Анализ структуры технологического процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку

Введение. Известно, что питательность, качество и себестоимость кормов во многом определяется используемой технологией, рациональным выбором технологической схемы заготовки и соответствующим набором применяемых кормоуборочных машин и агрегатов. Особенно это касается технологии заготовки сенажа в рулонах, упакованных в полимерную пленку. Такая технология, называемая еще «сенаж в упаковке», успешно внедряется во всем мире в последние десятилетия. Основными достоинствами этой технологии являются возможность равномерного провяливания всех частей растений, сокращение периода пребывания травяной массы в поле, высокая степень уплотнения массы в рулонах, качественная герметизация корма с сохранением сухого вещества и каротина.

Отметим, что рассматриваемая технология состоит из множества отдельных технологических операций, которые оказывают существенное влияние на все факторы процесса производства рулонов. Основные элементы структуры данного технологического процесса являются общими для всех регионов ее использования, однако, при оптимизации технологической схемы и выборе технических средств необходимо учитывать региональную специфику, накладываемую зональными условиями работы. Кроме того, на выбор рациональной стратегии кормопроизводства существенное влияние оказывает многовариантность возможных технологических и технических решений, вероятностная природа процесса заготовки сенажа, а также изменчивость свойств травяной массы.

Методика исследования. Основной целью поэтапной оптимизации технологии заготовки сенажа в рулонах для конкретных условий производства является рациональный выбор технологической схемы процесса заготовки сенажа с использованием перспективных высокопроизводительных кормоуборочных комплексов. При этом необходимо учитывать цену и качество получаемого сенажа и обеспечить минимальные удельные затраты материальных и энергетических ресурсов на производство продукции. Для решения подобных задач эффективным является графоаналитический или топологический метод определения и оценки показателей, который основывается на пользовании структурной и операторной схемы ставления технологии заготовки сенажа в рулонах. Такой подход позволит наглядно представить взаимодействия изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи со значимыми факторами и перейти к возможности использовать оптимизационную модель.

Результаты исследований и их обсуждение. В исследуемой технологии важную роль играет необходимость учета последовательности и эффективности воздействия рабочих органов и машин на обрабатываемый материал (травостой и скошенную травяную массу) в соответствии с технологическими требованиями к выполнению операций процесса заготовки сенажа в рулонах. Поэтому последовательное выполнение кормоуборочными машинами каждого элемента технологического процесса должно отвечать агротехническим требованиям, биологическим фазам развития растений и осуществлению мероприятий, направленных на всестророннюю интенсификацию производства кормовой базы, включая совершенствование структуры посевных площадей кормовых культур [1,2, 3].

Сейчас во многих хозяйствах России используются разные технологические карты, которые предусматривают различные варианты технологии заготовки сенажа в рулонах. Проведенный анализ показывает, что любой вариант технологического процесса заготовки сенажа в рулонах осуществляется последовательным выполнением пяти основных этапов (рисунок 1). Объектом каждого этапа кормозаготовки является травяная масса, состояние и свойства которой изменяются от этапа к этапу (U_m, Uc, Up, Un, Ut, Ux) при различном наборе технологических операций, начиная от скашивания трав до упаковки рулонов и укладки их на хранение. Причем выполнение технологических операций каждого этапа сопровождается переводом свойств травяной массы из исходного состояния в требуемое, согласно предъявляемым агротехническим требованиям. При этом критериями оценки каждого этапа могут выступать конструктивно-технические К, агротехнологические Т, и экономические Р, показатели работы кормоуборочных машин и агрегатов.

На каждом этапе проводится цикл как отдельных, так и последовательных и параллельных операций, направленных на создание условий для реализа- ции технологии заготовки сенажа в рулонах. С позиции оценки и формирования качественных показателей, необходимо провести структурный анализ всех операций технологии заготовки сенажа применительно к используемым техническим средствам [4, 5, 6, 7]. Отметим, что определяющим является качество перевода травяной массы из состояния исходного в требуемое.

Тогда общая постановка задачи поэтапной оптимизации технологии заготовки сенажа в рулонах может быть сформулирована следующим образом: требуется определить комплекс допустимых управлений (технологических операций) Хк, позволяющий переводить свойства растения S из состояния начального Sh в конечное Sk, при котором достигается необходимый эффект, причем текущее состояние растения 8/ в конце каждого /-го этапа зависит от предыдущего состояния Su и параметра управления Хи

С учетом этого требования запишем уравнение состояния:

Подобную задачу целесообразно реализовать с помощью оптимизационных методов, используя целевую функцию:

^i ⁼ fi(^i-i^i)-         (2)

Учитывая, что рассматриваемая задача является многоэтапной, z^zys^xj. ^

1=1

Анализ уравнения (3) позволяет сделать следующие выводы:

Оптимизационная задача рассматривается как многоэтапный процесс.

Значение целевой функции слагается из суммы функций каждого этапа.

Текущее состояние 8/ каждого этапа определяется предыдущим состоянием 8и и параметрами управления Хи

S_I=^(S_I_pX_I),l--1,2,...K. (1)

К - конструктивно-технические показатели работы машин и агрегатов; Т - агротехнологические показатели (требования) работы машин и агрегатов; Р, - экономические показатели по агротехническим требованиям; U_T - исходное состояние травяной массы; Uc - текущее состояние зеленой массы соответственно после скашивания, разбрасывания (сгребания) Up, прессования Un, а также транспортировки Ut и обмотки рулонов перед хранением Ux Рисунок 1 - Структурно-технологическая схема технологии заготовки сенажа в рулонах

Каждый этап управления X/ зависит от конечного числа управляющих переменных и определяется результатом выполнения технологических операций на данном этапе и состоянием 8м - числом управляющих переменных.

Получать необходимый эффект на каждом /-том этапе можно при условии, что к началу последнего этапа система 8 была в состоянии Sm, а на последнем этапе управление было оптимальным и имело экстремальное (минимум или максимум) значение:

Z(X_I) = extrf_I(S_I.₁,X_!)\ (4)

Сформулированная таким образом задача и полученная целевая функция (4) показывают, что процесс заготовки сенажа в рулонах может быть реализован по разным технологическим вариантам с различным набором технологических операций, начиная от скашивания трав до упаковки рулонов и укладки их на хранение. Исходя из этого, с целью проведения структурного анализа технологии рассмотрим варианты возможных технологических операций (рисунок 2 а), используя операторную форму представления (рисунок 2 б).

Качество сенажа зависит от состояния травостоя и агротехнических сроков заготовки, а также от вида заготавливаемой культуры. Так, например, для злаковых культур целесообразно начинать заготовку сенажа в фазе колошения, а для бобовых - в период начала бутонизации с тем, чтобы завершить в период начала цветения. Поэтому несоблюдение агротехнических сроков начала заготовки сенажа отражается на качестве изготовляемого рулона.

В задачу первого этапа входит проведение всего комплекса работ, связанных с организацией операций скашивания травостоя. При этом важным элементом является исходное состояние травостоя, которое характеризуется убираемой культурой, фазой ее развития, урожайностью и влажностью трав. На данном этапе продолжительность провяливания скошенной травы является значимым фактором. Поэтому необходимо, чтобы за короткий срок скошенная трава достигла требуемой физиологической сухости. При этом уменьшается процент потерь питательных веществ и повышаются качественные показатели получаемого сенажа в рулонах. С этой целью в различных применяемых технологиях заготовки сенажа в рулоны предусматриваются операции скашивания в прокос без плющения (Сп), с плющением (СпПл) или кондициони рованием (СпКн), а также скашивание в валок без плющения (Св), с плющением (СвПл) или кондиционированием (СвКн).

На втором этапе выполняются различные технологические операции по формированию валка и управлению процессом провяливания скошенных трав для достижения необходимых технологических свойств, исходя из агротехнических требований. Так, при высокой урожайности культуры для ускоренного провяливания травяной массы в прокосах и в валках, наряду с плющением, проводят различные операции граблями и вспушивателями - разбрасывание (ворошение) (РбВл), оборачивание (ОбБл), сгребание (СгВл) и при необходимости сдваивание валков (СдВл).

Выполнение конкретной технологической операции во многом зависит от природно-климатических условий и состояния травяной массы.

Третий этап, связанный с подбором и прессованием провяленной травы из валков, начинают при содержании влаги от 50 до 55%, с тем, чтобы при прессовании рулонов влажность находилась в интервале 45-55%. Кроме того, необходимо, чтобы упакованный рулон имел правильные размеры и геометрическую форму [8].

а

Т - травостой; Сп - скашивание в прокос; СпПл - скашивание в прокос с плющением; СпКн - скашивание в прокос с кондиционированием; Св - скашивание в валок; СвПл- скашивание в валок с плющением; СвКн - скашивание в валок с кондиционированием; РбВл- разбрасывание валков; СгВл- сгребание массы в валок; ОбВл- оборачивание валков; СдВл - сдваивание валков; ППРл - подбор и прессование в рулон; ПТРл - погрузка и транспортировка рулонов с поля;

УХр^л - упаковка и хранение рулонов; Ои^Рл - обмотка рулонов индивидуальная; О^Рл - обмотка рулонов групповая (рядовая); Урк^Рл - укладка рулонов в полиэтиленовый рукав

б

SiT и 8гВл - состояния травы в момент скашивания в прокос и в валок; 8зРл - состояние провяленной травы перед подбором и прессованием из валка; 84Рл и 8бРл - состояния рулона на этапе перевозки и хранения Рисунок 2 - Структурно-технологический анализ параметров технологии заготовки сенажа в рулонах

Четвертый этап связан с организацией процесса погрузки и транспортировки рулонов сенажа к месту хранения. Помимо известных критериев оценкой этапа может служить такой показатель, как суммарный пробег транспортных агрегатов при погрузке и перевозке рулонов к месту хранения [2, 9]. При определении не- обходимой потребности в транспортных средствах для перевозки рулонов необходимо, чтобы длительность периода от формирования до упаковки не превышала допустимых пределов, чтобы исключить перегрев травяной массы в рулоне.

На пятом этапе доставленные к месту складирования рулоны упаковываются в самоклеющуюся пленку и на ровной открытой площадке или в хранилище укладываются на хранение в двух-, трёхслойный штабель. Отметим, что наряду с индивидуальной обмоткой рулонов сенажа широко используется рядовая упаковка рулонов сенажа в полиэтиленовую пленку, например, групповая обмотка рулонов полимерной плёнкой или укладка рулонов в полимерный рукав. За счет сокращения расходного материала и повышенной производительности используемых машин, осуществляющих групповую обмотку, эта технология имеет большие перспективы [2,10,11].

Преимущество заготовки сенажа в рулоны состоит в возможности упаковывать сенаж в специальную пленку без добавления консервантов. Такой рулон достаточно хорошо хранится, имеет постоянный вес, удобен для дозирования перед скармливанием животным и облегчает труд работников.

Процесс заготовки качественного сенажа в рулоне возможен только при четком соблюдении технологии и зависит от состояния травостоя в начальный момент и в дальнейшем - на всех этапах кормозаготовки (рисунок 2 а).

На этапе своевременного скашивания травы в прокос Si^T или в валок Sz^Bn с возможным разбрасыванием, сгребанием, оборачиванием или сдваиванием валков состояния характеризуются продолжительностью процесса провяливания травяной массы. Последнее способствует повышению водоудерживающей силы растений и является консервирующим фактором, определяющим физиологическую сухость полученной травяной среды.

Этап подбора и прессования провяленной травы из валков 5зРл предусматривает вытеснение воздуха из кормового массива и формирование рулона с плотностью более 350-400 кг/м3.

После прессования следует этап погрузки и транспортировки рулонов с поля 54^Рл Своевременная транспортировка рулонов к месту хранения исключает zw = fc„.jf„ м

перегрев упакованной травяной массы и предотвращает появление нежелательных биохимических и микробиологических процессов. Кроме того, важно, чтобы погрузка и разгрузка рулонов происходила аккуратно без нарушения геометрических форм и размеров.

Хранение рулонов является ответственным этапом $5Рл. Хотя упакованный рулон не требует специальных условий, но целесообразно хранить его в вертикальном положении с целью лучшей защиты торцовых поверхностей рулона. Главная задача этапа -сохранение энергетической ценности и питательных веществ сенажа в упаковке.

Подводя итог, отметим, что эффективную и качественную заготовку сенажа в рулоны можно организовать только при правильном выборе технологических операций и рациональном подборе состава машин и агрегатов на каждом этапе. Вопросы адаптации к конкретным производственным условиям определяются многими факторами, и в первую очередь, убираемой культурой, типом имеющихся в наличии кормоуборочных машин, объемами заготовок, расстояниями транспортировки сенажа, природно-климатическими условиями и т.д.

Таким образом, для оценки составляющих целевой функции (4) и определения значимости (доли) каждой операции на этапах выполнения технологического процесса, а также по всей технологии заготовки сенажа в рулонах целесообразно определить затраты, приходящиеся на выполнение технологической операции как отдельно на этапе, так и в целом по всей технологии.

С учетом этого можно предложить модель, включающую целевую функцию, системы ограничений, объем и агротехнические сроки выполнения работ, а также условия неотрицательности переменных.

Целевая функция:

2^=^Си.Хи^тт\    <5>

1=1 J=1

Применительно к рассматриваемой технологии имеем:

Z(X) = ИХСЫ • Хи —>•min i=i J                              (6)

или в развернутом виде:

где / = 1,2,...,5 - число технологических этапов (операций); J = 1,2,...,5 - число агрегатов, занятых на выполнении технологических операций на /-м этапе; Си - затраты на выполнение /-Й технологической операции J-м агрегатом, руб./га; Хи - число /-ых агрегатов на /-м этапе.

или

Система накладываемых на модель ограничений:

' S

^ aU ‘ ^у > Ьу ,

J=l где аи - производительность J-ro агрегата на /-м этапе, га/ч; Ъи - сменная выработка всех агрегатов на /-м этапе, га/ч. Здесь Ъи = —^-, где Уи - общий объем работ по всей технологии, га; tu - агротехнические сроки их выполнения на каждом этапе.

Условия неотрицательности переменных:

хи>о.

Выводы. Таким образом, на основе проведенного анализа показано, что оценка эффективности технологического процесса заготовки сенажа в рулонах, упакованных в пленку, является многоэтапной задачей, при решении которой можно:

• -    установить показатели (факторы), оказывающие влияние на технологический процесс;

• -    определить значимость выполняемых операций как на отдельных этапах технологического процесса, так и по всей технологии;

• -    оптимизировать структуру технологического процесса заготовки сенажа в рулонах;

• -    оценить затраты на производство сенажа и потери корма.

Подводя итог, отметим, что самый дорогостоящий сенаж не столько тот, который произведен с высокими затратами труда, а тот, который получен с высокими потерями ценности и питательности. Поэтому именно поэтапная оптимизация технологии, начиная с момента скашивания трав до укладки рулонов на хранение с соблюдением всех предъявляемых агротехнических требований, является основой для снижения составляющих затрат на заготовку качественного сенажа в рулонах.