CC BY
3
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ УДК 631.532.2+631.331.072.3 DOI: 10.26897/2687-1149-2022-1-12-16
МЕТОД КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ КОРНЕПЛОДОВ И КАРТОФЕЛЯ
ДОРОХОВ АЛЕКСЕЙ СЕМЕНОВИЧ, чл.-кор. РАН, д-р техн. наук, главный научный сотрудник
dorokhov@rgau-msha.ru; https://orcid.org/0000-0002-4758-3843; Researcher ID: H-4089-2018
СИБИРЁВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ, д-р техн. наук, старший научный сотрудник
sibirev2011@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-9442-2276; ResearcherlD: M-6230-2016
АКСЕНОВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник 1053vim@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-9546-7695; ResearcherlD: V-5572-2017
МОСЯКОВ МАКСИМ АЛЕКСАНДРОВИЧн, канд. техн. наук, старший научный сотрудник
Maks.Mosyakov@yandex.ruH; https://orcid.org/0000-0002-5151-7312; ResearcherlD: A-8482-2019
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ; 109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, 5
Аннотация. Важнейшей проблемой при реализации любой технологии является уменьшение затрат труда, энергии и ресурсосбережение с одновременным повышением урожайности возделываемых культур и, как следствие, снижением себестоимости продукции. Установлено, что использование сберегающих технологий позволит снизить количество проходов агрегатов по полю, сохранить плодородие почвы, минимизировать загрязнение окружающей среды от продуктов сгорания топлива. В статье представлен метод комплексной оценки качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности. Описываемый коэффициент энергоресурсосбережения учитывает прямые затраты энергии при возделывании продукции растениеводства, включающие в себя затраты энергии, полученной от сгорания жидкого топлива, энергии прямых затрат при производстве продукции растениеводства, энергии материально-технических ресурсов и энергии оборотных средств. Численные значения показателя комплексной оценки энергоресурсосбережения технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля позволят судить о качестве техногенного воздействия комплекса машин при уборке овощных культур. Применение предложенного метода позволяет адекватно оценить энергетическую эффективность производства продукции растениеводства с учетом энергии прямых и косвенных затрат.
Ключевые слова: машина для уборки, корнеплод, картофель, энергосбережение, комплексная оценка.
Формат цитирования: Дорохов А.С., Сибирев А.В., Аксенов А.Г., Мосяков М.А. Метод комплексной оценки качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля // Агроинженерия. 2022. Т. 24. № 1. С. 12-16. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2022-1-12-16.
О Дорохов А.С., Сибирев А.В., Аксенов А.Г., Мосяков М.А., 2022
ORIGINAL PAPER
COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF THE TECHNOLOGICAL PERFORMANCE QUALITY OF ENERGY-AND-RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY OF ROOT AND POTATO HARVESTING
ALEKSEIS. DOROKHOV, RAS Corresponding Member, DSc (Eng), Professor
dorokhov@rgau-msha.ru; https://orcid.org/0000-0002-4758-3843; Researcher ID: H-4089-2018
ALEKSEI V. SIBIRYOV, DSc (Eng), Senior Research Engineer
sibirev2011@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-9442-2276; ResearcherlD: M-6230-2016
ALEKSANDR G. AKSENOV, PhD (Eng), Lead Research Engineer 1053vim@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-9546-7695; ResearcherlD: V-5572-2017 MAKSIM A. MOSYAKOVM, PhD (Eng), Senior Research Engineer
Maks.Mosyakov@yandex.ruH; https://orcid.org/0000-0002-5151-7312; ResearcherlD: A-8482-2019
Federal Scientific Agroengineering Center VIM; Bld 5, 1st Institutskiy Proezd Str., Moscow, 109428, Russian Federation
Abstract. The most critical problem in implementing any technology is to reduce labor costs while ensuring energy and resource conservation and simultaneously increasing the yield of cultivated crops and, consequently, reducing the cost of production. It has been established that saving technologies will reduce the number of unit runs through the field, preserve soil
fertility, and minimize environmental pollution from fuel combustion products. The article presents a comprehensive assessment of the quality of technological operations of energy-resource-saving technologies for harvesting root crops and potatoes under high humidity conditions. The authors describe a coefficient of energy-resource saving that takes into account the direct costs of energy in the cultivation of crop products, including the costs of energy obtained from the liquid fuel combustion, direct costs of energy required for crop production, the energy of material and technical resources, and the energy of current assets. Numerical values of the comprehensive assessment indicator of energy-saving features of harvesting root crops and potatoes will describe the quality of technogenic impact of a set of machines used for harvesting vegetable crops. Application of the proposed method can help adequately estimate crop production's energy efficiency, taking into account the energy of direct and indirect costs.
Key words: harvesting machine, root crops, potatoes, energy saving, comprehensive assessment.
For citation: Dorokhov A.S., Sibiryov A.V., Aksenov A.G., Mosyakov M.A. Comprehensive assessment of the technological performance quality of energy-and-resource-saving technology of root and potato harvesting. Agricultural Engineering (Moscow), 2022; 24(1): 12-16. (In Rus.). https://doi.org/10.26897/2687-1149-2022-1-12-16.
Введение. Наряду с разработкой новых машин и внедрением новейших технологий в сельскохозяйственное производство точное земледелие на основе глобальных навигационных спутниковых систем способствовало ускорению научно-технического прогресса в сельском хозяйстве. На международной выставке «Агротехни-ка-2019» (г. Ганновер, Германия) было показано, что эффективность машин повышается благодаря более интенсивному использованию электронной техники и полимерных материалов в конструкциях машин, а также совмещению ряда технологических операций с максимально возможным использованием полезной мощности энергетических средств для привода сельскохозяйственных машин [1].
Несмотря на значительное количество научных изысканий, посвященных проблеме энерго- и ресурсосбережения при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур и разработке средств механизации1 [2-4], обеспечивающих качественное выполнение технологических операций, остаются вопросы, которые до настоящего времени решены неполностью [5-9]. Кроме того, не все результаты известных теоретических и экспериментальных исследований могут быть непосредственно применены для интенсификации процесса уборки корнеплодов [9].
Машина для уборки корнеплодов и картофеля в зависимости от вида убираемой культуры состоит из следующих основных функционирующих элементов: подкапывающий рабочий орган (П); рабочий орган первичной сепарации (УП); рабочий орган, интенсифицирующий процесс сепарации убираемой продукции от крупных почвенных комков (УК) [2]; устройство вторичной сепарации корнеплодов и картофеля (УВ) от механических примесей; валкоукладывающее устройство или выгрузной транспортер (УТ) (рис.).
Анализ функциональной схемы машины для уборки корнеплодов и картофеля позволяет констатировать, что в условиях повышенной влажности почвы невозможно исключить захват подкапывающим рабочим органом совместно с корнеплодами почвенных примесей. Следовательно, необходимо интенсифицировать процесс очистки при влажности, превышающей оптимальные условия уборки [10]. Для этого необходимо провести
исследования комплексных систем управления технологическими процессами и качеством получаемой продукции на единых приемах системного анализа.
1 Хвостов В.А. Машины для уборки корнеплодов и лука (теория, конструкция, расчет) // В.А. Хвостов, Э.С. Рейнгарт. М., 1995. 391 с.
Рис. Функциональная схема машины для уборки корнеплодов и картофеля:
П - подкапывающий рабочий орган; УП - рабочий орган первичной сепарации; УК - рабочий орган первичной сепарации с интенсификатором; УВ - рабочий орган вторичной сепарации; УТ - валкоукладывающее устройство или выгрузной транспортер; Хп, Хуп, Хук, Хув и Хут - функция внешнего воздействия на соответствующий функциональный элемент; 2п, 2уп, 2ук, 2ув и 2ут - функция состояния соответствующего функционального элемента; ип, иуп, иук, иув и иут - функция управляющего воздействия на соответствующий функциональный элемент; Y^ Yуп, Yук, Yув и Yут - результирующие параметры соответствующего функционального элемента
Fig. Functional diagram of the machine for harvesting root crops and potatoes:
П - digging functional element; УП - functional element of primary separation; УК - functional element of primary separation with an intensifies УВ - functional element of secondary separation; УТ - swathing device or unloading conveyor; Хп, Хуп, Хук, Хув, Хут - functions of the external influence on the corresponding functional element; 2п, 2уп, 2ук, 2ув, 2ут - function of the state of the corresponding functional element; ип, иуп, иук, иув, иут - functions of the control action of the corresponding functional element; Y^ Yуп, Yук, Yув и Yут - the resulting parameters of the corresponding functional element
Разработка новых технологических операций и способов их осуществления должна заключаться в решении комплекса взаимосвязанных между собой задач - таких, как выбор технологического процесса, порядок выполнения, исходное состояние поверхности поля перед посадкой,
Dorokhov A.S., Sibiryov A.V., Aksenov A.G., Mosyakov M.A.
Comprehensive assessment of the technological performance quality of energy-and-resource-saving technology of root and potato harvesting
физико-механические свойства почвы и требования к качеству выполнения отдельных операций технологии, энерго-и ресурсозатраты [2].
Цель исследования: разработать метод комплексной оценки качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля.
Материалы и методы. Комплексный метод оценки уровня качества продукции осуществляется с использованием комплексных (обобщенных) показателей качества. Комплексная оценка не дает представления об отдельных свойствах продукции. Комплексные показатели можно получать при разном сочетании единичных показателей, поэтому они должны дополнять, а не заменять отдельные показатели качества.
Комплексный показатель (Кэ) характеризует совокупность множества взаимосвязанных свойств, образующих качество продукции, и выражается одним числом, что позволяет на практике сравнивать большое число показателей качества продукции с таким же количеством базовых показателей. Для разработки метода комплексной оценки качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля необходимо решить следующие задачи:
- определить показатели качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы;
- разработать коэффициент энергоресурсосбережения технологической операции уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы.
Результаты и обсуждение. Для оценки показателей качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы предлагается ввести безразмерный показатель - коэффициент энергоресурсосбережения Кэ, рассчитываемый как отношение коэффициента энергоресурсосбережения технологического процесса уборки (ЭП), полученного в результате выполнения теоретических расчетов, к коэффициенту энергоресурсосбережения допустимых значений исследуемого технологического процесса (Эд):
КЭ = ЭП
Эд
(1)
(2)
продукции растениеводства, включающие в себя затраты энергии, полученной от сгорания жидкого топлива Этт, энергии прямых затрат при производстве продукции растениеводства Эш, а также энергии материально-технических ресурсов и энергии оборотных средств ЭКЗ, получаем:
Э + э + Э
Э _ TT ^^ПЗ ^^КЗ п " 100
(3)
Исходя из того, что теплота Qг отработавших газов, превышающая количество теплоты QA, эквивалентной эффективной работе, направлена на выполнение полезной работы, а именно обдув сепарирующей поверхности для снижении влажности, поступающей на сепарацию почвы с 24 до 18%, то есть на 25%, затраты энергии, полученной от сгорания жидкого топлива Этт в общей совокупности затрат, составят:
ЭТТ1 _ 0,25ЭТТ. Выражение (3) с учетом выражения (4) запишется как
0, 25Этт ^ ^Эпз ^ ^Эк
Эп _
100
(4)
(5)
Коэффициент энергоресурсосбережения допустимых значений технологического процесса машинной уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы представлен как
ЭД _ 1
(6)
Коэффициент энергоресурсосбережения эмпирических значений технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы -
Эп ,
(7)
где - вектор весов энергоресурсосбережения отдельной операции технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы.
Каждому технологическому процессу машинного производства корнеплодов и картофеля соответствует вектор весов энергоресурсосбережения отдельной операции:
В связи с тем, что для повышения сепарирующей способности щелевых устройств для очистки корнеплодов применен обогрев сепарирующей поверхности горячим выхлопным газом энергетической установки уборочной машины, рассмотрим суммарную энергию Этт от сгорания топлива, затраченную на технологическую операцию уборки картофеля и корнеплодов:
(8)
где Нт - количество израсходованного топлива, кг/га; ат - энергосодержание топлива, МДж/кг.
В связи с тем, что коэффициент энергоресурсосбережения теоретических значений исследуемого технологического процесса Эп определяется по зависимости, учитывающей прямые затраты энергии при возделывании
где м>и - весовое значение энергоресурсосбережения /-й операции технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы; п - количество операций технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы, шт.
Ввиду отсутствия информации об оценке уровня энергоресурсосбережения отдельной технологической операции введем допущение о том, что каждая /-я операция технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы имеет пропорциональный вес, то есть
1
wj _-. n
(9)
i _1
i_1
Веса входных сигналов используются для вычисления взвешенной суммы u¡ входных сигналов:
Z ui = Zw
(10)
j=i
Таким образом, с учетом выражений (3)-(6) комплексный показатель Ки оценки энергоресурсосбережения технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля запишется как
Ки =
¿—in
w
эл
(11)
Из выражения 11 следует, что энергия, затрачиваемая на уборку корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы, зависит от энергии, полученной от сжигания жидкого топлива, энергии труда работников.
Численные значения разработанного показателя Ки комплексной оценки энергоресурсосбережения технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля свидетельствуют о величине техногенного воздействия комплекса машин на уборке овощных культур, а именно:
- Ки = 1, показатель уровня оценки энергоресурсосбережения технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля не выходит за рамки допуска, а оценочные
Библиографический список
1. Измайлов А.Ю., Лобачевский Я.П., Дорохов А.С., Си-бирёв А.В., Крючков В.А., Сазонов Н.В. Современные технологии и техника для сельского хозяйства - тенденции выставки Agritechnika 2019 // Тракторы и сельхозмашины. 2020. № 6. С. 28-40. https://doi.org/10.31992/0321-4443-2020-6-28-40
2. Лобачевский Я.П. Машинная технология производства лука: Монография / Я.П. Лобачевский, П.А. Емельянов, А.Г. Аксенов, А.В. Сибирёв. Москва: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2016. 168 с.
3. Алдошин Н.В. Моделирование качества выполнения механизированных работ // Сборник докладов I Международной научно-практической конференции «Горячкинские чтения». М.: ООО УМЦ «Триада», 2013. С. 6-13.
4. Mayer V, Vejchar D., Pastorkova L. Measurement of potato tubers resistance against mechanical loading. Research in Agricultural Engineering, 2008; 54 (1): 22-31. https://doi.org/10.17221/708-RAE
5. Aniket U. Dongre, Rahul Battase, Sarthak Dudhale, Vipul R. Patil, Deepak Chavan. Development of potato harvesting model. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2017; 4: 1567-1570.
6. Farhadi R., Sakenian N., Azizi P. Design and construction of rotary potato grader. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2012; 8 (2): 304-314.
7. Lu J., Sun H., Dui H., Peng M., Yu J. Design and experiment on conveyor separation device of potato digger under heavy soil condition. Nongye Jixie Xuebao. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery. 2017; 48 (11): 146-155. https://doi.org/10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.018
8. Lu J., Shang Q., Yang Y., Li Z.H, Li J.C, Liu Z.Y. Design optimization and experiment on potato haulm cutter. Nongye Jixie Xuebao. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016; 47 (5): 106-114. https://doi.org/ 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.015
параметры по данному показателю имеют достаточный уровень «требовательности» к ее выполнению;
- Ки > 1, показатель уровня оценки энергоресурсосбережения технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля, выходит за рамки допуска, то есть комплекс машин не обеспечивает достижения требуемого уровня качества уборки, и необходимы меры по устранению несоответствия;
- Ки < 1, показатель уровня оценки энергоресурсосбережения технологического процесса уборки корнеплодов и картофеля, выполняется с превышением заданного уровня качества выполнения, что может свидетельствовать о заниженных требованиях к данному показателю и необходимости корректировки полей допусков.
Выводы
Применение метода комплексной оценки качества выполнения технологических операций энергоресурсосберегающей технологии уборки корнеплодов и картофеля в условиях повышенной влажности почвы позволяет адекватно оценить энергетическую эффективность производства продукции растениеводства с учетом энергии прямых и косвенных затрат.
References
1. Izmaylov A.Yu., Lobachevskiy Ya.P., Dorokhov A.S., Sibirov A.V, Kryuchkov VA., Sazonov N.V. Sovremennye tekhnologii i tekhnika dlya sel'skogo khozyaystva - tendentsii vystavki Agrotekhnika - 2019 [Modern technologies and equipment for agriculture as the main trends of the Agritechnika 2019 exposition]. Traktory i sel'hozmashiny, 2020; 6: 28-40. https://doi.org/10.31992/0321-4443-2020-6-28-40 (In Rus.)
2. Lobachevskiy Ya.P., Emel'yanov P.A., Aksenov A.G., Sibiry-ov A.V. Mashinnaya tekhnologiya proizvodstva luka [Machine technology of onion production]: Monograph. Moscow, FGBNU FNAC VIM, 2016. 168 р. (In Rus.)
3. Aldoshin N.V. Modelirovanie kachestva vypolneniya me-hanizirovannykh rabot [Modeling the quality of the performance of mechanized work]. In: Goryachkinskie chteniya: Sb. dokla-dov 1-y Mezhdunarodnoy nauch.-prakt. konferentsii, Moscow, LLC "UMTs "Triada", 2013: 6-13. (In Rus.)
4. Mayer V, Vejchar D., Pastorkova L. Measurement of potato tubers resistance against mechanical loading. Research in Agricultural Engineering, 2017; 1: 22-31. https://doi.org/10.17221/708-RAE
5. Aniket U. Dongre, Rahul Battase, Sarthak Dudhale, Vipul R. Patil, Deepak Chavan. Development of Potato Harvesting Model. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2017; 4: 1567-1570. Tamilnadu/India
6. Farhadi R., Sakenian N., Azizi P. Design and construction of rotary potato grader. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2012; 8(2): 304-314.
7. Lü J.Q, Sun H, Dui H, Peng M.M, Yu J.Y. Design and experiment on conveyor separation device of potato digger under heavy soil condition, Nongye Jixie Xuebao. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017; 48(11): 146-155. https://doi.org/10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.018
8. Lü J.Q, Shang Q.Q, Yang Y, Li Z.H, Li J.C, Liu Z.Y. Design optimization and experiment on potato haulm cutter, Nongye Jixie Xuebao. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016; 47(5): 106-114. https://doi.org/10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.015
9. Sojka R.E, Horne D.J, Ross C.W, Baker C.J. Subsoiling and surface tillage effects on soil physical properties and forage oat
Dorokhov A.S., Sibiryov A.V., Aksenov A.G., Mosyakov M.A.
Comprehensive assessment of the technological performance quality of energy-and-resource-saving technology of root and potato harvesting
9. Sojka R.E., Horne D.J., Ross C.W., Baker C.J. Subsoiling and surface tillage effects on soil physical properties and forage oat stand and yield. Soil and Tillage Research, 1997; 40 (3-4): 25-144. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(96)01075-6
10. Дорохов А.С., Аксенов А.Г., Сибирёв А.В., Мося-ков М.А., Сазонов Н.В. Теоретические предпосылки повышения сепарирующей системы машины для уборки корнеплодов тепловой энергией системы отработавших газов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16, № 1 (61). С. 71-77. https://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-71-76
Критерии авторства
Дорохов А.С., Сибирёв А.В., Аксенов А.Г., Мосяков М.А. выполнили теоретические исследования, на основании полученных результатов провели обобщение и подготовили рукопись. Дорохов А.С., Сибирёв А.В., Аксенов А.Г., Мосяков М.А. имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила в редакцию 25.06.2021 Одобрена после рецензирования 16.12.2021 Принята к публикации 17.01.2021
stand and yield. Soil and Tillage Research, 1997; 40 (3-4): 25-144. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(96)01075-6
10. Dorokhov A.S., Aksenov A.G., Sibiryov A.V., Mosya-kov M.A., Sazonov N.V. Teoreticheskie predposylki povysh-eniya separiruyushhey sistemy mashiny dlya uborki korneplodov teplovoy energiey sistemy otrabotavshikh gazov [Theoretical prerequisites for increasing the separating capacity of a machine for harvesting root crops with the thermal energy of the exhaust gas system]. Vestnik Kazanskogo GAU, 2021; 16(1): 71-77. https://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-71-76 (In Rus.)
Contribution
A.S. Dorokhov, A.V. Sibiryov, A.G. Aksenov, M.A. Mosyakov performed theoretical studies, and based on the results obtained, generalized the results and wrote a manuscript. A.S. Dorokhov, A.V. Sibiryov, A.G. Aksenov, M.A. Mosyakov have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper.
The paper was received 25.06.2021 Approved after reviewing 16.12.2021 Accepted for publication 17.01.2021
