Methodology for the development of agricultural modular aggregates

Full Text

Введение Территории федеральных округов России подразделены на регионы и основные сельскохозяйственные (с.-х.) производственные зоны, каждая из которых отличается характерными природно-климатическими и почвенными условиями [1]. Сумма годовых температур, количество выпадаемых осадков и их распределение в периоды вегетации растений определяют возможные наборы возделываемых с.-х. культур и их чередование, технологии их возделывания и уборки, календарные сроки выполнения и связанные с ними годовые объемы работ. Все эти факторы являются основополагающими при выборе и обосновании составов агрегатов машинно-тракторного парка (МТП) для растениеводства в с.-х. предприятиях (СХП) каждого из округов и входящих в него регионов. Не совсем благоприятное географическое положение и климатические условия природной среды в целом существенно снижают возможности успешного развития сельского хозяйства в России. Так, территории с благоприятными условиями для ведения с.-х. производства (Северный Кавказ, Центрально-Черноземный район и Среднее Поволжье) занимают чуть более 5 % страны. В силу отмеченных выше особенностей в СХП вынуждены применять технологии возделывания с.-х. культур с минимизацией затрат. В постсоветский период в связи с появлением различных форм собственности в СХП существенно изменились и их размеры. Наряду с бывшими колхозами и совхозами, реорганизованными в структурные формирования в виде отрытых или закрытых акционерных обществ, появились как крупные агрохолдинги, так и фермерские хозяйства, площади пашни которых составляют от десятков тысяч до нескольких сотен га. Сложившийся уровень финансового и материально-технического обеспечения производства продукции в СХП России привел к резкому снижению их покупательной способности и в целом оказал негативное влияние на отрасль с.-х. машиностроения. Отказ многих СХП от ведения у себя сопутствующих отраслей, например животноводческой, при производстве основной продукции которых широко применялась побочная продукция растениеводства (солома и полова, отходы переработки зерна и семян), лишил их возможности получать регулярно в течение года денежные доходы. Это также привело к снижению урожайности в растениеводстве и общей эффективности деятельности СХП. Последние стали меньше приобретать новую с.-х. технику, в особенности тракторы и комбайны, что привело к сокращению фактического количественного состава МТП в СХП относительно его нормативной потребности, к резкому старению МТП и, как следствие, к несоблюдению технологий возделывания с.-х. культур и агросроков их проведения. Зачастую в СХП уборка зерновых культур вместо 10-12 нормативных дней продолжается 20-30 дней, что приводит к потерям зерна осыпанием и снижению его товарного качества. Наряду с этим, негативное влияние оказывает фактор постоянного роста цен на продукцию с.-х. машиностроения, а также снижение эффективности ее применения в СХП. Цель исследования Цель исследований состоит в разработке и систематизации материалов, посвященных раскрытию методологических аспектов разработки с.-х. модульных агрегатов нового поколения на базе МЭС с наборами СМ-А для их возможного применения в составах МТП СХП. Материалы и методы исследования На основании ранее выполненных нами исследований [2-6] были сформулированы требования, предъявляемые к мобильным или универсальным энергетическим средствам (МЭС или УЭС) нового поколения. Эффективное и конкурентноспособное производство продукции в современных условиях СХП требует применения в составах их МТП технических средств или систем принципиально нового поколения, совмещающих технологические функции и дополняющих существующие парки тракторов и с.-х. уборочных машин. Средства или системы нового поколения по своему конструктивному и технологическому исполнению, прежде всего, должны быть универсальными, высоко адаптируемыми к зональным условиям возделывания с.-х. культур в СХП. Кроме того, они должны включать в свой состав в качестве основных элементов несущие системы в виде самоходных шасси энергоносителей МЭС или УЭС, которые заменяют тракторы и уборочные машины и технологические системы в виде сменных модулей-адаптеров (СМ-А), заменяющие с.-х. машины или их части соответствующих комплектаций и назначения. Исполнение указанных систем должно бать осуществлено на современном техническом и технологическом уровне. Комплектации необходимых составов СМ-А определяются, прежде всего, исходя из перечня выполняемых технологических операций в производственных процессах в СХП. Эффективность работы составных агрегатов МЭС со СМ-А напрямую зависит от наличия на них штатных механизмов для обеспечения оперативного монтажа их в единые технологические агрегаты и обратного демонтажа. При этом, операции по агрегатированию шасси МЭС со СМ-А, как правило, должны осуществляться в автоматическом (или в полуавтоматическом) режиме с контролем их выполнения со стороны оператора из кабины шасси МЭС, а также за ходом сопряжения исполнительных механизмов агрегата (навесных устройств, рабочих органов, замков для фиксации, органов управления и других). Эффективность разработки модульных агрегатов должна проверяться и подтверждаться оценкой их функционирования методом наложения на модели СХП разных производственных специализаций с включением таких агрегатов в составы МТП. Разработка новых с.-х. модульных агрегатов на базе МЭС (УЭС) с комплектами СМ-А к ним в целом является сложной научно-технической проблемой для соответствующих отраслей науки и машиностроения. Проблема представляет собой интеграцию ряда отдельных задач, в том числе связанных с обоснованием и разработкой основных методических положений по рациональному комплектованию и агрегатированию между собой составных элементов - несущих и технологических систем в составе единых технологических агрегатах и их эффективному использованию в СХП. Различные методические подходы к решению проблем разработки и создания техники на принципах универсализации и комбинирования машин представлены в ряде работ [7-12]. Под руководством академика Рунчева М.С. [7] во ВНИИМЭСХ (ныне ФГБНУ «Аграрный «Донской») выполнен значительный комплекс исследований, посвященных разработке методов комплектования агрегатов на основе принципов универсализации и комбинирования, методов оценки их экономической эффективности. В работе Шуринова В.А. [8] преимущественно с позиций конструктора-разработчика раскрыты аспекты и методические положения, связанные с созданием с.-х. модульных агрегатов различного назначения, выполненных в виде УЭС с набором СМ-А. При этом недостаточно отражены технологические вопросы агрегатирования составных единиц агрегатов УЭС и СМ-А, а также вопросы технико-экономического обоснования и оценки эффективности функционирования таких агрегатов в условиях СХП. В работе Кутькова Г.М. [9] представлены классификация с.-х. МЭС по их назначению, конструктивные и компоновочные схемы их построения, варианты их соединения со СМ-А в технологические агрегаты для выполнения широкого спектра операций при производстве с.-х. продукции, в том числе на обработке почвы, посеве культур и уходе за ними. Также раскрыты некоторые аспекты и взаимосвязи систем - МЭС и СМ-А, их технологические основы и свойства, параметры, характеристики и другие показатели. В работе Евтенко В.Г. [10] систематизированы и раскрыты материалы мирового опыта по конструктивным и кинематическим схемам с.-х. агрегатов на базе несущих энергосредств - тракторов, МЭС, самоходных машин и другие аспекты их агрегатирования со СМ-А (машинами-орудиями), а также спрогнозированы перспективы дальнейшего развития таких несущих энергосредств. В работе Петрова Г.Д. и др. [11] рассмотрены вопросы текущего состояния узкоспециализированных средств механизации на примере конструкций самоходных машин для уборки корне-и клубнеплодов, овощной продукции в условиях СХП на основе составных агрегатов в виде высвобождаемых энергетических средств - МЭС и сменных машин-орудий, показаны тенденции и перспективы их дальнейшего развития. Зарубежными авторами [12], с позиции решения изобретательской задачи, раскрыты отдельные аспекты построения универсальной конструкции зерно- и кормо-уборочных агрегатов на базе единого несущего энергетического средства - МЭС с перемещаемой вдоль его шасси кабиной управления и монтируемых на навесном устройстве шасси МЭС и сверху на нем составных СМ-А. Уборочные СМ-А предназначены, например, для выполнения операций уборки урожая с.-х. культур. Конструкции модульных кормоуборочных агрегатов на базе МЭС «Xerion» и СМ-А реализованы в опытных образцах фирмой СLAAS из Германии, которые имеют непрямоточные и зауженные технологические тракты продвижения продуктов уборки между составными СМ-А и снижают производительность агрегата. В ряде работ [2-6] раскрыто состояние проблематики развития и построения с.-х. модульных агрегатов. Затронуты вопросы методологии разработки модульных агрегатов, технико-экономического обоснования и оценки эффективности применения таких агрегатов в условиях СХП, перспективы технических и технологических направлений совершенствования компоновок и конструкций составных агрегатов МЭС и СМ-А, в том числе их патентной защищенности [13-17]. Актуальность приводимых в статье исследований заключается в том, что в литературных источниках отсутствуют систематизированные материалы по рассматриваемой проблематике, то есть не в полной мере раскрыты методологические аспекты разработки универсальных агрегатов нового поколения на базе МЭС и набора СМ-А, предназначенных для выполнения технологических операций при производстве с.-х. продукции. Предметом исследований являются аспекты методологии разработки модульных агрегатов на базе несущих систем в виде МЭС и технологических систем - в виде СМ-А, их взаимосвязи, свойства, параметры и показатели эффективного использования. Новизна исследований состоит в системном подходе к разработке модульных агрегатов на базе МЭС и СМ-А с позиций конструктора-разработчика, технолога-эксплуатационника, исследователя и испытателя с оценкой показателей эффективности функционирования новых агрегатов в составах МТП методом наложения на модели СХП. При проведении исследований использованы элементы аналитических и статистических методов. Эффективность новых агрегатов в сравнении с агрегатами из серийной техники оценена в составах МТП методом наложения на одну модель СХП зернопроизводящего региона юга России. При этом использован разработанный в ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской» алгоритмно-программный комплекс «Автоматизированная система проектирования технического оснащения растениеводства» (АСПТОР) по оптимизации составов МТП, раскрыты в работе Бурьянова А.И., Бурьянова М.И. Дмитренко А.И. [2]. Основные результаты исследований и их обсуждение Для реализации поставленных задач нами предложена укрупненная схема поэтапной разработки с.-х. модульных агрегатов, которая проиллюстрирована на рис. 1 и раскрыта на примере агрегатов из составных систем - несущей (МЭС) и технологической (СМ-А). Этапы включают группы блоков, связанных: № 1-8 - с выбором варианта специализации МЭС (универсального или специального назначения), обоснованием компоновки МЭС, класса и основных параметров; № 9-13 - с обоснованием состава СМ-А, их типов (технологического или другого назначения) и параметров для агрегатирования совместно с МЭС; № 14 - с обоснованием зернопроизводящих моделей СХП (по производственной специализации и зональной принадлежности) для технико-экономической оценки эффективности новых модульных агрегатов; № 16-17 - с выбором вариантов комплектации агрегатов (базовой и новой) в составе МТП СХП (на базе серийной техники или МЭС и СМ-А); № 18-22 - с моделированием функционирования различных вариантов комплектации МТП по рассматриваемым моделям СХП и специализации МЭС; с их технико-экономической оценкой (ТЭО) и оптимизацией составов МТП; с выдачей результатов (расчетом потребности в альтернативных агрегатах по сравниваемым составам МТП на операциях); с их технико-экономической оценкой и выбором оптимальных вариантов технического оснащения); № 23-24 - с разработкой конструкторской документации (КД) на образцы МЭС и СМ-А, их изготовление и испытание. При выборе специализации МЭС по назначению (универсальному или специальному) прежде всего определяют варианты комплектации его шасси набором СМ-А, компоновку самого шасси МЭС и способы соединения его с СМ-А между собой в единые технологические агрегаты (рис. 2). В перспективе предпочтение отдают ходовым шасси МЭС с колесами одинакового диаметра (например МЭС «XERION»-3300/3800 фирмы CLAAS [18]), (рис. 2, а). Недостатком предложенных схем зерно- и кормоуборочных модульных агрегатов является ассимметричное расположение технологических модулей к направлению движения обрабатываемого продукта, что существенно снижает производительность всего технологического агрегата. Совокупность же нижнего расположения силовой установки на шасси МЭС в его межколесном пространстве и перемещения кабины управления относительно шасси МЭС в технических и технологических решениях по патентам ФГБНУ СКНИИМЭСХ [13-14] создают возможность для монтажа сверху на шасси СМ-А разного назначения. Это способствует повышению эргономики конструкции при агрегатировании шасси со СМ-А и управления агрегатом в ходе выполнения операций, а также возможности построения модульных уборочных агрегатов с прямоточным продвижением, с момента подачи в наклонную камеру убраемого продукта, в течение всего технологического процесса. При разработке модульных агрегатов нового поколения необходимо сочетать технологические возможности МЭС как тягового, так и тягово-энергетического исполнения. Конструкции их трансмиссии должны обеспечивать развиваемую мощность силовых установок как на преодоление тягового сопротивления (Nтяг), так и на привод (Nприв) активных рабочих органов на СМ-А. Соединение СМ-А и МЭС между собой посредством его навесных и прицепных устройств, а также размещение и монтаж СМ-А сверху на шасси МЭС позволяют эффективно распределять полную массу агрегата по осям шасси МЭС или на колеса прицепной части агрегата (рис. 2, б и рис. 3) [16]. В первом и во втором случаях расвиваемые реакции на колесах каждой из осей R1, R2 и R1, R2 и R3 примерно одинаковы между собой по величине. Однако при этом абсолютные значения величин реакций составляют около 50 % для первого случая и примерно около 33 % - для второго. Выбор класса МЭС и его основных параметров по массе и тяговой мощности осуществляют в соответствии с действующей в России и в странах СНГ классификацией с.-х. тракторов и МЭС. Обоснование типа применяемых с МЭС СМ-А, их состава в агрегате и параметров выполняют исходя из назначения СМ-А и их конструктивного исполнения (рис. 4, а). При создании уборочных агрегатов модульного построения предпочтение отдают прямоточному перемещению убранного продукта по технологическим трактам рабочих органов СМ-А [13, 15]. Более эффективная и производительная работа МЭС со СМ-А возможна при оснащении шасси МЭС своим штатным механизмом замены СМ-А разных конструктивных исполнений (рис. 4, б). Наибольшее применение на практике нашли технические элементы рычажных механизмов замены СМ-А на шасси МЭС с сочетанием конструкций СМ-А на стояночных опорах [3, 6, 13], а также системы типа «Мультилифт» [15]. Оценка эффективности разрабатываемых универсальных агрегатов модульного построения в условиях их предполагаемой эксплуатации выполняется с применением известного в экономике метода наложения на объемы работ «типовых хозяйств». Сфера научной деятельности нашего ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской» охватывает территории основных зернопроизводящих регионов юга России, которые подразделены в свою очередь на подзоны. Последние включают 11 подзон: в Краснодарском крае - Северную, Центральную, Западную и Анапо-Таманскую; в Ростовской области - Северную, Южную и Восточную; в Ставропольском крае - Овцеводческую, Зерново-овцеводческую, Зерново-скотоводческую и Прикурортную. Для адекватной оценки универсальных модульных агрегатов в составах МТП, применительно к условиям каждой из подзон этих регионов, в ФГБНУ «АНЦ «Донской» в качестве «типовых хозяйств» синтезированы модели СХП с размером площади пашни в 5000 га. На основе рекомендованных для регионов и подзон хозяйствования норм внесения удобрений и средств защиты растений в соответствии с действующими «Системами ведения с.-х. производства…» выбраны рациональные севообороты возделываемых культур. В качестве примера рассмотрена модель СХП Южной подзоны Ростовской области в составе МТП этой модели и оценены новые модульные агрегаты. В расчетах заложены образцы конструкций МЭС и СМ-А со следующими технико-эксплуатационными характеристиками: мощность силовой установки (двигателя) МЭС - 184 кВт; масса шасси МЭС - около 9000 кг; масса зерноуборочного СМ-А - около 9500 кг (рис. 3). С использованием алгоритмно-программного комплекса АСПТОР [2] проведены оптимизационные расчеты. По результатам последних определены для модели СХП оптимальные варианты комплектации составов МТП из агрегатов как на базе серийной техники (базовый), так и МЭС со СМ-А (новый) на выполнении годового объема работ, а также показатели эффективности использования этих вариантов комплектации МТП (см. табл. 1). Данные таблицы показывают, что в «новом» варианте комплектации состава МТП, в сравнении с «базовым», общая потребность в энергомашинах снижается более чем на 33 %, или на 10 единиц. При этом потребность в тракторах сокращается более чем на 44 %, или на 8 единиц, а самоходные зерноуборочные (10 единиц) и кормоуборочные комбайны (2 единицы) полностью заменяются модульными агрегатами на базе МЭС (10 единиц) и СМ-А (12 единиц, из них 10 зерноуборочного и 2 кормоуборочного назначения). Применение нового состава МТП и более эффективное его использование обеспечат снижение величин капитальных вложений в МТП и эксплуатационных затрат на его содержание соответственно более чем на 17 и 14 %. При этом величина ЧДД от использования нового состава МТП увеличивается более чем на 53 %. Полученные результаты оценки разрабатываемых модульных агрегатов свидетельствуют об их эффективности на данном этапе создания. Далее, при необходимости, могут быть проведены более широкие исследования с использованием моделей СХП разных специализаций такого же размера по площади пашни или на других площадях - более малых или крупных. После этого принимается решение об изготовлении опытных образцов модульных агрегатов и их испытании в реальных производственных условиях, по результатам которых окончательно решается вопрос об их производстве опытными партиями или мелкими сериями с привязкой технического и технологического оснащения конкретного предприятия-изготовителя. Выводы При разработке с.-х. модульных агрегатов нового поколения на базе МЭС и СМ-А необходимо создание единой методологии их проектирования, оценки эффективного функционирования в составах МТП СХП с учетом их зональных особенностей, различия в специализации и размерах. Для решения поставленных задач предложен один из вариантов методологии поэтапной разработки сельскохозяйственных модульных агрегатов. Включение в состав МТП модульных агрегатов (МЭС и СМ-А) модели СХП Южной подзоны Ростовской области обеспечивает снижение капитальных вложений в МТП и эксплуатационных затрат на его содержание соответственно на 17 и 14 % с одновременным увеличением ЧДД от использования МТП более чем на 53 %.

About the authors

A. I Dmitrenko

The Federal State Budget Scientific Institution «Agrarian Science Center «Donskoy»

Email: burjanov 2015@yandex.ru
PhD in Engineering

A. I Bur'yanov

The Federal State Budget Scientific Institution «Agrarian Science Center «Donskoy»

Email: burjanov 2015@yandex.ru
DSc in Engineering

Yu. O Goryachev

The Federal State Budget Scientific Institution «Agrarian Science Center «Donskoy»

Email: burjanov 2015@yandex.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files