Влияние процесса самоорганизации на функционирование технологических систем уборки зерновых

УДК 658. 01. 001.42 А.П. Ловчиков, В.П. Ловчиков, С.А. Казанцев

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА САМООРГАНИЗАЦИИ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ

Рассматриваются вопросы технологического взаимодействия технических средств уборки зерновых культур и обоснования процессов самоорганизации в машиноиспользовании технологических линий уборки зерновых.

Ключевые слова: уборка зерновых, комбайны, самоорганизация, технологическая система, устойчивость процесса.

A.P. Lovchikov, V.P. Lovchikov, S.A. Kazancev INFLUENCE OF SELF-ORGANIZING TO FUNCTIONING OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS OF GRAIN HARVESTING

Questions of technological interaction of means of harvesting grain crops and basik ideas of processes of self- organizing in avtomatic use technological machine of harvesting grain are consibered.

Key words: harvesting grain, combines, self- organizing, technological system, stability of process.

Уборка зерновых культур - явление многоплановое, характеризующееся как пространственными, так и временными структурами. В первую очередь - это структура процессов. Данную структуру можно рассматривать как совокупность процессов скашивания, обмолота, уборки незерновой части урожая (НЧУ), транспортировки зерна и НЧУ, в которых используются различные технические, трудовые и другие ресурсы в виде уборочно-транспортных комплексов (УТК).

По функциональной и морфологической структуре основу УТК составляют зерноуборочные комбайны, транспортные средства и другие машины, а также способы их использования. Организация использования комбайнов в УТК предусматривает их групповое, звеньевое, а в отдельных случаях - индивидуальное применение [1-4]. В результате этого образуются структура и связи между отрядами, звеньями, отдельными техническими средствами, которые различаются по результатам взаимодействия: одни стимулируют увеличение производительности труда, другие - депрессируют.

В процессе взаимодействия зерноуборочного комбайна с хлебной массой последняя получает какое-то количество движения от комбайна, в результате чего происходит процесс обмолота и разделения хлебной массы на фракции: зерно (товарное, семенное или фуражное) пшеницы или других культур, солома (цельная или измельченная) и полова. При действии комбайна и хлебной массы друг на друга перемещаются или комбайн, или комбайн и масса. В начальной фазе взаимодействия комбайн приближается к хлебной массе, так как она находится в состоянии равновесия в виде валка на стерне. В состоянии равновесия хлебная масса находится какую-то часть времени, зависящую от многочисленных факторов внешней среды. Эти факторы имеют свою предельную количественную величину, после которой изменяются состояние хлебной массы и качество зерна. Необходимо производить взаимное сближение комбайна и хлебной массы, которое из-за получения зерна пшеницы или других культур в процессе обмолота переходит в противоположную фазу - отталкивание (удаление) двух тел друг от друга, приводящее комбайн и хлебную массу в состояние равновесия.

От состояния равновесия зерна в бункере комбайна образуется определенное количество движения обслуживающего транспортного средства. В свою очередь состояние покоя зерна в транспортном средстве нарушается определенным количеством движения зерна в комбайне, поэтому порция зерна, равная грузоподъемности транспортного средства, стремится перейти в более устойчивое равновесное состояние на механизированный ток, где происходит накопление зерна для перехода в новую форму движения. Хлебная масса в валках на стерне выступает как противодействие на зерноуборочный комбайн, заставляя его воздействовать с определенной силой на хлебную массу. Состояние покоя хлебной массы в виде валка на стерне и порции зерна в бункере комбайна являются причиной образования движения технических средств технологической линии. Следовательно, процесс обмолота зерновых культур комбайнами можно рассматривать как совокупное движение порций зерна и других продуктов обмолота хлебной массы, состоящее из частных форм движения.

При этом форма движения Фп - покой первоначального состояния хлебной массы в виде валков на стерне - переходит в форму движения Фі, определяемую двумя частными формами движения Фп1 и Фд1. Одна из них Фп1 (покой зерна в бункере комбайна) порождает форму движения транспортного средства Фп2 -движение, другая Фд1 (движение зерна в комбайне) выводит из состояния покоя Фп2 - транспорт. Формы движения Фп2, Фд2 образуют общую форму движения Ф2, переходящую в новую форму движения Фп - покой,

которая характеризуется более устойчивым равновесным состоянием зерна на площадке механизированного тока, где его состояние потенциально.

При взаимодействии транспортных средств с порциями зерна из бункера комбайна наблюдается не только пространственное перемещение зерна с поля на площадку механизированного тока. Транспортный процесс в первую очередь изменяет качественное состояние подсистемы «комбайн - поток зерна» в целом. Это свидетельствует о наличии двух уровней качества процесса обмолота зерновых культур комбайном. Изменение форм движения хлебной массы сопровождается переносом движения от комбайна на хлебную массу, а изменение движения зерна в комбайне переносит движение на транспортное средство. Превращение формы движения комбайнов в форму движения транспортных средств, количественно пропорциональное первому, приводит к тому, что движение машин технологических процессов совершает работу, которая характеризует производительность труда и зависит от их технической оснащенности. Из изложенного следует, что комплекс машин для уборки зерновых культур преобразует массив сельскохозяйственных культур в компонент зерновой массы различного технологического назначения и незерновую часть урожая для последующего использования в сельскохозяйственном и перерабатывающем производстве.

Системное единство УТК, как и различие, обеспечивается процессом «технологического узнавания», т.е. объединением комбайнов в звено, звеньев - в отряды и закреплением транспортных средств за определенными звеньями и отрядами. Практика использования сельскохозяйственной техники показывает, что без наличия «технологического узнавания» между отдельными звеньями, отрядами (группами) и техническими средствами, которое осуществляется через трудовые ресурсы, процесс системообразования был бы невозможен. Наличие технических средств уборки зерновых и трудовых ресурсов в своем совокупном действии образует самоорганизующуюся систему [5], которая может самооценивать и «запоминать» удачные технологические решения, т.е. производственный опыт прошлых лет, и использовать их в сходных ситуациях. По мнению Г. Хакена [6], “...самоорганизация наблюдается в тех системах, в которых если внешние упорядочивающие действия отсутствуют, а рабочие трудятся коллективно благодаря взаимопониманию, устанавливающемуся между ними самими, причем в производстве продукта каждый рабочий выполняет свою функцию.”. Другими словами, система обладает «памятью», которая сохраняется и передается трудовыми ресурсами. Академик РАСХН В.А. Панфилов [7] отмечает, что процессы самоорганизации возможны и в неорганических системах (тем более в антропогенных системах с участием человека), если в них наблюдаются упорядочение связей, возникновение новых структур, их усложнение и детерминация.

Так, производственная практика и проверка транспортного обслуживания комбайнов Дон-1500 (звено из шести машин) с использованием одного перегрузочного накопителя ДТ-75+Дон-20НПП и транспорта К-701+1ПТС-10 + две тележки 3ПТС-13 + кАМАЗ-5320+два прицепа ГКБ-8350 при подборе спаренных валков (У=0,8-1,2 т/га, В=19,6 м и радиус перевозок 9,5-10,0 км) показала повышение производительности комбайнов в 1,19-1,78 раза по сравнению с прямыми перевозками зерна от комбайнов даже в условиях неустойчивости технологической линии [8]. Практика показывает, что уборочно-транспортная линия неустойчиво функционирует в течение смены. Признаком неустойчивости данной технологической структуры является прекращение работы мобильного накопителя ДТ-75+Дон-20НПП после 19-20 часов вечера в транспортной линии, которое объясняется снижением часовой производительности звена комбайнов Дон-1500. В вечернее время, в конце смены уборочное звено комбайнов Дон-1500 самоорганизуется на транспортное обслуживание по схеме прямых перевозок зерна с поля на ток. Данное явление (событие) наблюдается и в утреннее время (до 10-11 ч) работы комбайнов класса 8,5 кг/с уборочного звена.

Организация и проверка в производственных условиях структуры уборочно-транспортной линии с наличием иерархического технологического контроля между техническими средствами показывают, что транспортные средства обслуживающие комбайны Дон-1500 работают как два разнокачественных элемента (рис. и табл. 1).

Транспортное средство средней грузоподъемности в ф 01 Транспортное средство большой грузоподъемности 0 >> 01

Комбайн д = 8,5 кг/с

4 4

------------------------------

Схема организации уборочно-транспортной линии с наличием иерархического контроля

между транспортными средствами

Таблица 1

Затраты времени в операциях технологического цикла работы транспортных средств

Показатель ^, мин <т V %

Транспорт:

ГАЗ-53 (ГАЗ-3310): 66,6 4,75 7, 1

технологический цикл* 4,40 0,50 11,5

производительность, т/ч

К-701+2ПТС-12+3ПТС-13:

технологический цикл* 178,0 74 ,7 41,9

производительность, т/ч 6,60 2,79 42,2

* расстояние перевозки зерна R= 6 км.

Тракторный транспорт - это медленноразвивающееся звено. Наличие транспорта малой грузоподъемности (5-6 т), кратной емкости бункера комбайна класса 8,5 кг/с, в технологической линии обеспечивает более гибкое управление процессом уборки зерновых культур, поскольку именно им осуществляется компенсация случайных возмущений, образующихся при работе технических средств уборочно-транспортной линии. Загрузка зерном транспорта малой грузоподъемности осуществляется на поле после выгрузки в тракторный прицеп (сцеп) одного или двух бункеров в зависимости от производительности комбайнов и расстояния транспортировки зерна на ток. Устойчивость работы машин, как в этом случае, так и уборочнотранспортного звена, обеспечивается посредством управления цикличностью загрузки транспорта малой грузоподъемности зерном от комбайнов и осуществляется саморегулировкой в зависимости от производственных условий. Использование данного принципа организации транспортного обслуживания уборочного звена с наличием признаков процессов самоорганизации между транспортными средствами технологических структур позволило повысить производительность комбайнов класса 8,5 кг/с в среднем на 20,9 % (табл. 2).

Таблица 2

Производительность технических средств уборочно-транспортного звена, т/ч

Показатель Количество, шт. Величина Г рузоподъемность транспорта 0, т

Жч С7 V %

Состав звена:* комбайны** Дон-1500 3 6,10 1,48 24,2

транспорт ЗИЛ-ММЗ-554 6 4,50 0,97 21,5 5

Состав звена: * комбайны** Дон-1500 3 7,38 1,04 14,1

транспорт КамАЗ 1 5,40 1,20 22,2 12

ЗИЛ-ММЗ-554 4 4,20 1,37 32,6 5

* подбор валков хлебной массы, В=12 м;

** урожайность У= 2,3 т/га; расстояние перевозки зерна R =6 км.

Случайный характер природно-климатических факторов уборки зерновых культур, а также определенный уровень производительности технологических линий приводят к образованию процессов самоорганизации в машиноиспользовании, что выражается в изменении технологических схем взаимодействия комбайнов и транспортных средств, следовательно, и технологических структур поточной линии в суточном режиме их использования. Многолетние исследования неустойчивости функционирования уборочнотранспортной линии свидетельствуют, что заявки (бункер зерна) от комбайнов звена или отряда на обслуживание транспортными средствами поступают как последовательно, так и параллельно (одновременно от двух или трех и более машин) и зависят от многих факторов [3,8].

В общем виде свойства технологических систем уборки зерновых S могут быть охарактеризованы внутренней структурой - S, R; поведением - Xs, Zs, Vs, ф, ^; режимом функционирования - RvS, SRv, Xs, Vs, ^; и может быть описана как

@, R, RvS, SRv, X* 2*, Vs, ф, 9,

где S - пространство входных величин системы S;

R - множество отношений связи экономико-технологической системы S;

RvS- множество составных частей системы экономического пространства, от которых исходят потоки к системе S;

SRv - множество составных частей системы экономического пространства, к которым направлены выходные потоки системы S;

X* - поведение системы S;

2* - пространство параметров состояния системы S;

V* - пространство выходных величин системы S; ф - функция времени перехода от одного состояния системы к другому;

{ - функция времени внешнего поведения системы S.

Она характеризуется взаимодействием между структурой, поведением и режимом функционирования в системе экономического пространства. В результате происходит взаимопроникновение различных преобразующих технических систем ^тс) на базе комбайнов разного класса и образование структурных изменений, посредством которых образуются кооперативные эффекты, особенностью которых является “...упорядоченность, целенаправленность поведения сложной системы при относительной хаотичности поведения отдельных элементов или подсистем.“ [9].

При этом технологическая система уборки зерновых является неравновесной структурой, поскольку за счет притока материальных ресурсов (комбайнов, транспорта и других технических средств уборки урожая), трудовых и энергетических ресурсов может сохраняться в пространстве и во времени довольно долго. Из этого следует, что для развивающейся системы уборки зерновых характерны, с одной стороны, устойчивость, с другой стороны - потеря устойчивости, разрушение одной и создание другой устойчивой структуры (например, прямое комбайнирование зерновых заменяется раздельным способом уборки, одна схема технологического взаимодействия технических средств заменяется другой, как правило, за малый промежуток времени). В этом случае процесс последовательных переходов в иерархической системе неравновесных структур к непрерывно возрастающей сложности есть по сути дела процесс развития технологической системы уборки. Его можно рассматривать как последовательность циклов изменения состояния внутри цикла, со скачкообразным переходом в конце цикла на новый качественный уровень (переход от прямого комбай-нирования к раздельному способу уборки зерновых и наоборот происходит за малый промежуток времени относительно продолжительности уборочных работ). Для процесса развития системы характерна необратимость, т.е. невозможность перехода от новообразованной структуры к старой, разрушенной структуре в результате действия каких-либо организационных причин. В сельскохозяйственных предприятиях во время уборки урожая зерновых используется собственный комбайновый парк; в какой-то случайный момент времени в хозяйство привлекается со стороны некоторое количество комбайнов, в этом случае структура парка разрушается и образуется новая, отличная от старой. Получается, что для перехода в качественно новое состояние технологическая система уборки зерновых должна в какой-то момент времени оказаться неустойчивой.

В реальности технологические системы уборки зерновых демонстрируют как временные, так и пространственные процессы самоорганизации или кооперации, что приводит к структурным изменениям форм системы и предотвращению процессов разрушения.

Рассмотрим на основе принципа “развивающихся подчинений” процессы самоорганизации или кооперации в технологической системе уборки зерновых культур [9]. Преимущество использования принципа “подчинения”, по мнению Г. Хакена [6], состоит в колоссальном уменьшении числа степеней свободы, поскольку оставляются лишь неустойчивые моды. Их кооперация или конкуренция определяет вид возникающих структур в системах.

Если в системе или технологической линии уборки образуются производительности Wi(t) и Wj(t) и их моды обладают временной иерархией, то их постоянные времени значительно отличаются друг от друга, что подтверждается различными моделями прироста производительности за день работы зерноуборочных комбайнов:

комбайн Дон-1500:

ажд = ),збзд°’326 -1оо%;

комбайн Енисей-1200:

АГд = ),315Д0/*6 -100%;

комбайн СК-5 «Нива»:

ДГд = ),251п Д°’904 -100%, где Др - сезонная продолжительность работы комбайнов, Др е (0-10) дней.

Если Wi(t) - медленно затухающая, а ^(Ц - быстрозатухающая мода производительности, то структура самоорганизации или кооперации будет возникать за счет взаимодействия мод Wi(t) и ^(Ц, в котором сильные моды при взаимодействии могут подавлять слабые, т.е. создается своеобразная конкуренция мод в развивающейся технологической системе уборки зерновых. В этом случае процесс самоорганизации или кооперации есть не что иное, как конкуренция мод производительности Wi(t) и ^(Ц в развивающейся технологической системе уборки зерновых культур.

Выводы

1. Наличие технических средств уборки зерновых и трудовых ресурсов в своем совокупном действии образует самоорганизующуюся систему, которая может самооценивать и «запоминать» удачные технологические решения во время уборки урожая в виде производственного опыта.

2. Результаты практики и экспериментальных исследований зерноуборочных процессов на базе комбайнов класса 8,5 кг/с свидетельствуют, что при определенном уровне производительности машин технологических систем уборки зерновых культур образуются процессы самоорганизации. Закономерности данных процессов определяют устойчивость и эффективность выполнения зерноуборочных процессов.

3. Определение закономерностей протекания процессов самоорганизации в машиноиспользовании является существенным резервом роста производительности машин и технологических линий, что требует более глубокого изучения и познания данного вопроса на современном уровне развития науки.

Литература

1. Ловчиков, А.П. Формирование уборочно-транспортных комплексов / А.П. Ловчиков // Механизация и электрификация с.х. - М., 2003. - № 3. - С.55-57.

2. Оргтехпроект поточно-циклового метода использования машинно-тракторного парка. - М.-Косино, 1984. - 114 с.

3. Ловчиков, А.П. Организация уборочно-транспортных комплексов с иерархическим технологическим контролем / А.П. Ловчиков // Вестн. КрасГАУ. - 2004. - №4. - С.141-147.

4. Рекомендации по внедрению поточно-циклового метода организации производственных процессов в полеводстве / В.Д. Саклаков [и др.]. - Челябинск, 1983. - 47с.

5. Энгельгарт, В.А. Интегратизм - путь от простого к сложному в познании явлений жизни / В.А. Энгель-гарт // Вопросы философии. - 1970. - №11. - С. 108.

6. Хакен, Г. Сенергетика / Г. Хакен. - М.: Мир, 1980. - 404 с.

7. Панфилов, В.А. Диалектика пищевых технологий / В.А. Панфилов // Хранение и переработка с.-х. сырья. - 2004. - №6. - С.17-22.

8. Разработать и внедрить в производство технологический процесс комбайновой уборки зерновых культур на базе комбайна класса 8-9 кг/с: отчет о НИР / А.П. Ловчиков [и др.]; НПО «ЦСХМ». № ГР01880090075 (Кн. 1, 2). - Кустанай, 1990. - 186с.

9. Кучин, Б.Л. Управление развитием экономических систем / Б.Л. Кучин, Е.В. Якушева. - М.: Экономика, 1990. - 157 с.

'--------♦-----------