Efficiency evaluation of machine and tractor fleet based on multipurpose power vehicles with sets of replaceable modules in conditions of the South of Russia

Full Text

Введение Агропромышленный комплекс (АПК) России испытывает острый дефицит в оснащении машинно-тракторных парков (МТП) техническими средствами, главным образом из-за нехватки собственных денежных средств у товаропроизводителей и недостаточного уровня государственной поддержки. Такое положение уже привело к существенному старению МТП, неустойчивому развитию отрасли и в итоге способствует угрозе продовольственной безопасности страны. Один из перспективных путей выхода из сложившейся ситуации - комплектование МТП сельхозпредприятий на базе универсальных энергетических средств (УЭС), снабженных комплектами сменных модулей, и их широкое внедрение в производственный процесс. Концепт модульного построения технологических агрегатов на базе УЭС нового поколения и набора сменных модулей подробно раскрыт в работах [1-5]. Один из вариантов, который отличается способом и устройством для забора сменных модулей, устанавливаемых сверху на раму шасси, проиллюстрирован на рис. 1. В предлагаемом решении технологические агрегаты составляют путем навешивания сменных модулей на навесное устройство шасси УЭС, их присоединения к прицепному устройству или монтажа сверху на шасси посредством собственного погрузочно-разгрузочного механизма портального типа. В техническом решении, посвященном дальнейшему развитию этого направления [6], кабина оператора с помощью находящегося на ней с правой стороны устройства устанавливается на оси, расположенной на раме шасси УЭС, с возможностью оперативного вертикального перемещения и поворота. Это позволяет после монтажа уборочного технологического модуля размещать ее над наклонной камерой по центру агрегата. Проверка возможности реализации и эффективности предлагаемых технико-технологических решений выполнена путем моделирования работы предлагаемых УЭС с наборами сменных адаптеров в составе МТП, выполняющих весь объем механизированных работ в полеводстве, на одиннадцати моделях (хозяйства с площадью пашни 5000 га), представляющих подзоны Ростовской обл., Краснодарского и Ставропольского краев, и сравнения их технико-экономических показателей. Цель исследования Цель исследования - оценка эффективности использования УЭС, снабженных комплектами сменных модулей-адаптеров, путем сравнения технико-экономических показателей оптимальных составов МТП, выполняющих весь объем механизированных работ при производстве продукции полеводства в регионах Юга России. Материалы и методы Регионы Юга России подразделяют на производственные подзоны АПК: Краснодарский край - на Северную, Центральную, Западную и Анапо-Таманскую подзоны; Ростовскую обл. - на Северную, Южную и Восточную; Ставропольский край - на Овцеводческую, Зерново-овцеводческую, Зерново-скотоводческую и Прикурортную. Подзоны отличаются природно-климатическими условиями, которые определяют наборы и технологии возделывания культур, а также календарные сроки и продолжительность работ. Поскольку предлагаемый комплекс машин универсален, его оценку осуществляли в соответствии с ГОСТ Р 53056-2008 [7] путем определения двух типов оптимальных МТП хозяйств (в рассматриваемом случае моделей), адекватно отображающих специфику производства продукции полеводства каждой из одиннадцати подзон. Первый тип МТП (базовый вариант) определяли путем выставления на конкурс серийно выпускаемых технических средств, а при нахождении оптимального МТП второго типа (новый) в дополнение к выставляемой на конкурс серийной технике включали УЭС с комплектами сменных адаптеров. Данные о структуре посевных площадей, технологиях возделывания и уборки культур, объемах работ, их продолжительности и календарных сроках, наборе технологических операций, реализующих принятые агротехнологии, номенклатуре технических средств и их агрегатировании принимали на основе зональных рекомендаций и систем ведения хозяйства, а также технологических карт, разработанных зональными научно-исследовательскими институтами. Цены на средства механизации МТП (преимущественно производимые в РФ и странах ближнего зарубежья) соответствуют уровню 2015 г. Численные значения сменных производительностей машинно-технологических агрегатов определяли расчетным путем и по данным зональных машиноиспытательных станций. При расчете технико-эксплуатационных показателей предлагаемого комплекса на базе УЭС в связи с отсутствием опытных образцов пользовались известными в исследовательской и инженерной практике методами прогноза. Технико-экономическая оценка эффективности функционирования МТП моделей подзон южных регионов России выполнена с использованием разработанной в СКНИИМЭСХ математической модели и алгоритмно-программного комплекса АСПТОР по оптимизации составов МТП [8]. База данных алгоритмно-программного комплекса содержит также перечисленную выше номенклатуру информационных материалов о зонах Центрально-Черноземной обл. и Поволжья. Эффективность оценивается по минимуму интегральных затрат на выполнение всего объема работ и максимуму чистого дисконтированного дохода (ЧДД). Решение задачи выполняется в несколько этапов. Первый этап - подготовка исходных данных и формирование таблиц, содержащих информацию о технологиях и технических средствах. Собственно нахождение оптимального состава МТП выполняют на первом этапе в нецелочисленном виде, используя модуль, базирующийся на методе линейного программирования. Затем полученный результат доводят до целочисленных значений, используя блок, реализующий метод ветвей и границ. Поскольку величина отчислений на реновацию и содержание техники зависит от ее годовой загрузки, то на первом этапе решения принимают нормативную годовую загрузку. По мере получения первого цикла решения уточняют годовую загрузку, вставляя ее в качестве исходной для последующего цикла. Затем осуществляют его, повторяя эту процедуру до тех пор, пока не будет достигнута приемлемая разность между значениями, полученными в предыдущем и последующем решениях. Все процессы вычислений реализуются неразрывно в автоматическом режиме. Результаты решения выводятся на экран или распечатываются в виде таблиц, содержащих информацию о количественном и марочном составе МТП, экономических показателях, графиках годовой загрузки энергосредств, технологических картах по каждой культуре. Результаты и их обсуждение Структура посевных площадей перечисленных выше подзон регионов с основными товарными культурами, которые определяют пиковую потребность в технике и механизаторах, отражена на гистограмме (рис. 2). Соотношения площадей культур в севооборотах по подзонам регионов отличаются весьма существенно. Наибольший удельный вес в структуре посевных площадей имеют зерновые колосовые культуры, из них до 48% - озимая пшеница как основная товарная культура. Следует отметить, что по удельным объемам выполняемых механизированных работ на 1 га пашни можно выделить таких лидеров, как сахарная свекла и кукуруза. Составление машинно-тракторных агрегатов для выполнения технологических операций по обработке почвы, посеву и уходным работам в базовых и новых вариантах реализовано с помощью прицепных и навесных устройств. Во всех сравниваемых вариантах на конкурс выставлены серийно выпускаемые тракторы от 14 до 50 кН. Для уборки возделываемых культур в базовых вариантах выставлены комбайны Acros с наборами специальных адаптеров. В новом варианте для уборки зерновых, подсолнечника, кукурузы и других культур на раме УЭС устанавливают роторное молотильное устройство, заменяя, как и в традиционных комбайнах, навешиваемую на наклонную камеру жатку соответствующего назначения. Прогнозируемые технико-эксплуатационные характеристики шасси УЭС и комплектов сменных модулей определяли по аналогу - комплексу КЗР-10. Масса шасси УЭС с погрузочно-разгрузочным устройством составляет 9000 кг, мощность двигателя 184 кВт. Агрегаты с УЭС и сменными модулями выполняют почвообрабатывающие, посевные, уборочные операции, а также могут быть задействованы на вспомогательных и транспортных работах. В результате проведенных многовариантных расчетов получены данные, позволяющие оценить экономическую целесообразность применения УЭС нового поколения с комплектами сменных модулей в АПК Юга России. В табл. 1 приведены показатели эффективности сформированных оптимальных МТП товаропроизводителей в моделях на базе серийной техники (базовый вариант) и УЭС со сменными модулями (новый вариант) по подзонам регионов Юга России. Из данных табл. 1 видно, что величина эксплуатационных затрат отражает интенсивность ведения производства, которая в основном зависит от природно-климатических условий. Таблица 1 Показатели эффективности оптимальных МТП на базе серийной техники и УЭС со сменными модулями в моделях подзон регионов Юга России Подзоны Эксплуатационные затраты, млн руб. Стоимость парка машин, млн руб. Стоимость ТСМ, млн руб. ЧДД, млн руб. База УЭС База УЭС База УЭС База УЭС Краснодарский край Северная 66,1 57,2 288,8 230,4 13 14,7 226,6 298,6 Центральная 61,8 51,1 270,6 202,5 13,4 13,7 158,6 239,5 Западная 54,5 45,6 256 202,6 11,5 10,6 150,4 218,8 Анапо-Таманская 57,8 45,9 282,4 200,5 11,3 11,4 146,6 241 Ростовская обл. Север 51,7 44,1 231,4 189,4 9,5 9,3 -35,7 19,8 Юг 49 42,1 214,2 176 10,2 11,3 93,6 143,3 Восток 38,3 33,5 177,4 146,3 8,4 8,3 -58,6 -19,6 Ставропольский край Овцеводческая 50,1 43,9 239,4 195,5 9 10,4 -56,5 -10,4 Зерново-овцеводческая 46,7 40,1 212,7 171,9 8,8 10,1 19,1 65,8 Зерново-скотоводческая 51,5 42,5 216,9 159,6 11,3 11,7 79,5 149,5 Прикурортная 51,7 43,5 217,5 176,8 11,2 11,4 -33,8 22 Снижение эксплуатационных затрат, вызванное внедрением комплексов на базе УЭС, по моделям составляет от 12,4% в Овцеводческой модели Ставропольского края до 20,6% в Анапо-Таманской модели Краснодарского края. В значительной степени это объясняется существенным снижением стоимости парка машин в новых вариантах. Максимальное снижение стоимости парка составляет 29% в Анапо-Таманской модели Краснодарского края, а минимальное - 17,5% в Восточной модели Ростовской обл. Прирост ЧДД наблюдается во всех моделях регионов Юга России. Максимальная степень прироста ЧДД в Зерново-овцеводческой модели Ставропольского края - 246%, а в Зерново-скотоводческой - 88,5%. В абсолютных числах наибольший прирост ЧДД получен в моделях Краснодарского края, Юга Ростовской обл. и Зерново-овцеводческой модели Ставропольского края. В моделях, отображающих Север Ростовской обл. и Прикурортную подзону Ставропольского края, внедрение в состав МТП УЭС с комплектами сменных модулей позволило достичь положительных значений ЧДД. В то же время в Восточной модели Ростовской обл. и Овцеводческой модели Ставропольского края внедрение комплекса машин на базе УЭС хотя и улучшило показатели ЧДД, но не обеспечило достижения его положительных значений. Восточная подзона Ростовской обл. и Овцеводческая подзона Ставропольского края характеризуются севооборотами с короткой ротацией культур, обязательным наличием чистого пара (до 20%) и недостаточным уровнем урожайности товарных культур. Вследствие этого производство растениеводческой продукции оказывается неэффективным (отрицательные величины ЧДД) при использовании составов МТП как на базе серийной техники, так и на базе УЭС и сменных модулей. Очевидно, для этих подзон актуальны ведущиеся в последние годы исследования по разработке новых ресурсосберегающих технологий, таких как минимальная и нулевая. Эффект достигается за счет максимального использования УЭС с набором сменных модулей, предусматривающего выполнение самого широкого спектра механизированных операций по обработке почвы, посеву культур и уходу за ними, уборке основных товарных культур. Включение в состав МТП УЭС с комплектами сменных модулей в значительной степени влияет как на эффективность парка, так и на его количественный состав (табл. 2). Таблица 2 Количество энергосредств (тракторов, комбайнов, УЭС) в составе оптимальных МТП моделей в сравниваемых вариантах Регионы и подзоны Потребное количество энергосредств, шт. Годовая загрузка, ч Базовый вариант: тракторы + комбайны Новый вариант: тракторы + УЭС Новый вариант: УЭС Краснодарский край Северная 27+11 11+11 670 Центральная 21+10 8+10 674 Западная 18+10 5+10 611 Анапо-Таманская 26+12 12+12 540 Ростовская обл. Северная 21+10 8+10 500 Южная 17+10 6+10 655 Восточная 27+5 17+5 677 Ставропольский край Овцеводческая 16+12 5+12 538 Зерново-овцеводческая 16+10 4+10 629 Зерново-скотоводческая 23+10 7+10 880 Прикурортная 19+9 6+9 742 В базовых вариантах потребное количество тракторов значительно больше, чем в новых. В новых вариантах УЭС заменяет комбайны Acros и, выполняя энергоемкие операции почвообработки и посева, вытесняет энергонасыщенные тракторы «Агромаш-90ТГ» и МТЗ-2022. Этим объясняется достаточно высокая годовая загрузка УЭС, которая варьируется в диапазоне от 500 до 880 ч. При этом количество УЭС в модели определяется потребным количеством комбайнов для уборки зерновых культур. В силу того, что продолжительность уборки ограничивается жесткими агросроками, а производительность уборочных агрегатов на базе УЭС сопоставима с производительностью комбайнов Acros, их загрузка на этих работах не превышает 160 ч. Остальная часть до полной годовой загрузки УЭС обеспечивается за счет объемов работ, выполняемых при почвообработке, посеве, уборке трав. Это видно из графика, представленного на рис. 3. Количество универсально-пропашных тракторов МТЗ-1523 и МТЗ-1221 в новых вариантах также уменьшается, преимущественно за счет снижения количества тракторов МТЗ-1523. Это вполне объяснимо, так как их цена в полтора раза выше при не столь существенном увеличении значений технических характеристик. Особый интерес представляют приведенные в табл. 1 данные по затратам на топливно-смазочные материалы (ТСМ). Так, в отдельных моделях при внедрении комплексов на базе УЭС затраты на ТСМ выросли. В результате анализа технологических карт установлено, что при вспашке на глубину, например, 25-27 см, УЭС, имея резерв мощности, не может его реализовать по сцеплению с почвой из-за недостаточного веса, а на малоэнергоемких операциях в процессе возделывания культур двигатель оказывается недогруженным и работает не в оптимальном режиме. Устранить отмеченные недостатки предлагается путем балластировки шасси при вспашке, что не представляет труда при наличии на нем погрузочно-разгрузочного оборудования и комплектовании двигателем переменной мощности, которая может снижаться при выполнении малоэнергоемких операций. Наряду со стоимостными показателями эффективности предлагаемых технико-технологических решений, определили показатели удельной энергонасыщенности МТП моделей. Значение удельной энергонасыщенности определяли как мощность всех силовых установок мобильных энергосредств, входящих в состав МТП, приходящуюся на 100 га пашни. Диаграмма изменения этого показателя по базовым и предлагаемым вариантам представлена на рис. 4, а. Как видно из диаграммы, показатель энергонасыщенности МТП, оснащенных УЭС с комплектами сменных модулей, существенно ниже по сравнению с МТП, укомплектованными серийной техникой. Снижение потребной мощности на 100 га пашни составляет 28,3-38,1% в зависимости от размещения подзон и моделей. Внедрение в состав МТП УЭС с комплектами сменных модулей привело также к снижению удельной материалоемкости входящих в них парков мобильных энергосредств (тракторов и комбайнов). На рис. 4, б представлена диаграмма удельной материалоемкости МТП в моделях по рассматриваемым вариантам комплектации, из которой видно, что снижение удельной материалоемкости весьма значительно. Уровень ее варьирования составляет 16,5-33,4%. Снижение энергонасыщенности МТП моделей без ущерба для своевременного и качественного выполнения всего объема работ в полеводстве наряду со снижением удельной материалоемкости парка мобильных энергосредств оказывает положительное влияние и на экологическую обстановку. Избыточные мощности и материалы могут быть использованы в других отраслях, что сократит общую потребность в них в целом по стране. Выводы В результате проведенных исследований установлено, что внедрение УЭС с комплектами сменных модулей в МТП моделей, представляющих подзоны регионов Юга России, позволяет: - уменьшить эксплуатационные затраты на выполнение всего объема работ в полеводстве на 12,4-20,6% и стоимость парка машин на 17,5-29%; - увеличить ЧДД на 31,8-246%. Сокращение количества энергосредств в составе новых МТП позволяет снизить удельную энегонасыщенность, приходящуюся на 100 га пашни, на 28,3-38,1% и удельную материалоемкость на 16,5-33,4%. Рост расходов на ТСМ предложено снизить путем балластировки шасси на энергоемких работах, что не представляет труда при наличии на нем погрузочно-разгрузочного оборудования и комплектовании двигателем переменной мощности, которая может снижаться при выполнении малоэнергоемких операций. Для Северной и Восточной подзон Ростовской обл., Овцеводческой и Прикурортной подзон Ставропольского края внедрение только инноваций в области совершенствования МТП хотя и улучшает показатели его использования, но не имеет радикального эффекта. Очевидно, для этих подзон актуальны ведущиеся в последние годы исследования по разработке новых ресурсосберегающих технологий, таких как минимальная и нулевая.

About the authors

A. I Bur'yanov

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

Email: burjanov2015@yandex.ru
DSc in Engineering Zernograd, Russia

A. I Dmitrenko

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

PhD in Engineering Zernograd, Russia

Yu. O Goryachev

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

PhD in Engineering Zernograd, Russia

References

Supplementary files