Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 11
1.1 Значение сенажа в кормлении сельскохозяйственных животных и технологические схемы его заготовки 11
1.2 Технологические особенности заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку 19
1.3 Обзор технических средств для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку 22
1.4 Анализ результатов исследования эффективности технологических процессов и технических средств заготовки кормов 43
Цель и задачи исследования 50
2 Программа и методика исследования 52
2.1 Программа и общая методика исследования 52
2.2 Методика оценки эффективности уборочно-транспортного процесса заготовки сенажа 54
2.3 Методика исследования динамики самонагревания рулонов сенажа и обоснования допускаемых разрывов во времени между формированием рулона сенажа и его упаковкой 57
2.4 Методика сбора и обработки информации о параметрах машин и условиях их функционирования 60
2.5 Обоснование необходимого количества реализаций модели и оценка адекватности результатов моделирования 61
3 Теоретические исследования процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку 64
3.1 Функциональная модель процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку 64
3.2 Моделирующий алгоритм процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку 69
3.3 Имитационная модель процесса подбора и прессования травяной массы в рулоны 71
3.4 Закономерности распределения рулонов сенажа по полю 78
3.5 Формализация взаимодействия пресс-подборщиков, погрузчиков, транспортировщиков и упаковщиков рулонов 81
Выводы по главе 86
4 Результаты экспериментальных исследований составляющих кормоуборочного процесса 88
4.1 Технологические свойства трав и влияние их на динамику и эффективность кормоуборочного процесса 88
4.2 Динамика самонагревания сенажа в рулонах на поле и определение допустимых разрывов во времени между формированием рулона и его упаковкой 91
4.3 Анализ условий функционирования кормоуборочного комплекса 95
4.4 Статистические характеристики эксплуатационно технологических параметров кормоуборочных машин 102
Выводы по главе 107
5 Оценка эффективности технологических вариантов и технических средств для заготовки сенажа в рулонах 108
5.1 Оценка эффективности технических средств для подбора и прессования провяленных трав 108
5.2 Сравнительная эффективность различных способов и технических средств упаковки рулонов сенажа 113
5.3 Анализ схем транспортного обслуживания кормоуборочного процесса и обоснование выбора рациональных погрузочно-транспортных агрегатов 115
5.4 Производственная проверка адекватности результатов исследований 123
5.5 Рациональный состав кормоуборочного комплекса и его экономическая эффективность в типичных условиях предприятий Ставропольского края 126
Заключение 130
Список литературы 133
Приложения 145
- Обзор технических средств для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку
- Имитационная модель процесса подбора и прессования травяной массы в рулоны
- Анализ условий функционирования кормоуборочного комплекса
- Рациональный состав кормоуборочного комплекса и его экономическая эффективность в типичных условиях предприятий Ставропольского края
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Непременным условием ведения эффективного животноводства является наличие надежной и качественной кормовой базы. Актуальность этой проблемы отражена на высшем уровне – в Указе Президента РФ №350 от 21.07.2016 г. «О мерах по реализации государственной научно-технической политики в интересах развития сельского хозяйства» до 2026 года, где поставлена задача производства высококачественных кормов за счет внедрения современных конкурентоспособных технологий. Одной из таких технологий является заготовка сенажа в рулонах, упакованных в пленку, позволяющая за счет быстрого и равномерного провяливания скошенных трав, плотного прессования их в рулоны и надежной герметизации получить качественный корм с минимальными потерями выращенного урожая. Однако для реализации потенциальных возможностей этой технологии требуется адаптация ее к конкретным производственным условиям. Поэтому вопросы обоснования рациональной структуры кормоуборочного процесса и комплекса машин с учетом изменяющихся технологических свойств, питательной ценности травяной массы и влияния метеорологических факторов в типичных региональных условиях, направленные на повышение эффективности процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, представляют научный и практический интерес, а тема диссертационной работы является актуальной.
Степень разработанности темы. Исследованиями по совершенствованию и повышению эффективности технологических процессов заготовки стебельчатых кормов занимались многие известные ученые: О.Г. Ангилеев, Ю.Н. Блынский, В.А. Бондарев, В.А. Бориневич, С.В. Бра-гинец, А.И. Бурьянов, А.М. Валге, В.М. Гуляев, Ю.А. Гуськов, И.А. Долгов, Э.В. Жалнин, Ю.Е. Зенченко, Н.Н. Николаев, А.В. Орлянский, В.И. Особов, Н.И. Пасечный, А.Н. Петенев, И.И. Пиуновский, В.Д. Попов, Д.П. Рябцев, А.М. Семенихин, В.С. Сечкин, Й.Ю. Сирвидис, В.Ф Скро-бач, Л.А. Сулима, Е.В. Тимофеев, И.В. Тихонкин и другие. Выполненные ими исследования были направлены на изучение технологических свойств трав, эффективности воздействия рабочих органов кормоубороч-ных машин на обрабатываемый материал, обоснование выбора рациональных агрегатов и уборочно-транспортных комплексов для зональных производственных условий. Анализ работ, выполненных учеными и практиками в области совершенствования перспективной технологии
заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, позволил выявить, что они имели в основном агрономическую и зоотехническую направленность: исследовали изменение агробиологических свойств обрабатываемого материала, влияние отдельных операций на качество корма, влияние корма на продуктивность животных и себестоимость продукции животноводства. Вместе с тем, отсутствуют примеры использования системного подхода к исследованию всего технологического комплекса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, учитывающего взаимодействие машин в соответствии с агротехническими требованиями, изменяющимися свойствами обрабатываемого материала, воздействиями факторов внешней среды.
Рабочая гипотеза состоит в том, что повышение качества сенажа в рулонах, упакованных в пленку, и снижение затрат на его производство возможны за счет обоснования рациональных, адаптивных к условиям производства технологических вариантов и технических средств.
Цель исследования – повышение эффективности технологического процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, за счет обоснования рациональных, адаптивных к условиям производства технологических схем, агрегатов и машин, с учетом вероятностного характера действующих факторов и изменяющихся свойств обрабатываемого материала.
Задачи исследования:
-
Выявить факторы, влияющие на эффективность кормоуборочно-го процесса, и на их основе разработать имитационную модель механизированного процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку.
-
Установить аналитическую зависимость распределения рулонов сенажа по полю и обосновать рациональные схемы движения погрузчиков и транспортировщиков рулонов с целью достижения их максимальной производительности.
3. Обосновать допустимые технологические разрывы во времени
между формированием рулона сенажа и упаковкой его в пленку с учетом
динамики самонагревания спрессованной в рулоны травяной массы раз
личной влажности и плотности, и получить аналитическую зависимость
продолжительности технологического цикла от формирования рулона се
нажа до его упаковки с соблюдением допустимых технологических разры
вов.
4. Определить статистические характеристики основных эксплуа
тационно-технологических параметров кормоуборочных, погрузочно-
транспортных машин и упаковщиков рулонов.
-
Выявить наиболее эффективные машины и агрегаты для типичных условий региона.
-
Дать технико-экономическую оценку результатов исследований и разработать практические рекомендации по выбору рационального комплекса машин для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, в типичных производственных условиях.
Объект исследования – технологический процесс заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку.
Предмет исследования – закономерности процессов формирования, погрузки, транспортировки и упаковки рулонов сенажа с учетом технологических свойств травяной массы и природно-хозяйственных факторов.
Научная новизна диссертационной работы:
вероятностная имитационная модель механизированного процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, учитывающая изменяющиеся свойства обрабатываемого материала и воздействия внешней среды;
аналитическая зависимость распределения рулонов сенажа по полю, позволяющая обосновать рациональные схемы движения погрузчиков и транспортировщиков рулонов сенажа, для достижения их максимальной производительности;
- закономерность динамики самонагревания сенажа в рулоне для
обоснования допустимых технологических разрывов во времени между
формированием рулона и его упаковкой при различной влажности и
плотности травяной массы;
- аналитическая зависимость максимальной продолжительности
технологического цикла от формирования рулона сенажа до его упа
ковки, исключающей самонагревание сенажной массы выше допусти
мых температур.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная модель механизированного процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, и полученные в результате исследований рекомендации позволяют снизить удельные совокупные затраты на заготовку сенажа за счет обоснования рационального состава кормоуборочно-го комплекса и режимов его эксплуатации для конкретных производственных условий.
Разработанная программа для ЭВМ может использоваться для расчета и обоснования рациональных технологических вариантов заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, машин на выполнении от-5
дельных операций и всего кормоуборочного комплекса.
Полученная закономерность динамики самонагревания сенажа в рулоне и обоснованные допустимые разрывы во времени между формированием рулона и его герметизацией позволяют оптимизировать схему транспортного обслуживания кормоуборочного процесса и работу упаковщиков рулонов в пленку, исключая потери качества корма вследствие его перегрева.
Полученные статистические характеристики эксплуатационно-технологических параметров машин для заготовки сенажа в рулонах могут использоваться для расчета кормоуборочных процессов и нормирования работ.
Методология и методы исследования. Объект исследования изучали на основе системного подхода с использованием классического и системного анализа, метода имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях. Проведены натурные опыты, хронометражные наблюдения и вычислительные эксперименты. Результаты экспериментов обработаны с использованием методов теории вероятностей, математической статистики и программного пакета статистического анализа Statistica.
Положения, выносимые на защиту:
имитационная модель механизированного процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку;
зависимость распределения рулонов сенажа по полю от его длины, урожайности трав, параметров валка и рулона, и обоснование рациональных схем движения по полю погрузчиков рулонов для достижения максимальной производительности;
закономерность динамики самонагревания сенажа в рулоне;
допустимые технологические разрывы во времени между формированием рулона сенажа и его упаковкой при различной влажности и плотности корма, исключающие самонагревание травяной массы выше допустимых температур;
рациональные технологические схемы, машины и агрегаты для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, адаптивные к производственным условиям, и результаты технико-экономической оценки.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные по
ложения диссертации были представлены и одобрены на научно-
теоретических конференциях ФГБОУ ВО Ставропольского государ
ственного аграрного университета; Азово-Черноморского инженерного
института - филиала ФГБОУ ВО Донского государственного аграрного университета, ФГБОУ ВО Северо-Кавказского НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства (г. Зерноград), ФГБОУ ВО Кубанского государственного аграрного университета (г. Краснодар), II-й Всероссийской научно-практической конференции “Ресурсосбережение и экологическая безопасность” (г. Смоленск); I и II Российских научно-практических конференциях “Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе” (г. Ставрополь); международных научно-практических конференциях “Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК” в рамках агропромышленной выставки “Агроуниверсал” (г. Ставрополь); международной научно-практической конференции “Эффективные агротехнологии” (г. Ростов-на-Дону); XII международной научно-технической конференции “Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем” (г. Углич). Достоверность результатов исследований подтверждается экспериментальными исследованиями в полевых условиях и производственной проверкой.
Реализация результатов исследования. Полученные результаты исследований прошли производственную проверку и внедрены в СПК колхозе им. Ворошилова Труновского района и СХ племколхозе «Россия» Новоалександровского района Ставропольского края. Разработанная методика и результаты исследований по обоснованию рациональной количественной и качественной структуры технологического процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, используются в учебном процессе факультета механизации ФГБОУ ВО СтГАУ и программах повышении квалификации инженерно-технических кадров предприятий АПК. Результаты исследований использованы при выполнении контрактов с Министерством сельского хозяйства Ставропольского края 2006 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК. По тематике научных исследований получено 3 свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, списка использованной литературы из 150 наименований (в т. ч. 10 на иностранных языках) и приложений. Основной текст изложен на 144 страницах, включает 35 рисунков и 9 таблиц.
Обзор технических средств для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку
В системе заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, для всех технологических вариантов можно выделить 4 основные подсистемы (рисунок 1.1):
- скашивание и полевая сушка трав;
- подбор трав с одновременным прессованием;
- погрузка-транспортировка-разгрузка рулонов;
- упаковка рулонов и укладка корма на хранение.
Подсистема скашивания и полевой сушки трав может включать в различном сочетании следующие операции: скашивание трав в прокос или валок, вспушивание трав, сгребание трав в валок, оборачивание валков, сдваивание валков, разбрасывание валков.
Скашивание трав может выполняться косилками, оборудованными ротационным и сегментно-пальцевым режущим аппаратом.
За рубежом для скашивания трав, в основном, используются ротационные косилки, обеспечивающие качественное скашивание высокоурожайных трав, полеглых и перепутанных травостоев на высоких поступательных скоростях. Такие косилки, по мнению западных и российских экспертов, обладают производительностью на 30% выше, чем сегментно-пальцевые с возвратно-поступательным движением ножей [28]. Наиболее популярные фирмы-производители ротационных косилок “Kuhn”, “Krone”, “Claas”, “Vicon-Kverneland”, “Fella”, “Stoll”, “Kem-per”, “Fisher”, “Бобруйскагромаш”, “Клевер” и др.
Отечественные машиностроительные фирмы выпускают следующие модели ротационных косилок: дисковая косилка КРН-2,1 шириной захвата 2,1 м; ротационные дисковые косилки КРН-1,5; КРН-1,9; КР-2,1А; КРН-2,4; КР-2,4 шириной захвата от 1,5 м до 2,4 м; косилки Strige ЖТТ-2,1, ЖТТ-2,4, ЖТТ-2,8 шириной захвата 2,1…2,8 м.
Применительно к российским условиям, использование ротационных косилок не всегда эффективно. На небольших полях и при низкой урожайности сенокосов до настоящего времени широко используются косилки с сегментно-пальцевым ножевым аппаратом. За счет меньшей металлоемкости и более низкой энергоемкости такие машины гораздо дешевле ротационных косилок. Наиболее распространенные модели отечественных сегментно-пальцевых косилок: одно-брусные навесные скоростные косилки КС-Ф-2,1 и КСГ-Ф-2,1 шириной захвата 2,1 м, двухбрусные полунавесные косилки КД-Ф-4 и КДП-4 шириной захвата 4 м, трехбрусные прицепные косилки КП-Ф-6 и КТП-6 шириной захвата 6 м.
При заготовке высококачественных кормов из трав очень важно максимально сохранить наиболее ценную часть растений – листья. Однако при влажности провяленной травы около 40%, содержание влаги в листьях составляет только 20% [ 29, 30, 31]. Поэтому в дальнейшем, при механическом воздействии, листья легко обламываются и рассыпаются, что недопустимо.
Наиболее распространенный метод, ускоряющий и выравнивающий процесс высыхания листьев и стеблей, – плющение скашиваемой травяной массы. Для осуществления его используются косилки-плющилки, которые помимо скашивания травостоя, расплющивают, раздавливают стебли, значительно ускоряя влагоотдачу. В отечественном исполнении – это косилка-плющилка КПРН-3,0 с рабочим захватом 3,0 м; косилка-плющилка КП-2,4В шириной захвата 2,4 м; прицепная косилка-плющилка КРП-302 “Berkut” шириной захвата 3,2 м.
Однако, как показали испытания и практические исследования, косилки-плющилки с вальцовыми механизмами качественно выполняют плющение травяной массы при урожайности до 200 ц/га [31, 32]. При более высокой урожайности доля расплющенных растений в общей травяной массе значительно снижается. Для интенсификации влагоотдачи скошенными травами ротационные косилки оборудуют кондиционерами динамического действия. Они более компактны, чем вальцовые аппараты, менее металлоемки, интенсивнее разрушают наружный восковой слой растений и формируют более рыхлый, вентилируемый валок. За рубежом косилки с кондиционерами динамического действия производят почти все ведущие машиностроительные фирмы: “Claas”, “Krone”, “Case”, “Kuhn”, “John Deer”, “Kverneland Grouр”, “Бобруйскагромаш” и др. В России такие машины выпускаются на предприятии “Клевер”.
Зарубежные производители косилок достигают максимальной производительности различными комбинациями при составлении уборочных агрегатов. Фирмой “Fella” был создан агрегат из двух косилок-плющилок: фронтальной и задненавесной, а фирмами “Claas” и “Krone” – агрегаты, состоящие из трех косилок-кондиционеров, навешиваемых на специальное энергетическое средство. Первая самая энергонасыщенная ротационная косилка-кондиционер была произведена фирмой “Krone”. Она включает в себя три косилочных модуля общей шириной захвата 9,1 м и специальное энергосредство мощностью 300 л.с. (221 кВт). Этой же фирмой была разработана самоходная косилка “Big M” с максимальной шириной захвата 13,2 м и производительностью до 20 га/ч за счет комбинирования трех косилок – одной передненавесной и двух задненавесных на базе самоходного шасси. Производство широкозахватных косилочных агрегатов КПР-9, состоящих из двух задненавесных и одной фронтальной косилок-кодиционеров, аг-регатируемых либо с трактором, либо с универсальным энергетическим средством УЭС-280, наладили на белорусском предприятии “Гомсельмаш”. Следующими после скашивания операциями при заготовке прессованных кормов являются операции, обеспечивающие интенсификацию процесса полевой сушки скошенных трав – ворошение, сгребание, оборачивание, а при необходимости – разбрасывание провяленной травяной массы из валков. Кроме того, при работе на сенокосах с низкой урожайностью трав для увеличения производительности проводят сдваивание валков. Все эти операции осуществляют при помощи граблей и ворошилок, которые по типу рабочих органов можно классифицировать как: ротационные, барабанные, колесно-пальцевые и конвейерные [34]. По способу агрегатирования различают прицепные, полуприцепные и навесные грабли.
Среди граблей и ворошилок наибольшее распространение в мировой практике получили ротационные органы с рабочими элементами в форме пружинных зубьев, закрепленных на управляемых штангах. По сравнению с другими граблями ротационные грабли-ворошилки обеспечивают чистое сгребание, формируют равномерный и вспушенный по всей длине валок, что ускоряет сушку и позволяет получить качественный корм. Вследствие этих преимуществ ротационных граблей доля колесно-пальцевых граблей сократилась [34, 35].
Однако, в последние годы разработчики колесно-пальцевых граблей за счет оптимизации формы и подбора для пальцев упругих и прочных материалов, существенно улучшили взаимодействие их с травяной массой и почвой. Улучшилось копирование поверхности поля, уменьшилась засоренность корма почвой, увеличилась вспушенность валков. Колесно-пальцеые грабли итальянских производителей – фирм “Tonutti” (Milenium, Raptor, RCS) и “Sitrex” (Magnum, Sitrex RP, Sitrex HDY16) – незначительно уступают по технологическим свойствам роторным граблям, но имеют гораздо меньшую цену. По лицензии фирмы “Sitrex” такие грабли производят в России на заводе “Навигатор-НМ” в г. Пермь под марками Н-90 и Н-94.
Зарубежные машиностроительные фирмы (“Stoll”, “Fella”, “Claas”, “Kuhn”, “Pottingеr”, “Krone” и др.) производят как специальные машины для сгребания травяной массы (грабли) или ее ворошения (ворошилки), так и универсальные машины, выполняющие и ворошение, и сгребание. В нашей стране выпускаются только универсальные грабли-ворошилки. Это однороторные грабли-ворошилки ГР-3,6 шириной захвата 3,6 м (Людиновский машиностроительный завод), двухроторные ГВР-6 (“Белагромаш” и “Бежец-ксельмаш”) и ГВД-6 шириной захвата 6 м (Людиновский машиностроительный завод и Нефтекамский автомобильный завод).
Прессование стебельчатых кормов является наиболее прогрессивной и рациональной технологией для создания прочной кормовой базы [35, 36, 37].
Для осуществления технологии прессования ведущие зарубежные и отечественные фирмы производят разнообразные модели пресс-подборщиков, которые в зависимости от формы спрессованного материала подразделяются на поршневые, формирующие прямоугольные тюки и рулонные, образующие рулоны цилиндрической формы.
Имитационная модель процесса подбора и прессования травяной массы в рулоны
Алгоритм имитации процесса подбора и прессования сенажной массы из валков в рулоны построен по принципу “особых состояний”. За “особые” состояния этой подсистемы приняты моменты времени завершения формирования очередного рулона сенажа, завершения обработки очередного рабочего гона и наступления отказа агрегата [114]. В структуре алгоритма имитации процесса подбора-прессования сенажной массы (рисунок 3.4) выделяются пять блоков операторов: 1…2 - запуск модели и ввод исходных данных с внешних носителей; 3…7 - "разгон" модели, то есть формирование начальных условий, выбор исследуемого в текущем цикле агрегата; 8…26 - моделирование технологического цикла формирования рулона; 27… 37 - имитация устранения отказа агрегата; 38… 49 - моделирование процесса завершения обработки гона; 50…51 - обработка и фиксация результатов моделирования и завершение реализации модели.
В качестве исходных данных оператором 2 вводятся: урожайность трав на сенаж, рабочая длина гона, расстояние переезда от машинного двора до поля, время начала и продолжительность смены, количество агрегатов, занятых на выполнении операции. Кроме того вводятся эксплуатационно-технологические параметры агрегатов - нормативная продолжительность подготовки к работе в начале смены, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение рабочей и транспортной скорости, массы рулона, продолжительности разворота, продолжительности подпрессовки и выгрузки рулона, а также средние статистические значения показателей надежности агрегата - наработки на отказ и продолжительности устранения отказа.
Для каждого из NP пресс-подборщиков оператор 3 формирует как случайные величины в соответствии с экспериментальными законами распределения: продолжительность подготовки к работе в начале смены тпод(1), скорость переезда агрегата от машдвора к полю VX(I) и наработку R5(I) до очередного отказа.
Каждому из NP агрегатов присваивается признак исправного состояния NESP(I)=0.
Оператор 5 обнуляет начальные значения текущих номеров рулона Npjl, выполненных рабочих проходов Nnp и особых состояний NS.
Оператор 6 из всех NP пресс-подборщиков выбирает Ш-й агрегат, у которого время начала очередного рабочего прохода минимальное - tpxH( IM )=min (tpxH(I)} и присваивает его значение текущему системному времени tme.
Оператор 7 проверяет: не достигло ли текущее время tme момента окончания работы на поле (// - время завершения смены, тпер(1М)- продолжительность переезда от поля до машдвора)?
Если время смены не истекло, то оператор 8 проверяет: имеется ли сенаж-ная масса Gp IM) в прессовальной камере Ш-го пресс-подборщика на момент начала его очередного рабочего прохода? Если камера пуста, оператор 9 моделирует массу очередного рулона Gp.
Оператор 10 моделирует среднюю величину рабочей скорости пресс-подборщика Vp на обрабатываемом гоне. Моделируемые операторами 9 и 10 параметры Gp и Vp формируются как случайные величины в соответствии с экспериментальными законами распределения.
Оператором 11 определяются площадь S и длина участка поля БЬфр, с которого сформируется рулон сенажа заданной массы Gp
Оператор 20 подсчитывает наработку в обработанной площади IM-го агрегата - SS(IM) и всего звена пресс-подборщиков - OSP, прибавив к имеющимся значениям площадь S, обработанную при формировании Л л-го рулона. Оператор 21 присваивает номер очередному “особому” состоянию подсистемы (NS) и записывает в массив ST состояний подсистемы характеристики нового состояния - текущее время tme и текущую интегральную наработку подсистемы OSP. Оператор 22 вычисляет и записывает в массив Rul координаты размещения рулона на поле; помимо этого в массиве Rul фиксируется масса рулона и текущее время завершения его формирования.
Оператор 23 определяет суммарное основное время Т0(1М) работы Ш-го агрегата и количество подобранной им сенажной массы Gnd(IM). Оператор 24 корректирует длину обработанной части гона DLo6. Оператором 25 обнуляются параметры SjflM), S2, Gpl(IM) для формирования следующего рулона. Оператор 26 уменьшает остаточный ресурс агрегата до наступления следующего отказа R5(IM) на величину т0 и передает управление оператору 8, который начинает цикл формирования следующего рулона.
Если оператор 17 определит, что при формировании очередного рулона наступил отказ агрегата (при R5(IM) T0), то управление передается оператору 27, который определяет время наступления отказа tom и присваивает текущему системному времени значение tme= tom. Операторы 28, 29 подсчитывают продолжительность основного времени работы пресс-подборщика то1 от начала прессования формируемого рулона до наступления отказа и увеличивают на это значение суммарное основное время работы IM-го агрегата с начала смены - То(1М). Оператор 30 определяет длину гона БЬфрі и площадь поля Si(IM), которые обработал 1М-й агрегат от начала формирования рулона до отказа агрегата, массу сформированной за это время части рулона Gpl(IM). Оператор 31 определяет суммарную от начала рабочего дня площадь наработки IM-го агрегата SS(IM) и всего звена пресс-подборщиков OSP на момент наступления отказа. Оператор 32 определяет и записывает в массив ST номер NS и время tom наступления нового “особого” состояния, вызванного отказом агрегата, и суммарную наработку подсистемы OSP на этот момент. Оператор 33 формирует как случайную величину продолжительность устранения отказа тус. Оператор 34 определяет текущее время восстановления работоспособности IM-го агрегата tyc, а оператор 35 это время принимает как время готовности агрегата к выполнению очередного рабочего прохода tpxH(IM). Оператор 36 проверяет: превысило время устранения отказа tyc продолжительность рабочего дня? Если превысило, то оператор 37 формирует признак неисправного состояния ІМ-го агрегата на начало следующего рабочего дня -NESP(IM)=1 и подсчитывает остаточную продолжительность устранения отказа тусо(1М) на следующий день. Если поломка устранена в текущий день, то оператор 36 передает управление оператору 6 для моделирования очередного технологического цикла обработки гона.
Операторы 38…48 воспроизводят функционирование подсистемы, когда оператор 13 определяет, что для формирования очередного рулона недостаточно оставшейся длины обрабатываемого гона (DLm DL ) и осуществляется поворот ІМ-го агрегата на следующий гон.
Оператор 38 определяет обработанную площадь S2 и массу сенажа Gp2(IM) в прессовальной камере ІМ-го агрегата, подобранную от начала формирования текущего рулона до поворота агрегата на следующий гон:
S2= B4)e-DLHO (3.23)
Gpl(IM)= UKS2. (3.24)
Оператор 39 вычисляет продолжительность основной работы агрегата то2 на завершении обработки текущего гона, а оператор 40 - текущее время tme завершения обработки гона. Оператор 41 моделирует как случайную величину продолжительность поворота агрегата тпв на конце гона. Оператор 42 добавляет в массивы интегральных затрат времени ІМ-го агрегата на основную работу Т0(1М) и поворотов Тпв(1М) соответствующие значения то2 и тпв. Оператор 43 корректирует общее число обработанных гонов (рабочих проходов) Nnp, выполненных всеми NP агрегатами с начала смены. Оператор 44 увеличивает на величину S2 интегральную наработку с начала смены ІМ-го агрегата - SS(IM) и всего звена пресс-подборщиков OSP. Оператор 45 присваивает номер NS очередному “особому” состоянию подсистемы, вызванному завершением обработки очередного гона, фиксирует в массиве ST состояний подсистемы время его наступления tme и соответствующую интегральную наработку подсистемы OSP.
Оператор 46 обнуляет для следующего рабочего прохода величину обработанной части гона DLHO. Оператор 47 проверяет: не произошло ли отказа агрегата до завершения обработки текущего гона? Если наступил отказ, то управление передается операторам 33…37, имитирующим процедуру устранения отказа. Если отказ не произошел, то оператор 48 уменьшает остаточный ресурс наработки до наступления отказа IM-го агрегата R5(IM) на величину то2, а оператор 49 определяет время готовности агрегата к началу обработки следующего гона tpxH(IM) и передает управление оператору 6 для моделирования очередного технологического цикла обработки гона.
Имитация выполнения процесса подбора и прессования скошенных трав в текущий день завершается в момент, когда оператор 7 фиксирует окончание времени смены.
Управление передается операторам 50…51, которые записывают результаты моделирования на внешний носитель и завершают реализацию модели.
В результате реализации модели для различных полевых операций выводится выходная информация в виде массива ST, характеризующего состояния подсистемы, массивов составляющих баланса времени работы и наработки всех агрегатов подсистемы. Выходная информация используется для последующего синтеза подсистем кормоуборочного процесса и оценки эффективности работы агрегатов, звеньев и всего комплекса машин на заготовке сенажа в рулонах, упакованных в пленку.
Анализ условий функционирования кормоуборочного комплекса
Ставропольский край расположен в центральной части Северного Кавказа и простирается от Прикаспийской низменности на востоке до предгорий главного Кавказского хребта на юго-западе.
Природные условия края очень разнообразны и характеризуются постепенной сменой ландшафтов – от полупустынь до предгорных участков. По природно-климатическим условиям (тип почвы, обеспеченность влагой и теплом) на территории Ставропольского края выделяют четыре зоны [121]:
- крайне засушливая - занимает 18% территории края;
- засушливая - 36% территории;
- недостаточного увлажнения - 40% территории;
- достаточного увлажнения - 6% территории.
В животноводстве Ставропольского края первых лет XXI века продолжалось начатое в 90-е годы прошлого столетия снижение поголовья КРС. Но к 2006 г. оно стабилизировалось на уровне 380…400 тысяч голов, а численность коров даже несколько увеличилась – со 171,7 тысяч голов в 2006 г. до 203,0 тысяч голов на начало 2015 г. (рисунок 4.2). Поголовье овец и коз в крае с 2000 г. по 2015 г. выросло на 77% и составило 2390,8 тыс. голов [122, 123, 124, 125, 126].
Продуктивность молочных коров в Ставропольском крае ежегодно возрастает, и в 2014 г. средний надой на одну корову достиг 6359 кг, что в 2,6 раза превышает среднегодовой надой в 2000 г., составлявший 2441 кг [122, 123, 124, 125, 126]. При такой продуктивности коров их суточный рацион наряду с другими видами кормов должен содержать до 10…12 кг сенажа, а при сенажном типе кормления - до 20…25 кг сенажа [127, 128]. в 2000 г. до 21,5%, а в 2014 г. и вовсе составила лишь 5,6 % от общих посевных площадей в крае [122, 123, 124, 125, 126]. Тенденция уменьшения посевных площадей явно просматривается как для многолетних, так и для однолетних трав (рисунок 4.3).
В зонах с недостаточным увлажнением надежные и стабильные урожаи травяных культур получают только на орошаемых участках. Поливные площади в крае занимают около 5 % общего количества посевных площадей и около трети из них приходится на кормовые культуры. По данным Ставропольского НИИ сельского хозяйства на поливных участках урожайность кормовых культур может возрасти в среднем по всем зонам более чем вдвое [116, 129].
В структуре посевов многолетних трав основная доля принадлежит наиболее ценным бобовым культурам - люцерне и эспарцету, среди однолетних трав – бобово-злаковым смесям. Средняя урожайность многолетних трав с 2000 г. варьируется в диапазоне 111,2…146,6 ц/га, однолетних – 53,9...76,9 ц/га [128] (рисунок 4.4).
Выбор вида трав и технологии их уборки должны обеспечить получение высококачественного корма, так как снижение качества ведет к росту себестоимости одной кормовой единицы и увеличению объема потребляемого животными корма из-за его низкой питательной ценности и худшей усвояемости [2, 130, 131]. В Ставропольском крае имеются значительные резервы повышения качества сенажа, поскольку, по данным краевого министерства сельского хозяйства, свыше 40% заготавливаемого в крае сенажа относится к третьему классу и неклассному.
На организацию эффективного процесса заготовки сенажа в рулонах, влияет численность поголовья животных, для которых заготавливается корм, и распределение животных по территории предприятия. В настоящее время в Ставропольском крае действует несколько крупных молочных комплексов и сельскохозяйственных предприятий, занимающихся животноводством, поголовье КРС которых составляет от 1000 до 4000 голов. Большинство же сельскохозяйственных предприятий края, содержащих скот, насчитывают 1…2 фермы КРС численностью 200…500 голов. Аналогичная ситуация наблюдается и в отрасли овцеводства.
Сельскохозяйственные предприятия, традиционно занимающиеся овцеводством (в основном это предприятия восточных и северо-восточных районов края), содержат до 15…20 тысяч голов овец, которые распределены по отарам численностью 500…1200 голов. Следует отметить значительный рост поголовья овец и коз в крестьянско-фермерских и в личных подсобных хозяйствах населения. Так, в 2000 г. поголовье овец и коз в крестьянско-фермерских хозяйствах составляло 67,4 тыс. голов, а на начало 2015 г. их насчитывалось 1128,3 тыс. голов. В личных подсобных хозяйствах населения эти показатели составили 381,3 тыс. голов – в 2000 г. и 829,7 тыс. голов – в 2015 г [122, 123, 124, 125, 126].
Для кормления животных в стойловый период возле каждой фермы или отары оборудуют кормовую площадку, в том числе с одной или несколькими сенажными траншеями ёмкостью 200...800 тонн и площадку для хранения сенажа в рулонах, упакованных в полиэтиленовую пленку, которые хранятся под открытым небом, под навесом или в сараях. Некоторые сельскохозяйственные предприятия на фермах, расположенных вблизи населенных пунктов, оборудуют хранилища сенажа объемом, превышающим потребности фермы, для обеспечения кормами и поголовья личных подсобных хозяйств.
Расстояние транспортировки сенажа от места заготовки до животноводческих ферм в крае варьируется в пределах от 1…2 км до 15...20 км. Среднее расстояние перевозки заготавливаемого корма от места скашивания до места закладки на хранение составляет 5...7 км.
По данным МСХ Ставропольского края в парке кормоуборочной техники две трети сложных машин эксплуатируются более 10 лет, что требует неотложного их обновления. Обновление парка кормоуборочных машин должно осуществляться на основе современных технологий и правильно подобранных комплексов машин, адаптированных к природно-хозяйственным условиям региона.
На динамику и эффективность кормоуборочного процесса существенное влияние оказывают климатические условия [121, 128, 129]. В разных сельскохозяйственных зонах Ставропольского края они отличаются (рисунок 4.5).
Рациональный состав кормоуборочного комплекса и его экономическая эффективность в типичных условиях предприятий Ставропольского края
Основываясь на приведенных выше результатах сравнительной оценки эффективности применения различных типов и моделей машин на выполнении основных операций процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, нами рекомендован качественный состав кормоуборочного комплекса, включающий наиболее эффективные машины при характерном для предприятий Ставропольского края темпе заготовки сенажа в рулонах – около 200 тонн корма в 10-ти часовую смену. Сменный темп кормозаготовки – 200 т сенажа – соответствуют наработке за 10-ти часовую смену звена из 2 средних по производительности рулонных пресс-подборщиков при полной или близкой к ней загрузке их пропускной способности. Темп работы пресс-подборщиков определяет темп работы всех остальных звеньев кормоуборочного комплекса.
В структуре кормоуборочного комплекса для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку (рисунок 1.1), выделяются четыре звена машин, выполняющих следующие операции: 1 – скашивание травостоя и провяливание скошенных трав в поле (разбрасывание валков, сгребание трав в валки, оборачивание и сдваивание валков); 2 – подбор валков и прессование травяной массы в рулоны; 3 – погрузка-транспортировка-разгрузка рулонов; 4 – упаковка рулонов сенажа в пленку и укладка их в штабель на хранение.
Согласно результатам ранее проведенных нами исследований эффективности работы различных агрегатов на скашивании и провяливании трав [28, 136, 138], первое звено рекомендуем укомплектовать наиболее эффективными по критерию совокупных затрат агрегатами: на скашивании трав – в составе трактора МТЗ-1221, задненавесной косилки-плющилки Rotex 6 и переднена-весной косилки-плющилки Avant 6; на разбрасывании валков – вспушиватель RT-5800H c трактором МТЗ-82; на сгребании скошенных трав в валки, оборачивании и сдваивании валков – колесно-пальцевые грабли H-90V10 в агрегате с трактором МТЗ-82.
Для комплектования остальных звеньев кормоуборочного процесса используем приведенные выше данные сравнительной эффективности работы различных агрегатов, полученные в ходе вычислительных экспериментов (рисунки 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.7, таблица 5.4).
Для подбора-прессования трав из валков рекомендуем агрегат в составе трактора МТЗ-82 и рулонного пресс-подборщика R12/2000 Super. Для выполнения работ на погрузке рулонов в транспортный агрегат и на обслуживании обмотчика рулонов и укладке корма на хранение выбираем агрегат в составе трактора МТЗ-82 и погрузчика ПКУ-0,8 с захватом рулонов. Для перевозки рулонов с поля к месту упаковки и хранения принят наиболее эффективный транспортный агрегат в составе автомобиля КамАЗ-45143 и прицепа НефАЗ-8560. Для упаковки рулонов в пленку рекомендуем рядовой обмотчик Speedway-120 или Neoliner NWX 660.
Количество агрегатов в кормоуборочном комплексе определяли путем вычислительных экспериментов с разработанной моделью кормоуборочного процесса. При расчетах учитывали типичные для предприятий с развитым молочным животноводством Ставропольского края природно-хозяйственные условия: годовой объем заготовки сенажа в рулонах – 2500…3000 т; урожайность люцерны – 15 т/га, расстояние перевозки рулонов с поля к месту упаковки и хранения – 5…7 км, темп заготовки корма – 200 т за смену (10 ч).
В результате вычислительных экспериментов с имитационной моделью определен рациональный количественный состав комплекса машин для заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку. Состав кормоуборочного комплекса и результаты его работы в типичных условиях Ставропольского края приведены в таблице 5.6.
В качестве базового хозяйства для расчета экономической эффективности предлагаемых разработок выбран СПК колхоз им. Ворошилова Труновского района – первое предприятие Ставропольского края, в котором, при нашем участии, внедрена технология заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку (2002 г.). Производственные условия для заготовки сенажа в базовом предприятии: основная кормовая культура - люцерна; средняя урожайность -154 ц/га; расстояние перевозки - 6 км; длина поля -1000 м; средний годовой объем заготовки сенажа в рулонах – 2500…3000 тонн.
Состав базового комплекса машин, используемого в СПК колхозе им. Ворошилова перечислен в разделе 5.4 и отражен в таблице 5.7. В этой же таблице приведены результаты вычислительного эксперимента, выполненного для условий базового предприятия.
Сравнительный анализ результатов вычислительного эксперимента показывает значительные преимущества рекомендуемого нами кормоуборочного комплекса по сравнению с используемым в СПК колхозе им. Ворошилова на заготовке сенажа в рулонах набором машин.
Рекомендуемый комплекс кормоуборочных и погрузочно-транспортных машин обеспечивает по сравнению с базовым вариантом прирост сменной наработки на 11,5 %, снижение общих потерь корма на 4,2 % и сокращение удельных совокупных затрат на 27,2 %. Годовой экономический эффект от сокращения совокупных затрат при заготовке 2500 т сенажа в рулонах составил:
Эгсз = (1806,9 - 1314,9) 2500 = 1 230 000 руб.
Приведенные данные вычислительных экспериментов и технико-экономических расчетов подтверждают эффективность предлагаемых технологических и организационно-технологических решений в условиях базового хозяйства, соответствующих типичным производственным условиям предприятий Ставропольского края, развивающих отрасль скотоводства.