Ученые АПК - производству

Профессор Кузьмин М.В., доцент Сметнев А.С., ст. преподаватель Юдин Ю.Б. (ФГБОУ ВО РГАЗУ) Повышение эффективности использования высокопроизводительных МТА (опыт системного подхода) 24.10.2020 00:00

Сельскохозяйственные предприятия любой формы собственности от малых семейных до крупных агрофирм являются сложными био-техно-социальными системами, состоящими и биологической, технической и социальной подсистем. Эффективность системы в целом определяется эффективностью каждой подсистемы. В свою очередь эти подсистемы (первого уровня) состоят из нескольких подсистем более низкого уровня. Техническая подсистема включает подсистему производственной эксплуатации и подсистему технической эксплуатации (технического сервиса). Поэтому эффективность использования машинно-тракторных агрегатов определяется как минимум эффективной работой этих подсистем. 

Основной рабочей технической единицей в полеводстве является мобильный машинно-тракторный агрегат (МТА), поэтому эффективность его использования во многом определяет эффективность работы технической подсистемы и предприятия в целом. Поэтому настоящая статья посвящена изложению мероприятий, повышающих эффективность использования МТА. Содержание статьи определено на основе мониторинга затруднений по данному вопросу у студентов РГАЗУ, являющихся руководителями и специалистами с.-х. предприятий, а также фермерами. Статья может использоваться руководителями и специалистами с.-х. предприятий в повседневной работе. 

Полевые работ должны выполняться в соответствии с операционными технологиями возделывания и уборки любой с.-х. культуры. Операционная технология включает в себя комплекс агротехнических, технических и организационных правил по высокопроизводительному использованию МТА, обеспечивающих качество полевых механизированных работ, соответствующее агротехническим требованиям, а именно: 1) агротехнические требования; 2) расчёт, комплектование и определение режимов работы МТА; 3) подготовка агрегатов к работе;4) подготовка к работе поля; 5) организация работы агрегатов; 6) контроль качества работы; 7) охрана труда и окружающей среды, 8) оценка эффективности. Операционные технологии являются руководством для агрономов, инженеров, руководителей бригад, фермеров и механизаторов. Поэтому мы приводим рекомендации по эффективному использованию каждого её раздела.

В агротехнических требованиях вначале излагаются показатели качества выполняемой с.-х. работы; затем указывается связь данной операции с предыдущей и последующей, устанавливаются возможные технологические схемы работы МТА. Так как технологами в полеводстве являются агрономы, то мы не будем излагать рекомендации по этому вопросу.

При расчёте, комплектовании и определение режимов работы МТА выбирают типы тракторов и с.-х. машин в зависимости от агротехнических требований, возделываемой культуры, выполняемой работы и местных условий. Основным уравнением агрегатирования является                                              

     (1)

где Р_кр ― сила тяги на крюке трактора; ξ ― коэффициент её использования; R_i ― сопротивление сельскохозяйственной машины; n ― число машин в МТА.

Методы расчёта и комплектования МТА хорошо известны и изложены в учебной и справочной литературе [1], поэтому мы их не излагаем. Основной трудностью при агрегатировании в настоящее время является выбор значения Р_кр, так как в литературе трудно найти тяговые характеристики современных тракторов. В технических характеристиках современных тракторов значения Р_кр не указываются, поэтому для составления агрегата с с.-х. машинами необходимо ориентироваться на указания, приводимые в справочных данных по с.-х. машинам, — с тракторами каких марок их целесообразно соединять.

В связи с этим можно использовать приближенные методы расчета Р_кр при условии, что трактор полностью загружен и работает на всех передачах с номинальной мощностью двигателя N_е.

1. Если в технической характеристике трактора указан его класс (иногда пишут класс тяги), то упрощенно выражение его в кН можно принять за величину Р_кр на первой передаче. Например, классу 1,4 соответствует Р_кр1= 14 кН, классу 2 — Р_кр1 = 20 кН и т.д. Так как тяговое усилие Р_крi на i-й передаче уменьшается относительно Р_кр1 в отношении V_i /V₁ раз, то Р_крi определится по формуле:

                                             Р_крi = Р_кр1V₁ / V_i.                                                             (2)

Но в связи с тем, что реально Р_кр на первой передаче отличается от значения класса трактора этот метод будет недостаточно точен.

2. Для определения Р_крi на передаче i можно использовать значение номинальной мощности двигателя, указанное в технической характеристике трактора. Для определения Р_кр1 сначала определяется N_кр на основе N_е с учетом тягового КПД трактора для различных условий работы:

                                           N_кр = η_тягN_е.                                                                     (3)

Значения η_тяг изменяются в зависимости от передаточного отношения трансмиссии трактора, состояния почвы и конструкции движителя. Можно считать, что на стерне η_тяг имеет примерно следующие значения: для колесных тракторов — 0,70‒0,75, для гусеничных — 0,75‒0,80. На рыхлых почвах η_тяг имеет примерно следующие значения: для колесных тракторов — 0,50‒0,55, для гусеничных — 0,65‒0,75. Тогда:

                                       Р_кр1 = 3,6η_тягN_е / V₁ = 3,6N_кр /V₁,                                      (4)

где Р_кр1 измеряется в кН, N_кр — в кВт, V₁ — в км/ч. 

Р_кр на остальных передачах определяется по формуле (2).

3. На основе ГОСТ 27021—86 [2] номинальное тяговое усилие трактора (кН) составляет:

                                      Р_кр ном = Аm_э,                                                                      (5)

где А — коэффициент, зависящий от массы трактора; 

m_э — эксплуатационная масса трактора, кг, приведенная в его технической характеристике.

Для сельскохозяйственных тракторов с эксплуатационной массой до 2600 кг А = 3,24 × 10^-3, для тракторов с двумя ведущими колесами (4К2 и 3К2) с эксплуатационной массой свыше 2600 кг А = 3,73 × 10^-3, для четырехколесных тракторов с четырьмя ведущими колесами (4К4) и эксплуатационной массой свыше 2600 кг А = 3,92 × 10^-3, для гусеничных тракторов А = 4,9 × 10^-3. При отсутствии данных для определения эксплуатационной массы тракторов ее рассчитывают на основе конструкционной массы m_к: m_э = 1,15m_к для колесных тракторов, m_э= 1,08m_к для гусеничных тракторов.

На основе этого можно приблизительно определить значения Р_кр на любой передаче трактора, если считать, что трактор работает с полной загрузкой двигателя. Тогда принимаем, что: 

                                                   N_{кр ном} = N_кр1,

где N_кр1 — крюковая мощность на первой передаче. 

С учетом этого сила тяги на крюке (тяговое усилие) на первой передаче (в кН) определяется по формуле (5), а на остальных передачах — по формуле (2).

Недостаток последнего метода заключается в том, что значения А для современных тракторов могут отличаться от приведенных в ГОСТ 27021—86 [1]. Недостатком всех трех методов является то, что не учитываются условия работы трактора (например, его неполная загрузка), но их применение дает возможность получить достаточную для практических потребностей точность.

В конце любого расчета надо обязательно определить действительный коэффициент использования тягового усилия ξ_действ:

ξ_действ = R_{агр действ} /Р_{кр табл},

так как Р_кр табличное (как правило) не совпадает с Р_кр расчетным. При нормальном агрегатировании ξ_действ = 0,85‒0,95. Если ξ_действ намного меньше этих значений, необходимо использовать более высокую передачу, другой трактор, перейти на работу на частичных режимах, когда мощность двигателя меньше номинальной. Последнее возможно, так как ТНВД дизельных двигателей тракторов оснащены всережимными регуляторам.

Подготовку МТА к работе проводят на твердой ровной (горизонтальной) площадке. Агрегат на площадке устанавливается в рабочее положение. Затем проводят регулировку трактора и технологические регулировки с.-х. машин. Следует отметить, что 

технологические регулировки с.-х. машин необходимо выполнять обязательно 2 раза: на площадке при подготовке МТА к работе и при первых проходах по полю. Наиболее эффективным методом является регулировка машин во время работы с использованием методов точного земледелия. Нормы посева и посадки, внесения удобрений изменяются в зависимости от обеспеченности почвы питательными веществами, рабочие скорости комбайнов — от урожайности и состояния посевов и посадок.

При подготовке поля его разбивают его на загоны, по обоим концам отмечают поворотные полосы при невозможности поворота МТА за пределами загона. Соотношение длины загона L к его ширине С рекомендуется в пределах L/С = (5…8):1. Площадь загона целесообразно выбирать примерно равной сменной выработке агрегата. При возделывании пропашных культур поворотные полосы ими нельзя засевать, так как при уходе за растениями МТА на них всё сомнут. С поля необходимо убрать посторонние предметы и отметить препятствия, которые надо объезжать. Конфигурацию загона целесообразно выбирать прямоугольной формы. Дополнительно необходимо отметить линию первого прохода МТА и места заправки семенами, удобрениями, ядохимикатами.

Организация работы агрегата. Агрегат на поле движется одним из следующих основных способов: гоновым (челночный, вразвал, всвал, перекрытием, комбинированный), диагональным, перекрестным, диагонально-перекрестным, вкруговую (по контуру участка от периферии к центру и наоборот), фигурными с соответствующими поворотами.

При выполнении полевых механизированных работ с использованием широкозахватных МТА появляется проблема точности вождения. Пользоваться маркёрами, пенными и другими приспособлениями проведения линии (борозды, следа), для движения по нему колеса трактора крайне неудобно. Для точного вождения МТА необходимо использовать систему  параллельно вождения с использованием GPS/ГЛОНАСС- навигации для вождения МТА. Такое вождение возможно в трех вариантах.

1. Вождение по указателю размеченной на экране монитора траектории с визуальной обратной связью (визуальным контролем отклонений фактической траектории от построенной бортовым компьютером аналогично вождению с использованием механического или пенного следоуказателя).
2. Полуавтоматическое управление направлением движения. В этом случае трактор оснащается исполнительным механизмом (подруливающим устройством). Водитель вручную выполняет разворот агрегата в конце рабочего гона, въезжает в зону следующего рабочего прохода, включает режим автовождения – передает управление направлением движения бортовому компьютеру.
3. Автоматическое управление направлением движения и на рабочем гоне, и на поворотной полосе. Этот вариант в настоящее время широкого распространения пока не получил, хотя имеется информация о разработке и использовании отдельных образцов таких полностью автоматизированных агрегатов – тракторов-роботов.

При оснащении машинно-тракторных агрегатов системами GPS/ГЛОНАСС навигации и бортовыми компьютерами, становится возможным решение целого ряда задач, повышающих эффективность использования агрегатов и растениеводства в целом: параллельное вождение, использование электронных карт для интегрального внесения удобрений, дистанционный контроль за передвижениями машинно-тракторных агрегатов, за неэкономным стилем вождения.

Количество выполненной МТА работы (га, кг, т, м³) установленного качества за единицу времени (в с.-х. за 1час) определяет его производительность. Производительность мобильных МТА за час сменного времени по формуле

                                                             W = W _ч τ = 0,1·В_рV_рτ,                                            (6 )

где W_ч ― производительность МТА за час чистой работы; τ – коэффициент использования времени смены; В_р ― рабочая ширина захвата; V_р ― рабочая ширина захвата.

Коэффициент τ = Т_р/Т_см  (0 < τ <1) показывает, какую часть общего времени смены Т_см составляет рабочее время Т_р. При расчётах принимают, что τ не зависит от W_ч. Сменная выработка (в гектарах) определяется по формуле:

                                                 W_св = 0,1 В_р v_р τ Т_см,                                                   (7)

где Т_см – продолжительность смены, ч. 

Предельные законы теории производительности МТА. При определении W по формуле (6) τ является постоянной величиной, не зависящей от W_ч. В производственных условиях при значительном увеличении W_чрост производительности замедляется. Величина τ определяется соотношением рабочего времени смены Т_р и нерабочего временем смены Т_нер , через соотношение которых определим : 

                              τ = Т_р/(Т_р+Т_нер) = 1/(1+(Т_нер/Т_р)).                                              (8)

Так как W_см = W_ч τ Т_см = W_ч Т_р , то Т_р = W_см /W_ч., Подставляя в (8) значение Т_р, получим, что 

                                         τ = 1/ (1 + Т_нер W_ч / W_см)                                                     (9)

В (9) (Т_нер / W_см) = t_нер есть удельное нерабочее время, приходящееся на единицу обработанной площади(ч/га). Тогда

τ = 1/ (1 + Wч t_нер),                                                          (10)

                                                  W=W_ч /(1 + W_ч t_нер),                                                      (11)

                                                   W_св=W_ч T_см/(1+W_ч t_нер)                                                 (12)

                                                                           t_{нер =}  (1-τ)W_ч  τ                             (13)

Таким образом, имеем две предельные закономерности изменения W при увеличении W_ч: линейная зависимость при постоянном значении τ (6)  и нелинейная при постоянном значении t_нер  (12).В общем случае τне является константой, а зависит от W_ч и t_нер Для обеспечения линейности функции W = f(W_ч) необходимо, чтобы t_нер уменьшалось по гиперболе (13) при τ = const [3].

   На рис. 1 представлены зависимости W, τ, t_нер  (1, 2, 3) от W_ч при постоянном значении  и при постоянном значении t_нер   (4, 5, 6) для МТА шириной захвата 10,8 м. При V_p = 6 км/ч, τ = 0,75,  W_ч = 6,48 га/ч. Это значение W_ч = 6,48 га/ч и τ = 0,75 приняты как начальные условия для расчета W по формуле (11), чему соответствует точка А. 

Таким образом, получаются две предельные закономерности изменения W: при =сonst (6), при t_нер=const(11).Заштрихованная зона (рис. 1) между двумя указанными предельными закономерностями изменения Wхарактеризует возможность увеличения производительности МТА при уменьшении t_нер по гиперболе (13) по сравнению с t_нер = const. 

Рис. 1 Зависимости W, τ, t_нер от W_ч  при постоянном значении τ:  1 – W = 0,75W_ч;  2 –  τ = 0,75; 3 – t_нер = 1/3W_ч; при постоянном значении t_нер:  4 – t_нер = 0,25/6,480,75 = 0,05 ч/га; 5 – W = W_ч /(1+0,05W_ч); 6 – τ = 1/(1+0,05W_ч)

 

В случае определения W по (11) при t_нер = const их значения будут существенно зависеть от начальных условий, что видно из графиков рис.2.

Рис.2. Зависимости W = f(W_ч) и τ  = f(W_ч), при W_чн = 6,48 га/ч, t_нер = 0,05 ч/га:

1 и 3; при W_чн=10,8 га/ч, t_нер= 0,03 ч/га: 2 и 4; W_чн– начальные значения W_ч 

(в точке А и В соответственно).

 

Это свидетельствует о том, что приведенные в справочниках данные о значениях τ должны содержать W_ч, при которых получены эти значения для каждого вида с.-х. машин. В общем случае экстраполяция назад (в области АО и ОВ), а также проведение зависимостей W из нуля некорректны. Это объясняется тем, что производительность реально получалась при V_P>0 и В_Р>0. Поэтому графики W=f(W_ч) следует строить не с нуля, а со значений W_ч, при которых экспериментально определялось или рассчитывалось значение τ, как это представлено на рис.2.

Всё изложенное свидетельствует о том, что значение τ не характеризует полностью совершенства организации полевых работ, так как при одном и том же значении τ (например при 0,7) при W_ч = 1 га/ч потери времени при обработке одного гектара составят t_нер ≈ 0,43 ч/га, а при W_ч = 5 га/ч эти потери составят всего 0,086 ч/га.  Очевидно, что вторая операция организована лучше, и повысить W и τ при ее выполнении будет труднее. Поэтому совершенство организации выполнения любой операции правильнее оценивать значением t_нер.

Значения t_нер, соответствующие определенным величинам W_ч и τ, приведены в таблице 1. Их можно использовать для определения W = f(W_ч, t_нер при указанных в ней начальных условиях.

     Таблица 1 Значения нерабочего времени смены

Значения Wч, га/ч	Значения  tнер в часах при указанных величинах τ
	τ=0,85	τ=0,8	τ=0,75	τ=0,7	τ=0,65	τ=0,6
1	2	3	4	5	6	7
1	0,176	0,250	0,333	0,429	0,539	0,667
2	0,088	0,125	0,167	0,214	0,269	0,333
3	0,054	0,083	0,111	0,143	0,180	0,222
4	0,044	0,063	0,083	0,107	1,135	0,167
5	0,035	0,050	0,067	0,086	0,106	0,133
7	0,029	0,042	0,056	0,071	0,090	0,111
8	0,025	0,040	0,048	0,061	0,077	0,095
9	0,022	0,031	0,042	0,054	0,067	0,083
10	0,020	0,028	0,037	0,048	0,060	0,074
11	0,017	0,025	0,033	0,043	0,054	0,067

При неограниченном увеличении W_ч→∞ и t_нер = const производительность МТА за час сменного времени стремится к пределу

                                               W_макс = lim W_ч/(1+W_ч t_нер) = 1/t_нер.                           (14)

Поэтому расчеты W и W_см при τ=const (линия1 на рис. 1)дают завышенные значения указанных величин, при увеличении W_ч эта ошибка возрастает.

При использовании более производительной техники без изменения организации вспомогательных операций (t_нер=const) рост W и W_см замедляется и ограничивается значением, указанным в (14). Поэтому большое внимание при значительном увеличении W_ч следует уделять методам увеличения τ уменьшением составляющих показывает, что уменьшением какой-то составляющей Т_нер нельзя значительно повысить W  МТА, так как  имеется 20 нормируемых составляющих Т_нер. Более эффективным путём является уменьшение большинства (лучше всех) составляющих Т_нер. В первую очередь надо заняться теми нерабочими затратами времени смены, которые имеют большую величину по времени.

Структура затрат нерабочего времени зависит от положения дел в предприятии, от уровня организации технического обслуживания, от качества обработки полей и т.п. В результате исследований и обобщения опыта работы установлено, что наибольшие затраты нерабочего времени приходится на выполнение следующих операций:

Т_орг ― по организационным причинам: ожидание подвоза семян и удобрений, транспортных средств отвозки продуктов урожая от уборочных комбайнов, ожидание указаний о выполнении работы и др. Т_то ― технологическое обслуживание агрегата: загрузка семенами и удобрениями, ядохимикатами, водой, выгрузка продуктов урожая из бункеров комбайнов и др. Т_унт ― время на устранение нарушений технологического процесса: очистка рабочих органов от соломы, частей растений и т. п.

Т_дх ― холостые проходы агрегата, вызванные сложной конфигурацией; остановка из-за каменистости в результате недостаточной подготовки полей к работе МТА.

Т_п.п. ― подготовка поля к работе (отбивка загонов, обкосы и др.)

Т_у.е. ― устранение мелких неисправностей.

Т_о ― объезд препятствий, мешающих движению агрегата (столбы, валуны, пни),

Т_тн. ―  время на устранение неисправностей, которое зависит не только от состояния техники, но и от качества подготовки полей к работе.

Исходя из этого, нами предложена система мероприятий по уменьшению всех нормируемых составляющих Т_нер, которые представлены в виде логистической матрицы [3, 4]. Их следует использовать при анализе эксплуатации МТП хозяйства и при организации работы по увеличению производительности МТА. Мероприятия подразделяются на технические, технологические, организационные (административные), мелиоративные, кадровые и социальные, обучающие, внедрение результатов НИР, изобретательской и рационализаторской деятельности, а также опыта передовиков и новаторов. Этот опыт, к сожалению, в последнее время перестал учитываться и распространяться.

Контроль качества работы. Требования к качеству выполнения различных полевых работ изложены в агротехнических требованиях. Их выполнение осуществляется проведением контроля. Существует три вида контроля: входной, текущий (оперативный) и приемочный. При использовании компьютеризированных МТА появляется возможность осуществлять контроль качества и регулировку машин с места оператора без остановки МТА, что значительно повышает качество работы и производительность МТА, но недостаточно полно используется.

Методы повышение эффективности использования МТА следует разрабатывать в с.-х. предприятии в соответствии со следующим алгоритмом:

1. Определение фактических показателей производительности МТА и качества работы, выявление недостатков в работе МТА, анализ непроизводительных затрат времени при выполнении полевых работ.
2. Определение причин появления выявленных недостатков.
3. Разработка мероприятий по устранению недостатков в работе МТА и вызывающих их причин. 
4. Составление плана реализации разработанных мероприятий.
5. Организация и обеспечение (материально-техническое, финансовое, кадровое и др.) выполнения плана мероприятий по повышению производительности и качества работы МТА.

Литература:

1. Курочкин, И.М. Производственно-техническая эксплуатация МТП : учебное пособие/ И.М. Курочкин, Д.В. Доровских. – Тамбов : Издво ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012 – 200 с.

2.  ГОСТ 27021-86 (СТ СЭВ 628-85) Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные. Тяговые классы. ― М.: Издательство стандартов, 1986.

3.  Кузьмин М.В. Нетрадиционные рабочие органы для технико - технологической модернизации сельскохозяйственного производства: дисс… д-ра техн. наук. М.: 2009, 430 с.

4. Кузьмин М.В., Тараторкин В. М. Разработка системы повышения производительности МТА / М.В. Кузьмин, В. М. Тараторкин //Аграрный форум. – 2011. – 1 (83). –С. 30 –33.