Оптимизация ресурсосберегающих процессов на уборке, товарной обработке и реализации пасленовых овощей

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ Михаил Николаевич ОПТИМИЗАЦИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ НА УБОРКЕ, ТОВАРНОЙ ОБРАБОТКЕ И РЕАЛИЗАЦИИ ПАСЛЕНОВЫХ ОВОЩЕЙ Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Краснодар – 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (КубГАУ) Научный консультант – доктор технических наук, профессор Трубилин Евгений Иванович академик РАСХН, Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Липкович Эдуард Иосифович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цымбал Александр Андреевич доктор технических наук, профессор Плешаков Вадим Николаевич ГНУ "Всероссийский научно-исследовательский Ведущая организация и проектно-технологический институт механи зации и электрификации сельского хозяйства" (ВНИПТИМЭСХ), г. Зерноград

Защита состоится « 29 » октября 2008 г. в 10 00 часов на заседании дис сертационного совета Д 220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государствен ный аграрный университет» (КубГАУ) по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Ка линина 13, корпус факультета электрификации, ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «_» _ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор С.В. Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Пасленовые овощи (сладкий перец, баклажа ны и томаты) представляют высокую ценность в питании человека, т.к. содер жат полезные для организма физиологически активные вещества. Однако их потребление далеко не отвечает требованиям научно обоснованных норм.

За последние годы на Кубани и в целом по стране значительно сократи лось производство овощей из-за дефицита рабочих рук и высокой стоимости уборочной техники, несмотря на их огромное значение в питании. Производст во овощей сейчас не превышает 70 % нормы потребления.

В нашей стране и за рубежом разработаны способы и средства механи зации многоразовой уборки томатов, сладкого перца и баклажанов, внедрение которых обеспечивает повышение производительности труда в 8…9 раз по сравнению с ручной уборкой, увеличение урожайности плодов и снижение де нежно-материальных средств в 3…4 раза. Разработаны также основы расчетов и проектирования планетарных плодоотделителей и машин для многоразовой уборки овощей с учетом особенностей сортов овощных культур и их морфоло гических особенностей.

Вместе с тем, в современных условиях разработанные машины не нахо дят широкого применения в производстве, так как они рассчитаны на стабиль ные условия производства и слабо приспособлены к неустойчивым условиям функционирования машин в период нестабильных рыночных отношений в сельском хозяйстве. Применение только ручной уборки овощей отрицательно сказывается на показателях урожайности, рентабельности производства и не позволяет рационально вести их воспроизводство.

Широко применяемые в настоящее время технологии уборки – это руч ной многоразовый сбор урожая по мере созревания плодов с затариванием их в ящики или контейнеры, а также частично механизированный сбор плодов с ис пользованием транспортера ТПШ – 25 также с затариванием в контейнеры.

К причинам, сдерживающим широкое внедрение в производство ма шинных технологий уборки овощных культур, можно отнести отсутствие науч но обоснованной концепции создания ресурсосберегающей, экологически безопасной технологии уборки и реализации пасленовых овощей на базе мно говариантной машины, адаптированной к изменяющимся условиям эксплуата ции с учетом многоразовой уборки, а также научно-методических основ повы шения эффективности всех звеньев технологической цепи заготовки, хранения и реализации овощей путем моделирования и оптимизации всех производст венных процессов, что представляет актуальную научную проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной те матикой ФГОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет" на 2001…2005 и 2006…2010 гг. (ГР № 01200113467 и ГР № 01.2006.06833), в рам ках которой автор являлся ее руководителем и ответственным исполнителем.

Цель работы – на основе многоуровневого системного подхода обосно вать ресурсосберегающие параметры и режимы работы технических средств для уборки, транспортировки, приемки, товарной обработки и реализации в торговой сети пасленовых овощей.

Объект исследования – ресурсосберегающие процессы уборки, транс портировки, приема, сортировки, временного хранения и реализации овощей.

Предмет исследования – закономерности ресурсосберегающих процес сов уборки, транспортировки, приема, сортировки, временного хранения и реа лизации плодов пасленовых овощей в зависимости от изменяющихся условий функционирования машин технологического комплекса.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены на ос нове многоуровневого системного подхода с использованием взаимосвязанных критериев ресурсосбережения при учете вероятностного характера действую щих факторов и адаптации уборочных машин к изменяющимся условиям их функционирования.

Полевые исследования и производственная проверка перцеубороч ной машины проводились в соответствии с действующими рекомендациями и утвержденными методиками.

Экологическая безопасность технологии обосновывалась методами гео метрического программирования.

Обработка экспериментальных данных проводилась методами матема тической статистики и с использованием компьютерных программ.

Научную новизну представляют:

- концепция создания экологически безопасной, ресурсосберегающей технологии уборки пасленовых овощей;

- научные основы математического моделирования производственных процессов уборки пасленовых овощей, их транспортировки, приемки, товарной обработки и реализации;

- разработанная математическая модель оптимизации параметров и ре жимов работы перцеуборочной машины по критерию ресурсосбережения сово купных затрат энергии;

- зависимости основных показателей функционирования системы массо вого обслуживания (СМО) от условий работы уборочных и транспортных агре гатов на заготовке сладкого перца с учетом площади обслуживаемой планта ции;

- оптимальный ресурсосберегающий режим работы всей системы заго товки и реализации урожая пасленовых овощей;

- оптимизация сроков уборки сладкого перца.

Новизна технических решений подтверждена патентом на изобретение и пятью свидетельствами Роспатента на компьютерные программы.

Практическую значимость имеют:

- экологически безопасная ресурсосберегающая машинная технология многоразовой уборки пасленовых овощей;

- оптимальные параметры и режим работы перцеуборочной машины, транспортного агрегата, пункта приемки, товарной обработки и реализации урожая, режим работы звена технического обслуживания и полевого ремонта;

- параметры уплотнения почвы уборочным агрегатом в зависимости от способов движения и ширины его захвата;

- оптимальная продолжительность уборки сладкого перца и его сохран ности.

Предложены на уровне изобретений два новых способа уборки паслено вых овощей с использованием складывающихся контейнеров и получением ка чественных семян и дополнительного гомогенного пищевого продукта.

Реализация результатов исследований. Материалы диссертации до ложены и одобрены НТС департамента сельского хозяйства и перерабатываю щей промышленности Краснодарского края и рекомендованы к внедрению в производство.

Министерством сельского хозяйства России утверждены исходные тре бования к многоразовой машинной технологии уборки сладкого перца и перце уборочной машине, а результаты исследований рекомендованы к использова нию в учебном процессе аграрных вузов страны.

Макетный образец перцеуборочной машины внедрен в СПК племзавод «Россия» Красноармейского района Краснодарского края.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях КубГАУ, ВИМ, РосНИИТиМ, УГАУ в 2005…2007 гг., в Краснодарском НИИ овощного и картофельного хо зяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 325 стра ницах компьютерного набора и состоит из введения, пяти разделов, общих вы водов и предложений, списка использованных источников из 214 наименова ний, в том числе на иностранном языке – 21. В диссертации содержится рисунков и 20 таблиц. Приложение включает 53 стр.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 30 научных ра ботах, в т.ч. в монографии объемом 178 стр. и рекомендациях производству на 27 стр., 15 работ опубликованы в ведущих журналах и изданиях, рекомендо ванных ВАК Минобразования и науки РФ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Научная концепция создания ресурсосберегающей экономически и экологически эффективной технологии многоразовой уборки пасленовых ово щей и их реализации.

2. Научно-методические основы многоуровневого системного подхода оптимизации сроков уборки, производственных процессов заготовки и реализа ции урожая пасленовых овощей с обеспечением технического сервиса.

3. Использование в качестве критерия оптимизации минимума затрат совокупной энергии на всех уровнях иерархической схемы производства и реа лизации овощей, структуры этих затрат и вариантов использования уборочной машины.

4. Закономерности изменения конструктивных, технологических и тех нико-экономических показателей перцеуборочной машины в зависимости от изменяющихся условий функционирования.

5. Ресурсосберегающая, экологически безопасная технология многоразовой уборки пасленовых овощей (на примере сладкого перца) и пара метры предлагаемой технологии.

6. Биоэнергетическая и экономическая эффективности предлагаемой технологии многоразовой уборки и реализации сладкого перца. Закономерно сти коэффициента биоэнергетической эффективности и совокупных затрат энергии от захвата уборочной машины.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность профес сорам КубГАУ Е. И. Трубилину, В. А. Абликову, Р. А. Гиш и инженеру Кос тылеву С. И. за помощь в проведении отдельных совместных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе диссертации «Состояние вопроса и задачи исследо ваний» проведен анализ применяемых технологий уборки овощей и их теоре тических основ.

Для обоснования технологии уборки, транспортировки, хранения и реа лизации продукции с использованием современных методов исследования наи более применим многоуровневый системный подход, поскольку в общем ком плексе указанных работ одновременно участвуют множество разнотипных убо рочных, погрузочных, транспортных средств, а также средств для хранения, пе реработки и реализации урожая. Эффективное функционирование перечислен ных технических средств невозможно без применения современных методов моделирования и оптимизации сложных производственных процессов с учетом критерия ресурсосбережения.

Актуальность рассматриваемой проблемы подчеркивает тот факт, что в настоящее время еще не разработан подобный многоуровневый подход для многоразовой уборки пасленовых овощей. Особенность последних в том, что они трудно поддаются механизированной уборке, сильно повреждаются, при уборке созревших плодов не допускается обрыв и повреждение недозрелых, уборочный процесс имеет жесткую связь с транспортировкой, временным хра нением и переработкой продукции, а также ее реализацией на рынке.

Таким образом для решения задач, связанных с поставленной пробле мой, необходимо усовершенствовать известный многоуровневый системный подход.

Дело в том, что половина и даже больше валового объема производства овощей производится сейчас частным сектором, имеющим небольшие поля и самые разные условия уборки. В этой связи уборочная машина должна быть адаптирована ко всем условиям уборки как в малых индивидуальных и фермер ских хозяйствах, так и в крупных специализированных. Обосновать оптималь ные варианты ресурсосберегающих технологий уборки пасленовых овощей яв ляется одной из задач работы.

Теоретические основы использования техники при поточном выполне нии производственных процессов разработаны Бурьяновым А.И., Веденяпиным Г.В., Дидманидзе О.Н., Жалниным Э.В., Завалишиным Ф.С., Зангиевым А.А., Иофиновым С.А., Киртбая Ю.К., Краснощековым Н.В., Липковичем Э.И., Цымбалом А.А., Левшиным А.А., Рунчевым М.С., Скороходовым А.Н., Плеша ковым В.Н., Табашниковым А.Т. и др. учеными. Ими на основе методов мате матического анализа и оптимизации рассмотрена высокопроизводительная взаимосвязанная работа большого количества разнотипных средств при изме няющихся условиях работы на уборке зерновых, чая, фруктов, кормовых и дру гих культур. Однако пока еще не разработаны эффективные методы моделиро вания взаимосвязанных процессов механизированной заготовки и реализации пасленовых овощей с учетом природно-производственных условий Краснодар ского края по критерию минимума затрат совокупной энергии.

С учетом изложенного и в соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать научную концепцию создания ресурсосберегающей эко логически безопасной машинной технологии многоразовой уборки пасленовых овощей.

2. Разработать научные основы моделирования и оптимизации работы уборочных, транспортных средств на примере технологии уборки сладкого перца, его транспортировки, сортировки, хранения и реализации плодов.

3. С учетом вероятностного характера изменения внешних факторов и разработанных математических моделей обосновать оптимальные конструк тивные и режимные параметры перцеуборочной машины, а также ресурсосбе регающий режим работы всей системы сбора урожая, транспортировки, прие ма, сортировки, временного хранения и реализации в торговой сети.

4. С использованием в качестве критерия оптимизации минимума затрат совокупной энергии обосновать варианты использования уборочной машины (на примере сладкого перца), структуру совокупных затрат энергии и разрабо тать новые способы уборки с учетом экологических и экономических требова ний.

5. Модернизировать конструкцию перцеуборочной машины с учетом оп тимизации ее параметров и режимов работы.

6. Обосновать зависимости основных показателей функционирования системы массового обслуживания от условий работы уборочных и транспорт ных агрегатов в пределах производственной бригады или звена.

7. Обосновать оптимальную продолжительность уборки сладкого перца.

8. Обосновать оптимальный состав уборочно-транспортного звена в перцеуборочных машинах.

9. Обосновать закономерности коэффициента биоэнергетической эффек тивности технологии уборки сладкого перца и совокупных затрат энергии от ширины захвата перцеуборочной машины.

10. Провести производственную проверку разработанных технологиче ских схем уборки и определить их биоэнергетическую и экономическую эф фективность.

Во втором разделе диссертации «Теоретические основы повышения эффективности производственных процессов по уборке и реализации овощей» предложена научная концепция создания ресурсосберегающей экологически безопасной машинной технологии многоразовой уборки пасленовых овощей.

Высокая окупаемость используемых ресурсов за счет новых машинных техно логий с учетом экологических требований и повышения плодородия почвы яв ляется важной стратегической задачей. Применительно к машинной технологии уборки пасленовых овощей указанная проблема также имеет высокую акту альность с целью увеличения производства конкурентоспособной овощной продукции.

Проблема создания эффективной машинной технологии уборки овощей имеет свои особенности, указанные ранее. Затраты труда на уборку томатов, сладкого перца и баклажан составляют 80…90% от общих затрат на их произ водство. Нехватка рабочей силы для ручной уборки и высокая стоимость убо рочной техники являются основными причинами сокращения валового произ водства овощей и снижения конкурентоспособности продукции.

В каждом блоке концептуальной схемы создания машинной технологии (рисунок 1) представлены ресурсосберегающие, адаптивные, экологические и экономические аспекты, выполнение которых позволит разработать эффектив ную технологию. Согласно предложенной схеме ресурсосбережение разрабо танной технологии будет обеспечено за счет новых рабочих органов техниче ских средств, снижения потребности в рабочей силе, эксплуатационных затрат и потерь урожая, повышения надежности и производительности машин.

Одной из основных задач наших исследований является разработка эф фективных методов моделирования взаимосвязанных процессов.

На базе принципов системного подхода нами разработана структурная схема иерархии решения проблемы уборки, транспортировки, приемки и товар ной обработки урожая овощей, а также их реализации в торговой сети (рисунок 2) на примере сладкого перца.

На первом уровне иерархии необходимо выполнить обоснование опти мальных сроков созревания сладкого перца от начала созревания до техниче ской спелости в зависимости от различных групп сортотипов и производствен ных условий, для которых принято обобщенное обозначение Фсозр. На этом уровне требуется выбрать такую фазу созревания плодов, при которой нараста ние их массы будет максимальным (рисунок 3).

Второй уровень иерархии предусматривает обоснование общего опти мального числа перцеуборочных машин (NM), тракторов NTР производственной площади приемного цеха продукции FПP, их оптимальных параметров и режима работы. Критерий оптимизации на этом уровне должен обеспечить минимум затрат совокупной энергии (Эmin) на процессы уборки сладкого перца, транс портировки урожая на пункт временного хранения и товарной обработки. Тех нологический процесс уборки сладкого перца рассматривается как замкнутая система массового обслуживания с ожиданием.

Третий уровень исследования предусматривает оптимизацию режима работы приемного пункта, куда доставляется перец транспортными средствами. Основным критерием ресурсосбережения на этом уровне служит минимум совокупных затрат энергии ЭПОМ на процессы приемки товарной обработки и отправки урожая на реализацию с учетом площади плантации. В качестве вспомогательных критериев оптимальности возможно использование минимума времени ожидания ТОЖ транспортных средств в Ресурсосбережение Адаптация ГСМ, ме- рабо- к при- к орга- учет тре- к составу и спосо Ресурсосберегающая средств чей родным низаци- бований к бам использования талла экологически безопасная химиза услови- онным выполне- технологических и силы технология многоразовой ции, ям условиям нию работ технических средств уборки пасленовых ово семян щей Оптимизация экс Многовариант ность техноло- плуатационно гических схем технологических параметров в зави машин симости от условий работы Экологическая безопасность Экономические аспекты давление отсутст- выброс вред- уровень запыленность сниже- снижение окупае степень снижение вие потерь ние за- потерь про на почву в ных газов шума и вредные вы- мость риска эксплуата ГСМ и ра- трат дукции и соответ- энергетиче- бросы от ма- инве- проекта 85 ДБА ционных бочих труда в повышение ствии с ским моду- шины на рабо- сти- 10% затрат в ГОСТ лем в соот- чем месте опе- 10…15 ций жидкостей ее качества 3…4 раза ветствии с ратора соотв. 3,5 го 26-955-86 раз ГОСТ норме да 17.22.05- Рисунок 1– Концептуальная схема создания машинной технологии многоразовой уборки пасленовых овощей.

очереди для разгрузки урожая от комбайнов и для погрузки на реализацию по сле сортировки. В качестве основных результатов оптимизации на этом уровне являются режим работы приемного пункта Рпр по требуемой интенсивности opt обслуживания и потребное число мест машин nТТ opt для ожиданий прибываю щих транспортных средств.

На четвертом уровне оптимизируется режим работы предприятий торговли (торговых точек) по реализации урожая сладкого перца. В качестве критерия оптимальности здесь принимается минимум суммы СРП затрат торговых точек, связанных с их содержанием, а также с возможными потерями в связи с ухудшением качества продаваемого товара из-за длительного пребывания на хранении до реализации.

На пятом уровне предусматривается обоснование рационального режима работы системы технического обслуживания и устранения отказов средств ме ханизации уборки, транспортировки и сортировки урожая. В данном случае предлагается обслуживание машин и агрегатов в масштабах одного хозяйства.

От всех машин и агрегатов, участвующих в производственных процессах убор ки и реализации сладкого перца, исходит пуассоновский поток требований на техническое обслуживание (ТО) и устранение отказов. Задача пятого уровня состоит в том, чтобы обосновать методами теории массового обслуживания ра циональный режим работы соответствующих средств обслуживания.

На шестом уровне иерархии рассчитывают итоговые показатели по всем производственным процессам уборки, транспортировки, товарной обработки, временному хранению и реализации урожая сладкого перца, а также специали зированного звена ТО и ремонта машин. При этом определяют совокупные энергозатраты, затраты труда, денежных средств и прибыль.

На заключительном седьмом уровне определяют коэффициент (Kб) биоэнергетической эффективности всех процессов заготовки и реализации сладкого перца.

В соответствии со структурной схемой иерархии решения проблемы заго товки и реализации овощей на первом уровне необходимо обосновать оптималь ные сроки созревания сладкого перца от его начала до технологической Ф созр max, МДж Эн 1 max, Р/га Cр nopt плод. (Fопт) Допт 2 min, МДж/т Э min NM Fпр Nтр 3 Tож min Эпом min Рпр opt nтт opt 4 С рп min Tожп min Ктт Обоснование режима работы специализиро 5 ванного звена ТО и ремонта t Оптимальные параметры машин, приемного и торгового пунктов, режима работы.

Совокупные энергозатраты, затраты труда и денежных средств. Прибыль.

Э Зтр Кб max 7 Коэффициент биоэнергетической эффектив ности (Кб) производственных процессов Рисунок 2 – Структурная схема иерархии решения задач.

спелости в зависимости от различных групп сортотипов и производственных ус ловий. На этом уровне требуется выбрать такую фазу созревания плодов, при ко торой нарастание их массы (q) будет максимальным (рисунок 3).

Сроки созревания, дней Рисунок 3 – Зависимость нарастания массы q плодов сладкого перца для различных групп сортотипов от сроков созревания (х).

Используя результаты исследований профессора КубГАУ Р.А. Гиш, мы по лучили зависимости нарастания массы плода q сладкого перца от сроков созрева ния для различных групп сортотипов (рисунок 3). Как следует из представленных на рисунке 3 зависимостей, максимальное нарастание массы плода имеет место на 65-й день, затем она снижается. Это и учитывалось при обосновании оптимальной продолжительности уборки перца.

Целевая функция разработанной математической модели оптимизации всех производственных процессов на уборке, транспортировке, товарной обра ботке и реализации овощей имеет вид:

min, (1) ЭПП (Э Эпр Э ру ЭТО ) где: ЭПП – суммарные совокупные затраты энергии всех производственных процессов заготовки и реализации овощей, МДж;

Э, Эпр, Эру, ЭТО – совокупные затраты энергии, соответственно, на процессы уборки и транспортировки уро жая, приемки, товарной обработки и отправке его на реализацию, реализацию в торговых точках, на техническое обслуживание и устранение отказов техники и оборудования, МДж.

В свою очередь Э определяют по формуле:

min, (2) Э (Эку ЭТру ЭПОМ ) F U где: Эку, ЭТру, ЭПОМ – энергозатраты, соответственно, комбайновой уборки транспортировки урожая, товарной обработки овощей, МДж;

F – уборочная площадь, га;

U – урожайность овощей, т/га.

После преобразований с учетом полученных зависимостей Эку, ЭТру, ЭПОМ формула (2) примет вид:

1,26 nТр 2,35 nк FПОМ к Тр Э (Э f Эxx ЭТП Эок Эмо ЭТр ЭоТр Эмо 20,16 ) min,(3) Wк WчТр f га к где: Эf, Эxx, ЭТП, Эок, Эмо – энергозатраты, соответственно, на перекатывание уборочного агрегата, на холостой ход, на технологический процесс, овеществ ленные затраты энергии на использование топлива, на производство и обслу Тр живание машин, МДж;

ЭТр, Эотр, Эмо – энергозатраты, соответственно, транс портного агрегата, на использование топлива, на производство и обслуживание транспортного агрегата, МДж;

nк, nТр – потребное количество, соответственно, комбайнов и тракторов;

fа – энергетический эквивалент, МДж/м2;

FПОМ – площадь помещения для товарной обработки овощей, м2.

Производительность комбайна для обработки пасленовых овощей Wк рассчитывается по известной формуле.

Коэффициент биоэнергетической эффективности Кб производственных процессов рассчитывали по формуле:

Кб = 0,9Эн/ЭПП max, (4) где: Эн – накопленная энергия в убранном урожае овощей, МДж.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследова ний» в соответствии с поставленными задачами программой предусматривалось:

обобщение статистических данных по овощеводству в условиях Краснодарского края;

определение основных факторов, характеризующих природно производственные условия возделывания овощных культур;

изучение основных биологических и технологических характеристик плантаций сладкого перца;

про ведение хронометрических наблюдений за работой уборочно-транспортных звеньев;

эксплуатационно-технологическая оценка работы перцеуборочной ма шины;

выполнение экспериментальных исследований по оценке масштабности и интенсивности уплотнения почвы ходовыми системами перцеуборочной машины с различной шириной ее захвата (экологической безопасности технологий);

опре деление зависимости массы перцеуборочной машины от ее ширины захвата и времени выгрузки урожая из бункера от его вместимости;

проведение хрономет ражных наблюдений за работой пункта приемки и товарной обработки сладкого перца, транспортировки его на пункты реализации и за работой торговых точек овощной продукцией;

определение технико-экономических показателей работы технических средств для уборки, транспортировки, сортировки плодов перца, а также пунктов приемки и реализации урожая.

Машинная технология многоразовой уборки сладкого перца разработана и внедрена на базе СПК «Племзавод-колхоз «Россия» (СПК «Россия») Красноар мейского района Краснодарского края.

Хозяйство СПК «Россия» располагает наличием плодородной пашни для возделывания овощных культур, в том числе и пасленовых. Общая площадь пашни, занятая под овощными культурами, составляет 50 га, в том числе под сладким перцем – 2 га. Наиболее распространены сорта сладкого перца – без рассадные: «Подарок Молдовы» и «Калифорнийское чудо».

Для проведения экспериментальных исследований технологии уборки использовалась 3-рядная перцеуборочная машина (рис.4).

Предусмотренные программой исследований все виды оценок машин и условий их работы производились в соответствии с действующими стандар тами.

Рисунок 4 – Перцеуборочная машина: многовальцовый планетарный плодоотделитель – 1;

редуктор – 2;

рама – 3;

маслобак – 4;

гидромотор – 5;

транспортер – 6;

поперечный транспортер – 7;

наклонный транспортер – 8;

рамка – 9;

колесо – 10;

бункер – 11;

гидроцилиндр – 12;

гидроцилиндр бункера – 13;

площадка управления – 14;

пульт управления – 15;

штурвал управления – 16;

приводной механизм – 17;

трактор – 18;

гидродвигатель – 19;

ВОМ тракто ра – 20;

рядок растения – 21;

стеблеподъемник – 22;

валец плодоотделителя – 23;

планетарный редуктор – 24;

рама – 25.

Биоэнергетическая и экономическая оценка технологий уборки выполнены по известным методикам. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов аппроксимации и математической статистики.

В четвертом разделе диссертации «Результаты теоретических и экспе риментальных исследований» изложены закономерности процессов созревания, уборки и хранения овощей на примере сладкого перца, условий работы перце уборочной машины;

обоснована оптимальная потребность в уборочной технике по критерию совокупных затрат энергии, а также оптимальные режимы работы пунктов приемки, товарной обработки и реализации урожая.

С целью обоснования потребности в уборочной технике для многора зовой уборки сладкого перца необходимо было изучить объемы производства овощей по зонам Краснодарского края в коллективных и частных (фермер ских) хозяйствах, динамику нарастания массы сладкого перца, распределения урожайности по месяцам, зависимость массы сорванных плодов от их коли чества на кусте, установить закон распределения продолжительности созре вания плодов до технической спелости (период между смежными сборами), оптимальную продолжительность уборки, зависимость денежной выручки от реализации продукции с учетом ее количества и качества, а также сохранности сладкого перца от продолжительности его хранения.

На рисунке 5 представлена динамика урожайности (U), посевных пло щадей (F) и валовых сборов овощей (Q) в коллективных хозяйствах Красно дарского края за последние годы.

Как следует из представленных данных, за последние 5 лет в коллек тивных хозяйствах края значительно сократились посевы и валовые сборы овощей, в том числе и пасленовых. За период 2002...2005 гг. эти объемы снизи лись в 2...5 раз по отдельным годам. Аналогичная ситуация имеет место и по урожайности. Увеличение названных показателей хотя бы до уровня 1990 года возможно только благодаря механизации уборочных работ за счет сокращения трудовых и денежных затрат.

На основании оптимизации уборочно-транспортного и заготови тельного процесса сладкого перца по разработанной модели нами обоснованы оптимальные параметры перцеуборочной машины и режим ее работы. Для всего диапазона условий эксплуатации оптимальная ширина ВР захвата ма шины составила 2,1 м, вместимость бункера 3 м 3, рабочая скорость агрегата 2,05 км/ч. Минимум критерия оптимизации - совокупные затраты энергии на процессы уборки, транспортировки, приемки и товарной обработки урожая - составил 940,5 МДж/т.

Рисунок 5 – Динамика урожайности, площадей и валовых сборов овощей по Краснодарскому краю.

На рис. 6 представлена зависимость критерия оптимизации Э от урожай ности U сладкого перца и емкости VБ бункера уборочной машины. Как следует из представленной зависимости, оптимум всего процесса уборки урожая, транспортировки, приемки и его сортировки приходится на вместимость бунке ра машины 3 м3 и урожайность перца 10 т/га при Вр = 2,1 м. Существенно воз растает энергоемкость процессов при урожайности перца 12 т с 1 га. Если при вместимости бункера 3 м3 для оптимальной урожайности 10 т/га затраты энер гии составляют 940,5 МДж/т, то при урожайности 12 т с 1 га они увеличились до 1104,9 или 1,2 раза, а при урожайности 8 т с 1 га - до 952,8 МДж/т. По срав нению с вместимостью бункера 2 м3, установленной на опытном образце пер цеуборочной машины, энергоемкость с оптимальным бункером снижается в 1, раза при урожайности 8 т с 1 га и в 1,2 раза при урожайности 12 т с 1 га. Убо рочная машина с оптимальной вместимостью бункера 3 м3 снижает энергоза траты по сравнению с бункером 5 м3 при урожайности 12 т с 1 га в 1,4 раза (рис. 6).

При вместимости бункера 1 м3 и урожайности 12 т с 1 га энергозатраты возрастают также в 1,2 раза по сравнению с оптимальной.

Рисунок 6 – Зависимость критерия Э оптимизации от урожайности U и вместимости Vб бункера уборочной машины.

Таким образом, для машинной уборки сладкого перца минимум критерия оптимизации имеет место при ширине захвата машины 2,1 м, вместимости бункера – 3 м3, рабочей скорости движения агрегата 2,05 км/ч и урожайности перца 10 т с 1 га.

В соответствии с разработанной математической моделью по критерию минимум затрат совокупной энергии в теоретической части диссертации, оп ределено оптимальное количество перцеуборочных машин и транспортных средств для перевозки урожая в зависимости от условий уборки (урожайность, уборочная площадь, длина гона, расстояние переездов, плотность вороха, ши рина захвата машины, емкость бункера). Получены зависимости потребного количества технических средств и эксплуатационных показателей работы ма шин, критерия оптимизации и его составляющих от конструктивных, режим ных параметров и условий эксплуатации, построены номограммы их взаимо действия и взаимосвязей с целью практического использования.

Главным эксплуатационным параметром в разработанной математиче ской модели оптимизации уборочно-транспортного и заготовительного про цесса овощных культур (на примере сладкого перца) являются производитель ность перцеуборочной машины и транспортного средства для перевозки урожая от машины на приемный пункт.

Расчет производительности машины ( Wк ) проводился по известной формуле, но основной отличительной особенностью в ней является полученная нами зависимость (5) коэффициента использования сменного времени от ус ловий эксплуатации (длины гона L, урожайности U и плотности вороха ), кон структивных параметров перцеуборочной машины (ширины захвата Вр, емко сти бункера Vр) и режима работы (р – рабочая скорость агрегата):

0,0014 L. (5) 0,006 L U B р р 0,02 L 0,05 р 8000 Vб Анализ перечисленных входных факторов модели и выходных откли ков позволил получить объективную оценку технологических процессов ме ханизированной многоразовой уборки сладкого перца и транспортировки урожая с поля на пункт приемки и товарной обработки.

На рисунках 7 и 8 представлены зависимости часовой производитель ности перцеуборочной машины Wк и транспортного средства Wчтр.

Рисунок 7 – Зависимость Wк от Vб и U.

Рисунок 8 – Зависимость Wч тр от Vб и U.

Перцеуборочная машина и тракторный прицеп агрегатируется с трак тором МТЗ–80.

На основании полученных результатов по моделированию уборочно транспортного и заготовительного процесса для сладкого перца были разра ботаны номограммы для организации производственных процессов в зави симости от изменяющихся условий работы (размеров полей, урожайности, количества перцеуборочных машин, расстояний переездов, суточного темпа уборки, плотности вороха и др.). Используя разработанные алгоритмы и компьютерные программы, можно для любых условий работы обосновать оптимальный производственный процесс уборки для других овощных куль тур, а также получить зависимости требуемого количества транспортных средств от количества уборочных машин, затрат совокупной энергии от применяемого комплекса машин и условий уборки.

Полученные результаты оптимизации позволяют обосновать ресурсос берегающее направление повышения эффективности взаимосвязанной работы приемных пунктов и транспортных средств.

Для существующих приемных пунктов нами установлены плотность потока транспортных средств при уборке сладкого перца, количество мест m для ожидания, а также соотношения n и т, характеризующие величину по терь от простоев приемного пункта и транспортных средств. По оптимально му значению opt при С п min (рисунок 9) с учетом плотности потока требований можно определить оптимальную интенсивность обслуживаний opt.

Рисунок 9 – Зависимость Сп, Рпо, nТо, Ротк, Тож от для приемного пункта (m = 4;

п = 0,65;

т = 0,35).

При количестве мест для ожидания транспортных средств m = 4, плотности потока = 6, а также n = 0,65, т = 0,35 имеем opt = 0,40. При этом для работы приемного пункта в оптимальном режиме с наименьшими затрата ми С п min необходима интенсивность обслуживания: 15 1/ч.

opt 0, opt Следовательно, если на приемный пункт для овощей прибывает за 1 час 6 транспортных средств, то интенсивность обслуживания должна составлять единиц в час. При этом вероятность простоя самого пункта составит Рпо = 0, при среднем количестве ожидающих очереди транспортных средств nТо = 0,25 и вероятности отказа Ротк = 0,6%. Среднее время ожидания каждого транспортно го средства при этом составит Тож = 2,5 мин.

Также очень низкое значение имеет вероятность отказов Ротк. Примерно одно транспортное средство получит отказ за 27 часов из общего количества транспортных средств, прибывающих на приемный пункт за это время. Тре буемое значение оптимальной интенсивности обслуживания транспортных средств opt может быть достигнуто за счет повышения производительности или увеличения количества постов.

При проектировании новых приемных пунктов для овощных культур необходимо исходить из предполагаемой плотности потока транспортных средств, оптимального значения интенсивности обслуживания opt количества мест для ожидания транспортных средств mopt, а также из соответствующих по казателей работы приемного пункта: Рпо opt, PТо opt, Pотк opt. Значения коэффици ентов п и т определяются по предполагаемой стоимости приемного пункта и транспортных средств с учетом их годовой загрузки.

Для уборки овощных культур важно снижать вероятность отказа Ротк и простоя nо транспортных средств на пункте. По нашим расчетам вероятность отказа Ротк = 0,002 и nТо = 0,05 обеспечивается при m = 6. Такому количеству мест для ожидания транспортных средств соответствует opt = 0,4.

Если взять m = 1, то вероятность простоя приемного пункта Рпо= 0, увеличится на 10 % по сравнению с Ро opt при m = 4. При этом количество про стаивающих транспортных средств nТО возрастет почти в два раза. Возрастет Ротк до 9 % и вероятность отказа в приеме транспортных средств. Сами же ми нимальные затраты С п в диапазоне m = 1…4 изменятся незначительно.

min На основе сделанных рассуждений наиболее рациональным является оп тимальное количество мест для ожидания транспортных средств в очереди mopt = 4 при opt = 0,4. По значению mopt = 4 рассчитывается потребная площадь для ожидания Fn.

Обоснован также эффективный режим работы сортировального пункта (рис. 10).

Продолжительность Тсд принимают в интервале 2…6 часов с целью ох вата всего возможного на практике диапазона изменения времени сортирова ния.

На основании выполненных расчетов нами разработана специальная номограмма для выбора эффективного режима работы сортировального пункта Рисунок 10 – Номограмма обоснования эффективного режима работы сортировального пункта.

(рис.10). В верхней его половине для всего диапазона изменения = 0,2…0, находим среднее количество ожидающих в очереди требований nо, вероятность отказа Ротк в приеме транспортных средств с овощами на пункт сортирования, вероятность простоя сортировщиков Ро из-за отсутствия овощей.

Далее как показано на рисунке 10 стрелками, для определения допусти мого значения Ротк 0,05 можно определить соответствующие значения nо = 0,78, Ро = 0,38 и = 0,68. При этих значениях nо, и Ротк получим 0,475.

Используя последнее полученное равенство () в нижней половине но мограммы для значений Тс = 2, 4, 6 ч определены потребные значения интен сивности обслуживания или сортирования (1/ч) и соответствующей суммар ной потребной производительности сортировального пункта.

На рисунке 10 показан ход решения для наиболее благоприятного до пустимого значения общего времени ожидания и сортирования Тс = 4 ч.

Анализ нижней части номограммы позволяет сделать вывод, что умень шение времени ожидания требований в очереди Тс к существенному росту по требности в сортировщиках. Если принять Тс = 2 ч, то получим Wс = nс Wс = 3980 кг/ч. Если принять предыдущее значение Wс = 220 кг/ч, то потребное ко личество сортировщиков составит nc = 18 чел, что приведет к росту затрат на сортирование овощей почти в 2 раза. Следовательно, чтобы снизить затраты, необходимо максимально возможно увеличить время сортирования овощей, снизив количество сортировщиков.

При обосновании количества и режима работы торговых точек в ка честве единичного требования удобно принять массу фруктов Q i, равной 1 т, а продолжительность рабочего дня торгового предприятия Тртт = 8 ч.

Транспортировка овощей на рынок производится крытой оборудованной машиной ГАЗ-53 грузоподъемностью 4 т. Тогда плотность вероятностного по тока требований будет иметь следующий вид:

4n тд n тд.

Т рдт Количество мест для ожидания в очереди можно принять m = 4 для раз мещения 4000 кг овощей (четырех требований). Граница эффективной работы системы массового обслуживания обеспечивается при условии Ротк 5 %. В наших расчетах она не превышает 1,25 % (рисунок 11 и таблица 1) при m = 4.

Основной задачей при работе предприятий по реализации овощей явля ется установление рациональных соотношений между плотностью пото ка требований и интенсивностью их обслуживания, при которых Рпо, Ротк, r, nз, и Тож не выходят за пределы допустимых значений.

Анализ зависимостей Ротк, nз от (рисунок 11) позволяет сделать вывод, что условию Ротк 5 % при m = 4 соответствует много сочетаний, числа заня тых постов или торговых точек nз в диапазоне n = 1…4, количества требований r, ожидающих в очереди, вероятностей Ро одновременного простоя всех постов или торговых точек, а также коэффициента простоя постов Кп.

Рисунок 11 – Зависимости Ротк, nз, Ро и..

Таким образом, самый выгодный режим работы торговых точек обеспе чивается при n = 3, = 1,5, nз = 2, Кп = 0,5, r = 0,19, Рпо= 21 % и Ротк = 0,74 %, а Тож = 0,13 ч или 7,8 мин.

На рисунке 11 представлено множество сочетаний, числа занятых постов или торговых точек.

Указанные сочетания и других показателей работы системы массового обслуживания при Ротк от 0,2 до 9,3 %, m = 4 и n = 1…4 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные сочетания показателей предприятий торговли овощей при m = Показатель работы Диапазон количества торговых точек (n) СМО n=1 n=2 n=3 n= 0,5 1,0 1,5 2, nз 0,49 0,993 1,5 1, Кп 0,88 0,75 0,64 0, 0,40 0,18 0,19 0, r Рро, % 60,0 37,0 23,4 14, Ротк, % 0,2 1,5 4,9 9, Тож 0,65 0,18 0,13 0, Анализ данных таблицы 1 позволяет сделать вывод, что наиболее эф фективным вариантом работы предприятий торговли овощами является ва риант с n = 3, то есть при количестве торговых точек, равным 3 и = 1,5.

Второй вариант при n = 2 менее эффективен, так как в этом случае су щественно меньше количество занятых мест nз, выше вероятность одновремен ного простоя всех постов или торговых точек из-за отсутствия овощей.

Четвертый вариант при n = 4 также нецелесообразен в связи с тем, что здесь выше вероятность отказов Ротк = 9,3 % вместо 4,9 в третьем варианте.

Первый вариант также должен быть отвергнут, поскольку он имеет са мую высокую вероятность простоя торговых точек из-за отсутствия овощей, количество требований, ожидающих в очереди, ( r ) и количество занятых по стов nз.

n тд Из формулы следует, что nтд =2. Если n = 3, = 1,5 (таблица 1), тогда nтд = 2 1,5 = 3. Таким образом, при плотности поступления овощей из сельхозпредприятия на торговые точки =1,5 среднее количество прибывающих на реализацию овощей, транспортных средств nтд с их массой по 3,0 т груза составит 3 единицы в день.

Требуемая интенсивность обслуживания по реализации овощей на од ной торговой точке должна составить 1, т.е. 1 тонна в день.

При продолжительности рабочего дня на торговой точке 8 ч за 1 ч тор говли необходимо реализовать 125 кг овощей.

Полученные результаты расчетов подтверждают справедливость теоре тических предпосылок, полученных в разделе 2 диссертации и позволяют вы брать оптимальный режим работы сельхозпредприятия на реализации овощей.

Количество торговых точек n для реализации овощей сокращает время ожидания, ускоряет процесс реализации, но на их содержание требуются до полнительные затраты.Нами обосновано взаимосвязанное функционирование транспортных средств и торговых точек, рассмотренное как разновидность ра зомкнутой СМО с отказами при ограниченном времени ожидания. В качестве критерия оптимальности принять минимум суммы затрат на содержание торго вых точек С ро для реализации овощей за сутки.

В качестве примера на рисунке 12 приведены результаты вычислений по критерию С ро для случая, когда на одну торговую точку за сутки поступает од но требование (1000 кг овощей). При этом в зависимости от значений 1 = 0,1;

2 = 0,2;

3 = 0,3;

4 = 0,4 получены соответственно оптимальные значения по требного количества торговых точек n.

ЦТ Здесь i – соотношение, равное, Qо Ц о где ЦТ – расходы на содержание овощной торговой точки за сутки;

Цо – реали зационная цена овощей;

Qо – количество доставленных овощей для реализации за сутки.

Из полученных данных следует, что чем больше Т и соответствующая доля затрат, приходящаяся на каждую торговую точку от общей стоимости по ступающих на реализацию овощей, тем меньше оптимальное количество торго вых точек (при минимальном значении С ро ). При всех значениях и Т следует принять n = 1.

Помимо реализации овощей через торговые точки возможна также пе реработка их в централизованных (районных) перерабатывающих цехах.

Для обоснования координат оптимального размещения централизован ного цеха переработки овощей в районе нами разработана специальная методи ка.

Рисунок 12 – Зависимости относительных затрат С ро от количества торговых точек n и.

Полученные результаты исследования позволили обосновать также ра циональный режим работы звена ТО и устранения отказов.

Плотность потока отказов обслуживаемых агрегатов на уборке овощей (1/ч) и интенсивность их устранения зависят от множества факторов. Соот ветственно и соотношение также сильно варьирует в зависимости от складывающихся в хозяйстве условий (урожайности, расстояния переездов, со стояния дорог, ремонтной базы и пр.) Разным является и количество обслужи ваемых агрегатов. В этой связи решение рассматриваемой задачи должно учи тывать весь возможный диапазон изменения и n – количества обслуживаемых агрегатов.

Анализ различных исследований по проблеме оптимизации звена ТО и устранения отказов позволил установить, что для получения приемлемого зна чения коэффициента простоя обслуживаемых агрегатов (Кп 10 %) соотноше ние должно удовлетворять условию 0,6, n 6, а вероятность простоя самого звена ТО и устранения отказов РоI 40...45о о. Принимаем также допуще ние, что вероятность безотказной работы каждого типа агрегатов, используе мых на уборке овощей, равна вероятности простоя самого звена ТО и устране ния отказов РоI.

На основании статистических данных и оптимизационных расчетов убо рочно-транспортного звена (УТЗ) в составе овощной бригады сельхозпредприя тия используется не более 6 уборочных агрегатов. Соответственно для n при мем ряд изменения n = 2…6.

Нашими расчетами установлены рациональные взаимосвязанные значе ния числа уборочных агрегатов n, вероятностей их безотказной работы, Ро (ве t об роятность простоя звена ТО) и – соотношения (рисунок 13).

t туо Задаваясь желаемым значением вероятности безотказной работы убо рочных агрегатов Р оI с учетом их технического состояния и условий уборки, легко определяется как соотношение между средней продолжительностью одного обслуживания t обс и средним значением времени между отказами, полу ченными нами на основании хронометражных данных.

Соотношение изменяется как за счет увеличения числа обслуживаю щего технического персонала, так и за счет интенсивности обслуживания (про изводительности труда).

Штриховыми линиями на рисунке 13 для желаемой вероятности безот казной работы уборочных агрегатов РоI =90 % показано, когда на ТО и устране нии отказов простаивает не более 10 уборочных агрегатов. Среднее количество простаивающих уборочных агрегатов при этом составит nо = 0,06 при n = 2;

nо = 0,03 при n = 6, то есть в пределах допустимого. Коэффициент простоя убо рочных агрегатов для указанного примера соответственно составил Кп2 = 3 % и Кп6 = 5 %, что ниже 10 %. Таким образом, на основе предложенных зависимо стей (рисунок 13) можно выбрать желаемый режим работы звена ТО и устране ния отказов с учетом конкретных условий.

Рисунок 13 – Зависимости вероятностей безотказной работы уборочных агрегатов от их количества и от соотношения.

По такой же схеме проведен анализ обслуживания транспортных средств. Основное отрицательное влияние на технологический процесс уборки овощей оказывают внезапные отказы. Звену ТО необходимо обеспечить воз можно меньшее значение коэффициента простоев Кп транспортных агрегатов ( 10 %), при этом вероятность простоев самого звена Ро также не должна быть слишком высокой.

Для механизированной уборки пасленовых овощей в зависимости от площади плантаций количество занятых на перевозке урожая транспортных средств в каждом хозяйстве не превышает 6, т.е. n 6, а соотношение варьирует в диапазоне 0,1…0,6. С учетом этих допущений и следует исходить при выборе рационального режима работы специализированного звена ТО для транспортных средств.

На рисунке 14 наглядно представлены взаимосвязи между, Кп и Ро.

В верхней части номограммы получены зависимости вероятности про стоя специализированного звена Ро от при различных значениях числа транс портных средств n.

Рисунок 14 – Номограмма для обоснования режима работы звена ТО и устранения отказов.

Нижняя часть номограммы отражает зависимости коэффициента про стоя Кп от в ожидании устранения отказа для всего интервала изменения числа n транспортных средств (n 6).

Таким образом, задаваясь согласно номограмме (см. рисунок 14) до пустимым значением коэффициента простоя Кп транспортных средств, можно определять в зависимости от их количества n требуемое соотношение.

Так, например, если принять Кп = 10 %, то для трех транспортных средств (n = 3), как показано на рисунке стрелками, получим рациональный режим работы звена ТО, обеспечивающий соотношение = 0,3. Вероятность про стоя самого звена при этом составит РоI = 38 %.

Полученные значения Кп = 10 % и Ро = 38 % вполне приемлемы для лю бого овощного хозяйства. Попытка снизить величину Кп ведет к значительному росту вероятности простоя РоI специализированного звена. Так, если снизить Кп до 5 % при том же n = 3, вероятность простоя Ро звена возрастает до 53 %, т.е. на 15 %, что недопустимо.

Полученная номограмма применима и для любых технических средств на уборке овощей, в том числе и для линий по товарной обработке ти па ЛТО-3 А.

Нами определены также значения времени простоя каждой машины в очереди t оч. Для уборочных машин оно находится в интервале 0,2... 1,0 ч, для тракторов t оч = 0,08...0,6 ч, для транспортных прицепов t оч = 0,05...0,1 ч.

Совокупные затраты энергии и коэффициент биоэнергетической эффективности производственных процессов заготовки и реализации пас леновых овощей.

Как представлено в теоретических предпосылках раздела 2 диссертации, решение о выборе оптимальной стратегии заготовки и реализации овощей не обходимо принимать по максимальному значению коэффициента биоэнерге тической эффективности Кб для сравниваемых вариантов. Величина этого ко эффициента определяется как отношение накопленной энергии в убранном урожае к суммарным совокупным затратам энергии всех производственных процессов на уборке, транспортировке, приемке, товарной обработке и реали зации овощей. Эти суммарные совокупные ЭПП рассчитываются на шестом уров не иерархии.

Таким образом, с помощью предлагаемого подхода решается проблема обоснования сложных производственных процессов уборки и реализации ово щей по единому критерию оптимизации- коэффициенту биоэнергетической эффективности. Варианты сравниваемых технологий по критерию Кб принима лись нами для специфических природно-производственных условий овощевод ства в Краснодарском крае (тип почв, урожай, размеры плантаций, орошение и др.) Рассмотрим на примере четырех вариантов сочетания производствен ных процессов уборки и реализации выбор оптимального по критерию ресур сосбережения.

Сравниваемые варианты технологий (таблица 2) отличаются составом технологического комплекса машин и урожайностью овощей. Состав комплек са машин включает перцеубороные машины различной ширины захвата - от 0, до 2,1 м (оптимальный вариант МПБ-3), транспортные агрегаты для перевозки урожая (МТЗ-80+2ПТС-4), пункт приемки, сортировки и упаковки овощей, звено технического обслуживания и устранения неисправностей, торговые точки для реализации урожая (ГАЗ-53А). Первый и второй варианты техноло гий отличаются уровнем урожайности овощей (10 и 12 т с 1 га).

Коэффициент биоэнергетической эффективности Кб рассчитываем по известной формуле как отношение величины энергии, накопленной в самом растении, к величине энергии, затраченной на уборку, транспортировку, при емку, сортировку, упаковку и реализацию урожая на торговых точках.

Анализ данных, приведенных в таблице 2, позволяет установить, что совокупные затраты энергии ГДж/га возрастают с увеличением урожайности сладкого перца и уменьшением ширины захвата машины для многоразовой его уборки. Так, для трехрядной МПБ-3 удельные затраты совокупной энергии составляют 10,4 ГДж/га при урожайности 10 т/га и уже 12,5 ГДж/га при уро жайности 12 т/га. Значение коэффициента биоэнергетической эффективности для этих вариантов одинаково Кб = 1,13. Объясняется это тем, что величина энергии, накопленной в урожае сладкого перца (Эу = 11,7 ГДж/га) при урожай ности 10 т/га меньше, чем при урожайности 12 т/га (Эу =14,1 ГДж/га), но с увеличением убираемого урожая растут затраты энергии на уборку, транспор тировку и другие производственные процессы. Поэтому увеличение накоп ленной энергии на 17 % при росте урожайности с 10 до 12 т/га не компенсиру ет рост затрат совокупной энергии на уборку и реализацию урожая, величина которых увеличивается с 10,4 до 12,5 МДж/га, т.е. тоже на 17 %.

Таблица 2 – Совокупные затраты энергии и критерий оптимизации Кб по вариантам технологий заготовки и реализации сладкого перца Совокупные за- Коэффициент био- Кб в % к Вариант траты энергии, энергетической варианту технологии ГДж/га эффективности Кб с МПБ- 1–Уборка МПБ-3+2ПТС4+ приемный пункт+ГАЗ+53А+ 10,4 1,13 154, 3ТО (урожайность 10т/га) 2–Уборка МПБ-3+2ПТС4+ приемныйпункт+ГАЗ-53А 12,5 1,13 154, +3ТО(урожайность 12 т/га) 3–Уборка МПБ-2+2ПТС4+ приемный пункт+ГАЗ-53А 14,01 0,84 115, +3ТО (урожайность 10 т/га) 4–Уборка МПБ-1+2ПТС4+ приемныйпункт+ГАЗ-53А+ 16,0 0,73 100, 3ТО (урожайность 10 т/га) Увеличение совокупных затрат энергии на уборку и реализацию урожая при меньшей ширине захвата уборочной машины объясняется снижением ее производительности и пропорциональным ростом затрат энергии на производ ство и обслуживание этих машин, тракторов и прицепов с целью уборки уро жая в оптимальные сроки, а также овеществленных затрат энергии на технику и топливо. В этой связи по третьему варианту с МПБ-2 совокупные затраты энергии на уборку и реализацию сладкого перца составили 14,01 ГДж/кг, а по четвертому с МПБ-1 – еще выше – 16. Соответственно снизился и крите рий оптимизации Кб и составил 0,84 - для МПБ-2 и 0,73 - для МПБ-1.

Если принять уровень Кб малопроизводительного варианта уборки с МПБ-1 за 100 %, то для МПБ-2 он возрастает на 15,1 %, а для МПБ-3 – более чем в 1,5 раза, т.е. на 54,8 %. Это еще раз подчеркивает оптимальное значение ширины захвата перцеуборочной машины Вр = 2,1 м.

Интерес также представляет закономерность изменения коэффициента биоэнергетической эффективности Кб многоразовой машинной технологии уборки сладкого перца и величина совокупных затрат энергии ЭПП от ширины захвата перцеуборочной машины Вр (рисунок 15).

Анализ полученных на рисунке 15 зависимостей позволяет сделать следующие выводы. Зависимость Кб и величины затрат совокупной энергии ЕПП от Вр перцеуборочной машины не линейная с явно выраженным экстрему мом при величине затрат ЕПП =10,4 ГДж/га и ширине захвата Вр = 2,1 м.

Рисунок – 15 Зависимость Кб и ЕПП от Вр.

Максимальное значение критерия оптимизации производственных про цессов заготовки и реализации сладкого перца Кб имеет место при ширине за хвата уборочной машины Вр = 2,1 м и уровне затрат совокупной энергии ЕПП = 10,4 ГДж/га. Все другие значения Вр и ЕПП снижают энергетическую эф фективность.

Зависимости коэффициента биоэнергетической эффективности Кб и за трат совокупной энергии Е от изменения конструктивной ширины захвата убо рочной машины Вр определяется по выражениям, представленным на рисунке 15.

В таблице 3 приведена структура совокупных затрат энергии на убор ке и реализации сладкого перца. Эти данные свидетельствуют о значитель ной доле затрат энергии в общем объеме, приходящихся на уборку и транс портировку урожая. Они составляют 74 %. Второе место (16,35 %) занимают затраты энергии пункта приемки и товарной обработки плодов сладкого пер ца. Почти в два раза по сравнению с последним составляют совокупные затра ты энергии на реализацию урожая (8,69 %) и около 1 % - затраты энергии на звено ТО и устранения отказов.

Таблица 3 – Структура совокупных затрат энергии на уборке, сортировке и реализации овощей (при оптимальном варианте технологии) Составляющие затрат энергии Величина затрат, ГДж/га % к итогу Уборочно-транспортное звено 7,7 74, Пункт приемки и товарной обработ ки урожая 1,7 16, Реализация урожая 0,897 8, Звено ТО и устранения отказов машин 0,1 0, Итого: 10,4 С учетом данных таблицы 3 можно сделать вывод, что для дальнейше го снижения совокупных затрат энергии на заготовку и реализацию овощей, а также для повышения коэффициента Кб необходимо повышать производитель ность техники для уборки и транспортировки овощных культур и их урожай ность.

Результаты экономической эффективности оптимизированных в 5-ом разделе первого и второго вариантов технологии уборки сладкого перца по сравнению с третьим и четвертым приведены в таблице 4.

Экономический эффект от практического внедрения результатов иссле дований на уборке и реализации овощных культур достигается за счет оптими зации производственных процессов уборочно-транспортного звена пункта приемки, сортировки и упаковки урожая, а также рациональных режимов функционирования торговых точек реализации овощей. В основе экономиче ской эффективности наших разработок, лежит новая техника (МПБ-3) с опти мальными параметрами, оптимизация производственных процессов заготовки и реализации овощей по единому критерию оптимизации – коэффициенту биоэнергетической эффективности Кб. Все это обеспечивает повышение произ водительности труда технических средств и обслуживающего персонала, сни жение трудовых и материальных затрат, экономию ресурсов. Применение в технологии новых сортотипов овощей, обоснование оптимальных сроков уборки также влияют на рост эффективности производства.

Анализ данных таблицы 4 позволяет сделать вывод об оптимальном варианте технологии уборки сладкого перца - это 1-й, т. к. он имеет наимень шие затраты и максимальную прибыль (569,9 руб./т). Первый вариант технологии обеспечивает также высокие коэффициенты внутрисистемной и коммерческой эффективности.

Таблица 4 – Технико-экономические показатели по вариантам технологий уборки и реализации сладкого перца (руб./т) Показатель Вариант технологии 1 2 3 Эксплуатационные затраты, руб./т 630,1 639,8 819,5 936, Капиталовложения, руб./т 1141,6 1141,6 1474,4 2003, Приведенные затраты, руб./т 801,7 952,8 1060,2 1237, Реализационная цена, руб./т 1200 1200 1200 Прибыль, руб./т 569,9 560,2 380,5 263, Чистый дисконтированный доход (595,4 тыс.руб.) для первого варианта по сравнению с третьим определен для убираемой площади 58,8 га за три убор ки сладкого перца, т.е. на площади плантации 19,6 га. Дисконтированный срок окупаемости инвестиций составил один год, что значительно меньше срока службы предлагаемой перцеуборочной машины МПБ-3. Это еще раз подчерки вает эффективность и актуальность предлагаемой разработки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Разработана научная концепция и решена актуальная проблема созда ния на основе многоуровневого системного подхода эффективной технологии и технических средств для уборки пасленовых овощей применительно к различ ным условиям функционирования уборочных машин. В разработанной кон цепции обоснования технологии учтены ресурсосбережение, адаптация к усло виям функционирования, экологическая безопасность и экономические аспек ты, выполнение которых способствует решению проблемы.

2. Дальнейшее развитие общих методов моделирования и оптимизации производственных процессов в сельском хозяйстве нашло отражение в разрабо танной семиуровневой структурной схеме решения задач оптимизации процес сов сбора, транспортировки, приема, товарной обработки и реализации пасле новых овощей, что позволило обосновать оптимальный вариант их заготовки и реализации, а также оптимальный режим работы всей системы с использовани ем на заключительном уровне критерия биоэнергетической эффективности всех производственных процессов.

3. Пуассоновские потоки требований на обслуживание транспортных средств на пунктах приемки, товарной обработки и реализации урожая, а также для специализированного звена технического обслуживания и устранения не исправностей рассмотрены с позиций системы массового обслуживания для обоснования рационального режима работы, включая время и вероятность про стоя, коэффициент простоя, количество машин и агрегатов, ожидающих в оче реди. Полученные параметры с использованием вероятностного метода моде лирования производственных процессов позволили разработать комплексный подход к повышению надежности звеньев системы заготовки и реализации урожая пасленовых овощей на примере сладкого перца.

4. На основании разработанных математических моделей обоснованы оптимальные конструктивные и режимные параметры всех машин и агрегатов УТЗ, а использование теории массового обслуживания с вероятностным (пуас соновским) потоком требований на обслуживание объектов - оптимальный ре жим работы всей послеуборочной системы приема, сортировки, упаковки и реализации урожая овощей.

5. Максимальное значение коэффициента биоэнергетической эффектив ности Кб = 1,13 оптимального варианта технологии заготовки и реализации пас леновых овощей обеспечивается при ширине захвата перцеуборочной машины Вр =2,1 м, емкости ее бункера для сбора овощей Vб = 3 м3, рабочей скорости движения агрегата р = 2,05 км/ч с трактором МТЗ-80, его производительности WK = 0,285 га/ч (2,85 т/ч при U = 10 т/га) и производительности транспортного средства (МТЗ-80+2ПТС-4) 1,9 т/ч. Оптимальный состав уборочно транспортного звена: 4 уборочных машины МПБ-3, шесть транспортных агре гатов при расстоянии перевозок 4 км, урожайности 10 т/га и длине гона 1000 м.

Получены достоверные зависимости Кб от Вр перцеуборочной машины и со вокупных затрат энергии ЕпПП от Вр. Обоснована оптимальная продолжитель ность уборки сладкого перца – 10 дней.

6. Взаимосвязанное функционирование пункта приемки и транспортных средств рассмотрено как одноканальная разомкнутая система массового обслу живания с ожиданием, в которой возможно образование очереди. В качестве критерия оптимизации режима работы приемного пункта и его параметров принят минимум суммы потерь от простоев во взаимном ожидании приемного пункта и транспортных средств. Оптимальное количество мест для ожидания в очереди m = 4 транспортных средств, опт = 0,4, опт = 15 1/ч, вероятность про стоя самого пункта приемки 0,6 при среднем количестве и вероятности отказа Ротк = 0,6 %. Среднее время ожидания каждого транспортного средства Тож = 2,5 мин, минимальная сумма потерь от простоев во взаимном ожидании приемного пункта и транспортных средств Сп = 0,48 руб./ч, ППП = 21,4 руб./ч, a Fп = 50 м2.

7. Научно обоснованный режим работы сортировального пункта как разомкнутой системы массового обслуживания с ограниченным количеством мест в очереди эффективно функционирует при допустимом значении вероят ности простоя сортировщиков Ро = 0,38, допустимом значении вероятности от каза Ротк 0,05, отношении плотности потока требований X к интенсивности обслуживания х, равном 0,68 и количестве требований, ожидающих в очере ди, nо = 0,78.

По разработанной нами номограмме легко обосновать эффективный ре жим работы сортировального пункта, увязывающий его производительность Wc,,, nо, Ро, Тс и Ротк.

8. Оптимальный режим работы торговых точек при реализации урожая пасленовых овощей при их количестве n = 3 и = 1,5 характеризуется количе ством занятых постов n3 = 2, коэффициентом их простоя Кп = 0,5, количеством требований, ожидающих в очереди r = 0,19, вероятность простоя всех торговых точек РПо = 23 %, Ротк = 4,9 %, Тож = 0,13 ч или 7,8 мин.

Установлена зависимость величины относительных затрат С ро на реали зацию овощей от количества торговых точек n и - соотношения расходов на содержание одной торговой точки для овощей за сутки к количеству достав ляемых овощей, умноженному на цену их реализации: С ро = Ротк + n min.

Анализ полученной зависимости С ро позволил считать оптимальным n = 1 при С ро, равном минимальному значению.

9. С учетом пуассоновских потоков требований для специализирован ного звена ТО и полевого ремонта обоснованы с позиций замкнутой СМО с ожиданием рациональный режим работы, включая время простоя каждой убо рочной машины в очереди t оч = 0,2-1 ч, Кп = 3-5 %, вероятность безотказной ра боты( РоI = 90 %) и простоя самого специализирован-ного звена (40 %), количе ство машин и агрегатов, ожидающих в очереди.

Согласно построенной номограмме, увязывающей параметры, Кп, РоI и n, задаваясь значением Кп 10 %, можно определить для заданного количества Р оI 40 %, машин n требуемое = 0,1-0,6, вероятность простоя самого звена время простоя каждой машины в очереди t оч (для тракторов - 0,08-0,6 ч, для комбайнов - 0,2-1,0 ч, для транспортных средств - 0,05-0,1 ч).

10. В структуре совокупных затрат энергии на уборку и реализацию сладкого перца 74 % затрат идут на уборку и транспортировку урожая, 16,4 % приходится на пункт приема и товарной обработки, 8,7 % - на реализацию и около 1 % - на звено ТО и устранения отказов техники.

11. Для различных условий функционирования уборочной машины не обходимо предусматривать модульное построение быстросменных плодоотде ляющих и транспортирующих рабочих органов с одного до трех рядков. Мо дернизированная конструкция перцеуборочной машины, с учетом оптимизации ее параметров, должна иметь возможность адаптации к различным условиям функционирования.

12. Экологическая безопасность машинной технологии уборки паслено вых овощей доказана снижением интенсивности и масштабности уплотнения почвы уборочной машиной. При использовании МПБ-3 интенсивность уплот нения почвы не превышает 1,3 г/см3, так же как и МПБ-2, а масштабность со ставляет 0,36, что в 1,5 раза меньше сравниваемой машины.

13. В соответствии с производственной проверкой и расчетами экономи ческой эффективности многоразовой технологии уборки сладкого перца маши ной МПБ-3 с учетом оптимизации производственных процессов по сравнению с базовой МПБ-2 величина годового чистого дисконтированного дохода состави ла 595,4 тыс. рублей без учета прибавки урожая на уборочной площади 19,6 га, а срок окупаемости инвестиций - в пределах одного сезона.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Тимофеев М.Н. Техническое и технологическое обеспечение производ ственных процессов заготовки и реализации пасленовых овощей (Монография).

– Краснодар: КубГАУ, 2007. – 180 с., ил.

2. Тимофеев М.Н Машина МПБ-2 убирает перец /Е.И. Трубилин, М.Н.

Тимофеев, С.И. Костылев // Сельский механизатор. – 2006, № 3. – с. 16-17.

3. Тимофеев М.Н. Ресурсосберегающая экологически безопасная техно логия уборки зерновых колосовых методом очеса /Г.Г. Маслов, Е.И. Трубилин, В.В. Абаев, А.Н. Медовник, М.Н. Тимофеев, Л.Ф. Мечкало// Техника и обору дование для села – 2006, № 4. – с. 31-32.

4. Тимофеев М.Н.Совокупные затраты энергии как критерий оптимиза ции уборочно-транспортного и заготовительного процессов/ М.Н. Тимофеев// Механизация и электрификация сельского хозяйства.– 2006, № 6. – с. 17-18.

5. Тимофеев М. Н. Многоуровневый системный подход к обоснованию производственных процессов уборки и реализации овощей / М.Н. Тимофеев //Техника в сельском хозяйстве. – 2006, № 5. – с. 16-18.

6. Оптимизация уборочно-транспортного и заготовительного процесса овощных культур при машинной уборке: программа / Г.Г. Маслов, М.Н. Тимо феев, В.В. Цыбулевский.– Свид. № 2006611630.– М.: Роспатент, 2006.– 7 с.

7. Тимофеев М.Н. Оптимизация уборочно-транспортного звена на уборке сладкого перца / М.Н. Тимофеев, С.И. Костылев// Научный электронный жур нал Кубанского гоагроуниверситета № 20 (04).– Краснодар, 2006. – С. 5.

8. Тимофеев М.Н. Обоснование оптимальной для многоразовой машин ной уборки фазы созревания сладкого перца/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып.

3. – Краснодар, 2006. – с. 259-262.

9. Тимофеев М.Н. Оптимизация режима работы специализированного звена технического обслуживания на заготовке сладкого перца /М.Н. Тимофеев, С.И. Костылев//Сб. науч. тр. КГАУ, Вып. 3. – Краснодар, 2006. – с. 277- 10. Тимофеев М.Н. Оптимизация координат размещения в районе цен трализованного цеха переработки продукции растениеводства/Д.Г. Маслов, М.Н. Тимофеев.//Сб. науч. тр. ВИМ по материалам XIV научно-практической конф. – М., 2006.

11. Тимофеев М.Н. Оптимизация размещения централизованного пункта переработки сельскохозяйственной продукции для региона / Д.Г. Маслов, М.Н.

Тимофеев, В.В. Цыбулевский// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613496. – Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 октября 2006 г.

12. Тимофеев М.Н. Закон распределения вариационного ряда продолжи тельности созревания плодов овощных культур при машинной уборке: про грамма /Г.Г.Маслов, М.Н.Тимофеев, В.В.Цыбулевский//Свид. № 2006612722 М.: Роспатент, 2006 г.

13. Обоснование оптимальных параметров при работе машинно транспортных агрегатов чередованием в свал вразвал: программа /Е.И. Труби лин, С.И. Костылев, В.В. Цыбулевский, М.Н. Тимофеев// Свид. №2006611908. – - М.: Роспатент, 2006 г.

14. Тимофеев М.Н. Обоснование оптимальных параметров при работе машинно-тракторных агрегатов перекрытием: программа / Е.И. Трубилин, С.И.

Костылев, В.В.Цыбулевский, М.Н.Тимофеев//Свид. № 2006612755. – - М.: Рос патент, 2006 г.

15. Тимофеев М.Н. Механизация уборки сладкого перца / Е.И. Трубилин, М.Н. Тимофеев, С.И. Костылев // Материалы международной науково практичной конференциi «Передовi науковi разработкi – 2006», том 9. – Днiпропетровськ: Науке i освiта, 2006. – с. 44 – 47.

16. Тимофеев М.Н. Машинная технология многоразовой уборки сладкого перца / Е.И. Трубилин, М.Н. Тимофеев, С.И. Костылев// Материалы междуна родной научно-практической конференции "Молодежь и наука века". Ч. 1., 21-23 марта 2006 г. – Ульяновск, 2006. – с. 221-224.

17. Тимофеев М.Н. Машинная технология многоразовой уборки сладкого перца (рекомендации) /М.Н. Тимофеев, Е.И. Трубилин, В.А. Абликов//. – Крас нодар: КубГАУ, 2007. – 27 с.

18. Тимофеев М.Н. Теоретические основы повышения эффективности производственных процессов по уборке и реализации овощей/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып. 2(6). – Краснодар, 2007. – с. 185-190.

19. Тимофеев М.Н. Обоснование рационального режима работы специа лизированного звена технического обслуживания и устранения отказов техники на заготовке сладкого перца. Депонировано № 40/19609. Рукопись аннотирована в 41 выпуске электронного издания БД «Агрос» № 0220510769 в НТЦ «Ин формрегистр» за 2007 г.

20. Тимофеев М.Н. Вероятностный подход к расчету уборочно транспортного звена на уборке сладкого перца. Депонировано № 40/19608. Ру копись аннотирована в 41 выпуске электронного издания БД «Агрос» № 0220510769 в НТЦ «Информрегистр» за 2007 г.

21.Тимофеев М.Н. Ресурсосберегающая экологически безопасная машин ная технология многоразовой уборки пасленовых овощей / М.Н. Тимофе ев//Механизация и электрификация сельского хозяйства.–2007, № 8.– с. 6 -7.

22. Тимофеев М.Н. Производительность транспортных средств на пере возке сладкого перца / М.Н. Тимофеев //Механизация и электрификация сель ского хозяйства. – 2007, № 8. – с. 6.

23. Тимофеев М.Н. Экономическая эффективность производственных процессов заготовки и реализации сладкого перца/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып. 3(7). – Краснодар, 2007. – с. 53- 56.

24. Тимофеев М.Н. Оптимизация режима работы пункта приемки и то варной обработки сладкого перца/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып. 3(7). – Краснодар, 2007. – с. 169-173.

25. Тимофеев М.Н. Синтез показателей эффективности производствен ных процессов уборки и реализации урожая сладкого перца/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып. 4(8). – Краснодар, 2007. – с. 62-63.

26. Тимофеев М.Н. К определению экономической эффективности произ водства и реализации пасленовых овощей/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып.

4(8). – Краснодар, 2007. – с. 45-46.

27. Тимофеев М.Н. Производительность перцеуборочной машины в зави симости от условий уборки/М.Н.Тимофеев//Техника в сел.хоз-ве № 6, 2007. с. 23-25.

28. Тимофеев М.Н. Организация уборочно-транспортного и заготови тельного процесса пасленовых овощей/ М.Н. Тимофеев// Тр. КГАУ, Вып. 2(11).

– Краснодар, 2008. – с. 253-255.

29. Тимофеев М.Н. Механизировать заготовку и реализацию овощной продукции/М.Н.Тимофеев// Экономика сельского хозяйства № 5, 2008.- с.56-60.

30. Тимофеев М.Н. Исследование машинной уборки сладкого перца М.Н.

Тимофеев//Механизация и электрификация сельского хозяйства.– 2008, № 5.– с. 48.