СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ЗАГОТОВКЕ ГРУБЫХ

На правах рукописи

ГУСЬКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО

ПРОЦЕССА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

НА ЗАГОТОВКЕ ГРУБЫХ КОРМОВ

Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новосибирск – 2007

Работа выполнена в ФГОУ ВПО

«Новосибирский государственный аграрный университет»

Научный консультант:		доктор технических наук, профессор Блынский Юрий Николаевич
Официальные оппоненты:		доктор технических наук, профессор Докин Борис Дмитриевич
		доктор технических наук, профессор Беляев Владимир Иванович
		доктор технических наук, профессор Громов Александр Герасимович

Ведущая организация – ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства (ГНУ «СибНИИСХ»)

Защита состоится "——-" ————— 2007г. на заседании диссертационного совета Д 220.048.01 в ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» по адресу: 630039, Новосибирск, ул. Добролюбова, 160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан "____" ___________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Воронин Д.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение эффективности сельскохозяйственного производства с целью удовлетворения потребностей населения в продуктах питания, а промышленности – в сырье невозможно без создания кормовой базы для животноводства.

В климатических условиях Западной Сибири, где стойловый период содержания скота бывает весьма продолжительным, а грубые корма во время стойлового периода в кормовом балансе составляют 60-80%, проблема качественного и количественного сохранения кормов имеет исключительное значение. Одним из основных ингредиентов в кормовом рационе этого периода является сено, объемы заготовки которого в Сибири составляют 4,5-5 млн т.

При скармливании высококачественного сена можно удовлетворить потребность животных в кормовых единицах на 40-50%, в переваримом протеине – на 35-45%, более чем наполовину – в минеральных веществах и практически полностью – в каротине. Особенно велико значение сена в рационах телят и сухостойных высокопродуктивных коров в зимне-весенний период. Однако в процессе заготовки кормов часто допускаются большие потери растительного сырья и содержащихся в них питательных веществ и витаминов. Ввиду несовершенства технологий заготовки, сбора, транспортировки и хранения кормов потери питательных веществ по сравнению с исходным сырьем нередко достигают в сене 50 % и более. Снижение до минимума этих потерь является одной из главных составных частей решения проблемы увеличения производства кормового белка.

Создание прочной кормовой базы означает не только увеличение производства и повышение качества кормов, но и применение прогрессив­ных технологий и рациональных комплексов машин, позволяющих свести к минимуму количественные и качественные потери выращенного расти­тельного сырья и полученного корма. Новые для нашей страны условия рыночной экономики вместе с необходимостью снижения себестоимости и повышения качества продукции заставляют каждое хозяйство считаться с серьезным экономическим риском принятия неверных решений. При существующем разнообразии технических средств, отсутствии ориенти­рованного подхода на выбор только отечественной техники и широких возможностях в приобретении зарубежных технологий особенно важной становится задача выбора наиболее эффективных и практически приемле­мых технологий из тех, что применяются традиционно, рекомендуются новыми научными исследованиями, либо предлагаются экспертно.

Таким образом, проблема совершенствования технологических систем и технических средств для заготовки, сбора и транспортирования кормов, направленных на снижение потерь питательных веществ, уменьшение необходимых энергетических, материальных и трудовых затрат – актуальна и имеет большое народно-хозяйственное значение.

Цель исследования – сокращение издержек и повышение эффективности использования сборочных и транспортных средств на заготовке грубых кормов за счет расширения функциональных связей и совершенствования технических средств.

Объект исследования – процесс взаимодействия уборочных, сборочных и транспортных средств, технологические и транспортные операции на заготовке грубых кормов.

Методы исследований. Общей методологической основой исследований являлось использование системного подхода, обеспечиваю­щего рассмотрение сборочно-транспортного процесса с учетом реальных взаимосвязей системных параметров. В аналитических исследованиях ис­пользованы методы математического анализа, теории вероятностей, ли­нейного и динамического программирования. Экспериментальные иссле­дования проводились в реальных условиях эксплуатации машин и путем моделирования на ЭВМ. Анализировали полученный материал исследований с использованием методов математической статистики.

Научная новизна заключается в разработке положений, реализующих принципы системного анализа при проектировании сборочно-транспортных систем на заготовке грубых кормов. Выявлены закономерности влияния состава, структуры и параметров технических средств на показатели эффективности, на основе чего предложены новые варианты технологического построения кормозаготовительных систем. Предложена методика выбора рационального варианта сбора распределенного материала в партии при условии минимизации грузооборота материала и машин. Получена математическая модель и разработана методика прогнозирования времени сушки травяного валка. Определены параметры валкообразующего органа для формирования легковентилируемого спиралеобразного валка пространственной конфигурации. Обоснованы параметры технических средств для сбора и транспортировки грубых кормов в зависимости от условий эксплуатации. Новизна технических решений подтверждена 13 авторскими свидетельствами и 7 патентами на изобретения.

Практическая ценность работы. Разработаны и проверены новые технологические операции и технические решения, позволяющие более эффективно реализовывать различные варианты заготовки, сбора и транспортировки грубых кормов. Определен ряд аналитических зависимостей и разработаны прикладные программы для проведения инженерных и технологических расчетов, а также научных исследований по организации сборочно-транспортных процессов. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе при подготовке инженеров и технологов сельскохозяйственного производства.

Реализация результатов работы. Исследования, составившие основу диссертационной работы, выполнялись согласно общесоюзным научно-техническим программам 0.51.11 - 01.06.Д1А "Разработать и проверить технологические процессы транспортировки грузов при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур" и 0.51.12.06 "Разработать и внедрить перспективные системы машинных технологических процессов и технических средств для завершения комплексной механизации растениеводства и животноводства", НИР НГАУ (1991 - 2006 гг.).

Результаты исследований приняты к внедрению НТС АПК Новоси­бирской и Томской областей, внедрены в ряде хозяйств, научно-техни­ческом центре по тракторным прицепам (г. Орск), ГКБ по тракторным и автомобильным прицепам (г. Балашов), ГСКБ по комплексам машин для двухфазной уборки зерновых, риса, семенников трав и других культур и стационарного обмолота (г. Таганрог). Материалы диссертационной ра­боты используются в учебном процессе на кафедрах ЭМТП Новосибир­ского, Омского и Алтайского государственных аграрных университетов, Томского и Кемеровского сельскохозяйственных институтов.

На защиту выносятся:

– методика проектирования сборочно-транспортных процессов и параметров технических средств на основе типизации элементарных операций;

– методика моделирования на ЭВМ сборочно-транспортных систем и параметров технических средств в различных условиях эксплуатации машин;

– методика организации рационального сбора партий материала;

– схемы технологического построения сборочно-транспортных процессов и технические средства для их реализации;

– зависимости между параметрами процессов и технических средств, статистические характеристики для реализации методом машинного моделирования рационального построения функционирования машин технологического процесса;

– способ формирования травяного валка легковентилируемой структуры и модель прогнозирования его параметров;

– средства механизации для выполнения основных и вспомогательных операций сборочно-транспортного процесса.

Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях Новосибирского ГАУ (1991-2006 гг.), международных научно-практических конференциях института механизации НГАУ и Гумбольдтского университета (г. Берлин) (1995, 1997, 1998, 2004, 2006 гг.), международной научно-практической конференции «Проблемы стабилизации и развития сельскохозяйственного производства Сибири, Монголии и Казахстана в ХХI веке» (1999 г.), НТС управления сельского хозяйства Новосибирского облисполкома (1985г.), НТС ГКБ по тракторным и автомобильным прицепам (г. Балашов, 1987 г.), НТС ГСКБ по комплексам машин для двухфазной уборки зерновых, риса, семенников трав и других культур и стационарного обмолота (г. Таганрог, 1987, 1990 гг.), НТС научно-технического центра по тракторным прицепам (г. Орск, 1992г.), НТС завода "Сибсельмаш" (1995г.), НТС АПК Томской области (2003г.), НТС АПК Новосибирской области (2007г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано – 44 печатных работ, в числе которых рекомендации, монография, 13 авторских свидетельств и 7 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литера­туры из 232 наименований, в том числе 32 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 257 страницах машинописного текста и включает 16 таблиц, 101 рисунок и 6 приложений с материалами ре­зультатов исследования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы, обоснование направления,
цель и задачи исследования

В первой главе дан анализ и систематизированы технологические схемы сбора и транспортировки грубых кормов, применяемые в нашей стране и за рубежом. Приведено описание наиболее типичных технических средств, характеризующих направления и тенденции совершенствования кормозаготовительного процесса. Обобщены результаты исследований в области проектирования технологических процессов в сельскохозяйственном производстве.

Необходимость развития инженерных методов проектирования и оперативного управления механизированными технологическими процессами в сельскохозяйственном производстве впервые обосновали академики ВАСХНИЛ В.А. Желиговский, И.Ф. Василенко.

Дальнейшее развитие теория и методы построения механизиро­ванных процессов получили в трудах Л.Е. Агеева, Х.Г. Барама, Ю.Н. Блынского, А.И. Бурьянова, Г.В. Веденяпина, В.И. Виноградова, А.С. Гальперина, В.А. Гобермана, Ф.С. Завалишина, В.А. Зязева, В.Д. Игнатова, С.А. Иофинова, Ю.К. Киртбая, И.Т. Коврикова, В. И. Котелянца, Н.В. Краснощекова, А.М. Крикова, В.А. Кубышева, В.В. Лазовского, С.Г. Плохова, Ю.К., И.П. Терских, Р.Ш. Хабатова, Г.Е. Чепурина и др.

Разработке проблем построения уборочных, транспортных и других процессов в сельском хозяйстве посвятили свои труды Беляев В.И., Д.М. Воронин, А.Г. Громов, Б.Д. Докин, А.А. Зангиев, К.Г. Коганов, А.Ф. Кондратов, Э.И. Липкович, Н.И. Овчинникова, В.И. Особов, М.Г. Пенкин, А.В. Пискарев, В.Т. Сергованцев, А.Н. Скороходов, С.Д. Сметнев, В.Д. Саклаков, В.Р. Торопов, Ю.Н. Упкунов и др.

Эффективность уборочно-транспортных процессов во многом зависит от уровня развития транспорта и форм его использования. Развитие проблем создания и эффективности эксплуатации транспортных средств отражено в трудах А.С. Антошкевича, Е.М. Багир-Заде, И.М. Головных, М.И. Горячкина, Л.И. Гунера, М.С. Каплановича, В.А. Кардаша, Ю.А. Конкина, Л.Ф. Кормакова, Г.Г. Косачева, Ю.Я. Маренича, В.И. Миркитанова, Н.И. Пасечного, К.В. Рыбакова, А.И. Федотова, Б.Г. Ходасевича, В.А. Эма, и др.

Однако при всей значимости проведенных исследований многие важные аспекты рассматриваемой проблемы разработаны недостаточно.

В проведенных исследованиях закономерности изменения показателей использования машин рассмотрены применительно к крупным хозяйствам, часто усреднены и ориентированы на решение общего подхода, не учитывают многообразие условий эксплуатации, кроме того, выполненные исследования недостаточно систематизированы.

Не изучена эффективность индивидуального подхода, учитывающего неодинаковое влияние условий эксплуатации на выбор системы и варианта организации сборочно-транспортных работ при решении задач оперативного планирования кормозаготовительного процесса.

Недостаточно исследованы вопросы рационального сбора и перемещения партий материала и распределения функций машин комплекса. Требуют уточнения вопросы обоснования конструктивных и технологических параметров технических средств рассматриваемых сборочно-транспортных систем.

Сущность научной проблемы заключается в необходи­мости получения информации и углубления знаний о закономерностях организации и построения сборочно-транспортных систем при наиболее полном учете неодинакового влияния условий эксплуатации, расшире­нии функциональных возможностей агрегатов и определении сравни­тельной эффективности методов построения технологического взаимо­действия машин, обеспечивающих устранение противоречия между фак­тическим состоянием дел и возросшими возможностями современных товаропроизводителей при заготовке грубых кормов. Решение этой проб­лемы позволит сократить до минимально допустимого уровня возмож­ные потери материальных ресурсов при выборе новой или совершенство­вании типовой технологии и увеличить производительность сборочных и транспортных машин и повысить качество механизированных работ.

Рабочей гипотезой, исходной при решении сформулиро­ванной проблемы, явилось предположение о том, что снизить затраты энергии, труда и денежных средств при высоком качестве механизиро­ванных работ можно на основе развития элементно-структурных свя­зей системы и путем раскрытия основных закономерностей, опреде­ляющих функционирование машин рассматриваемого процесса при более полном учете неодинакового влияния условий эксплуатации.

Задачи исследования:

1. Разработать теоретические подходы и методологию проектирования систем для сбора и транспортирования грубых кормов и программное обеспечение для моделирования сборочно-транспортных операций с учетом различных производственных ситуаций.

2. Выявить и уточнить закономерности, определяющие рациональное построение технологических систем на заготовке грубых кормов в зависимости от технико-эксплуатационных параметров машин и условий эксплуатации.

3. Обосновать способ интенсификации естественной сушки травяного валка. Разработать математическую модель для прогнозирования времени сушки травяных валков различной пространственной конфигурации.

4. Разработать образцы технических средств и устройств, оценить эффективность их применения в сборочно-транспортном процессе и провести проверку работоспособности в производственных условиях. Разработать и внедрить рекомендации по интенсификации сборочно-транспортного процесса.

Теоретическое обоснование функционирования систем
при сборе и транспортировании грубых кормов

Методология решения научной проблемы

Взаимосвязанное изучение состава и структуры, а также свойств сборочно-транспортного процесса выполнено на основе системного анализа (СА). В инженерной практике применяются две разновидности метода: функциональный (ФА) и морфологический анализ (МА).

При функциональном анализе изучается взаимосвязь параметров процесса и среды, устанавливается соответствие состава и структуры каждого варианта построения процесса параметрам среды Рс(t). Более детально характеризуются функционально-технический (ФТА) и функционально-экономический аспекты (ФЭА).

Морфологический анализ позволил установить состав, структуру, а также изучить все множество возможных вариантов построения процесса, полученных в результате комбинирования компонентов (элементно-структурный (ЭСА) и комбинаторно-структурные аспекты (КСА)).

Следующий этап рассмотрения процесса – это системно-структур­ное моделирование (ССМ). На этом этапе устанавливался объем функционального и морфологического описания процесса, который достаточен для последующего регулирования многообразия вариантов реализации процесса. Средствами динамического (ДМ) или численного (ЧМ) моделирования отбирались рациональные варианты построения системы.

При анализе рассматриваемый процесс может быть представлен как системно повторяющаяся последовательная очередность типичных элементарных операций вида:

РМ – Сп – Нм, (1)

где РМ – элементарная операция – характеристика пространственного положения материала; Сп – элементарная операция обработки и перемещения материала; Нм – элементарная операция изменения характеристик материала.

Тогда целевая функция материального баланса сборочно-транс­портного процесса будет иметь вид:

(2)

где S – количество заготовленного корма; S0 – биологический урожай; Si – потери при выполнении элементарных операций «РМ»; Sj – потери при выполнении элементарных операций «Сп»; Sk – потери при выполнении элементарных операций «Нм»; n1, n2, n3 – количество элементарных операций.

Функцию минимизации энергозатрат на выполнение операций сборочно-транспортного процесса запишем в виде:

, (3)

где Ai – энергозатраты на выполнение элементарных операций «РМ»; Aj – энергозатраты на выполнение элементарных операций «Сп»; Ak – энергозатраты на выполнение элементарных операций «Нм».