СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ЗАГОТОВКЕ ГРУБЫХ

Для управления сборочно-транспортным процессом (СТП) на основе моделирования целесообразно выделить две подсистемы: – «полевая подготовка материала» и – «транспортирование материала», системно-структурное представление которых показано на рис. 1.

Рис.1. Блок-схема управления подсистемами сборочно-транспортного процесса на заготовке грубых кормов

Моделирование используется для составления такого описания про­цесса, изучение которого может быть признано необходимым и доста­точным для выявления закономерностей построения и протекания про­цесса под воздействием непрерывно меняющихся параметров среды и для оказания регулирующего воздействия на модель, а через нее и на объекты процесса для приведения этого многообразия к оптимальному уровню, установленному с помощью машинных экспериментов. Реализация предложенного подхода требует разработки оригинального прог­раммного обеспечения, для комплексной оценки технико-экономических показателей производственного подразделения фиксированной конфигурации, функционирующего в различных внешних условиях и отвечающего требованиям исследователя и производственника-пользователя.

Экономико-математическая модель вычисления затрат
при функционировании сборочно-транспортной системы

Наибольшая эффективность выполнения работ каждой из подсистем СТП и системы в целом может быть достигнута при минимизации выражения:

(4)

где – приведенные затраты на выполнение операций подсистемы «» с учетом биологических потерь урожая; – приведенные затраты на выполнение операций подсистемы «» СТП с учетом затрат на непроизводительные пробеги сборочных средств; Р, Рj – потери урожая и затраты на непроизводительные пробеги сборочных средств в денежном выражении.

Целевая функция определения затрат на выполнение i-й операции подсистемы «» СТП имеет вид:

, (5)

где Wi – часовая производительность агрегата, т/ч; 1, 2 – отношение балансовой стоимости и годовой загрузки тягача и агрегатируемой сельхозмашины соответственно; с1, с2 – коэффициенты отчислений тягача и сельхозмашины в долях единицы; Е – нормативный коэффициент эффективности капвложений; f – часовая ставка оператора, руб/ч; t – часовой расход топлива, кг/ч; р – комплексная цена топлива, руб/кг.

Известно, что величина биологических потерь Р в основном зависит от продолжительности полевой сушки травяного валка tc и оценивается в зависимости от потерь наиболее неустойчивого элемента питательных веществ – каротина, характеризующего качество заготавливаемого корма:

Р = f (Пд, Пф, tc, U, S, Ц), (6)

где Пд – предельно допустимый уровень содержания каротина в корме, мг/кг с.в.; Пф – фактический уровень содержания каротина, мг/кг с.в.; U – урожайность заготавливаемого корма, т/га; S – площадь участка, га; Ц – средневзвешенная цена реализации корма, руб/т.

Целевая функция определения затрат на выполнение j-й операции подсистемы «» СТП с учетом энергетических затрат на непроизводительные пробеги при:

,

1=1(с1+Е), 2=2(с2+Е) и

примет вид:

,

где Ат – энергозатраты, связанные с обработкой убираемого материала, кДж; Аi – энергозатраты на выполнение операции без учета непроизводительных пробегов; А0 – энергозатраты на непроизводительные пробеги сборочных средств; – степень загрузки двигателя; Аnе – номинальная мощность двигателя, кВт; мг, – коэффициенты учитывающие потери мощности в трансмиссии и на буксование; – коэффициент сопротивления качению; Gа – масса агрегата, кН; li – пробег агрегата при выполнении i-го элемента операции, м; l0i – непроизводительный пробег агрегата при выполнении i-го элемента операции, м; Тi – время i-го простоя агрегата, приходящегося на час чистой работы.

Вычисление пробегов агрегатов при выполнении i-го элемента операции может быть выполнено с помощью аналитических зависимостей или получено при моделировании изучаемого процесса на компьютере. Одновременно могут быть выработаны рекомендации по составу и структуре рабочей группы и правила взаимодействия сборочно-транспортных средств, обеспечивающие снижение энергозатрат на непроизводительные пробеги. В общем виде возможно следующее представление стратегий сбора пакетов, рис. 2 (термин «пакет» объединяет значение слов: рулон, копна, тюк и т.п.).

Для прямоугольного участка поля при случайном распределении собранного в пакеты урожая из-за колебания урожайности убираемого материала по длине гона могут быть рассмотрены варианты вывоза в соответствии с рисунком 3.

Рис. 2. Стратегии сбора и транспортировки пакетированного урожая

Рис. 3. Варианты размещения пунктов сбора материала

Величина среднего расстояния перевозки при сборе распределенных по полю пакетов в угол участка (рис.3а) будет равна:

, (7)

где D = (H2+L2)0,5, – отношение ширины участка (Н) к его длине (L), т.е. = H/L.

При этом энергозатраты на грузооборот материала и машин при сборе по одному пакету будут равны:

(8)

где Gп – масса пакета, кН; h – высота подъема пакета при погрузке, м; Lп – длина поворота агрегата, м; nп – количество пакетов; fт, fп – обобщенные коэффициенты сопротивления перекатыванию движителей на прямолинейном участке и повороте соответственно.

Характер изменения величины среднего пробега сборочного средства для рассматриваемых случаев показан на рис. 4.

Используя полученные зависимости можно сформулировать требования, с учетом условий сбора материала и размеров участка, к местам организации пунктов накопления урожая для наименьшего грузооборота материала и машин.

а б

Рис. 4. Изменение среднего расстояния до распределенных по полю пакетов при сборе на угол – а и к середине стороны (L/2) участка – б

Рис. 5. Рациональные варианты размещения пакетов

Реализация упорядоченного способа распределения пакетов на поле в виде ряда достигается за счет использования прессовального агрегата с накопителем пакетов. Наиболее рациональные, с технологической точки зрения, варианты размещения пакетов на поле, при различном соотношении L/lз и разной емкости накопителя (m), показаны на рисунке 5.

Для предложенных вариантов размещения пакетов энергозатраты на грузооборот определяются по выражению:

(9)

где Lп – длина поворота агрегата, м; i – доля от общего количества пакетов, перемещаемых при повороте агрегата; B – рабочая ширина захвата жатки, сформировавшей валок, м; lз – длина пути сборочного агрегата за время формирования пакета, м.

Интенсификация сборочно-транспортного процесса
на заготовке грубых кормов

В четвертой главе обосновываются пути интенсификации СТП в системах с последовательным сбором материала и прямоточной схемой транспортирования, а также многостадийный сбор и комбинированные схемы использования транспортных агрегатов.

а б

Рис. 6. Изменение показателей при последовательном сборе: а – в зависимости от соотношения длин сторон прямоугольного участка; б – при использовании самозагружающихся транспортных средств и с использованием погрузчика (сум.)

При моделировании последовательного варианта сбора пакетированного урожая исследовали влияние L/H – показателя соотношения сторон участка на суммарный пробег, энергозатраты, расход топлива и время сбора. На рисунке 6а приведены зависимости показателей процесса для самозагружающегося транспортного агрегата с трактором МТЗ-80.

Анализ показывает, что наибольшее снижение пробега, энергозатрат и расхода топлива достигается при L/H = 2. Время сбора (время чистой работы) практически не изменяется из-за малого диапазона возможного варьирования скоростным режимом тягача (средняя скорость движения составила 7,18 км/ч).

Грузовместимость транспортных средств существенно влияет на показатели сборочно-транспортной системы. Результаты моделирования последовательного варианта сбора пакетированного урожая самонагружающимися транспортными средствами различной грузовместимости при значении показателя L/H = 2 представлены на рисунке 6б. Анализ графиков показывает, что транспортные средства грузовместимостью до 4 пакетов значительно уступают более вместительным транспортным агрегатам. Увеличение грузовместимости от 6 до 20 пакетов позволяет снизить суммарный пробег в 2,1 раза, при этом величина изменения энергозатрат в рассматриваемом диапазоне составляет 12,8%, расход топлива 10,1%. Чистое время сбора уменьшилось на 11%.

По критерию энергозатрат лучший показатель у ТС-8, которое имеет наиболее высокий показатель соотношения массы груза к массе транспортного средства, по этой же причине, из-за более низкого значения показателя, возросли энергозатраты при сборе ТС-12.

Расчеты показали, что характер изменения показателей сборочно-тран­спортного процесса при последовательном варианте сбора пакетированного урожая самонагружающимися транспортными средствами не изменяется при варьировании массой пакета, площадью участка, урожайностью.

В случае применения не самонагружающихся транспортных средств используют специализированные самоходные погрузочные средства, которые перемещаются вместе с транспортным средством от пакета к пакету и осуществляют их погрузку. На рисунке 6б приведены также суммарные значения показателей процесса. Относительное увеличение энергозатрат в зависимости от вида используемого транспортного средства составляет от 4,6 до 17,8%, доля пробега изменяется от 6 до 55,8%. Значительно увеличивается расход топлива – от 48,9 до 90,6%.

При многостадийном сборе операции сбора материала, погрузка и транспортирование к месту хранения выполняются, как правило, не еди­новременно и различными по назначению сборочно-транспортными сред­ствами. На первом этапе – сбор в ряды или блоки – используются самонагружающиеся сборочно-транспортные средства малой вместимости.

На втором этапе используют большегрузные транспортные средства. Такое разделение диктуется стремлением сократить время погрузки за счет более производительной работы погрузочных средств и снизить пробеги большегрузных транспортных средств во избежание негативного воздействия движителей тяжелых машин на почву.

При рядном способе сбора и транспортирования урожая формирование рядов осуществляется сборочно-транспортным средством, работающим независимо от магистрального транспорта. Возможен вариант построения рядов на стадии пакетирования с выгрузкой сформированных пакетов на одной линии в ряд. Число рядов и количество одновременно выгружаемых пакетов варьируется исходя из условий работы, характер изменения показателей в этом случае представлен на рисунке 7.

а б

Рис. 7. – а) Изменение суммарного пробега от числа сформированных рядов для полей с различным соотношением длин сторон при сборе на 1-ой стадии агрегатом МТЗ-80+ТС-1 и к середине правого края поля агрегатом МТЗ-80+ТС-6 на 2-ой стадии б) Изменение показателей от числа сформированных рядов для поля с L/H=2 при сборе на 1-ой стадии агрегатом МТЗ-80+ТС-1 и к середине правого края поля агрегатом МТЗ-80+ТС-6 на 2-ой стадии

Модель вычисления времени сушки травяного валка

Многообразие комбинаций реальных погодных условий предопределяет необходимость разработки вычислительной модели, с помощью которой можно эффективно управлять процессом полевой сушки заготавливаемого сена.

Моделирование времени сушки травяных валков известных конфигураций проводилось для заданных фиксированных условий.

Аналитическая модель вычисления изменения влажности валка (x,y,t) во времени получена исходя из:

(10)

(0,0,t) = a, (1,0,t) = b, (0,1,t) = c,

(1,1,t) = d, (x,y,0) = 0(x,y),

где f, a, b, 0 – заданные достаточно гладкие функции, c = const, переменные x, y, t принимают все значения из области определения решения

D x Dt

Решение задачи (10) найдено с помощью метода конечных разностей:

(11)

где , – значение влажности в момент времени в точке (k/N, l/N).

Результаты моделирования показывают, что наиболее интенсивно су­шится спиралеобразный валок, имеющий пространственную легко венти­лируемую структуру и наименьшую площадь контакта с почвой (рис. 8).

Рис. 8. Расчетное время сушки валков различной конфигурации

Формирование спиралеобразного валка по предложенному нами способу (патент РФ №2040143) осуществляется в валкообразующей камере цилиндрического типа и сопровождается вращением барабана радиусом R с угловой скоростью и линейным перемещением материальных точек со скоростью V, при этом длина элементарного участка винтовой линии равна:

(l)2 = (x)2 +(y)2 +(z)2,

причем (12)

Исходя из (12), спиралеобразный валок шириной Вв без межвиткового зазора будет сформирован при условии:

Вв = 2RV(V2 + R2)-0,5 (13)

Выражение (13) устанавливает взаимосвязь между основными техническими параметрами валкообразующего органа для формирования спиралеобразного валка и скоростью перемещения уборочной машины.

Графическое отображение зависимости параметров при различных значениях скорости движения агрегата показано на рисунке 9.

Рис. 9. Взаимосвязь параметров валкообразователя
при радиусе барабана 0,7 м.

Результаты экспериментальных исследований

Программа исследований предусматривала уточнение закономерностей сборочно-транспортного процесса и определение основных статистических характеристик работы машин; проведение производственной проверки функционирования разработанных технических средств и выборочную проверку сборочно-транспортных систем; проверку адекватности разработанных моделей реальным процессам; уточнение основных параметров технических средств, создаваемых для реализации предлагаемого построения сборочно-транспортного процесса.

На основе системно-структурного моделирования схематично представлены существующие и получены новые варианты сборочно-транспортного процесса, реализация которых возможна как на основе использования типовых сборочно-транспортных средств, так и оригинальных (рис. 10), разработанных в ходе исследования.

Предлагаемые варианты организации сборочно-транспортного про­цесса, предусматривающие использование средств механизации основных и вспомогательных операций, технико-эксплуатационные показатели ко­торых получены в результате экспериментальных исследований, представ­лены в таблице 1. Сравнительная экспериментальная проверка вариантов организации сборочно-транспортного процесса с полевой уборочной ма­шиной МПУ-150 и тракторно-транспортными агрегатами МТЗ-80 + ПТС-80, без (серийный) и с использованием средств механизации основных и вспомогательных операций показала (табл. 2), что в предложенном вари­анте обеспечивается: повышение производительности полевой уборочной машины на 4 т/ч, а тракторов-тягачей на 0,3 т/ч; увеличивается время ра­боты на 15%; сокращается время непроизводительных простоев при заме­не технологических емкостей на 17,5% от сменного времени.

Рис.10. Компоновочная схема разработанных
транспортных средств

Таблица 1

Технико-эксплуатационные показатели разработанных
автосцепных устройств

Показатель	Значение показателя, мин
	А.с. № 1442433	А.с. № 1551262	Пат. РФ №2034426	Пат. РФ №2088426
Время прицепки прицепа	0,65	-	1,0	0,5
Время соединения магистралей	0,67	-	-	0,02
Время отцепки прицепа	0,08	0,05	0,05	0,35
Время разъединения гидромагистралей	0,5	-	-	0,02
Время перевода прицепа к основному сцепному узлу	-	0,1	0,2	-
Время перевода приемного сцепного узла в исходное положение	-	0,08	0,15	-
Трудоемкость установки	15	30	30	15