Львівський державний аграрний університет

ЛУБ Павло Миронович

УДК 631.31:338.1

ОБҐРУНТУВАННЯ параметрів комплексу ґрунтообробних машин сільськогосподарського підприємства

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі управління проектами та безпеки виробництва в АПК у Львівському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Сидорчук Олександр Васильович, Львівський державний аграрний університет, завідувач кафедри управління проектами та безпеки виробництва в АПК.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гуков Яків Серафимович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, директор;

кандидат технічних наук, доцент

Пастухов Валерій Іванович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка, завідувач кафедри експлуатації машинно-тракторного парку.

Провідна установа: Національний аграрний університет,

кафедра експлуатації техніки та інженерного менеджменту,

Кабінету Міністрів України, м. Київ.

Захист відбудеться "27" жовтня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 34.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Львівського державного аграрного університету за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, головний корпус.

Автореферат розісланий “26” вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ковалишин С.Й.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сільськогосподарські підприємства (СГП) Західного регіону України характеризуються малими площами ріллі та деградацією парку техніки, зокрема, ґрунтообробної. За таких умов суттєво знизились обсяги виробництва сільськогосподарської продукції. Виникла проблема поповнення СГП ґрунтообробною технікою.

Одним із етапів її вирішення є узгодження характеристик виробничої програми СГП із параметрами комплексу ґрунтообробних машин (КҐМ). Це можливе за умови об’єктивного прогнозування показників процесу обробітку ґрунту. Аналіз наукових праць переконує в тому, що чинні науково-методичні підстави характеризуються значною його ідеалізацією, зокрема, системно не враховують вплив виробничої програми СГП на потребу та обсяги ґрунтообробних робіт; сезонні особливості потоку вимог на виконання технологічних операцій з обробітку ґрунту; стохастичність часу початку, тривалості та завершення ґрунтообробних робіт впродовж весняного та літньо-осіннього періодів. Врахування цих особливостей процесу механізованого обробітку ґрунту є передумовою об’єктивного обґрунтування параметрів КҐМ СГП.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до комплексного плану науково-дослідних робіт Львівського державного аграрного університету: “Розробка, впровадження енергозберігаючих механізованих процесів, технологій і систем аграрного виробництва та технічних засобів їх реалізації” (номер державної реєстрації 0100U002333), а також договірної теми “Аналіз та обґрунтування машинно-технологічного забезпечення малих сільськогосподарських формувань” (номер державної реєстрації 0104U008601).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності процесу основного та передпосівного обробітку ґрунту на основі обґрунтування та створення ефективних КҐМ СГП завдяки розроблення нових методів і моделей системного аналізу та синтезу чинників цього процесу.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:

- проаналізувати можливість використання чинних методів і моделей обґрунтування параметрів парку машин для узгодження характеристик виробничої програми СГП із параметрами КҐМ;

- розкрити сутність виробничої системи обробітку ґрунту за традиційною технологією, розробити її концептуальну модель, проаналізувати зміст головних подій та явищ ґрунтообробного процесу, виокремити його головні чинники та обґрунтувати методи їх синтезу;

- розкрити часові причинно-наслідкові зв’язки у потоці вимог на виконання технологічних операцій з механізованого обробітку ґрунту та їх обслуговуванні для весняного та літньо-осіннього періодів, обґрунтувати правила обслуговування вимог одиничним КҐМ і на цій підставі розробити модель ґрунтообробного процесу, алгоритм та її комп’ютерну програму;

- розробити науково-методичні засади узгодження характеристик виробничої програми СГП з параметрами одиничного КҐМ;

- розробити програму експериментальних досліджень, виконати виробничі експерименти та формалізувати їх результати. Перевірити адекватність моделі ґрунтообробного процесу за традиційною технологією, виконати комп’ютерні експерименти та встановити залежність фізичних показників ефективності функціонування КҐМ від характеристик виробничої програми;

- обґрунтувати параметри одиничного КҐМ для заданих характеристик виробничої програми СГП;

- впровадити результати досліджень у практику та визначити економічний ефект від узгодження характеристик виробничої програми СГП із параметрами КҐМ.

Об’єктами дисертаційного дослідження є спеціалізовані ґрунтообробні машинні агрегати для виконання основного та передпосівного обробітку ґрунту за традиційною технологією, виробничий процес механізованого обробітку ґрунту у весняний та літньо-осінній періоди.

Предметом дослідження є показники системної ефективності процесу механізованого обробітку ґрунту за традиційною технологією впродовж весняного та літньо-осіннього періодів, їх ймовірний характер та залежність від характеристик виробничої програми СГП й параметрів КҐМ.

Методи дослідження. У роботі використано методи системного аналізу та синтезу головних чинників ефективності процесу механізованого обробітку ґрунту у весняний та літньо-осінній періоди, монографічних спостережень, статистичного імітаційного моделювання на ПК роботи КҐМ впродовж відповідних сезонів, метод ітерацій, статистичного оцінення експериментальних даних, графоаналітичного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримано вперше: науково-методичні засади узгодження характеристик виробничої програми СГП із параметрами одиничного КҐМ на основі аналізу й синтезу головних чинників ґрунтообробного процесу; метод відображення та модель часових причинно-наслідкових зв’язків у процесі виникнення вимог на виконання ґрунтообробних робіт та їх обслуговування одиничним КҐМ у весняний та літньо-осінній періоди; статистичні залежності показників ефективності процесу обробітку ґрунту від характеристик виробничої програми СГП та параметрів одиничного КҐМ; ефективні параметри одиничного КҐМ для встановлених характеристик виробничої програми СГП.

Отримав розвиток метод синтезу головних груп чинників процесу механізованого обробітку ґрунту на основі статистичного імітаційного моделювання його у весняний та літньо-осінній періоди.

Удосконалено метод визначення ефективних параметрів КҐМ для заданих характеристик виробничої програми СГП.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати дають змогу підвищити ефективність процесу механізованого обробітку ґрунту завдяки створенню у СГП Малого Полісся Львівщини КҐМ з раціональними параметрами, що забезпечує виконання основного та передпосівного обробітків ґрунту за традиційною технологією з мінімальними питомими сукупними витратами коштів.

Розроблений алгоритм та програмне забезпечення є основою інженерно-аналітичного супроводу вдосконалення структур комплексів машин для механізованого обробітку ґрунту СГП.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати за темою дисертаційної роботи отримані автором особисто. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем проаналізовано стан питання у практиці та теорії [9,12,15], на основі системного аналізу виокремлено головні чинники ефективності процесу [1,9,12], обґрунтовано концептуальну модель [2] та головні явища ґрунтообробного процесу [5,14], розкрито причини та характеристики потоку вимог на обробіток ґрунту [3], розроблено програму та методику експериментальних досліджень, виконано виробничі експерименти та формалізовано їх результати [4,6-9,11,12], виконано імітаційне моделювання та отримано результати комп’ютерних експериментів [16].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались та отримали позитивну оцінку на: щорічних звітних науково-практичних конференціях викладачів та аспірантів Львівського державного аграрного університету (Львів, 2002 – 2005рр.); Міжнародній науково-практичній конференції “Еколого-економічні проблеми розвитку АПК” (Львів, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Агромех-2004” (Львів, 2004 р.); ХІІ міжнародній науково-технічній конференції „Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2004р.); Міжнародному форумі молоді “Молодь і сільськогосподарська техніка в ХХІ столітті” (Харків, 2005р.); ХІІІ міжнародній науково-технічній конференції „Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2005р.); V ювілейній міжнародній науково-технічній конференції “Механізація і енергетика сільського господарства „МОТРОL 2005” (Одеса, 2005р.); VI міжнародній науковій конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки” (Київ, 2005р.).

Публікації. Основний зміст і результати дисертаційної роботи опубліковані в 15 друкованих працях та одному депонованому звіті, з них – 10 у фахових збірниках наукових праць та 5 у матеріалах конференцій і симпозіумів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 172 найменувань та 9 додатків. Основна частина викладена на 129 сторінках тексту, містить 20 таблиць і 53 рисунки. Повний обсяг роботи становить 214 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі “Стан питання в практиці та теорії” проаналізовано стан технічного потенціалу рільничих СГП Малого Полісся Львівщини. Наведено характеристики СГП – площу ріллі та обсяги вирощування головних сільськогосподарських культур, стан парку ґрунтообробних машин. Обґрунтовано потребу вдосконалення механізованого обробітку ґрунту, сучасний стан якого характеризується низькою ефективністю через неузгодженість характеристик виробничої програми СГП із параметрами КҐМ.

Аналіз науково-методичних засад дослідження механізованих процесів рільництва, що започатковані такими відомими вченими країн СНД як В.П. Горячкін, Н.Е. Фере, Б.С. Свірщевський, Ю.К. Кіртбая, В.Д. Саклаков, Ф.С. Завалішин, та продовжені Р.Ш. Хабатовим, Е.А. Фінном, О.В. Сидорчуком та іншими вченими переконує в тому, що їх праці мають важливе значення для організації ґрунтообробного процесу. Зокрема, ними доведено, що параметри машинних комплексів необхідно обґрунтовувати на підставі якісних та кількісних характеристик механізованих процесів. Розроблені ними методи й моделі, на жаль, не враховують системні особливості процесу механізованого обробітку ґрунту й здебільшого є детермінованими. Ними не враховується стохастичність головних подій та явищ цього процесу, що унеможливлює розроблення адекватної його моделі.

Наведені аргументи свідчать про потребу розроблення нових науково-методичних засад, методів та моделей для обґрунтування параметрів КҐМ рільничих СГП. Вирішенню цих завдань присвячена дисертаційна робота.

У другому розділі “Науково-методичні засади обґрунтування параметрів комплексу ґрунтообробних машин” на основі системного підходу виробнича система обробітку ґрунту (ВСОҐ) розглядається як така, що має вхідні впливи {X}, внутрішні параметри {Z} та характеристики функціонування {Y}:

, (1)

де Т – модельний час.

Для розкриття даної залежності за допомогою моделювання розв’язуються задачі аналізу та синтезу. Параметри {Z} цієї системи відображаються характеристиками виробничої програми СГП – загальною площею ріллі, числом культур, їх видами та відсотком кожної з них у загальній площі, а також параметрами одиничного КҐМ – потужністю трактора та набором ґрунтообробних машин.

Залежність (1) досліджується на основі моделювання ВСОҐ. Першим етапом моделювання є розроблення концептуальної моделі системи, на підставі якої обґрунтовується програма дослідження ВСОҐ: 1) обґрунтування характерних явищ, подій та чинників процесу; 2) встановлення структури посівних площ СГП; 3) обґрунтування раціональної сівозміни; 4) вибір технології обробітку ґрунту; 5) визначення множини технологічних операцій та складу одиничного комплексу машин; 6) визначення продуктивності та витрати палива на окремих ґрунтообробних операціях; 7) встановлення характеристик некерованих чинників; 8) формування потоку вимог на виконання технологічних операцій; 9) обґрунтування правил обслуговування потоку вимог; 10) розроблення імітаційної моделі та методу оцінення результатів моделювання; 11) виконання комп’ютерних експериментів та обґрунтування параметрів ефективного КҐМ СГП.

Моделювання уможливлює розкриття сукупної дії на ефективність (Е) процесу обробітку ґрунту скінченної множини чинників, що входять до складу таких головних їх груп: агрокосмічної (Ак), агрометеорологічної (Ам), предметної (агрофонової (Аф), природно-рельєфної (Пр)), технологічної (Тл), технічної (Тн), організаційної (тактичної (От) та стратегічної (Ос)):

Е=f(Ак,Ам,Аф,Пр,Тл,Тн,От,Ос). (2)

Моделлю відображається послідовний взаємовплив явищ та подій процесу обробітку ґрунту на його перебіг у часі (рис. 1). До характерних явищ та подій відносяться: 1) розвиток природних процесів характеризується повторюваністю та стохастичністю й зумовлений циклічним рухом Земної кулі відносно Сонця; 2) існує потреба весняного та літньо-осіннього обробітку ґрунту; 3) час початку, тривалість і завершення окремого періоду ґрунтообробних робіт характеризується стохастичністю; 4) природно дозволена тривалість обробітку ґрунту весняного та літньо-осіннього періодів має різну фізичну сутність, а також характеризується особливим впливом на урожайність сільськогосподарських культур; 5) через несвоєчасність ґрунтообробного процесу знижується потенційна врожайність культур; 6) сільськогосподарські культури відрізняються між собою специфікою умов їх сівби та збирання, а також перебігом процесу вегетації; 7) виробнича програма СГП визначає потребу та обсяги ґрунтообробних робіт впродовж того чи іншого періоду; 8) часткові процеси механізованого обробітку ґрунту весняного та літньо-осіннього періодів характеризуються послідовним взаємовпливом; 9) агрометеорологічні умови впливають на характеристики потоку вимог весняного та літньо-осіннього періодів.

Початок обробітку ґрунту у весняний період та завершення в літньо-осінній (під ярі культури) обґрунтовується на підставі фізико-механічних властивостей ґрунту, які зумовлені його вологістю та відображаються часом початку (ффп) й завершення (ффз) фізичної стиглості. Завершення ґрунтообробного процесу в осінній період (фсо) на полях під озимі культури зумовлене потребою їх сівби й визначається на підставі розробленого методу, який ґрунтується на врахуванні біологічних особливостей озимих культур та їх вимог до агрометеорологічних умов осінньої вегетації. Критерієм завершення ґрунтообробного процесу у весняний період є температура ґрунту, за якої виникає потреба сівби культур, та крайні терміни, за яких припиняють сівбу. Підставою для початку обробітку ґрунту в літньо-осінній період є момент достигання культури (фд) та завершення збирання врожаю, тривалість (tаз) якого обмежується агротехнічними вимогами.

Рис. 1. Послідовний взаємовплив явищ та подій процесу механізованого обробітку ґрунту на його перебіг у часі: а) природно зумовлені терміни механізованих процесів рільництва впродовж річного циклу; б) мінливість термінів механізованих робіт впродовж періоду функціонування підприємства; фq,k – крайній термін сівби k-ї культури, доба; ,, _природно дозволена тривалість обробітку ґрунту у весняний та літньо-осінній періоди, діб; фср,фсо – відповідно час сівби ярих та озимих культур, доба; фз – час початку збирання врожаю культури, доба; tас,tаз – агротехнічно оптимальна тривалість механізованих операцій сівби та збирання, діб; фн,k – час початку втрат врожаю k-ї культури, доба; , _відповідно тривалість періоду вегетації ярих та озимих культур, діб; п – тривалість періоду ротації сівозміни, років.

Причинно-наслідкові зв’язки між природними явищами та подіями ґрунтообробного процесу є основою для розроблення імітаційної моделі весняного та літньо-осіннього обробітку ґрунту, якою враховуються: 1) ймовірність появи часу ффп для весняного періоду; 2) залежність тривалості (Дt) прогрівання ґрунту до температури сівби культур від ффп; 3) календарний період між ффп та моментом початку сівби (фс), який формує природно дозволену тривалість обробітку ґрунту у весняний період, що складається з послідовних погожих та непогожих проміжків часу ймовірного характеру; 4) ймовірність виникнення непогожого проміжку впродовж j-ї доби весняного та літньо-осіннього періодів; 5) щодобовий обсяг виконаних робіт одиничним КҐМ, який обмежений продуктивністю r-ї ґрунтообробної машини та тривалістю світлової частини доби; 6) календарний термін початку ґрунтообробного процесу в літньо-осінній період, який зумовлений тривалістю вегетацій культури та календарними термінами її сівби; 7) ймовірність появи часу ффз в літньо-осінній період; 8) календарний термін потреби завершення підготовки ґрунту під озимі культури, який зумовлений агрометеорологічними умовами осіннього періоду та біологічними особливостями рослини; 9) календарний період між достиганням попередника та появою фсо і ффз, що складається з погожих і непогожих проміжків часу, які мають ймовірний характер; 10) ймовірність, кількість та обсяги вирощування окремих культур в СГП краю; 11) структура характерних культур СГП; 12) крайні терміни сівби культур (фq,k).

Відображення процесу обробітку ґрунту імітаційною моделлю відбувається на підставі моделювання часових причинно-наслідкових зв’язків між вимогами потоку на виконання технологічних операцій з обробітку ґрунту за традиційною технологією та їх обслуговуванням одиничним КҐМ. Пріоритети в обслуговуванні потоку вимог для кожного із періодів обґрунтовуються за критерієм потреби своєчасної підготовки ґрунту полів під сівбу сільськогосподарських культур. В основі розробленого методу встановлення черговості виконання вимог потоку лежить поділ ранніх культур за температурними умовами їх сівби на морозостійкі, холодостійкі та теплолюбні. В літньо-осінній період у першу чергу обробляють ґрунт для сівби озимих культур. Наступними обслуговують вимоги для ярих культур, керуючись потребою виконання основного обробітку ґрунту на усіх полях СГП.

З метою узгодження характеристик виробничої програми СГП із параметрами одиничного КҐМ виконувалось статистичне імітаційне моделювання процесу обробітку ґрунту на таких системно обґрунтованих рівнях – деталізованому (операційному), часткових процесів та узагальненому. В результаті моделювання визначаються наступні характеристики: 1) обсяги несвоєчасно оброблених площ (Zн); 2) обсяги непідготовлених площ (Sн); 3) обсяги фактично виконаних робіт r-ю ґрунтообробною машиною (Щrф). Обсяг Zн визначався як сума добутків добової продуктивності та тривалості періоду несвоєчасного обробітку відносно часу (фн,k) початку втрати врожаю культури; Sн визначався за умови затягування ґрунтообробного процесу до крайнього терміну (фq,k) сівби k-ї культури, за якого продовження обробітку є недоцільним; Щrф – як суму добових виробітків упродовж відповідного періоду ґрунтообробного процесу.

За результатами моделювання та вартісного оцінення характеристик ґрунтообробного процесу обґрунтовуються ефективні параметри одиничного КҐМ та його оптимальна виробнича площа (Spopt):

Ф(Spopt)= Ввтл + Вотл + Ввтн + Вотн >min, (3)

де Ввтл, Вотл – питомі втрати через зниження врожаю культур у весняний та літньо-осінній періоди внаслідок несвоєчасного обробітку ґрунту, грн./га.; Ввтн, Вотн – питомі експлуатаційні витрати у весняний та літньо-осінній періоди, грн./га.

У третьому розділі “Методика виробничих і комп’ютерних експериментів” наведені програма виробничих експериментів, а також методики визначення характеристик виробничої програми СГП Малого Полісся Львівщини, дослідження природно дозволеної тривалості обробітку ґрунту весняного й літньо-осіннього періодів та агрометеорологічних умов його виконання, тривалості вегетації головних сільськогосподарських культур. Окрім того, розкривається сутність методики формування потоку вимог на виконання технологічних операцій обробітку ґрунту, алгоритму статистичного імітаційного моделювання процесу механізованого обробітку ґрунту та методики перевірки моделі на адекватність.

Характеристики виробничої програми СГП досліджувались за даними звітів СГП Яворівського, Жовківського, Кам’янка-Бузького районів Львівської області про збір врожаю сільськогосподарських культур. Природно дозволена тривалість механізованого обробітку ґрунту визначалась на підставі даних агрометеорологічних спостережень (ТСХ-6, КМ-1) Яворівської метеорологічної станції Львівської області. Дослідження тривалості вегетації окремих сільськогосподарських культур виконується на підставі даних спостережень метеорологічної станції за календарними термінами фенологічних фаз їх розвитку.

Методика статистичного імітаційного моделювання полягає у відображенні всіх головних явищ та подій обробітку ґрунту, сукупної дії як детермінованих, так і стохастичних чинників ґрунтообробного процесу впродовж весняного й літньо-осіннього періодів. З цією метою розроблено спеціальний алгоритм та комп’ютерну програму обсягом 60 КБайт на мові Turbo Pascal 7.0. Адекватність моделі перевіряється за непараметричним критерієм Манна-Уітні.

У четвертому розділі “Результати виробничих експериментів” наведено результати обґрунтування теоретичних розподілів: площі ріллі СГП Малого Полісся Львівщини; часу початку і завершення фізичної стиглості ґрунту у весняний та літньо-осінній періоди; тривалості погожих і непогожих проміжків відповідних періодів; часу початку непогожого проміжку впродовж доби для окремого періоду ґрунтообробних робіт. Обґрунтовано кореляційні залежності площі та кількості вирощуваних культур від площі ріллі СГП, а також залежності тривалості: прогрівання ґрунту до температури сівби культур від часу початку його фізичної стиглості у весняний період; вегетації культур від часу початку їх сівби у весняний період; весняної вегетації озимих культур від часу початку її відновлення; осінньої вегетації озимих культур від часу завершення фізичної стиглості ґрунту.

На підставі групування СГП за кількістю вирощуваних культур встановлено їх ймовірність у сівозміні підприємства, що є передумовою обґрунтування структури () характерних (найбільш ймовірних) культур СГП Малого Полісся Львівщини. Аналіз отриманих результатів переконує у мінливості структури культур СГП, що є підставою прийняття гіпотези щодо потреби формування ефективних КҐМ із різними параметрами.

Встановлено, що розподіли часу початку (ффп) та завершення (ффз) фізичної стиглості ґрунту описуються різними теоретичними законами. Так, диференціальна функція розподілу часу ффп у весняний період теоретично відображається нормальним скоригованим многочленом:

, (4)

де – многочлен, що враховує асиметрію та ексцес розподілу; – відносна величина.

Диференціальна функція розподілу ффз має такий вигляд:

. (5)

Встановлено, що погожі та непогожі проміжки часу весняного та літньо-осіннього періодів обробітку ґрунту відображаються законом розподілу Вейбулла. Диференціальна функція розподілу погожих діб:

весняний період – ; (6)

літньо-осінній період – . (7)

Диференціальна функція розподілу непогожих діб:

весняний період – ; (8)

літньо-осінній період – . (9)

Розподіл часу початку непогожого періоду в розрізі доби характеризується правосторонньою (від’ємною) асиметрією (Аs) з такими оцінками: для весняного періоду – =-0,635; математичне сподівання – =14,727 год; середньоквадратичне відхилення – =6,143 год; для літньо-осіннього – =-0,491; =13,77 год; =6,642 год.

Використовуючи відомі методи кореляційно-регресійного аналізу та сформовані таблиці емпіричних даних метеорологічної станції, встановлено залежність тривалості прогрівання ґрунту (Дt) до температури сівби культур від ффп (рис. 2).

Рис. 2. Залежність тривалості періоду прогрівання ґрунту (на глибині 10 см) від часу початку його фізичної стиглості у весняний період

Результати дослідження тривалості вегетації (tв) сільськогосподарських культур від початку її відновлення (фв) (для озимих) та часу початку сівби (фс) (для ярих) наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Рівняння та коефіцієнти кореляції закономірностей тривалості вегетації сільськогосподарських культур у весняний період

Культура | Включно з фазами розвитку | Рівняння залежності | Коефіцієнт кореляції

Озима пшениця | Повна стиглість | tвоп= -0,8057 фвоп+ 186,66 | -0,814

Озиме жито | Повна стиглість | tвож=-0,8517 фвож+ 187,51 | -0,877

Овес | Воскова стиглість | tво = -0,5794 фсо + 175,94 | -0,870

Яра пшениця | Повна стиглість | tвяп= -0,5658 фсяп+ 165,15 | -0,770

Ярий ячмінь | Повна стиглість | tвяя= -0,7003 фсяя+ 179,36 | -0,813

Картопля | В’янення стебла | tвк = -0,8963 фск+ 213,49 | -0,673

Цукрові буряки | В’янення листків | tвцб = -0,7909 фсцб+ 214,67 | -0,735

Гречка | Достигання | tвг= -0,7804 фсг+ 178,27 | -0,762

Кукурудза на силос | Воскова стиглість | tвкс = -1,2396 фскс+ 285,62 | -0,704

На підставі розробленого методу врахування біологічних особливостей вегетації озимих культур під впливом агрометеорологічних умов осіннього періоду встановлено лінійну кореляційну залежність тривалості осінньої вегетації озимих культур (tвоо) від ффз (коефіцієнт кореляції - 0,899):

tвоо = 1,0126 ффз – 254,13. (10)

Отримані закономірності дають змогу об’єктивно відображати природно дозволену тривалість процесу механізованого обробітку ґрунту весняного та літньо-осіннього періодів у його імітаційній моделі.

Для дослідження параметрів ефективного КҐМ розглянуто типові СГП краю із структурою дев’яти характерних культур: яра пшениця – 0,146; ярий ячмінь – 0,135; овес – 0,166; багаторічні трави – 0,126; картопля – 0,037; цукрові буряки – 0,01; кукурудза (на силос) – 0,061; озима пшениця – 0,186; озиме жито – 0,133. Наявність багаторічних трав (як підсівної культури) зумовлює особливості формування параметрів потоку вимог на обробіток ґрунту, за якої частина площі ріллі підприємства є зайнятою та не обробляється.

У п’ятому розділі “Результати комп’ютерних експериментів та їх узагальнення” обґрунтовуються параметри одиничних КҐМ на підставі їх узгодження з характеристиками виробничої програми СГП.

Встановлено, що імітаційна модель є адекватною реальному процесу обробітку ґрунту.

Комп’ютерні експерименти виконували для обґрунтованого варіанту структури () характерних культур СГП Малого Полісся Львівщини. Для цих культур складено раціональну сівозміну, встановлено базову множину технологічних операцій із обробітку ґрунту за традиційною технологією (літньо-осінній період: дискування, оранка, передпосівний обробіток (під озимі), знищення бур’янів (під ярі); весняний період: закриття вологи, знищення бур’янів, передпосівний обробіток) та необхідний КҐМ для їх виконання. Початкові дані для моделювання роботи ґрунтообробних машинних агрегатів обґрунтовано на підставі типових норм їх продуктивності та витрат палива.

У результаті імітаційного моделювання отримано множину фізичних показників ґрунтообробного процесу. Їх математичне опрацювання дало змогу встановити, що: 1) емпіричний розподіл обсягів несвоєчасно оброблених площ () відображається теоретичним законом Вейбулла (рис. 3); 2) оцінка математичного сподівання цього показника () для заданої структури залежить від площі ріллі (Sp) СГП (рис. 4); 3) збільшення сезонної програми зумовлює зростання оцінки математичного сподівання обсягів непідготовлених площ () (рис. 5); 4) середньорічні обсяги фактично виконаних робіт r-ю ґрунтообробною машиною () зростають пропорційно до площі ріллі, але тільки до певного значення (рис. 6).

Оцінки , та визначають як – , та , де – кількість ітерацій (реалізацій) моделі процесу механізованого обробітку ґрунту.

Зменшення середньорічних обсягів знищення бур’янів та боронування (рис. 6) відповідно до приросту Sp, пояснюється “обмеженням” природно дозволеної тривалості обробітку та пріоритетністю виконання таких технологічних операцій як лущення та оранка (у літньо-осінній період), а також передпосівного обробітку ґрунту. За розробленим методом синтезу головних груп чинників процесу визначено його фізичні показники, що уможливило оцінення чисельним методом питомих сукупних витрат коштів на виконання ґрунтообробних робіт. Вихідні дані розрахунків наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Вихідні дані оптимізаційних розрахунків

Показник | Яра

пшениця | Ярий ячмінь | Овес | Картопля | Цукрові буряки | Кукурудза (на силос) | Озима пшениця | Озиме жито

Коефіцієнт втрат урожаю | 0.008 | 0.012 | 0.0122 | 0.015 | 0.0114 | 0.006 | 0.008 | 0.007

Урожайність, ц/га (01.12.05р.) | 20,1 | 19,9 | 16,0 | 130,2 | 185,5 | 300,0 | 28,6 | 16,4

Вартість продук ції, грн./ц (01.01.06р.) | 62 | 57 | 45 | 100 | 20 | 1 | 62 | 47

На підставі цього визначено оптимальну виробничу площу СГП для заданого КҐМ (рис. 7). Встановлено, що за незмінної структури площ СГП показники ефективності процесу змінюються відповідно до потужності одиничного КҐМ та приросту площі ріллі СГП (рис. 8).

До складу одиничного КҐМ на базі трактора 9 кН (ХТЗ-2511) входять ґрунтообробні машини: 1) БДН-3 (дискування); 2) ПЛН-2-30 (оранка); 3) КРН-2,8 (знищення бур’янів та передпосівний обробіток); 4) ЗБЗС-1,0 (закриття вологи). До складу одиничного КҐМ на базі трактора 30 кН (Т-150К) входять: 1) БДП-6,3 (дискування); 2) ПЛН-5-35 (оранка); 3) СП-11У+3КПС-4ПП (знищення бур’янів та передпосівний обробіток); 4) CГ-21Б+Бзсс-1,0 (закриття вологи).

Аналіз результатів дослідження переконує у тому, що параметри ефективних КҐМ залежать від виробничої програми СГП (площі ріллі, кількості та структури культур), природно дозволеної тривалості обробітку ґрунту, величини втрат урожаю культур через несвоєчасність підготовки ґрунту під їх сівбу, урожайності та ринкової вартості вирощуваних культур, а також експлуатаційних витрат.

За виконаними дослідженнями розроблено інженерну методику обґрунтування параметрів КҐМ, що дає змогу визначати: 1) оптимальну виробничу площу СГП для одиничного КҐМ; 2) діапазон площі ріллі ефективного використання одиничного КҐМ для заданої структури площ СГП. Впровадження ефективного КҐМ в навчальному науково-дослідному центрі (ННДЦ) Львівського державного аграрного університету дає змогу отримати річний економічний ефект в обсязі 6043 грн.

загальні висновки і рекомендації

1. Робота присвячена розв’язанню задачі підвищення ефективності процесу механізованого обробітку ґрунту на підставі узгодження характеристик виробничої програми сільськогосподарського підприємства з параметрами одиничного комплексу ґрунтообробних машин.

Аналіз чинних науково-методичних основ обґрунтування ефективних комплексів машин для сільськогосподарського виробництва свідчить про те, що вони не враховують системну дію головних чинників механізованих процесів, а відтак – унеможливлюють створення адекватних моделей.

2. Розроблені на основі системотехніки науково-методичні засади дослідження ефективності одиничного комплексу машин для традиційної технології обробітку ґрунту дали змогу обґрунтувати зміст дев’яти характерних подій та явищ ґрунтообробного процесу й виокремити шість головних груп його чинників, а також довести, що їх синтез у моделі цього процесу має базуватися на статистичних методах.

3. Розкриття часових причинно-наслідкових зв’язків потоку вимог та виконання технологічних операцій механізованого обробітку ґрунту у весняний та літньо-осінній періоди дало змогу визначитися із правилами їх обслуговування одиничним комплексом ґрунтообробних машин та розробити статистичну імітаційну модель ґрунтообробного процесу.

4. Для обґрунтування параметрів комплексу ґрунтообробних машин сільськогосподарського підприємства розроблено науково-методичні засади узгодження характеристик виробничої програми з параметрами комплексу, які уможливлюють на основі вартісного оцінення питомих втрат урожаю через несвоєчасність обробітку та питомих експлуатаційних витрат у технологічному процесі встановити залежність між площею обробітку ґрунту та сукупними питомими витратами коштів і на цій підставі визначити для заданого комплексу ґрунтообробних машин оптимальне значення виробничої площі.

5. Розроблена програма виробничих експериментів та математичне опрацювання їх результатів уможливило кількісне оцінення статистичних закономірностей характерних подій та явищ процесу механізованого обробітку ґрунту, характеристик головних груп його чинників, а також їх причинно-наслідкових зв’язків, що формують базу початкових даних для моделювання.

6. Математичне опрацювання статистичної багаторічної ретроспективної інформації Яворівської метеорологічної станції уможливило встановлення наступних кількісних характеристик некерованих чинників: 1) розподілу часу початку фізичної стиглості ґрунту у весняний (4) та його завершення в літньо-осінній періоди (5); 2) розподілу погожих та непогожих проміжків часу весняного (6,8) та літньо-осіннього (7,9) періодів ґрунтообробних робіт; 3) розподілу часу початку непогожого проміжку впродовж доби для весняного та літньо-осіннього періодів. На підставі кореляційно-регресійного аналізу встановлено: 1) залежність тривалості прогрівання ґрунту до температури сівби культур від часу початку його фізичної стиглості (рис. 2); 2) лінійну кореляційну залежність тривалості вегетації культур від початку її відновлення (для озимих) та часу початку сівби (для ярих) у весняний період (табл. 1); 3) кореляційну залежність тривалості осінньої вегетації озимих культур від часу завершення фізичної стиглості ґрунту (10), що є основою для статистичного імітаційного моделювання ґрунтообробного процесу.

7. Математичне опрацювання статистичних даних реформованих сільськогосподарських підприємств Малого Полісся Львівщини дало змогу обґрунтувати вихідні дані для моделювання та встановити: 1) ймовірність вирощування підприємствами регіону окремих культур; 2) структуру посівних площ для характерних (найбільш ймовірних) сільськогосподарських культур.

8. Розроблений алгоритм та комп’ютерна програма статистичного імітаційного моделювання процесу механізованого обробітку ґрунту впродовж весняного та літньо-осіннього періодів враховує головні події та явища цього процесу, сукупну дію множини чинників ефективності, а також їх причинно-наслідкові зв’язки і уможливлює адекватне моделювання процесу, що підтверджується за критерієм Манна-Уітні.

9. Виконане імітаційне моделювання процесу механізованого обробітку ґрунту (за традиційною технологією) одиничним комплексом ґрунтообробних машин потужністю 9, 14 та 30 кН дало змогу встановити: 1) що обсяг несвоєчасно оброблених площ окремих культур відображається розподілом Вейбулла (рис. 3); 2) залежність оцінки математичного сподівання обсягу несвоєчасно оброблених площ від площі ріллі сільськогосподарського підприємства (рис. 4); 3) залежність оцінки математичного сподівання обсягів непідготовлених площ від площі ріллі (рис. 5); 4) залежність середньорічних обсягів фактично виконаних ґрунтообробних робіт від площі ріллі підприємства (рис. 6).

10. Отримані характеристики процесу механізованого обробітку ґрунту є підставою для визначення чисельним методом за вартісним критерієм ефективних параметрів одиничного комплексу ґрунтообробних машин та його оптимальної виробничої площі (рис. 7). Встановлено, що для типових підприємств (9 культур) Малого Полісся Львівщини одиничні комплекси ґрунтообробних машин на базі трактора 9, 14 та 30 кН доцільно використовувати, відповідно, на площі ріллі – до 180, 180-300 та понад 300 га (рис. 8). Зі збільшенням потужності одиничного комплексу машин питомі сукупні витрати зменшуються з 292 до 266 грн/га.

11. Впровадження організаційно-технічних рекомендацій щодо параметрів ефективного комплексу ґрунтообробних машин в ННДЦ Львівського ДАУ дає змогу отримати річний економічний ефект в обсязі 6043 грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сидорчук О., Затхей Б., Спічак В., Луб П. Синтез чинників годинної продуктивності машинно-тракторного агрегату // Вісн. Львів. держ. аграр. ун-ту: Агроінженерні дослідження. – 2002. – Львів, №6. –С. 3-8. (автором виокремлено головні групи чинників продуктивності ґрунтообробної машини та проаналізовано їх дію).

2. Сидорчук О., Затхей Б., Панюра Я., Луб П. Етапи побудови концептуальної моделі роботи машинно-тракторного агрегату // Еколого-економічні проблеми розвитку АПК: Матеріали Міжнар. наук.-практ. конф., присвяченої 10-й річниці Конф. ООН з питань охорони навколишнього середовища та розвитку. У 2 т. – Львів: ЛДАУ, 2002. – Т.1. – С. 307-311. (автором обґрунтовано завдання аналізу та синтезу створення концептуальної моделі ґрунтообробного процесу, проаналізовано етапи її побудови).

3. Сидорчук О., Луб П. Причини та характеристики потоку вимог централізованого виконання обробітку ґрунту // Вісн. Львів. держ. аграр. ун-ту: Агроінженерні дослідження. - 2003. - №7. – С.28-35. (автором проаналізовано підстави формування потоку вимог на обробіток ґрунту та встановлено закономірності зміни кількості вимог від числа культур у сівозміні).

4. Сидорчук О., Луб П. Природно дозволений час для весняної підготовки ґрунту до сівби // Вісн. Львів. держ. аграр. ун-ту: Агроінженерні дослідження. - 2004.- №8. – С. 9-16. (автором обґрунтовано стохастичність часу початку фізичної стиглості ґрунту та природно дозволену тривалість обробітку у весняний період).

5. Сидорчук О.В., Сенчук С.Р., Луб П.М., Кабар В.М. Стохастичні явища в моделях механізованого вирощування та збирання зернових // Механізація та електрифікація сільського господарства. – Глеваха, 2004. Вип. 85. – С.265-269. (автором обґрунтовано потребу розроблення статистичних моделей ґрунтообробного процесу, встановлено статистичні моделі термінів розвитку головних культур).

6. Сидорчук О.В., Свірчевський А.О., Луб П.М. Пошук теоретичного розподілу за умови малої вибірки // Інтеграція вищої аграрної школи в загальноєвропейську систему вищої освіти: проблеми і перспективи: Матеріали навч.-метод. конф. – Львів: ЛДАУ, 2004. – С.80-85. (автором обґрунтовано теоретичний розподіл часу початку фізичної стиглості ґрунту у весняний період).

7. Сидорчук О., Сенчук С., Луб П., Кабар В. Агрометеорологічні підстави розвитку функціональних структур рільництва // Вісн. Львів. держ. аграр. ун-ту: Агрономія. - 2004.- №8. – С.119-123. (автором обґрунтовано закономірність темпів ґрунтообробних робіт від часу початку обробітку у весняний період та виконано виробничі експерименти).

8. Луб П., Рій М., Бурилко А. Вплив агрометеорологічних умов на параметри комплексу ґрунтообробних агрегатів // Агромех-2004: Матер. Міжнар. наук.-практ. конф. – Львів: ЛДАУ, 2004. - С.3-8. (автором аналізується вплив агрометеорологічних умов на процес весняного обробітку ґрунту, обґрунтовано теоретичний розподіл термінів завершення фізичної стиглості ґрунту в літньо-осінній період).

9. Сидорчук О.В., Луб П.М. Виробничі умови системної ефективності ґрунтообробних комплексів // Наук. вісн. Нац. аграр.ун-ту. – 2005. – Вип.80. – С. 125-131. (автором виконано виробничі експерименти та обґрунтовано закономірності виробничих характеристик СГП).

10. Луб П.М. Виробнича програма та параметри комплексу ґрунтообробних машин // Молодь і сільськогосподарська техніка в ХХІ столітті: Зб. матеріалів Міжнар. форуму молоді. – Харків: ХНТУСХ, – 2005. - С.6.

11. Сявавко М., Сидорчук Л., Луб П., Шарибура А., Спічак В., Бурил-

ко А., Тринько П. Управління технологічним ризиком у проектах збиральних комплексів // Вісн. Львів. держ. аграр. ун-ту: Агроінженерні дослідження. – 2005. - №9. – С.88-94. (автором виконано виробничі експерименти та обґрунтовано метод визначення термінів початку ґрунтообробного процесу в літньо-осінній період).

12. Сидорчук О.В., Луб П.М. Формалізація умов використання комплексу ґрунтообробних машин // Механізація та електрифікація сільського господарства. – Глеваха, 2005. - Вип. 89. – С.109-119. (автором виконані виробничі експерименти та обґрунтовано теоретичні розподіли тривалості погожих та непогожих проміжків обробітку ґрунту).

13. Сидорчук О., Луб П., Татомир А., Бурилко А. Метод визначення втрат врожаю сільськогосподарських культур внаслідок несвоєчасності механізованих процесів рільництва // Матеріали V ювілейної Міжнар. наук.-техн. конф. “Механізація і енергетика сільського господарства “МОТРОL 2005”. - Одеса, 2005. – Том.7. -С. 87-91. (автором проаналізовано головні методи та моделі дослідження механізованих процесів рільництва)

14. Сидорчук О.В., Луб П.М., Гринько П.В. Головні явища процесу механізованого обробітку ґрунту // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. – Кіровоград: КДТУ, 2005. – Вип. 35. - С. 66-71. (автором проаналізовано та виокремлено множину головних подій та явищ процесу механізованого обробітку ґрунту).

15. Сидорчук О.В., Тимочко В.О., Татомир А.В., Луб П.М., Бурилко А.В. Аналіз чинних науково-методичних засад визначення потреби в техніці сільськогосподарських підприємств // Сільськогосподарські машини Волин. відділення ІАУ. – Луцьк, 2005. – С. 164-170. (автором проаналізовано науково-методичні засади обґрунтування параметрів комплексу машин СГП, наведено недоліки чинних методів та моделей).

16. Аналіз та обґрунтування машинно-технологічного забезпечення малих сільськогосподарських формувань: Звіт про наук.-досл. роботу / О.В. Сидорчук, В.М. Боярчук, А.М. Тригуба, В.О. Тимочко, П.М. Луб та ін.; Львів. держ. аграр. ун-т. – № 25-07/2004юр; Інв. № 0206U004411. – Львів, 2005. – 117 с. (автором розроблено алгоритм, програмне забезпечення, виконано моделювання ґрунтообробного процесу та отримано результати комп’ютерних експериментів).

АНОТАЦІЯ

Луб П.М. Обґрунтування параметрів комплексу ґрунтообробних машин сільськогосподарського підприємства. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Львівський державний аграрний університет, Львів, 2006.

Розглядаються питання узгодження характеристики виробничої програми сільськогосподарського підприємства з параметрами одиничного комплексу ґрунтообробних машин на підставі обґрунтування показників системної ефективності процесу механізованого обробітку ґрунту весняного та літньо-осіннього періодів. Розроблені нові методи, моделі та методики, які уможливлюють розкриття сукупної дії на ефективність процесу обробітку агрокосмічних, агрометеорологічних, предметних (агрофонових та природно-рельєфних), технічних, технологічних та організаційних (тактичних і стратегічних) груп чинників, їх причинно-наслідкових зв’язків та ймовірного характеру окремих чинників. Отримано, проаналізовано та узагальнено результати виробничих і комп’ютерних експериментів. Виконано оптимізацію виробничої площі підприємства для структури характерних культур Малого Полісся Львівської області та обґрунтовано ефективні параметри одиничного комплексу ґрунтообробних машин за різних значень його потужності.

Ключові слова: ґрунт, обробіток, програма, комплекс,