Обоснование рациональной структуры технических средств уборки и послеуборочной обработки семенного зерна с учетом фенологии и топологии полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Шоренко, Ирина Николаевна

• Шоренко, Ирина Николаевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шоренко, Ирина Николаевна

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Условия возделывания зерновых культур в СевероЗападном регионе Российской Федерации.

1.2. Технология уборки и послеуборочной обработки

• семенного зерна. Характеристики комплексов машин для уборки и послеуборочной обработки семенного зерна.

1.3. Цели и задачи исследования.

2. Формализованные процедуры количественной оценки условий функционирования технических средств для уборки и послеуборочной обработки семенного зерна.

2.1. Информационная модель процесса уборки и послеуборочной обработки зерна.

2.2. Характеристики природно-климатических условий.

• 2.3. Характеристики физико-механических свойств зернового вороха.

2.4. Процедура расчета статистических оценок характеристик вероятностных условий функционирования комплексов машин для уборки и послеуборочной обработки семенного зерна.

2.5. Математическая модель процесса учета вероятностных

• условий.

3. Формализация процесса выбора рационального состава комплекса технических средств для послеуборочной обработки зерна.

3.1. Структуризация технологического процесса уборки и послеуборочной обработки семенного зерна.

• 3.2. Формализация процедур рациональной загрузки машин послеуборочной обработки зерна.

3.3. Функционирование пункта послеуборочной обработки зерна как объекта массового обслуживания.

4. Формализация процедур рациональной загрузки комплексов машин для уборки и послеуборочной обработки зерна и анализ результатов решения.

• 4.1. Математическая модель оптимизации параметров технических средств уборки зерновых культур на семена.

4.2. Обоснование критерия оптимальности функционирования технической оснащенности. Математическая модель состава и структуры технических средств уборки и послеуборочной обработки зерна.

4.3. Алгоритм оптимизации структуры и состава технической оснащенности.

4.4. Описание входных и выходных форм представления

• исходной информации.

4.5. Характеристика программного обеспечения оптимизации средств технической оснащенности.

4.6. Анализ результатов моделирования и разработка рекомендаций.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональной структуры технических средств уборки и послеуборочной обработки семенного зерна с учетом фенологии и топологии полей»

Приоритетное значение зернового производства определяется его социальной значимостью в решении проблемы надежного обеспечения населения продовольствием. С учетом расхода зерна на производство продуктов животноводства его доля в энергетическом содержании Пищевого рациона населения составляет не менее 50-60%. Минимальная прогнозная потребность России в зерне к 2005 г. составит 95-100, а к 2010 г. — 105-110 млн. т. В связи с этим Минсельхоз Российской Федерации подготовил «Программу обеспечения устойчивого производства и развития рынка зерна в Российской Федерации на 2001-2005 гг. и на период до 2010 г.» (программа «Зерно»).

Для сельского хозяйства, как Северо-Западного района, так и России в целом, переход к новым организационно-экономическим формам хозяйствования был связан с резким падением уровня производства. В наибольшей степени это коснулось зерновой отрасли, где снижение производства составило в 1991 - 1995 гг. до 30 %.

Одним из направлений увеличения производства зерна является постепенное замещение существующих производственных систем с их физически изношенным парком машин и отсталым технологическим уровнем возделывания зерновых культур улучшенными и новыми производственными системами. В рамках поэтапного освоения новых производственных систем предусматривается применение высокоэффективных технологий в полном объеме на основе использования современных комплектов техники, удобрений, средств защиты растений.

С другой стороны, опыт ведущих зернопроизводящих стран показывает, что одним из главных условий получения высоких урожаев зерновых культур является использование для посева свыше 90 % первоклассных семян районированных сортов. За последние годы доля семян 1 и 2 классов, высеваемых на полях России, не превышала в среднем 40 %. В увлажненных зонах Северо-Западного региона России этот показатель составляет лишь 20 %. Применение для посева некондиционных семян является причиной низкой урожайности зерновых. Так, по данным академика РАСХН В.И. Анискина, в 1991 г. сев на площади 13,7 млн. га был проведен семенами, не отвечающими базисным кондициям. В результате этого недобор зерна составил 14. 15 млн. т.

Кроме того, рост урожайности за счет увеличения доли семян 1 класса до 100 % позволяет снизить и расход топлива на 6-8 кг на получение одной т зерна.

Низкое качество посевного материала приводит к завышению норм высева, а, следовательно, к нерациональному использованию зерна.

Все это говорит о необходимости повышения эффективности производства семенного зерна, увеличении выхода высокопродуктивного семенного материала при проведении технологических операций уборки и послеуборочной обработки зерна.

Процесс уборки зерновых культур включает в себя следующие подпроцессы: собственно уборку (на корню), транспортировку зернового вороха и его обработку на стационаре. Совокупность машин и оборудования для осуществления технологических операций уборки зерновых культур на семена называется технической оснащенностью технологий уборки зерновых культур.

Определяющая роль в формировании показателей свойств посевного материала принадлежит, по мнению большинства специалистов, именно качеству проведения процессов уборки и послеуборочной обработки семян зерновых культур. Но существующие и используемые методы формирования технической оснащенности не учитывают в достаточной мере особенности функционирования современных комплексов машин.

Технология возделывания сельскохозяйственных культур предполагает выполнение технологических операций во вполне определённые агротехнические сроки. При формировании технической оснащенности в обычной, детерминированной постановке в качестве технико-экономических показателей, а также дат начала работ и их продолжительностей предполагаются усредненные значения без учета того, что сфера производства во многом зависит от случайно сложившихся условий.

Однако в реальных условиях эти сроки, как правило, нарушаются, происходит задержка в выполнении ряда работ по сравнению с запланированным графиком и возникает необходимость их выполнения в более поздние сроки с сохранением качества проведения операции. Таким образом, происходит увеличение механизированных объёмов работ, для выполнения которых необходимы дополнительные технические средства.

В связи с тем, что большинство хозяйств в настоящее время не располагают средствами для закупки или аренды необходимых технических средств, необходим поиск резервов, позволяющих наиболее полно использовать технические средства, находящиеся на балансе предприятия. Одним из возможных путей является учет топографических особенностей территории хозяйства. Микроклиматические условия отдельных полей хозяйства, зависящие от рельефа территории и почвенного покрова, влияют на сроки созревания зерновых культур. Это приводит к смещению сроков начала уборочных работ на разных полях хозяйства, увеличению продолжительности работ. Избирательная уборка зерновых позволяет повысить качество получаемого семенного зерна, уменьшить количество необходимых технических средств для уборки. Кроме того, поток зерна на пункт послеуборочной обработки становится более разреженным, что уменьшает загрузку пункта послеуборочной обработки зерна.

В связи с этим, возникает потребность разработки математических моделей технологий и состава технических средств уборки зерновых, адекватно описывающих процесс уборки семенного зерна, обеспечивающих рассмотрение и анализ отдельных процессов и технологических операций с помощью современных вычислительных средств. Кроме того, математические модели должны обеспечить проведение сравнительной оценки уборочно-транспортных комплексов и машин послеуборочной обработки зерна, получение и анализ множества допустимых вариантов технической оснащенности и выбор варианта наиболее предпочтительного при заданных условиях.

Решение задачи оптимизации функционирования технической оснащенности в вероятностной постановке, учитывающей реальные условия, требует разработки процедур статистических обоснований состава, структуры и режима использования технических средств, расчёта вероятностных оценок, характеризующих их способность решать задачи механизации производственных процессов. Это в свою очередь связано с разработкой численных методов и алгоритмов оптимизации, с необходимостью формирования информации о природно-климатических явлениях и условиях работы агрегатов, технологиях уборки и послеуборочной обработке зерна, информации о средствах механизации технологических процессов.

Отмеченное выше определяет актуальность поставленной задачи и ее практической реализации с целью совершенствования технологии производства семенного зерна в Северо-западном регионе Российской Федерации.

Работа выполнена в соответствии с подготовленной Минсельхозом Российской Федерации «Программой обеспечения устойчивого производства и развития рынка зерна в Российской федерации на 2001-2005 гг. и на период до 2010 г», предусматривающей создание системы машин для получения семян высших репродукций, а также планами НИР СПбГАУ.

Цель исследования. Разработка и формализация процедур совместного функционирования уборочно-транспортных комплексов и машин послеуборочной обработки зерна с учетом неравномерности созревания зерна, обусловленной микроклиматическими особенностями и топологией полей.

Объект исследования. Технологический процесс уборки, транспортировки и послеуборочной обработки зерна.

Предмет исследования. Определение рациональной загрузки сельскохозяйственных машин, обеспечивающих производство семенного зерна с учетом агротехнических требований на их качество.

Научную новизну разработки составляют математические модели, обеспечивающие рациональную структуру состава технических средств уборки, транспортировки и послеуборочной обработки семенного зерна в зависимости от вероятностных характеристик условий функционирования технологического процесса. На основе разработанных моделей предложены схемотехнологическое решение и программное обеспечение, позволяющее формировать вероятностные нормативы средств технической оснащенности производства семенного зерна и схем загрузки машин послеуборочной обработки, обеспечивающих заданное качество получаемой продукции.

Практическую ценность работы составляют математические модели и программное обеспечение, позволяющие формировать рациональную структуру технических средств производства семенного зерна, а также вероятностные нормативы технической оснащенности данного технологического процесса.

Реализация результатов работы осуществлена при заготовке семенного зерна в учебно-опытном хозяйстве «Пушкинское» и ОПХ «Каложицы» Ленинградской области.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-практических конференциях СПбГАУ (2002-2004 гг.), межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов в Пермском государственном техническом университете в 2004 году.

Публикации. По результатам исследования 4 научных статьи.

На защиту выносятся:

• математические модели процесса совместного функционирования машин уборки, транспортировки и послеуборочной обработки зерна, обеспечивающих получение семенного зерна в соответствии с агротехническими требованиями;

• формализация процедур учета вероятностных характеристик фенологических явлений, корректирующих сроки начала и продолжительности технологических операций;

• формализация процедур учета топологии полей, влияющих на своевременность и последовательность выполнения уборочных работ;

• нормативы технической оснащенности технологий уборки, транспортировки и послеуборочной обработки семенного зерна.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, список использованной литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Шоренко, Ирина Николаевна

Выводы и рекомендации.

1. Зональные природно-климатические условия определяют дату наступления и прохождения фенологических фаз растений, а, следовательно, сроки начала и продолжительность механизированных работ по уборке и послеуборочной обработке семенного зерна. Учет условий функционирования технической оснащенности необходимо проводить в рамках статистических оценок характеристик следующих показателей:

• сроков созревания зерновых культур;

• смещения сроков созревания различных культур друг относительно друга;

• влажности зерна;

• влажности соломы;

• засоренности зернового вороха;

• возможной продолжительности рабочего дня комбайна.

2. При формировании рациональной структуры и состава технических средств уборки и послеуборочной обработки семенного зерна необходим учет микроклиматических условий отдельных полей хозяйства, зависящие от рельефа территории и почвенного покрова. Микроклимат влияет на урожайность и сроки созревания зерновых культур, что приводит к смещению сроков начала уборочных работ на разных полях хозяйства, увеличению продолжительности работ и изменяет интенсивность поступления зерна на пункт послеуборочной обработки.

3. Установлено, что технологическая надежность технической оснащенности обеспечивается путем резервирования производственных мощностей, что дает возможность системе адаптироваться к изменяющимся условиям функционирования.

4. Количественной мерой, определяющей адаптивный резерв производительности технологических систем, служит вероятность выполнения требуемых объемов механизированных работ в заданные агротехнические сроки. Оптимальную оценку уровня адаптации технической оснащенности к условиям функционирования необходимо устанавливать на основе имитационного моделирования производственных процессов.

Выбор рациональной стратегии уборочных работ при этом осуществляется путем графического построения функции F(Q) и плотности /(£?) распределения значений функционала энергетических затрат, полученных в результате многовариантных расчетов для смоделированных природно-климатических условий.

5. Наиболее целесообразный уровень адаптации технической оснащенности к условиям функционирования для типичного хозяйства Северо-Западной зоны составляет Р = 0,85. При этом 85% всего объема механизированных работ выполняется в оптимальные агротехнические сроки. С увеличением уровня вероятности от Р = 0,65 до Р = 0,85 возрастает количество комбайнов в пропорции 1:1,66, а количество автомобилей - 1:1,56. Для группы зерноочистительно-сушильных машин увеличение вероятности до Р = 0,85 приводит к изменению марочного состава машин и повышению их паспортной производительности в соотношении 1:1,71.

6. Разработанная методика обоснования рациональной структуры уборочно-транспортной системы может быть использована для совершенствования технологического процесса уборки и послеуборочной обработки зерна, организации этого процесса а также выбора параметров средств его технической оснащенности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шоренко, Ирина Николаевна, 2004 год

1. Агроклиматические ресурсы Ленинградской области. JL: Гидрометеоиздат, 1971.- с.21-22.

2. Агрометеорологические условия и продуктивность сельского хозяйства Нечерноземной зоны/Под ред. Е.С.Улановой. — Гидрометеоиздат, 1978. -295 с.

3. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов: Основы теории. М.: Наука, гл. ред. физ. мат. лит., 1990. — 240 с.

4. Анискин В.И. К созданию перспективного оборудования для производства зерна /Техника в сельском хозяйстве, № 5, 1994. — с. 13-15.

5. Анискин В.И. Решение проблем совершенствования послеуборочной обработки и хранения семян зерновых культур.- Селекция и семеноводство, 1983, №6. с.2-8.

6. Антипин В.Г. Уборка зерновых комбайнами. JL: Колос, 1976. - 126 с.

7. Афифи В.Г., Эйзен С. Статистический анализ. М.: Мир, 1982. - 488 с.

8. Багриновский К.А. Имитационные системы в экономических исследованиях. В кн. Современное состояние теории исследования операций. М.: Наука, 1979.- с.243-381.

9. Бейлис В.М., Егоров В.Г., Минеев А.П. Машины для возделывания зерновых культур и трав. М.: Россельхозиздат, 1981. - 144 с.

10. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. -М.: Мир, 1983.-312 с.

11. Бодртдинов А.З. Послеуборочная обработка зерна и семян. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1998. 72 с.

12. Боровков А. А. Вероятностные процессы в теории массового обслуживания. М.: Наука, 1971. - 368 с.

13. Бородюк В.П. Статистические методы математического описания сложных объектов. -М.,1981. 89 с.

14. Браславец М.Е., Кравченко Р.Т. Математическое моделирование экономических процессов в сельском хозяйстве. — М.: Колос, 1970.-590 с.15182122,23,24,25,26