Повышение эффективности систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного

На правах рукописи

Кушнир Валентина Геннадьевна

Повышение эффективности систем и технических

средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства

Специальность 05.20.01. – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Оренбург – 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» и Костанайском государственном университете

им. А.Байтурсынова

Научный консультант – доктор технических наук, профессор

Константинов Михаил Маерович

Официальные оппоненты -	академик РАСХН, доктор экономических наук, профессор Морозов Николай Михайлович;
	доктор технических наук, профессор Квашенников Василий Иванович
	доктор технических наук, профессор Ловчиков Александр Петрович

Ведущая организация -

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится 30 января 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д220.051.02 при ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460795, г.Оренбург,

ул. Челюскинцев, 18., корпус мехфака, ауд.500

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

Автореферат разослан «28» декабря 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета М.М. Константинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вековой опыт и международная практика показывают, что пастбищное животноводство- одна из самых рентабельных отраслей в производстве животноводческой продукции. Анализ показывает, что затраты на ее производство на 40-50% меньше, чем в условиях ограниченного содержания животных.

Пастбища можно использовать с наибольшим эффектом для развития отгонного животноводства только при наличии достаточного количества воды. В силу этого проблема обеспечения водой потребителей была и остается самой важной, причем капитальные вложения, направленные на обводнение и освоение пастбищ, окупаются в два раза быстрее, чем в других отраслях сельского хозяйства.

В улучшении обеспечения населения мясом, молоком, шерстью важная роль принадлежит дальнейшему развитию отгонного животноводства, которое по сравнению с производством указанной продукции на фермах имеет ряд преимуществ: продукция, получаемая в условиях пастбищ, более дешевая и требует меньших затрат труда; заготовка кормов в большинстве случаев исключается, так как животные в течение весенне-осеннего периода добывают их сами.

В решении поставленных правительством задач по развитию пастбищного животноводства, наряду с улучшением кормоемкости пастбищ, важную роль играет система механизированного водоснабжения. Механизация водоснабжения решает, по меньшей мере, три основные задачи: позволяет увеличить количество животных, выпасаемых в конкретных условиях, способствует повышению их продуктивности и высвобождает значительное количество обслуживающего персонала, занятого снабжением животных водой. Оптимальное решение этих задач возможно только на научной основе.

Разработка рациональных систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства тесно связана с дефицитом и специфичностью энергетического обеспечения систем механизации. Для обеспечения энергией водоподъемных установок на водопойных пунктах, расположенных на обширной территории пастбищ, большая часть которых обводняется малодебитными шахтными колодцами глубиной до 30 м и более, в большинстве случаев нельзя ориентироваться на использование электрической энергии от централизованных источников или на широкое применение двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим необходимы научно обоснованные рациональные и оптимальные системы механизированного водоснабжения (СМВ). Научные исследования и разработки, выполненные в рамках решений данной проблемы, являются основой диссертационной работы, которая соответствует заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02. «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг., одобренной Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г. и тематическим планам НИР ОГАУ

Научное значение работы. Состоит в обосновании методов и технических средств, направленных на повышение надежности, эффективности функционирования систем механизированного водоснабжения; решение задач рационального сочетания основных, резервных и дополнительных средств водоподъема для стабильного функционирования в условиях пастбищного животноводства.

Научно-техническая гипотеза. В качестве гипотезы положены теоретические разработки автора и сформулировано предположение о возможности построения СМВ на основе принципов системности, адаптивности и оперативных оценок их экономической эффективности, в соответствии с которыми повышение качества готовой продукции и снижение эксплуатационных затрат может быть достигнуто за счет изменения структуры и режимов работы объекта.

Цель исследования. На основе многоуровневого системного подхода обосновать ресурсосберегающие параметры и режимы работы технических средств рациональных систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства.

Объект исследования. Процесс механизированного водоподъема из закрытых, малодебитных источников и гарантированного водоснабжения пастбищного животноводства.

Предмет исследования. Закономерности взаимосвязей элементов в системе механизированного водоснабжения и их эффективного функционирования.

Задачи исследования.

1. Обосновать и разработать классификацию районирования территории пастбищ применительно к системе механизированного водоснабжения с использованием малодебитных источников по наиболее характерным признакам.

2. Выполнить анализ характеристик, структур и специфических особенностей построения и функционирования СМВ, обосновать основные параметры водоподъемного оборудования и технических требований к его элементам.

3. Теоретически обосновать режимы работы малодебитных шахтных колодцев, методы повышения коэффициента водоотдачи для гарантированного обеспечения животных водой и эффективной работы технических средств в системе механизации водоподъема.

4. Разработать математическую модель и определить основные параметры элементов системы механизированного водоподъема и обосновать варианты резервирования, сформулировать целевую функцию (критерий оптимальности), позволяющую решать задачи проектной и оперативной оптимизации по технико-экономическим показателям.

5. Провести теоретические и экспериментальные исследования различных систем механизированного водоснабжения и обосновать наиболее приемлемый вариант для конкретных условий пастбищ.

6. Дать технико-экономическую оценку различных систем механизированного водоснабжения при использовании малодебитных источников.

Методология и методика исследований. Научно-методологической основой исследований, разработки и оптимизации СМВ является системотехнический подход. Методологически осуществление этого подхода выражается в создании СМВ, построение которых состоит из анализа теоретических и информационных аспектов проектирования и управления, учитывающих специфику конкретных объектов. В работе использованы следующие системотехнические и математические методы: системного анализа, математического моделирования, теории систем, теории управления, теории вероятностей и математической статистики. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%, погрешность опытов - не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Statistica, MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научную новизну исследования составляют:

- разработанная система технических средств механизированного пастбищного водоснабжения на основе системного анализа, включающего основные элементы комплекса «пастбище – водоисточник – энергетика – водоподъемник - потребитель»;

- аналитические зависимости и закономерности притока воды в малодебитных шахтных колодцах;

- математическая модель описания процесса водообеспечения с учетом геодезических, технологических факторов и экономико-математическая модель оптимального формирования и эффективного использования систем механизированного пастбищного водоснабжения;

- рекомендации по резервированию СМВ и сервисному обслуживанию пастбищного водоснабжения при использовании малодебитных источников и определению технико-экономических показателей процесса.

- разработанные модели и методика расчета рациональных параметров водоподъемников;

- обоснованные конструктивные и режимные параметры рабочих органов ленточного водоподъемника;

- обоснованные режимы работы малодебитных шахтных колодцев, методы повышения коэффициента водоотдачи для гарантированного обеспечения животных водой и эффективной работы технических средств в системе механизации водоподъема.

Практическая ценность работы. Предложено научно-теоретическое, методическое и программное обеспечение работы, позволяющее существенно повысить функциональную надежность и эффективность систем механизированного пастбищного водоснабжения. Обобщена и развита теория и практика пастбищного водоснабжения, разработаны механико-технологические основы создания и проектирования водоподъемников, позволяющие обеспечить получение готового продукта зоотехнически требуемого качества с одновременным снижением удельной энерго- и металлоемкости в 1,4…1,6 раза по сравнению с существующей технологией. Результаты исследований позволят ускорить разработку современного энергосберегающего оборудования для пастбищного водоснабжения.

Разработанные образцы водоподъемников прошли производственную проверку и актами хозяйственных комиссий рекомендованы к внедрению, что является основой для создания новых машин и оборудования для водообеспечения пастбищ.

Предложены рациональные системы механизированного водоснабжения пастбищ и способы их резервирования с учетом характерных признаков районирования территории пастбищ.

Разработаны рекомендации по повышению надежности, улучшению параметров элементов систем механизированного пастбищного водоснабжения.

Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на: международных научно-практических конференциях (Кокшетау, 1999г.), (Челябинск, 2004;2005гг.), (Оренбург, 2004-2008гг.), (Костанай, 2005;2006гг.), (Днепропетровск, 2005г.), (Рудный, 2005г.), межрегиональных научно-практических конференциях (Оренбург, 2000-2008г.г.); международных научных конференциях (Воронеж, 2007г.), (Москва, 2008г).

Реализация результатов исследований. Технические решения, отличающиеся существенно новизной и представляющие собой значимость для практики использованы Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан, внедрены в сельскохозяйственных предприятиях, крестьянских хозяйствах Северного Казахстана. Рекомендации по использованию результатов в народном хозяйстве одобрены и утверждены Отделением механизации, электрификации и автоматизации РАСХН.

Разработанная методика инженерных расчетов основных параметров водоподъемников и техническая документация на их изготовление переданы в научно-конструкторские отделы ДГП ЦелинНИИМЭСХ.

Методические разработки по обоснованию основных параметров водоподъемного оборудования внедрены в учебном процессе Оренбургского государственного аграрного университета, Костанайского государственного университета, Челябинского государственного агроинженерного университета, Костанайского инженерно-экономического университета, Рудненского индустриального института. Отдельные разделы диссертационной работы используются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала. Образцы водоподъемников изучаются студентами и слушателями факультетов повышения квалификации. Технические разработки демонстрировались и отмечены наградами Всероссийского выставочного центра.

На защиту выносятся следующие положения:

- концептуальные основы методики математического моделирования систем механизированного пастбищного водоснабжения;

- математическая модель процесса механизированного водоснабжения животных в пастбищных условиях;

- научно обоснованные рекомендации по выбору рациональной системы механизированного пастбищного водоснабжения и ее параметров;

- конструктивно-режимные параметры различных вариантов ленточных водоподъемных установок;

- рекомендации по определению оптимальных режимов работы технических средств и резервированию систем механизированного водоснабжения при использовании малодебитных водоисточников на пастбищах.

- новые технологические и технические решения по созданию водоподъемного оборудования для пастбищного водоснабжения;

- результаты энергетической и экономической оценки энергосберегающего процесса водоподъемного оборудования.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 54 печатных работах: монографиях, рекомендациях, учебных пособиях и 18 статьях в ведущих научных журналах РФ и РК. Новизна технических решений защищена 6 патентами на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 308 наименований, изложена на 317 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 21 таблицу и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи, обоснованы объект, предмет исследования, представлены научная новизна, практическая ценность, апробация работы, реализация результатов научной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы. Цель и задачи исследования» отмечаются основные условия и особенности водоснабжения на отгонных пастбищах, охарактеризованы пастбищные и водные ресурсы Северного Казахстана, определены основные варианты использования и водообеспечения пастбищ, приведена динамика поголовья животных (Рис.1).

Рис.1-Динамика поголовья основных сельскохозяйственных животных в Северном Казахстане

Приведен анализ существующих способов, технологий и технических средств водоснабже­ния животных в пастбищных условиях, выделено перспективное направление.

Основные положения водоиспользования рассматриваются в трудах Г.С. Гумарова, Р.Г. Гусейнова, С.Н. Гусева, В.В. Дацыкова, А.И. Завражного, В.Д. Забелина, Р.Н. Каплана, Х.К. Карешева, Н.А. Карамбирова, В.И. Квашенникова, Г.В. Копанева, В.Н.Кунина, М.М. Кундзич, М.В. Луговского, А.П. Мовсисянц, Н.М. Морозова, B.C. Оводова, С.В. Рыжова, В.М. Соколова, Л.Е. Тажибаева, С.Т. Тлеубергенова, Е.М. Фатеева, О.Б. Хелленова, Ю.А. Цой, Я.И. Шефтера, А.А. Яковлева, и др.

В результате их изучения, критического анализа и обобщения обоснована и разработана схема использования малодебитных источников воды в пастбищных условиях.

В настоящее время в условиях пастбищ для водоснабжения применяются практически все типы насосов и водоподъемников. Однако такие их недостатки, как чувствительность к содержанию механических приме­сей в воде, сложность и несовершенство отдельных узлов конструкции, низкая ремонтопригодность в условиях хозяйств, сложность эксплуатации, монтажа и демонтажа, сдерживают их внедрение при подъеме воды из малодебитных источников. Использование промежуточных энергетических установок и недоста­точная надежность отдельных видов снижают эффективность их использования и обусловливают ограниченность применения. Исключение составляют ленточные водоподъ­емники, которым никакой тип водоподъемников на пастбищах не может оказать существенную конкурен­цию. Сложившиеся организационно-экономические условия АПК России и Казахстана предъявляют к водоподъемному оборудованию определенные требования. Это простота конструкции и монтажно-демонтажных операций, надежность, несложность в эксплуатации и тех­ническом обслуживании, возможность использования возобновляемых источ­ников энергии, способность длительное время работать без квалифицированно­го надзора. В настоящее время этим требованиям наиболее полно отвечают капиллярные водоподъемники ленточного типа.

Представленные в главе структурные схемы систем механизированного водоснабжения пастбищ, общий анализ капиллярных водоподъемников и их конструктивно-технологических схем позволяют определить область применения ленточных водоподъемников при решении проблемы гарантированного, механизированного водоснабжения пастбищ.

Во второй главе «Теоретические основы повышения эффективности систем механизированного водоснабжения» теоретически обоснованы предпосылки и пути повышения эффективности механизированного водоснабжения пастбищ.

В рассматриваемой системе сезонного пастбищного содержания животных предполагается использование научно обоснованной системы машин, направленной на эффективное ее использование при наименьших приведенных затратах, где существенную роль определяет рациональное водоснабжение животных.

Валовое производство продукции животноводства определяется по выражению:

П = Nж Рж nк kн + П, (2.1)

где Nж - поголовье животных;

Pж - суточная продуктивность животных при существующей системе водоснабжения;

nк - количество календарных дней пастбищного периода;

kн - коэффициент, учитывающий неравномерность продуктивности животных;

П - дополнительная продукция.