующей системы оценки не обеспечивает достоверной оценки, так как она технически необоснована.

Недостоверность и техническая необоснованность обусловлена следующим:

· одинаковые результаты машиноиспользования оцениваются неодинаково, обеспечивая преимущество энергонасыщенным тракторам;

· обеспечение преимущества энергонасыщенным тракторам, а не объективная оценка результатов, являлось задачей разработчиков системы оценки;

· система оценки противоречит основным методологическим принципам.

Авторская гипотеза - систематизация методологических принципов оценки результатов функционирования машин позволит получить научную базу для управления процессами машиноиспользования.

Объекты исследований (научного анализа)- энергетические средства, рабочие машины, их продукция и измерительные средства для определения результатов использования машин.

Предмет исследований - законы и закономерности процессов изменения параметров и ресурса машин при их использовании по назначению.

Методы исследований - дедуктивный и индуктивный, теория функций, теория размерностей, теория решения инженерных задач.

Научная новизна результатов исследований: представлена новая парадигма науки об использовании машин (методические основы), которая включает:

- основные методические принципы науки об использовании машин и сформулированные автором законы функционирования сложных систем;

- основные показатели систем оценки эффективности использования машин;

- алгоритм формирования системы оценки результатов использования машин;

- метод определения энергоемкости полевых работ по расходу топлива на операции в эксплуатационных условиях;

- метод определения кинематических параметров движения зубчатых колес;

- методики определения углового ускорения коленчатого вала ДВС;

- методы определения энергетических параметров двигателей и тракторов,

- метод определения сопротивления рабочих машин;

- алгоритм определения энергетических параметров двигателей, тракторов и рабочих машин.

Практическая ценность и реализация работы. Направление исследований одобрено НТС Ростовского облисполкома в 1986 г. В Государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования «Требования к уровню подготовки дипломированного специалиста по специальности 311300 - «Механизация сельского хозяйства» указывается, что специалист должен знать методы анализа эффективности машиноиспользования. Такие же требования предъявляются и к ряду других специальностей. Однако в учебниках не приводится объективных достоверных методик такого анализа. Специалисты самостоятельно не могут такой анализ осуществлять, что приводит к частичному выполнению Стандарта. Сформулированные законы функционирования сложных систем позволят уменьшить количество ошибок при проектировании и анализе результатов машиноиспользования.

Разработанные методы определения кинематических параметров движения зубчатых колес и их ускорений делает методику определения мощности двигателей по ускорению свободного разгона коленвала работоспособной в эксплуатационных условиях.

Разработанные методы оценки энергоемкости механизированных работ в эксплуатационных условиях позволят производить адекватную оценку энергоемкости выполняемых операций. Анализ достоверной информации позволит принимать правильные решения при управлении производственной и технической эксплуатацией МТП сельскохозяйственных предприятий. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при подготовке и повышении квалификации кадров агропромышленного комплекса.

Материалы исследования используются в учебном процессе ФГОУ ВПО АЧГАА и ВГОУ ДПО Ростовский институт повышения квалификации кадров агропромышленного комплекса

Апробация работы. Материалы работы доложены и получили одобрение на ежегодных научно-практических конференциях Азово-Черноморской Государственной агроинженерной академии в 1986-2007 гг., Ленинградского СХИ в 1988 г., Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии в 1997 и 2007 г., ВНИПТИМЭСХ 2000-2006 гг., Харьковском ИМЭСХ в 1990 г. МГАУ 1998 г., ежегодном собрании РАСХН в 2001 г., Тимирязевской СХА в 2002 г., на семинаре-совещании зав. каф. Эксплуатации МТП в г. Москва в 2003 г.

Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в центральных журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Техника в сельском хозяйстве», «Известия вузов. Сев.-Кав. регион», в изданиях ФГОУ ВПО АЧГАА, СГАУ, ИСХА, ВНИПТИМЭСХ. Материалы исследований отражены в 36-и печатных работах, в том числе 9 в центральных журналах, в 3-х авторских свидетельствах и 6-ти патентах на изобретения.

На защиту выносятся:

- результаты анализа систем оценки на базе у.э. га и га м.п. и оценки результатов машиноиспользования по конечному результату;

- закон возможной неработоспособности сложных систем;

- закон независимости результатов функционирования сложных систем;

- виды продукции и показатели машиноиспользования производственной и технической эксплуатации машин;

- алгоритм построения систем оценки результатов использования машин;

- метод определения параметров движения зубчатых колес;

- алгоритм определения энергетических параметров двигателей, тракторов и рабочих машин;

- методы определения сопротивления рабочих машин.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР академии.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, общих выводов, списка литературы из 202 наименований и 6 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 229 страницах текста, включает 51 рисунок и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследований и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» выполнен анализ применявшихся систем оценки результатов машиноиспользования.

В 30-е годы в Советском Союзе стали образовываться машинно-технические станции (МТС) и одновременно появилась система, которая базировалась на единице измерения гектар мягкой пахоты (га м.п.). Все работы переводились в условные единицы перемножением на специально установленные коэффициенты. Эта система была принята без каких бы то не было обоснований или допущений. Совершенствование системы оценки длительное время сводилось к уточнению переводных коэффициентов или определению технически обоснованных норм выработки на каждом виде работ. Главной проблемой считалось определение энергоемкости процессов. Вопросы, связанные определением энергоемкости полевых механизированных работ обсуждались широко. Возник вопрос о пересмотре системы оценки результатов машиноиспользования. Следует подчеркнуть, что конкретной критики старой системы снова было немного. Было указано на несоответствие переводных коэффициентов удельному сопротивлению машин. Почему именно нужно менять методику оценки, сказано не было.

Попытаемся установить, в чем заключается отличие двух систем оценки. Пусть трактор любой марки выполнял любую технологическую операцию в составе агрегата и выполнил объем работ в физических гектарах W_физ, технически обоснованная сменная выработка агрегата составляла W_см, сменная выработка в эталонных условиях (эталонная выработка) составляет W_эт.

Тогда по современной методике выработка на операции в у.э.га Q_э определится по формуле

Q_э= (W_физ/ W_см)· W_эт . (1)

Количество приведенных гектаров пахоты мягких земель находят из выражения

U_пр = W_физ·, (2)

где - коэффициент перевода на пахоту мягких земель.

Коэффициент устанавливается особым постановлением и представляет собой округленное значение частного от деления производительности трактора на пахоте мягких земель на производительность его на данной работе.

Для расчетов нам нужно знать производительность трактора на мягкой пахоте. Под пахотой мягких земель понимается пахота полностью соответствующая эталонным условиям, приведенным выше. Учитывая это, можно утверждать, что производительность на мягкой пахоте соответствует эталонной производительности, следовательно,

U_пр = W_физ· ( W_эт /W_см). (3)

Несложно показать, что правые части формул (1) и (3) тождественно равны между собой.

W_физ· ( W_эт /W_см) = (W_физ/ W_см) · W_эт . (4)

Это означает, что при одинаковых условиях утверждения нормативов и округления расчетов эти две методики ничем не отличаются, при расчетах по любой методике на любой операции получится одна и та же величина.

Авторы второй методики доказывали, что первая имеет недостатки, требующие коренного пересмотра или замены методики, утверждали, что вторая методика коренным образом изменена, а на поверку оказалось, что изменено только название единицы. Игнорирование объективных фактов и подгонка результатов под необоснованные требования является признаком лженауки.

Поскольку объективного анализа не проводилось, то остался открытым вопрос о достоверности методики и методах принятии решений. Вопрос целей, задач и эффективности машиноиспользования до сих пор нельзя считать решенным. Эти вопросы являются фундаментальными, поэтому при их решении вначале нужно определиться с методологией.

Для уточнения понятия эффективности рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Пусть, на двух одинаковых участках (на одном и том же поле) МТП выполнены работы по возделыванию одной и той же культуры. Они выполнялись одинаковыми агрегатами, с одними и теми же регулировками, нормами внесения пестицидов, но компоненты были разными. В результате на одном участке урожайность оказалась выше, чем на другом в два раза. Если полагать, что результат функционирования машин характеризуется урожайностью, то они окажутся эффективнее самих себя. Очевидно, что в этом случае урожайность не характеризует эффективность применяемой техники. Достоверная методика должна в этом случае давать одинаковый результат, иначе она противоречит принципу однозначности.

По урожайности предлагают сравнивать различные технологии выращивания культур. Для оценки допустимости такого сравнения рассмотрим другой пример.

Пример 2. На двух участках с одинаковым тяговым сопротивлением машин, но различным плодородием почвы, МТП выполнены одинаковые работы при выращивании одной и той же культуры по единой технологии. Вследствие различного плодородия на одном участке урожай получен больше, чем на другом в два раза. При этом окажется, что технология эффективнее самой себя.

Данные примеры свидетельствуют, что урожайность не характеризует эффективность ни техники, ни технологии, так как одинаковые агрегаты в первом и втором примерах и технологии во втором получат разную оценку. Такой подход противоречит принципу однозначности или непротиворечивости.

Официально признается, что затраты в сельском хозяйстве России в три-четыре раза выше, чем в развитых странах. Затраты на эксплуатацию машин составляют 30-50% в растениеводстве, в животноводстве - 35% и более. Это означает, что эти затраты на машиноиспользование в России больше чем все затраты на производство сельхозпродукции в развитых странах. Поэтому есть основания подвергнуть сомнению любую концепцию развития машиноиспользования, кем бы она не высказывалась. Сельское хозяйство неэффективно, машиноиспользование неэффективно. Следует выяснять причины неэффективности машиноиспользования. Эта задача не может быть решена без разработки методических основ оценки результатов использования машин.

В разделе ” Аналитический обзор методов исследований и теоретические предпосылки оценки результатов использования машин” отмечается, что машиноиспользование является основой современного производства продукции сельского хозяйства. Любое производство функционирует в условиях ограниченности ресурсов, поэтому науку должны интересовать проблемы эффективного использования ресурсов, инвестированных в МТП или управления ими с целью достижения максимального экономического эффекта. Для этого необходимо установить цели и задачи машиноиспользования. Оценивать результаты функционирования рассматриваемых объектов при решении поставленных задач и достижении цели можно только на основании достоверной информации, применяя обоснованные методы оценки. У специалистов в области эксплуатации сельскохозяйственной техники существуют проблемы при проведении такого анализа. Эти проблемы требуют своего разрешения.

В первую очередь необходимо решить вопрос о предмете и методе науки, о том, как избежать ошибок при принятии решений.

Научные исследования должны базироваться на общих для всех наук методологических принципах. В качестве высшего методологического принципа выступает требование объективности рассмотрения. Следствием принципа объективности рассмотрения является требование не идти от вторичных явлений к их причинам, а наоборот, исходя из первичных явлений, из причин выявлять все возможные следствия. Другим следствием принципа объективности является принцип конкретности, требующий при изучении объекта исходить из его особенностей, специфических условий его существования.

Основные методологические принципы - наиболее общие требования, которым должны удовлетворять наши рассуждения и логические операции с мыслями, если мы ставим перед собой цель достигать истину рациональными методами: тождества, непротиворечия, исключенного третьего и достаточного основания.

Принцип тождества устанавливает требование определенности мышления.

Принцип непротиворечия требует, чтобы мышление было последовательным, запрещает одновременно принимать некоторое утверждение и его отрицание.

Принцип исключенного третьего требует не отвергать одновременно высказывание и его отрицание.

Принцип достаточного основания требует, чтобы всякое утверждение было в какой-то мере обоснованно, т.е. истинность утверждений нельзя принимать на веру. Оснований должно быть достаточно для выведения из них рассматриваемого утверждения.

Если требование принципа достаточного основания не выполняется, то утверждения оказываются необоснованными, голословными.

Во всех отраслях человеческой деятельности, специалисты формулируют принципы, которые полезны при разработке политики, ставящей своей целью решение возникающих проблем.

Методы индукции и дедукции для любой науки известны со времен Ньютона и Лейбница. Сначала специалист выявляет и собирает факты, которые относятся к рассмотрению конкретной проблемы. Эту задачу иногда называют "описательной, или эмпирической наукой". Специалист устанавливает также общие принципы, то есть выводит обобщения относительно реального поведения объектов. Выведение принципов из фактов называется теорией или "теоретическим анализом".

Используемые методы изображены на рисунке 1. Блок 1 описывает первую задачу, блок 2 - вторую. Индукция идет от фактов к теории, от частного к общему.

Приступая к изучению любой проблемы, специалисты должны применять индуктивный метод, с помощью которого они собирают, систематизируют и обобщают факты. Напротив, дедуктивный метод подразумевает выдвижение гипотез, которые затем сопоставляются с фактами. Полученные на основе любого из этих методов обобщения полезны не только для объяснения поведения объектов исследования, но также и для выработки нормативных утверждений, (блок 3). Российские и советские исследователи часто не выделяют третий блок, западные специалисты подчеркивают, что третий блок содержит нормативные утверждения, которые являются субъективным мнением одного или группы специалистов.

По виду целей, которые преследуют аналитики при оценке результатов деятельности человека, методы оценок можно разделить на две группы (рисунок 2).

Рисунок 1 - Схема принятия решений



Рисунок 2 - Классификация методов оценки результатов деятельности

К первой группе относятся методы, целью которых является получение истины, ко второй - методы, ориентированные на достижение других целей. Методы первой группы могут быть обоснованными, то есть отвечающими требованиям основных методологических принципов. Следует помнить, что методы, которые являются обоснованными в одних условиях, могут быть необоснованными в других условиях. Метод, не отвечающий хотя бы одному из общих методологических принципов или противоречащий законам природы, является необоснованным. Утверждения, опирающиеся на такие методы, являются необоснованными или голословными. Игнорирование объективных легкопроверяемых фактов ставит учение в положение лженауки.

Тенденциозные системы оценки могут создаваться для представления результатов в заданной или приемлемой заинтересованной стороне форме. В этих случаях истинность отображения не обязательна. Может предоставляться неполная информация и даже дезинформация. Тенденциозные методы отличаются от ошибочных тем, что их направленность на получение желаемого результата каким-то образом обозначена. Установить четкую границу между тенденциозными (лженаучными) методами и ошибочными может быть очень сложно.

Используемая в настоящее время система оценки результатов машиноиспользования базируется на фундаментальных положениях, при которых нормы выработки являются важнейшим средством учета результатов труда. Оценим возможности анализа результатов использования машин с помощью действующей в настоящее время системы оценки. Определим основные показатели использования трактора любой марки при выполнении заданной операции в течение смены, если трактор выполняет технически обоснованную сменную норму выработки и имеет нормативный расход топлива на операции.

Пусть трактор за сменное время Т_см расходует G_см топлива, сменная выработка трактора составляет W_см , удельный расход топлива g_га . При этом

G_см = W_см g_га . (5)

Полагаем очевидным, что при комплектовании (проектировании) агрегатов необходимо стремиться к увеличению или поддержанию заданной сменной выработки W_см и снижению удельного расхода топлива g_га. Экономическим критерием при этом является минимум затрат на обработку единицы площади обработки s_га, т.е.

s_га = S_см/W_см min. (6)

Суммарные сменные S_см затраты на эксплуатацию трактора определятся из выражения

S_см = S_топ+S_аморт+S_ТОР+S_проч, (7)

где: S_топ - затраты на топливо;

S_аморт - амортизационные отчисления;

S_ТОР - отчисления на техническое обслуживание и ремонт;

S_проч - прочие затраты.

Часто считают, что затраты S_см следует иметь как можно меньше. Однако известно, что наиболее экономичным является режим работы трактора при загрузке двигателя близкой к номинальной, при этом часовой расход топлива приближается к максимально возможному. Следовательно, ставить задачу снижения часового или сменного расхода топлива трактором нельзя. Износ трактора пропорционален количеству израсходованного топлива, поэтому при повышении сменного расхода топлива трактором увеличиваются затраты на амортизацию, техническое обслуживание и ремонт трактора S_аморт и S_ТОР. Таким образом, ставить задачу снижения величины сменных затрат нельзя. Сменная выработка трактора в у.э. га или га м.п. W_у.см является постоянной величиной, равной его сменной выработке в эталонных условиях.

Расход топлива на у.э. га определится из выражения

. (8)

Затраты на у.э. га определятся из выражения

. (9)

В выражениях (8) и (9) в знаменателях стоит постоянная величина, а числители, как показано выше, минимизировать нельзя, поэтому такие показатели, как удельный расход топлива на условный эталонный гектар и затраты на условный эталонный гектар, также нельзя минимизировать.

Большинство специалистов в настоящее время полагают, что при управлении необходимо стремиться к снижению расхода топлива и затрат на условный эталонный гектар. Следовательно, удельные показатели, которые следует принимать критериями оптимизации при эксплуатации МТП, должны быть другими. Система оценки, показатели которой дезориентируют, является технически необоснованной.

Закон возможной неработоспособности сложных систем. В процессе деятельности человека создаются новые сложные системы, в том числе и системы оценки, которые могут оказаться неработоспособными. В этом случае обычно полагают, что созданная система обязательно содержит неработоспособную подсистему. Так ли это? Множество изобретателей, не зная законов природы, предлагали систему “вечный двигатель”, содержащую электродвигатель, генератор, аккумулятор и соединительные проводники. Такая система может состоять только из работоспособных элементов. Многофакторные эксперименты с материалами, вакуумом, низкими температурами и т.п. позволят значительно улучшить свойства элементов системы, но конструкция останется неработоспособной.

Причины неработоспособности систем, состоящих только из работоспособных подсистем, объясняются законами природы. Если закон, объясняющий причину неработоспособности системы известен, то ее создатель недостаточно компетентен, если не известен, то возможно научное открытие в виде нового закона природы. Именно такие случаи представляют интерес для науки. Создатели систем должны знать:

- неработоспособная система может состоять только из работоспособных подсистем.

Это один из законов функционирования сложных систем. Утверждение о том, что система работоспособна, если все ее подсистемы работоспособны, имеет границы, только внутри этих границ можно принять его в качестве допущения аналогично тому, как принимается допущение о параллельности отвесов на стройплощадке. Полностью исправный автомобиль, соответствующий всем требованиям технической документации, может быть неработоспособен в условиях бездорожья.

Следствием этого закона является вывод о необходимости тестирования любых систем на работоспособность, в том числе и состоящих из заведомо работоспособных элементов. Тестирование не доказывает работоспособность системы, а только подтверждает ее в заданных условиях. Определение границ работоспособности моделей (теорий, принципов, законов и т.п.) при принятых допущениях является важным аспектом исследования. Часто отсутствие четких границ работоспособности модели делает ее неприменимой или сомнительной. Прежде чем приступать к совершенствованию системы необходимо убедиться в ее работоспособности в реальных условиях.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время отсутствуют достоверные модели, позволяющие сравнивать результаты функционирования МТП и применяемых технологий. Следует отметить, что отсутствуют также модели оценки эффективности технической эксплуатации (ТЭ) МТП. Цель ТЭ не сформулирована в учебниках и учебных пособиях.

При совершенствовании управления производством необходимо оценивать результаты функционирования не только всей системы, но и ее составляющих, определять эффективные и неэффективные участки и подразделения.

Значительные сложности в настоящее время представляет определение эффективности функционирования подсистем сложных систем. К таким системам относятся различные системы машиноиспользования. Ю.В. Бахтеев указывая на догматичность при оценке эффективности технического оснащения с.х.производства, отмечал, что многолетняя практика показала, что в реальных условиях хозяйствования фактический экономический эффект от концентрации производства в обслуживающих отраслях существенно ниже теоретического, даже бывает отрицательным.

В 2004 году по сообщениям СМИ в некоторых областях Сибири половина урожая зерновых практически погибла под снегом. Поскольку задача, стоявшая перед системой уборки - убрать весь урожай - не выполнена, то эта система неработоспособна, хотя комбайны, будь их в два раза больше, задачу выполнили бы. В России на один комбайн приходится около 200 га, в развитых странах - не более 100. Сезонная наработка комбайна в наших условиях выше в 2 раза, чем в США и в 4 раза, чем в странах Западной Европы. Западная система в этих же условиях оказалась бы работоспособной.

Закон независимости результатов функционирования подсистем

Конечный результат функционирования системы не всегда характеризует эффективность входящих в нее подсистем, а только при условии конъюнкции результатов системы и ее подсистем. Конъюнкция результатов наблюдается далеко не всегда. В качестве примера рассмотрим модель функционирования растениеводства (рисунок 3).

Рисунок 3 - Модель функционирования растениеводства

Для получения определенной продукции растениеводства нужно иметь землю в определенной климатической зоне и семена определенного качества. Для семян, которые будут положены в почву, не имеет значения, каким образом почва подготовлена под посев. Подготовка почвы должна отвечать заданным требованиям. Заданные требования устанавливает технолог, отвечающий за получение урожая, исходя из биологических свойств культивируемого растения и природно-климатических условий. Он же назначает требования к качеству посева и последующих обработок. Полагаем, что он назначает выполнимые требования к операциям и имеет возможность выбора на рынке подобных услуг. Совокупность назначенных механизированных операций назовем технологией производства продукции растениеводства. Величина урожая будет зависеть не только от качества выполненных операций, но и от качества земли, семян, удобрений, количества осадков, квалификации технолога и других факторов.

Прибыль от реализации продукции зависит от цены реализации и себестоимости выращенной продукции. Если кому-то удалость получить большую прибыль, реализовав продукцию с более высокой себестоимостью по цене, обеспечивающей такую прибыль, то в этом случае эффективность технологии зависит от себестоимости продукции, а более высокая прибыль говорит об эффективности системы более высокого уровня, например, системы реализации продукции.

Себестоимость выращенной продукции зависит от стоимости различных видов продукции подсистем, которые понадобились при выращивании урожая.

Если технология требует применения сеялок точного высева, то качество их работы определяется параметрами посева: точностью размещения гнезд, количеством семян в гнезде и глубиной заделки семян. Если заданные технологом параметры выдержаны, то исполнитель имеет право на оплату продукции, выраженную в гектарах посеянной культуры. Это его конечная продукция. Если в системе более высокого уровня произошел сбой, например, посеяны некачественные семена, то это не изменяет цены оказанной услуги по посеву, так как результат функционирования соответствует оговоренным требованиям.

Технолог может создать неработоспособную технологию, например, поставить задачу выращивать бахчевые без ручного труда на прореживании растений в гнездах за счет применения сеялок точного высева при всхожести семян 40%, при этом более 90% гнезд должны иметь два растения. Теория вероятностей покажет, что применение даже идеальной сеялки не поможет решить поставленную технологом задачу. Поэтому в данном случае неэффективной является технология выращивания культуры, которая не может решить поставленную задачу. Технология посева в данной задаче имеет свои результаты, отличные от результата возделывания культуры.

Аналогичным способом можно рассмотреть функционирование любых подсистем. Поэтому можно сформулировать как закон функционирования сложных систем следующее:

- результаты функционирования подсистем, входящих в систему, не зависят от результатов функционирования системы.

Независимость результатов в данном случае подразумевает тот факт, что при определенных результатах работы подсистемы, на выходе системы, использовавшей этот результат, могут быть получены различные результаты, зависимые от результатов функционирования других систем. Оценивать эффективность любой системы, в том числе и подсистем, следует только по их результатам. Следует еще раз подчеркнуть, что каждая из систем имеет свою продукцию, свой результат.

Может возникнуть предложение для опровержения этого закона рассмотреть системы автоматического регулирования параметров процессов или с обратной связью. Но их работа зависит не от параметров системы, т. е. ее выхода, а от сигналов, поступающих от исполнительных механизмов, т.е. входов в эти подсистемы. Нужны целенаправленные усилия для того, чтобы изменения на выходе из системы приводили к заданным изменениям в работе подсистемы.

Основная сложность расчета эффективности подсистем сельскохозяйственного производства, составляющих МТП, заключается не только в правильном определении количества их продукции, но и в определении самой продукции этих подсистем. Нигде не приводится понятие “продукция системы технического обслуживания”.

Поскольку каждая подсистема имеет свою продукцию, то оценка должна охватывать все виды продукции, производимой в процессе машиноиспользования.

Следует подчеркнуть, что сравнения должны быть сопоставимыми, так топливную экономичность лучше определять не в рублях, а в килограммах израсходованного топлива, если сравнивается себестоимость, то при расчетах следует помнить, что одинаковые компоненты могут приобретаться по разным ценам, сравнение должно проводиться в сопоставимых ценах.

При таком подходе возникает задача разложения системы производства на подсистемы. Сельское хозяйство содержит растениеводство и животноводство. Их в свою очередь можно разделить на подсистемы. При анализе эффективности производства для каждой подсистемы следует установить вид продукции, которую она производит, способы оценки ее количества и качества.

Растениеводство в хозяйстве в целом содержит системы (подсистемы) производства культур.

МТП обеспечивает полевые механизированные работы. При этом не может ставиться задача выполнения этих работ в заданные сроки с требуемым качеством. Это является условиями технологии возделывания культуры. Если заданные условия или требования по какой-то причине не могут быть выполнены, то необходимо менять технологию, а применение МТП считать неэффективным или ошибочным. Причины неэффективности могут быть различными.

Растениеводство содержит в себе технологии возделывания нескольких культур, эффективность их выращивания зависит от урожайности этих культур.

Процессы машиноиспользования осуществляются в виде ПЭ и ТЭ, для которых имеются свои виды продукции.

Машина приобретается для получения ее продукции. Возможности машины производить продукцию отражаются ее технической характеристикой. Основными параметрами машин, влияющими на эффективность их применения, кроме технической характеристики являются стоимость машины Б, срок службы Р или ресурс и затраты на поддержание машины в работоспособном состоянии в течение срока службы или выработки ресурса S_ТОР (затраты на техническое обслуживание и ремонт). В некоторых случаях большое значение могут иметь затраты труда на получение продукции, расход других ресурсов.

Виды продукции подсистем машиноиспользования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные виды продукции при ПЭ машин

Подсистема машиноиспользования	Вид продукции	Единицы измерения
Производственная эксплуатация рабочих машины, комбайнов Производственная эксплуатация энергетических средств	Обработанные почва, материал, перемещенные грузы и т.п. Энергия, переданная рабочим машинам	га, т, т·км и т.п. кВт·ч, Дж и т. п.

Если в растениеводстве обработанная почва часто выступает в качестве продукции, то в животноводстве чаще обрабатываются материалы.

Предположим, технология производства предполагает провести культивацию. МТА в простом варианте содержит рабочую машину и энергетическое средство.

Результатом использования культиватора является изменение состояния почвы, а обработанная площадь -- количеством продукции W. Качество ее оценивается соответствием агротехническим требованиям. Если продукция им не соответствует, она бракуется со всеми вытекающими последствиями.

Современные тракторы снабжены устройствами, позволяющими определять большинство параметров, необходимых для анализа машиноиспользования. Бортовой компьютер Infotrac тракторов ARES фирмы CLAAS имеет счетчик событий (остановок, заправок и т.п.), может фиксировать пройденный участок пути, весь пройденный путь. При анализе производительности может фиксироваться общая обработанная площадь, площадь обработанного участка. Может определяться производительность машин в га/ч, фиксироваться рабочее время.

Силосоуборочный комбайн этой фирмы Jaguar снабжен компьютером, позволяющим записывать заказы клиентов, показывать время работы в часах, мото-часы, урожайность, производительности т/ч и т/заказ, расход топлива в л, л/ч, л/га. Однако эти все данные нужно уметь анализировать.

Для выполнения операции культиватор нужно снабдить энергией Е для преодоления сопротивлений. Ее источником могут быть различные тракторы, а себестоимость производимой ими энергии будет разной. Продукцией энергетического средства является энергия E, переданная рабочей машине. Ее себестоимость определяет эффективность использования тракторов. При определении эффективности использования машин необходимо учитывать стоимость энергии в данных условиях.

Износ машины пропорционален обработанной площади. Для того, чтобы выполнить операцию, нужно понести эксплуатационные затраты на содержание и использование культиватора. Эффективность определится разницей между рыночной стоимостью товара и произведенными затратами. Очевидно, что если продукция потребляется, то она имеет цену.

В рассмотренном примере в эксплуатационных условиях значительную сложность представляет определение энергоемкости процесса. Определение остальных параметров при правильном учете сложности не представляет.

Система технического обслуживания и ремонта машин поддерживает их в работоспособном состоянии в процессе использования. При этом решается задача снижения затрат на единицу продукции (таблица 2). Продукцией системы ТОР является обеспеченный ресурс машин Р, т. е. для каждой конкретной машины будет своя продукция, выражаемая в единицах обеспеченного ресурса. Например, обслуживаемый трактор израсходовал до списания 100000 кг топлива. Обеспеченный ресурс при этом будет таким же. Если два трактора одной марки израсходовали до списания одинаковое количество топлива, то эффективнее работала система ТОР, которая затратила на поддержание работоспособности меньше своих ресурсов. Поддержание работоспособности осуществляется выполнением различных работ или операций. Продукцией подсистем системы ТОР будут выполненные операции.

Таблица 2 - Основные виды продукции при ТЭ машин

Подсистема ТЭ	Вид продукции	Единицы измерения
Система ТОР рабочих машин, комбайнов, энергетических средств	Обеспеченный ресурс	га, ч., кг топлива
	Выполненные операции ТОР	шт.

Система технического сервиса в процессе эксплуатации несет затраты на поддержание и восстановление работоспособности машин, то есть на техническое обслуживание и ремонт (ТОР). Контроль качества продукции технического сервиса машин заключается в проверке соответствия параметров их технического состояния нормативным, оговоренным в соответствующих документах. Контроль параметров технического состояния рабочих машин, как правило, сложностей не представляет и описан в инструкциях по эксплуатации машин. Техническое состояние энергетических средств, их возможности выполнять свои функции определяются в значительной мере энергетическими характеристиками двигателя и тяговыми характеристиками трактора. Их определение в эксплуатационных условиях в настоящее время, как правило, невозможно. Это обуславливает необходимость совершенствования методов и средств определения энергетических параметров тракторов и их двигателей. Эффективность работ по обеспечению этого ресурса будет определяться затратами на единицу продукции.

Подсистемы технического сервиса выполняют различные технологические воздействия или операции, являющиеся продукцией этих подсистем N.

Показатели эффективности функционирования различных подсистем системы ПЭ представлены в таблице 3.

При покупке машины действительными являются параметры ее технической характеристики и стоимость. Срок службы или ресурс Р и затраты на поддержание машины в работоспособном состоянии в течение срока службы или выработки ресурса S_ТОР в момент приобретения являются предполагаемыми или проектируемыми. В процессе эксплуатации машин с помощью средств технической диагностики может определяться остаточный и прогнозируемый ресурс машин, фиксироваться расходы на ТОР. По этим данным можно определять прогнозируемые показатели машиноиспользования.

Таблица 3 - Показатели эффективности ПЭ машин

Подсистемы ПЭ	Показатели	Расчетные формулы
Рабочие машины	Себестоимость полученной продукции трудоемкость энергоемкость ресурсоемкость	sп=S/W; зтр=Зтр/W eп=E/W р=Р/W
Энергетические средства	Себестоимость энергии трудоемкость удельный расход топлива ресурсоемкость	s=S/E зтр=Зтр/E q=G/E р=Р/E

Действительный ресурс машин и затраты на ТОР определятся только после окончания эксплуатации машины, при этом можно установить действительные показатели эффективности приобретенной техники (таблица 4).

Таблица 4 - Показатели эффективности ТЭ машин

Подсистемы ТЭ	Показатели	Расчетные формулы
Операция ТОР машин	Себестоимость операции уд. трудоемкость энергоемкость ресурсоемкость	sо=Sо/N зотр=Зтр/N eоп=E/N р=ДР/N
Система ТОР	Уд. стоимость обеспечения ресурса уд. трудоемкость обеспечения ресурса уд. затраты на материалы для обеспечения ресурса	sрес=Sрес/Р зтррес=Зтррес/Р зматрес=Зматрес/Р

Наука об использовании машин изучает законы расходования ресурса при производственной эксплуатации и законы восстановления или сохранения ресурса при технической эксплуатации. Сохранение ресурса при технической эксплуатации и расходование ресурса при производственной эксплуатации имеют общность в уменьшении ресурса при протекании этих процессов. Различие заключается в том, что при технической эксплуатации расходование ресурса это вредный процесс и следует уменьшать расходование ресурса. Расходование ресурса машин является необходимым условием для системы производственной эксплуатации. При производственной эксплуатации происходит получение ее продукции за счет расходования ресурса, поэтому постановка задачи уменьшения расходования ресурса в единицу времени является некомпетентностью.

Измерение количества продукции для различных подсистем системы машиноиспользования позволит определять проектируемую эффективность применения любых машин при планировании работ, оценивать результаты применения машин, как при их эксплуатации, так и после ее окончании (списании или продаже), сравнивать эффективность применения различных машин и обслуживающих их систем.

Рассмотренные основные методологические принципы и сформулированные законы функционирования сложных систем позволили разработать алгоритм формирования системы оценки любых машин (рисунок 4).



Рисунок 4 - Алгоритм формирования системы оценки использования машин

В разделе «Теоретические предпосылки определения энергетических параметров» показано, что для определения количества продукции энергетических средств и системы технической эксплуатации необходимо знание параметров тракторов и их двигателей.

Для получения регуляторных характеристик двигателя достаточно иметь зависимости цикловой подачи топлива q_ц=f(n) и крутящего момента двигателя М_кр=f(n) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Зависимость q_ц=f(n) может быть определена в эксплуатационных условиях при помощи стендов для регулировки ТНВД и сложности не представляет. Значительную сложность представляет определение зависимости М_кр=f(n).

Для определения крутящего момента или мощности двигателя в эксплуатационных условиях были разработаны приборы типа ИМД. Эти приборы прошли необходимую экспертизу и были поставлены на производство, однако практически не используются, так как не обеспечивают нужную точность измерений, т. е. оказались неработоспособными.

Установим причину неработоспособности приборов типа ИМД. График изменения угловой скорости коленвала при разгоне представлен на рисунке 5. Ускорение при этом в любой точке кривой соответствует тангенсу угла наклона касательной к кривой в этой точке или первой производной. В точках экстремумов эти производные равны нулю, в других точках могут быть как положительными, так и отрицательными. Эта неравномерность обусловлена неравномерностью крутящего момента.

Если промежуток времени, за который измеряются скорости и ускорения значительно превышают время цикла, то неравномерностью крутящего момента за цикл можно пренебречь, приняв за действующий крутящий момент его среднее значение за время измерения. Если промежутки времени, за которые определяются параметры движения, меньше или близки по величине времени цикла, то следует учитывать неравномерность движения, его цикличность.

Угловая скорость

Время разгона

Рисунок 5 - Изменение угловой скорости коленвала при свободном разгоне

Для четырехтактных двигателей цикл соответствует повороту коленчатого вала на два оборота. При этом будет усреднена неравномерность крутящего момента по цилиндрам, обусловленная неравномерностью подачи топлива по цилиндрам. Следует отметить, что приборы типа ИМД не учитывают цикличность изменения крутящего момента двигателей при измерении ускорений, что обусловило их неработоспособность.

Сопротивление машины при выполнении технологического процесса является его энергетическим параметром. На его величину влияет не только состояние почвы, но и регулировки и режимы работы машины. Оперативное определение сопротивления машины и принятие обоснованных решений по изменение режимов работы машин требует измерения сопротивления машин в процессе выполнения операции.

Для определения сопротивления рабочих машин в эксплуатационных условиях разработан метод измерения, заключающийся в следующем. При рабочем ходе трактора за счет снижения подачи топлива достигают минимальной частоты вращения коленчатого вала, соответствующей максимальному крутящему моменту, затем резко увеличивают подачу топлива до максимальной. Двигатель трактора при этом переводится в режим максимального крутящего момента, поэтому трактор будет разгоняться, так как при комплектовании агрегатов обеспечивается загрузка двигателя меньше номинальной. При достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя во время разгона трактора измеряют угловое ускорение коленчатого вала двигателя, аналогично измеряют ускорение при разгоне трактора без рабочих органов. Параллельно (одновременно) измеряется буксование трактора и, из уравнений движения трактора и рабочих машин, определяют силу сопротивления рабочих машин.

Сделаем следующие допущения. Участок, на котором производятся измерения, является однородным по сопротивлению рабочих машин, сопротивлению перекатыванию трактора и рабочих машин. Энергетические параметры трактора в период измерений не изменяются.

При движении на горизонтальном участке уравнение движения трактора с рабочими машинами описывается известным уравнением:

, (10)

где - приведенная масса трактора;

- ускорение трактора при осуществлении технологической работы;

- движущая сила трактора;

- сила сопротивления перекатыванию;

- крюковое усилие трактора.

Движущая сила трактора определяется по известной формуле

, (11)

где - крутящий момент двигателя;

- к.п.д. трансмиссии;

- общее передаточное число трансмиссии;

- радиус качения.

По условию, номинальный крутящий момент двигателя не меняется, и если измерить ускорение трактора при номинальных оборотах, то в уравнении (10) неизвестными будут разность сил - и .

При движении трактора без нагрузки, т.е. без рабочих машин =0 и уравнение его движения имеет вид

, (12)

где: - ускорение трактора при движении без рабочих машин.

В уравнении (12) неизвестной будет только разность сил (- ). Таким образом, из уравнений (10) и (12) можно определить силу .

Крюковое усилие, это сила, действующая на трактор со стороны рабочих машин, сила тяги трактора действует на рабочие машины со стороны трактора, при этом сила тяги трактора равна по величине крюковому усилию трактора и противоположно направлена, т.е. .

В условиях эксплуатации загрузка трактора обычно составляет не более 85-90% от номинальной, превышает ее только при кратковременных перегрузках, поэтому условия для измерений будем создавать искусственно. При рабочем ходе агрегата или трактора без рабочих машин, уменьшая подачу топлива, достигнем частоты вращения вала двигателя, соответствующей максимальному крутящему моменту, и практически мгновенно переведем рычаг управления подачей топлива в положение максимальной подачи. Регулятор топливного насоса установит максимальную подачу топлива (режим перегрузки) и агрегат или трактор будет разгоняться до тех пор, пока не установится равновесие действующих сил. Так как агрегаты комплектуют с некоторой недогрузкой, то в какой-то момент двигатель трактора будет иметь номинальный режим. При достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя производится измерение углового ускорения коленчатого вала. Одновременно с измерением углового ускорения измеряем буксование трактора.

...