CC BY
33
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства________________________________________
УДК 631.3.001:4.004
МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ОБОБЩЕННОГО КРИТЕРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН НА ЭТАПАХ РАЗРАБОТКИ И ИСПЫТАНИЙ
А. А. У СТРОЕВ, канд. техн. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства», Санкт-Петербург, Россия
Одним из перспективных методов решения многооткликовой задачи оптимизации (при наличии нескольких критериев) является обобщение множества частных откликов (критериев оптимизации) в единый количественный признак квалиметрического типа. Разработана методика построения обобщенного критерия оптимизации, позволяющая провести расчет его значений на основе информации экспериментальных исследований сельскохозяйственных машин на этапах их разработки и испытаний. Методика апробирована на примере построения обобщенного критерия оптимизации конструктивно-технологических параметров и режимов работы комбайнового картофелеуборочного агрегата. Показано, что обобщенный критерий обладает свойствами универсальности, статистической чувствительности и позволяет устранить такие недостатки частных критериев, как разноразмерность и разнополярность.
Ключевые слова: сельскохозяйственная машина; параметры работы, режимы работы; критерий оптимизации.
PRINCIPLES ТО ESTABLISH A GENERALISED CRITERION FOR OPTIMISING THE DESIGN AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS AND OPERATING MODES OF AGRICULTURAL MACHINES AT THE STAGE OF THEIR DEVELOPMENT AND TESTING
A.A. USTROEV, Cand.Sc (Engineering)
Federal State Budget Scientific Institution “Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production” (IEEP), Saint Petersburg, Russia
One of the promising methods of solving the multi-response optimisation problem (with several criteria available) is to generalise the set of individual responses (optimisation criteria) into a single quantitative attribute of qualimetric type. The paper describes a methodology for developing a generalised optimisation criterion, which makes it possible to calculate its values on the basis of information from experimental studies of agricultural machines at the stage of their designing and testing. The methodology was validated in the case study of a combine potato-harvesting unit. The generalised criterion was found to be generic and statistically sensitive; it allowed eliminating such shortcomings of individual criteria as different dimensionality and polarity.
Keywords: agricultural machine, operation parameters and modes, optimisation criterion.
ВВЕДЕНИЕ
Системный подход к разработке методов оптимизации технологических процессов, выполняемых сельскохозяйственными машинами в агротехнологиях, предполагает в первую очередь необходимость четкой формулировки цели исследований.
71
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал. _________________________________ИАЭП. 2017. Вып. 93.______________________________
Показателями, количественно характеризующими цель исследования, являются оценочные критерии эффективности системы. Основными требованиями, предъявляемыми к критериям оценки эффективности, являются:
- представительность или эффективность с точки зрения достижения цели, то есть критерий должен действительно оценивать эффективность системы в заранее выбранном смысле;
- универсальность - способность критерия всесторонне характеризовать объект;
- он должен иметь ясный физический смысл, быть количественным и выражаться одним числом;
- критичность к исследуемым параметрам, состоящую в значительных изменениях числовых значений критерия при сравнительно малых изменения исследуемых параметров.
В общем случае критерии оценки эффективности, используемые в исследованиях по оптимизации технологических процессов, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве объединяются в следующие группы:
- технико-технологические (выход продукта, качество продукта (физические, механические и другие характеристики), продолжительность процесса и др.);
- технико-экономические (производительность, затраты труда и др.);
- экономические (себестоимость, прибыль, доход, рентабельность, приведенные затраты).
В природе каждый объект оценивается совокупностью приведенных выше критериев или некоторым множеством из них. Такие задачи являются многокритериальными. В большинстве случаев при этом критерии эффективности являются разнополярными и имеют различную размерность.
В наибольшей степени требованиям представительности и универсальности соответствуют экономические критерии оценки эффективности [1].
Существенным недостатком экономических критериев оценки эффективности являются невозможность практического определения некоторых составляющих приведенных затрат или дохода, а также их конъюнктурный характер, поскольку в основе их используется цена на технику, продукцию и другие материалы, существенно меняющиеся с течением времени.
Одним из перспективных методов решения многооткликовой задачи оптимизации (при наличии нескольких критериев) является обобщение множества критериев оптимизации в единый количественный признак - обобщенный критерий оптимизации [2]. Обобщенным критерием оценки эффективности машины выступает вектор, каждая координата которого соответствует одному потребительскому свойству (производительность, затраты труда и т.п.).
Для обоснования структуры обобщенного критерия оптимизации используем иерархическую совокупность показателей качества машин, определяемых в процессе их зональных испытаний, предусмотренную ОСТ 70.2.30-78 «Испытания сельскохозяйственной техники. Комплексная оценка машин. Программа и методы» [3].
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Обобщенный критерий оптимизации, выступающий количественной характеристикой эффективности систем при оптимизации их параметров, должен включать в своей структуре показатели назначения (функциональные показатели) и эксплуатационно-технологические показатели. Показатели оценок - условий труда, надежности и энергетической должны выступать при решении задачи оптимизации в качестве ограничений.
72
Технологии и технические средства механизированною производства продукции
vac те ниеводспк аи животноводства______________________________________________________
Иерархическая структурная схема обобщенного критерия оптимизации, приведенная на рисунке 1, строится на основе следующих принципов:
-обобщенный критерий оптимизации располагается на первом уровне иерархии;
- частные обобщенные критерии оптимизации (оценка функциональных показателей и эксплуатационно-технологическая оценка) - на втором уровне иерархии;
- единичные критерии оптимизации - на третьем уровне иерархии.
Рис. 1. Иерархическая структурная схема обобщенного критерия оптимизации
Поскольку единичные критерии оптимизации имеют различные размерности и физический смысл, необходимо преобразовать их в безразмерные величины. Удобной в оптимизационных задачах для расчета относительных (безразмерных) значений частных критериев оптимизации является формула:
К* = 1-—(1)
V -у-брак_-у-баз ' 4 '
У 3j У 3j
где Y2j - текущее значение j-го единичного критерия оптимизации;
y3j - оптимальное значение j-ro единичного критерия оптимизации в исследованной о б л а сти измененияо пти миз иру е м ых пар аметр ов;
у^брак _ ХуДшее значение j-ro единичного критерия оптимизации в исследованной области ф акторного пространства.
Преобразованные по формуле (1) единичные критерии изменяют свои значения в области [0; I] (рис. 2).
73
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вът. 93.
Рис. 2. Характер зависимости относительных значений критериев от абсолютных
Для обобщения единичных критериев в частные обобщенные и последних в обобщенный используются формулы:
K2j=ZMvKv, (2)
=^M2jK2j -Игах, (3)
где Мф Ы.2\ - весомости единичных и частных обобщенных критериев соответственно.
Весомости единичных и частных обобщенных показателей определяются методом экспертных оценок [2,4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Разработанная методика апробирована на примере формирования обобщенного критерия оптимизации конструктивно-технологических параметров и режимов работы комбайнового картофелеуборочного агрегатаККУ-2А+МТЗ [2].
Структура частных обобщенных и единичных критериев оптимизации принята в соответствии с изложенной выше методикой (рисунок 1) и представлена в следующем виде: У31 (K31) — производительность в час технологического времени, га/ч;
У32 (К32) - затраты труда на выполнение основной операции, чел-ч/га;
Узз (К33) - коэффициент надежности технологического процесса;
У34 (К34) - чистота картофеля в таре, %;
У35 (Кз5) - потери картофеля, %;
Узб (Кзб) - повреждения картофеля, %;
Кд - эксплуатационный обобщенный критерий;
К22— качественный обобщенный критерий;
Ко - обобщенный критерий оптимизации.
Экспериментальные исследования проведены с использованием метода пассивного эксперимента путем измерения значений показателей, характеризующих конструктивнотехнологические параметры, режимы, условия и эффективность функционирования картофелеуборочных агрегатов. Исследования проведены последовательно на 23 комбайновых агрегатах в условиях нормальной эксплуатации в 9 совхозах Волосовского и 1 совхозе Гатчинского района Ленинградской области.
74
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
уастениеводстваы животноводства________________________________________
Методика проведения эксперимента идентична для каждого из 23 исследованных агрегатов и основана на ГОСТ Р 54781-2011. Машины для уборки картофеля. Методы испытаний [5].
В результате экспериментальных исследований получена синхронная информация по всей номенклатуре конструктивно-технологических параметров, режимов, условий и эффективности функционирования для каждого из 23 исследованных агрегатов. Экспериментальные данные по всем критериям оптимизации приведены в таблице 1.
Обобщение единичных критериев оптимизации с использованием аддитивных моделей (2, 3) предполагает непременное условие их независимости - отсутствие существенной корреляционной связи. В результате расчета коэффициентов парной корреляции между единичными критериями установлено, что их значения между показателями У31 - производительность и У32 - затраты труда составляет - 0,90, а между У31 -производительность и У33 - коэффициент надежности технологического процесса - 0,48 и они превышают критическое значение коэффициента корреляции при степени значимости 0,05, равное 0,42, поэтому для последующего анализа оставляем в номенклатуре эксплуатационных единичных критериев лишь показатель «Затраты труда». «Затраты труда» являются наиболее информативным и синтезирующим показателем и даже являются в своем роде частным обобщенным показателем.
Расчетные значения обобщенного критерия оптимизации также приведены в таблице 1.
Таблица 1
Экспериментальные значения единичных и обобщенного критериев оптимизации
Номер агрегата Узь га/ч У 32, чел-ч/га Узз У 34? % Узз, % Узб, % Ко
1 0,14 65,1 0,93 95,98 20,55 40,40 0,52
2 0,24 36,0 0,97 98,79 15,60 26,45 0.76
3 0,12 95,0 0,86 94,36 10,64 29,02 0,46
4 0,10 99,0 0,75 80,68 10,99 19,13 0,41
5 0,14 79,3 0,87 69,87 8,88 46,32 0,41
6 0,12 64,1 0,69 94,47 18,05 29,88 0,57
7 0,22 35,6 0,84 71,30 7,11 18,85 0,75
8 0,25 31,0 0,89 93,66 10,92 16,34 0,83
9 0,22 30,6 0,83 69,09 19,19 46,56 0,61
10 0,14 47,7 0,55 82,68 30,40 42,81 0,46
11 0,27 24,2 0,94 84,48 10,49 25,79 0,82
12 0,23 33,1 0,93 75,74 11,33 50,44 0,65
13 0,19 39,8 0,95 70,76 18,83 67,41 0,48
14 0,17 50,3 0,74 93,19 23,67 51,33 0.52
15 0,21 32,3 0,90 92,99 6,60 53,19 0.75
16 0,20 33,7 0,83 96,33 6,61 71,04 0.70
17 0,15 52,3 0,79 86,28 14,45 26,06 0,63
18 0,16 48,5 0,97 88,33 11,39 34,49 0,67
19 0,24 31,7 0,82 95,49 15,2 39,71 0,74
20 0,09 107,0 0,71 89,95 7,95 16,81 0,44
21 0,09 107,0 0,71 83,50 7,28 18,31 0,41
22 0,11 83,1 0,95 94,23 3,75 15,93 0,63
23 0,17 46,0 0,91 97,17 16,74 39,07 0,65
75
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
Расчет обобщенного показателя критерия оптимизации проводим по формулам (1-3) с использованием нормативных данных приведенных в таблице 2.
Таблица 2
Нормативные данные для расчета обобщенного критерия оптимизации
Наименование критериев оптимизации Обозначения Базовое значение (Уз,ба3) Браковое значение (У3/рак) Коэффициент весомости (M3j)
Затраты труда, чел-ч/га У32 23,44 107,00 1,00
Чистота картофеля, %; У 34 100,00 69,09 0,22
Потери клубней, %; У 35 1,42 30,40 0,44
Повреждения клубней, %; Узб 3,94 71.04 0,34
Обобщенный эксплуатационный, %; К21 0,45
Обобщенный качественный, %; К22 - - 0,55
В таблице 3 приведены статистические характеристики всех критериев оптимизации.
Таблица 3
Статистические характеристики единичных и обобщенного критериев оптимизации
Наименование характеристик Обозначения Значения характеристик для критериев
У31 У 32 Узз Уз4 Узз Узб Ко
Среднее арифметическое м 0,17 55,32 0,84 86,93 13,32 35,47 0,60
Дисперсия О 0,05 26,79 0,11 9,78 6,38 15,89 0,14
Коэффициент вариации V 31,88 48,43 12,88 11,24 47,91 44,79 22,75
Асимметрия а 0,10 0,86 -0,95 -0,72 0,89 0,68 0,03
Эксцесс е -1,34 -0,80 0,34 -1,01 0,46 -0,39 -1,38
Критерий Романовского р 0,86 0,22 0,58 0,79 1,12 1,01 1,33
Выводы о законе распределения норм норм норм норм норм норм норм
Анализ результатов расчетов позволяет отметить, что все критерии являются случайными величинами и имеют распределение несущественно отличающееся от нормального.
Обобщенный критерий оптимизации использован в дальнейших исследованиях для обоснования рациональных конструктивно-технологических параметров и режимов работы исследуемого картофелеуборочного агрегата [2].
ВЫВОДЫ
1. В результате проведенных исследований разработана методика формирования
обобщенного критерия оптимизации конструктивно-технологических параметров и режимов работы сельскохозяйственных машин квалиметрического типа.
76
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства________________________________________
2. Методика позволяет обобщить частные критерии оптимизации в единый количественный признак - обобщенный критерий, что обеспечивает возможность решения многооткликовой задачи оптимизации.
3. Анализ статистических характеристик, рассчитанный с использованием
разработанной методики обобщенного критерия оптимизации параметров и режимов работы комбайнового картофелеуборочного агрегата, свидетельствует, что обобщенный критерий обладает свойствами универсальности, статистической чувствительности и позволяет устранить такие недостатки частных критериев, как разноразмерность и разнополярность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Логинов Г.А. Оптимизация технико-технологических решений в картофелеводстве. Г.А. Логинов, И.М. Фомин, В.Ф. Клейн и др. / СПб-Павловск: СЗНИИМЭСХ, 2009. - 192 с.
2. У строев А. А. Исследование и разработка методов оптимизации эксплуатационных параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов при их испытаниях (на примере картофелеуборочных агрегатов). Дис... канд. техн. наук / А.А. Устроев, -Ленинград-Пушкин, 1982. - 199 с.
3. ОСТ 70.2.30-78 Испытания сельскохозяйственной техники. Комплексная оценка машин. Программы и методы.
4. Устроев А.А. Методика обоснования структуры информационной модели сельскохозяйственных машин на этапе эксплуатационных испытаний //Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства // Сб. науч. трудов № 92, Спб.: ФГБНУ ИАЭП, 2017. - С 132-140.
5. ГОСТ Р 54781 -2011. Машины для уборки картофеля. Методы испытаний.
УДК 631.3
ГИБКАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПРЕДРЕАЛИЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ КАРТОФЕЛЯ И СТОЛОВЫХ КОРНЕПЛОДОВ
В.И.ШАМОНИН, канд. техн. наук; А.В. СЕРГЕЕВ, канд. техн. наук;
Г.А. ЛОГИНОВ, гл. специалист
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
В статье представлено технологическое оборудование для предреализационной подготовки картофеля и столовых корнеплодов класса «экстра» качества для крестьянских и фермерских хозяйств, а также её технико-экономические показатели. Проведен анализ и теоретические исследования гибких технологических процессов в сельхозпроизводстве.
Ключевые слова: гибкие технологические процессы, коэффициент комбинирования,
предреализационная подготовка, технологическое оборудование, техническая характеристика, технико-экономические показатели.
77
