Алгоритм поиска технических решений процессов послеуборочной обработки зерна

Энергетический расчет показывает, что от качества послеуборочной обработки в значительной степени зависит эффективность 80 95 % общей энергии, необходимой для производства зерна. Поэтому создание ресурсо- и энергосберегающих технологий послеуборочной обработки зерновых материалов осуществляли не только по критериям минимизации энергетических параметров самих технологий послеуборочной обработки, но и по критериям минимизации энергозатрат как замкнутого цикла зернопроизводства.

Возрастание сложности проблемы разработки высокоэффективных машинных технологий и технических средств послеуборочной обработки обусловлено необходимостью выполнения комплекса все ужесточающихся в настоящее время требований по обеспечению максимальной сохранности зернового материала и высокого качества посевного материала при минимальных затратах энергии и средств на обработку.

Одним из эффективных способов повышения технического уровня машин и технологий является совершенствование методов проектирования, когда возможно всестороннее рассмотрение требований к конструкции и технологии и может быть учтено большое количество чисто противоречивых требований. Так, к каждой зерносемяочистительной машине выдвигаются требования минимальных потерь семян в отходы и минимального травмирования материала при максимальном выделении примесей. Главное же при разработке машин выбор таких их признаков, которые наилучшим образом реализуют агробиологические и технологические требования [1, 2].

Признаками создаваемых новых технических решений могут служить характеристики качественных и количественных его свойств. Количественные характеристики представляют собой параметры машин и технологий. Технические решения характеризуются определенным множеством признаков, отражающих их свойства на всех этапах периода эксплуатации. Основными подмножествами признаков являются показатели назначения, категории качества, показатели технологичности, уровень унификации и стандартизации, показатели эстетичности, эргономичности, экологичности, характеристики конкурентоспособности, условий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, показатели экономичности.

Процесс создания перспективных технологий и технических средств очистки и сортирования зерновых материалов, а также других машинных технологий R s состоит из двух этапов:

R s =R 1 +R 2 . (1)

Первый этап R 1 разработка новых способов сепарации, лежащих в основе технологий (общих), включающих несколько отдельных процессов, а также создание способов сепарации для реализации отдельных (составляющих основную технологию) технологических процессов рабочих органов.

Второй этап R 2 проектирование и производство, т.е. воплощение разработанных технических решений в машинные линии.

Оба этапа являются взаимосвязанными и предопределяют уровень разрабатываемых машин и технологий. Причем эффективные машинные технологии могут быть созданы только при единственном условии, что решения каждого из этапов, а также их совокупности будут оптимальными по разрабатываемым критериям. Неудачное решение на любом из этапов однозначно исключает возможность появления эффективного технического решения. Необходимо отметить, что даже появление эвристических решений на каждом из этапов, но несовместимых или недостаточно совместимых также исключает создание перспективных машинных технологий.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом практически отсутствуют алгоритмы создания технических решений, необходимых для реализации последующих поколений машинных технологий. Одна из главных причин такого положения заключается в том, что каждое последующее рождающееся техническое решение в большинстве случаев основывается на других появляющихся в то же самое время решениях. То есть количество создаваемых технических решений переходит в бесконечность. В какой-то степени эта бесконечность прогнозируется при помощи различных моделей, эффективность которых, как правило, является недостаточной для проектировщиков и производителей.

Поиск и разработку технологий и технических средств для очистки и сортирования зерновых материалов осуществляли путем поэтапного или концептуального [4, 5] описания (распознавания) разрабатываемых технологий и машин для их реализации:

OT 1 ={A, P}. (2)

Математические модели способов сепарации и устройств для их реализации при таком описании включают множество целей А (качество сепарации, потери семян) и множество признаков Р (энергоемкость процессов сепарации, стоимость обработки), характеризующих объект в целом на всех этапах его жизненного цикла.

Целевое описание А содержит множество целей, которым должно удовлетворять создаваемое новое техническое решение:

OT 2 =A={a 1 , a 2 , …, a n }. (3)

Функционирование технического решения оценивали математическими моделями, включающими множество признаков Р , характеризующих взаимодействие машин и технологий с обрабатываемым материалом, а также зависимостями признаков Р от смены состояний Н объекта (переход на другую культуру, включение в линию обработки сушилки или отделений временного хранения зерна):

OT 3 ={P, H}. (4)

Структурное описание технологий и технических средств для очистки и сортирования зерна определяли через математические модели, включающие элементы, составляющие сущность способа (последовательность подачи материала на различные сепарирующие рабочие органы) или устройства Е (питатель-дозатор, сепарирующий рабочий орган, приемники продуктов разделения), признаки Р , характеризующие устройства и способы сепарации на всех этапах жизненного цикла, различные варианты технологий сепарирования Q, которые могут быть реализованы создаваемыми сепараторами:

OT 4 ={E, P, Q}. (5)

Параметрическое описание машин и технологий представляли через множество технологических и конструктивных параметров p i :

OT 5 ={ 1 , 2 , …, n }.                                       (6)

Процесс создания перспективных зерносемяочистительных машин, как переход от одного описания технического решения к другому, реализован следующим образом:

R_x = OT => OT₂ => OT ₃ =>... => QT_n .                          (7)

Обоснование оптимального варианта технологий определяли путем отражения на множестве критериев среза произведения бинарных отношений: множества критериев и множества признаков, множества признаков и множества технических решений.

Обозначим:

P={p 1 , p 2 , …, p n }  множество признаков;

X={x 1 , x 2 , …, x n }  множество разрабатываемых машин;

V={v 1 , v 2 , …, v n }  множество критериев.

Тогда функция разработки F может быть выражена как

F : (^ о (AA o ) -^V ,                                     (8)

где ,    бинарные отношения между элементами множества соответственно А и Р; Р и X .

При этом φ⊂( А х Р ); А о ⊆ А ; ψ⊂ ( Р х Х ).

Установить бинарное отношение φ и ψ означает, что надо указать на те упорядоченные пары декартового произведения, которые находятся в отношении φ и соответственно ψ 0 .

Бинарные отношения φ (между множествами А и Р ) при разработке означают отношение между целями и признаками, а бинарное отношение ψ (между Р и X ) между признаками и техническими решениями. Поскольку каждой цели могут соответствовать несколько признаков, то подмножество р i , с которым а i находится в отношении φ, является срезом через элемент а i .

Если для разработки конкретного технического решения выбрано подмножество А 0 множества целей А , можно найти срез через А 0 [3, 4]:

Ф ( Ao) = ( PVa )E a^Ao^ a, p^^L(9)

Аналогично

(4H xVp)[ p^PA( p, x )eVd,(10)

где ψ (Ао)  срез множества Р по подмножеству Р 0 .

о = ((a, x)Vp)[a, p) e <^A(p, x) e ]/\(11)

Произведение бинарных отношений представляет собой множество упорядоченных пар (а, х), для которых существует элемент р множества Р, с которым а находится в отношении φ, а сам он вступает в отношение ψ с элементом х .

Срез произведения по подмножеству А 0 выражается следующим образом [6]:

\p о q>AA ) = (( a, x)Vp )[( a, p ) € (z?A( p,x ) e ^/A a g Ay .                        (12)

Отображение среза произведения бинарных отношений на множество оценок означает функцию, определенную на множестве φ ◦ψ(А 0 ) и принимающую значение на множестве V. Каждый элемент множества V при этом представлял собой в общем случае п- мерный вектор, компонентами которого являются стоимостные характеристики, характеристики полезности и др.

Выражение (8) использовали как целевую функцию разработки технического решения, которую в результате выполнения определимых операций оптимизировали:

( F >o о ^( A o )) ^V^opt .                       (13)

Бинарные отношения между агротехнологическими требованиями и признаками создаваемых технологий и машин для очистки и сортирования зерна можно представить в виде таблицы, или матрицы, соответствий:

C ij

рр Р

P 1 P 2-” P m

C 11 C 12 ... C 1 ,А

.

С ,С ....С а n1 n 2 •••'^ nm^n

Строки матрицы соответствуют агротехнологическим критериям создаваемых технологий и машин, а столбцы основным признакам. В ячейках на пересечении строк и столбцов проставляют: +1 признак соответствует цели, и для ее достижения показатели должны быть увеличены; -1 признак отвечает цели и отрицательно влияет на ее достижение, и для достижения максимальных значений целей показатели должны быть уменьшены; 0 при- знак не отвечает цели.

На основании целевого описания и матрицы соответствий определяем концептуальное описание. Оно включает выражение потребности разработки, цели в ранжированной последовательности и признаки, соответствующие основным целям:

OT 2 = { a ₀[ a 1 (( P ) I ( a 1 ,P ) e )\a 2 (( P ) | ( a 2 , P ) e <р\_a_n (( P ) I ( a „ ,P ) e ^]}.          (15)

Формула [6] сложного высказывания, определяющая потребность в разработке нового технического решения, имеет вид:

Y=Y 1 ^ Y 3 ^ Y 4 ^ (Y 5 ^ Y 2 ),                        (16)

где Y 1 , Y 2 наличие технологий очистки и сортирования и технических средств для их реализации в нашей стране и за рубежом; Y 3  можно отказаться от создаваемого решения; Y 4

получение народнохозяйственного эффекта от применения нового объекта; Y5  можно при обрести создаваемые решения за рубежом.

Область определения функции (16) следующая: Y= (0,1), где 0 разрабатывать не нужно; 1 разрабатывать надо.

После составления концептуального описания объекта технического решения переходим к функциональному описанию, которое включает функциональные элементы, представляющие собой конечное множество деталей, узлов, комплектов, предназначенное для выполнения определенной функции, а также признаки объекта технического решения. Функциональные элементы вступают во взаимосвязь, обеспечивая единство технической системы. Графическое отображение функциональных элементов в виде вершин и связей между ними в виде ребер составляют граф G=L{E, V}, где Е - множество функциональных элементов (вершин); V множество связей (ребер). В сельскохозяйственных машинах связи в большинстве случаев указывают лишь соподчиненность функциональных элементов, находящихся на разных иерархических уровнях, и все функциональные элементы представляют собой непересекающиеся множества входящих в них технологий или машин, поэтому граф приобретает форму дерева. При объединении технических решений в одно общее дерево следует следить за совместимостью функциональных элементов и их признаков. Под совместимостью понимается такая общность элементов и их признаков, которая обеспечивает возможность их взаимодействия. Расширение множества технических решений, относящихся к технологии или машине в целом, осуществляют по отдельным ее элементам с использованием информации из различных источников, включая авторские свидетельства и патенты. Расширение множества технических решений позволяет выявить на нем технические решения, обладающие патентной новизной. Однако само дерево несет информацию лишь о структуре технических решений и об их конструктивных признаках. Этого недостаточно для выбора вариантов, отвечающих другим элементам множества признаков из концептуального описания. Поэтому дерево нужно дополнить средствами формального отражения отношений на множествах технических решений и их функций и признаков.

Воспользуемся для этого матрицей соответствий, строки которой соответствуют функциональным элементам, а столбцы признакам из полного их множества. Матрица определена на множестве значений: 1...k, 0, -1, ..., -m , где k, m количество функциональных элементов, соответственно улучшающих и ухудшающих соответствующие признаки. При этом k и m являются величинами рангов, т.е. степенью влияния функциональных элементов на признаки.

Выбор технических решений осуществляют, используя дерево технических решений, на основании которого выбирают несколько вариантов разрабатываемой машины с учетом концептуального и функционального описаний. Главное условие выбора технического решения максимум суммы значений (которые определяются из матрицы соответствий) функциональных элементов, из которых состоит техническое решение.

Эффективность алгоритма поиска технических решений определяется в первую очередь мощностью множества (базами данных) существующих технологий и технических решений зерносемяочистительных машин для послеуборочной обработки зерновых материалов.

Результативность второго этапа R 2 зависит от технических решений, полученных на стадии первого этапа R 1 , однако однозначно не определяется им.

На втором этапе при помощи специально созданной интегрированной компьютерной системы технологического и технического обеспечения послеуборочной обработки зерна и подготовки семян определяли оптимальные варианты реализации технических решений, полученных на первом этапе. При этом в автоматизированном режиме определяли оптимальные решения машин и технологий, а также оценивали их технико-экономическую эффективность.

Вывод

Разработан алгоритм поиска технических решений процессов послеуборочной обработки зерна, который состоит из двух этапов: разработка новых способов сепарации; проектирование и производство (воплощение разработанных технических решений в машинные линии). Эффективность алгоритма поиска технических решений определяется в первую очередь множеством баз данных существующих технологий и технических средств послеуборочной обработки зерна.