Substantiation of machine and tractor fleet compositions and their efficiency on the basis of universal mobile power facilities for the main regions of the South of Russia

Full Text

Введение Начиная с 1990-х гг., наблюдается неуклонная тенденция к ухудшению состояния технического оснащения отечественного АПК. Тракторный и комбайновый парки сокращаются вследствие катастрофического старения техники и разрушения отечественного с.-х. машиностроения. На этом фоне наращивается интервенция в сельхозмашиностроении со стороны ведущих зарубежных фирм - как импорт «под ключ», так и сборка на территории РФ. Это в самом скором времени может напрямую угрожать продовольственной безопасности страны. Энергооснащенность аграрного комплекса России (на 1 га обрабатываемой площади) по сравнению с ведущими западными странами ниже в 3-7 раз [1]. Такое положение приводит к увеличению сроков выполнения механизированных, в том числе и уборочных, работ в 1,5-2 и более раза., по сравнению с агротехнически обоснованными. Увеличение продолжительности выполнения уборочных работ на 15-20 дней против нормативных 9-10 приводит к снижению валового сбора на 30-40 %, что крайне негативно влияет на экономическое положение хозяйствующих субъектов. Решением проблемы может стать универсализация энергетических средств и создание для агрегатирования с ними специальных уборочных адаптеров различного назначения. Такие исследования ведутся в течение достаточно продолжительного времени [2, 3]. Это предполагает возможность выполнения максимально широкого спектра механизированных работ одним и тем же типом техники. Одним из таких перспективных направлений в последнее время является создание универсального энергетического средства (условное наименование - УЭС), компоновочная схема и конструктивно-технологические параметры которого непрерывно совершенствуются на протяжении ряда лет [4, 5, 6, 7]. Однако при этом требуется принятие обоснованных решений на всех этапах жизненного цикла средств механизации и их комплексов для условий их возможного применения. Цель исследования Состоит в определении эффективности МТП модельных хозяйств основных товаропроизводящих зон юга РФ, имеющих различные площади землепользования, при применении в их составе УЭС с мощностью двигателя 184 кВт, снабженного специальными технологическими адаптерами для уборки зерновых культур и трав на сенаж и силос. Материалы и методы Определение составов и показателей эффективности осуществлялась посредством расчета оптимальных МТП для заданных параметров объектов наложения (модельных хозяйств): - на базе серийной техники; - с привлечение в качестве альтернативы универсального энергосредства. В качестве объектов наложения приняты типовые севообороты, имеющие наибольшую площадь и обеспечивающие основной выход товарной продукции растениеводства. К таковым относятся: - южная зона Ростовской области; - центральная зона Краснодарского края; - зерново-скотоводческая зона Ставропольского края. Для всех трех моделей расчеты проводились на следующих типоразмерах площади пашни: 1250, 2500 и 5000 га, т.е. от отделения сельхозпредприятия до хозяйства средних размеров. Использованы следующие схемы типовых севооборотов согласно Системам ведения АПК и рекомендациям зональных НИИ: - южная зона Ростовской области: 1. Пар черный. 2. Озимая пшеница. 3. Озимая пшеница. 4. Кукуруза на силос. 5. Озимая пшеница. 6. Зернобобовые. 7. Озимая пшеница. 8. Кукуруза на зерно. 9. Яровой ячмень. 10. Подсолнечник [8]; - Краснодарский край, центральная зона: 1. Кукуруза на зерно. 2. Озимая пшеница. 3. Сахарная свекла. 4. Озимая пшеница. 5. Озимый ячмень. 6. Подсолнечник. 7. Озимая пшеница. 8. Кукуруза на силос. 9. Озимая пшеница. 10. Зернобобовые и подсолнечник. 11. Озимая пшеница. 12. Многолетние травы (выводное поле) [9]; - Ставропольский край зерново-скотоводческая зона: 1. Зернобобовые. 2. Озимая пшеница. 3. Озимая пшеница. 4. Подсолнечник. 5. Кукуруза на силос. 6. Озимая пшеница. 7. Озимая пшеница. 8. Кукуруза на зерно [10]. В качестве альтернатив мобильной энергетике задействованы средства механизации различных тяговых классов, серийно выпускаемые заводами сельхозмашиностроения РФ и ближнего зарубежья, а также проектируемое универсальное энергетическое средство (условное наименование - УЭС-У). В результирующих таблицах не представлена стационарная и специализированная техника (как-то свеклоуборочные комбайны и т.п.). Цены на производимую продукцию, ТСМ, семена, удобрения, химикаты, а также средства механизации соответствуют уровню, сложившемуся на конец 2017 г. Определение потребности в средствах механизации и показателей эффективности комплексов машин осуществлялось путем расчета оптимальных составов машинно-тракторного парка для каждой из рассматриваемых моделей, как это предполагает ГОСТ [11]. В качестве инструментария использована автоматизированная система проектирования технологий и технического оснащения растениеводства, разработанная во ВНИПТИМЭСХ (ныне - ФГБНУ АНЦ «Донской», подразделение СКНИИМЭСХ). Система позволяет осуществлять расчет оптимального машинно-тракторного парка для различных производственных условий хозяйствующих субъектов. Определение состава МТП основано на применении модели частично-целочисленного линейного программирования, адаптированного к особенностям решаемой задачи [12, 13]. Общая схема получения необходимой расчетной информации представлена на рис. 1. Процесс включает 2 вложенных цикла: объемлющий - по моделям и внутренний - по типоразмерам. На каждом шаге алгоритма осуществляется расчет оптимального МТП для заданных условий (структура посевных площадей, размер землепользования) в двух вариантах: а) только с серийной техникой и б) с включением УЭС в альтернативы. Таким образом, рассчитывается 18 вариантов. Результаты исследования и обсуждение Наиболее существенными факторами, влияющими на состав технического оснащения хозяйства, являются: - зональное размещение, определяющее структуру севооборотов и сроки проведения работ; - размеры землепользования. Варьируемость этих факторов исследовалась в настоящих расчетах. В табл. 1 и 2 приведены результаты расчетов МТП для вышеперечисленных моделей при различных размерах их площади пашни. Из приведенных в таблицах данных видно, что во всех вариантах включаемые в состав МТП универсальные энергосредства заменяют зерноуборочные комбайны Acros и силосоуборочные Дон-680, а также снижают потребность в тракторах Агромаш-90ТГ, заменяя их на энергоемких работах. Влияние УЭС на наличие универсально-пропашных тракторов отсутствует, что объясняется невозможностью их использования при выполнении уходных работ за пропашными культурами. Из этого следует, что при снижении в структуре посевных площадей доли пропашных культур и культур, сроки возделывания и уборки которых не совпадают, уровень годовой загрузки универсальных энергосредств будет возрастать. Во всех трех моделях при увеличении площади пашни в два раза, практически во столько же раз увеличивается потребность в УЭС в предлагаемых вариантах. Наиболее наглядно снижение количественного состава мобильной энергетики при внедрении УЭС имеет место в модельном хозяйстве центральной зоны Краснодарского края площадью пашни 5000 га. Здесь в базовом варианте 37 единиц средств мобильной энергетики, а в предлагаемом 24 единицы, что весьма существенно влияет на потребность хозяйства в механизаторах. Интенсивность использования универсального энергосредства в этой модели может быть увеличена при его применении в качестве уборочной машины на уборке свеклы, так как этот вариант нами не рассматривался из-за отсутствия прогнозируемых параметров по свеклоуборочному адаптеру. Следует отметить, что тракторы общего назначения тяговых классов 40 кН и выше в процессе оптимизации МТП не выбраны по причине непропорционально высокого соотношения цена/производительность, а также недостаточной номенклатуры агрегатируемых орудий, способных обеспечить полную реализацию их потенциала. Гусеничные тракторы класса 30 кН (Агромаш-90ТГ и подобные, в основном выпускаемые ВгТЗ) присутствуют в МТП всех модельных хозяйств из-за нецелесообразности применения колесной техники в ранневесенний период (обычно 7-8 дней с начала полевых работ), а также необходимости выполнения работ по трамбовке зеленой массы гусеничными машинами при ее закладке на сенаж и силос. В остальные рабочие периоды данный трактор задействован на пахоте, сплошной культивации, лущении стерни и других, имея преимущества по показателю - цена/производительность. Потребность в основной мобильной энергетике изменяется во всех моделях практически линейно с увеличением площади пашни. Непропорциональное изменение количества высвобождаемых тракторов при увеличении площади землепользования есть следствие перераспределения выполняемых объемов работ между альтернативными агрегатами. Кроме того, имеет место округление при решении задачи целочисленного линейного программирования. Например, потребность в зерноуборочных комбайнах в пиковый период составляет 12,4 шт. Дробное количество машин, очевидно, является абсурдом. Округление до 12,0 означает недовыполнение объемов работ, что недопустимо. Точнее, при этом выбираются альтернативные машины, а при их отсутствии (единственный агрегат, способный выполнять данную операцию) производится округление вверх (в данном случае - до 13). Определяющими потребность в универсально-пропашных тракторах (класс 14 кН) являются периоды междурядной обработки пропашных культур, а также уборка сена (модельное хозяйство центральной зоны Краснодарского края), внесение удобрений, посев озимых, боронование и другие работы малой энергоемкости. Тракторы общего назначения класса 20 кН и выше имеют пиковую потребность, определяющую их максимальное количество, в период осенней глубокой обработки почвы (вспашка на 25-27 см). В различных модельных хозяйствах площади, требующие такой обработки, составляют до 50 % общего размера землепользования (пропашные, яровые, черный пар). Соответственно, в прочие периоды полевого сезона такие тракторы задействуются на других, в основном более легких, работах. Это относится и к лущению стерни (6-8 см) после уборки зерновых колосовых, а данный период не является, вообще говоря, пиковым для тракторов общего назначения. В случае же применения УЭС, последнее имеет ярко выраженный пик на уборке колосовых, полностью заменяя традиционные зерноуборочные комбайны. В остальные периоды УЭС максимально задействуется на прочих работах, в первую очередь на осенней вспашке. Будучи полноценным эквивалентом трактора класса 40 кН, УЭС высвобождает значительное количество менее мощных тракторов, в связи с чем пиковая потребность в них смещается на период уборки колосовых - лущение и последующую вспашку. Комбайны типа Acros полностью заменяются на УЭС, которое в агрегате со специализированным адаптером обеспечивает такую же производительность, но при этом в прочие периоды полевого сезона не простаивает, а выполняет другие механизированные работы. Кормоуборочные комбайны в базовом варианте используются на уборке кукурузы на силос и также полностью заменяются на УЭС со специализированным модулем-адаптером. Многолетние же травы присутствуют только в модельном хозяйстве центральной зоны Краснодарского края, их уборка осуществляется агрегатами на базе универсально-пропашных тракторов с соответствующим шлейфом. Это обусловлено тем, что уборка трав в этой зоне осуществляется в полевые периоды, не являющиеся пиковыми. При введении в парк УЭС улучшается годовая загрузка техники. В качестве примера в табл. 2 представлена загрузка серийных комбайнов и многофункционального энергетического средства Как видно из таблицы, интенсивность использования техники в случае применения УЭС существенно возрастает, что позитивно сказывается на уровне показателей эффективности. Это же относится к тракторам общего назначения: сокращение количественного состава имеет следствием повышение годовой загрузки с тем же результатом. Показатели эффективности МТА, сформированных для выполнения механизированных работ в модельных хозяйствах юга России, при сравниваемых вариантах их комплектации техникой приведены в табл. 3. Из представленных данных видно, что все показатели эффективности при внедрении в состав МТП УЭС улучшаются. УЭС частично заменяет тракторы общего назначения и полностью - зерноуборочные комбайны типа Acros пропускной способностью 9-10 кг/с, а также силосоуборочную технику. В результате такой замены снижаются все виды затрат, что приводит к росту чистого дисконтированного дохода. При включении УЭС в состав МТП прямые эксплуатационные затраты снижаются: - в модельном хозяйстве южной зоны Ростовской области на 13-17 %, - в модельном хозяйстве центральной зоны Краснодарского края на 3-8 %,, - в модельном хозяйстве зерново-скотоводческой зоны Ставропольского края на 16-22 %. Стоимость парка машин (необходимого размера капитальных вложений) для модельного хозяйства юга Ростовской области снижается на 13-22 %, для модели центральной зоны Краснодарского края - на 4-11 %, для модели зерново-скотоводческой зоны Ставропольского края - на 19-29 %. Чистый дисконтированный доход за весь срок эксплуатации предлагаемого МТП увеличивается: по регионам, соответственно, на 13-15, 4-12 и 21-26 %. В качестве примера на рис. 2 представлены графики зависимости удельной величины прямых эксплуатационных затрат на выполнение всего объема механизированных работ в полеводстве для рассматриваемых моделей в расчете на 1 га обрабатываемой площади (варианты с использованием УЭС). Как видно из графика, по всем моделям наблюдается устойчивое снижение уровня удельных затрат. Затраты по модельному хозяйству центральной зоны Краснодарского края заметно выше, чем для прочих, что связано с более высокими урожайностями и широким спектром выполняемых операций (в частности, работ по возделыванию и уборке сахарной свеклы). Различия в составах МТП и значениях показателей их эффективности обусловлены: - особенностями зональных почвенно-климатических условий; - вытекающей из этого специфики производственной структуры и севооборотов; - различием в урожайностях возделываемых культур. Незначительное снижение расхода ТСМ (единицы процентов) объясняется высокой мощностью двигателя УЭС (184 кВт), что избыточно для большинства работ малой энергоемкости. По той же причине остается неизменным количество универсально-пропашных тракторов (класс 1,4 - 66 кН). Решить эту проблему можно, например, путем установки двигателя с переменной мощностью. Выраженным пиком потребности в механизаторах по всем рассматриваемым моделям, типоразмерам и вариантам комплектации МТП является период уборки зерновых колосовых, в котором, помимо обмолота и транспортировки урожая, выполняется (согласно технологическим картам) также и послеуборочная обработка почвы. В случае использования только традиционной техники уборка осуществляется серийными комбайнами (Acros), а обработка почвы - тракторами общего назначения. В случае же введения в парк УЭС последнее задействуется как на обмолоте хлебов, так и на обработке почвы, а также на уборке силосных культур. Выводы При использовании УЭС в типовых севооборотах юга России улучшение показателей эффективности, в зависимости от структуры посевных площадей и размеров землепользования, прямые эксплуатационные затраты снижаются: - в модельном хозяйстве южной зоны Ростовской области на 13-17 %; - в модельном хозяйстве центральной зоны Краснодарского края на 3-8 %; - в модельном хозяйстве зерново-скотоводческой зоны Ставропольского края на 16-22 %. Стоимость парка машин (необходимого размера капитальных вложений) для модельного хозяйства юга Ростовской области снижается на 13-22 %, для модели центральной зоны Краснодарского края - на 4-11 %, для модели зерново-скотоводческой зоны Ставропольского края - на 19-29 %. Чистый дисконтированный доход за весь срок эксплуатации предлагаемого МТП увеличивается: по регионам, соответственно, на 13-15, 4-12 и 21-26 %. Расчеты показывают экономическую целесообразность применения УЭС во всех рассматриваемых моделях. Рис. 1. Укрупненная структурная схема последовательности проведения вычислительной процедуры при определении эффективности МТП модельных хозяйств Таблица ١ Состав парка мобильной энергетики для модельных хозяйств юга России, сформированный на базе серийной техники (база) и с включением универсального энергетического средства (УЭС) Наименование мобильных энергосредств и их количество в базовом варианте и с включением универсального энергосредства (УЭС) Модели Агромаш-٩٠ТГ Беларус-1221 Беларус-952 Acros Дон-٦٨٠ УЭС база УЭС база УЭС база УЭС база УЭС база УЭС база УЭС Ростовская область, юг 1250 га 1 1 2 1 1 1 2 1 2 2500 га 2 1 2 2 2 2 4 1 4 5000 га 5 2 2 3 4 4 8 2 8 Краснодарский край, центр 1250 га 2 1 2 2 2 3 1 3 2500 га 5 1 3 4 4 6 1 6 5000 га 9 1 4 1 9 9 13 2 13 Ставропольский край, з.с. зона 1250 га 2 1 3 2 2 2 1 2 2500 га 3 1 5 1 3 3 4 1 4 5000 га 6 2 10 2 6 6 8 2 8 Таблица ٢ Годовая загрузка машин для уборки зерновых Модели Acros УЭС-У Ростовская область 1250 га 124 354 2500 га 123 438 5000 га 123 414 Краснодарский край 1250 га 121 313 2500 га 120 383 5000 га 110 336 Ставропольский край 1250 га 134 364 2500 га 133 470 5000 га 133 473 Таблица ٣ Показатели эффективности МТП модельных хозяйств юга России Модели Эксплуатационные затраты, тыс. руб. Стоимость МТП, тыс. руб. Расход топлива, т Затраты труда, чел.-ч Чистый дисконтированный доход, млн руб. база УЭС база УЭС база УЭС база УЭС база УЭС Ростовская область 1250 га 10899 9413 56555 49214 55 52 3974 3299 77 89 2500 га 19258 15967 93375 76815 106 105 7957 6199 175 199 5000 га 35879 29720 171780 133568 233 232 17204 12950 363 419 Краснодарский край 1250 га 13348 12962 79686 70879 74 71 5874 4977 90 101 2500 га 23418 21421 112919 107373 150 144 11300 9845 225 235 5000 га 45705 41819 215501 207037 300 292 23200 19799 462 481 Ставропольский край 1250 га 11691 9794 59583 47980 63 59 4483 3792 70 85 2500 га 21637 16856 106325 75578 123 120 8812 6971 151 190 5000 га 41817 32459 199695 141164 249 242 17869 14059 312 395 Рис. 2. Зависимость удельных эксплуатационных затрат от площади пашни модельных хозяйств зон юга России

About the authors

A. I Bur'yanov

Federal state budgetary scientific institution of the Agricultural research centre «Donskoy» unit North Caucasus institute of agricultural mechanization and electrification

Email: burjanov2015@yandex.ru
DSc in Engineering

YU. O Goryachev

Federal state budgetary scientific institution of the Agricultural research centre «Donskoy» unit North Caucasus institute of agricultural mechanization and electrification

Email: burjanov2015@yandex.ru
PhD in Engineering

I. V Chervyakov

Federal state budgetary scientific institution of the Agricultural research centre «Donskoy» unit North Caucasus institute of agricultural mechanization and electrification

Email: burjanov2015@yandex.ru

References

Supplementary files