Обоснование эффективности использования зерноуборочных комбайнов на основе математических методов

Основными сельскохозяйственными культурами Амурской области являются: соя, зерновые культуры, картофель, бахчевые и овощные культуры. Одна из приоритетных – соя. Несмотря на то, что с 1995 по 2004 г.

общая посевная площадь области сократилась почти на 50 %, площадь посевов сои в структуре продолжала систематически увеличиваться. В 2012 году в Амурской области соя возделывалась на 682,4 тыс. га, что составляет около 68 % от общей площади посевов (рис. 1).

Одним из определяющих факторов сельскохозяйственного производства является его техническая оснащенность.

По сравнению с 1995 годом в 2007 году количество зерноуборочных комбайнов в сельскохозяйственных организациях области сократилось на 59,6 %, или в 2,5 раза (рис. 1). В этот период обновление техники происходило медленнее, чем её списание. Сохранялась тенденция выбытия по причине износа и недостатка средств для приобретения новой. С 2008 года по постановлению Правительства Российской Федерации в целях осуществления мероприятий по модернизации и обновлению машинно-тракторного парка предоставляются субсидии бюджетам субъектов Российской Федерации на возмещение части затрат на уплату процентов по инвестиционным кредитам. На основании этого в течение последних трех лет парк зерноуборочных комбайнов обновился на 26,9 %.

1995 2000 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 гг.

Рис. 1. Наличие посевных площадей и зерноуборочных комбайнов

Таким образом, к 2012 году посевные площади восстановлены (в сравнении с 1995) на 93 %, тогда как парк зерноуборочных комбайнов только лишь на 55 %, в результате средняя годовая нагрузка на комбайн составляет 469,7 га.

Цель исследований. Обоснование способа оценки эффективности использования зерноуборочных комбайнов в технологии уборки сои за счет снижения энергозатрат.

Задачи :

• 1)    определить на основе энергозатрат оптимальное использование комбайнового парка;

• 2)    на основе математических методов подобрать коэффициенты значимости, позволяющие оптимизировать энергозатраты.

Условия и методы исследований. Для определения эффективности использования различных комбайнов были проведены сравнительные хозяйственные испытания в реальных условиях эксплуатации. Полученные данные обработаны современными методами теории вероятностей и математической статистики.

Хронометражные наблюдения проводились на уборке сои. Более наглядно полученные результаты отражены на рисунке 2.

Результаты исследований. Анализируя данные (рис. 2), необходимо отметить, что на уборке сои самую высокую производительность по основному времени, при достаточно большом удельном расходе топлива – 14,84 л/га, показал комбайн «Тucano-430» – 6,70 га/ч. Наименьшая производительность по основному времени – 2,28 га/ч у «Енисей 958», при этом его рабочая скорость была наименьшей – 3,5 км/ч, а удельный расход топлива достаточно велик – 13,31 л/га. «Вектор 410», с рабочей скоростью 8 км/ч и наиболее низкими затратами топлива 5,46 л/га, работал с производительностью по основному времени – 5,21 га/ч.

Рис. 2. Распределение зерноуборочных комбайнов на уборке сои по производительности и удельному расходу топлива: 1 – Acros-530; 2 – КЗС-812 С; 3 – Енисей 958; 4 – КЗС-1218 – 40; 5 – КЗС-812;

6 – Вектор – 410; 7 – Tucano-430; 8 – Claas Mega-350

Одним из критериев достоверного определения эффективности использования парка зерноуборочных комбайнов являются энергозатраты [1–5].

В общем случае энергозатраты зерноуборочной техники, при оптимальном использовании имеющихся в наличии комбайнов и плана работ, определяются из условия

Z = ∑∑∑ E полijt → min , j ∈ J ₀ i ∈ I ₀ t ∈ T ₀

где j – номер марки зерноуборочного комбайна; J ₀ – множество наличных марок зерноуборочных комбайнов; i – номер вида механизированных работ; I ₀ – множество видов механизированных работ; t – номер периода напряжённых работ; T ₀ – множество периодов напряжённых работ.

Полные энергозатраты j зерноуборочного комбайна на i механизированной работе в период работы t определяются математической моделью

∑∑∑E

j ∈ J ₀ i ∈ I ₀ t ∈ T ₀

пол ijt

= ∑∑∑E

j ∈ J ₀ i ∈ I ₀ t ∈ T ₀

прijt

+

∑∑∑ E жijt j ∈ J ₀ i ∈ I ₀ t ∈ T ₀

+ ∑∑∑ E mijt + j ∈ J ₀ i ∈ I ₀ t ∈ T ₀

+ ∑∑ ∑ ^Eпуijt → ^min , j ∈ J ₀ i ∈ I ₀ t ∈ T ₀

где E_прijt – прямые затраты j зерноуборочного комбайна при выполнении i работы в период t , МДж / га ; E ^jt - затраты живого труда j зерноуборочного комбайна при выполнении i работы в период t , МДж / га ; E_mjt - энергоемкость j зерноуборочного комбайна при выполнении i работы в период t , МДж / ч ; E_nyijt - энергозатраты от потерянного урожая j зерноуборочного комбайна при выполнении i работы в период t , МДж / га .

В результате проведенных исследований была получена функциональная зависимость полных энергозатрат

Y j, = f ( Н м , B р , V p , Т ем , Т нт , L y , U , N e , D p , Q , M m , q k , P , °T i , V i , П 2 ) , (3)

где Н_м - пропускная способность молотилки, кг / с ; В_р - рабочая ширина захвата жатки, м ; V p - рабочая скорость, км / ч ; Т_см - время смены, ч ; Т_нт - годовая загрузка j зерноуборочного комбайна при выполнении i работы в период t , ч ; L_y - ширина обработанного участка, м ; U - урожайность, ц / га ; N_e - мощность двигателя, л . с ., Вт ; D p - срок уборки, дн , смен ; Q - общая уборочная площадь, га; M_m – масса j энергетического средства при выполнении i работы в период t , кг ; q_к – масса утерянного зерна комбайном из учетных рамок, г ; р - плотность почвы, г / см ³ ; о - влажность почвы, %; Т - коэффициент сменности, учитывающий затраты на обед ЕТО и ТО; n i - коэффициент, учитывающий метеоусловия; n ₂ - коэффициент технической готовности машин.

Анализируя полученную зависимость, необходимо заметить, что на величину полных энергозатрат зерноуборочной техники, помимо рассмотренных показателей, оказывают действие и другие составляющие. Поэтому для учёта их влияния на исследуемую величину введём коэффициенты значимости

К пол = К пр + К ж + К э + К пу , (4)

где К_пол – коэффициент эффективности полных энергозатрат от использования зерноуборочной техники;

К_пр = ^npiJ t - коэффициент значимости прямых энергозатрат от использования зерноуборочной техники; ^{пр     Е}пijt

Ежijt

Кж = —-— коэффициент значимости энергозатрат живого труда от использования зерноуборочной тех-жЕ пijt

Еэijt ники; К = —— - коэффициент значимости энергоемкости от использования зерноуборочной техники; эЕ пijt

Кпу

Епуijt

– коэффициент значимости энергозатрат от потерянного урожая.

Е пijt

Таким образом, эффективность использования зерноуборочной техники определяется из условий:

К ' - К пол^щ ^ max ,                                 (5)

пр

К_: = -пол^ >  1 ,                                  (6)

эф          сущ пол где   К пол пр – коэффициент эффективности предлагаемых полных энергозатрат;

К _пол ^сущ – коэффициент эффективности существующих полных энергозатрат.

Коэффициент эффективности существующих полных энергозатрат ( К _пол ^сущ ) определяется на основе полученных результатов хронометражных наблюдений по отношению к типовым энергозатратам.

Проведенные исследования позволили определить коэффициенты эффективности зерноуборочных комбайнов на уборке сои, которые более наглядно представлены на рисунке 3, и сделать вывод, какой комбайн является наиболее эффективным.

Рис. 3. Распределение зерноуборочных комбайнов по коэффициенту эффективности: 1 – Acros 530;

2 – Acros 530; 3 – Енисей 958; 4 – Енисей 958; 5 – Енисей 958; 6 – КЗС-1218-40; 7 – КЗС-812;

8 – Tucano-430; 9 – Claas Mega-350; 10 – КЗС-812 С; 11 – КЗС-812 С; 12 – КЗС-812 С

Выводы. Применение предложенного способа определения эффективности использования зерноуборочных комбайнов в процессе уборки сельскохозяйственных культур на основе подобранных коэффициентов значимости позволит найти оптимальное решение по распределению агрегатов с минимальными энергозатратами.