Основы системного подхода к разработке противоэрозионных почвобрабатывающих машин

Введение . Одна из задач системы земледелия связана с сохранением и восстановлением плодородия почвы [1]. Особенно эта проблема актуальна для степных районов Ставрополья, где кроме засухи, засоления, опустынивания, основными причинами деградации, разрушения и уничтожения почвенного покрова являются ветровая или водная эрозии [2]. Причем имеются значительные площади пашни, где одновременно проявляются ветровая и водная эрозии. Эффективное растениеводство зависит от сохранения плодородия почвы, применяемых технологий и технических средств обработки почв. Поэтому вопросы разработки основ создания почвозащитных почвообрабатывающих машин и орудий являются актуальными.

Методика исследований. Теории и методы системного, структурного и поэтапного анализа и синтеза [3–6].

Результаты исследований. Для разработки системы машин и технологических приемов обработки почвы по сохранению ее плодородия целесообразно начинать со структурного анализа почвы или почвенной среды [7, 8] и рассматривать её как подсистему (рисунок 1).

На почву оказывают внешние воздействия система организации производства, используемые технологии и машины, различные воздействия антропогенного характера. Состояние почвенной среды оценивается почвенноклиматическими условиями, такими как: влажность ( W) и температура ( Т ) воздуха, атмосферные осадки ( U) и давление ( P ), скорость воздушного потока ( V) и т.д.

Для обработки почвенной среды важно знать ее физико-механические свойства, такие как: структура ( С) , механический состав ( К) , влажность ( Wп) , плотность ( ρ ) , наличие растительных остатков ( R) и т.д. При этом следует учитывать, что свойства почвы непостоянны и изменяются во времени. Результатом любого технологического процесса обработки почвы является создание пахотного и подпахотного горизонтов. В первом случае возможны варианты создания мульчирующего, мелкокомковатого верхнего или микроструктурного слоев, которые способствуют накоплению влаги. Для второго случая характерно образование подпахотного уплотненного горизонта с дефицитом влаги.

Технологические

Машины иорудия

Антропогенные

Рисунок 1 – Структурная схема подсистемы «почвенная среда»

Проблема сохранения почвенного плодородия существует еще с начального периода активного земледелия. Обработке почвы сопутствуют снижение накопленной почвенной влаги в плодородном слое, уничтожение полезных микроорганизмов, переуплотнение почвы, воздействие ветровой и водной эрозий. Поэтому вопросы сохранения плодородия и снижения появления различных эрозий почв являются важными для многих регионов страны [1, 2].

Если исходить из необходимости внедрения почвозащитных технологий и формирования оптимальной структуры почвенной среды в процессе ее обработки, то возникает потребность в разработке научно обоснованных рекомендаций по созданию соответствующих почвообрабатывающих машин и орудий.

Итак, разработка любой почвообрабатывающей машины (орудия) предполагает выполнение функционального анализа работы машинно-тракторного агрегата (МТА), рисунок 2.

Рисунок 2 – Структурная схема функционирования МТА как системы

В общем случае, если считать машиннотракторный агрегат системой, то в его состав входят следующие подсистемы: трактор (Т), почвообрабатывающая машина (орудие) (ПМ) и механико-технологическая обработка почвы

(МТ). Последняя, позволяет изменять структуру почвенной среды, переводя её из исходного состояния в требуемое.

Особенностью такой системы является детерминированность входящих подсистем и стохастичность их связей. Исследования функциональных возможностей МТА как системы предусматривает изучение её существования и развития в пространстве и во времени.

Изучение функционирования МТА в пространстве предполагает рассмотрение его как системы в виде объекта, состоящего из двух подсистем – энергетического средства (Т) и почвообрабатывающей машины (ПМ). Причем способ передачи энергии (S) реализуется путем преобразования химической энергии топлива энергетического средства в механическую и транспортировки её через передающие устройства (УП) к рабочим органам почвообрабатывающей машины. Что касается почвенной среды и подсистемы МТ, то они имеют свои границы существования, характеризуемые физикомеханическими свойствами и режимами работы, и ориентированы на выполнение процесса обработки почвы с соблюдением предъявляемых агротехнических требований [9, 10].

При описании функционирования МТА во времени рассматривается период от начала составления технического задания на разработку почвообрабатывающей машины до её окончательного снятия с производства, и в дальнейшем с эксплуатации. Этот период называется жизненным циклом МТА и подразделяется соответственно на два отдельных периода – развития и функционирования. В период развития входят три взаимосвязанных этапа: научноисследовательская работа (НИР), опытно-конструкторская работа (ОКР) и последующая постановка почвообрабатывающей машины на серийное производство. Причем именно на этапах НИР и ОКР закладываются все требуемые характеристики и показатели работы МТА. Второй период функционирования МТА делится на два этапа: целевого использования по назначению и возможности модернизации. На этапе использования по назначению необходимо учитывать вопросы чередования периодов технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (ТР), а также постановки и хранения орудия. Однако в процессе функционирования системы МТА могут появляться неопределенности в виде неоптимального или нерационального конструктивно-технологического решения, связанные с допущениями, принятыми на стадии разработки почвообрабатывающей машины, которые выявляются в процессе эксплуатации МТА. Такая неопределенность системы может быть устранена на этапе возможной модернизации, по итогам проверки показателей работы МТА в полевых условиях.

Из всех этапов жизненного цикла почвообрабатывающей машины именно на этапе использования по назначению происходит не только вложение затрат, но и отдача в виде получаемого эффекта. Поэтому этот этап является важным с точки зрения эффективности использования МТА.

Приведенные выше положения позволяют сформулировать основные принципы постановки и реализации задач, связанные с применением противоэрозионных технологий и разработкой соответствующих почвообрабатывающих машин, а именно: объектом исследования является МТА как система, состоящая из нескольких подсистем, реализующих задачу транспортировки энергии (S) через устройства передачи (УП) от энергетического средства к исполнительным рабочим органам машины с целью выполнения технологического процесса обработки почвы при соблюдении предъявляемых агротехнических требований.

Насколько эффективно выполняется технологический процесс обработки почвы разрабатываемой машиной, зависит от входных данных, которые являются определяющими при системном поэтапном анализе работы МТА. Согласно цели МТА качество выполнения процесса обработки почвы зависит от факторов, влияющих на работу механико-технологической подсистемы, которые подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние факторы оцениваются показателями работы агрегата: эксплуатационно-технологическим и экономическими, которые считаются выходными. Внешние входные факторы определяются условиями эксплуатации: конструктивно-технологическими параметрами и режимами работы, возмущающими воздействиями и т.д.

Разумеется, выход продукции в виде урожайности сельскохозяйственных культур является обобщенным показателем оценки эффективности выполнения технологического процесса. Однако обработка почвы – лишь составная часть технологии возделывания культур. Поэтому для оценки технологического процесса обработки почвы разрабатываемым орудием следует устанавливать приоритетные и определяющие звенья системы: способы и приемы управления (технологии) и исполнитель- ные механизмы (технические средства механи-   технологии и разрабатываемого орудия, в срав- зации).                                         нении с традиционными, можно оценить целе-

Тогда эффективность внедрения с учетом вой функцией в виде выражения звеньев системы, а именно, почвозащитной

N       NMN

F(С)=UO⋅C+ ∑UD ⋅C- ∑ ∑ UΠ ⋅C-ZO- ∑ZD →max.(1)

I=1    I        I=1J=1     IJ                I=1

При реализационной цене единицы продукции С получаемый эффект складывается из урожайности по традиционной U и по почвозащитной U     технологии возделывания культур. На снижение значения целевой функции F(C) могут повлиять текущие затраты по традиционной технологии возделывания культур Z , затраты, связанные с возможным недобором UΠ по ряду различных причин, включая неблагоприятные почвенно-климатические условия и дополнительные вложенные затраты Z на выполнение каждой операции применяемой почвозащитной технологии.

В выражении (1) составляющие U , U _Π и Z являются переменными величинами. Тогда целевая функция F(C) достигнет максимального значения при следующих условиях:

N

∑ U → max ;(2а)

I = 1 ^{D I}

NM

∑ ∑ UΠ  → min ;(2б)

I =1J =1

N

∑Z → min .(2в)

I = 1 ^{D I}

Задача имеет решения, если на условие (2а) накладывается дополнительное ограничение неотрицательности переменной

N

∑ U ≥ 0 и выполняется следующее усло-I =1 DI вие:

N      NM        M

∑ U_D ⋅ C - ∑∑ U _Π ⋅ C ≥ ∑ Z_D . (3) I = 1     I        I = 1J = 1      IJ         I = 1    I

Основные направления исследований вытекают из рассмотренных условий, а именно:

– изыскание способов обработки почвы, обеспечивающие сохранение естественного плодородия почвы и получение максимальной урожайности сельскохозяйственных культур в условиях проявления ветровой, водной и механической эрозий (условие 2а);

– применение почвозащитных технологий, позволяющих достигать максимального почвозащитного эффекта обработки почвы почвообрабатывающими орудиями при минимальных затратах (условие 2б);

– внедрение перспективных способов обработки почвы, позволяющих снизить уровни всех составляющих затрат, которые зависят как от совершенства технических средств механизации, так и от эффективности применяемой технологии обработки почвы (условие 2в).

Выводы. Таким образом, при разработке противоэрозионной почвообрабатывающей машины (орудия), предназначенной для реализации почвозащитной технологии, необходим системный подход, включающий:

– анализ состояния почвы или почвенной среды и изучение вопросов обработки почвы с сохранением и восстановлением её плодородия;

– структурный анализ МТА как системы, состоящей из различных подсистем, выполняющих предъявляемые им функции по противо-эрозионной обработке почвы;

– оценку способов и приемов управления (технологии) и их исполнительных механизмов (технических средств механизации) разрабатываемой противоэрозионной почвообрабатывающей машины.