CC BY
23
УДК 631.371
DOI 10.18286/1816-4501-2016-4-144-151
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ЭНЕРГО-, РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Денцов Михаил Николаевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства»
Горбунов Борис Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «<Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства»
Тюльнев Александр Владимирович, аспирант кафедры «<Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА
603107, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 97, e-mail: [email protected]; тел. 8-950615-81-26
Ключевые слова: механизация сельского хозяйства, энергия, условия сезона, эксплуатация ресурсов, сахарная свекла.
Представлена модель расчета оптимальных энергетических затрат в технологических линиях уборки сахарной свеклы. Для складывающихся условий сезона рассчитаны рациональные темпы работ и оптимальный состав технических средств. Определена величина снижения энергетических затрат при уборке в зависимости от условий сезона и уровней эксплуатации техники.
Введение
В современных условиях при возделывании энергоёмких сельскохозяйственных культур стало обязательным использовать интенсивные и энерго-, ресурсосберегающие технологии. Уровень интенсификации и энергосбережения определяется биологическими особенностями каждой культуры.
Рост энергетической эффективности связан не только с применением технологий, позволяющих увеличивать объёмы производства основной продукции, но и с сокращением затрат техногенной энергии,
и SS
ESS
»1
в И
es
о 'И
1 ■ 1
■■■ И
00 Si
при оптимальном формировании состава энергосредств и рациональном их использовании, которое возможно только при учёте особенностей условий сезона в зоне возделывания конкретной культуры.
При возделывании любой сельскохозяйственной культуры самые большие энергозатраты приходятся на уборку. Например, для сахарной свеклы уборочно-погрузочно-транспортные работы в совокупности составляют 65...69 % от всех энергозатрат [1]. Поэтому цель работы - оптимальное формирование и распределение энергетических
ресурсов в технологической линии уборки сахарной свеклы в зависимости от складывающихся условий.
Объекты и методы исследований
Экспериментальные исследования проводились в ООО «Агрофирма «Золотой Колос», расположенном в Сергачском районе Нижегородской области, на уборочных работах, погрузке и транспортировке свеклы в 2011...2015 годах. В период исследований на механизированных работах регистрировались природные, технические, технологические, энергетические и временные параметры.
С учетом требований ГОСТ Р 527782007 [2] в качестве основных методов были выбраны: хронометраж и самофотография рабочего дня [3].
Время смены Тсм машинно-тракторных агрегатов (МТА) содержит следующие составляющие, ч [3]:
т =т +т +т +т +т +т , , х
см р х тех то пз пр " / л \
где Г , Г - время чистой работы МТА и на холостые повороты соответственно, ч; Ттех , Тто - время, необходимое для проведения технологического и технического обслуживания, ч; Тпз - время на подготовительно-заключительные операции, ч; Тпр - время возможных простоев МТА, ч.
В балансе времени смены наряду с общим анализом структуры затрат времени особое внимание уделяли учёту простоев по техническим, технологическим, организационным и метеорологическим причинам.
В качестве основных параметров, характеризующих затраты времени в течение смены, были приняты следующие [3]:
коэффициент использования времени смены:
К„=тр/тсм, (2)
коэффициент готовности МТА:
К=тж+т.\ О)
коэффициент организации выполнения технологических процессов:
Крг^-Т^/Т^. (4)
где Тн - время наработки на отказ, ч; Г -время на устранение неисправностей, ч; Торг - время простоев МТА по организационным причинам, ч.
К =
С помощью данных коэффициентов учитывали влияние технических и организационных условий на параметры использования техногенных ресурсов при уборке сахарной свеклы. Влияние метеорологических условий на параметры использования техники при уборке учитывали с помощью коэффициента учёта влияния метеорологических условий за период выполнения механизированной работы [4]:
Рк{0>0дур>рдус<с<с)
А ' (5)
где Ок - количество календарных дней, дни; О, Од - фактическое и допустимое количество осадков, мм; в, вд - фактическая и допустимая влажность почвы соответственно, %; С - фактическая среднесуточная температура, °С; Сн, Св - соответственно нижняя и верхняя допустимые температурные границы, °С; у - знак логического сложения, означающий вычет из календарных дней неблагоприятных, когда рассматриваемые параметры выходят за пределы допустимых.
Для совокупной оценки, характеризующей природно-климатический комплекс и неопределенность внутренней структуры производственной системы, введём коэффициент природно-производственных условий:
Кпу=Кг'Корг'Км> (6)
Коэффициент Кпу примем также за параметр, характеризующий уровень эксплуатации (УЭ) технических средств. Низкому УЭ техники будет соответствовать произведение коэффициентов К, Корг, Км при минимальных уровнях варьирования, высокому - соответственно их произведение при максимальных уровнях варьирования.
В качестве энергетического параметра примем общие затраты энергии, МДж, средств механизации за период выполнения работы:
Е, =У(Е*-п.*-М Т К К ), (7)
общ / Л ч 1 г см см пу /'
где ЕЧ - энергозатраты МТА /-ого вида, МДж/ч; п* - количество МТА /-ого вида, необходимых для поддержания темпа работ на г-ой механизированной работе, ед.; Мг -оптимальная продолжительность выполнения г-ой механизированной работы, дикту-
емая складывающимися условиями сезона, дни.
Количество комбайнов /'-ого вида, необходимых для поддержания темпа работ на уборке, диктуемого складывающимися условиями сезона:
(8)
где - темп уборочных работ, диктуемый складывающимися условиями сезона, га/см; WcJ - сменная производительность /-ого комбайна, га/см; Кук - коэффициент природно-производственных условий, учитывающий работу комбайнов.
Требуемое количество транспортных средств /-ого вида для транспортировки сахарной свеклы от полевых буртов на завод:
где WЧ - часовая производительность /-ого комбайна, га/ч; - продолжительность цикла транспортного средства, ч; У - урожайность сахарной свеклы, т/га; Гт - грузоподъёмность транспортного средства, т; Кт - коэффициент использования грузоподъёмности для свеклы.
Требуемое количество агрегатов /-ого вида, задействованных во вспомогательных технологических звеньях поточной линии уборки:
п.вс =п,у• щ'■ к -к щТ-/С-к1с\
1 1 СМ СМ Л}' V см см пу /'
(10)
где Wcмвci - сменная производительность вспомогательного агрегата /-ого вида, га/см; Кпу - коэффициент влияния природно-производственных условий на работу вспомогательных агрегатов /-ого вида; Ксмвс - коэффициент использования времени смены вспомогательных агрегатов /-ого вида.
Для оптимизации энергетических затрат МТА [5] разработана функция (11), в которой критерием оптимизации служит минимум энергозатрат, МДж/ч: к; = Ц -Г + Л< -е0 +К-ев +АС.Ч -Я-мпш, (И) где а - энергосодержание у'-ого вида энергоносителя, МДж/кг; ео, ев - энергетические эквиваленты затрат труда основных и вспомогательных рабочих соответственно, МДж/(чел.-ч); ет - энергетический эквивалент технического средства, МДж/кг [6]; Н -
'S S
i|
äl
ЦЦ
sl
ta Ii
цц
Ш |§
fifi Ii
нормативный коэффициент эффективности косвенной энергии, вложенной в производство технического средства [5]; WJ - часовая производительность МТА /'-ого вида, га/ч; G. - расход j-ого вида энергоносителя, кг/га; No, Ng - число основных и вспомогательных рабочих соответственно, чел; M / - масса МТА
' ' т
/-ого вида, кг.
Согласно выражению 9 выбирали агрегаты, являющиеся наименее энергоёмкими для проведения механизированных работ. Анализировали работу следующих агрегатов, сформированных по энергетическим параметрам: двухфазный способ уборки (вариант 1): МТЗ-82+БМ-6, МТЗ-82+ОГД-6А, корнеуборочная машина КС-6Б, МТЗ-82+2ПТС-4; двухфазный способ уборки (вар. 2): МТЗ-82+ботвоуборочная машина WIC, МТЗ-1221+копатель WIC, МТЗ-82+ 2ПТС-4; однофазный способ уборки: Ropa EuroTiger V8-3, Franz Kleine SF-20, Franz Kleine SF-10, «AGRIFAK» WKM-9000, «Matrot» M41; погрузка: Ropa EuroMaus 3, МТЗ-82+СПС-4,2, Franz Kleine RL 200 SF, Holmer Terra Felis 2; транспортировка: КамаАЗ-65111, КамаАЗ-65111+прицеп СЗАП-8551-02, Ка-мАЗ-6520-029, КамАЗ-55102+прицеп КГБ-8551, КамАЗ-53212+прицеп КГБ-8551.
При экспериментальных исследованиях и расчетах были приняты следующие условия и исходные данные: Н = 0,15; а. = 42,7 МДж/кг; eo = eg = 1,26 МДж/(чел.-ч); ет = 120 МДж/кг - для энергосредства, ет = 104 МДж/кг - для сельскохозяйственной машины; Кт = 1; расчётная площадь уборки S = 8000 га, типы почвы (темно-серые и серые лесные); состояние почвы по влажности (переувлажненное, мягко-пластичное, сухое); биологическая урожайность корнеплодов 24...33 т/га.
Для определения особенностей функционирования технологических линий уборки и интенсивности развития растений была проведена паспортизация сезонов, предусматривающая дифференциацию природно-климатических условий сезона на основе комплексного учёта факторов тепло- и вла-гообеспеченности. Выделенное факторное пространство по температурным и влаж-ностным параметрам разбито нами на 6
Матрица формирования природно-климатических условий сезона
Показатель Условия по теплообеспеченности
теплые умеренные (средние) холодные
Условия по вла-гообеспечен-ности влажные 1 t , ос. >ос1 4) ^ < t< ^; ос >ос1 7) t, <^ ос >ос1
умеренно-влажные 2) t ./ ос2<ос . < ос, 5) ^ <t ., < V ос2<ос . < ос, 8) t < <У ос2<ос . < ос,
сухие 3) t < >1 ос. <ос, 1 2 6) ^ < г- < V ос <ос 1 2 9) t, <V ос <ос / 2
где I . - текущее значение суммы среднесуточных температур, °С; t2 - соответственно верхняя и нижняя границы суммы температур для умеренного (среднего) класса, °С; ос. -текущее значение суммы осадков, мм; ос, ос2 - соответственно верхняя и нижняя границы суммы осадков для умеренно-влажного класса, мм.
классов, которые в совокупности формируют 9 типов сезонов, отличающихся между собой по показателям тепло- и влагообеспе-ченности (табл. 1). Будем считать, что природно-климатические условия за рассматриваемый период относятся к одному из 9 типов сезонов.
Результаты исследований
Главная цель производства сахарной свеклы - получение максимального выхода сахара с единицы площади при наименьших затратах. Поэтому в период уборки необходимо учитывать как урожайность, так и сахаристость корнеплодов.
Сахарная свекла набирает в массе и сахаре вплоть до момента уборки, поэтому осенью при установлении теплой и сухой погоды корнеплоды дополнительно накапливают биомассу и сахар. Учитывая этот фактор, при достаточном количестве уборочной техники, в теплый сезон целесообразнее переносить основную часть уборки на более поздние сроки. В холодный сезон, когда дополнительный прирост массы и сахара практически отсутствует, уборку необходимо проводить в оптимально сжатые сроки для избежания потерь урожая. В итоге темпы уборочных работ в холодный сезон будут выше, чем в теплый:
где © г, ©. , ©д - необходимые темпы выполнения уборочной работы соответственно в холодный, средний и теплый сезоны, га/см.
Необходимо учитывать, что различные гибриды сахарной свеклы имеют разные сроки наступления физической спелости. Сахаристые гибриды имеют ранние сроки созревания, в отличие от нормальных и урожайных, которые созревают поздней осенью [7]. Но сахаристые гибриды не могут храниться долгое время, они быстро теряют в массе, сахаристости и загнивают [8]. Поэтому при достаточном количестве уборочных и транспортных машин предпочтительней увеличивать площади, занятые урожайными гибридами, и сокращать площади с сахаристыми, а при недостатке техники - наоборот, чтобы перенести часть уборочных работ на начало осени и растянуть уборочный период.
Для агрофирмы «Золотой колос» можно принять следующее соотношение в распределении гибридов: 20.30 % площадей засеивать семенами сахаристого направления, остальные 70.80 % -нормальными или урожайными гибридами. Темпы уборочных работ должны быть такими, чтобы выкопать и вывезти свеклу на завод до наступления устойчивых заморозков и температуры воздуха ниже минус 5 °С [7, 8].
При выборе технологии уборки необходимо учитывать, что при небольшом радиусе доставки корнеплодов на сахарный завод рациональнее использовать поточную технологию уборки, при радиусе доставки свеклы свыше 20 км - перева-
Эксплуатационно-технологическая оценка функционирования техники
Операция К см Коэффициент готовности Коэффициент организации Коэффициент учёта метеорологических условий Уровень эксплуатации техники
min среднее max min среднее max min среднее max низкий высокий
Уборка 0,64±0,05 0,77 0,82±0,04 0,87 0,79 0,85±0,03 0,90 0,81 0,85±0,02 0,90 0,49 0,71
Погрузка и транспортировка 0,62±0,07 0,84 0,90±0,02 0,95 0,70 0,78±0,04 0,85 0,76 0,80±0,03 0,84 0,48 0,73
лочную [9]. На основании анализа данных агрофирмы среднее значение расстояния транспортировки свеклы на завод составило 27,211,7 км, поэтому выбираем перевалочную технологию уборки.
При выборе способа уборки, на основании проведённых ранее исследованиях [10], предпочтение отдаём однофазному способу, имеющему наибольшую производительность и меньшие энергозатраты по сравнению с двухфазным. Соотношение между этими двумя способами определяется многолетними наблюдениями погодных условий в период уборки и для Нижегородской области оно в комбайнах составило 20:80 (двухфазный: однофазный).
Проведённые экспериментальные исследования позволили установить параметры, характеризующие УЭ техники на убо-
w,%
30 25 20
10
- \
- / \ \
(23%) (зз«^ <23^ (S)
W,% 30
25
20
15
10
х \
- / \
j
(з-/) и (27°/j (зо°/) Q3 ЗД
0,77 0,79 0,81
0,83
0,85 0,87 Кгот
0,79 0,81 0,83 0,85
Рис. 1 - Распределение частот коэффициентов готовности (а) и организации (б) свеклоуборочного комбайна Ropa Euro Tiger V8-3
рочных работах в условиях Нижегородской области (табл. 2).
В результате математической обработки многолетних данных (1990...2014 г.г.) по влиянию метеорологических условий на ход уборочных работ были получены пределы варьирования коэффициента учёта влияния метеорологических условий: Км = 0,81.0,9, со средним значением - 0,85. Среднее значение коэффициента организации на уборочных работах достаточно высокое 0,85±0,03, а вот на погрузке и транспортировке свеклы на завод он составил 0,78±0,04. Прежде всего, это связано с нарушением поточности транспортных средств, вызванным плохим состоянием полевых дорог в осенний период, а также большим расстоянием от завода до полей.
Распределения частот коэффициентов готовности и организации свеклоуборочного комбайна Ropa Euro Tiger V8-3 представлены на рисунке 1.
Коэффициенту готовности ниже 0,79 соответствует 7 % случаев, выше 0,85 - 13 % случаев. В 33 % случаев коэффициент готовности изменяется от 0,81 до 0,83. В 53 % случаев коэффициент организации выше 0,85 и только в 3 % случаев - ниже 0,81. Это свидетельствует о необходимости повышения уровня технической готовности комбайнов.
0,87 0,90 Корг
Состав МТА при различных условиях проведения уборочных работ
Уборка Технологическая операция Марочный состав технических ресурсов Потребность в технических ресурсах, ед.
Сезон
Теплый сухой Теплый умеренно-влажный Средний умеренно-влажный Холодный умеренно-влажный Холодный влажный
Уровень эксплуатации техники
Низ. Выс. Низ. Выс. Низ. Выс. Низ. Выс. Низ. Выс.
однофазная Holmer Terra Dos T3 12 8 11 8 14 10 19 14 21 15
двухфазная МТЗ-82 + ботвоуборочная машина WIC 2 2 2 2 3 2 4 3 4 3
МТЗ-1221+ копатель WIC 3 2 3 2 4 3 5 3 5 3
МТЗ-82 + 2ПТС-4 12 8 11 8 10 7 12 8 13 9
Погрузка Franz Kleine RL-200 SF 2 1 2 1 2 2 3 2 3 2
Транспортировка КамАЗ - 6520029 29 19 27 18 32 21 39 35 43 38
Согласно функции 9 рассчитали энергетические затраты для каждого МТА. Проведённая эксплуатационно-технологическая оценка позволила определить необходимое количество энергосредств (табл. 3).
Расчёты показали высокую степень варьирования требуемого количества МТА в зависимости от условий сезона. Например, комбайнов Holmer Terra Dos T3 требуется от 8 ед. в сезон с теплыми умеренно-влажными условиями при высоком УЭ до 21 ед. в сезон с холодными влажными условиями при низком УЭ (табл. 3). Потребность в транспортных средствах для перевозки свеклы на завод изменяется от 18 ед. в теплый умеренно-влажный сезон уборки при высоком УЭ до 43 единиц в холодный влажный сезон уборки при низком УЭ.
Для расчета энергетического эффекта, полученного от оптимизации технических ресурсов, сравним базовый и оптимальный составы технологических линий уборки с учётом того, что темпы работ оптимизированы для каждого варианта
(табл. 4).
На уборочных работах с совместным применением однофазного и двухфазного способов уборки (80 : 20) при использовании оптимального состава средств механизации энергозатраты снижаются от 171 МДж/га для высокого УЭ до 513 МДж/га для низкого УЭ. На погрузочно-транспортных работах при использования оптимального состава средств механизации происходит снижение энергозатрат до 644 МДж/га при высоком УЭ и до 978 МДж/га при низкого УЭ. Следовательно, общие энергозатраты на средства механизации на 1 га для среднего умеренно-влажного сезона от использования оптимального состава технологической линии уборки снижаются на 7,4.9,5 %. В целом, в зависимости от типа сезона происходит снижение энергетических затрат на 6,6.11,2 %.
Проведенные исследования позволили установить зависимость изменения оптимальных энергозатрат от биологической урожайности сахарной свеклы при различ-
Таблица 4
Эффективность использования оптимизированных технологических линий уборки сахарной свеклы (расчет для среднего по теплообеспеченности и умеренно-влажного сезона, урожайность 31 т/га)
Операция Базовый состав Оптимальный состав Энергетический эффект, МДж/га
МТА, входящие в состав звена Количество МТА, шт МТА, входящие в состав звена Количество МТА, шт Снижение энергозатрат на средства механизации, МДж/га
прямые косвенные общие
УЭ техники УЭ техники Уровень эксплуатации техники (Низкий - Низ.; Высокий - Выс.)
Низ. Выс. Низ. Выс. Низ. Выс. Низ. Выс. Низ. Выс.
Уборка сахарной свеклы
Однофазная Ropa EuroTiger V8-3 15 10 Holmer Terra Dos T3 14 10 -376 -141 -137 -30 -513 -171
Двухфазная МТЗ-82+ ботвоуборочная машина WIC 3 2
МТЗ-1221+ копатель WIC 4 3
МТЗ -82+2ПТС-4 10 7
Погрузка свеклы Ropa Euro Maus-3 2 2 Franz Kleine RL-200 SF 2 2 -59 -39 -35 -22 -94 -61
Транспортировка КамаАЗ-65111 37 25 КамаАЗ-6520-029 32 21 -675 -445 -209 -138 -884 -583
Снижение энергозатрат при уборке, МДж/га -1110 -625 -381 -190 -1491 -815
Общие энергозатраты при возделывании свеклы, МДж/га 15641 11013 14150 10198 9,5% 7,4%%
ных УЭ техники (рис. 2).
Рисунок 2 показывает, что с повышением биологической урожайности сахарной свеклы увеличиваются общие энергозатраты на уборочно-транспортные работы на 1 га. Так, при урожайности 24 т/га на уборку требуется 9680 МДж/га и 6585 МДж/га энергозатрат соответственно для низкого и высокого УЭ техники. При урожайности 33 т/га затраты энергии увеличиваются до 11705 МДж/га и 7930 МДж/га соответственно. Также с увеличением биологической урожайности свеклы уменьшаются общие энергозатраты на производство 1 т корне-
1!
Sä es »1
Si
Р О Ш Sä ni H ■ i
са s!
плодов. Например, при урожайности 24 т/га общие энергозатраты составили 400 МДж/т и 270 МДж/т соответственно для низкого и высокого УЭ. При урожайности 33 т/га затраты энергии уменьшились до 350 МДж/т и 240 МДж/т соответственно.
Выводы
Проведенная эксплуатационно-технологическая оценка позволила установить УЭ технических средств для оптимизации состава техники, занятой на уборочных работах. Оптимизация состава машин для проведения уборочных работ позволила снизить общие энергозатраты на 1 га для среднего
24 26 28 30 32
Биологическая урожайность сахарной свеклы, т/га
Рис. 2 - Зависимость общих энергозатрат на уборочно-транспортных работах от урожайности сахарной свеклы [УЭ техники 1^): 1 - высокий (0,692); 2 - средний (0,596); 3 - сред-ний(0,545); 4 - низкий (0,470)]; пунктирной линией обозначены энергозатраты МДж/т; сплошной - энергозатраты МДж/га
умеренно-влажного сезона на 7,4...9,5 %.
При увеличении биологической урожайности свеклы с 24 т/га до 33 т/га общие энергозатраты на производство 1 т корнеплодов уменьшаются с 400 МДж/т для низкого и 270 МДж/т для высокого УЭ до 350 МДж/т и 240 МДж/т соответственно.
Библиографический список
1. Аничин, В.Л. Теория и практика управления производственными ресурсами в свеклосахарном подкомплексе АПК / В.Л. Аничин. - Белгород: БелГСХА, 2005. - 280 с.
2. ГОСТ 52778 - 2007. Методы эксплуатационно-технологической оценки: испытания сельскохозяйственной техники. - М.: Изд-во стандартов, 2008. - 25 с.
3. Иофинов, С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка / С.А. Иофинов. - М.: Колос, 1984. - 351 с.
4. Методы повышения эффективности механизированных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве / А.Н. Важенин [и др.]. - М.: Академия Естествознания, 2010. - 365 с.
5. ГОСТ Р 51750-2001. Энергосбереже-
ние. Методика определения энергоёмкости при производстве продукции и оказании услуг в технических энергетических системах.-М.: Изд-во стандартов, 2002. - 24 с.
6. Методология и методика энергетической оценки агротехнологий в агроланд-шафтах. - Москва: МСХА им. К.А. Тимирязева, 2007. - 21 с.
7. Вострухин, Н.П. Сахарная свекла / Н.П. Вострухин // Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по земледелию, Опытная научная станция по сахарной свекле. - Минск: Минская фабрика цветной печати, 2011. - 366 с.
8. Шпаар, Д. Сахарная свекла: Учебно-практическое руководство по выращиванию сахарной свеклы / Д. Шпаар, Д. Дрегер, А. За-харенко. - Мн.: «ФУА информ», 2004. - 256 с.
9. Овсянников, В.П. Свекловодство / В.П. Овсянников, Ю.С. Колягин, В.М. Воронин. - Воронеж, 2000. - 220 с.
10. Денцов, М.Н. Эксплуатационно-технологическая оценка средств механизации уборки сахарной свеклы / М.Н. Денцов // Сахарная свекла. - 2014. - № 4. - С.41-42.
1!
га еа »1
р и ш М
00 и
