Имитационное моделирование при формировании технологического комплекса машин в природообустройстве (на примере строительства закрытой оросительной сети)
На правах рукописи
ПОДХВАТИЛИН Иван Михайлович
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МАШИН
В ПРИРОДООБУСТРОЙСТВЕ
(на примере строительства закрытой оросительной сети)
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2013 1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП) кандидат технических наук, доцент
Научный руководитель:
Новиченко Антон Игоревич Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природо обустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП) доктор технических наук, профессор,
Официальные оппоненты:
член-корреспондент РАСХН Дидманидзе Отари Назирович Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ) кандидат технических наук, профессор Ильин Семён Петрович Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природо обустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических иссле дований по инженерно-техническому обеспечению агропро мышленного комплекса» (ФГБНУ «Росинформагротех»)
Защита диссертации состоится « 25 » июня 2013 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу:
127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 1/201. Тел./факс: 8 (499) 976-10-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУП » мая 2013 г. и размещен на официальных сайтах:
Автореферат разослан « » мая 2013 г., ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru « » мая 2013 г.
ФГБОУ ВПО МГУП http://www.msuee.ru «
Ученый секретарь диссертационного совета Т.И. Сурикова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Основной задачей агропромышленного комплекса является надежное обеспечение страны продовольствием и сельско хозяйственным сырьем, что во многом зависит от биопродуктивности и влагообеспеченности сельхозугодий. Решение этой задачи может быть достигнуто за счет применения комплексной системы земледелия, которая базируется на взаимосвязанных агротехнических, мелиоративных и организационных мероприятиях, направленных на эффективное использование природных ресурсов, повышение плодородия почв, а также формирование бережного отношения к земле в рамках концепции природообустройства.
В настоящее время состояние существующих мелиоративных систем не способно обеспечить стабильное развитие сельскохозяйственного производства в зонах рискованного земледелия: новые мелиоративные объекты строятся крайне медленно, а старые нуждаются в реконструкции.
Изменить сложившуюся ситуацию сможет утвержденная распоряжением Правительства РФ от 22 января 2013 годы Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 – 2020 годы», которая предполагает существенные денежные вливания в развитие мелиоративного комплекса.
В связи с этим, разработка современных технологий и эффективных технологических комплексов машин для проведения работ по строительству и реконструкции осушительно-оросительных систем является актуальной задачей.
Цель работы – разработать методику оценки эффективности техно логических комплексов машин в природообустройстве с применением методов имитационного моделирования.
Задачи исследования. Для достижения выбранной цели настоящей работы были поставлены следующие задачи:
– провести анализ существующих технологий механизированных работ в мелиоративном строительстве осушительно-оросительных систем;
– обосновать выбор материала трубопровода, профиля траншеи оросительной сети и технологии производства землеройных работ с учетом нормативных требований и особенностей грунтов в конкретной организации;
– определить эксплуатационно-технологические показатели работы техно логического комплекса по результатам хронометражных наблюдений за работой существующего комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети в условиях выбранной организации;
– провести сбор и обработку статистических данных по эксплуатационно технологическим показателям и показателям надежности объектов исследования в условиях реальной эксплуатации;
– выбрать критерий оптимальности и разработать экономико-математическую модель для определения оптимальной структуры технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования;
– применить методы имитационного моделирования для определения параметров технологического процесса рассматриваемых вариантов комплекса;
– определить оптимальный состав технологического комплекса машин на основе предложенной технико-экономической модели;
– выполнить оценку экономической эффективности использования оптималь ного технологического комплекса машин в условиях реальной организации.
Объектом исследования являлись средства механизации в природо обустройстве в виде землеройной техники различных производителей.
являлось влияние эксплуатационно Предметом исследования технологических показателей и показателей надежности объектов исследования на эффективность работы технологического комплекса.
Методика исследования. Методической основой выполненных иссле дований послужили труды выдающихся ученых, занимавшихся проблемами повышения эффективности эксплуатации техники в сельском хозяйстве, мелиорации и мелиоративном строительстве.
В работе использованы: теория планирования эксперимента, математическая статистика, методы имитационного моделирования с использованием ЭВМ.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
1. Разработана имитационная модель по определению параметров технологического процесса рассматриваемых вариантов состава комплекса машин с учетом эксплуатационно-технологических показателей, надежности каждой машины, категории грунта и параметров профиля сооружения.
2. Предложена экономико-математическая модель для определения приведенных затрат на единицу выполненных работ технологическим комплексом машин для строительства закрытой оросительной сети с учетом эксплуатационно-технологических показателей и надежности каждой машины.
Научные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Результаты статистических наблюдений за работой объектов исследования в условиях реальной эксплуатации, их показатели надежности и эксплуатационно-технологические показатели.
2. Структура имитационной модели и результат имитационного моделирования параметров технологического процесса рассматриваемых вариантов технологического комплекса машин.
3. Состав оптимального технологического комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети, сформированный на основе выбранного критерия оптимальности и предложенной целевой функции.
4. Экономико-математическая модель для определения приведенных затрат на единицу выполненной работы технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования.
5. Экономическое обоснование эффективности использования оптимального технологического комплекса машин в условиях реальной организации.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.
Разработанная методика и полученные результаты исследования будут востребованы сельхозпредприятиями как в период формирования нового парка машин технологических комплексов, так и при эксплуатации существующего.
Применение имитационного моделирования технологических процессов позволяет рационально использовать производственный потенциал предприятия, точнее прогнозировать объем и сроки выполняемых работ, повысить эффективность механизированных работ в природообустройстве.
Результаты исследований реализованы в рекомендациях по определению оптимального состава парка машин и оборудования, разработан программно вычислительный комплекс «ЗОС: Яхрома-1.0» для автоматизированного выбора состава технологического комплекса машин и расчета его экономических показателей.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях профессорско преподавательского состава ФГБОУ ВПО МГУП (2007 – 2013 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 176 страницах, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Список литературы включает в себя 147 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы научной работы и необходимость ее разработки. Сформулированы цели и задачи исследования, дана оценка теоретической значимости и прикладной ценности полученных результатов. Намечены области применения и дальнейшие пути исследований.
Актуальность работы подтверждается Федеральной целевой программой «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 – 2020 годы».
В первой главе рассмотрено состояние изучаемого вопроса, на основе анализа литературных источников обоснованы направления и методы решения поставленных задач. Рассмотрены разновидности и технологии механизи рованных работ в природообустройстве, выполнен анализ существующих конструкций осушительно-оросительных систем.
Проведен анализ состояния мелиоративных систем в Центральном регионе Российской Федерации. Выявлено, что средняя величина износа осушительно оросительных систем сельхозугодий составляет до 80% и выше.
Такое крайне неудовлетворительное состояние мелиоративного комплекса обусловлено отсутствием государственной поддержки сельхозпроизводителей при строительстве и реконструкции капитальных мелиоративных сооружений, а также при их ремонте и обслуживании.
Проблемы технической эксплуатации и ремонта оросительных систем рассмотрены в работах А.И. Голованова, И.П. Айдарова, Е.П. Борового, К.В. Губера, Б.С. Маслова, Г.В. Ольгаренко, М.С. Григорова, В.Н. Рыбкина, М.Ю. Храброва, А.А. Пахомова, Ю.И. Сухарева и других ученых.
Исследования показывают, что характеристики земель различных природно климатических зон страны демонстрируют необходимость мелиоративного улучшения большинства сельскохозяйственных угодий для повышения эффективности их использования. Доказано, что выход продукции с орошаемого гектара в 2-5 раз выше, чем с богарного, а производительность труда, эффективность использования природных и материально-технических ресурсов, в том числе удобрений, увеличиваются в 2–3 раза.
Во второй главе рассмотрены технологии строительства закрытых оросительных сетей, осуществлен выбор материалов трубопровода и параметров сооружения оросительной сети, предложена методика формирования комплекса машин для строительства закрытой оросительной сети сельскохозяйственных угодий на пойме реки Яхромы Дмитровского района Московской области.
Вопросы строительства насосных станций и шлюзов в работе не рассматривались.
Для реализации поставленных задач Программы необходимо не только разрабатывать современные технологии строительства мелиоративных сооружений, но и решать задачи по созданию эффективных систем комплексной механизации строительства с учетом передовых технологий.
В последнее время в мелиорации широко используются полимерные трубопроводы. Это обусловлено высокими эксплуатационными свойствами трубопровода и низкими затратами на строительство и эксплуатацию. Область применения полимерных трубопроводов довольно обширна (таблица 1).
Таблица 1 – Возможные области применения полимерных труб Область применения Диаметр трубопровода, мм Доля полимерных труб, % Орошение сельхозугодий 100–300 Орошение культурных пастбищ 50–300 Обводнение пастбищ 50–200 Сельхозводоснабжение 50–300 Коллекторно-дренажная сеть:
в зоне орошения 100–200 в зоне осушения 50–200 Технология укладки полимерного трубопровода регламентируется техническими нормами и требует бережного обращения на всех этапах строительства.
Сегодня одним из главных поставщиков сельхозпродукции Московского региона является Яхромская пойма Дмитровского района площадью 9,2 тыс.га, которая дает до 70% овощной продукции всего Подмосковья (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема расположения сельхозугодий поймы реки Яхромы - старое русло;
- новое русло;
- оросительные каналы;
- граница поймы.
Оросительная сеть поймы реки Яхромы в проекте увязана с осушительной сетью с целью избежания пересечений. При строительстве оросительной сети с применением магистрального напорного трубопровода из ПНД (полиэтилена низкого давления) диаметром 315 мм и глубине заложения до 1,8 м рекомендуется с учетом природно-климатических условий разрабатывать траншею с коэф фициентом заложения откосов 0,75. При этом в зависимости от рельефа местности глубина траншеи на отдельных участках может колебаться от 1,8 до 2,3 метра.
Согласно требованиям нормативной документации дно траншеи укрывают песчаной подушкой высотой до 0,2 м с последующим выравниванием и уплотне нием. После укладки трубопровода осуществляется подсыпка пазух, образуемых между трубой и стенками траншеи на высоту, позволяющую укрыть трубу на 0,1 м.
Затем осуществляется засыпка остальной части траншеи с помощью бульдозерной техники, после чего производится планировка и рекультивация участка.
Параллельно процессу землеройных работ осуществляется сварка трубных плетей с помощью специализированной сварочной установки, затем производится их опрессовка сжатым воздухом. Сваренная плеть стыкуется с уже уложенной в траншею, для чего предварительно оставляют на бровке траншеи конец плети, длина которого позволяет беспрепятственно выполнить соединение.
В целом, технологический процесс строительства закрытой оросительной сети с применением труб ПНД характеризуется высокой трудоемкостью и многообразием технологических операций. Процессы такого рода относятся к сложным объектам управления, которые характеризуются большим числом изменяющихся во времени параметров и действием большого количества факторов.
Существующие разногласия в методических рекомендациях по формиро ванию технологических комплексов для строительства магистральных трубопроводов закрытых оросительных сетей с применением труб ПНД вынуждает подрядчиков выполнять работы на свое усмотрение, что зачастую приводит к снижению качества и повышению конечной стоимости сооружения.
Формирование эффективных технологических комплексов машин для выпол нения таких работ требует глубокой научной проработки в вопросах согласования технических параметров машин и их эксплуатационной производительности.
В третьей главе изложена программа и методика исследования. Данный раздел устанавливает основные методические и организационные положения по сбору и обработке данных по надежности и эксплуатационно-технологическим показателям объектов исследования в реальных условиях их эксплуатации.
Проведен анализ основных факторов, влияющих на надежность технологического процесса, и причин снижения производительности машин.
Определена система мероприятий, направленных на повышение согласованности, надежности и производительности технологического комплекса машин.
В качестве объектов исследования были выбраны землеройные машины различных фирм-производителей, которые нашли широкое применение в мелиоративном строительстве (таблица 2).
Таблица 2 – Краткая техническая характеристика объектов исследования Объем Мощность, Стоимость, рабочего № Модель Масса, т кВт тыс.руб.
органа, м Экскаваторы на гусеничном ходу Caterpillar 322С 129 1,0 22,80 Komatsu PC220- 1 143 1,0 19,70 ТВЭКС ЕТ-25 131 1,0 23,50 Бульдозеры 127 5,6 18,20 Caterpillar D6N XL 2 Komatsu D65E-12 132 5,4 19,80 ЧТЗ Б10М 132 5,7 18,80 Экскаваторы-погрузчики Caterpillar 428D 62 0,8 7,10 3 Komatsu WB97S 5 67 0,8 8,10 МТЗ ЭО-2626.01 65 0,8 7,90 Для оценки влияния показателей надежности на эффективность работы технологического комплекса машин были собраны и систематизированы статистические данные о работе объектов исследования в реальных условиях эксплуатации. Согласно поставленной задаче проводилось наблюдение за группой однотипных машин по плану [NRT] в течение 1000 мото-часов в реальных условиях эксплуатации.
В процессе наблюдения за объектами исследования фиксировались хронометражные данные по рабочим циклам машин, агрегатированных соответствующими рабочими органами. Параллельно фиксировались эксплуатационные затраты, наработка на отказ, время на восстановление работоспособности, определялся коэффициент готовности машин.
Для описания работы технологического комплекса и его оптимизации было принято решение об использовании методов имитационного моделирования.
Наиболее оправданным для решения оптимизационной задачи был признан пакет моделирования от разработчиков из СПбГУ – Rand Model Designer (RMD).
Достоинства этой программы заключаются в следующем:
– удобная среда программирования;
– подробное руководство пользователя;
– свободный доступ к ресурсам продукта.
Пакет моделирования Rand Model Designer – это визуальная среда объектно ориентированного моделирования и исследования сложных динамических систем, которая имеет графические инструменты, позволяющие выполнять:
– моделирование поведения сложных систем;
– планирование вычислительных экспериментов;
– визуальную отладку и анализ поведения моделей.
Структура модели состоит из нескольких взаимоувязанных блоков, которые описы вают поведение машин при выполнении технологических операций (рисунок 2).
Рисунок 2 – Скриншот экрана программной структуры имитационной модели Блоки модели описывают следующие технологические операции:
1 – снятие растительного слоя почвы (бульдозер);
2 – разработка траншеи (одноковшовый экскаватор на гусеничном ходу);
3 – подсыпка песчаной подушки (экскаваторы-погрузчики);
4 – выравнивание и уплотнение песчаной подушки (виброплиты);
5 – сварка трубных плетей и опрессовка (установка сварочная, компрессор);
6 – стыковка плетей и укладка в траншею (установка сварочная, экскаваторы-погрузчики);
7 – обратная подсыпка пазух траншеи (экскаваторы-погрузчики);
8 – обратная засыпка траншеи и рекультивация участка (бульдозер).
Алгоритм описания блоков модели учитывает все параметры, полученные в ходе наблюдения за объектами исследования в процессе реальной эксплуатации.
а) б) Рисунок 3 – Структура блоков модели, описывающих технологические операции:
а) ведущей машины (операция 2);
б) вспомогательной машины (операция 8) В целом, программирование блоков модели сводится к математическому описанию рабочих циклов машин с привязкой к системному времени моделируемого процесса с учетом параметров сооружения.
В качестве ведущей машины комплекса был принят одноковшовый экскаватор на гусеничном ходу, с помощью которого производится разработка траншеи. Вспомога тельные машины работают на разных операциях и вынуждены периодически пере ходить с одного участка на другой: бульдозер участвует в операциях 1 и 8, экскаваторы-погрузчики – в операциях 3, 6, 7 (рисунок 4). Данное обстоятельство проявляется в виде «ступенчатости» линий, отображающих операции на графике.
L, м.п.
Операция 1 Операция Снятие Сварка трубных Ведущая машина растительного плетей и слоя почвы опрессовка Операция 2 Операция 4 Стыковка и Разработка укладка плети траншеи 3 в траншею Операция Операция Обратная Подсыпка песчаной подсыпка пазух подушки траншеи Операция 4 Операция Выравнивание и Обратная уплотнение засыпка песчаной траншеи и подушки рекультивация Тр, ч Рисунок 4 – Фрагмент графика имитационной модели технологического процесса строительства закрытой оросительной сети:
L – длина трубопровода (метр погонный);
Тр – рабочее время (часы) Отличительной особенностью созданной имитационной модели является возможность изменения параметров машин комплекса и их технико эксплуатационных показателей, параметров профиля траншеи и всех технологических параметров механизированных работ. Применение встроенной функции генератора случайных чисел (по заданному закону и в заданном диапазоне распределения) позволило учесть вероятностный характер некоторых эксплуатационных показателей, что придало модели еще большей «реальности».
Следующим этапом являлась настройка имитационной модели, которая включает в себя несколько последовательных шагов (рисунок 5).
Оценка Оценка Оценка адекватности согласованности точности [ корректировка ] [ корректировка ] [ корректировка ] Рисунок 5 – Схема процесса настройки имитационной модели Проверка адекватности результатов имитационного моделирования данным статистических наблюдений выполнялась методом оценки дисперсий отклонений откликов модели от среднего значения откликов системы.
В общем виде моделируемый технологический процесс характеризуется как у = Ax + В, (1) где x, y – вход и выход (отклик) механизированного производственного процесса;
А – оператор преобразования «вход-выход»;
В – корректирующий коэффициент.
Модель считается адекватной реальному производственному процессу, если уф [ ум – t у ;
ум + t у ], при xM = xФ, (2) где yФ, yМ – отклик фактической системы и моделируемой соответственно;
xФ, xМ – входные условия фактической системы и моделируемой соответственно;
t – критерий Стьюдента (t=2 при надежности =0,95);
у – среднеквадратичное отклонение значений моделируемых показателей.
Таким образом, если фактические результаты (уф ) статистических наблюдений принадлежат доверительному интервалу согласно формуле (2), то модель дает результаты, адекватные натурным экспериментам.
Оценка согласованности технологических операций модели производилась путем анализа графиков технологических процессов (рисунок 6).
а) б) в) Рисунок 6 – Графики выполнения технологического процесса комплексом с различными параметрами рабочего органа ведущей машины:
а) объем ковша – 0,8 м3;
б) объем ковша – 1,0 м3;
в) объем ковша – 1,2 м3.
(условные обозначения соответствуют рисунку 4) На рисунке 6-а видно, что ведущая машина малопроизводительна и сдерживает выполнение последующих операций. На рисунке 6-в наблюдается значительное опережение ведущей машиной последующие операции. Максимальная согласованность достигнута при объеме ковша ведущей машины 1,0 м3 (рисунок 6-б).
Также была выполнена оценка согласованности по остальным операциям, определены наилучшие технические параметры объектов исследования.
Эксперименты с параметрами трубной плети показали, что при увеличении длины плети – повышается согласованность технологических операций.
Оптимальная длина плети принята 120 м, что соответствует 10 трубам по 12 м.
На следующем этапе проводилась оценка точности моделирования:
t y, (3) N y где – относительная ошибка моделирования, %;
N – количество проведенных экспериментов, ед.
Для обеспечения точности моделирования технологических процессов необходимо учитывать показатели надежности машин, которые были получены по результатам наблюдений за объектами исследования. Надежность машин учитывалась комплексным показателем – коэффициентом готовности, который монотонно снижался в зависимости от наработки машин (рисунок 7).
Тм, мото-ч L, м.п.
WТ WЭ t Тр,ч L, м.п.
а) б) Рисунок 7 – Динамика изменений эксплуатационных показателей машин комплекса а) изменение производительности комплекса в зависимости от надежности машин:
WТ – техническая производительность, м.п./ч;
WЭ – эксплуатационная производительность, м.п./ч;
t – изменение общей продолжительности работ, ч;
L – длина трубопровода, м.п.;
Тр – рабочее время, ч;
б) изменение наработки машин в зависимости от объемов выполненной работы комплексом:
1- экскаватор на гусеничном ходу;
2- бульдозер;
3- экскаваторы-погрузчики;
Тм – наработка машин, мото-ч Заключительным этапом настройки имитационной модели являлась калибровка выражений модели, использующих функции случайных величин, и уточнение законов их распределения.
После проведения всех этапов настройки имитационной модели был получен инструмент для проведения серий компьютерных экспериментов (рисунок 8).
L, L, п.м. п.м.
Тр, ч Тр, ч а) б) Рисунок 8 – Фрагменты серии компьютерных экспериментов а) – моделирование технологического процесса работы комплекса 1 (см. таблицу 3);
б) – моделирование технологического процесса работы комплекса 3 (см. там же);
(условные обозначения соответствуют рисунку 7) Относительная ошибка результатов имитационного моделирования не превысила 9%, что позволяет использовать полученные экспериментальные данные в процессе дальнейших исследований.
В четвертой главе изложены основные результаты статистических и экспериментальных исследований: определены показатели надежности объектов исследования (таблица 3), приведены результаты имитационного моделирования, проведена оценка эксплуатационной производительности сравниваемых комплексов машин, определено влияние глубины заложения и общей длины трубопровода на продолжительность выполнения работ (таблицы 4 и 5), выявлены статистические зависимости продолжительности работы технологического комплекса от суммарной длины трубопровода и получены соответствующие уравнения аппроксимации (таблица 6).
Таблица 3 – Показатели надежности объектов исследования (за 1000 мото-ч) Затраты Затраты на Среднее Параметр Коэф на ТО и устранение Состав время потока фициент неисправ № комплекса восстанов- отказов, готов- ТР, ностей, ед/ч* ления, ч ности тыс. руб. тыс. руб.
Комплекс Caterpillar 322С 24 1,50 0,976 75,00 15, 1 Caterpillar 428D 53 2,25 0,947 50,60 8, Caterpillar D6N XL 40 1,53 0,960 78,40 12, Комплекс Komatsu PC220-8 36 1,59 0,964 87,90 18, 2 Komatsu WB97S 5 45 1,86 0,955 49,60 16, Komatsu D65E-12 42 1,53 0,958 76,38 16, Комплекс ТВЭКС ЕТ-25 74 4,77 0,926 98,52 32, 3 МТЗ ЭО-2626.01 98 4,80 0,902 46,60 25, ЧТЗ Б10М 78 4,23 0,922 70,36 15, Комплекс Caterpillar 322С 24 1,50 0,976 75,00 15, 4 МТЗ ЭО-2626.01 98 4,80 0,902 46,60 25, ЧТЗ Б10М 78 4,23 0,922 70,36 15, Комплекс Komatsu PC220-8 36 1,59 0,964 87,90 18, 5 МТЗ ЭО-2626.01 98 4,80 0,902 46,60 25, ЧТЗ Б10М 78 4,23 0,922 70,36 15, Результаты имитационного моделирования технологического процесса строительства закрытой оросительной сети с применением различных вариантов состава комплекса сведены на рисунке 9.
L, м.п.
20 000 18 15 10 000 5 Тр, ч 0 500 1000 Рисунок 9 – Сравнительный анализ результатов компьютерных экспериментов (условные обозначения соответствуют таблице 3) Таблица 4 – Влияние глубины заложения трубопровода hТ на продолжительность выполнения работ Тр (при длине трубопровода L=10 000 м) № Средняя продолжительность выполнения работ, ч комплекса (см. таблицу 3) hТ = 1,4 м hТ = 1,6 м hТ = 1,8 м 1 685,1 729,2 865, 2 686,7 734,3 870, 3 689,4 739,1 954, 4 685,9 731,5 885, 5 688,3 736,4 889, Таблица 5 – Влияние суммарной длины трубопровода L на продолжительность выполнения работ Тр (при глубине заложения трубопровода hТ = 1,8 м) № Средняя продолжительность выполнения работ, ч комплекса (см. таблицу 3) L = 4000 м L = 8000 м L = 12 000 м L = 16 000 м L = 20 000 м 1 355,2 694,1 1036,7 1380,1 1731, 2 359,4 701,7 1047,1 1392,3 1746, 3 377,4 754,8 1158,2 1590,3 2041, 4 361,1 705,6 1061,3 1436,2 1824, 5 364,1 710,4 1067,8 1445,7 1836, Таблица 6 – Статистическая зависимость продолжительности работы комплекса Тр (ч) от суммарной длины трубопровода L (м.п.) (при hТ = 1,8 м) № Параметры аппроксимации комплекса (см. таблицу 3) Достоверность, R Вид уравнения Тр = 0,0855L + 13, 1 0, Тр = 0,0861L + 16, 2 0, Тр = 0,101L – 24, 3 0, Тр = 0,09L + 1, 4 0, Тр = 0,0904L + 2, 5 0, В пятой главе изложены основные результаты исследования, получены экономические показатели работы различных вариантов состава комплексов, предложена целевая функция оптимизации состава комплекса, определен наиболее эффективный вариант состава технологического комплекса для строительства закрытой оросительной сети в условиях сельхозугодий поймы реки Яхромы, разработана экономико-математическая модель для определения приведенных затрат на строительство погонного метра сооружения в зависимости от длины трубопровода. Разработан программно-вычислительный комплекс «ЗОС: Яхрома-1.0» для автоматизированного выбора технологического комплекса машин и расчета его экономических показателей.
Эффективность эксплуатации технологического комплекса машин харак теризуется величиной приведенных затрат на единицу выполненных работ.
При известных приведенных затратах на эксплуатацию машин комплекса, учитывая при этом приведенные издержки, связанные с устранением отказов машин, определим приведенные затраты на погонный метр сооружения:
С С Э Р З min, (4) П W Э где ЗП – приведенные затраты на погонный метр закрытой оросительной сети, руб./м.п.;
СЭ – приведенные затраты на эксплуатацию машин комплекса, руб./ч.;
СР – приведенные издержки, связанные с восстановлением работоспособности машин, руб./ч.;
WЭ – среднечасовая эксплуатационная производительность комплекса, м.п./ч.
Приведенные затраты на эксплуатацию машин комплекса определяются как СЭ = С1+С2 +С3+С4+С5+С6+С7, (5) где С1 – амортизационные отчисления на машины, руб./ч.;
С2 – амортизационные отчисления на средства малой механизации, руб./ч.;
С3 – затраты на топливо и эксплуатационные материалы, руб./ч.;
С4 – затраты на техническое обслуживание и ремонт, руб./ч.;
С5 – заработная плата машинистам, руб./ч.;
С6 – заработная плата вспомогательным рабочим и ИТР, руб./ч.;
С7 – накладные расходы и прочие эксплуатационные затраты, руб./ч.
Приведенные издержки, связанные с восстановлением работоспособности машин определяются как СР = (СЗП+СРР+УПР )/ТПР, (6) где СЗП – средняя стоимость запасных частей машин комплекса, руб.;
СРР – средняя стоимость ремонтных работ машин комплекса, руб.;
УПР – ущерб от простоя технологического комплекса, руб.;
ТПР – среднее время восстановления работоспособности, ч.
По результатам статистических наблюдений и обработки эксперимен тальных данных были определены значения экономических показателей работы технологических комплексов (таблица 7).
Таблица 7 – Экономические показатели работы технологических комплексов малой механизации, руб./ч.
Сумма амортизационных Затраты на ТО и ТР, руб./ч Стоимость работы всего Себестоимость машино с накладными расходами Затраты на ТСМ, руб./ч Стоимость машино-часа Затраты на устранение (К =1,25) и НДС, руб./ч Суммарная стоимость Зарплата подсобных Зарплата ИТР, руб./ч машино-часа, руб./ч Затраты на средства машинистам, руб./ч отчислений, руб./ч Часовая зарплата комплекса, руб./ч Состав рабочих, руб./ч отказов, руб./ч комплекса часа, руб./ч Комплекс Caterpillar 322С 402 259 773 75,0 15,9 1525 Caterpillar 428D 226 229 269 50,6 8,7 783 190 7342 960 610 Caterpillar 428D 226 229 269 50,6 8,7 783 Caterpillar D6N XL 546 229 891 78,4 12,6 1758 Комплекс Komatsu PS 220-8 364 259 874 87,9 18,8 1604 Komatsu WB97S5 226 229 269 49,6 16,8 791 190 7462 960 610 Komatsu WB97S5 226 229 269 49,6 16,8 791 Komatsu D65E-12 616 229 807 76,4 16,9 1745 Комплекс ТВЭКС ЕТ-25 303 259 941 98,5 32,8 1635 МТЗ ЭО-2626.01 107 229 302 46,6 25,2 710 190 7084 960 610 МТЗ ЭО-2626.01 107 229 302 46,6 25,2 710 ЧТЗ Б10М 226 229 1076 70,4 15,9 1617 Комплекс Caterpillar 322С 402 259 773 75,0 15,9 1525 МТЗ ЭО-2626.01 107 229 302 46,6 25,2 710 190 6922 960 610 МТЗ ЭО-2626.01 107 229 302 46,6 25,2 710 ЧТЗ Б10М 226 229 1076 70,4 15,9 1617 Комплекс Komatsu PS 220-8 364 259 874 87,9 18,8 1604 МТЗ ЭО-2626.01 107 229 302 46,6 25,2 710 190 7038 960 610 МТЗ ЭО-2626.01 107 229 302 46,6 25,2 710 ЧТЗ Б10М 226 229 1076 70,4 15,9 1617 В соответствии с планом развития сельхозугодий поймы реки Яхромы на ближайшие годы намечены значительные объемы работ по комплексному обустройству земель – планируется ввести в оборот до 600 га мелиорируемых земель, что потребует реконструкции изношенных и строительства новых мелиоративных систем, в том числе закрытых оросительных сетей суммарной протяженностью 18,9 километров.
В связи с этим были определены экономические показатели работы технологических комплексов машин из расчета заданных объемов (таблица 8).
Таблица 8 – Экономические показатели работы технологических комплексов машин (из расчета суммарной длины трубопровода L=18 900 м) Среднее время Приведенные затраты № Стоимость машин выполнения на погонный метр комплекса комплекса, заданного оросительной сети, (см. таблицу 7) тыс. руб. объема работ, ч руб./м.п.
1 22300 1605 756, 2 22800 1678 801, 3 11830 1889 864, 4 16200 1670 750, 5 17100 1730 787, Анализ проведенных экономических расчетов показывает, что наиболее эффективным комплексом по критерию минимума приведенных затрат является комплекс №4, стоящий из ведущей машины Caterpillar 322С и вспомогательных машин: экскаваторов-погрузчиков МТЗ ЭО-2626.01 и бульдозера ЧТЗ Б10М.
В свою очередь согласно формуле (4) суммарные приведенные затраты на погонный метр сооружения (без учета стоимости материалов и их транспортировки) характеризуются затратами на эксплуатацию машин комплекса и издержками от простоя комплекса по причине технических отказов машин (рисунки 10 и 11).
8844 67, Комплекс 1 Комплекс 8930 102, Комплекс 2 Комплекс 146, Комплекс 3 Комплекс 121, 8371 Комплекс Комплекс 125, Комплекс 5 Комплекс 9500 0 50 100 150 7000 7500 8000 8500 СЭ, руб./ч СР, руб./ч Рисунок 10 – Приведенные затраты на Рисунок 11 – Приведенные издержки, связанные с восстановлением работоспособности машин эксплуатацию машин комплекса Анализ приведенных затрат на эксплуатацию сравниваемых техно логических комплексов также демонстрирует преимущество комплекса №4.
Анализ стоимости машин комплексов с учетом стоимости средств малой механизации (рисунок 12) демонстрирует лидирующую позицию комплекса №3, однако это преимущество теряется из-за низкой производительности комплекса (таблица 8), что в результате удорожает выполненные работы (рисунок 13).
22300 756, Комплекс 1 Комплекс 801, 22800 Комплекс Комплекс 11830 864, Комплекс 3 Комплекс 16200 750, Комплекс Комплекс 17100 787, Комплекс Комплекс 500 600 700 800 0 5000 10000 15000 20000 Тыс.руб. Руб./м.п.
Рисунок 12 – Суммарная стоимость Рисунок 13 – Приведенные затраты технологического комплекса машин на погонный метр оросительной сети В проведенных исследованиях наилучшим результатом признан вариант состава комплекса №4. Данный комплекс характеризуется наименьшими приведенными затратами на погонный метр сооруженного трубопровода оросительной сети – 750,3 рублей и сравнительно низкой стоимостью машин комплекса. Учитывая специфику выполняемых работ и их сезонность, можно сделать вывод о целесообразности приобретения этих машин для выполнения работ по сооружению оросительной сети на пойме реки Яхромы.
Наиболее дешевый комплекс машин №3 выполняет ту же работу за более длительное время и ощутимо дороже – 864,9 рублей. Комплекс №2 имеет также довольно высокие приведенные затраты, а его стоимость самая высокая среди рассматриваемых комплексов – 22800 тысяч рублей. Комплекс №1 обладает невысокими приведенными затратами, но является одним из самых дорогих.
Преимущество данного комплекса заключается в высокой производительности и надежности. В случае ограничения по срокам работ – выбирать следует его.
Комплекс №5 обладает средними показателями работы, приведенные затраты составляют 787,9 рублей на погонный метр оросительной сети.
Для определения экономических показателей на разных этапах строительства рекомендуется пользоваться экономико-математической моделью, полученной на основе выражения (4) и уравнений продолжительности выполнения работ комплексов (таблица 6). Для комплекса №4 экономико математическая модель будет иметь следующий вид:
ЗП = (СЭ + СР)(0,09 + 1,348 / L) (7) Данное выражение позволяет определять стоимость строительных работ заданных объемов и прогнозировать сроки их выполнения.
На основе полученных результатов исследования разработан программно вычислительный комплекс «ЗОС: Яхрома-1.0» для автоматизированного подбора технологического комплекса машин и расчета его экономических показателей.
Предложенный программно-вычислительный комплекс может быть рекомендован к использованию на сельхозпредприятиях Яхромской поймы, а разработанная модель – для изучения производственных процессов в АПК, в том числе в качестве методического обеспечения в образовательном процессе при изучении особенностей эксплуатации технологических комплексов машин.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ существующих технологий механизированных работ в мелиоративном строительстве, который показал, что применение полимерных материалов при строительстве оросительных систем является оправданным и перспективным. Это обусловлено высокими эксплуатационными свойствами и сравнительно низкими затратами на строительство и эксплуатацию трубопровода.
2. Установлено, что при строительстве закрытой оросительной сети с применением напорного трубопровода из ПНД (полиэтилена низкого давления) для обеспечения надежной работы сооружения необходимо выполнить подготовку основания траншеи: дно профилировать с заданным уклоном, укрыть песчаной подушкой, выровнять и уплотнить. Операции по сварке трубных плетей, подготовке траншеи и укладке трубопровода требуют значительной доли ручного труда, что приводит к увеличению трудоемкости всего технологического процесса.
3. Применен метод имитационного моделирования при решении оптимизацион ных задач для формирования эффективного технологического комплекса машин, выбран пакет имитационного моделирования, отвечающий требованиям исследования – Rand Model Designer. Разработана имитационная модель техно логического комплекса машин, предложена схема настройки модели, выполнена проверка адекватности результатов моделирования данным статистических наблю дений, проведена оценка согласованности технологических операций. Относи тельная ошибка моделирования не превысила 9%.
4. Определены эксплуатационно-технологические показатели объектов исследования по результатам хронометражных наблюдений за работой существующего технологи ческого комплекса для строительства оросительной сети в условиях поймы реки Яхромы.
Получены экономические показатели объектов исследования – землеройных машин различных производителей (Caterpillar, Komatsu, ТВЭКС, МТЗ, ЧТЗ). По результатам обработки статистических данных выявлено, что коэффициенты готовности объектов исследования принимают значения от 0,976 до 0,902 (за 1000 мото-ч).
5. Осуществлен выбор критерия оптимальности и разработана целевая функция для определения эффективной структуры технологического комплекса машин с учетом показателей надежности объектов исследования. В качестве критерия оптимальности выбран минимум приведенных затрат на строительство погонного метра закрытой оросительной сети. Целевая функция учитывает суммарные часовые затраты на эксплуатацию машин и суммарные часовые издержки, связанные с восстановлением их работоспособности, отнесенные к средней часовой эксплуатационной производительности комплекса.
6. Определен оптимальный состав технологического комплекса машин на основе предложенной методики с применением методов имитационного моделирования.
Оптимальным комплексом для проведения работ в условиях поймы реки Яхрома приз нан комплекс №4, стоящий из экскаватора Caterpillar 322С, двух экскаваторов погрузчиков МТЗ ЭО-2626.01 и бульдозера ЧТЗ Б10М общей стоимостью 16,2 млн.руб.
7. Выполнена оценка экономической эффективности использования сравниваемых технологических комплексов машин в условиях сельхозугодий поймы реки Яхромы, которая показала, что оптимизация состава комплекса позволяет снизить приведенные затраты на погонный метр закрытой оросительной сети с 864,9 до 750,3 рублей.
8. Предложена экономико-математическая модель для определения приведенных затрат в зависимости от объемов строительства, которая для рекомендуемого комплекса имеет вид: ЗП =(СЭ+СР)(0,09+1,348/L). Результаты исследования реализованы в программно-вычислительном комплексе «ЗОС: Яхрома-1.0».
9. Внедрение полученных результатов позволит снизить затраты при выполнении запланированных работ по строительству и реконструкции закрытой оросительной сети сельхозугодий поймы реки Яхромы на 2,16 млн. рублей и сократить сроки выполнения работ на 27 рабочих смен.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах (курсивом выделены работы, опубликованные в изданиях перечня ВАК РФ):
1. Подхватилин, И.М. Оценка эффективности функционирования средств технологического оснащения АПК [Текст] / А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин // Природообустройство: науч.-практ. журн.– 2013.– №2.– С.86-89.– ISSN 1997-6011.
2. Подхватилин, И.М. Возможности имитационного моделирования в механизации процессов мелиоративного строительства [Текст] / И.М. Подхватилин, В.А. Евграфов, А.И. Новиченко // Международный научный журнал.– 2013.– №3.– С.88-92.– ISSN 1995-4638.
3. Подхватилин, И.М. Применение методов имитационного моделирования при оптимизации состава технологических комплексов в природообустройстве [Текст] / В.А. Евграфов, А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин, В.И. Горностаев, А.В. Шкиленко // Образование. Наука. Научные кадры: науч.-практ. журн.– 2013.– №3.– ISSN 2073-3305 (в печати).
4. Подхватилин, И.М. К вопросу оценки качества технологического оборудования предприятий [Текст] / А.И. Новиченко, М.Н. Шолохов, И.М. Подхватилин // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики / Естественные и технические науки: науч.-практ. журн.– 2012.– №12.– С.45-50.– ISSN 2223-2966.
5. Подхватилин, И.М. Оценка качества технологических машин и оборудования [Текст] / А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин // Отраслевые аспекты технических наук: науч.-практ. журн.– 2012.– №12.– С.37-39.– ISSN 2221-2507.
6. Подхватилин, И.М. Формирование технологического комплекса машин в мели оративном строительстве с помощью имитационного моделирования [Текст] / И.М. Подхватилин, А.И. Новиченко, В.А. Евграфов, А.В. Шкиленко, В.И. Горностаев // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики / Естественные и технические науки: науч.-практ. журн.– 2013.– ISSN 2223-2966 (в печати).
7. Подхватилин, И.М. Применение методов имитационного моделирования при решении оптимизационных задач в механизации мелиоративного строительства [Текст] / С.Н. Насонов, А.И. Новиченко, И.М. Подхватилин, В.И. Горностаев // Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем: Сб. материалов Международной науч.-практ. конференции.– М.: МГУП, 2013 (в печати).