Техническое обеспечение транспортной логистики в технологиях производства сельскохозяйственной продукции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский технологический институт

ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка

(ГОСНИТИ) Россельскохозакадемии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРАНСПОРТНОЙ ЛОГИСТИКИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОИЗВОДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

Измайлов Андрей Юрьевич

Специальность 05.20.01 - технологии и

средства механизации сельского хозяйства

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ВИМ) и на Машиностроительном заводе опытных конструкций (МЗОК) ВИМ Россельхозакадемии в период 1992-2007 гг.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ,

академик Россельхозакадемии

Краснощеков Николай Васильевич

доктор технических наук, профессор

Скороходов Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Халанский Валентин Михайлович

Ведущая организация: Центральная машиноиспытательная станция (ЦМИС) Минсельхоза России.

Защита состоится _________________ в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГОСНИТИ) по адресу: 109428, Москва, 1-ый Институтский проезд, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОСНИТИ.

Автореферат разослан «_____» _______________ 2007 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные подписью и заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук (Р.Ю.Соловьев)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы в сельском хозяйстве страны наметилась тенденция перехода от состояния стагнации к поступательному развитию благодаря вниманию, оказываемому отрасли со стороны высших органов государственной власти. Проблемы развития сельского хозяйства, его технологической и технической модернизации четырежды обсуждались на заседаниях Президиума Госсовета РФ. Сельское хозяйство признано приоритетной отраслью экономики страны, поэтому введен в действие Национальный проект «Развитие АПК России» на 2006-2007 гг. Увеличивается доля рентабельных сельскохозяйственных предприятий, которые востребуют высокоэффективные технологии производства для обеспечения конкурентоспособности своей продукции.

Учитывая, что в себестоимости сельскохозяйственной продукции значительную долю (20% и более) составляют затраты на погрузочно-разгрузочные и транспортные работы, становится актуальной проблема повышения эффективности транспортного обеспечения отрасли.

Снижение затрат на погрузочно-разгрузочные и транспортные работы возможно, прежде всего, на основе освоения высокоэффективных транспортных технологий и высокопроизводительных технических средств.

К экономической компоненте производства тесно примыкает демографическая ситуация в отрасли, при которой обеспечить производство необходимых объемов конкурентоспособной продукции можно только путем существенного повышения производительности труда, в том числе и на транспортных работах.

Однако решить эти задачи имеющимися техническими и научными ресурсами не представляется возможным. Наиболее перспективным научным направлением радикального решения проблем повышения эффективности системы транспортного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции является использование методов транспортной логистики, как раздела научного направления «Логистика» - науки о планировании, управлении, контроле и регулировании движения материальных и информационных потоков в пространстве и во времени от их первичного источника до конечного потребителя. Мировой опыт показывает, что применение методов логистики позволяет снизить уровень запасов на 30…50%, сократить время движения продукции на 25…45% и в итоге - минимизировать денежные затраты.

Поэтому проблема оптимального построения технологий и создания технических средств транспортной логистики в технологических процессах производства сельскохозяйственной продукции вполне востребована сельскохозяйственной наукой и аграрной практикой и соответствует целям реформирования продовольственного комплекса страны.

Научная гипотеза: эффективность производства сельскохозяйственной продукции можно существенно повысить путем разработки, создания и использования новых технологий и технических средств транспортной логистики, гармонизированных с агротехнологиями.

Цель исследования: разработать научные основы модернизации технологической и технической базы транспортной логистики в технологиях производства сельскохозяйственной продукции, создать и организовать производство семейства адаптивных транспортных средств нового поколения для их реализации.

Задачи исследований:

1. Разработать концепцию развития технологической и технической базы транспортной логистики в агротехнологиях.

2. Разработать экономико-математические модели и на их основе осуществить модернизацию технологий транспортного обеспечения уборки и посева зерновых культур.

3. Обосновать структуру и типоразмерный ряд транспортных средств нового поколения как технической базы транспортной логистики в агротехнологиях.

4. Разработать концепцию совершенствования конструкции, обосновать параметры и создать семейство адаптивных транспортно-накопительных технических средств нового поколения для реализации агротехнологий.

5. Разработать межотраслевой технологический адаптер транспортного обеспечения агротехнологий.

6. Организовать производство, обеспечить реализацию адаптивных транспортно-накопительных средств для агротехнологий и дать технико-экономичес-кую оценку эффективности их использования.

Объект исследований: технологии и технические средства транспортной логистики в системе производства сельскохозяйственной продукции.

Предмет исследования: методы построения и оптимизации транспортных технологий в системе производства сельскохозяйственной продукции, создания и организации производства технических средств нового поколения для их реализации.

Методы исследований: системный анализ технологической и технической базы транспортной логистики; методы линейного и матричного программирования, интерактивного моделирования, теории массового обслуживания и математической статистики; апробация в производственных условиях и технико-экономическая оценка эффективности разработанных технологий и новых транспортных средств для проверки достоверности результатов исследований.

Научная новизна результатов исследований:

- концепция развития системы транспортного обеспечения агротехнологий, разработанная на основе методов транспортной логистики;

- экономико-математические модели технологий транспортного обеспечения процессов уборки и посева зерновых культур, основанные на использовании метода матричного моделирования транспортной логистики с оценкой уровня производительность труда;

- модернизированная технология транспортного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции, отличающаяся использованием адаптивных транспортно-накопительных технических средств нового поколения, гармонизированных с агротехнологиями;

- структура парка и новый типоразмерный ряд транспортных средств, адаптированных к агротехнологиям;

- концепция совершенствования конструкции и математический аппарат для обоснования основных параметров адаптивных технических средств транспортной логистики, гармонизированных с агротехнологиями и мировыми тенденциями развития транспортной техники;

- межотраслевой технологический адаптер транспортного обеспечения агротехнологий разработанный впервые для включения в Федеральный регистр технологий производства продукции растениеводства.

Положения, выносимые на защиту:

- развитие системы транспортного обеспечения агротехнологий следует осуществлять на основе методов транспортной логистики;

- совершенствование системы транспортного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции можно осуществить путем ее моделирования методами транспортной логистики, обеспечив при этом в приоритетном порядке повышение производительности труда;

- технологию транспортного обеспечения производства сельскохозяйственной продукции можно модернизировать путем использования предложенных адаптивных транспортно-накопительных технических средств нового поколения;

- обоснование нового типоразмерного ряда и структуры парка транспортных средств растениеводства следует вести на основе их адаптации к агротехнологиям;

- создание новых (адаптивных) технических средств транспортной логистики в растениеводстве необходимо осуществлять на основе их гармонизации с агротехнологиями, мировыми тенденциями развития транспортной техники и предложенного математического аппарата для обоснования их основных параметров;

- эффективное транспортное обеспечение агротехнологий возможно благодаря использованию разработанного специального транспортного технологического адаптера.

Практическая значимость и реализация результатов. Использование результатов исследований по оптимизации технолого-технической базы транспортной логистики в агротехнологиях в практической деятельности предприятий сельскохозяйственного производства позволяет решать две главные задачи:

- применять эффективные методы управления формированием, функционированием и развитием транспортных систем предприятий;

- повысить качество и эффективность транспортного обеспечения производства продукции.

Разработанный на основании результатов исследований межотраслевой технологический транспортный адаптер Федерального технологического регистра производства продукции растениеводства одобрен секцией НТС Минсельхоза России и рекомендован промышленным и сельскохозяйственным предприятиям для использования при формировании программ производства новой техники и транспортного обеспечения агротехнологий.

Машиностроительным заводом опытных конструкций (МЗОК) ВИМ произведено и реализовано 234 комплекта систем сменных кузовов для автомобилей и тракторных полуприцепов, использование которых позволяет снизить себестоимость перевозок 1 т груза на 50-60 руб.

Подготовленное на основе результатов исследований и изданное учебное пособие по транспортному обеспечению агротехнологий используется в учебном процессе агроинженерных вузов и кафедр.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на:

- XIII-ой Международной научно-практической конференции «Новые технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в сельскохозяйственном производстве», 2005 г. (г. Москва);

- IX-ой Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве», 2006 г. (г. Углич);

- заседаниях координационных Советов по проблемам машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции (2000…2006 гг.);

- заседаниях Бюро Отделения механизация, электрификация и автоматизация сельского хозяйства Россельхозакадемии, 2005…2006 гг. (г. Москва);

- всероссийских, региональных, областных и районных семинарах-совещаниях, посвященных вопросам транспорта в сельском хозяйстве (2000…2007 гг.);

- машины и оборудование, созданные по результатам исследований демонстрировались на международной выставке «Золотая осень 2006» (ВВЦ, г. Москва) и «День Российского поля» (г. Саранск) в 2006 г и награждены пятью дипломами и тремя медалями (золотой, серебряной и бронзовой).

Публикации - по теме диссертации опубликовано 34 научных труда, в т.ч. одна монография, две обзорные брошюры, одно учебное пособие, две рекомендации, 19 статей в центральных журналах, 8 статей в материалах всероссийских и международных конференций и 1 - в прочих изданиях.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

транспортный логистика сельскохозяйственный

Диссертация изложена на 242 страницах компьютерного текста, содержит 18 таблиц, 68 рисунков, приложения и состоит из введения, 6 глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, содержащего 215 наименований, в том числе 12 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ

В отечественной и зарубежной литературе рассмотрены проблемы формирования и функционирования транспортных систем предприятий, что важно для анализа транспортного обеспечения сельскохозяйственных товаропроизводителей, особенно в части использования транспортных средств в технологических процессах производства продукции. Поиск новых возможностей повышения эффективности материальных потоков в сферах производства и обращения выдвинул в число наиболее перспективных направлений хозяйственной деятельности в управлении материальными потоками логистику как междисциплинарное научное направление.

По данным Гаджинского А.М. (1996), Залмановой М.Е. (1992, 1993, 1995), Аникина Б.А. (2001) и др. применение методов логистики позволяет снизить уровень запасов на 30…50% и сократить время движения продукции на 25…45%, поскольку при управлении материальными потоками по логистическим законам принимаются компромиссные решения - достижение оптимального баланса затрат, запасов и качества обслуживания.

Об этом свидетельствуют также труды Миротиной Л.Б., Сергеева В.И., (1999), Неруша Ю.М. (1997, 2000), Уварова С.А. (1996), Афанасьевой Н.В. (1995), Васильева Г.А. (1993), Голикова Е.А., Пурлика В.М. (1993), Гончарова П.П. (1995), Карташева В. А. (1995), Костоглодова Д. Д., Харисовой Л. М. (1997), Котлера Ф. (1990), Лавровой О. В. (1995), Леншина И. А., Смолякова Ю. И. (1996), Миротиной Л. Б. (1996), Нагловского С. П. (1996), Парамонова М. Ю. (1996), Плоткина Б. К. (1991) и др.

Показано, что наибольшее влияние на экономику оказывают транспортные системы крупных промышленных предприятий, где транспорт неразрывно связан с производственным процессом. Это важно и для сельскохозяйственного производства, в котором лучшие результаты деятельности обеспечиваются в структурах повышенной концентрации. И в этой отрасли транспортные потоки должны быть гармонично увязаны с технологическими процессами производства, быть одним из важных компонентов агротехнологий.

Учеными ряда сельскохозяйственных НИИ и вузов страны проведены глубокие исследования транспортных задач, однако они были посвящены узким проблемам и соответствовали целям временного периода.

Оптимизации транспортных процессов при помощи детерминированных экономико-математических показателей посвящены труды Валайниса В. Д. (1990), Гобермана В. А. (1981, 1986), Доспехова Б. А. (1985), Дмитренко А. И. (2002), Бакулева Л. С. (1968), Грифа М. И. (1989), Дубины В.И. (1978), Бабина Л.В. и Боровика И.А. (1980), Завалишина Ф. С. (1973), Брейловского Н. О. и Грановского Б. И. (1978).

Проектирование транспортных систем с помощью вероятностных моделей и теории массового обслуживания осуществлено Арабовым И. А. (1957), Блынским Ю. Н. (1989), Бровциным В. Н., Валге А. М. и Михайленко И. М. (1987, 1988), Виссером О. А. и Гавриловым К. Н. (1971), Завалишиным Ф. С. (1961, 1982), Бутузовым Ю. В. И. (1972), Григорьевым С. Г. (1992), Евтюшенковым Н.Е. (1990, 1991) и др.

Имитационному моделированию транспортных процессов посвящены труды Адлера Ю. П., Марковой Е. В., Грановского Ю. П. (1976), Алексеева А. Н. (1988), Артюшина А. А. (1991), Блынского Ю. Н. (1976, 1990), Великанова Д.П. (1977), Жукова В. Я., Липковича Э. И. (1977), Сметнева С.Д. (1980, 1981) и др.

Вопросы использования накопительных емкостей в уборочно-транспортных комплексах для повышения их эффективности освещены в работах Зенченко Ю. Н. (1972, 1975), Валайниса В. Д. (1990), Бакулева Л. С. (1968), Блынского Ю. Н. (1989), Хабатова Р. Ш. (1970), Артемьева Г. Р. (1985), Багир-Заде Е. М. (1970), Игнатова В. Д., Пискарева А. В., Баруна В. Н. (1969, 1981), Бекетова В. П. (1983), Бурьянова А. И. и Пасечного Н. И. (1983), Дмитренко А. И. (1987, 2001), Зангиева А. А. (1985), Крылова Н. Д. (1980), Пенкина М. Г. (1977), Терехова А. П. (1975), Чеботарева А. А. и Эдиева С. Б. (1976, 1978), Евтюшенкова Н.Е. (2004) и др.

Анализ литературы показывает, что транспортно-технологические процессы с использованием сменных кузовов позволяют значительно повысить эффективность сельскохозяйственных комплексов машин и в то же время данный вопрос является не достаточно изученным.

Из сказанного становится понятной необходимость и перспективность дальнейших исследований вопросов использования сменных кузовов в сельском хозяйстве.

Кроме того, по данным Гуревича А. М., Мукамедьянова Ф. Ф. и Халтурина В. С. (1989), Кольге Д. Ф. (1983), Кононова А. М. и Горбача В. А. (1970), Милько-Черноморца Н. А. (1962), Рябцева Д. П. (1979-81), Хабатова Р. Ш. (1985), Черкасова И. В. (1987), Спирина А.П. (1995, 1996) и зарубежных исследователей огромных размеров достигает ущерб, причиняемый чрезмерным уплотнением почвы ходовыми системами внеполевой мобильной техники: в сельском хозяйстве, например, США он оценивается суммой в 1,18 млрд. долларов ежегодно.

Анализ мирового опыта показывает, что на рынке сельскохозяйственной техники пользуются широким спросом адаптивные транспортные системы (АТС), в том числе и на базе транспортных средств с почвофильными (почвощадящими) ходовыми системами. Основными европейскими производителями АТС являются: фирмы «Krampe» и «Annaburger» (Германия), фирма «Партек» (Финляндия), фирма «Rolland» (Франция), фирма «Veenhuis» (Нидерланды) и Шведская компания «Fors MW» [1, 2, 3, 4].

Учитывая прогнозируемую емкость отечественного рынка АТС целесообразно разработать и освоить их производство в России, максимально используя при этом опыт зарубежных фирм.

В результате анализа состояния проблемы транспортного обеспечения отечественного сельского хозяйства, результатов ранее проведенных исследований и разработок в диссертации сформулирована научная гипотеза, цель и задачи исследований, которые приведены в предыдущем разделе автореферата.

ГЛАВА 2. построениЕ транспортной логистики в АГРОтехнологиях

2.1. Моделирование транспортной логистики в технологиях производства зерна

В технологиях производства зерна транспортные работы имеют место практически во всех операциях - от основной обработки почвы, посева и защиты растений от сорняков, болезней и вредителей до уборки урожая, когда с поля вывозится основная масса грузов - зерно и солома [1, 7, 9, 26, 28].

Наибольшим по интенсивности и затратам является поток грузов в уборочном технологическом цикле. Поэтому эффективность технологий и конкурентоспособность продукции во многом зависят от качества построения уборочно-транспортной системы.

Учитывая особенности сельскохозяйственной транспортной логистики, моделирование уборочно-транспортной системы произведено на примере среднестатистического (виртуального) зернового предприятия с размером пашни 2400 га.

Для расчета принято два варианта технологий транспортировки зерна от комбайнов Дон-1500 на ток: прямоточная и перевалочная при следующих ограничениях: в системе уборки комбайны являются приоритетными и срыв уборочного конвейера по транспортной причине не допустим.

На основании анализа статистических данных установлено, что 1/3 парка комбайнов за уборочный период обмолачивает почти 3/4 всей продукции, поэтому для комбайнового парка виртуального хозяйства приняты следующие параметры суточной выработки: комбайны К1=70 т, К2=100 т и К3= 130 т.

На основе уравнения движения транспортного средства (ТС) критерий оптимальности выбранного для парка виртуального хозяйства ТС (КамАЗ, ЗИЛ и ГАЗ) - величина себестоимости единицы (тонны) перевезенного зерна определяется по формуле [25]:

(1)

где: L - путь, проходимый ТС при перевозке зерна за цикл «комбайн - ток - комбайн», км; К - стоимость 1 кг ГСМ, руб.; Г - расход ГСМ на 100 км пути, кг; ?Р - масса зерна, перевозимая ТС за цикл, т; Р - масса груза, перевозимая ТС за сезон, т; Атс- амортизация ТС за уборочный период, руб.; Зт - затраты на техническое обслуживание ТС за уборочный период, руб.; Зпр - прочие затраты на ТС.

За уборочный период, получены величины себестоимости перевозимого зерна для КамАЗ - 44,1 руб./т; ЗИЛ - 45,6 руб./т и ГАЗ - 47,6 руб./т.

Таким образом, установлено, что при обслуживании зерноуборочных комбайнов, работающих на полях типичного севооборота, строго приписанными транспортными средствами, себестоимость перевозки зерна снижается по мере повышения единичной грузоподъемности автомобиля. При обезличенном обслуживании комбайнов, работающих на одном поле (каждый в своей загонке), затраты снижаются до 10%. При этом, за счет некоторого снижения времени ожидания погрузки, суточная выработка ТС возрастает, поэтому групповое использование комбайнов более эффективно.

2.2 Экономико-математическая модель транспортной системы уборки зерновых культур

Учитывая результаты расчетов, полученные в предыдущем разделе, поставлена задача: разработать такой план перевозки зерна от комбайнов - поставщиков груза к его потребителям - транспортным средствам, при котором суммарные затраты на перевозку будут минимальными, будут задействованы все мощности поставщиков и удовлетворен весь спрос потребителей.

Для решения этой задачи использована закрытая математическая модель, применяемая обычно в транспортной логистике, с матрицей, приведенной на рис. 1, где по вертикали - поставщики зерна (комбайны К1, К2, К3), по горизонтали - потребители (транспортные средства по парам ТС1, ТС2, ТС3), а в клетках (1.1-3.1), (1.2-3.2) и (1.3-3.3) - себестоимость транспортирования зерна соответствующими ТС.

При решении матрицы использован метод северо-западного угла (Просветов Г. И., 2006). В итоге определены затраты на транспортировку суточной намолачиваемой комбайнами массы зерна в сумме 13067,6 руб. Причем выбранные пары ТС по затратам незначительно отличаются друг от друга (два ЗИЛ - 4377,6 руб., КамАЗ+ГАЗ - 4345 руб.), что указывает на удовлетворительное решение транспортной задачи для варианта используемых ТС.

Величины суточной производительности ТС и комбайнов приняты равными:

. (2)

Суммарные издержки на транспортировку зерна от комбайнов на ток при использовании в виртуальном хозяйстве безперевалочной технологии оцениваются в 156,8 тыс. руб.

2.3. Моделирование модернизации уборочно-транспортной системы

Анализ традиционной модели транспортирования зерна, изложенной выше, показывает высокие издержки труда и капитала в связи с повышенными затратами времени смены на ожидание загрузки ТС. Это особенно характерно при использовании ТС высокой грузоподъемности, когда одного бункера комбайна не достаточно для заполнения кузова автомобиля-самосвала. Вместе с тем, с ростом грузоподъемности ТС снижаются общие затраты на транспортировку зерна от комбайнов на ток: для ГАЗ, ЗИЛ, КамАЗ, соответственно: 47,6; 45,6 и 44,1 руб. на 1 т перевозимого зерна.

Рис. 1. Матрица закрытой математической модели транспортной системы уборки зерновых

Отмеченные закономерности позволяют сделать вывод о том, что для снижения транспортных издержек, особенно для ТС повышенной грузоподъемности, необходим поиск решений, обеспечивающих снижение затрат времени на ожидание погрузки зерна от комбайнов. Решить эту задачу представляется возможным за счет: введения перевалочной технологии перемещения зерна на плече «комбайн - ток» и создания ТС с системой «мультилифт» [9, 11, 24, 27].



Рис. 2. Пример использования кузовов-накопителей при уборке зерновых культур

В работе рассмотрен критический вариант, когда в принятом выше виртуальном сельскохозяйственном предприятии на наиболее удаленном от тока поле групповым методом каждый в своей загонке площадью 240:3=80 га работают три комбайна К1, К2, К3. На краю поля со стороны тока устанавливаются сменные бункеры-накопители зерна (СБН) на расстоянии 6 км от тока.

В уборке участвуют два типа ТС:

- первый - ТС1 грузоподъемностью, равной массе зерна в бункере комбайна, обслуживает комбайны по короткому плечу «комбайн - СБН»;

- второй - ТС2 высокой грузоподъемности, вывозит зерно на плече «СБН - ток» (рис.2). При такой схеме работы более полно используются преимущества каждого типа ТС, поскольку они специализируются на более выгодных перевозках.

Кроме того, появляется возможность минимизировать время простоев комбайнов путем оптимизации количества обслуживающих их сменных бункеров-накопителей и транспортных средств, работающих на длинном плече. На рис.3. показаны зависимости комбайнов и автомобилей КамАЗ на отвозке зерна на ток от отношения количества автомобилей m к k, расстояния перевозок l при работе по базовой (а) и новой технологиям (б).

Рис.3. Зависимость коэффициента простоев комбайнов и автомобилей КамАЗ на отвозке зерна на ток от отношения количества автомобилей m к количеству комбайнов k, расстояния перевозок l при работе по базовой (а) и новой (б) технологиям

Из этих рисунков видно, что по традиционной технологии не удается экономически оправданно добиться ниже 10%, а по новой - при соотношении m/k =2/3 стремится к нулю [7, 8, 10].

Результаты расчетов по матричной модели показали, что при перевалочной технологии транспортирования зерна от комбайнов в хозяйстве нужно иметь один автомобиль-самосвал с двумя сменными кузовами.

Для сравнения приняты два варианта ТС: автомобиль-самосвал (например, на базе ГАЗ) -ТС1а и саморазгружающийся прицеп в агрегате с трактором кл. 1,4 - МТЗ-80 - ТС1т , оба ТС грузоподъемностью 4 т для гармонизации с массой зерна в бункере комбайна Дон-1500.

С учетом времени транспортного цикла для сравниваемых ТС установлено, что баланс их рабочего времени позволяет планировать суточную производительность для ТС1а - 180 т, для ТС1т - 120 т при производительности трех комбайнов в 300 т в сутки. Анализ матрицы оценок, подобной приведенной на рис. 1, показывает реальность этого плана, что позволило определить транспортные затраты по перевозке зерна на коротком плече уборочно-транспортной системы: для ТС1т 926,4 руб. в сутки и 11116,8 руб. за весь период уборки; для ТС1а, соответственно, 1157,4 руб. и 13888,8 руб. Суммарные затраты обоих ТС1 на коротком плече за весь период уборки - 25005,6 руб. Затраты за уборочный период ТС2, работающих по длинному плечу, составили 68,04 тыс. руб., а совокупные транспортные издержки перевалочной технологии при уборке зерновых в виртуальном хозяйстве составят 93,045 тыс. руб. При использовании прямоточной технологии, как было показано выше, эти затраты составляют 156,8 тыс. руб.

Таким образом, реализация перевалочной технологии транспортирования зерна при его уборке в виртуальном хозяйстве дает выигрыш в 63,8 тыс. руб., т.е. по 53,1 руб./га посева зерновых культур или снижает себестоимость 1 т зерна более чем на 18 руб.

ГЛАВА 3. Методика проектирования и расчет парка транспортных средств для растениеводства

3.1. Место транспорта в агротехнологиях

В диссертации предложено агротехнические, технические, экономические и др. параметры технологий производства сельскохозяйственной продукции различной интенсивности дополнить техническими средствами транспортной логистики и включить:

- в экстенсивные агротехнологии - ТС старых образцов типа ГАЗ, ЗИЛ, тракторные прицепы, разработанные в 60-70 годы, грузоподъемностью 3-5 т;

- в нормальные агротехнологии - вышеперечисленные транспортные средства, а также автомобили более высокой грузоподъемности при групповых методах использования;

- в интенсивные агротехнологии - ТС четвертого поколения, разработанные в 80-х годах и имеющие повышенную грузоподъемность при групповых методах использования перевалочных технологий;

- в высокие агротехнологии - использование глобальных информационных систем (ГИС). Они разработаны и используются передовыми зарубежными транспортными фирмами и связаны с управлением ТС навигационными системами - американской GPS и российской ГлоНАСС.

То есть, концептуально в высоких транспортных технологиях сельского хозяйства должны использоваться современные достижения информационных технологий и космомониторинга для обеспечения эффективного управления процессами транспортировки сельскохозяйственной продукции в единстве с процессом ее производства.

Главной задачей при создании транспортной логистики в технологиях производства сельскохозяйственной продукции рекомендовано считать повышение производительности труда в транспортной системе отрасли, те есть достижение основной цели ее технологической и технической модернизации и обеспечения конкурентоспособности продукции. При этом производительность труда должна определяться как объем (стоимость) перевезенной продукции одним водителем транспортного средства за производственный цикл. Это отражает влияние технологий транспортирования и техники для них, наиболее органично вписывается в требования интенсивных технологий производства продукции и соответствуют требованиям этих технологий по эффективности использования труда и других ресурсов интенсификации [22, 29].

Основным критерием оценки производительности труда и, как следствие, эффективности производства, рекомендовано принять величину (долю) прибавочного продукта, полученного при производстве продукции. Этот параметр тождественен рентабельности производства и назван рентабельностью труда:

(3)

где: Ц - цена продукции, руб./т; Сп - себестоимость продукции, руб./т; Д - все виды дотаций на продукцию, руб./т; П - площадь возделывания (поголовье животных), га (голов); У - урожайность (продуктивность животных), т/га (т/гол.); Зм - затраты материальных ресурсов, руб./т; А - амортизация техники, руб./т; Зп - зарплата, руб./т; Зпр - прочие затраты, руб./т; Кт - численность занятых в производстве, чел.

Таким образом, экономическая эффективность труда возрастает, если:

(4)

3.2. Обоснование типажа транспортных средств для агротехнологий

Установлено, что технологический процесс производства сельскохозяйственной продукции может быть эффективным только при гармоничном взаимодействии в составе машинно-технологического комплекта (МТК) двух активных средств производства: сельскохозяйственного агрегата (СХА), состоящего, как правило, из мобильного энергетического средства (МЭС) и технологической машины и транспортных средств (ТС), работающих в двух направлениях: в процессе выращивания урожая - от склада до поля («толкающий» режим), а при уборке - с поля на склад («тянущий» режим). Транспортные средства по взаимодействию с СХА подразделены на ТС с жесткой связью с СХА и ТС с пульсирующей связью с СХА; ТС, воздействующее на СХА точечно или постоянно, при наличии бункера у СХА или при его отсутствии [8, 9, 12, 26, 28].

В работе предложен новый тип ТС - адаптивное транспортное средство (АТС), включающее мобильное энергетическое средство (наиболее дорогая часть ТС) и набор к нему адаптеров (сменного рабочего оборудования), каждый из которых предназначен для выполнения конкретной транспортной операции в агротехнологиях [9, 10,11].

Предложен также типаж транспортных средств, состоящий из четырех классов машин (легкий, средний, тяжелый и особо тяжелый), построенный на классической основе и по типу технологической адаптации (через сменные адаптеры), который позволяет сформировать эффективные транспортные технологии при производстве продукции растениеводства [8, 12, 13, 14].

Структура парка разделена на две группы транспортных средств, из которых первая находится в сфере сельскохозяйственных предприятий, вторая - в сфере услуг (районного или муниципального уровней).

Парк ТС в сельском хозяйстве должен включать грузовые самосвальные и работающие по схеме АТС автомобили и тракторные ТС в следующем количестве: легкого класса - 120 тыс., среднего класса - 60 тыс., тяжелого и особо тяжелого классов - 15 тыс., тракторных прицепов - 40 тыс. шт. [11, 12, 13, 15, 16, 17, 27].

Парк ТС в транспортной инфраструктуре для удовлетворения потребности сельского хозяйства в уборочный период количественно должен составить: КамАЗ - 85 тыс. шт., в том числе 45 тыс. (1,5 шт. на хозяйство) адаптивных транспортных средств с комплектом сменных кузовов; ЗИЛ - 95 тыс. шт.; ГАЗ - 65 тыс. шт.

Предложены общие методические принципы расчета парка транспортных средств в сервисной инфраструктуре, которые заключаются в определении топологии грузопотоков отрасли, выделении точек сгущения грузопотоков и обосновании целесообразности создания системы транспортных ресурсов (структур) в районах притяжения этих точек, а также в выборе мест расположения транспортных логистических центров (ЛЦ) - сферы транспортных услуг для села. В диссертации приведены целевая функция транспортно - логистической инфраструктуры, критерий оптимизации и ограничения, позволяющие минимизировать капиталовложения на создание ЛЦ инфраструктуры села.

Показано, что проблема формализованного подхода к построению сети логистических центров по переработке грузопотоков на заданной территории имеет на сегодняшний день большое значение и заслуживает внимания исследователей и разработчиков конкретных проектов.

3.3. Исследование факторов оптимизации транспортной логистики в растениеводстве

Исследования проблемы транспортного обеспечения агротехнологий позволило сделать некоторые обобщения относительно целесообразности использования методов логистики для повышения эффективности сельскохозяйственного производства в целом в следующих направлениях:

- разработка закономерностей движения материальных потоков и услуг от производителя к потребителю в процессе производства сельскохозяйственной продукции;

- развитие тесной гармонизации технологий производства продукции с логистическими процессами;

- исследование процессов логистических услуг в сельском хозяйстве;

- использование установленных в настоящей работе детерминированных связей транспортной логистики с агротехнологиями для установления зависимости рентабельности производства в целом от затрат, в том числе и в логистической системе;

- оптимизация управления материальными потоками (МП) для снижения запасов на пути их движения и сокращения времени прохождения товаров по логистическому центру (ЛЦ);

- выделение единой функции управления сквозным МП; техническая, экономическая и информационная интеграция отдельных звеньев ЛЦ в единую систему: на макроуровне - различных предприятий, на микроуровне - различных служб предприятия.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ параметров АДАПТИВНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ

4.1. Основные положения концепции развития адаптивных транспортных систем

На основе анализа номенклатуры грузов, требующих выполнения погрузочно-разгрузочных и транспортных работ, технолого-экономических особенностей сельского хозяйства с позиций его транспортного обеспечения сформулированы основные концептуальные положения создания семейства универсальных погрузочно-транспортных и накопительных машин («мультилифтов») со сменными кузовами, как адаптивного транспортного средства (АТС) [8, 15, 16, 17, 31].

В основу этих положений положен перечень процессов и операций, для выполнения которых должно быть предназначено новое семейство машин.

Установлено, что технолого-экономическими особенностями сельского хозяйства с позиций его транспортного обеспечения, являются следующие:

- разнообразие климатических, метеорологических и хозяйственных условий;

- необходимость четкого согласования работы транспортных средств с агротехнологиями и реализующими их технологическими комплексами машин;

- ограничения по допустимым удельным давлениям ходовых систем, в том числе и транспортных машин, на почву;

- большая номенклатура грузов, различных по своей природе, физико-механическим и биохимическим свойствам;

- ярко выраженная сезонность основных транспортных работ и наличие пиковых периодов;

- многократные перегрузки и перевалки грузов;

- низкий уровень механизации погрузочно-разгрузочных работ;

- осуществление значительной части перевозок по полевым, грунтовым дорогам и бездорожью;

- относительно малые расстояния перевозок.

В концепции сформулированы общие требования к конструктивным особенностям АТС: по ходовым системам (полноприводность, шины низкого или переменного давления с вездеходным рисунком протектора, высокая проходимость в тяжелых дорожных условиях и достаточно высокая скорость движения на автомобильных дорогах); по типу устанавливаемого двигателя (дизель с всережимным регулятором); по трансмиссии (многоступенчатость с широким диапазоном передаточных чисел для обеспечения синхронного движения с сельскохозяйственными уборочными агрегатами, выполнения технологических работ и движения по автомобильным дорогам); по системам отбора мощности двигателя (независимый и/или зависимый и синхронный ВОМ); по скорости замены специализированного рабочего оборудования и др. [2, 3, 5, 6, 21, 23, 24, 33].

При создании отечественных АТС рекомендовано ориентироваться на основные мировые тенденции развития подвижного состава сельскохозяйственного транспорта, которые характеризуются следующим [1, 2, 3, 4]:

- повышение мощности и грузоподъемности транспортных средств;

- расширение рабочих функций подвижного состава (выполнение, помимо транспортных, ряда сопутствующих операций - погрузочно-разгрузочных, транспортно-распределительных, транспортно-сборочных и др.);

- специализация транспортного и технологического оборудования;

- унификация энергетической базы, шасси и других комплектующих изделий, в том числе и путем интеграции с международным машиностроением;

- расширение сферы применения транспортных средств за счет использования сменного и трансформируемого рабочего оборудования;

- повышение опорно-сцепной, профильной и горизонтальной проходимости;

- гидрофикация силовых приводов и систем управления;

- автоматизация управления, контроля и регулирования на отдельных операциях и др.

Показано, что использование сменных кузовов при транспортировке грузов в сельском хозяйстве позволяет создать гармонизированные с агротехнологиями комплексные системы для оперативного выполнения транспортных и погрузочно-разгрузочных работ, сэкономить людские, материальные и финансовые ресурсы.

4.2. Расчет нагрузок в системе «мультилифт»

Рис. 4. Подъем и установка сменного кузова на шасси автомобиля

Погрузка кузова на тракторный полуприцеп или раму автомобиля производится мультилифтом путем поднятия края кузова с продольной стороны и затягивания его на прицеп (рис. 4). В полевых условиях опорные катки кузова взаимодействуют с поверхностью поля (почвой) и качение их происходит с образованием колеи, что вызывает повышенные нагрузки на крюке мультилифта и на катках, а также создает неровности на поверхности поля [18, 19, 20].

Наибольшие нагрузки имеют место при погрузке на тракторный полуприцеп загруженного материалом (зерно, картофель и т.п.) сменного кузова с грунтовой поверхности поля.

Рис. 5. Расчетная схема погрузки сменного кузова мультилифтом

1 - кузов, 2 - опорный каток, 3 - крюк

Пользуясь рис. 5, получены зависимости для определения этих нагрузок. На кузов, при его погрузке, действуют силы: Q - сила веса кузова с грузом, приложенная в центре масс С; N1 - нормальная реакция поверхности поля на опорную часть кузова; N2 - нормальная реакция крюка мультилифта на петлю кузова; Р1 - горизонтальная сила сопротивления качению опорных катков; Р2 - горизонтальная сила на крюке в точке А. Сила N1 определяет параметры опорных катков, а сила N2 необходима для расчета мультилифта. Для определения этих сил использованы уравнения моментов сил относительно точки А и их проекции на горизонталь (ось Х) и вертикаль (ось Y), с помощью которых получено выражение:

(5)

где: P1=N1 f; f - коэффициент сопротивления качению катка (в полевых условиях f = 0,2…0,3); - угол наклона кузова (=0… 480); l - длина кузова (l= 5,6 м); H- высота кузова (H= 2,4 м).

Из уравнения (5) сила N1= 90 кН при = 200 и f= 0,3, а при = 450. N1= 46 кН для кузова грузоподъемностью Q= 200 кН (20 т). Сила N2= 110 кН при = 200, f= 0,3, а при = 450 N2= 154 кН, что следует из уравнения проекций сил на ось Y. Сила сопротивления катков P1=N1 f=27 кН при = 200, а при = 450 P1=13,8 кН. Горизонтальная сила P2 на крюке равна силе P1, что следует из уравнения проекций сил на ось Х.

Из этих данных видно, что усилие на крюке мультилифта больше, чем усилие на опорных катках, причем разница этих усилий увеличивается с увеличением угла наклона кузова . При угле = 450 N2 = 3,35N1. Следовательно, расчет мультилифта следует производить при больших значениях угла наклона кузова, а опорных катков - при малых углах .

Равнодействующая сила на крюке при = 450 с учетом равна 154 кН. Эта сила действует на крюк мультилифта и направлена под углом = 170 к вертикали. С учетом динамики нагрузок при подъеме кузова коэффициент динамичности , сила R2=308 кН.

Равнодействующая сила R1 сопротивления катков, при = 200, равна:

= =94 кН.

Сила R1 при перекатывании катков направлена под углом = 170 (см. рис. 5), что следует из выражения:

.

4.3. Обоснование параметров опорной части сменных кузовов для полевых условий

Параметры катков или лыж принимаются, исходя из выше приведенных значений силы давления загруженного кузова на почву, и с учетом допустимого давления на почву.

Сила давления опорной части кузова N (см. рис. 6) равна 100 кН, допустимое давление q на почву при уборке, например, пропашных культур, принята 1000 кПа, общая площадь S опорных лыж кузова равна 1000 см2, при ширине лыжи В = 200 мм и количестве лыж 2 шт. длина одной лыжи L = 250 мм. Горизонтальное тяговое усилие Р = 5 т при коэффициенте трения лыж по почве f = 0,5. При выполнении опорной части на катках горизонтальное тяговое усилие Р может быть уменьшено. Диаметр D и ширина В катков должны также приниматься с учетом допустимого давления на почву.

На рис. 7 представлена расчетная схема усилий, действующих на каток при перемещении кузова, откуда нагрузка G на каток по допустимому давлению q на почву определяется по уравнению:

, (6)

где: R - равнодействующая сил Р и G, определяемая по выражению:

(7)

Рис. 6. Расчетная схема нагружения опорной части сменного кузова

(а - на катках, б - на лыжах)

Угол б определяется по условию равенства моментов от давлений q на каток относительно точки А по уравнению:

, (8)

Угол в определяется коэффициентом сопротивления перекатыванию м в полевых условиях (для стерни м = 0,2) [Полетаев А.Ф., 1971]:

(9)

Для м = 0,2 значение в = 110.

Рис. 7. Схема расчета давлений на почву катка сменного кузова

Принимать значение суммы углов (в + иmax) ? 450 нецелесообразно, так как в этом случае опорная площадь катка увеличивается незначительно. Следовательно, значение иmax = 340 = 0,6 радиан.

По уравнению (8) определяется угол б=310. Усилие R по уравнению (7) после подстановки в него значений б и и равно:

(10)

С учетом установки двух катков и принятия r = 100 мм по (10) определена ширина катка В=500 мм. При этом давление на почву q=971 кПа, т.е. не более допустимого.

Следует отметить, что исследование взаимодействия катка с почвой показывает (см. рис.8), что даже образование небольшой колеи за катком существенно влияет на опорную способность катка и давление его на почву.

Величина «восстановленной» деформации почвы за катком Д определена из равенства моментов сил давления q почвы на каток на участках дуг и и равнодействующей R относительно точки А по выражению:

(11)

где: в = arctg = arctg м, µ - коэффициент сопротивления качению: .

Величина Д восстановленной деформации почвы равна 6 мм, а глубина колеи h= 29,3 мм, т.е. величина h в 5 раз больше Д, а отношение длины дуги LB к длине дуги СЕ равно 2,24

Таким образом, остаточная деформация почвы существенно увеличивает площадь опоры катка (в нашем случае на 45%), что существенно уменьшает тяговое сопротивление катков, которое равно 20 kH (2 т) или в 2,5 раза меньше, чем тяговое сопротивление кузова на лыжах при допустимом давлении на почву.

При расчете давления катка на почву (рис. 8) следует учитывать площадь контакта катка с почвой с учетом контакта в зоне восстановленной после деформации почвы - за вертикальным диаметром катка в сторону против его перемещения. Полетаевым А.Ф. [1971] показано, что восстановленная деформация почвы увеличивает площадь контакта катка с почвой на 45%, что согласуется с нашими данными.

Основной характеристикой сопротивления перекатыванию катка по почве является коэффициент сопротивления качению . Угол сопротивления качению катка (см. рис. 8) так же, как и - определяется экспериментально и его значения для различных состояний почвы приводятся в литературе. Увеличение площади контакта катка можно определить через угол восстановленной деформации почвы (рис. 8).

Рис. 8. Схема к определению угла восстановленной деформации почвы за катком

На основании принципа равенства моментов сил от давлений на каток относительно точки пересечения равнодействующей силы R, действующей на каток, с его окружностью, пользуясь зависимостью (8), путем замены угла на сумму +, после соответствующих преобразований формул определена общая ширина катков, равная 1,377 м. При выполнении опорной части кузова на двух катках, ширина одного катка должна быть равна 688 мм.

Установлено, что нагрузка на каток зависит линейно от , а сила сопротивления - в квадрате. Например, если для = 0,1 (грунтовая дорога) сила Р = Р1, то для = 0,3 (рыхлая почва) сила Р = 9 Р1. Из этого следует, что в полевых условиях нагрузки в механизме мультилифта могут значительно увеличиться.

ГЛАВА 5. Исследование процессА транспортного обеспечения посевных агрегатов

5.1. Моделирование процесса загрузки сеялок

Одной из важнейших технологических операций при производстве продукции растениеводства является посев сельскохозяйственных культур.

В настоящее время загрузка сеялок семенами и удобрениями и машин-удобрителей минеральными удобрениями осуществляется морально устаревшими машинами типа ЗАУ-3 (УЗСА-40) и ЗСВУ-3, а созданная в последние годы большая гамма новой техники не обеспечивает оптимальное выполнение этих процессов в интенсивных агротехнологиях. Поэтому необходимо создание специального технологического адаптера загрузки сеялок и машин-удобрителей для технического обеспечения транспортной логистики в системе агротехнологий.

В диссертации и в [30] представлены разработанные математическая модель и программный продукт для ПЭВМ, которые позволяют осуществлять интерактивное взаимодействие исследователя с программным обеспечением в процессе моделирования и оптимизации функционирования посевного технологического адаптера.

Программа запрашивает у пользователя информацию об условиях работы: площадь поля, норму высева, продолжительность посева и т.д. В процессе работы программа моделирует технологию путем выбора из базы данных всех параметров технических средств, которые могут быть использованы в выбранной технологии, а также стоимостные показатели для их технико-экономической оценки. После этого программа переходит к расчету технико-экономических показателей технологии (энерго- и трудозатраты, материалоемкость и удельные показатели затрат).

Результаты моделирования и расчетов выдаются на монитор или на печать в виде следующих документов: набор технологий, удовлетворяющих условиям задачи; результаты технико-экономических расчетов и состав участвующей в оценке техники; альтернативные варианты технологии с технико-экономическими показателями; полученные данные итеративным методом сравниваются и лучший вариант выдается на печать.

Эти данные являются в свою очередь исходными для компьютерного моделирования посевного и транспортно-загрузочного комплекса как системы массового обслуживания, где объектами, формирующими требования к обслуживанию, являются посевные МТА, а обслуживающими эти требования - транспортно-загрузочные средства.

5.2. Интерактивный процесс моделирования транспортно-посевной системы

Использование предложенного программно-информационного обеспечения позволяет осуществлять моделирование и оптимизацию технологических схем загрузки посевных агрегатов.

Технико-эксплуатационные параметры отдельных машин и механизмов технологического комплекса разделены на две категории: постоянные и переменные. Постоянные ТЭП, это показатели, заложенные в конструкцию технических средств, которые пользователь вносит в БД, используя соответствующие экранные формы, включенные в состав программного обеспечения. Переменные или варьируемые показатели являются предметом компьютерного эксперимента. К этим показателям относятся, закладываемые в модель: расчетное количество посевных МТА в составе комплекса, посевная площадь, длина гона, расстояние от поля до склада, скорость транспортирования семенного материала, емкость кузова загрузчиков, а также расчетные показатели: производительность и затраты на каждом из звеньев комплекса, требуемое количество транспортных средств для бесперебойного подвоза семенного материала и т.д.

Для моделирования технологии транспортного обеспечения посевных агрегатов как систем массового обслуживания (СМО) вводятся вариации переменных параметров: по площади посева - F от 500 до 1100 га с шагом 200 га, длине гона - L от 0,6 до 0,9 км с шагом 0,1 км, радиусу перевозок, характерных для зональных условий, от 3 до 30 км с шагом 2 км, количеству посевных агрегатов от 1 до N с шагом 1 шт., варьируется скорость транспортных средств в интервале 30…60 км/ч с шагом 10 км/ч и др. После этого производится собственно расчет ТЭП всех вариантов технических средств комплекса отдельно и в целом с использованием методов СМО [8, 10].

Разработанный программный комплекс моделирования и оптимизации состава и параметров технических средств транспортного обеспечения посевных агрегатов используется в исследованиях, проводимых в Отделе механизации погрузочно-разгрузочных и транспортных работ ВИМ.

5.3. Проект межотраслевого технологического адаптера «Транспортное обеспечение агротехнологий»

В конце прошлого столетия учеными и специалистами Россельхозакадемии, Минсельхоза России и Минпрома России разработана национальная Система технологий и машин для сельскохозяйственного производства России (СТиМ), которая утверждена Коллегией Министерства и Президиумом Академии и приказом по Министерству и Академии введена в практику сельскохозяйственного производства в качестве Федерального технологического и технического регистров для сельскохозяйственного производства как базового нормативного документа при технологической и технической модернизации отрасли.

Технологии по группам культур (продукции) в регистре сопровождаются технологическими (отраслевыми и межотраслевыми) адаптерами. Например, для растениеводства: отраслевые адаптеры зернового хозяйства (по производству и предпосевной подготовке семян, посеву, уборке и т.д.); межотраслевые адаптеры по обработке почвы, системе удобрений, защите растений от болезней, вредителей и сорняков, мелиорации.

С помощью этих адаптеров базовые технологии производства той или иной продукции могут быть приспособлены (адаптированы) к условиям и возможностям конкретного потребителя.

...