Системный подход к моделированию технологических и производственных процессов в растениеводстве

без должного анализа, эмпирически. Нужны методы определения параметров и показателей мобильных энергетических средств, характеризующих соответствие этих машин требованиям технологий сельскохозяйственного производства. Наличие таких методов позволит объективно прогнозировать развитие конструкции трактора на основе перспективных технологий и оценивать соответствие трактора своему технологическому назначению по главным параметрам: технической концепции и компоновочной схеме, энергонасыщенности, типу и параметрам движителя, характеристике скоростного ряда трансмиссии и другим параметрам.

Теория технологических свойств в качестве обязательной учебной дисциплины в вузах позволит готовить специалистов, способных анализировать поэлементно и оценивать степень пригодности энергетического средства для выполнения данного комплекса технологических операций.

Список литературы

1. Львов, Е.Д. Теория трактора / Е.Д. Львов. — М.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1949. — 216 а

2. Карельских, Д.К. Теория, конструкция и расчет тракторов / Д.К. Карельских, М.К. Кристи. — М.: Машгиз, 1940. — 520 с.

3. Болтинский, В.Н. Работа тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке / В.Н. Болтинский. — М.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1949. — 216 с.

4. Кутьков, Г.М. Технологические основы мобильных энергетических средств / Г.М. Кутьков. — Ч. I. — М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 1999. — 152 с.

5. Болтинский, В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей / В.Н. Болтинский. — М.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1936.

6. Кутьков, Г.М. Тяговая динамика трактора / Г.М. Кутьков. — М.: Машиностроение, 1980. — 216 с.

7. Кутьков, Г.М. Тракторы и автомобили: Теория и технологические свойства / Г.М. Кутьков. — М.: КолосС, 2004. — 504 с.

8. Анохин, В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных сельскохозяйственных тракторах / В.И. Анохин. — М.: Машиностроение, 1972. — 304 с.

9. Марков, В.А. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.И. Мальчук. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 360 с.

10. Девянин, С.Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей/ С.Н. Девянин, В.А. Марков, В.Г. Семенов. — М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2008. — 428 с.

УДК 631.171:633/635

А.Н. Скороходов, доктор техн. наук, профессор

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

На всех стадиях возделывания и уборки сельскохозяйственных культур необходимо правильно выбрать сорт, технологию возделывания, определить наилучшие сроки выполнения каждой технологической операции, обеспечить оптимальные условия роста и развития растений, минимальные затраты труда, средств и энергии. Таким образом, проектирование и управление производственными процессами представляет собой научно обоснованное предвидение большого и взаимно увязанного комплекса технологических, технических, организационных мероприятий и их экономически наиболее выгодное осуществление.

Проектирование можно рассматривать как оптимизацию процессов при стимулировании полезных и уменьшении вредных эффектов. Для нахождения оптимальных решений множества задач, возникающих при выполнении полевых работ, необходимо иметь достаточно емкую теорию. Теория должна предусматривать взаимосвязанные алгоритмы, по которым можно количественно оценивать качество функционирования технологических про-

цессов, технических средств их реализации и по избранным критериям оптимизировать влияние вредных и полезных воздействий.

Многоуровневую систему задач оптимизации технологических и производственных процессов в растениеводстве можно представить в виде сложной системы взаимодействующих подсистем. Управление процессом осуществляется при поступлении информации о развитии и состояниях подсистем.

На первом уровне с учетом природнопроизводственных факторов, определяющих судьбу урожая и оказывающих влияние на технологические процессы и надежность их функционирования, определяются оптимальные сроки начала и суточный темп выполнения полевых работ по минимально допустимым потерям продукции или энергии.

На втором уровне реализуется группа оптимизационных задач, обеспечивающих поэтапное решение проблемы выбора энергетических средств и обоснования параметров и режимов работы агрегатов для выполнения основных и вспомогательных операций технологического процесса.

На первом этапе по минимуму приведенных затрат с учетом вероятностной оценки состояний агрегатов и условий их эксплуатации определяются параметры агрегатов для основных работ.

На втором этапе по минимуму затрат энергии на единицу выполненной работы определяются режимы работы агрегатов.

На третьем этапе по одному из наиболее важных критериев, для условий хозяйства или холдинга оптимизируется: состав МТП, структура и объем работ по типам энергетических средств, их годовая загрузка, нормативы потребности и другие показатели использования.

На четвертом этапе по минимуму суммарных затрат денежных средств или энергии на комплекс работ, выполняемых тракторами данного типа, оптимизируются параметры тракторов для хозяйства, холдинга, зоны или региона.

На пятом этапе по критерию минимума суммарных приведенных затрат на единицу выполненной работы уточняются параметры агрегатов для технологических комплексов.

На третьем уровне реализуется группа оптимизационных задач, обеспечивающих поэтапное решение проблемы обоснования структуры и состава основного и обслуживающих звеньев технологического комплекса и организации работы взаимодействующих подсистем.

На первом этапе с учетом вероятностной оценки взаимодействия агрегатов и звеньев, выполняющих основную технологическую и вспомогательные операции, а также с учетом потребности в технике, обеспечивающей суточный темп выполнения работ с допустимыми потерями урожая, определяется структура и состав основных и вспомогательных звеньев технологических комплексов.

На втором этапе производится сравнительная оценка способов организации работы технологических комплексов и по максимальной производительности выбирается лучший для данных условий.

На третьем этапе по критерию, обеспечивающему минимальный простой технологической линии, определяется емкость технологических компенсаторов, если они предусмотрены по технологии.

На четвертом этапе по критериям, обеспечивающим максимальную эффективность использования звеньев комплекса или минимум затрат на профилактику и восстановление, оптимизируются характеристики и параметры системы технического обслуживания.

На четвертом уровне производится оценка влияния факторов эксплуатации на изменение технических характеристик взаимодействующих подсистем.

На первом этапе производится оценка надежности агрегатов, звеньев и всего технологического комплекса, обосновываются требования к их веро-

ятности безотказной работы по критерию минимума суммарных затрат при условии, что надежность элементов будет выше требуемой надежности системы.

На втором этапе производится сравнительная оценка и выбор стратегий технического обслуживания по критерию максимума технической эффективности. Если при этом требуемая готовность комплекса не обеспечивается, то вводится резервирование. Выбор стратегии резервирования производится по критерию обеспечения требуемой надежности с минимальными затратами средств.

На третьем этапе по критерию максимальной эффективности функционального использования комплекса выбирается схема организации ремонтнотехнических воздействий.

На четвертом этапе определяется резерв производительности комплекса по допустимой вероятности того, что время работы комплекса не превысит допустимое.

На пятом уровне проводится обобщенная оптимизация системы технологического, технического и организационного обеспечения производственных процессов по критерию минимума интегральных затрат на единицу выполненной работы или произведенной продукции. При этом интегральные затраты включают затраты на простои постов обслуживания, на взаимные ожидания технических средств, на резервирование и приведенные затраты при соблюдении условий оптимизации.

При поиске оптимальных решений стратегия базируется на теории альтернативного риска, который ведет к неизбежным ошибкам из-за того, что при удлинении сроков выполнения процессов растут потери урожая, а при сокращении сроков и привлечении мощных технических средств растут затраты, т. е. тратятся лишние средства за счет перестраховки либо за счет потерь урожая. Необходимо свести к минимуму возможные ошибки обоих родов путем нахождения минимума интегральных затрат и определения соответствующих допусков на прогнозируемые параметры.

Основное достоинство такого подхода к проектированию производственных процессов — системность, которая проявляется в том, что эффективность проведения того или иного технологического, технического или организационного мероприятия оценивается по конечному результату, т. е. по потерям, связанным с ущербом от недобора урожая и с затратами на выполнение технологического процесса.

Кроме того, в рассматриваемой модели учитывается связь между стратегиями и эффективностью планируемых мероприятий, обеспечивающих нахождение экстремума, энергетического, экономического или технического показателей и минимизации потерь.

45

Таким образом, отдельные стороны проблемы рассматриваются не изолированно, когда каждая из заинтересованных сторон занимается оптимизацией процесса в отрыве от других явлений, а в рамках единой модели, которая систематизированным подходом охватывает все важнейшие аспекты проектирования и управления производственными и технологическими процессами в растениеводстве [1].

Предложенная многоуровневая система проектирования реализована и используется в учебном процессе при моделировании различных производственных ситуаций и принятии обоснованных решений [2].

По предложенной выше методике разработаны алгоритмы и программы моделирования взаимосвязанных производственных процессов и определены параметры тракторов и агрегатов на их базе для различных условий эксплуатации и потребительских свойств (табл. 1).

Для различного сочетания условий эксплуатации, характеризуемых удельным сопротивлением почвы и длиной гона, оптимальные параметры универсально-пропашного трактора представлены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что мощность трактора для возделывания пропашных культур и масса колеблются в диапазоне от 70 до 138 кВт и от 3 до 5 т соответственно.

Эффективность использования тракторов зависит от рационального их агрегатирования на всем комплексе выполняемых работ. Установлено, что на посеве зерновых по минимуму энергозатрат будут эффективны агрегаты с шириной захвата 7,2 и 10,8 м. Дальнейшее увеличение ширины захвата нецелесообразно из-за повышения буксования. На посеве пропашных культур, возделываемых с междурядием 0,7 м, трактор мощностью 95__105 кВт и массой 3,4...3,7 т рациональнее все-

го агрегатировать 12-рядными сеялками с шириной захвата 8,4 м. Масса балласта может быть до 0,8 т.

Междурядную культивацию пропашных культур следует также проводить 12-рядными культиваторами. Работа с 12-рядной системой машин должна проводиться лишь при снижении рабочей скорости. Поэтому, учитывая заметное повышение производительности (около 30 % по сравнению с 8-рядной системой на посеве пропашных, 28 % на первый междурядной культивации и 17 % на второй культивации), снижение трудовых затрат, а также необходимость согласования рядности посевных и культи-ваторных агрегатов, рекомендуются 12-рядные машины и для междурядной культивации.

На транспортных работах рекомендуемый трактор экономичнее всего использовать с прицепами грузоподъемностью 8_10 т.

Результаты расчетов в обобщенном виде по определению оптимальных значений мощности двигателя и энергонасыщенности тракторов для основных технологических операций и мощности двигателей кормоуборочных агрегатов технологических комплексов для всех классов длины гона полей представлены в табл. 3.

Из приведенных результатов видно, что мощности тракторов, рекомендованные для условий хозяйств различных форм собственности, в России не превышают 200 кВт и только на весьма тяжелых почвах более мощные тракторы могут быть эффективны. Анализ мирового производства тракторов показывает, что более 95 % тракторов имеют мощность менее 200 кВт.

Наивысшая эффективность использования технологических комплексов для выполнения производственных процессов в конкретных условиях с учетом агротребований достигается при определенном суточном темпе выполнения работ, оптимальном сочетании основных и резерв-

Таблица 1

Оптимальные параметры тракторов для эталонных условий эксплуатации

Параметры трактора Тип трактора

универсально-пропашной общего назначения

Рабочая скорость допустимая Рабочая скорость оптимальная

Мощность двигателя, кВт Масса трактора (без балласта), т Энергонасыщенность, кВт/т £ оо 2 ^ ^ Ч, Ч СЛ СО 1> 114,122 3,9,4,2 27,2,31,3 , , 5 оо <-/> о 77 0 0

Таблица 2

Оптимальные параметры универсально-пропашных тракторов в различных условиях эксплуатации

Удельное сопротивление почвы, кН/м2 Длина гона, м

до 150 200 400 800 1200 1600

30 70 75 80 85 92 94

40 75 82 88 93 98 104

50 80 87 94 102 107 113

60 86 94 102 108 114 120

70 90 98 106 114 122 128

80 96 104 113 121 129 138

Таблица 3

Оптимальная мощность двигателя для выполнения комплексов технологических операций

Технологическая операция Класс длины гона, м

менее 150 150...200 200.300 300.400 400.600 600.1000

Основная и предпосевная подготовка почвы

Вспашка на глубину 0,22 м при К, кН/м2:

т 00 60 80 122 132 160 198

75 90 124 144 167 223

6 о 6 (^1 84 98 129 158 178 240

Лущение, дискование 66 73 80 88 92 108

Сплошная культивация 52 59 64 73 78 86

Боронование (2 следа) 50 59 71 82 93 119

Посев и междурядная обработка почвы

Посев зерновых и трав 65 73 81 84 88 112

Посев пропашных 66 73 79 82 86 104

Первая междурядная обработка 53 60 68 73 73 113

Вторая междурядная обработка с подкормкой 82 86 94 96 102 107

Заготовка и транспортировка кормов

Скашивание с плющением 24 25 26 28 34 38

Ворошение, сгребание 13 13 14 15 17 20

Подбор валков с измельчением 101 103 105 112 127 137

Транспортировка на расстояние, км:

1.3 56 62 67 73 81 92

3.5 75 82 90 97 108 122

5.7 97 108 119 127 137 161

7.10 118 129 142 153 167 193

ных агрегатов технологических и обслуживающих звеньев, выборе оптимальной стратегии параметров и режимов работы взаимодействующих подсистем. При этом наступает стабилизация процесса, наименьшее значение приобретают коэффициенты простоя технологических и обслуживающих подсистем.

Список литературы

1. Скороходов, А.Н. Обоснование методов повышения эффективности использования технологических комплексов в растениеводстве: автореф. дис. ... доктора техн. наук / А.Н. Скороходов. — М.: МГАУ, 1997. — 36 с.

2. Зангиев, А.А. Практикум по эксплуатации машиннотракторного парка / А.А. Зангиев, А.Н. Скороходов. — М.: КолосС, 2006.

УДК 631.37

В.В. Стрельцов, доктор техн. наук, профессор А.М. Бугаев, канд. техн. наук

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНИКЕ МАСЕЛ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

В последние годы наметилась тенденция к снижению роли нефти и нефтепродуктов в мировой экономике. Это обусловлено истощением сырьевых ресурсов, растущим дефицитом нефти и наблюдаемым в связи с этим резким удорожанием традиционных нефтепродуктов [1]. Поэтому дальнейшее развитие цивилизации неизбежно будет сопровождаться дефицитом нефти и нефтепродуктов, что создает предпосылки к поиску и более широкому использо-

ванию альтернативных, зачастую возобновляемых энергетических ресурсов.

Наиболее динамично развивающимся направлением получения топливо-смазочных материалов из возобновляемых источников является использование растительных масел, спиртов и других продуктов органического происхождения.

В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные топливо-