CC BY
134
ВЕСТНИК
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
Научный журнал
Основан в 2003 году Периодичность: 6 номеров в год
№ 4 (80)
ИЮЛЬ-АВГУСТ
2017
Москва
VESTNIK
OF FEDERAL STATE EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION
«Moscow State Agroengineering University named after V.P. Goryachkin»
Scientific Journal
Founded in 2003
Publication Frequency: 6 issues per year
№ 4 (80)
JULY-AUGUST
2017
Moscow
УДК 378.4(066):63+631.3.004.5+
(631.171:621.31)+631.145 ББК 74.58+40.7+ 65.32 В 378
Учредитель и издатель ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС 77-60739 от 09 февраля 2015 г.
ISSN 1728-7936
ВЕСТНИК
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
№ 4 (80) /2017
Рецензенты:
Алдошин Н.В., д-р техн. наук
Андреев С.А., канд. техн. наук
Балабанов В.И., д-р техн. наук
Белов М.И., д-р техн. наук
Герасенков А.А., д-р техн. наук
Глуханюк Н.С., д-р психол. наук
Голубев И.Г., д-р техн. наук
Дидманидзе О.Н., чл.-корр. РАН, д-р техн. наук
Евграфов В.А., д-р техн. наук
Иванов Ю.Г., д-р техн. наук
Кобозева Т.П., д-р с.-х. наук
Косырев В.П., д-р пед. наук
Кузьмин В.Н., д-р экон. наук
Лысенко Е.Г., чл.-корр. РАН, д-р экон. наук
Морозов Н.М., акад. РАН, д-р экон. наук
Новиков Д.А., чл.-корр. РАН, д-р техн. наук
Федоров В.А., д-р пед. наук
Шевченко В.А., д-р с.-х. наук
Шевчук В.Ф., д-р пед. наук
Журнал включен в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации трудов соискателей ученых степеней кандидата и доктора наук
Издание включено в систему РИНЦ, AGRIS (Agricultural Research Information System)
Главный научный редактор: Ерохин М.Н., акад. РАН, д-р техн. наук, проф. Редакционный совет:
Дорохов А.С., чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, проф., заместитель главного научного редактора, ФГБНУ ФНАц ВИМ, Москва Водянников В.Т., д-р экон. наук, профессор, заместитель главного научного редактора, РГАУ-МСХА, Москва Кубрушко П.Ф., чл.-корр. РАО, д-р пед. наук, заместитель главного научного редактора, РГАУ-МСХА, Москва Алдошин Н.В., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Бердышев В.Е., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Девянин С.Н., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Загинайлов В.И., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Казанцев С.П., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Кобозева Т.П., д-р с.-х. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Кошелев В.М., д-р экон. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Левшин А.Г., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Марковская В.И., канд. филол. наук, доцент, РГАУ-МСХА, Москва Назарова Л.И., канд. пед. наук, доцент, РГАУ-МСХА, Москва Силайчев П.А., д-р пед. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Скороходов А.Н., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва СудникЮ.А., д-р техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Тенчурина Л.З., д-р пед. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Худякова Е.В., д-р экон. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Чумаков В.Л., канд. техн. наук, проф., РГАУ-МСХА, Москва Чутчева Ю.В., д-р экон. наук, РГАУ-МСХА, Москва
Иностранные члены редакционного совета:
Абдыров А.М., д-р пед. наук, профессор, Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, Казахстан Баффингтон Дение, д-р наук, проф., Департамент сельскохозяйственной техники, Университет Штата Пенсильвания, США Буксман В.Э., канд. техн. наук, директор по экспорту компании «Амазонен Верке», Германия
Куанто Фредерик, профессор, Высший национальный институт аграрных наук, продовольствия и окружающей среды (АгроСюп, Дижон), Франция
Миклуш В.П., канд. техн. наук, проф., Белорусский государственный аграрно-технический университет, Беларусь БилекМартин, канд. пед. наук, проф., Университет в г. Крелов, Чехия
Адрес редакции: 127550, Москва, Тимирязевская ул. Тел.: (499) 976-07-27 Е-mail: vestnik@rgau-msha.ru
55
Полнотекстовые версии доступны на сайте http://elibrary.ru
© ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2017 © Издательство РГАУ-МСХА, 2017
УДК 378.4(066):63+631.3.004.5+
(631.171:621.31)+631.145 ББК 74.58+40.7+ 65.32 В 378
Founder and Publisher
Federal State Budget Establishment of Higher Education - "Russian Timiryazev State Agrarian University"
The mass media registration certificate
ПИ № ФС 77-60739 of the 9th of February, 2015
ISSN 1728-7936
VESTNIK
OF FEDERAL STATE EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION «Moscow State Agroengineering University named after VP. Goryachkin»
№ 4 (80) /2017
Reviewers:
Aldoshin N.V., DSc (Eng)
Andreev S.A., PhD (Eng)
Balabanov V.I., DSc (Eng)
Belov M.I., DSc (Eng)
Gerasenkov A.A, DSc (Eng)
Glukhanyuk N.S., DSc (Psychol)
Golubev I.G., DSc (Eng)
Didmanidze O.N., Corresponding Member
of the Russian Academy of Sciences,
DSc (Eng)
Yevgrafov V.A., DSc (Eng) Ivanov Yu.G, DSc (Eng) Kobozeva T.P., DSc (Agr) Kosyrev V.P., DSc (Ed) Kuz'min V.N, DSc (Econ) Lysenko Ye.G., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, DSc (Econ)
Morozov N.M., Member of the Russian Academy of Sciences, DSc (Econ) Novikov D.A., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, DSc (Eng)
Fedorov V.A., DSc (Ed) Shevchenko V.A., DSc (Agr) Shevchuk V.F., DSc (Ed)
The journal is included in the list of publications recommended by Higher Attestation Commission of the Russian Federation for publishing papers of those seeking PhD and DSc scientific degrees
The issue is listed in the Russian Science Citation Index,
AGRIS (Agricultural Research Information System)
Full versions are posted on the site http://elibrary.ru
Chief Science Editor:
Erokhin M.N., Member of the Russian Academy of Sciences, DSc (Eng), Professor
Editorial board:
Dorokhov A.S., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, DSc (Eng), Professor, Deputy Chief Scentific Editor, Federal State Budgetary Research Establishment - All-Russian Institute of Mechanization (VIM)
Vodyannikov V.T., DSc (Econ), Professor - Deputy Chief Scientific Editor
Kubrushko P.F., Corresponding Member of the Russian Academy
of Education, DSc (Ed), Assistant of chief scientific editor
Aldoshin N.V., DSc (Eng), Professor
Berdyshev V.Ye., DSc (Eng), Professor
Devyanin S.N., DSc (Eng), Professor
Zaginailov V.I., DSc (Eng), Professor
Kazantsev S.P., DSc (Eng), Professor
Kobozeva T.P., DSc (Agr), Professor
Koshelev V.M., DSc (Econ), Professor
Levshin A.G., DSc (Eng), Professor
Markovskaya V.I., PhD (Phil), Associate Professor
Nazarova L.I., PhD (Ed), Associate professor
Silaichev P.A., DSc (Ed), Professor
Skorokhodov A.N., DSc (Eng), Professor
Sudnik Yu.A., DSc (Eng), Professor
Tenchurina L.Z., DSc (Ed), Professor
Khudyakova Ye.V., DSc (Econ), Professor
Chumakov V.L., PhD (Eng), Professor
Chutcheva Yu.V., DSc (Econ)
Foreign members of the editorial board:
Abdyrov A.M., DSc (Ed), Professor, Kazakh Agrotechnical University
named after S. Seifullin, Kazakhstan
Buffington Dennis, DSc, P.E., Professor and Department Head, Department of Agricultural and Biological Engineering, Pennsylvania State University, USA
Buxmann V.E., PhD (Eng), Export Director of Amazonen-Werke, Germany Cointault Frédéric, Professor, National Institute of Higher Education in Agronomy, Food and Environmental Sciences (AgroSup Dijon), France Miklush V.P., PhD (Eng), Professor, Dean of Farm Machinery Service Faculty, Belarusian State Agrarian Technical University, the Republic of Belarus Bilek Martin, PhD (Ed), Professor of Charles University, the Czech Republic
Editors office's address: Timiryazevskaya str., 55, Moscow, 127550 Tel.: (499) 976-07-27; E-mail: vestnik@rgau-msha.ru
©
©
Federal State Budgetary Establishment of Higher Education -Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, 2017
Publishing House of Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, 2017
СОДЕРЖАНИЕ
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПК
Алдошин Н.В., Золотое А.А., Лылин Н.А.
Пути повышения качества работы косилок и жаток................................................................... 7
Иванов Ю.Г., Кирсанов В.В., Шафеев А.Ф.
Обоснование параметров дозированной подачи помета с подстилкой при сжигании в твердотопливных установках.................................................................................................... 13
Павлов А. Е., Павлова Л. А.
Вероятность прохождения клубня картофеля сквозь сита картофелесортировки................. 19
Воробьев В.А., Иванов Ю.Г.
Влияние электрического тока на развитие растений................................................................. 23
Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю.
Способ повышения эффективности рекуперации теплоты в условиях инееобразования .... 28 Исаев Айдын Юнис Оглы
Оценка качества прямого посева................................................................................................ 33
Гербер Ю.Б., Гаврилов А.В., Сироткина Э.М.
Определение параметров перемешивающего устройства в емкости для сквашивания
при комбинированном подводе тепла......................................................................................... 39
Шульга Е.Ф., Щукина В.Н.
Мониторинг качества движения и технического состояния транспортных средств................ 43
ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АПК
Новиков В. С., Петровский Д.И.
Повышение долговечности стрельчатых лап культиваторов.................................................... 49
Пастухов А.Г., Кравченко И.Н., Ефимцев А.В.
Технико-экономическая оценка внедрения способа технического обслуживания
карданных шарниров John Deere................................................................................................ 55
ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В АПК
Энкина Е.В.
Состояние и перспективы развития инженерной инфраструктуры сельских территорий России ... 61 Еремеева О.А.
Особенности функционирования рынка сельскохозяйственной техники................................ 65
Зимин Н.Е.
Совершенствование экономических отношений в сфере технического сервиса машин в современных условиях хозяйствования.................................................................................. 71
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Белов С.И., Петров П.С.
Прогнозирование аварийных отключений в электрических сетях 35-220 КВ.......................... 77
CONTENTS
FARM MACHINERY AND TECHNOLOGIES
Nikolai V. Aldoshin, Aleksandr A. Zolotov, Nikolai A. Lylin
Ways of increasing performance quality of mowers and headers.................................................. 7
Yuri G. Ivanov, Vladimir V. Kirsanov, Albert F. Shafeyev
Substantiation of parameters of metered application rate of litter bedding for burning
in solid-fuel installations.................................................................................................................. 13
Aleksandr Ye. Pavlov, Larisa A. Pavlova
Probability of potato tuber passing through potato-separating sieves............................................ 19
Victor A. Vorobyev, Yuri G. Ivanov
Effect of electric current on plant growth........................................................................................ 23
Vladimir V. Kirsanov, Ivan Yu. Ignatkin
Method of increasing heat recovery efficiency in conditions of frost formation.............................. 28
Aidyn Unis Ogly Isayev
Assessment of direct sowing quality............................................................................................... 33
Yuri B. Gerber, Aleksandr V. Gavrilov, Elmira M. Sirotkina
Determination of mixing device parameters in fermentation tank with combined heat supply....... 39
Ye.F. Shulga, Varvara N. Shchukina
Monitoring driving quality and technical condition of vehicles........................................................ 43
TECHNICAL SERVICE IN AGRICULTURE
Vladimir S. Novikov, Dmitry I. Petrovsky
Improving durability of centre-hoe cultivators................................................................................. 49
Aleksandr G. Pastukhov, Igor N. Kravchenko, Andrey V. Efimtsev Technical and economic assessment of introducing maintenance procedures
for John Deere U-joints................................................................................................................... 55
ECONOMY AND ORGANIZATION OF AGRICULTURAL ENGINEERING SYSTEMS
Yekaterina V. Enkina
Present condition and development prospects of engineering infrastructure of rural territories in Russia......................................................................................................................................... 61
Olga A. Eremeyeva
Specific features of farm machinery market functioning................................................................. 65
Nikolai Ye. Zimin
Improvement of economic relations in machinery maintenance in modern economic conditions..... 71
POWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION
Sergey I. Belov, Pavel S. Petrov
Forecasting emergency disconnections in power networks of 35-220 KV..................................... 77
УДК 631.354.022
АЛДОШИННИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, докт. техн. наук
E-mail: cxm.msau@yandex.ru
ЗОЛОТОВ АЛЕКСАНДР АНИСИМОВИЧ, канд. техн. наук, профессор
E-mail: zolotov46@mail.ru
ЛЫЛИН НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ, инженер E-mail: lylin2015@yandex.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОТЫ КОСИЛОК И ЖАТОК
Режущие аппараты уборочной техники должны обеспечивать чистое срезание стеблей растений. Рассмотрены процессы, происходящие при срезе травянистых растений, и показатели, оказывающие влияние на качество среза стеблей. Проанализирован процесс взаимодействия ножа и волокнистых тканей, образующих стебель растения. Представлены особенности среза тонко- и толстостебельчатых травянистых культур. Рассматривается история изобретения и совершенствования работы режущих аппаратов. Представлены схемы и описаны конструкции «классического» режущего аппарата, устанавливаемого в настоящее время на отечественную технику, и «режущего аппарата Шумахера», устанавливаемого на большинство зарубежных уборочных машин. Указаны достоинства и недостатки этих режущих аппаратов. Обозначена проблема затаскивания стеблей в раствор режущей пары при увеличении зазора у «классических» режущих аппаратов, что приводит к возрастанию усилия резания, которая устранена в конструкции «режущего аппарата Шумахера». Однако при работе «режущего аппарата Шумахера» возникает эффект двойного среза, что также способствует увеличению силы резания. Приведены схемы и описан принцип работы новых конструкций режущего аппарата, которые способствуют уменьшению силы сопротивления срезу, что, в свою очередь, снижает потребную мощность на привод ножа, и приводит в итоге к уменьшению расхода топлива. Описана конструкция запатентованного ножевого сегмента, применение которой позволит повысить надежность режущего аппарата. Предложенные конструкции режущего аппарата обладают высокой устойчивостью к возникающим при срезе поперечным силам. При их работе устраняется эффект двойного среза и замятия растительной массы, что позволяет улучшить качество среза растений и уменьшить энергозатраты на привод ножа.
Ключевые слова: режущий аппарат, комбайн, жатка, палец, сегмент, срез стеблей, режущая кромка, лезвие, противорежущая кромка, зазор.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПК
Введение. Режущие аппараты уборочной техники должны обеспечивать чистое срезание стеблей растений без смятия, разрывов, затягивания и выскальзывания их из-под лезвий. В основе работы режущих аппаратов использованы два принципа среза: безподпорный и подпорный [1].
На ход процесса резания, величину требуемого усилия и качество среза оказывают влияние многие факторы: физико-механические свойства материала растений и расположение стеблей, скорость движения ножа, величина рабочего зазора в режущей паре, угол заточки сегментов и противорежущих пластин, заострение лезвий, угол между лезвием ножевого
сегмента и направлением движения машины, угол между режущим и противорежущим лезвиями [2].
Цель исследования - повышение качества работы режущих аппаратов косилок и жаток путем совершенствования их конструкции.
Материал и методы. Конструкция режущего аппарата (рис. 1), устанавливаемого на жатки серийно выпускавшихся в нашей стране комбайнов (наиболее известные из которых СК-5 «Нива», «Енисей-1200», «Дон-1500»), состоит из пальцев, закрепленных на пальцевом брусе, и подвижного ножа, снабженного трапециевидными сегментами [3]. На пальцах установлены противорежущие
пластины. В процессе работы нож совершает воз- стебли растений, сегмент подводит растения к про-вратно-поступательное движение. При движении тиворежущей пластине и, защемляя его в растворе комбайна в промежутки между пальцами заходят этих элементов устройства, срезает.
7 8 9 6
Рис. 1. Режущий аппарат: 1 - палец; 2 - противорежущая пластина пальца; 3 - элемент крепления противорежущей пластины (заклепка); 4 - пальцевый брус; 5 - элементы крепления пальца (болт-гайка); 6 - прижимная лапка; 7 - ножевой сегмент; 8 - спинка ножа; 9 - элементы крепления сегмента к спинке ножа (заклепка); А - зазор в режущей паре
В момент резания отдельный стебель растения опирается одновременно о противорежущую пластину и перовидный отросток пальца, т.е. о две опоры. Это уменьшает опасность чрезмерного отгиба стебля и тем самым повышает надежность и качество среза, особенно тонких стеблей, имеющих малую жесткость [4].
Результаты. Конструкция описанного выше режущего аппарата не лишена недостатков. При уборке толстостебельных культур (конопля, подсолнечник, кукуруза, люпин, тростник) две опоры стебля негативно оказывают влияние на срез. Проникая в толстый стебель, сегменты защемляются еще не срезанным растением. При двух опорах сила защемления значительно увеличивается, что резко повышает усилие, действующее на сегмент и палец. Это, в свою очередь, может вызвать поломки пальцев и сегментов. Поэтому в режущих аппаратах для толстостебельных культур целесообразно использовать пальцы без перовидных отростков. Кроме этого, при работе двухподпорного режущего аппарата существует вероятность затаскивания срезанных стеблей в область между верхней частью сегмента и пером пальца, что приводит к забиванию режущего аппарата, особенно при уборке спутанных и полеглых растений [5].
Помимо этого, к недостаткам конструкции необходимо отнести следующее. Во время среза стеблей возникают силы, которые поднимают каждый сегмент к прижимной лапке. Вследствие этого увеличивается зазор в режущей паре. Это происходит одновременно по всей длине ножа. При большом зазоре А нижняя часть срезаемого
стебля затягивается ножом, что приводит к возникновению значительных сил трения. Верхняя часть срезаемого стебля, изгибаясь, также прижимается к сегменту. При малом зазоре А затягивания нижней части стебля не происходит и сопротивление резанию уменьшается [8]. Лучшие результаты по мощности и чистоте среза получаются при зазоре А = 0,3 мм для трав и 0,5 мм - для хлебов. Поэтому для качественного среза стеблей носки сегментов должны прилегать к противорежущим пластинам с зазором, не превышающим 0,5 мм. Зазор между спинкой сегмента и противорежущей пластиной должен быть в пределах от 0,5 до 1 мм. Эти зазоры устанавливают прижимными лапками, причем зазор между прижимной лапкой и сегментом не должен превышать 0,5 мм. Регулировка зазора в режущей паре по всей длине ножа - достаточно трудоемкий процесс. Нужных значений зазоров добиваются путем рихтовки прижимных лапок, установки прокладок или смещая пластины трения. Отрегулированный нож должен свободно перемещаться от усилия руки [6].
Дальнейшим развитием конструкции режущего аппарата является конструкция так называемого «режущего аппарата Шумахера». Густав Шумахер и Гюнтер Шумахер подали заявку в 1978 г. и в 1980 г. получили патент на изобретение. Суть изобретения заключается в следующем. Режущий аппарат состоит из закрепленных на пальцевом брусе неподвижных пальцев и подвижного ножа. Подвижный нож состоит из ножевой полосы и смонтированных на ней сегментов. При этом сегменты закреплены на ножевой полосе особым образом. Плоскость
сегмента, в которой лежат кромки левого и правого лезвий (условно назовем ее нижней плоскостью), у одного сегмента обращена вниз, а у соседнего сегмента - вверх. Другими словами, каждый соседний сегмент перевернут на 180°.
Пальцы режущего аппарата - сдвоенные, причем у каждого пальца имеются нижняя и верхняя части, смонтированные соответственно под и над сегментами ножа, т.е. такой режущий аппарат работает по принципу двухподпорного среза по всей длине лезвия. В свою очередь, каждые нижняя и верхняя части пальца имеют по две режущие кромки: левые и правые, т. е. у каждого пальца имеются четыре режущие кромки. Суммарный зазор в режущих парах «нижняя часть пальца - сегмент» и «сегмент - верхняя часть пальца» не превышает толщины сегмента. Этого удается достигнуть благодаря высокому уровню техники, не доступному ранее, за счет точного изготовления штампованно-сварных пальцев (рис. 2).
4 5 6
Рис. 2. Режущий аппарат Шумахера:
1 - сдвоенный палец; 2 - пальцевый брус;
3 - элементы крепления пальца (болт-гайка); 4 - ножевой сегмент;
5 - спинка ножа; 6 - элементы крепления сегментов (болт-гайка)
При движении ножа лезвие одного сегмента образует режущую пару с нижней противорежу-щей кромкой пальца, а лезвие соседнего сегмента - с верхней противорежущей кромкой пальца. Действующие на нож при срезе вертикальные силы у соседних сегментов направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга по всей длине ножа [7, 8].
В научной литературе достаточно хорошо рассмотрены и проработаны вопросы взаимодействия пальца, сегмента и стеблей растений при резании: процесс отгиба, процесс подвода стеблей сегментом к противорежущей пластине, их защемления в растворе режущей пары и, наконец, срез. Однако в учебниках и научных трудах не описаны процессы, происходящие сразу после среза стебля. А про-
исходит следующее. Уже срезанный стебель опирается на срезавший его сегмент, затем его либо выводит из зоны резания мотовило (в случае с жаткой), либо стебель под собственной тяжестью и под воздействием соседних еще не срезанных стеблей падает в сторону, противоположную движению машины (в случае с косилкой). При этом зачастую стебель не успевает выйти из зоны резания до момента его защемления между верхней частью пальца (или перовидным отростком у «классического» режущего аппарата) и тупой кромкой сегмента. Возникает эффект двойного среза или затаскивания, когда уже срезанный нижней режущей парой стебель практически одновременно с этим затаскивается тупой кромкой этого же сегмента к верхней противоре-жущей кромке. На это затрачивается часть усилия резания, и как следствие увеличивается расход топлива [9, 10].
Обсуждение. Авторским коллективом кафедры сельскохозяйственных машин Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К. А. Тимирязева был предложен ряд запатентованных технических решений, направленных на совершенствование конструкции сегментно-пальцевого режущего аппарата. Одной из предложенных кон -струкций является сегментно-пальцевой режущий аппарат для среза растений (рис. 3) [11].
За основу или в качестве прототипа была взята конструкция «режущего аппарата Шумахера». Режущий аппарат включает в себя верхние и нижние элементы, которые образуют два пальца или сдвоенный палец 1. Соответственно верхние и нижние элементы образуют верхние 3 и нижние 2 противо-режущие кромки для подвижного ножа 4, выполненные с разнонаправленным смещением относительно оси симметрии секции пальцев, т.е. нижние противорежущие кромки пальцев смещены в одну сторону относительно оси симметрии секции пальцев, а верхние противорежущие кромки - в противоположную сторону.
Подвижный нож, так же как и в «режущем аппарате Шумахера», состоит из ножевой пластины и сегментов с режущими кромками, где тыльные стороны сегментов чередуются.
Работает устройство следующим образом. При поступательном движении машины нож совершает возвратно-поступательное движение. При срезе происходит защемление растений между противорежущими кромками пальцев 2 и 3 и режущими кромками сегментов 6. В результате происходит срез растения. Срезанные стебли не подвергаются повторному срезу тупой кромкой сегмента 7, так как имеются скосы 8 и 9 пальцев, не позволяющие производить защемление растений.
Предложенная конструкция режущего аппарата обладает высокой устойчивостью к возникающим при срезе поперечным силам. Такая конструкция пальцев при работе режущего аппарата устраняет эффект двойного среза и замятия растительной массы, что позволяет улучшить качество среза растений и уменьшить энергозатраты на привод ножа.
Рис. 3. Схема сегментно-пальцевого режущего аппарата для среза растений: 1 - сдвоенный палец; 2 - нижняя противорежущая кромка; 3 - верхняя противорежущая кромка; 4 - ножевой сегмент; 5 - элементы крепления ножевых сегментов (болт-гайка); 6 - режущие кромки (лезвия) сегмента; 7 - тупые кромки сегмента; 8 - скос верхнего пальца; 9 - скос нижнего пальца
Однако изготовление пальцев такой сложной формы требует больших затрат по сравнению с налаженным серийным выпуском пальцев «режущего аппарата Шумахера». Кроме того, проблема среза толстостебельных культур предложенным режущим аппаратом остается. Решить эти вопросы позволяет другая конструкция режущего аппарата с пальцами открытого типа [12]. Пальцы такого режущего аппарата крепятся к пальцевому брусу на расстоянии друг от друга, равном шагу режущего аппарата, попеременно чередуясь, сверху и снизу относительно подвижного ножа. Подвижный нож состоит из ножевой полосы и сегментов. Однако в отличие от других конструкций режущих аппаратов заточка каждого сегмента выполнена так, что одно лезвие находится на нижней плоскости сегмента, а другое - на верхней. При этом сегменты делятся на два типа: левые и правые. Левый сегмент является зеркальной копией правого сегмента. Крепление к ножевой пластине выполнено с чередованием левых и правых сегментов. Таким образом, у соседних сегментов нижние и верхние лезвия находятся на одном уровне. Срез растений в зоне нижних пальцев осуществляется нижними лезвиями левых и правых сегментов, а соответственно в зоне верхних пальцев - верхними лезвиями левых и правых сегментов. При срезе растений верти-
кальная сила стремится увеличить зазор в режущей паре. За счет крепления пальцев сверху и снизу относительно подвижного ножа вертикальные силы, действующие на все сегменты по всей длине ножа, компенсируют друг друга. Поэтому при работе режущего аппарата зазоры в режущих парах остаются неизменными. Такой режущий аппарат обладает высокой устойчивостью к возникающим при срезе вертикальным силам, и за счет осуществления резания по принципу одноподпорного среза решается задача уборки толстостебельных культур.
Рассмотрим устройство и принцип работы предложенного режущего аппарата подробнее. Предлагаемое устройство (рис. 4) состоит из нижних 1 и верхних 2 пальцев, которые крепятся болтами 3 к пальцевому брусу (не изображен), и подвижного ножа, состоящего из сегментов: левого 4 и правого 5. Сегменты, чередуясь, прикреплены болтами 6 к ножевой полосе (не изображена). Нижнее лезвие 7 сегмента 4 образует режущую пару с противоре-жущей пластиной 8 нижнего пальца 1, а верхнее лезвие 9 сегмента 4 образует режущую пару с про-тиворежущей пластиной 10 верхнего пальца 2.
Работает устройство следующим образом. При поступательном движении машины нож совершает возвратно-поступательное движение. При движении ножа происходит защемление и срез растений
между нижним лезвием 7 сегмента 4 и противорежу-щей пластиной 8 нижнего пальца 1, а также верхним лезвием 11 сегмента 5 и противорежущей пластиной 10 верхнего пальца 2. При изменении направления движения ножа происходит защемление и срез растений между верхним лезвием 9 сегмента 4 и проти-ворежущей пластиной 10 верхнего пальца 2, а также нижним лезвием 12 сегмента 5 и противорежущей пластиной 8 нижнего пальца 1.
1 I 2 5 1
\ ? Р СУ ° )
(о /0)1 _cSlo о)
А - А
8 11 12 8
Рис. 4. Схема режущего аппарата уборочной машины с пальцами открытого типа: 1 - нижние пальцы; 2 - верхние пальцы;
3 - элементы крепления пальцев к пальцевому брусу (болт-гайка); 4 - левый сегмент;
5 - правый сегмент; 6 - элементы крепления сегментов к ножевой полосе (болт-гайка); 7 - нижнее лезвие левого сегмента; 8 - противорежущие пластины нижних пальцев;
9 - верхнее лезвие левого сегмента; 10 - противорежущие пластины верхних пальцев;
11 - верхнее лезвие правого сегмента;
12 - нижнее лезвие правого сегмента
Таким образом, предлагаемая конструкция режущего аппарата с пальцами открытого типа позволяет улучшить качество среза за счет исключения повторного среза и затаскивания растений и выполнять одноподпорный срез толстостебельных культур без увеличения рабочего зазора в режущей паре. Это позволяет снизить мощность на привод ножа и износ деталей режущего аппарата, а также уменьшить расход топлива.
Выводы
Представленные в статье конструктивные решения по сегментно-пальцевым режущим аппаратам позволяют определить тенденции их развития в будущем, что даст возможность повысить качество их работы и снизить энергозатраты.
Библиографический список
1. Трубилин Е.И., Абликов В. А. Машины для уборки сельскохозяйственных культур (конструкции, теория и расчет): Учеб. пособие. 2-е изд. перераб. и доп. Краснодар: КГАУ, 2010. 325 с.
2. Алферов С.А., Калошин А.И., Угаров А. Д. Как работает зерноуборочный комбайн. М.: Машиностроение, 1981. 190 с.
3. Халанский В.М., Горбачев И.В. Сельскохозяйственные машины. М.: КолосС, 2003. 624 с.
4. Алдошин Н.В. Индустриальная технология производства кормов. М.: Агропромиздат, 1986. 175 с.
5. Алдошин Н.В. Стабильность технологических процессов в растениеводстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 3. С. 5-7.
6. Алдошин Н.В. Анализ технологических процессов в растениеводстве // Техника в сельском хозяйстве. 2008. № 1. С. 34-36.
7. Johnson P.C., Clementson C.L., Mathanker S.K., Grift T.E., Hansen A.C. 2012. Cutting energy characteristics of Miscanthus x giganteus stems with varying oblique angle and cutting speed. Biosystems Engineering, 112 (1): 42-48.
8. Алдошин Н.В. Исследование технологических процессов в растениеводстве при помощи стохастических матриц // Техника в сельском хозяйстве. 2007. № 3. С. 45-47.
9. Алдошин Н.В., Золотов А.А., Цыгуткин А.С., Лылин Н.А. Уборка бинарных посевов зерновых культур // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2016. № 3 (73). С. 11-17.
10. Алдошин Н.В., Дидманидзе Р.Н. Выбор стратегий качественного выполнения механизированных работ // Международный технико-экономический журнал. 2013. № 5. С. 67-70.
11. Сегментно-пальцевой режущий аппарат для среза растений: Патент РФ № 160527, МПК А0Ю34/18, А0Ю34/13 / Н.В. Алдошин, А.А. Золотов, А.С. Кудаева, Н.А. Лылин, А.А. Манохина. Опубл. 20.03.2016. Бюл. № 8.
12. Режущий аппарат уборочной машины: Патент РФ № 160531, МПК А0Ю34/13 / Н.В. Ал-дошин, А.А. Золотов, А.С. Кудаева, Н.А. Лылин, А.А. Манохина. Опубл. 20.03.2016. Бюл. № 8.
Статья поступила 06.06.1017
WAYS OF INCREASING PERFORMANCE QUALITY OF MOWERS AND HEADERS
NIKOLAI V. ALDOSHIN, DSc (Eng)
E-mail: cxm.msau@yandex.ru
ALEKSANDR A. ZOLOTOV, PhD (Eng), Professor
E-mail: zolotov46@mail.ru
NIKOLAI A. LYLIN, Engineer
E-mail: lylin2015@yandex.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The authors claim that cutting units should ensure clear cutting of crop stems. The paper considers the processes occurring during the cutting of herbaceous crops. The authors outline some indicators influencing the quality of stem cutting, analyze a process of interaction between a knife and fibrous tissues of crop stems, present specific features of cutting thin and thick stems of herbaceous crops, and examine the history of invention and performance improvement of cutting units. The paper features layouts and designs of a "classic" cutting unit currently installed on domestic machinery and a "Schumacher" cutting unit installed on most foreign harvesting machines. The authors list the pros and cons of these cutting units. They also emphasize a problem typical for "classic" cutting machines that is stem dragging into the opening of a cutting pair in case of an enlarged gap that leads to increased cutting forces. This problem is removed in the design of a "Shumacher" cutting unit. However, its operation is accompanied with an effect of double cutting, which also contributes to increased cutting forces. The paper contains diagrams and describes the operation principle of a cutting unit of a new design that minimize cutting resistance forces, which, in turn, decreases the power requirements of a knife drive, which ultimately leads to a reduction in fuel consumption. The authors present a design scheme of a patented knife segment allowing to increase the cutting unit reliability. The proposed design of a cutting unit features high resistance to transverse forces that arise in cutting. Their operation is not accompanied with an effect of double cutting and plant matter jamming that can improve the cutting quality and reduce power consumption of a knife drive.
Key words: cutting unit, combine harvester, header, finger (tine), segment, stem cut, cutting edge, blade, counter-cutting edge, gap.
References
1. Trubilin Ye.I., Ablikov VA. Mashiny dlya uborki sel'skokhozyaystvennykh kul'tur (konstrUktsii, teoriya i raschet): Ucheb. Posobiye [Machines for harvesting fram crops (design, theory and calculation): Study manual]. 2nd ed. revised and extended. Krasnodar, KGAU, 2010, 325 p. (In Rus.)
2. Alferov S.A., Kaloshin A.I., Ugarov A.D. Kak rabotayet zernouborochnyy kombayn [Grain combine harvester operation]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1981, 190 p. (In Rus.).
3. Khalanskiy V.M., Gorbachev I.V. Sel'skokho-zyaystvennyye mashiny [Farm machinery]. Moscow, KolosS, 2003, 624 p. (In Rus.)
4. Aldoshin N.V Industrial'naya tekhnologiya pro-izvodstva kormov [Industrial technology of fodder production]. Moscow, Agropromizdat, 1986, 175 p. (In Rus.)
5. Aldoshin N.V. Stabil'nost' tekhnologicheskikh protsessov v rasteniyevodstve [Stability of technolog-
ical processes in crop production]. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva, 2007, No. 3. Pp. 5-7. (In Rus.).
6. Aldoshin N.V Analiz tekhnologicheskikh pro-tsessov v rasteniyevodstve [Analysis of technological processes in crop production]. Tekhnika v sel'skom khozyaystve, 2008, No. 1. Pp. 34-36. (In Rus.)
7. Johnson P.C., Clementson C.L., Mathanker S.K., Grift T.E., Hansen A.C. 2012. Cutting energy characteristics of Miscanthus x giganteus stems with varying oblique angle and cutting speed. Biosystems Engineering, 112 (1): 42-48.
8. Aldoshin N.V. Issledovaniye tekhnologicheskikh protsessov v rasteniyevodstve pri pomoshchi stokha -sticheskikh matrits [Studying technological processes in crop production with the use of stochastic matrices]. Tekhnika v sel'skom khozyaystve, 2007, No. 3. Pp. 45-47. (In Rus.)
9. Aldoshin N.V, Zolotov A.A., Tsygutkin A.S., Ly-lin N.A. Uborka binarnykh posevov zernovykh kul'tur [Harvesting binary grain crops]. Vestnik FGOU VPO
"MGAU imeni V.P. Goryachkina", 2016, No. 3 (73). Pp. 11-17. (In Rus.)
10. Aldoshin N.V, Didmanidze R.N. Vybor strategiy kachestvennogo vypolneniya mekhanizirovannykh rabot [Choosing strategies of quality performance of mechanized operations]. Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonom-icheskiy zhurna, 2013, No. 5. Pp. 67-70. (In Rus.)
11. Aldoshin N.V, Zolotov A.A., Kudayeva A.S., Lylin N.A., Manokhina A.A. Segmentno-pal'tsevoy rezhushchiy apparat dlya sreza rasteniy [Segment-fin-
ger cutting machine for crop cutting]: Patent RF No. 160527, IPC A01D34/18, A01D34/13. Publ. on 20.03.2016. Bul. No. 8. (In Rus.)
12. Aldoshin N.V., Zolotov A.A., Kudayeva A.S., Lylin N.A., Manokhina A.A. Rezhushchiy apparat uborochnoy mashiny [Cutting unit of a harvesting machine]: Patent RF No. 160531, IPC A01D34/13. Publ. on 20.03.2016. Bul. No. 8. (In Rus.)
Received on June 6, 2017
УДК 628.475.7:631.863
ИВАНОВ ЮРИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук
Е-шаП: iy.electro@mail.ru
КИРСАНОВ ВЛАДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, докт. техн. наук, профессор
Е-таП: kirvv2014@mail.ru
ШАФЕЕВ АЛЬБЕРТ ФАРИТОВИЧ
Е-таП: shafeev.af@yandex.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОЗИРОВАННОЙ ПОДАЧИ ПОМЕТА С ПОДСТИЛКОЙ ПРИ СЖИГАНИИ В ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ УСТАНОВКАХ
Одним из способов утилизации помета птицефабрик является его термическая утилизация с получением тепловой энергии. Однако в настоящее время установки для термической утилизации помета не производятся. В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по термической утилизации помета птицефабрик для производства тепловой энергии в твердотопливных установках. В ходе исследований определены следующие показатели: часовая производительность установки, объем питателя, цикловая подача питателя, производительность колосников в трех зонах горения, а также закономерность изменения массы подстилочного помета в зависимости от времени и температуры горения по зонам. В результате проверки полученных зависимостей в лабораторных и производственных условиях установлено, что предложенные меры по усовершенствованию технологии и установки для утилизации помета с подстилкой приводят к снижению амплитуды колебаний тепловой мощности с 60 до 20%. Это позволит увеличить время бесперебойной работы установки по термической утилизации и улучшить эксплуатационные характеристики оборудования.
Ключевые слова: термическая утилизация, горение помета, подстилочный помет, рециркуляция дымовых газов, шлак, утилизация помета.
Введение. Анализ существующих способов утилизации помета птицефабрик показывает, что одним из перспективных способов является его термическая утилизация с получением тепловой энергии. Однако, несмотря на широкое распространение установок для сжигания различных видов твердого топлива, в настоящее время установки
для термической утилизации помета не производятся. Это обусловлено тем, что помет обладает специфическими теплотехническими свойствами, мало изученными с точки зрения оптимизации режимов его горения.
Во время предварительных исследований по сжиганию подстилочного помета в твердотопливных
котлах различных производителей установлено, что одной из проблем является значительная амплитуда колебаний производимой тепловой энергии, что при-
водит к ускоренному износу поверхностей теплообмена и существенно затрудняет обеспечение стационарного теплового режима (рис. 1).
Время, ч
Рис. 1. Колебания тепловой мощности при сжигании подстилочного помета
в топке базовой установки
Цель исследований - обоснование параметров дозированной подачи подстилочного помета при сжигании в твердотопливных установках.
Для обеспечения равномерности горения и равномерности движущегося потока сгорающего подстилочного помета целесообразно осуществить плавное изменение высоты слоя, без «горок» и «впадин», приводящих к неконтролируемым температурам по толщине горящего подстилочного помета в зонах сушки, возгонки летучих и горения. Необходимую толщину слоя подстилочного помета следует поддерживать также для того, чтобы предотвратить неполноту сгорания. При этом важно установить закономерности изменения его массы по мере сжигания.
Материал и методы. Обоснование параметров дозированной подачи подстилочного помета справедливо при следующих допущениях: процесс горения - квазиадиабатный, начальная температура исследуемого образца 20°С, соотношение куриного помета к подстилке - 50/50%, вид подстилки - древесные опилки, скорость нагрева образца 5.. ,20°С/мин, влажность подстилочного помета - 37%. Колосниковая решетка установки выполнена в виде не менее трех последовательно размещенных переталкивающих групп колосников для зон сушки (1), возгонки летучих веществ (2) и горения углерода (3), приводы которых подсоединены к блоку согласования подачи помета по зонам, к которому подключен привод средства подачи помета в устройство.
Результаты и обсуждение. Одним из главных условий является установление соответствия меж-
ду подачей помета дозатором питателя и колосниками.
Определим часовую производительность дозатора питателя из выражения
Со = я • I •рн ■ уут • фзап • пц,
где 5 - площадь сечения поршня, м2; I - ход поршня питателя, м; рн - насыпная плотность подстилочного помета в бункере, кг/м3; - коэффициент уплотнения, зависящий от диаметра, хода поршня питателя, влажности подстилочного помета (1,1.1,2); фап - коэффициент заполнения поршневого пространства (0,8.0,9); п - число циклов работы питателя в час.
Продолжительность паузы (цикличность подачи) во время работы дозатора будет равна циклу сушки подстилочного помета в первой зоне (рис. 2), т.е.
где гз - продолжительность заполнения питателя (т^ - время холостого хода, что соответствует паузам между рабочими ходами), с; гц^ - продолжительность цикла сушки подстилочного помета в первой зоне, с;
г = г + г ,
ЧС1 РХ1 С1
где грх. - время совершения рабочего хода, с; г -«чистое» время нахождения подстилочного помета в первой зоне, с;
т
т = вл
С1 V '
=
^'к, ■ Рп ■ Уупл ■ Фзап ■ ДК,
Дг.
где твл - масса влаги, удаляемой из подстилочного помета в первой зоне, кг; Vc - скорость сушки, кг/с.
Ус = I (пп, Дт, тел)
где тпп - масса подстилочного помета, кг; А г - время сушки, с.
Производительность колосников по зонам рассчитываем по выражению
где Ок - производительность колосника в /-й зоне, кг/ч; - площадь колосника в /-й зоне (колосников), м2; Акк - потеря высоты слоя в /-й зоне, м; Атг - время пребывания в /-й зоне, с; / -зоны 1, 2 и 3.
Циклограмма подачи подстилочного помета дозатором питателя и колосниками 1, 2 и 3-й зоны приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Циклограмма подачи подстилочного помета дозатором питателя и колосниками 1, 2 и 3-й зоны
Закономерность изменения массы подстилочного помета при сгорании в зонах сушки, возгонки летучих веществ и горения углерода определяется путем анализа экспериментальной кривой возгонки летучих веществ в зависимости от температуры нагрева и после аппроксимации имеет вид
N = -10-4 • t2 + 0,211 • t - 1,2626,
где N - процент выхода летучих веществ из подстилочного помета от общей массы, %.
Экспериментальная зависимость изменения массы подстилочного помета от температуры нагрева с 20 до 950°C представлена на рисунке 3.
При сгорании подстилочного помета, перемещаемого колосниками последовательно по зо-
Обязательным условием обеспечения непрерывности потока при сжигании подстилочного помета является:
в <в , <в 2 <в 3 пиг зона1 зона2 зонаЗ
Данные выражения представляют собой систему уравнений, позволяющих организовать необходимую
16
нам сушки, возгонки летучих веществ и горения углерода, происходит уменьшение его массы по следующим закономерностям для каждой зоны:
AMj = -10-5 • г2 - 0,0069 • г + 0, 0316, 20 < t < 150 AM2 = -10-4 • г2 + 0, 0045 • г - 1,5586, 150 < t < 400 AM3 =-0,3 • 10-3 -г2 - 0,0598-г- 7,353, 400 < t< 450 t = 0,3328 -г- 57,412,
где AMj - изменение массы подстилочного помета в первой зоне, кг; ДМ2 - изменение массы подстилочного помета во второй зоне, кг; ДМ3 - изменение массы подстилочного помета в третьей зоне, кг; т - время нагрева, с; t - температура нагрева, °C.
скорость движения помета с подстилкой и соответству-юшую цикличность подачи дозатором питателя и колосниками по зонам сушки и горения с учетом изменения массы по мере прохождения по зонам установки.
Внедрение указанных мер обеспечивает снижение колебания тепловой мощности установки в топке, что наглядно иллюстрирует суточная диаграмма, представленная на рисунке 4.
1050 1003 950 900 в 50 в 00 7 S0 700 650
600 у 550
% 500
а «о £ 400 i 350 К 300 £ 250 Н 200 150 100 50 О
щ—v х"
Is i ч
ь ! \ у 1 1
1 JMC *
Jr I Jr i
4 jr 11 jr
h jjr i 1 ■■
JT i 1 ,.
--Jr -*- ^^ i 1 __!1_
-- rj! rj!
ooHHNHrirtrtiiiiftiiifliaeNserteiiftobDHHrj riHrt^^iflNiafliOHNrtii/iiiNaiiO'HNirtiiiNmiOrt
Hrtrt^-lrtrtsHHrtrJMflNNMiNMMinffli
10
-10 -го
-30 -40
-60 -70 -SO -90 -100
Щ
u
Lj
1
e
H D
Д. о
H
Время, с
t,OC П-оФйрй %
Рис. 3. Зависимость изменения массы подстилочного помета от температуры нагрева по зонам топки установки
2500
2000
I-
т
1500
I-
и О
3 1000 о
500
1|И л ♦ 1 № 1 № 1 1Ц м ч 1
ч " " 1 Ч Г
00000000000000000000000 оьп^тгч^ноьп^тгч^ноьп^тгч^ноьп^тгч
Время,ч
Рис. 4. Колебания тепловой мощности при дозированной подаче подстилочного помета в усовершенствованной установке
0
Выводы
Разработанная система аналитических зависимостей для определения соответствия цикличности работы дозатора питателя и колосников установки при перемещении помета с подстилкой по зонам, с учетом изменения его массы по мере сушки и горения, позволяет обеспечить снижение амплитуды колебаний тепловой мощности с 60 до 20%.
В свою очередь, обеспечение условий дозированной подачи подстилочного помета при его сжигании за счет снижения амплитуды колебаний производимой тепловой энергии приводит к увеличению времени бесперебойной работы установки по термической утилизации и улучшению эксплуатационных характеристик оборудования.
Библиографический список
1. Иванов Ю.Г., Целиков В.В., Шафеев А.Ф. Особенности сжигания подстилочного помета при термической утилизации // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2015. № 1 (65). С. 25-30.
2. Иванов Ю.Г., Целиков В.В., Шафеев А.Ф. Особенности сжигания подстилочного помета в твердото-
пливных котлах // Вестник ВНИИМЖ. 2015. № 4 (20). С. 220-224.
3. Иванов Ю.Г., Целиков В.В., Шафеев А.Ф. Термическая утилизация птичьего помета // Сельский механизатор. 2015. № 9. С. 32-33.
4. Иванов Ю. Г. Экспериментальная установка для утилизации подстилочного помета и производства тепловой энергии: Труды 9-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в 5 частях. Ч. 3. «Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике». Москва, 21-22 мая 2014 г. / Ю.Г. Иванов и др. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2014. С. 104-106.
5. Шафеев А.Ф., Целиков В.В. Биоэнергетика - элемент экологической парадигмы устойчивого развития России // Экология и промышленность России. 2012. № 8. С. 49-51.
6. Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М.: Издательство Академии наук СССР, 1958. 601 с.
7. Дегтерев Г.П., Иванов Ю.Г., Лысенко В.П., Князев А. Ф. Переработка отходов птицеводческих хозяйств: Учебное пособие. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2016. 232 с.
Статья поступила 23.03.2017
SUBSTANTIATION OF PARAMETERS OF METERED APPLICATION RATE OF LITTER BEDDING FOR BURNING IN SOLID-FUEL INSTALLATIONS
YURI G. IVANOV, DSc (Eng)
E-mail: iy.electro@mail.ru
VLADIMIR V. KIRSANOV, DSc (Eng), Professor
E-mail: kirvv2014@mail.ru
ALBERTF. SHAFEYEV
E-mail: shafeev.af@yandex.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
One of the ways of recycling litter on poultry farms is its thermal utilization with obtaining thermal energy. However, there are currently no installations for thermal processing of litter. The paper presents the results of theoretical and experimental studies on thermal disposal of poultry litter for the production of thermal energy in solid-fuel installations. The following parameters have been determined during the research: hourly performance of an installation, feeder capacity, cyclic feed of a feeder, grate performance in three combustion zones, and the regularity of the litter bedding mass change depending on the burning time and temperature in separate zones. As a result of the verification of the obtained dependences in laboratory and production conditions, it has been established that the proposed measures aimed at improving the technology and the installation for litter bedding utilization lead to a decrease in the amplitude of thermal power fluctuations from 60 to 20%. This will increase the time of trouble-free operation of a thermal utilization plant and improve operational characteristics of the equipment.
Key words: thermal recycling, dung burning, dung litter, flue gas recirculation, slag, dung disposal.
References
1. Ivanov Yu.G., Tselikov V.V., Shafeyev A.F. Oso-bennosti szhiganiya podstilochnogo pometa pri ter-micheskoy utilizatsii [Burning features of bedding litter during it thermal utilization]. Vestnik FGOU VPO "MGAU imeni V.P. Goryachkina", 2015, No. 1 (65). Pp. 25-30. (In Rus.)
2. Ivanov Yu.G., Tselikov V.V., Shafeyev A.F. Oso-bennosti szhiganiya podstilochnogo pometa v tverdo-toplivnykh kotlakh [Specific features of bedding litter burning in solid fuel boilers]. Vestnik VNIIMZh, 2015, № 4 (20). Pp. 220-224. (In Rus.)
3. Ivanov Yu.G., Tselikov V.V., Shafeyev A.F. Ter-micheskaya utilizatsiya ptich'yego pometa [Thermal utilization of poultry litter]. Sel'skiy mekhanizator, 2015, No. 9. Pp. 32-33. (In Rus.)
4. Ivanov Yu.G. Eksperimental'naya ustanovka dlya utilizatsii podstilochnogo pometa i proizvodstva teplovoy energii: Trudy 9-y Mezhdunarodnoy nauch-no-tekhnicheskoy korferentsii "Energoobespecheni-ye i energosberezheniye v sel'skom khozyaystve" v 5 chastyakh. Ch. 3. "Energosberegayushchiye tekh-nologii v zhivotnovodstve i statsionarnoy energetike". Moskva, 21-22 maya 2014 [Experimental installation
for utilization of bedding litter and heat energy production: Proceedings of the 9th International Scientific and Technical Conference "Energy Supply and Energy Saving in Agriculture" in 5 parts. Part 3. "Energy-saving technologies in livestock and stationary power production"]. Moscow, GNU VIESKh, 2014. Pp. 104-106. (In Rus.)
5. Shafeyev A.F., Tselikov V.V. Bioenergetika - element ekologicheskoy paradigmy ustoychivogo raz-vitiya Rossii [Biopower engineering as an element of the ecological paradigm of sustainable development of Russia]. Ekologiya i promyshlennost'Rossii, 2012, No. 8. Pp. 49-51. (In Rus.)
6. Kantorovich B.V. Osnovy teorii goreniya i ga-zifikatsii tverdogo topliva [Fundamentals of the theory of solid fuel combustion and gasification]. Moscow, Izdatel'stvo Akademii nauk SSSR, 1958, 601 p. (In Rus.)
7. Degterev G.P., Ivanov Yu.G., Lysenko V.P., Kn-yazev A.F. Pererabotka otkhodov ptitsevodcheskikh khozyaystv: Uchebnoye posobiye [Processing of poultry farm waste: Study manual]. Moscow, Izd-vo RGAU-MSKhA, 2016. 232 p. (In Rus.)
Received on March 23, 2017
УДК 621(075.8)
ПАВЛОВ АЛЕКСАНДР ЕГОРОВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент
E-mail: alexpavlov60@mail.ru.
ПАВЛОВА ЛАРИСА АЛЕКСАНДРОВНА, доцент
E-mail: krasilnikowa.larisa2011@yandex.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ВЕРОЯТНОСТЬ ПРОХОЖДЕНИЯ КЛУБНЯ КАРТОФЕЛЯ СКВОЗЬ СИТА КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ
Возделывание картофеля представляет собой трудоёмкую отрасль сельскохозяйственного производства. Сокращение затрат предпосадочной и послеуборочной обработки снижает себестоимость картофеля. Сортировка является важной операцией в технологии обработки картофеля. В процессе сортировки клубни картофеля проходят сквозь щелевые отверстия сита. Для достижения максимальной точности калибрования и устранения варьирования размеров клубней в значительном интервале построена вероятностная модель процесса сортирования. Точная математическая модель процесса разделения картофеля на фракции позволит совершенствовать конструкции сортирующих устройств, повысить их надёжность и эффективность. Методом исследования является геометрическая теория вероятностей, служащая математическим аппаратом изучения случайных процессов. В работе получены аналитические формулы вероятности прохождения клубня картофеля сквозь отверстия прямоугольного, треугольного и шестиугольного типов. Предложенный математический подход обеспечит нахождение размеров калибрующих отверстий при конструировании картофелесортировок для приближения к максимально возможной точности калибрования. Разработанный подход является теоретической основой для дальнейшего применения теоретико-вероятностных методов при исследовании процессов сепарирования сельскохозяйственных продуктов.
Ключевые слова: калибровка картофеля по размеру, эллипсоид, задача Бюффона, вероятность пересечения эллипсом сторон прямоугольника, треугольника, шестиугольника.
Введение. Возделывание картофеля представляет собой трудоёмкую отрасль сельскохозяйственного производства. Сокращение затрат предпосадочной и послеуборочной обработки снижает себестоимость картофеля. Сортировка является важной операцией в технологии обработки картофеля. В процессе сортировки клубни картофеля проходят сквозь щелевые отверстия сита [1-3].
Цель работы - получить формулы вероятности прохождения клубня через сита прямоугольного, треугольного, шестиугольного типов.
Методом исследования является геометрическая теория вероятностей, служащая математическим аппаратом изучения случайных процессов.
Для начала решим более простую математическую задачу. С какой вероятностью игла, длина которой равна 2г, пересечёт хотя бы одну из прямых, если прямые, параллельные оси Ох, располагаются друг от друга на расстоянии 2/ а прямые, параллельные оси Оу, - на расстоянии 2/х? Пусть длина иглы меньше размеров решетки: г < /х и г < /у.
Координаты геометрического центра иглы С (хс, ус). Положение тела на плоскости задаётся тремя числами: (хс, ус, ф), где ф - угол наклона
иглы к оси Ox (рис. 1). Пространство событий, отвечающих прохождению тела без пересечения прямых, будет задаваться неравенствами:
r cos ф < хс < 21х - r cos ф,
r sin ф < yC < 2l - r sin ф, 0 < ф < п / 2.
Рис. 1. Координаты геометрического центра иглы С(хС, yC)
Найдём объем VD этого пространства, для чего вычислим трёхмерный интеграл, пределы интегрирования которого по переменным хС и ус зависят от угла ф:
п/2 (2ly -r sinp) (2lx-r cosp)
J ёф J dyC J dxC
0 r sin ф r cos ф
-r!
rly +T I"
VQ равен
п/2
Vn= J dqJ dxc J dyc = 2nxly.
Вероятность непересечения найдём как отношение объёмов VDIVC1 [4]:
i - 2: ж
1 1
V '«
I
2l l
x у у
Следовательно, вероятность Р того, что игла пересечёт хотя бы одну из прямых, находится из полученной выше формулы как вероятность противоположного события:
2r ж1
2r ж/
ж1х1у
(1)
прямоугольной сетки с размерами 21х и 2/у. Координаты геометрического центра эллипса С(хС, ус). Положение тела на плоскости задаётся числами (хС, ус, ф), где ф - угол наклона эллипса к оси Ох (рис. 2).
Объём пространства всех возможных событий
Рис. 2. Эллипс случайно попадает на прямоугольную сетку с размерами 21х и 21у
Пусть размеры эллипса таковы, что a и Ь меньше как 1Х, так и 1у. Координаты С(хС, ус) центра эллипса, который касается одновременно обеих осей декартовой системы координат, равны
ус = а^ 1 - к2 8т2 ф, хс = + к2 / (1 - к2) 8т2 ф. (3)
Зависимость функции Р от всех трёх параметров г, 1Х, 1у является монотонной. Вероятность пересечения прямо пропорциональна длине иглы г и обратно пропорциональна размерам решетки 1Х, 1у. Полученную формулу можно интерпретировать следующим образом. Пусть А - событие, состоящее в том, что игла пересечёт одну прямую, параллельную оси Оу, а событие В - прямую, параллельную оси Ох. Вероятность суммы двух независимых событий (А+В) по теореме сложения вероятностей будет равна [5]:
Р (Л + В) = Р (Л) + Р (В)- Р (Л ■ В). (2)
Сравнивая формулы (1) и (2), видно, что Р(А)
2г
и Р(В) задаются формулой Бюффона Р = —, а ве-
ж1
роятность совместного события А В, состоящего в пересечении иглой одновременно двух прямых, не равна произведению вероятностей Р(А) и Р(В), поскольку эти события не являются независимыми:
Р (Л ■ В) =
Формула
получается
из
равенства
yc = y/a2 cos2 ф + b2 sin2 ф поворотом эллипса на угол п / 2: ф ^ ф+п/2, в результате чего имеем:
xc = yja2 sin2 ф + b2 cos2 ф.
Найдём объём пространства событий D, отвечающих прохождению эллипса сквозь сетку:
(2ly -aj 1-k2 sin2 ф) (2lx -b^1+k2/(1-k2)sin2 ф)
J dyc
Ц 1+k2/(1-k2)sin2 ф
п/2 (."y-^1-*
VD = J dф J
dxr
afi-k2
ЖУу
В частном случае, когда игла бросается на квадратную (шахматную) доску с длиной клетки I = 1х = 1у, получаем из (1) решение для учебников [6]:
Р=ЖЖё(4'- ')•
Результаты и обсуждение. Рассмотрим задачу о нахождении вероятности пересечения эллипсом с длинами полуосей a и Ь хотя бы одной прямой
Пределы интегрирования по Хс и ус, координатам центра эллипса, соответствуют предельным случаям касания эллипсом сторон прямоугольника и зависят от угла наклона эллипса. Объём пространства событий О равен УО = 2ж1х1у. Вероятность Р пересечения хотя бы одной прямой находим по формуле геометрической вероятности (2), где вероятности событий А и В определяются через полные эллиптические интегралы второго рода:
P {A)
4а 2ж1„
Е (')' P (B ) = -Жт* И. (4)
2 ж/
Вероятность совместного события A B находим по формуле
P (A • B )-Ж0г1 (к'
л lxly
где абелев интеграл имеет вид
(5)
0
п/2
I (к2) = } - к2 ят2 <рф1 + к2 / (1 - £2) ят2 ф<р.
о
Комплексной заменой переменной интегрирования (ф ^ г)
ф , йг . 1 Г 1
г = еф, йф = —, я тф = — |г — г 2г ^ г
формулу (5) можно свести к интегрированию по единичной окружности = 1 в комплексной плоскости
'( •в )=щг, * < - +^ с -1)5х
х ^2 - к2/(1 - к2 )(г2 -1)2,
вокруг полюса I = 0. Можно сравнить вероятности пересечения эллипсом границ щелевого и прямоугольного отверстий с помощью формул (4), (5), рассмотрев их отношение. Пусть I = I и 1Х > I, тогда
Ь I (к2) '
1 I
их отношение равно: 1 + —
> 1.
г г г
р = — +---.
I I II
х у х у
(6)
Рис. 3. Пространство событий (прямоугольник со сторонами 21х и 21у); пространство ю (прямоугольник со сторонами 2(1Х - г) и 2(/„ - г))
х КЕ (к2)
Следовательно, вероятность беспрепятственного прохождения щелевого отверстия больше вероятности прохождения сквозь прямоугольное отверстие. В частном случае, если эллипс является окружностью радиуса г, эксцентриситет эллипса равен нулю (к = 0) и проблема приводится к учебной задаче о бросании монеты на прямоугольную сетку. Тогда из формулы (1) находим вероятность пересечения:
Из формулы (6), выражающей теорему сложения вероятностей, следует, что события А и В, в этом частном случае, оказываются независимыми. Соответствующее пространство событий вырождается и становится двумерным, поскольку теперь положение окружности на сетке не зависит от угла ориентации ф. Формулу (6) получаем сравнивая площади соответствующих прямоугольников в конфигурационном пространстве. Как видно из рисунка 3, площадь пространства вероятностных событий равна 5а = 4!х!у. Заштрихованная область отвечает пространству событий непересечения сетки клубнем - ю. Его площадь равна 5О = 4 ((х - г) ( - г). Отсюда, как отношение площадей событий, следует формула (6).
Случай с шарообразным клубнем является самым простейшим. Нетрудно геометрически получить формулу вероятности пересечения шарообразным клубнем радиуса г треугольной сетки. В этом случае пространством элементарных событий будет правильный треугольник с длинами сторон, равными / (рис. 4).
Рис. 4. Пространство событий (треугольник со стороной I); пространство ю (треугольник со стороной I - )
Событиям, отвечающим непересечению сетки клубнем, соответствует заштрихованная область ю на рисунке. Площадь пространства всех элементарных событий 5а = 12ы3 /4. Площадь заштри^ хованного треугольника = ^[3 / 4 ((- 2\[3г) (рис. 4). Значит, вероятность Р пересечения шарообразным клубнем правильной треугольной сетки будет равна:
4* II)-12 (I
(7)
Достоверным событием Р = 1 пересечения сетки клубнем будет следующее соотношение между радиусом г клубня и параметром решетки /:
г) = 213. Он отвечает случаю, когда круг касается одновременно всех сторон треугольника, то есть является вписанным в него.
Получим формулу для нахождения вероятности пересечения шарообразным клубнем радиуса г шестиугольной сетки. В этом случае пространством элементарных событий будет правильный
шестиугольник с длинами сторон, равными l (рис. 5).
Рис. 5. Пространство событий (шестиугольник со стороной /); пространство ю (шестиугольник со стороной I - )
Событиям, отвечающим непересечению сетки клубнем, соответствует заштрихованный шестиугольник на рисунке 5. Площадь шестиугольни-
ису
ка равна = 12л/3 / 4, площадь заштрихрванного шестиугольника лв = 1/-Л ((/2 - г . Отсюда находим искомую вероятность пересечения сетки:
' ■ Тз (7 ]-3 (7
(8)
При радиусе круга г = ¡43 / 2 вероятность достоверного события равна единице, поскольку он является вписанным в шестиугольник.
Выводы
Для достижения максимальной точности калибрования и устранения варьирования размеров клубней в значительном интервале построена вероятностная модель процесса сортирования. Используя методы геометрической теории вероятностей [7], получены формулы для вычисления вероятности прохождения клубнем картофеля сквозь сита картофелесортировки разных типов. Предложенный математический подход обеспечит нахождение размеров калибрующих отверстий при конструировании картофелесортировок для приближения к максимально возможной точности калибрования.
Библиографический список
1. Павлов А.Е., Павлова Л. А. Калибровка клубней картофеля // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2017. № 3. С. 15-20.
2. Петров Г.Д. Картофелеуборочные машины. М.: Машиностроение,1984. 320 с.
3. Ерохин М.Н. Детали машин и основы конструирования. М.: КолосС, 2005. 464 с.
4. Секей Г. Парадоксы в теории вероятностей и математической статистике. М.: Мир, 1990. 240 с.
5. Павлов А.Е., Павлова Л.А. Эллиптические функции в задачах теоретической механики. Ижевск: Изд-во ИжГСХА, 2007. 132 с.
6. Кендалл М., Моран П. Геометрические вероятности. М.: Наука, 1972. 192 с.
7. Павлов А.Е., Павлова Л.А. Элементы математической статистики. Ижевск: Изд-во ИжГСХА, 2010. 83 с.
Статья поступила 17.01.2017
PROBABILITY OF POTATO TUBER PASSING THROUGH POTATO-SEPARATING SIEVES
ALEKSANDR Ye. PAVLOV, PhD (Phys-Math), Associate Professor
E-mail: alexpavlov60@mail.ru
LARISA A. PAVLOVA, Associate Professor
E-mail: krasilnikowa.larisa2011@yandex.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
Potato cultivation is a labor-intensive branch of agricultural production. Reducing the costs of preplant and post-harvest processing decresases the potato production costs as well. Sorting is an important operation in potato processing technology. In the process of sorting, potato tubers pass through slotted sieve openings. To achieve maximum calibration accuracy and eliminate the variation in tuber size over a significant range, a probabilistic model of the sorting process has been worked out. A precise mathematical model of the process of potato separating into fractions will improve the design of sorting devices, increase their reliability and efficiency. The study method is the geometric theory of probability, which serves as a mathematical apparatus for studying random
processes. The authors have obtained analytical formulas for a probability of potato tuber passing through openings of a rectangular, triangular, and hexagonal type. The proposed mathematical approach will help determine the dimensions of the calibration holes for designing potato sorting machines in order to ensure the maximum possible calibration accuracy. The developed approach is a theoretical base for further application of theory-probabilistic methods in the study of farm produce separation processes.
Key words: potato size calibration, ellipsoid, Buffon problem, probability of ellipse intersection of rectangle, triangle, and hexagon sides.
References
1. Pavlov A. Ye., Pavlova L.A. Kalibrovka klubney kartofelya [Potato tubers calibration]. Vestnik FGOU VPO "MGAU imeni V.P. Goryachkina", 2017, No. 3. Pp. 15-20. (In Rus.)
2. Petrov G.D. Kartofeleuborochnyye mashiny [Potato-harvesting machines]. Moscow, Mashinostroyeni-ye, 1984. 320 p. (In Rus.)
3. Yerokhin M.N. Detali mashin i osnovy konstru-irovaniya [Machinery parts and design principles]. Moscow, KolosS, 2005. 464 p. (In Rus.)
4. Szekey G. Paradoksy v teorii veroyatnostey i matematicheskoy statistike [Paradoxes in probabili-
ty theory and mathematical statistics]. Moscow, Mir, 1990. 240 p. (In Rus.)
5. Pavlov A. Ye., Pavlova L.A. Ellipticheskiye funktsii v zadachakh teoreticheskoy mekhaniki [Elliptic functions applied in theoretical mechanics]. Izhevsk, Izd-vo IzhGSKhA, 2007. 132 p. (In Rus.)
6. Kendall M., Moran P. Geometricheskiye ve-royatnosti [Geometrical probabilities]. Moscow, Nau-ka, 1972. 192 p. (In Rus.)
7. Pavlov A. Ye., Pavlova L.A. Elementy matematicheskoy statistiki [Elements of mathematical statistics]. Izhevsk, Izd-vo IzhGSKhA, 2010. 83 p. (In Rus.)
Received on January 17, 2017
УДК 631.621.3
ВОРОБЬЕВ ВИКТОР АНДРЕЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор
E-mail: tatiana49@mail.ru
ИВАНОВ ЮРИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор
E-mail: iy.electro@mail.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, г Москва, 127550, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ
Вопросам влияния электрического тока на растения посвящены многочисленные исследования ученых. Природа воздействия электричества на растения во многом хорошо изучена. Установлена принципиальная возможность использования обработки растительных объектов электрическим током с целью стимулирования корнеобразования и приживаемости прививок плодовых культур, увеличения урожайности зерновых и овощных культур. Доказано, что при стимуляции ускоряется прорастание семян, черенков и клубней, активируются процессы жизнедеятельности, повышается урожайность, сокращаются сроки созревания и т.д. Такая обработка отличается незначительными энергетическими затратами; возможностью широкого варьирования режимами и точностью дозирования интенсивности воздействия; малой экспозицией. Целью исследования являлось выяснение влияния направления постоянного тока на развитие растения. Эксперимент проводился в августе 2016 г. на кафедре «Электропривод и электротехнологии» РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. В опыте принимали участие отрезки лозы винограда длиной 60.70 мм, диаметром 4.5 мм, погруженные в воду комнатной температуры, по черенкам пропускали электрический ток. В результате на третий день эксперимента на черенках, подключенных к отрицательному полюсу батарейки, обозначились почки. На пятый день на концах черенков, расположенных в воде, появились корешки. Через неделю листки существенно увеличились в размерах. На нижних концах че-
ренков появилось до пяти корешков длиной около сантиметра каждый. Черенки, подключенные к положительному зажиму батарейки, не проявляли никаких признаков жизни. Экспериментально установлено, что подключение отрицательного полюса источника постоянного электрического тока к верхней части погруженного в воду черенка виноградной лозы стимулирует жизнедеятельность черенка, которая проявляется в интенсивном корнеобразовании и распускании почек.
Ключевые слова: электротехнология, черенок, постоянный ток, электрическая цепь, стимуляция, виноградная лоза, корешки.
Введение. Воздействие электричества на растения хорошо изучено [1-3]. В основу классификаций, охватывающих основные формы воздействия электричества на растения, положены следующие признаки: способ воздействия, время воздействия в агротехнологическом цикле, растительные органы, на которые направлено воздействие, и характер ответной реакции растения.
Морфологический и физиологический характер проявления ответных реакций на воздействие зависит от дозы, и его можно разделить на три группы: стимуляцию, угнетение функциональной активности и разрушение клеточной структуры. В настоящее время установлена принципиальная возможность обработки растительных объектов электрическим током с целью стимулирования кор-необразования и приживаемости прививок плодовых культур, увеличения урожайности зерновых и овощных культур. При стимуляции ускоряется прорастание семян, черенков и клубней, активируются процессы жизнедеятельности, повышается урожайность, сокращаются сроки созревания и т.д. [4, 5]. Такая обработка отличается незначительными энергетическими затратами; возможностью широкого варьирования режимами и точностью дозирования интенсивности воздействия; малой экспозицией.
Во всех известных способах обработки воздействию электрического тока подвергается живая растительная ткань. Прямое воздействие электричества происходит при непосредственном действии электрического тока и его полей целиком на растение или на отдельные его органы с целью стимуляции, угнетения или разрушения клеточной структуры.
В предпосевную фазу агротехнического цикла широко используются электрические, магнитные и электромагнитные поля для стимуляции семян и вегетативных органов (клубней, черенков и т.д.). При этом всхожесть, рост и последующее развитие растений тем сильнее, чем ниже качество обрабатываемого материала [6]. Обработка семян в вышеназванных полях усиливает действие ферментов, вызывает интенсивный обмен веществ в прорастающем семени, ускоряет рост и развитие растений и повышает их продуктивность.
В период онтогенеза используется подача отрицательного потенциала на концы побегов для ускорения сокодвижения под влиянием электроосмоса, который применяется и для изменения направления движения соков в предуборочную фазу, чтобы ускорить опадание созревших плодов или листьев деревьев перед снегопадами. Электроосмос при по-
ложительном потенциале веток задерживает пробуждение растений ранней весной.
В период онтогенеза возможно управление ходом развития растений с помощью электрических полей. Широко известны случаи положительного влияния электромагнитных полей линий электропередачи на растения. Для искусственного стимулирования в сельскохозяйственном производстве используются специальные устройства [4], с помощью которых электрические поля действуют на растения как в защищенном, так и открытом грунте. Наряду со стимулирующим действием электрические поля при соответствующих режимах могут оказывать и угнетающее воздействие, что также используется для активного электрофизиологического управления жизнедеятельностью растений.
В предуборочную фазу изменением параметров полей и электрического тока, которые при онтогенезе приводили к стимуляции, добиваются угнетения, замедления сокодвижения и т.д. для равномерного и одновременного созревания плодов, чтобы повысить эффективность механизированной уборки урожая. Воздействуя электрическими разрядами на стебли, например табака и подсолнечника, осуществляют кольцевание небольшого участка, прерывая сокодвижение. В результате наступает режим голодного обмена веществ и равномерное созревание корзинок подсолнечника или листьев табака. Это также повышает качество последующей механизированной уборки.
Исследования по влиянию на растения постоянного тока проводились в Великобритании под руководством профессора Ф.А. Бенсона и М.Ф. Дипро-се [7, 8]. Эти опыты выполнялись в лабораторных условиях с растениями, выращенными в вегетационных сосудах, а цепь тока определялась парой электродов, один из которых контактировал со стеблем растения, а другой заглублялся в почву. В результате анализа полученных данных установлено:
1. Токи менее 100 мкА не вызывают разрушения растительной ткани.
2. При токах от 100 мкА до единиц миллиампер происходит самопроизвольное возрастание значения тока до некоторого предельного значения, сопровождающееся разрушением растительной ткани.
3. При токах от 6 до 46 мА самопроизвольное увеличение значения тока не прекращается, вплоть до разрыва тканей растения.
4. Летальный исход наступает при незначительных значениях напряжений (например, для гороха -300...400 В).
5. Время, необходимое для повреждения растения, составляет десятки минут.
Также проводились исследования влияния переменного тока на растения и растительную ткань. Основная часть экспериментов также выполнялась в лабораторных условиях. Выводы по результатам опытов [9]:
1. Чем меньше значение напряжения, приложенного к обрабатываемому растению, тем больше время обработки.
2. Время обработки в первом приближении можно считать обратно пропорциональным квадрату приложенного к растению напряжения.
3. Даже при одинаковых геометрических размерах растений одного и того же вида наблюдается:
а) значительный разброс как начальных, так и конечных токов обработки;
б) изменение времени достижения летального исхода;
в) значительный разброс конечных значений сопротивления растений (после обработки).
4. В процессе обработки нарастание тока, протекающего через растение, происходит неравномерно: вначале имеется область с малой скоростью, а затем - с большей скоростью нарастания, за которыми следует область постоянной силы тока, длящейся вплоть до разрушения растительной ткани, после чего ток падает до нуля.
Определением летальной дозы энергии в зависимости от периода вегетации занимались исследователи США, которые проводили эксперименты в лабораторных условиях на различных видах культурных и сорных растений, в результате чего было установлено [9]:
1. Доза энергии, необходимая для гибели растения, при электрическом повреждении изменяется от 40 до 3000 Дж.
2. В зависимости от времени вегетации летальная доза для одного и того же вида растения может отличаться в 10.15 раз.
3. С увеличением периода вегетации повышается величина повреждающей дозы электрической энергии.
4. При обработке растений с разветвленной корневой системой снижается эффективность электрических воздействий, что также характерно и для обработки растений при повышенной влажности почвы.
5. Разрушение растительной ткани наблюдается только у той части растений, через которую протекал электрический ток.
Цель исследования - выяснение влияния направления постоянного тока на развитие растения.
Материалы и методика исследования. Для выяснения влияния направления постоянного тока на развитие растений на кафедре «Электропривод и электротехнологии» РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева был выполнен несложный опыт. В летний период (август) были использованы отрезки вполне развитой лозы винограда диаметром 4.5 мм. Перед опытом с лозы были удалены все листья. Из нее вырезали три отрезка-черенка (чубука) длиной 60.70 мм: два рабочих и один кон-
трольный. Черенки были оформлены таким образом, чтобы узлы располагались на расстоянии 2/3 длины от нижнего и 1/3 длины от верхнего конца черенка. Для опыта использовались стеклянные банки емкостью 0,5 л, в которые была налита обычная водопроводная вода 0,3 л.
Опыт выполнялся при комнатной температуре. Рабочие черенки были зафиксированы на расстоянии 50 мм друг от друга специальной распоркой из оргстекла. Контрольный черенок располагался в емкости свободно. Все черенки нижними концами были погружены в воду. Верхние концы рабочих черенков были подключены к зажимам пальчиковой батарейки. Присоединение торцевых частей черенков осуществлялось путем введения в сердцевину черенков медных проводников. Удобным приемом оказался способ с использованием стальных булавок. Схема расположения черенков представлена на рисунке, из которого видно, что торцы черенков подключены к полюсам батарейки. Благодаря такому соединению по черенкам протекает электрический ток в противоположных направлениях. Это дает возможность выяснить влияние направления электрического тока на развитие черенков.
1 2 ¡45
Схема опыта по электротехнологическому стимулированию черенков винограда: 1, 3 - черенки, подключенные к источнику электрического тока;
2 - контрольный черенок; 4 - вода;
5 - емкость; О - источник тока
Наблюдения за черенками показали, что уже на третий день на черенках, подключенных к отрицательному полюсу батарейки, заметно оживились узлы - на них четко обозначились почки, которые затем трансформировались в листки. На пятый день на концах черенков, расположенных в воде, появились корешки: один, затем второй и т.д. Через неделю листки существенно увеличились в размерах. На нижних концах черенков появилось до пяти корешков длиной около сантиметра каждый.
Черенки, подключенные к положительному зажиму батарейки, не проявляли никаких признаков жизни.
Контрольные черенки проявили себя лишь слабым набуханием почки в области узла.
При разборке схемы привлекла внимание еще одна особенность: черенки, подключенные к положительному зажиму батарейки, при незначительном нажатии легко переламывались в месте расположения узла. Причем место излома оказывалось очень ровным.
Результаты и обсуждение. Выполненный эксперимент на примере виноградных черенков показал влияние направления постоянного тока на ускорение корнеобразования - кильчевания. Причем, что важно для практики, процессы корнеобразова-ния осуществлялись без применения стимуляторов роста: корневина, гетероауксина и т.п.
Следует также отметить факт, связанный с экономией времени. Известно, что заготовка черенков осуществляется осенью, затем следуют ответственные периоды правильного хранения и организации проращивания черенков. Электротехнологические приемы проращивания черенков значительно сокращают затраты времени [9, 10]. Их можно проводить практически в любое время года.
Интересны и многообещающи опыты профессора В.И. Баева, выполненные в Волгоградском государственном аграрном университете, по стимуляции процессов прививки плодовых культур. Доказано, что подключение положительного полюса батареи к подвою, а отрицательного - к привою существенно ускоряет процесс приживаемости прививок. Важным преимуществом предлагаемого способа стимуляции является то, что прививку можно осуществлять практически в любое время года [6].
Выводы
Установлено, что подключение отрицательного полюса источника постоянного электрического тока к верхней части погруженного в воду черенка виноградной лозы стимулирует жизнедеятельность, ко-
торая проявляется в интенсивном корнеобразовании и распускании почек. Таким образом, воздействие электрического тока на черенки растений может стать важным электротехнологическим приемом.
Библиографический список
1. Галактионов С.Г., Юрин В.М. Ботаники с гальванометром. М.: Знание, 1979. 143 с.
2. Патури Ф. Растения гениальные инженеры природы. М., 1982. 272 с.
3. Сазыкин В.Г. Классификация воздействий электричества на растения // В кн.: Электропривод и источники автономного питания для механизации трудоемких процессов в растениеводстве: Труды Ку -банского СХИ. Краснодар, 1985. Вып. 249. С. 60-65.
4. Басов А.М. [и др.]. Электротехнология. М.: Агропромиздат, 1985. 256 с.
5. Рубцов П.А. [и др.]. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1964. 503 с.
6. Баев В.И. Способ электрического стимулирования приживаемости прививок растений: Авторское свидетельство РФ № 2366159.
7. Diprose M.F. Electrohermal control of weed beet and bolting sugar beet / M.F. Dirose, F.A. Benson, R. Hacham // Weed research. 1980. V. 20. № 5. P. 311-322.
8. Dykes W.Q. Principles and practices of electrical weed control // American Society of Agricultural Engineers. 1980. Paper № 80-1007. 9 p.
9. Кудряков А.Г. Повышение способности кор-необразования виноградных черенков с помощью электрического тока // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 8. С. 16-17.
10. Стрельцов Б.Н., Рукавишников А.М., Коро-танов В. А. Электрофизическая стимуляция черенков // Цветоводство. 1984. № 5. 16 с.
Статья поступила 02.03.2017
EFFECT OF ELECTRIC CURRENT ON PLANT GROWTH
VICTOR A. VOROBYEV, DSc (Eng), Professor
Е-mail: tatiana49@mail.ru
YURI G. IVANOV, DSc (Eng), Professor
Е-mail: iy.electro@mail.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The effects of electric current on plants have been studied by numerous scientists. Currently, the nature of the electricity effects on plants has been comprehensively studied in many respects. The authors have proved a principle possibility of treating plants with electric current to stimulate their root formation as well as to ensure the survival of fruit crop inoculations and increase the yield of cereals and vegetable crops. It has been proved that electric stimulation contributes to the acceleraterd germination of seeds, cuttings and tubers, more intensified
processes of vital activity, increased yields, shortened maturation periods, and etc. This treatment is characterized by low energy costs; a wide range of mode variation, the accuracy of applied current intensity as weel as short exposure time. The study aimed at the determination of the influence of the DC direction on plant development. The experiment was conducted in August 2016 at the Department of Electric Drive and Electrotechnology of RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev. In the experiment, vine grape cuttings of 60.70 mm in length and 4.5 mm in diameter were immersed in room-temperature water and exposed to an electric current action. As a result, on the third day of the experiment, some buds were identified on cuttings connected to the negative pole of the battery. On the fifth day, the cuttings immersed in water produced rootlets at their ends. A week later, the grape leaves significantly increased in size. Tthe lower ends of the cuttings managed to produce up to five rootlets of about a centimeter in length. The cuttings connected to the positive terminal of a battery showed no sign of life activity. The present research has experimentally found that connecting the negative pole of the permanent electric current source to the top of a grapevine cutting immersed in water stimulates vital functions of the cutting manifesting themselves in intensive root formation and bud blooming.
Key words: electrotechnology, cutting, direct current, electric circuit, stimulation, grape vine, rootlets.
References
1. Galaktionov S.G., Yurin V.M. Botaniki s gal'va-nometrom [Botanists with a galvanometer]. Moscow, Znaniye, 1979, 143 p. (In Rus.)
2. Paturi F. Rasteniya genial'nyye inzhenery priro-dy [Plants as brilliant engineers of nature]. Moscow, 1982, 272 p. (In Rus.)
3. Sazykin V.G. Klassifikatsiya vozdeystviy ele-ktrichestva na rasteniya [Classification of the effects of electricity on plants] In.: Elektroprivod i istochniki avtonomnogo pitaniya dlya mekhanizatsii trudoyem-kikh protsessov v rasteniyevodstve: Trudy Kuban-skogo SKhl. Krasnodar, 1985. Issue. 249. Pp. 60-65. (In Rus.)
4. Basov A.M. [and etc.]. Elektrotekhnologiya [Electrotechnology]. Moscow, Agropromizdat, 1985, 256 p. (In Rus.)
5. Rubtsov P.A. [and etc.]. Primeneniye elektrich-eskoy energii v sel'skom khozyaystve [Application of electrical energy in agriculture]. Moscow, Kolos, 1964, 503 p. (In Rus.)
6. Bayev V.I. Sposob elektricheskogo stim-ulirovaniya prizhivayemosti privivok rasteniy [Method of electrical stimulation of the survival of plants inoculations]: Author's certificate of the Russian Federation No. 2366159 (In Rus.)
7. Diprose M.F. Electrohermal control of weed beet and bolting sugar beet / M.F. Dirose, F.A. Benson, R. Ha-cham, Weed Research, 1980, V. 20. No. 5. Pp. 311-322.
8. Dykes W.Q. The American Society of Agricultural Engineers, 1980. Paper No. 80-1007. 9 p.
9. Kudryakov A.G. Povysheniye sposobnosti korneobrazovaniya vinogradnykh cherenkov s po-moshch'yu elektricheskogo toka [Increaing the rooting ability of grape cuttings with the use of electric current]. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva, 2007, No. 8. Pp. 16-17. (In Rus.)
10. Streltsov B.N., Rukavishnikov A.M., Koro-tanov V.A. Elektrofizicheskaya stimulyatsiya cherenk-ov [Electrophysical stimulation of cuttings]. Tsvetovod-stvo, 1984, No. 5. 16 p. (In Rus.)
Received on March 2, 2017
УДК 636
КИРСАНОВ ВЛАДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, докт. техн. наук, профессор1
Е-шаП: kirvv2014@mail.ru
ИГНАТКИН ИВАН ЮРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент2
Е-таП: ignatkinivan@gmail.com
1 Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
2 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, 105005, Российская Федерация
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ В УСЛОВИЯХ ИНЕЕОБРАЗОВАНИЯ
Обеспечение микроклимата - важная и энергоемкая задача. Порядка 80% теплоты, затрачиваемой на отопление производственных помещений, удаляется через систему вентиляции. В животноводстве утилизировать теплоту вытяжного воздуха целесообразно в воздухо-воздушном рекуперативном теплообменнике. При охлаждении теплообменной стенки до температур ниже нуля со стороны вытяжного канала начинается процесс кристаллизации конденсата. Следовательно, целесообразно учитывать инееобразование. Свойства инея отличаются от свойств снега. С появлением инея имеет место одновременное развитие двух групп процессов: увеличивающих и уменьшающих теплоперенос. Получены аппроксимационные зависимости для определения коэффициентов относительной теплоотдачи и относительного сопротивления от продолжительности процесса. Построены зависимости изменения относительной тепловой мощности во времени. Отмечено, что режим течения флюида оказывает значительное влияние на эффективность тепло- и массопереноса. При этом прослеживается общий характер процесса: изначальное наращивание относительной тепловой мощности, далее наступает квазистационарный режим, а затем происходит снижение относительной тепловой мощности. Максимальная эффективность утилизации теплоты реализуется в квазистационарном режиме. Учет влияния инееобразования на интенсивность теплопередачи позволяет провести более точную оценку тепловых потоков, определить оптимальное время включения теплообменника в режим оттаивания и реализовать алгоритм динамического регулирования системы рекуперации теплоты с условием обеспечения максимальной тепловой мощности аппарата.
Ключевые слова: вентиляция, десублимация, инееобразование, квазистационарный режим, микроклимат, рекуперация теплоты, система микроклимата, теплообмен, теплоперенос, утилизация теплоты, энергосбережение.
Введение. Обеспечение требуемого микроклимата - важная и энергоемкая задача [1-6]. Процесс ассимиляции продуктов жизнедеятельности животных предполагает перманентный приток свежего воздух и удаление отработанного. Причем текущая кратность воздухообмена зависит от поголовья животных, их половозрастной группы и свойств приточного воздуха. В зимний период года поддержание необходимого воздухообмена сопровождается расходами на его подогрев. При этом из производственных помещений удаляется теплый энергонасыщенный воздух. Затраты на нагрев приточного воздуха составляют около 80% в структуре расходов на отопление. Одним из путей снижения затрат на отопление является утилизация теплоты вытяжного воздуха.
На данный момент времени человечество разработало массу вариантов решения задачи утили-
зации теплоты. В животноводстве утилизировать теплоту вытяжного воздуха целесообразно в воз-духо-воздушном рекуперативном теплообменнике, изготовленном из недорогих, химически инертных материалов. Таким условиям удовлетворяют полимеры [7-9].
В воздухо-воздушном теплообменнике теплопередача осуществляется от нагретого вытяжного воздуха к холодному приточному. В рекуператорах это реализуется через непроницаемую разделяющую стенку.
При охлаждении теплообменной стенки до температур ниже нуля со стороны вытяжного канала начинается процесс кристаллизации конденсата [10-12].
В работе Д. А. Тихомирова [10] и других авторов образующийся слой инея рассматривается как источник гидравлического и термического сопротив-
ления в вытяжном канале, что справедливо только для развитого слоя десублимата. Более детальное изучение этого вопроса раскрывает неоднозначность картины.
Цель исследований - разработать технологию динамического регулирования рекуператора из условия реализации максимальной эффективности утилизации теплоты вытяжного воздуха в условиях образования инея в вытяжном канале аппарата.
Материал и методы. Свойства инея и характер его образования изначально ошибочно заимствовали у более изученного снега, что приводило к неточностям. Так, для оценки теплопроводности снега широко пользуются эмпирической зависимостью А.С. Кондратьевой:
\н= 3,06-10^ -рс2н.
В приведенной зависимости теплопроводность зависит лишь от плотности снега, что удовлетворительно в некоторых практических расчетах, но совершенно не раскрывает сути процессов, происходящих в слое снега и тем более инея.
Теплопроводность снега не является однозначной функцией плотности. Специалистами в области холодильного и криогенного оборудования замечено, что слой инея на теплообменных поверхностях аппаратов снижает эффективность теплопроводности в диапазоне крайне низких (криогенных) температур. При сравнительно невысоких температурах (близких к нулю) и относительно малой длительности процесса теплоизолирующие свойства инея не проявлялись. Более того, на начальном этапе процесса теплопередача осуществлялась эффективнее [13].
С возникновением инея эффективные коэффициенты теплопереноса увеличиваются. Это объясняется изменением свойств поверхности - растет ее шероховатость, а с ней развивается площадь поверхности теплообмена, что увеличивает конвективную составляющую теплопереноса. Дополнительно выделяется теплота фазового перехода воды (из газообразного в жидкое, а затем и в твердое состояние). А также увеличивается составляющая лучистого теплообмена, что связано с повышением коэффициента черноты шероховатой поверхности.
Таким образом, оценку теплоизолирующих свойств инея необходимо проводить с поправкой на одновременный, к тому же до определенной степени опережающий, рост коэффициента теплоусвоения (теплоотдачи).
Изменение относительного теплопереноса и относительного массопереноса во времени зависит от температуры поверхности теплообмена, режима течения и влажности воздуха (рис. 1).
Шероховатость поверхности в начале процесса инееобразования увеличивается и способствует
теплопередаче, что происходит за счет увеличения поверхности теплообмена. В развитии процесса шероховатость снижается, уменьшая за собой теплопередачу.
а б
Рис. 1. Зависимости коэффициентов относительного сопротивления (а) и относительной теплоотдачи (б) от продолжительности процесса десублимации, по данным Чена и Розеноу: 1, 3 - при Яеср 2,2-104 и 2, 4 - при Яе 4,5-104 соответственно
Следовательно, происходит одновременное развитие двух групп процессов: увеличивающих и уменьшающих теплоперенос. В определенных условиях эти процессы взаимно компенсируются и образуют квазистационарный режим, характеризующийся постоянством теплового потока, при выраженном изменении влияющих на него процессов [13].
Результаты и обсуждение. Для удобства использования в практических расчетах экспериментального материала, представленного на рисунке 1, его целесообразно аппроксимировать.
Полученные аппроксимацией расчетные формулы для определения коэффициентов относительной теплоотдачи и относительного сопротивления от продолжительности процесса приведены ниже. Коэффициент достоверности аппроксимации Я2 составляет не ниже 0,95: при Яе 2,2-104
С
С
= 0,9959 • е-°'0219 • /,
= 3,0 • 10-6 • /3 - 4,0 • 105 • /2 +1,17 • 10 2 • / +1,022;
при Яе 4,5-104
-2- = 0,9363 • е-
С
^ нач
= -2,0 • 10-6 • г4 + 2,0 • 10-4 • (3 - 6,6 • 10-3 • (2 + 8,06 • 10-2 • ( + 0,9842.
^нач
1
1
Введя полученные зависимости в математическую модель рекуперативного теплообменника, получим модель теплообмена в условиях образования инея.
Характер кривых отчетливо демонстрирует изначальное наращивание относительной тепловой мощности (восходящая фаза), причем при Яеср 2,2-104 (рис. 2 а) это происходит скачкообразно, в течение нескольких первых секунд процесса десублимации. Далее кривая выходит на плато, а затем происходит плавное монотонное, практически линейное снижение относительной тепловой мощности (нисходящая фаза). Таким образом, в течение первых десяти минут процесса инееобразования, несмотря на уменьшение пропускной способности рекуператора, тепловая мощность стабильно близка к номинальным значениям -имеет место выраженный квазистационарный режим.
С ростом критерия Рейнольдса до 4,5-104 (рис. 2 б) интенсивность теплопередачи возрастает и приобретает выраженную восходящую фазу экспоненциального характера с экстремумом 16%, соответствующим шести минутам с начала процесса. Выраженного горизонтального участка (плато) нет. Его можно условно расположить близ экстремума в интервале 4-8 мин. Последующая нисходящая фаза демонстрирует монотонное убывание с характером, близким к линейному.
Описанное выше свидетельствует, что образование инея сопровождается рядом положительных эффектов. Для их использования предлагается способ регулирования приточно-вытяжной теплообменной установкой с обеспечением максимальной эффективности утилизации теплоты (рис. 3).
Принцип работы установки: в корпусе аппарата расположен теплообменник 4 с каналами для приточного и вытяжного воздуха. Побуждение потоков приточного и вытяжного воздуха реализуется приточным 1 и вытяжным 6 вентиляторами. Теплый воздух, удаляемый из помещения, через теплообменные пластины нагревает приточный свежий воздух. Удаляемый из помещения воздух, охлаждаясь, преодолевает точку росы. Дальнейший теплообмен происходит с образова-
На рисунке 2 а, б приведены сравнительные графики изменения тепловой мощности аппарата в условиях образования инея.
нием конденсата. Под действием гравитации жидкость стекает в поддон и удаляется конденсатоотводчиком 2 в систему навозной канализации.
Рис. 3. Рекуперативный утилизатор теплоты вытяжного воздуха: 1 - приточный вентилятор; 2 - конденсатоотводчик; 3 - рециркуляционная заслонка; 4 - теплообменник;
5 - приточный воздуховод;
6 - вытяжной вентилятор;
7 - выпускной воздуховод
Рис. 2. Зависимости коэффициентов относительной тепловой мощности от продолжительности процесса десублимации: а, б - при Кеср 2,2-104 и 4,5-104 соответственно; 1 - относительное измерение тепловой мощности рекуператора в модели, воспринимающей иней исключительно как источник термического и аэродинамического сопротивления; 2 - учитывает реальный характер влияния процесса образования инея на теплопередачу
Фазовый переход воды из газообразного в жидкое состояние предполагает выделение теплоты парообразования, что является дополнительным источником тепловой энергии и положительно сказывается на нагреве приточного воздуха. Помимо теплового, следует также выделить и моющий эффект конденсата. При охлаждении теплого и влажного вытяжного воздуха (г = 20°С, ф = 70%) до 0°С образуется 6,5 г влаги, приходящиеся на каждый килограмм сухого воздуха. Учитывая плотность воздуха и производительность рассматриваемого аппарата (6000 м3/ч), каждый час выделяется приблизительно 32500 г конденсата, омывающих теплообменные поверхности.
При охлаждении поверхности теплообмена ниже нуля градусов Цельсия начинается кристаллизация конденсата. Важно отметить, что образующийся слой не является льдом, на теплообменной поверхности зарождаются и развиваются дендриты. Процесс сопровождается образованием кристаллов первого порядка - вытянутых, перпендикулярных поверхности теплообмена, кристаллов второго порядка - перпендикулярных первому, и т.д. Процессу сопутствует освобождение теплоты льдообразования. Если температура теплообменной поверхности близка к нулю, процесс может принять циклический характер: кристаллизация - плавление. Такое течение процесса нарушает изначальную структуру инея и образует плотный, подобный льду слой.
При постоянстве расхода вытяжного воздуха можно установить динамическое равновесие, реализуемое регулированием расхода приточного воздуха пропорционально снижению наружной температуры.
Вытяжной вентилятор работает с постоянным расходом, приточный воздух поступает в меньшем количестве, это приводит к формированию разрежения в производственном помещении. Под действием образовавшегося перепада давлений усиливается инфильтрация наружного воздуха, из-за дополнительного сопротивления снижается производительность вытяжного вентилятора - система стабилизируется в режиме, отличном от ожидаемого. Для устранения этого явления предусмотрена рециркуляционная заслонка 8, которая открывается пропорционально снижению расхода приточной системы и направляет часть вытяжного воздуха обратно в помещение.
Выводы
Учет влияния инееобразования на интенсивность теплопередачи позволяет провести более точную оценку тепловых потоков, что невозможно в упрощенной модели, рассчитать период эффективного использования рекуператора в заданном темпера-турно-влажностном режиме, а следовательно, определить оптимальное время включения теплообменника в режим оттаивания. Критерием оптимальности удобно принять относительную тепловую мощность. Уменьшение тепловой мощности ниже номинального значения сопровождается значениями коэффициента относительной тепловой мощности меньше единицы.
Одним из путей использования увеличения теплопередачи в условиях образования инея является
реализация алгоритма динамического регулирования системы рекуперации теплоты с условием обеспечения максимальной тепловой мощности аппарата. Такое решение предполагает изменение параметров работы исполнительных механизмов аппарата в режиме реального времени с целью обеспечения максимально возможной тепловой мощности.
Библиографический список
1. Гулевский В. А., Шацкий В.П. Моделирование теплообмена в пластинчатых теплообменниках // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2012. С. 140-144.
2. Кирсанов В.В., Мурусидзе Д.Н., Некрашевич В.Ф., Шевцов В.В., Филонов РФ. Механизация и технология животноводства: Учебник. М., 2013. 585 с.
3. Гулевский В.А., Шацкий В.П., Спирина Н.Г. Применение теплообменников (рекуператоров) для нормализации микролимата животноводческих помещений // Известия ВУЗов. Строительство. № 9. Новосибирск, 2013. С. 64-68.
4. Ильин И.В., Игнаткин И.Ю., Курячий М.Г. Влияние параметров микроклимата на продуктивность свиней // Эффективное животноводство. 2011. № 5. С. 30-31.
5. Архипцев А.В., Игнаткин И.Ю. Автоматизированная система микроклимата с утилизацией теплоты вытяжного воздуха // Вестник НГИЭИ. 2016. № 4 (59). С. 5-14.
6. Казанцев С.П., Игнаткин И.Ю. Система микроклимата в свиноводстве с применением охладителей новой конструкции // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 5. С. 18-20.
7. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Энергоэффективная автоматизированная система микроклимата // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горяч-кина». 2016. № 6 (76). С. 48-51.
8. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Математическая модель водоиспарительного охлаждения в системах вентиляции // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В .П. Горячкина». 2016. № 7 (77). С. 14-20.
9. Игнаткин И.Ю., Бондарев А.М., Курячий М.Г., Путан А.А., Архипцев А.В. Опыт внедрения системы рекуперации тепла вентиляционного воздуха в систему поддержания микроклимата в свинарнике ООО «Фирма Мортадель» // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. № 4 (9). С. 256-261.
10. Тихомиров Д. А. Энергосберегающие электрические системы и технические средства тепло-обеспечения основных технологических процессов в животноводстве: Дис. ... д-ра техн. наук. М., 2015.
11. Кононенко А.С., Киселев Р.В. Восстановление радиаторов // Сельский механизатор. 2004. № 6. С. 22-23.
12. Игнаткин И.Ю. Оценка эффективности рекуперации теплоты в свинарнике-откормочнике ООО «Фирма Мортадель» // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2016. № 1 (71). С. 14-20.
13. Напалков Г.Н. Тепломассоперенос в условиях образования инея. М.: Машиностроение, 1983. 189 с.
Статья поступила 04.05.2017
METHOD OF INCREASING HEAT RECOVERY EFFICIENCY IN CONDITIONS OF FROST FORMATION
VLADIMIR V. KIRSANOV, DSc (Eng), Professor1
Е-mail: kirvv2014@mail.ru
IVAN Yu. IGNATKIN, Phd (Eng), Associate Professor2
Е-mail: ignatkinivan@gmail.com
1 Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
2 Bauman Moscow State Technical University, 105005, Russia, Moscow, 2nd Baumanskaya str., 5, bld.1
Microclimate making is an important and energy-intensive task. About 80% of the heat used for heating production premises is removed through a ventilation system. In animal husbandry, it is rather expedient to utilize the exhaust air heat in an air-to-air recuperative heat exchanger. When a heat exchanger wall is cooled to temperatures below zero, the condensate crystallization process starts from the side of the exhaust duct. Therefore, it is advisable to take into account frost formation. The frost properties differ from those of snow. When frost is formed, two groups of processes develop simultaneously: both those increasing and decreasing heat transfer. The authors have obtained approximate dependences to determine the coefficients of relative heat transfer and relative resistance to the process duration, as well as determined dependences of the change in relative thermal power over time. It has been noted that a fluid flow mode has a significant effect on the efficiency of heat and mass transfer. In this case, the general nature of the process can be traced: an initial increase in the relative thermal power is followed by a quasi-stationary mode, and then relative thermal power decreases. The maximum efficiency of heat utilization is ensured in a quasi-stationary mode. Accounting for the effect of frost formation on heat transfer intensity one can make a more accurate estimate of heat flows, determine the optimum time for switching the heat exchanger into a defrosting mode, and implement a dynamic control algorithm for a heat recovery system to ensure maximum heat output of an installation.
Key words: ventilation, desublimation, frost formation, quasi-stationary mode, microclimate, heat recovery, microclimate system, heat exchange, heat transfer, heat utilization, energy saving.
References
1. Gulevskiy V.A., Shatskiy V.P. Modelirovaniye teploobmena v plastinchatykh teploobmennikakh [Modeling of heat exchange in plate heat exchangers]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2012. Pp. 140-144. (In Rus.)
2. Kirsanov V V, Murusidze D.N., Nekrashevich VF., Shevtsov V V, Filonov R.F. Mekhanizatsiya i tekhnologi-ya zhivotnovodstva: Uchebnik [Livestock breeding mechanization and technology: Study manual]. Moscow, 2013, 585 p. (In Rus.)
3. Gulevskiy VA., Shatskiy VP., Spirina N.G. Prime-neniye teploobmennikov (rekuperatorov) dlya normali-zatsii mikrolimata zhivotnovodcheskikh pomeshcheniy [Application of heat exchangers (recuperators) for microclimate control on livestock farms]. Izvestiya VUZov. Stroitel'stvo, № 9. Novosibirsk, 2013. Pp. 64-68. (In Rus.)
4. Il'in I.V, Ignatkin I. Yu., Kuryachiy M.G. Vliyaniye parametrov mikroklimata na produktivnost' sviney [Effect of microclimate parameters on swine production]. Effek-tivnoye zhivotnovodstvo, 2011, No. 5. Pp. 30-31. (In Rus.)
5. Arkhiptsev A.V., Ignatkin I.Yu. Avtomatizirovan-naya sistema mikroklimata s utilizatsiyey teploty vyt-
yazhnogo vozdukha [Automated system of microclimate with utilization of exhaust air heat]. VestnikNGIEI, 2016, No. 4 (59). Pp. 5-14. (In Rus.)
6. Kazantsev S.P., Ignatkin I.Yu. Sistema mikroklimata v svinovodstve s primeneniyem okhladiteley novoy kon-struktsii [Microclimate system in swine production with the use of new coolers]. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva, 2014, No. 5. Pp. 18-20. (In Rus.)
7. Kirsanov V.V., Ignatkin I.Yu. Energoeffektivnaya avtomatizirovannaya sistema mikroklimata [Energy-efficient automated microclimate system]. Vestnik fGOU VPO "MGAUimeni V.P. Goryachkina", 2016, No. 6 (76). Pp. 48-51. (In Rus.)
8. Kirsanov V. V., Ignatkin I.Yu. Matematicheskaya model' vodoisparitel'nogo okhlazhdeniya v sistemakh ventilyatsii [Mathematical model of water-evaporative cooling in ventilation systems]. Vestnik FGOU VPO "MGAUimeni V.P. Goryachkina", 2016, No. 7 (77). Pp. 14-20. (In Rus.)
9. Ignatkin I. Yu., Bondarev A.M., Kuryachiy M.G., Putan A.A., Arkhiptsev A.V. Opyt vnedreniya sistemy rekuperatsii tepla ventilyatsionnogo vozdukha v sistemu podderzhaniya mikroklimata v svinarnike OOO "Firma Mortadel'" [Experience of introducing the system of heat
recovery of ventilation air into the microclimate control system on a swine farm of LLC "Firma Mortadel"]. Innovatsii v sel'skom khozyaystve, 2014, No. 4 (9). Pp. 256-261. (In Rus.)
10. Tikhomirov D.A. Energosberegayushchiye elektrich-eskiye sistemy i tekhnicheskiye sredstva teploobespecheniya osnovnykh tekhnologicheskikh protsessov v zhivotnovod-stve [Energy-saving electrical systems and technical means of heat supply of basic technological processes in animal husbandry]: DSc (Eng) thesis. Moscow, 2015. (In Rus.)
11. Kononenko A.S., Kiselev R.V. Vosstanovleniye radiatorov [Restoration of radiators]. Sel'skiy mekhani-zator, 2004, No. 6. Pp. 22-23. (In Rus.)
12. Ignatkin I.Yu. Otsenka effektivnosti rekuperat-sii teploty v svinarnike-otkormochnike OOO "Firma Mortadel'" [Evaluation of the heat recovery efficiency on a swine-breeding farm of LLC "Firma Mortadel"].
VestnikFGOU VPO "MGAUimeni V.P. Goryachkina", 2016, No. 1 (71). Pp. 14-20. (In Rus.)
13. Napalkov G.N. Teplomassoperenos v usloviyakh obrazovaniya ineya [Heat and mass transfer in conditions of frost formation]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1983, 189 p. (In Rus.)
Received on May 4, 2017
УДК 631.33.004.68
ИСАЕВ АЙДЫН ЮНИС ОГЛЫ, докт. философии по технике, доцент
E-mail: aydin.isayev.75@mail.ru
Азербайджанский государственный аграрный университет, проспект Ататюрка, 262, Гянджа, AZ 2000, Азербайджанская Республика
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРЯМОГО ПОСЕВА
Отмечаются преимущества нулевой обработки почвы и важность оценки качества высева при прямом посеве. Ставится цель обосновать условия качественного расположения семян в поле на основе математической модели процесса. Рассматриваются несколько моделей процесса расположения семян в рядке. Построена графическая зависимость, характеризующая коэффициент вариации интервалов между растениями в зависимости от полевой всхожести семян при разной точности высева. Вариант идеальной точности высева, т.е. имеющий наилучший результат, может служить оценочным при выборе существующей или при проектировании новой техники. Представлены формулы, описывающие интервалы между семенами. Установлено, что у последовательностей семян в рядке и у моделей этих последовательностей свойства автокорреляционных функций и спектров хорошо согласуются. Полученные формулы, описывающие интервал между семенами, позволяют на основе вероятности высева семян аппаратом определить вероятностные характеристики интервалов между семенами при работе посевной машины прямого посева. У последовательностей семян в рядке и у моделей этих последовательностей свойства автокорреляционных функций и спектров хорошо согласуются. У последовательностей растений в рядке и у рассмотренных моделей этих последовательностей свойства автокорреляционных функций и спектров не одинаковы. В то же время единственное различие этих последовательностей - наличие не взошедших семян, а единственное дополнительное ограничение, к которому прибегли при составлении модели рядка растений, - постоянство величины полевой всхожести.
Ключевые слова: посев, качество посева, посевная машина, всхожесть, вероятностная модель, коэффициент вариации, плотность вероятности.
Введение. Обработка почвы является одним из основных элементов системы земледелия. Создание оптимальной структуры почвы, благоприятные условия для посева, водного, воздушного и пищевого режимов всегда были ее наиболее важными задачами.
Традиционная система земледелия с использованием плуга, который полностью переворачивает почву и сильно ее рыхлит, вызывает раз-
рушение структуры почвы. Она становится менее плодородной вследствие удаления соломы или ее сжигания и заделывания растительных остатков глубоко в почву, а также гибели агрономически полезной макро- и мезофауны почвы, микроорганизмов. Интенсивная обработка почвы оказывает отрицательное воздействие на качество почвы, ее водное и воздушное содержание, а также на климат и ландшафты.
Существенным недостатком обработки почвы плугом является повышение опасности эрозии. Выбытие почв из оборота по причине эрозии представляет собой большую экологическую проблему в Азербайджане, где более половины посевных площадей находятся на склоновых почвах. Кроме того, в традиционном земледелии применяется значительное количество техники. Многочисленные проходы сельскохозяйственных машин по полю оказывают повышенную нагрузку на почву, что приводит к ее уплотнению, уменьшению инфильтрации влаги и увеличению смыва верхнего слоя [1-3].
Научные исследования и практический опыт [4-6] привели к разработке и внедрению различных ресурсосберегающих технологий взамен плужных и созданию системы сберегающего земледелия. Одним из направлений такой системы является нулевая обработка почвы, которая предусматривает широкое использование сеялок прямого посева.
Анализ проведенных исследований и наблюдений за работой сеялок прямого посева показывает, что они отвечают определенным задачам сберегающего земледелия. Однако все еще требуется совершенствование в таких конструкциях максимального обеспечения расположения семян в рядках.
Известно, что от размещения семян в рядке зависит урожайность. Поэтому возникает важность изучения возможности улучшения качества посева.
Материал и методы. При высеве семена должны размещаться через равные интервалы и в строго одинаковых количествах. Для этого необходимо, чтобы высевающий аппарат образовывал поток семян, выпадающих через равные интервалы пути сеялки, и чтобы в процессе транспортирования до места в рядке эти интервалы не изменялись.
Назовем «метками» точки рядка, в которые должны попасть семена при идеальном варианте обеспечения высева, и предположим, что такой высев произошел. Расстояние от произвольной точки рядка до любого ьго по порядку семени
t = Ь + а,., (1)
где Ь - расстояние от начала отсчета до первого семени, м; а - расстояние между соседними семенами, м.
На такой модели удобно рассмотреть влияние невсхожих семян на качество размещения растений в рядке. Назовем «испытанием» процесс развития семени в растение и припишем каждому семени определенную, постоянную для всех семян вероятность f обеспечить расстояние (вероятность успеха) и вероятность q = 1-р оказаться невсхожим (вероятность неудачи). Получим схему независимых испытаний Бернулли, при которых количество т неудач, предшествующих первому успеху, распределено по геометрическому
закону [7]. Каждой «неудаче» в нашей модели соответствует приращение интервала между растениями на величину а. Поэтому случайное расстояние А между всходами также будет иметь геометрическое распределение
Р {Л = та} = рдт-1 (т = 1,2,...) (2) со средним
М (А ) = -, (3)
Р
дисперсией
Б (Л) = М2 (Л (4)
и коэффициентом вариации
^ = л11 - Р =4ч. (5)
Результаты исследования. На рисунке 1 кривая 1 характеризует коэффициент вариации интервалов между растениями в зависимости от полевой всхожести семян при идеальном варианте высева, т. е. такой результат, лучше которого добиться невозможно. Как следует из рисунка, даже при полевой всхожести р = 0,8 (т.е. 80%) коэффициент вариации V = 0,45. При полевой всхожести р = 0,6 и менее усилия, затрачиваемые на точное размещение семян, практически теряют реальную основу.
Сведения о последовательности случайных величин, заключающиеся в одномерном распределении вероятностей, не могут считаться полными, если нет уверенности в статистической независимости этих величин. Можно показать, что в рассмотренной модели интервалы между растениями взаимно независимы. Это значительно упрощает многие расчеты и рассуждения, так как распределение вероятностей одиночного интервала полностью описывает всю их последовательность. Кроме того, интервалы между растениями, замеренные подряд, один за другим, могут рассматриваться как независимые наблюдения над случайной величиной. Это позволяет использовать статистические критерии согласия в таких задачах, как, например, сравнение выборочных средних или дисперсий из разных совокупностей.
Реализация рассмотренной модели представляет серьезные технические трудности. Хотя существуют машины (например, с высевом семян в бумажной ленте), позволяющие высевать семена практически с равными интервалами, далеко не всегда удается предоставить им одинаковые условия для развития, одинаковую вероятность всхожести.
Наиболее широко распространенные сеялки не обеспечивают точного размещения семян. Каждое из семян при падении в борозду, а также при последующей заделке отклоняется от метки на некоторую величину £ Допустим, что все от-
клонения статистически независимы и имеют одинаковые распределения Р(2), дисперсия которых достаточно мала, так что наложения соседних распределений (т.е. инверсий семян [8, 9]) не происходит. Этому условию удовлетворяет, например, нормальное распределение со средним, равным нулю, и дисперсией, обеспечивающей неравенство
Зстг =0,5а или —- < —. Примем также, что высе-а 6
вающий аппарат работает без пропусков. Расстояние между семенами в такой модели представляет собой сумму расстояний между соседними метками и двух независимых отклонений:
X = И, + а - 2м. (6)
Среднее остается равным а, дисперсия
X) = 2Б (3 ), (7)
коэффициент вариации
v=^42. (8)
а
Структура модели существенно зависит от отношения J = - индекса вариации. а
С учетом (6)
Як = М{[ г - 2/+1 ][ гм - ¿¡+к ]}, (10)
где М - математическое ожидание выражения в скобках; г, к - произвольные индексы.
Согласно правилам действий над математическими ожиданиями и свойствам отклонения
м (г - 3+1 ) = { в(
0, гф0;
г), г=0.
(11)
Раскрыв скобки в (10) и поделив все Як на дисперсию О(Х), получим значения автокорреляционной функции
Рк =
1, к = 0; -0,5, к = 1; 0, к > 1.
(12)
Таким образом, лишь первый член автокорреляционной функции последовательности интервалов (6) отличается от нуля, т.е. взаимно коррелированы только соседние интервалы.
На рисунке 2 показаны выборочные и теоретический спектры, соответствующие автокорреляционным функциям. Некоторые расхождения автокорреляционных функций и спектров с теоретическими в значительной мере объясняются свойствами выборочных оценок [10] этих характеристик. Сказываются также пропуски в работе высевающих аппаратов, что проявляется в добавлении к теоретическим функциям независимой составляющей, имеющей спектр в виде горизонтальной прямой. Кроме того, при больших значениях коэффициента вариации интервалов появляются наложения соседних отклонений, что искажает модель (6).
Рис. 1. Коэффициент вариации (V) интервалов между растениями в зависимости от полевой всхожести Р при разной точности высева семян: 1 - J = 0,0; 2 - J = 0,25; 3 - J = 0,316; 4 - J = 0,5
Далеко не всегда предоставляется возможность аналитически определить автокорреляционную функцию и спектральную плотность случайного процесса. Однако простота вероятностного механизма рассматриваемой модели позволяет сделать это. Выберем любую пару зависимых отклонений величин X] и Х+к из интервалов, составляющих последовательность, и найдем их ковариационный момент [7].
Як = М {{ -М(X)][Х,.+к -М(X)]}. (9)
Рис. 2. Спектральные плотности интервалов между семенами: 1, 2, 3 - выборочные; 4 - теоретическая
Описание последовательности интервалов между растениями получим, допустив в рассмотренной модели наличие невсхожих семян. Вероятность
всхожести предполагается постоянной и одинаковой для всех семян. Расстояние между соседними растениями будет представлять теперь сумму случайного расстояния А с распределением (1) между двумя метками, соответствующим проросшим семенам, и двух отклонений £ от этих меток:
X, = Ег + А - Е г-
(13)
Среднее расстояние между растениями определится выражением (3), дисперсия интервалов
Б (X ) = Б (А) + 2Б (Е ) = М2 (А ) + 2Б (Е), (14)
коэффициент вариации
у =
V
Л (Х)
М2 (А)
= д + 2 р2 32
(15)
Я, = М
{[Е, + А, -М (А)- Е,+1 ] > [ Е 1+к + Ам - М(А) - Е,+к+1 ]}.
(16)
Рк =
б (г)
2Б (г) + б (а)
к = 0; к = 1; к > 1.
(17)
* (/) = 2
1+2Е Рп008(2п/)
(18)
Применительно к (12) это выражение запишется в виде
Я, (/) = 2 [1 - 008(2^/)].
(19)
Используя (18), формулу для спектральной плотности интервалов запишем в виде
(/) = 2
1-
2 Б( Е)
-оо$(2п/)
(20)
2Б(Е) + Б(А) Выразив дисперсии с помощью (4) и (7), получим
^(/)=2
1 -
у
2 1 - Р
У +~т Р
008(2^/)
(21)
В формуле (15) первый член подкоренного выражения содержит квадраты величин, меньших единицы, поэтому можно ожидать, что коэффициент вариации во многих случаях будет определяться величиной невсхожести семян q. На рисунке 1 кривые 2, 3 и 4 характеризуют коэффициент вариации как функцию полевой всхожести при разных значениях I.
Из рисунка следует, что в левой части графика эти кривые близки кривой 1, соответствующей идеальному размещению семян. Даже при полевой всхожести р = 0,7 качество раскладки мало сказывается на коэффициенте вариации интервалов между растениями. Лишь при увеличении всхожести до р = 0,8 и более качество расположения растений вдоль рядка существенно зависит от I, т.е. от точности высева.
Для вычисления ковариационного момента интервалов X и Х+к между растениями на основании (9) и (13) имеем
Произведя необходимые преобразования, вычислим автокорреляционную функцию интервалов между семенами
Спектральная плотность последовательности интервалов непрерывна и определена на интервале частот 0 < f < 0,5 Гц (рис. 2). Из автокорреляционной функции нормированную спектральную плотность можно получить с помощью дискретного косинус-преобразования Фурье:
где vс - коэффициент вариации интервалов между семенами.
Теоретические автокорреляционные функции и спектры последовательностей интервалов (13) между растениями похожи на аналогичные характеристики интервалов между семенами, однако особенности их выражены менее ярко. Корреляция смежных интервалов хотя и отрицательна по знаку, но мала по величине. График спектра с уменьшением всхожести постепенно преобразуется в горизонтальную прямую.
Как видно, рассмотренная модель последовательности интервалов между растениями недостаточно полно отражает особенности, свойственные реальному рядку растений, и непригодна для описания его спектра и корреляционных свойств.
Проанализируем более сложную модель. Допустим, что индекс вариации интервалов между семенами существенно больше тех значений, которые мы приписывали ему ранее. Вероятностная структура интервала при этом значительно усложняется, так как в результате наложения нескольких соседних отклонений порядок расположения семян в рядке может не совпадать с порядком их выпадения из высевающего аппарата. Это явление характерно для многих конструкций сеялок при работе на большой норме высева и повышенных скоростях движения. Предельная форма модели при I ^ — простейший поток случайных событий. Применительно к процессу высева интерес представляет промежуточная форма с конечным (не слишком большим) индексом вариации.
Примем за начало отсчета месторасположение в рядке любого зерна. Отклонение этого зерна от соответствующей метки предположим фиксированным (известным) и обозначим его £о. Тогда расстояние от начала отсчета до любого /-го (/ = ±1, ±2, ...) зерна
X , = Ео + ,а - .
(22)
Вследствие большой величины индекса вариации Х зерно с любым индексом может оказать-
х
ся положительным или отрицательным по знаку, то есть любое 1-е зерно может оказаться как справа, так и слева от начала отсчета. Расстояние от начала отсчета до ближайшего справа зерна обозначим У Отложим по оси рядка отрезок (0; 1) произвольной длины и определим вероятность непопадания в этот отрезок ни одного зерна. Поскольку все Ъ независимы, эта вероятность определится как произведение вероятностей непопадания каждого из высеянных зерен в выбранный отрезок:
р {у > /}=п
1 -
|/ о - ¡а + х }(1х
(23)
где П - произведение; Дх) - плотность вероятности отклонения Ъ.
Вероятность, дополняющая (23) до единицы, есть условная функция распределения величины интервала при условии, что Ъ фиксировано:
р (-г. )=1 -' { > '»■
(24)
Безусловное (маргинальное) распределение получим, проинтегрировав (24) по всем возможным значениям отклонения:
Р к ) = ]ру Г (г. уг. ■ (25)
Рядок растений, образованный описанной последовательностью семян, будет отличаться от нее пропусками на месте семян, не давших всходов. Формально это равноценно невыпаданию некоторых семян из высевающего аппарата или непоявлению соответствующих меток. Постоянную для всех семян вероятность всхожести р запишем в (23) в качестве сомножителя перед знаком интеграла. Полученное выражение определит вид функции распределения интервалов между растениями, однако для практического ее использования необходимо ограничить пределы изменения индекса /.
Таким образом,
¡=-ы ¡*0
(ЧП р/-х)<ъ
/(г„)сио. (26)
Плотность вероятности интеграла определяется дифференцированием этого выражения по переменной /.
г. (' )=&(,).
(27)
В случае замены интеграла суммой (при использовании численных методов) пределы суммирования необходимо ограничить.
Формулы (26) и (27) - наиболее общее описание интервала между семенами и между растениями. Придав величине р смысл вероятности невысева семян аппаратом, можно определить вероятностные характеристики интервалов между семенами при работе аппарата с пропусками. Изменяя значения сЪ и а, а также величину всхожести, получим описание интервала между семенами или между растениями для любой из рассмотренных моделей.
Выводы
Формулы, описывающие распределение интервалов между растениями и моменты этого распределения, справедливы и помогут при качественной оценке работы посевной техники прямого посева.
Библиографический список
1. Кирюшин В.И. Проблема экологизации земледелия в России (Белгородская модель) // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 12. С. 3-9.
2. Баширова Н.Ф. Совершенствование технологического процесса почвообработки и комбинированной машины: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Гянджа, 2015. 24 с.
3. Руденко Н.Е. Технологии бывают разные. Ставрополь: ГКУ Ставропольский сельскохозяйственный информационно-консультационный центр, 2014. 4 с.
4. Корчагин В.А., Горянин О.И. Прямой посев зерновых культур в степных районах среднего Поволжья // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. № 5 (3). Т. 16. С. 1075-1080.
5. Иванюк В. Адаптация системы прямого посева // Аграрный консультант. Усть-Любинск. 2012. № 2 (5). С. 12-17.
6. Исаев А.Ю. Изученность эффективных технологий для эродированных почв // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2012. № 29. С. 255-257.
7. Григорьев-Голубев В.В. Теория вероятностей и математическая статистика: Руководство по решению задач. СПб.: БХВ-Петербург, 2014. 256 с.
8. Оськин С.В., Тарасенко Б.Ф. Эффективные комплексы почвообрабатывающих агрегатов: Монография. Краснодар: Куб. ГАУ, 2016. 381 с.
9. Гаврилов К.Л. Тракторы и сельскохозяйственные машины иностранного и отечественного производства: устройство, диагностика и ремонт. М.: Звезда, 2010. 351 с.
10. Хайлис Г.А. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных. М.: Колос, 1994. 168 с.
Статья поступила 13.04.2017
ASSESSMENT OF DIRECT SOWING QUALITY
AIDYN UNIS OGLYISAYEV, DSc (Phil. in Technology), Associate Professor
E-mail: aydin.isayev.75@mail.ru
Azerbaijan State Agrarian University, Ataturk ave., 262, Ganja, AZ 2000, Republic of Azerbaijan
The paper stresses the advantages of zero tillage and the importance of assessing the seeding quality in direct seeding. The author's goal is to determine the conditions for qualitative embedding of seeds in the field basing on a mathematical model of the process. He gives account of several models of an in-row seed arrangement and offers a graphical relationship scheme describing the coefficient of interval variation between plants depending on the field germination of seeds at various seeding accuracy. Ideal precision seeding, i.e. ensuring the best yield, can serve as a reference model when choosing an existing technique or elaborating a new one. The paper presents formulas describing intervals between seeds. It has ben established that the properties of autocorrelation functions and spectra are in good accordance for in-row seed arrangements and their models. The obtained formulas describe the interval between seeds and make it possible, basing on the probability of seed distribution by a sowing machine, to determine probabilistic characteristics of intervals between seeds during the operation of a direct sowing machine. The author proves that in-row seed arrangements and their models are characterized by good accordance of the properties of autocorrelation functions and spectra. However, in-row plant arrangements and their models are characterized by non-identical properties of autocorrelation functions and spectra. At the same time, the only difference between these arrangements is the presence of unsprouted seeds, and the only additional restriction used for making a model of an in-row plant arrangement is the constancy of field germination indicator.
Key words: sowing, sowing quality, sowing machine, germination, probabilistic model, coefficient of variation, probability density.
References
1. Kiryushin V.I. Problema ekologizatsii zem-ledeliya v Rossii (Belgorodskaya model') [The problem of farm ecologization in Russia (Belgorod model). Dostizheniya nauki i tekhniki APK, 2012, No. 12. Pp. 3-9. (In Rus.)
2. Bashirova N.F. Sovershenstvovaniye tekhnolog-icheskogo protsessa pochvoobrabotki i kombinirovan-noy mashiny [Improving technological process of soil cultivation and a combined machine design: Self-review of PhD (Eng) thesis. Gyanja, 2015, 24 p. (In Rus.)
3. Rudenko N.Ye. Tekhnologii byvayut raznyye [There can be different technologies]. Stavropol': GKU Stavropol'skiy sel'skokhozyaystvennyy informatsion-no-konsul'tatsionnyy tsentr, 2014. 4 p. (In Rus.)
4. Korchagin V.A., Goryanin O.I. Pryamoy posev zernovykh kul'tur v stepnykh rayonakh srednego Po-volzh'ya [Direct sowing of grain crops in steppe areas of the Middle Volga region]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, 2014, No. 5 (3), Vol. 16. Pp. 1075-1080. (In Rus.)
5. Ivanyuk V. Adaptatsiya sistemy pryamogo poseva [Adaptation of a direct sowing system]. Agrarnyy konsul'tant, Ust'-Lyubinsk, 2012, No. 2 (5). Pp. 12-17. (In Rus.)
6. Isayev A.Yu. Izuchennost' effektivnykh tekh-nologiy dlya erodirovannykh pochv [The study of effective technologies for dealing with eroded soils]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo uni-versiteta, 2012, No. 29. Pp. 255-257. (In Rus.)
7. Grigor'yev-Golubev V.V. Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika: Rukovodstvo po resh-eniyu zadach [Theory of probability and mathematical statistics: a guide to problem solving]. SPb., BKhV-Pe-terburg, 2014, 256 p. (In Rus.)
8. Os'kin SV, Tarasenko B.F. Effektivnyye komplek-sy pochvoobrabatyvayushchikh agregatov: Monografiya [Effective complexes of soil-cultivating units: Monograph]. Krasnodar, Kub. GAU, 2016, 381 p. (In Rus.)
9. Gavrilov K.L. Traktory i sel'skokhozyaystven-nyye mashiny inostrannogo i otechestvennogo proiz-vodstva: ustroystvo, diagnostika i remont [Tractors and agricultural machines of foreign and domestic production: design, diagnostics and repair]. Moscow, Zvezda, 2010, 351 p. (In Rus.)
10. Khaylis G.A. Issledovaniya sel'skokhozyayst-vennoy tekhniki i obrabotka opytnykh dannykh [Research of agricultural machinery and experimental data processing]. Moscow, Kolos, 1994, 168 p. (In Rus.)
Received on April 13, 2017
УДК 664.8.022.1
ГЕРБЕР ЮРИЙ БОРИСОВИЧ, докт. техн. наук, профессор
E-mail: gerber_1961@mail.ru
ГАВРИЛОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент
E-mail: tehfac@mail.ru
СИРОТКИНА ЭЛЬМИРА МИХАЙЛОВНА, инженер-технолог
E-mail: topippzh@mail.ru
Академия биоресурсов и природопользования Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского, пос. Аграрное, АбиП КФУ им. В.И. Вернадского, г Симферополь, 295492, Республика Крым
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА В ЕМКОСТИ ДЛЯ СКВАШИВАНИЯ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ПОДВОДЕ ТЕПЛА
Представлен анализ процесса нагрева продукта в технологической емкости при производстве кисломолочных продуктов, приведены ограничительные факторы, определяющие условия реализации процесса. Предложен вариант использования комплексного энергозамещающего устройства на основе гелиоколлек-торов в технологии производства кисломолочных продуктов. Приведена схема работы технологической емкости для сквашивания с комбинированным подводом тепла. Проведены аналитические исследования определения площади поверхности трубчатой змеевиковой мешалки в технологической емкости. Установлено, что основные факторы, влияющие на качество готового продукта на этапе заквашивания, - это вид и качественные показатели закваски, температура, продолжительность, режимно-конструктивные параметры перемешивающего устройства. Ограничительными факторами параметров процесса являются: максимальная и минимальная допустимые температуры заквашивания, максимальная частота вращения рабочего органа мешалки, равномерность температуры по всему объему заквашиваемого продукта. Успех проведения указанного технологического процесса заключается в синхронном обеспечении подогрева и перемешивания получаемого продукта. Для обеспечения подогрева заквашиваемого молока предлагается использовать в конструкции технологической емкости подачу теплоносителя параллельно двумя потоками: в рубашку нагрева (охлаждения), а также в перемешивающий рабочий орган в виде трубки-змеевика. Для подогрева теплоносителя предлагается использовать комплексную энергозамещающую установку, включающую в себя блок гелиоколлекторов, а также теплоэлектронагреватель. Получено уравнение зависимости площади поверхности трубчатой мешалки с одновременным нагревом сквашиваемого кисломолочного продукта от основных параметров термосмешивающей системы: объема емкости для сквашивания, площади поверхности внутренней стенки заквасочника, толщины стенок емкости и трубчатой мешалки, температурного режима различных зон термосмешивающей системы. Учитывая данное выражение, можно определить площадь поверхности перемешивающего устройства, принимая во внимание требования равномерного нагрева и распределения компонента смеси (закваски) во всем объеме резервуара.
Ключевые слова: гелиоколлектор, комплексное энергозамещающее устройство, мешалка, кисломолочный продукт, площадь поверхности, режимно-конструктивные параметры, энергия.
Введение. Одним из наиболее ответственных этапов производства кисломолочных продуктов, в частности кефира, является процесс заквашивания. Указанный процесс, с точки зрения технико-технологического обеспечения, исследовался учеными М.Ю. Меркуловым, В.Д. Косым, Ю.А. Мачихиным, Н.А. Роговым, Н.В. Барабан-щиковым и др. Как было выяснено указанными исследователями, основные факторы, влияющие на качество готового продукта на этапе заквашивания, - это вид и качественные показатели закваски, температура, продолжительность, режим-
но-конструктивные параметры перемешивающего устройства [1].
Цель исследования - получить уравнение, отражающее зависимость площади поверхности трубчатой мешалки с одновременным нагревом сквашиваемого кисломолочного продукта от основных параметров термосмешивающей системы: объема емкости для сквашивания, площади поверхности внутренней стенки заквасочника, толщины стенок емкости и трубчатой мешалки, температурного режима различных зон термосмеши-вающей системы.
Материал и методы. Необходимо параллельно осуществлять несколько процессов, в частности подогрев и перемешивание заквашиваемого продукта в требуемом технологией диапазоне значений [2].
Ограничительными факторами параметров процесса являются:
- максимальная и минимальная допустимые температуры заквашивания гтП и гтах, которые обусловлены технологическими требованиями к проведению процесса;
- максимальная частота вращения рабочего органа мешалки ограничена необходимостью сохранения структуры производимого продукта (превышение допустимого режима приводит к разрушению структуры готового продукта);
- равномерность температуры по всему объему заквашиваемого продукта.
Успех проведения указанного технологического процесса заключается в синхронном обеспечении подогрева и перемешивания получаемого продукта. Для обеспечения подогрева заквашиваемого молока предлагается использовать в конструкции технологической емкости подачу теплоносителя параллельно двумя потоками: в рубашку нагрева (охлаждения), а также в перемешивающий рабочий орган в виде трубки-змеевика [3]. Для подогрева те-
плоносителя предлагается использовать комплексную энергозамещающую установку (КЭУ), включающую в себя блок гелиоколлекторов, а также теплоэлектронагреватель (рисунок). В солнечные дни подогрев теплоносителя осуществляется благодаря солнечной энергии, в условиях недостаточной солнечной активности подогрев проводится с помощью электрической энергии [4, 5]. Так как температурный диапазон заквашивания молочных продуктов лежит в пределах 30...40°С, тепловой энергии, полученной гелиоколлекторами, вполне достаточно для нагрева теплоносителя. Температура нагрева воды в гелиоколлекторе в весенне-летний период составляет 55...65°С [6].
Результаты и обсуждение. Определяем площадь поверхности трубчатой змеевиковой мешалки. Общее количество теплоты, которое необходимо передать продукту, находящемуся в заквасочни-ке, выражается формулой
Ообщ = М • с • (гск - а
(1)
где М3 - масса молока (заквашиваемой исходной смеси) в емкости; с - теплоемкость продукта; гск - температура сквашивания продукта; гн - начальная температура продукта, подаваемого в заквасочник.
Схема работы технологической емкости для сквашивания с комбинированным подводом тепла: 1 - емкость; 2 - рубашка нагрева (охлаждения); 3 - перемешивающее устройство; 4 - привод перемешивающего устройства; 5 - подача теплоносителя в перемешивающее устройство; 6 - насосы, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя; 7 - гелиоколлекторы; 8 - резервный электронагреватель; 9 - разделитель потока теплоносителя
Количество теплоты можно представить так:
бобщ = а + (2)
где б3 - количество теплоты, передаваемое через поверхность стенки заквасочника; бм - количество теплоты, передаваемое через трубчатый змеевик перемешивающего устройства.
Подвод тепла через стенку емкости путем теплопроводности выразим уравнением
р =А. р - и )
-г^з г» з \ст ст р 81
(3)
где Хх - теплопроводность стенки емкости; ёх - толщина стенки емкости; Ез - общая площадь поверхности внутренней стенки емкости; гст - температура стенки емкости со стороны теплоносителя; 1ст - температура стенки емкости со стороны продукта.
Конвективный перенос теплоты от стенки к продукту
Q , =а,-F •((' -1 ),
1 з \ст np
(4)
где 4 - температура продукта.
Для установившегося режима Q31 = Q3. Подвод тепла через стенку трубчатой мешалки
q .F ■ (( -1 )
с 1 м \ cml cml Р
(5)
где А2 - теплопроводность стенки трубчатой мешалки; д2 - толщина стенки трубчатой мешалки; ¿]т1 -температура стенки трубчатой мешалки со стороны теплоносителя; 1ст1 - температура стенки трубчатой мешалки со стороны продукта.
Конвективный перенос от стенки трубчатой мешалки к продукту:
qm1 а2 ' FM ' ((1т1 1n),
(6)
Для установившегося режима Qм = Qм1. Подставляя уравнения (4) и (6) в равенство (3), получим
0>бщ = ¡Т ' ' ((ст - Iст ) + "¡Г ' Рм ' ((ст1 - ^ (7)
8
8,
Учитывая формулу (2) для определения общего количества теплоты, получим
М ' с'(( - г ) = ^' Р '(( - г )+
1у1з ° Уск 1н) о з \ат 1 ст
3
+ . F •(?' - t )
^ с 1 м V cml cml /'
8-
(8)
F„ =
М • с - Г )-А. • f • (У -t )
з уск н J о з ^ cm cm J
81
((ml tcml)
(9)
бования равномерного нагрева и распределения компонента смеси (закваски) во всем объеме резервуара.
2. В случае использования трубчатой мешалки может быть получена формула для определения конструктивных параметров перемешивающего устройства: длины рабочих трубчатых элементов и их диаметра - с учетом следующих зависимостей:
п
+ ■■■ + ^. (10)
1
где п - количество трубчатых элементов перемеши-
п
вающего устройства; ^ Бп - суммарная площадь
1
поверхности трубчатых элементов.
Площадь поверхности отдельных трубчатых составляющих элементов перемешивающего устройства
ST1 - /т1 ■ 2п ■ r1,
(11)
Решая уравнение относительно площади поверхности трубчатой мешалки, получим
Уравнение (9) отражает зависимость площади поверхности трубчатой мешалки с одновременным нагревом сквашиваемого кисломолочного продукта от основных параметров термосмешивающей системы: объема емкости для сквашивания, площади поверхности внутренней стенки заквасочника, толщины стенок емкости и трубчатой мешалки, температурного режима различных зон термосмешиваю-щей системы.
Выводы
1. Учитывая полученное выражение, можно определить площадь поверхности перемешивающего устройства, принимая во внимание тре-
где /т1 - длина трубчатого элемента; r1 - радиус трубчатого элемента.
Библиографический список
1. Бекман У, Клейм С., Деффи Д. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. 76 с.
2. Гербер Ю.Б., Дубровин В. А., Мельничук М. Д., Гаврилов И.Н. и др. Машины и оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции. Симферополь: ДИАЙПИ, 2014. 324 с.
3. Гербер Ю.Б. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в отраслях АПК // Научные труды ЮФ «Крымский агротех-нологический университет» НАУ (технические науки). Симферополь, 2008. Вып. 113. С. 3-6.
4. Гербер Ю.Б., Гаврилов А.В., Киян Н.С. Использование комплексного энергозамещающего устройства в технологии производства функционального продукта «Ацидолакт» // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского». Симферополь, 2016. Вып. № 6 (169). С. 60-66.
5. Гербер Ю.Б. Энергоемкость и энергосодержание технологии производства молока // Научные труды ЮФ НУБиП Украины «Крымский агротех-нологический университет». Симферополь, 2012. Вып. 146. С. 12-17.
6. Schlesser J., Armstrong D., Cinar A., Ra-manauskas P., Negiz A. Automated control and monitoring of thermal processing using high temperature, short time pasteurization // J. Dairy Sci. 1997. V 80. N10. Р. 291-296.
Статья поступила 15.06.2017
DETERMINATION OF MIXING DEVICE PARAMETERS IN FERMENTATION TANK WITH COMBINED HEAT SUPPLY
YURI B. GERBER, DSc (Eng), Professor
E-mail: gerber_1961@mail.ru
ALEKSANDR V. GAVRILOV, PhD (Eng), Associate Professor
E-mail: tehfac@mail.ru
ELMIRA M. SIROTKIm, engineer-technologist
E-mail: topippzh@mail.ru
Academy of Life and Environmental Sciences, Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky, 295492, the Crimea Republic, Simferopol, Agrarnoye
The research considered in the paper is based on the analysis of the process of product heating in a technological container during the production of fermented milk products. The paper also presents limiting factors that determine conditions for the process implementation. The authors suggest using a complex energy-substituting device based on solar collectors in the technology of making fermented milk products and present an operating scheme of a fermentation tank with combined heat supply. Analytical studies have been carried out to determine the surface area of a tubular coil mixer in the considered tank. It has been revealed that the main factors affecting the finished product quality at the fermentation stage is the kind and quality of yeast, temperature, duration, as well as mode-design parameters of the mixing device. The limiting factors of the process parameters include: maximum and minimum allowable fermentation temperature; maximum speed of the mixer's working part; the temperature uniformity throughout the whole volume of the fermented product. The success of the specified technological process consists in providing simultaneous heating and mixing of the resulting product. To ensure the fermented milk heating, the authors recommend providing two parallel streams of coolant supply in the technological tank design: one into the cooling (heating) jacket, and the other into the mixing working body in the form of a tubular coil. To heat the coolant, the authors suggest using a complex energy-substituting unit including a block of solar collectors, as well as a thermal-and-electric heater. TheH have obtained an equation of the interrelationship between the surface area of a tubular moxing device with simultaneous heating of fermented sour milk products and the main parameters of the thermal mixing system: the fermentation tank capacity, the surface area of the tank's inner wall, thickness of tank and tubular mixing device walls, and a temperature mode in various zones of the thermal mixing system. Applying the obtained formula, one can determine the surface area of a mixing device with account of the requirements for uniform heating and distribution of the mixture (ferment) components throughout the entire tank volume.
Key words: solar collector, complex energy-substituting device, mixing device, fermented milk product, surface area, mode-design parametres, energy.
References
1. Beckman U., Kleim S., Deffi D. Rashchet systems of sun teplosnabzheniya [Calculation of solar heat supply systems]. Moscow, Energoizdat, 1982, 76 p. (In Rus.)
2. Gerber Yu.B., Dubrovin V.A., Mel'nichuk M.D., Gavrilov I.N. Mashiny i oborudovaniye dlya per-erabotki sel'skokhozyaystvennoy produktsii [Machinery and equipment for farm produce processing]. Simferopol, DIAIPI, 2014, 324 p. (In Rus.)
3. Gerber Yu.B. Perspektivy ispol'zovaniya vozob-novlyayemykh istochnikov energii v otraslyakh APK [Prospects for the use of renewable energy sources in agribusiness sectors]. Nauchnyye trudy YUF "Krymskiy agrotekhnologicheskiy universitet" NAU (tekhnicheskiye nauki). Simferopol', 2008, Issue 113. Pp. 3-6. (In Rus.)
4. Gerber Yu.B., Gavrilov A.V., Kiyan N.S. Is-pol'zovaniye kompleksnogo energozameshchayush-chego ustroystva v tekhnologii proizvodstva funktsion-
al'nogo produkta "Atsidolakt" [Use of a complex energy-substituting device in the technology of producing the "Atsidolakt" functional product]. Izvestiya sel'skokhozyaystvennoy nauki Tavridy FGAOU VO "Krymskiy federal'nyy universitet imeni VI. Vernadskogo". Simferopol', 2016, Issue No. 6 (169). Pp. 60-66. (In Rus.)
5. Gerber Yu.B. Energoyemkost' i energosoder-zhaniye tekhnologii proizvodstva moloka [Energy intensity and energy content of milk production technology]. Nauchnyye trudy YUF NUBiP Ukrainy "Krymskiy agrotekhnologicheskiy universitet". Simferopol', 2012, Issue 146. Pp. 12-17.
6. Schlesser J., Armstrong D., Cinar A., Ra-manauskas P., Negiz A. Automated control and monitoring of thermal processing using high temperature, short time pasteurization. J. Dairy Sci. 1997. Vol. 80. No. 10. Pp. 291-96.
Received on June 15, 2017
УДК 681.518.5
ШУЛЬГА ЕВГЕНИЙ ФЕДОРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор
E-mail: shulga_ef@mail.ru
ЩУКИНА ВАРВАРА НИКОЛАЕВНА
E-mail: firstnotbarbara@gmail.com
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Современный транспорт оснащен навигационным и бортовым оборудованием. Навигационное оборудование выдает навигационные данные: местоположение, направление движения и скорость. Однако этих данных недостаточно для мониторинга качества движения транспортных средств. На данный момент транспортные средства снабжены различными датчиками контроля технического состояния. Необходим мониторинг технического состояния техники. Мониторинг транспортных средств должен осуществляться в системе управления транспортными средствами в режиме реального времени. Отсутствие мониторинга связи между техническими параметрами транспортного средства и пространственно-временными данными движения машин с использованием координат на оцифрованной карте на момент контроля не дает технической службе упреждающую информацию о техническом состоянии транспортных средств, а модели субъекта управления предсказывать возможность появления отклонений в процессе выполнения расписаний по техническим причинам и находить решения на их упреждение и корректировать задание водителю. Требования к системе управления следующие: находить оптимальный оперативный план работы техники, организовывать выполнение оперативного плана работ, осуществлять мониторинг качества движения техники и ее технического состояния в режиме реального времени, предсказывать появление отклонений качества выполнения расписаний и технического состояния техники, находить решения на упреждение отклонений, отдавать команды на упреждение. В качестве примера работы упреждающей системы рассмотрена интеллектуальная система управления работой двигателя. При внедрении упреждающей системы диагностики будет возможно в режиме реального времени следить за показателями с датчиков и предсказывать необходимость ремонта. Рассматривается причинно-следственная связь между техническими параметрами двигателя и пространственно-временными данными движения машины.
Ключевые слова: оперативный план работы транспортных средств, управление работой двигателя, мониторинг транспортных средств, мониторинг технического состояния двигателя.
Введение. Отсутствие мониторинга связи между техническими параметрами транспортного средства и пространственно-временными данными движения машин с использованием координат на оцифрованной карте на момент контроля не дает технической службе упреждающую информацию о техническом состоянии транспортных средств, а модели субъекта управления предсказывать возможность появления отклонений в процессе выполнения расписаний по техническим причинам и находить решения на их упреждение и корректировать задание водителю [1, 2, 3].
Цель исследований - мониторинг качества движения и технического состояния транспортных средств.
Мониторинг - систематическое или непрерывное наблюдение за объектом с целью предсказания изменчивости параметров и принятия решения о необходимости и составе предупреждающих действий.
Результаты и обсуждение. На данный момент транспортные средства оснащены различными датчиками контроля технического состояния, но информация может быть считана только на станции технического обслуживания [4]. В процессе эксплуатации водитель взаимодействует с транспортным средством в режиме реального времени. Бортовое оборудование системы «Водитель - автомобиль» представлено на рисунке 1 [5].
В процессе взаимодействия системы (рис. 1) водитель, учитывая качество движения, отклонения и внешние факторы, принимает решение об управляющем воздействии (например, он нажимает на педаль акселератора, тем самым меняя подачу топлива), чем меняет скорость движения. Видимый результат - изменение качества движения и отклонений, тем самым взаимодействие системы «Водитель - автомобиль» замыкается. Взаимодействие системы «Водитель -автомобиль» представлено на рисунке 2.
Рис. 1. Бортовое оборудование системы «Водитель — автомобиль»
Причины (внешняя среда) Рис. 2. Система «Водитель — автомобиль»
Бортовое оборудование: элемент системы диспетчерского управления, устанавливаемый на кон -тролируемые транспортные средства и состоящий из абонентского телематического терминала и дополнительного бортового оборудования [6, 7].
Абонентский телематический терминал: аппаратно-программное устройство, устанавливаемое на контролируемые транспортные средства для определения их текущего положения и параметров движения, обмена данными с дополнительным бортовым оборудованием, взаимодействия с телематическим сервером в части передачи мониторинговой и обмена технологической информацией [6, 7].
Данные о транспортном средстве:
{ТК, я, № , КЛ, (1)
где ТК - тип кузова; я - грузоподъемность транспортного средства; № - государственный номер автомобиля; Ктс - координаты транспортного средства на электронной карте на момент контроля.
44
Система управления транспортными средствами представлена на рисунке 3 [8, 9].
Структура системы управления: технологии и техника, модель системы управления, ресурс управления. Модель системы управления состоит из мониторинга транспортных средств, мониторинга технического состояния, модели субъекта управления. Техника оснащена навигационным и бортовым оборудованием. Навигационное оборудование выдает навигационные данные: местоположение, направление движения и скорость. Бортовое оборудование - все остальные данные.
Требования к системе управления: находить оптимальный оперативный план работы техники, организовывать выполнение оперативного плана работ; осуществлять мониторинг техники в режиме реального времени и мониторинг технического состояния техники; предсказывать появление отклонений в качестве выполнения расписаний и техническом состоянии двигателя; находить решения на упреждение отклонений, отдавать команды на упреждение.
Рис. 3. Система управления транспортными средствами в режиме реального времени
Для иллюстрации причинно-следственной свя- ния транспортного средства построим таблицу, по-зи между техническими параметрами двигателя ясняющую наличие связи между потерями времени и пространственно-временными данными движе- и перерасходом топлива (таблица).
Потери времени от несвоевременности выполнения расписания
№ Тплан Тфакт Тсв Причина Следствие
ДТсв перерасход топлива, О, % потери времени, ч
1 10 10 1 0 2 0
2 10 9 0,9 0,1 5 ' Допустимые потери времени
3 10 8 0,8 0,2 10 2
4 10 7 0,7 0,3 11 3
5 10 6 0,6 0,4 12 4
6 10 5 0,5 0,5 13 5
7 10 4 0,4 0,6 14 ^ 6
8 10 3 0,3 0,7 15 7
9 10 2 0,2 0,8 16 8
10 10 1 0,1 0,9 17 9
11 10 0 0 1,0 18 10
В таблице приведены показатели: Г™ - плановые затраты времени на движение транспортного средства; Тфакт - фактические затраты времени на движение транспортного средства; Гв - своевременность выполнения расписания; ДГВ - несвоевременность выполнения расписания; в - перерасход топлива (работа при неисправности); потери времени от несвоевременности выполнения расписания.
Используя меняющиеся данные столбца 5, построен график несвоевременности выполнения расписания и перерасхода топлива в режиме реального времени (рис. 4).
Вертикальная ось на рисунке 4 - причинно-следственная связь между отклонениями своевременности выполнения расписания работы транспортного
средства и перерасхода топлива. С увеличением несвоевременности выполнения расписания перерасход топлива увеличивается. По интенсивности образования перерасхода топлива можем предсказывать время наступления отказа (превышение допустимого перерасхода топлива), после чего могут последовать упреждающие действия диспетчера.
Принцип работы системы упреждающей диагностики:
- сбор информации с датчиков машин;
- прогноз остаточной работоспособности транспортного средства;
- передача данных модели субъекта управления (диспетчеру).
На рисунке 5 представлена интеллектуальная система управления работой двигателя.
Рис. 4. Иллюстрация несвоевременности выполнения расписания и перерасхода топлива в режиме реального времени
Рис. 5. Интеллектуальная система управления работой двигателя: ЭБУ — электронный блок управления; НС — регулятор на основе нейронной сети; гф — заданное значение; уф — полученное значение; g(t) — управляющее воздействие
На двигателе установлены датчики, которые позволяют контролировать его работу. Вся информация с датчиков поступает в электронный блок управления. ЭБУ использует обратную связь с целью корректировки работы двигателя в режиме реального времени благодаря появлению датчика концентрации кислорода [10, 11].
Регулятор на основе нейронной сети дает возможность учитывать и внешние неконтролируемые факторы. На сегодняшний день, интеллектуальная система управления позволяет диагностировать только электронные компоненты двигателя (датчики, катушки и др.). При внедрении упреждающей системы диагностики будет возможно в режиме реального времени следить за показателями с датчиков и своевременно предсказывать необходимость ремонта. Также при внедрении диагностики по косвенным признакам можно расширить количество диагностируемых элементов, в том числе возможно будет узнать состояние механических компонентов, цилиндров, коленчатого вала и др.
Оповещение о необходимости ремонта будет происходить по следующей схеме: от машины в модель субъекта управления по GPS трекеру переда-
46
ется информация, там она сохраняется и обрабатывается. При необходимости ремонта модель субъекта управления принимает решение и информирует сервисную службу о прибытии техники на ремонт.
Преимущества упреждающей диагностики транспортного средства:
- получение актуальной информации о техническом состоянии транспортного средства в процессе его эксплуатации;
- предсказание остаточной работоспособности транспортного средства на заданный момент времени.
Выводы
Мониторинг качества движения и технического состояния транспортных средств дает возможность технической службе получать информацию об остаточной работоспособности транспортных средств и своевременно осуществлять профилактику их технического состояния.
Для диспетчера (субъекта управления) упреждающая диагностика является одной из технологий упреждения потерь времени.
Библиографический список
1. Шульга Е.Ф. Навигационные данные как обратная связь в оптимизации процессов и решений: Сборник статей Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы науки», 1 сентября 2016 г. Ч. 2. Уфа: АЭТЕРНА, 2016. С. 55-58.
2. Шульга Е.Ф., Куприянов А.О., Хлюстов В.К., Балабанов В.И., Зейлигер А.М. Управление сельхозпредприятием с использованием космических средств навигации (ГЛОНАСС) и дистанционного зондирования Земли: Монография. М.: РГАУ-МСХА, 2016. 282 с.
3. Девянин С.Н., Щукина В.Н. Управление в различных средах // Концепт. М.: Концепт, 2016. 62 с.
4. Девянин С.Н., Щукина В.Н. Системы управления двигателем // Международный технико-экономический журнал. 2015. № 6. 62 с.
5. Компания «Импульс-ГЛОНАСС». [Сайт]. URL: http://www.24glonass.ru.
6. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. М.: СОЛОН -Пресс, 2005. 240 с.
7. ГОСТ Р 54030-2010. Системы информационного сопровождения и мониторинга городских и пригородных автомобильных перевозок опасных грузов. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам. Дата введения в действие 01.12.2011 г.
8. Шульга Е.Ф. Модель управления качеством перевозок грузов в режиме реального времени: Монография. М.: Издательство РГАУ-МСХА, 2015. 85 с.
9. Шульга Е.Ф. Процесс принятия решений с использованием навигационных данных: Сборник статей Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы науки», 1 сентября 2016 г. Ч. 2. Уфа: АЭТЕРНА, 2016. С. 58-61.
10. Борщенко Я.А., Васильев В.И. Электронные и микропроцессорные системы автомобилей: Учебное пособие. Курган: Курганский гос. ун-т, 2007. 207 с.
11. Хрящёв Ю.Е., Тихомиров М.В., Епанеш-ников Д.А. Алгоритмы управления двигателями внутреннего сгорания: Монография. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2014. 204 с.
Статья поступила 21.06.2017
MONITORING DRIVING QUALITY AND TECHNICAL CONDITION OF VEHICLES
YE.F. SHULGA, DSc (Eng), Professor
E-mail: shulga_ef@mail.ru
VARVARA N. SHCHUKINA
E-mail: firstnotbarbara@gmail.com
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
Modern transport means are equipped with navigation and on-board equipment. Navigation equipment provides operator with navigation data: location, travel direction and speed. However, these data are not sufficient for monitoring the quality of vehicle movement. Modern vehicles are equipped with various sensors for monitoring their technical condition. It is necessary to monitor the technical condition of machinery. This monitoring should be carried out in the vehicle management system in a real-time mode. Without monitoring of the connection between a vehicle's technical parameters and space-time data of its movement based on digitized map coordinates it is impossible for the maintenance service to obtain actual data on a vehicle's operating condition. Moreover, the control subject model cannot predict a possibility of deviations for technical reasons in the scheduled operating process and find solutions to prevent them and adjust the driver's tasks. The requirements for the control system are as follows: to find an optimal operational plan for the machinery operation, to organize the execution of operational work plans, to monitor the machine driving quality and its technical codi-tions in a real-time mode, to predict deviations in the quality of schedule performance and machinery technical condition, to find solutions to prevent deviations, and to take preventive measures. As an example of the warning system operation, the authors consider an intelligent system of the engine operation control. Implementing a warning diagnostic system will ensure real-time monitoring of sensor indicators and the prediction of a need for repair. The paper also considers cause-and-effect relationships between technical parameters of an engine and space-time data of the machine driving.
Key words: operating plan of vehicle operation, engine operation control, vehicle monitoring, engine's technical condition monitoring.
References
1. Shul'ga Ye.F. Navigatsionnyye dannyye kak obratnaya svyaz' v optimizatsii protsessov i resheniy: Sbornik statey Mezhdunarodnoy nauchno-praktich-eskoy konferentsii "Fundamental'nyye problemy nauki", 1 sentyabrya 2016. Ch. 2 [Navigation data as a feedback in the optimization of processes and solutions: a collection of papers of the International Scientific and Practical Conference "Fundamental Problems of Science", September 1, 2016, Part 2]. Ufa, AETER-NA, 2016. Pp. 55-58. (In Rus.).
2. Shul'ga Ye.F., Kupriyanov A.O., Khlyus-tov V.K., Balabanov V.I., Zeyliger A.M. Upravleniye sel'khozpredpriyatiyem s ispol'zovaniyem kosmich-eskikh sredstv navigatsii (GLONASS) i distantsionno-go zondirovaniya Zemli: Monografiya [Management of an agricultural enterprise using space navigation aids (GLONASS) and remote sensing of the Earth: Monograph]. Moscow, RGAU-MSKhA, 2016, 282 p. (In Rus.)
3. Devyanin S.N., Shchukina VN. Upravleniye v razlichnykh sredakh [Management in various environments]. Kontsept. Moscow, Kontsept, 2016. 62 p. (In Rus.)
4. Devyanin S.N., Shchukina VN. Sistemy up-ravleniya dvigatelem [Engine management systems]. Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal, 2015, No. 6. 62 p. (In Rus.)
5. Kompaniya "Impul's-GLONASS" [site]. URL: http://www.24glonass.ru. (In Rus.)
6. Sosnin D.A., Yakovlev V.F. Noveyshiye avtomo-bil'nyye elektronnyye sistemy [The brand-new automobile electronic systems]. Moscow, SOLON-Press, 2005. 240 p. (In Rus.)
7. GOST R54030-2010. Sistemy informatsionnogo soprovozhdeniya i monitoringa gorodskikh i prigor-odnykh avtomobil'nykh perevozok opasnykh gruzov. Trebovaniya k arkhitekture, funktsiyam i reshayemym zadacham. Data vvedeniya v deystviye 01.12.2011 [Systems of information support and monitoring of urban and suburban road transport of dangerous goods. Requirements for architecture, functions and tasks to be solved. Date of enactment 01.12.2011]. (In Rus.)
8. Shul'ga Ye.F. Model' upravleniya kachestvom perevozok gruzov v rezhime real'nogo vremeni: Monografiya [Model of quality management of cargo transportation in a real-time mode (Monograph)]. Moscow, Izdatel'stvo RGAU-MSKhA, 2015, 85 p. (In Rus.)
9. Shul'ga Ye.F. Protsess prinyatiya resheniy s ispol'zovaniyem navigatsionnykh dannykh [Decision making using navigation data]: Sbornik statey Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Fun-damental'nyye problemy nauki", 1 sentyabrya 2016. Part 2. Ufa, AETERNA, 2016. Pp. 58-61. (In Rus.)
10. Borshchenko YA.A., Vasil'yev V.I. Elektronnyye i mikroprotsessornyye sistemy avtomobiley: Ucheb-noye posobiye [Electronic and microprocessor systems of cars: Study manual]. Kurgan, Kurganskiy gos. un-t, 2007, 207 p. (In Rus.)
11. Khryashchov YU.Ye., Tikhomirov M.V., Ye-paneshnikov D.A. Algoritmy upravleniya dvigate-lyami vnutrennego sgoraniya: Monografiya [Algorithms for controlling internal combustion engines: Monograph]. Yaroslavl', Izd-vo YAGTU, 2014, 204 p. (In Rus.)
Received on June 21, 2017
ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АПК
УДК 631.512.2, 631.514, 631.517
НОВИКОВ ВЛАДИМИР САВЕЛЬЕВИЧ, докт. техн. наук
E-mail: tsmo@rgau-msha.ru
ПЕТРОВСКИЙ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук
E-mail: dm_petrovsky@mail.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, г Москва, 127550, Российская Федерация
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТРЕЛЬЧАТЫХ ЛАП КУЛЬТИВАТОРОВ
Стрельчатая лапа является основным рабочим органом культиваторов для сплошной и междурядной обработки почвы. Размеры и форма стрельчатой лапы характеризуются углом раствора, углом крошения, углом заточки, шириной крыла и шириной захвата. По мере эксплуатации, в результате изнашивания, практически все эти параметры изменяются, снижая работоспособность лапы. В настоящее время лапы культиваторов изготавливают в основном из стали 65Г. Их ресурс, в зависимости от механического состава почвы, составляет от 7 до 18 га. Изучен характер износов стрельчатых лап культиваторов, приведены критерии их замены в результате изнашивания, даны основные направления повышения долговечности рабочих органов. Показано, что для обеспечения высокой долговечности и работоспособности стрельчатых культиваторных лап представляется целесообразным изготавливать их из стали 40ХС вместо 65Г; упрочнение наиболее изнашиваемой носовой части стрельчатых лап более целесообразно осуществлять накладными элементами в виде брусов, что позволит повысить их ресурс не менее чем в два раза по сравнению с простой наплавкой лезвийной части крыльев.
Ключевые слова: почва, обработка, стрельчатая лапа культиватора, долговечность.
Введение. Важнейшим направлением повышения технического уровня почвообрабатывающих машин является повышение ресурса их рабочих органов.
В результате интенсивного абразивного изнашивания изменяются геометрия режущей части и общие размеры рабочих органов, что является причиной нарушения агротехнических требований, снижения качества обработки почвы, повышения энергетических затрат [1-3]. Вынужденная частая
замена деталей рабочих органов снижает производительность труда и повышает затраты на обработку.
Стрельчатая лапа является основным рабочим органом культиваторов для сплошной и междурядной обработки почвы. Основное её назначение - борьба с сорной растительностью и рыхление почвы.
Размеры и форма стрельчатой лапы характеризуются углом раствора 2у, углом крошения в, углом заточки 1, шириной крыла а и шириной захвата Ь (рис. 1).
AV
Рис. 1. Стрельчатая лапа культиватора
По мере эксплуатации практически все эти параметры изменяются, снижая работоспособность лапы. В результате изнашивания носовой части увеличивается радиус режущей кромки, косое резание переходит в категорию фронтального резания, вследствие чего повышается сопротивление, снижается заглубляющая способность лапы, нарушается равномерность глубины обработки.
В результате износа крыльев лапы по ширине возникает нарушение сплошности обработки за счёт уменьшения ширины захвата и ликвидации зоны перекрытия обработки почвы лапами первого и второго рядов. По мере изнашивания режущей кромки лезвия увеличивается её толщина, ухудшается режущая способность и снижается глубина обработки на твёрдых участках.
Цель и задачи исследования — повышение ресурса культиваторных лап за счёт совершенствования конструкционно-технологических параметров, а также используемых материалов при различных схемах упрочнения, установление зависимостей между долговечностью культиваторной лапы и условиями её работы.
Долговечность лапы по износу носовой части и износу крыла по ширине можно определить по выражению [4-6]:
Т =
КР ■ ¿эт п х-А 0,016-тэт п-Р-Гк
га
(1)
Т = -
{а - с)-еж п-X'А 0,016-тэт п ■ Р■ V ^1
, га
(2)
где Wпр - предельный износ носовой части (или крыла по ширине) лапы, см; еэт - относительная износостойкость материала при эталонном давлении абразива (0,1 МПа); п2 - коэффициент, учитывающий изменение относительной износостойкости материала в зависимости от давления абразива; А - производительность лапы, га/ч; 0,016 - коэффициент пропорциональности изнашивания эталонного образца (сталь 45 в состоянии поставки) в эталонных условиях (при давлении абразива 0,1 МПа), см/МПа-км; тэт - относительная изнашивающая способность почвы при эталонном давлении абразива; ц1 - коэффициент, учитывающий изменение изнашивающей способности почвы в зависимости от давления абразива; р - давление почвы (абразива) в точке наибольшего изнашивания, МПа; х - отношение поступательной скорости культиватора к скорости перемещения пласта почвы по поверхности лапы; Ук - поступательная скорость культиватора, км/ч; а - предельная толщина лезвия лапы, см; с - начальная толщина лезвия лапы, см; / - угол заточки лезвия лапы, град.
Поправочные коэффициенты ц2 и ц1 определяются по выражениям
П2 = 1,75 р + 0,825, П = 9,5 р + 0,04, х = СОБу • собД
(3)
(4)
(5)
Долговечность лапы по износу лезвия крыла можно определить по выражению
где у - половина угла раствора лапы, град.; в - угол крошения лапы, град.
Значения относительной изнашивающей способности смесей песка и глины по фракционному составу приведены в таблице 1.
Таблица 1
Относительная изнашивающая способность почв по фракционному составу (эталон — кварц, давление — 0,1 МПа)
Тип почвы Среднее содержание, % Относительная изнашивающая способность, т
песка глины
Песчаная 95 5 0,87
Супесчаная 85 15 0,62
Суглинистая (лёгкая) 75 25 0,42
Суглинистая (средняя) 65 35 0,32
Суглинистая (тяжёлая) 50 50 0,22
Глинистая (лёгкая) 35 65 0,15
Глинистая (средняя) 25 75 0,10
Глинистая (тяжёлая) 10 90 0,06
Кварцевые частицы - - 1,0
Давление почвы на носовой части, МПа:
рн = 0,10.. .0,12(1 + 0,028 • Ук) • (1 + 0,01в) • (3,5 + В13). (6) Давление почвы на конце крыла лапы, МПа:
рл = 0,025 . 0,035(1 + 0,028 • Ук)• (1 + 0,01Д)• (3,5 + В1,3), (7)
где Ук - поступательная скорость движения культиватора, км/ч; в - угол крошения лапы, град.; В -твёрдость почвы, МПа.
Примерное значение относительной износостойкости стали, из которой изготавливается лапа, при давлении абразива Р = 0,1 МПа можно определить из эмпирического выражения:
ео = 0,85(0,24х1 + 0,07х2 + 0,Пх3 - 3,54), (8)
где х1 - содержание углерода в стали, %; х2 - содержание хрома в стали, %; х3 - твёрдость стали в единицах ИКС.
В настоящее время лапы культиваторов изготавливают в основном из стали 65Г. Их ресурс, в зависимости от механического состава почвы составляет от 7 до 18 га [7-9].
Повысить их долговечность возможно различными способами:
- применением более износостойких сталей для изготовления лапы;
- различного вида наплавками или напылением на лезвийную часть лапы износостойких сплавов;
- закреплением на наиболее изнашиваемых точках накладных элементов и др.
Критерием выбора оптимальной марки стали для изготовления рабочих органов почвообрабатывающих машин можно использовать выражение
~ ОЦ .
С =--> тт,
(9)
где Си - стоимостная оценка износостойкости; ОЦ -относительная цена стали; е - относительная износостойкость стали.
Относительная цена стали определяется по формуле
ОЦ = -Ц, Ц
(10)
где Ц - цена той или иной марки стали, руб.; Цэт -цена эталонной стали (сталь 45), руб.
Применительно к рабочим органам почвообрабатывающих машин к этому критерию следует добавить требование: ударная вязкость стали должна быть КСи > 30 Дж/см2. Так как важнейшие механические параметры сталей, определяющие их износостойкость и прочность, - твёрдость, ударная вязкость и временное сопротивление на разрыв - зависят от режимов термообработки, в таблице 2 представлена минимальная температура отпуска стали после закалки, которая обеспечивает максимальные для данной стали значения твёрдости (ИЯС) при ударной вязкости КСИ не менее 30 Дж/см2, а также их технико-экономические оценки.
Таблица 2
Относительные характеристики сталей
Характеристика Марка стали
45 65Г 40Х 30ХГСА 40ХС
Минимальная температура отпуска, °С 200 400 370 200 150
Ударная вязкость, КСИ, Дж/см2 30 30 30 90 62
Твёрдость, ИЯС 30 48 48 50 58
Относительная износостойкость, е 1,04 1,86 1,90 2,10 3,00
Относительная цена, ОЦ 1,00 1,40 1,35 1,90 2,10
Стоимостная оценка износостойкости, ОЦ/е 1,00 0,89 0,71 0,90 0,70
Из таблицы следует, что наиболее приемлемыми марками сталей для изготовления лапы культиватора являются 40ХС, 40Х, 65Г и 30ХГСА.
Материал и методы. Для повышения долговечности наплавкой или напылением твёрдых сплавов лапа упрочняется по схеме, показанной на рисунке 2а. Наплавка осуществляется по всему режущему контуру толщиной 0,5.1,0 мм и шириной 15.20 мм.
При применении наплавки твёрдых сплавов для упрочнения режущих рабочих органов очень
важно обеспечить нужную толщину наплавляемого слоя.
Она определяется из условия
е1 • Ь1 = е2 • Ь2, (11)
где е1 и е2 - относительная износостойкость соответственно основного и наплавочного металла; Ь1 и Ь2 - толщина слоя соответственно основного и наплавочного металла, мм.
а) б)
Рис. 2. Схемы: а - изнашивания серийной лапы; б - упрочнения стрельчатой лапы культиватора наплавкой твёрдого сплава и с помощью накладного элемента
Примерное значение относительной износостойкости наплавочного металла можно определить из эмпирического выражения:
ен = 0,85(0,18*! + 0,0013х2 + 0,21х3 + 0,15х4 + + 0,076х5 + 0,3х6 + 0,4х7 - 7,47),
(12)
где х1 - содержание углерода, %; х2 - содержание хрома, %; х^ - твёрдость, в единицах ИЯС; х4 - содержание бора, %; х5 - содержание молибдена, %; х6 - содержание вольфрама, %; х7 - содержание титана, %.
Результаты и обсуждение. Срок службы лапы, упрочнённой наплавкой, не удовлетворяет условию равностойкости носка и лезвийной части крыльев, особенно при обработке песчаных, супесчаных и лёгких суглинистых почв. Замена лапы проводится, как правило, по причине износа носовой части.
Анализ изношенных лап показывает, что предельный износ носовой части составляет около 50 мм, а предельный износ крыла по ширине в его конце - примерно 20.. .25 мм.
Упрочнение носовой части лапы с помощью накладного элемента [8-10] заключается в закреплении механически, сваркой или пайкой заострённого бруса в форме полукруга или прямоугольника из сталей 9ХС, 30ХГСА и других легированных сталей длиной 60.90 мм, углом заострения - 25.30°. Выступание заострённой части накладного элемента от основания носовой части - 30.40 мм, ширина бруса - 0,1.0,15 мм от ширины захвата лапы, толщина - 2,5.3,5 мм от толщины листа, из которого изготовлена лапа. Предпочтительным материалом для изготовления самой лапы вместо стали 65Г может быть рекомендована сталь 40ХС или 40Х при поверхностной твёрдости ИЯС48.58.
При такой конструкции лапы накладной элемент легко внедряется в почву и рыхлит её, тем самым значительно снижая нагрузку на лезвийную часть крыла, что, в свою очередь, повышает ресурс всей лапы. Так как угол заострения накладного элемента составляет 30°, это обеспечивает хорошую заглубляемо сть лапы, а минимальный угол заточки лезвийной части крыльев - 8° - достаточную их остроту даже при значительном износе по ширине. Все это обеспечивает высокую рабо-
тоспособность лапы длительный период времени без повышения тягового сопротивления. Носовая часть в этом случае практически не ограничивает ресурс лапы, её заменяют лишь в результате износа крыльев по ширине и уменьшения ширины захвата [11-15].
Проведём расчёты долговечности стрельчатой лапы для сплошной и междурядной обработки почвы по износу носовой части.
Примем следующие исходные данные: лапа изготовлена из прокатной стали толщиной 6 мм; ширина захвата лапы Ь = 330 мм; угол раствора лапы 2у = 60°, угол крошения в = 15°, угол заточки I = 15°; предельный износ лапы = 50 мм; твёрдость почвы В = 1,0 МПа; скорость обработки - 10 км/ч; вид почвы - супесчаная, т = 0,62.
По формулам 6 и 7 определяем давление почвы на носке лапы: Рн = 0,51 МПа, давление на крыле лапы - Рл= 0,11.0,15 МПа (меньшее значение на лапе с накладным элементом на носке).
Расчёты показывают, что долговечность лапы, изготовленной из сталей 65Г, 40Х, 30ХГСА, по износу носка без упрочнения составит примерно 16 га, из стали 40ХС - 30 га, на лёгкой суглинистой почве (т = 0,42) - около 24 и 43 га соответственно.
При упрочнении лап наплавкой сплавом ФБХ-6-2 их ресурс на супесчаной почве повысится: из сталей б5г, 40Х, 30ХГСА - до 26 га, из стали 40ХС - до 33 га.
При упрочнении носовой части накладным элементом из стали 9ХС ресурс ее практически составит не менее чем 50 га. В этом случае критерием замены лапы в процессе эксплуатации является износ не носовой части, а крыльев по ширине. Об этом свидетельствует и результат изнашивания таких лап в течение 2014-2016 гг. (рис. 3).
Рис. 3. Изношенные лапы культиватора: а - с носком упрочнённым накладкой; б - серийная лапа
В 2013 г. серийные лапы были упрочнены накладным элементом из стали 9ХС (рис. 3 а) на Гря-зинском культиваторном заводе. Нижние поверхности крыльев упрочнены наплавкой сплава ФБХ-6-2. Накладной элемент крепился к лапе механически после его термообработки до твёрдости ИЯС60.
В 2013-2014 гг. лапы проходили испытания в ФГБУ «Центрально-Чернозёмная МИС». Лапы устанавливались на сдвоенный культиватор 2КПС-4, который агрегатировался с трактором Т-150К. Почвы - среднесуглинистые. Вид работы -предпосевная обработка почвы. В 2016 г. после наработки каждой из четырех испытывавшихся лап по 30 га их продолжали испытывать в ООО «За-лесово» Тульской области. Они были установлены на культиваторе КПС-8,6 и агрегатировались с трактором К-701. Почва - также среднесуглини-стая, вид работы - тот же. Суммарная наработка опытных лап с накладкой в 2016 г. составила 50 га. Их остаточный ресурс, по мнению экспертов, составляет не менее 10 га.
На рисунке 3 представлены лапы из стали 65Г, одна из которых была упрочнена наплавкой по периметру лезвий крыльев и накладным элементом из стали 9ХС, а вторая - упрочнена наплавкой по периметру лезвий крыльев. Наработка первой составила 50 га, её остаточный ресурс, по мнению экспертов, составляет не менее 10 га, а наработка второй - 20 га, её ресурс выработан полностью, и она требует замены.
Выводы
1. Для обеспечения высокой долговечности и работоспособности стрельчатых культиваторных лап представляется целесообразным изготавливать их из стали 40ХС вместо 65Г. К сожалению, эта сталь не выпускается в массовом порядке. Из неё следует изготавливать опытные партии лап и поставлять их на испытания, а также выполнять детали рабочих органов плугов (лемехи, отвалы, полевые доски).
2. Упрочнение наиболее изнашиваемой носовой части стрельчатых лап более целесообразно осуществлять накладными элементами в виде брусов. Такой метод упрочнения позволяет повысить их ресурс по сравнению с простой наплавкой лезвийной части крыльев не менее чем в 2 раза.
Библиографический список
1. Ерохин М.Н., Леонов О. А. Ремонт сельскохозяйственной техники с позиции обеспечения качества // Экология и сельскохозяйственная техника. Материалы 4-й научно-практической конференции. 2005. С. 234-238.
2. Ерохин М.Н., Кушнарев Л.И., Пучин Е.А. Машинно-технологические станции - резерв технического и экономического развития АПК: Монография. М.: Московский гос. агроинженерный ун-т им. В.П. Горячкина, 2008.
3. Черноиванов В.И. Концепция модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020 года / В.И. Черно-иванов, Ю.Ф. Лачуга, А.А. Ежевский, Н.В. Красно-щеков, И.В. Горбачев, А.Ю. Измайлов, М.Н. Ерохин, В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, В.Д. Попов,
Н.М. Иванов, В.М. Кряжков, Д.И. Есаков, С. А. Го -рячев, А.В. Петриков, В.В. Нунгезер, Н.Т. Сорокин, А.П. Севастьянов // Проект. М., 2010.
4. Новиков B.C. Упрочнение рабочих органов почвообрабатывающих машин: Монография. М.: ФГБОУ ВПО МГАУ 2013. 112 с.
5. Сидоров С.А. Повышение долговечности и работоспособности рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, применяемых в сельском и лесном хозяйствах: Автореферат диссертации. М.: ГНУ ВИМ, 2007. 33 с.
6. Лебедев К. А., Лебедев А.Л. и др. Повышение ресурса культиваторных лап // Научное обозрение. 2015. № 3. С. 50-55.
7. Вольферц Г.А., Максимов А.А., Олейников Д. В. Использование сварочных и упрочняющих технологий при производстве лап культиваторов и сеялок // Ползуновский альманах. 2003. № 4. С. 174-175.
8. Ишков А.В., Кривочуров Н.Т. и др. Влияние технологических факторов на износ поверхностно-упрочненных стрельчатых лап // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2010. № 10. С. 92-96.
9. Ерохин М.Н., Новиков B.C., Сабуркин Д.А. Выбор марки стали для лемеха плуга // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. № 1. С. 5-8.
10. Стрельчатая лапа культиватора: Патент на полезную модель № 110894 РФ / B.C. Новиков, М.Н. Ерохин; опубл. 10.12.2011. Бюл. № 34.
11. Ерохин М.Н., Новиков В.С., Петровский Д.И. К вопросу об импортозамещении рабочих органов зарубежных почвообрабатывающих машин // Труды ГОСНИТИ. 2015. Т. 121. С. 206-212.
12. Ерохин М.Н., Новиков В.С., Петровский Д.И. Прогнозирование ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин // Сельский механизатор. 2015. № 11. С. 6-9.
13. Петровский Д.И., Новиков В.С. К вопросу о повышении долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин // Инновационные направления развития технологий и технических средств механизации сельского хозяйства: Материалы Международной научно-практической конференции, посвящённой 100-летию кафедры сельскохозяйственных машин агроинженерного факультета Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра 1.Ч. II. Воронеж, 2015. С. 125-129.
14. Новиков В.С., Петровский Д.И. Высокоресурсные рабочие органы машин для основной обработки почвы // Инновационные технологии для АПК юга России, 2016. С. 79-82.
15. Новиков В.С., Петровский Д.И. Повышение ресурса рабочих органов машин для основной обработки почвы // Основные направления развития техники и технологий в АПК. VII Всероссийская научно-практическая конференция, 2016. С. 288-293.
Статья поступила 23.05.2017
IMPROVING DURABILITY OF CENTRE-HOE CULTIVATORS
VLADIMIR S. NOVIKOV, DSc (Eng)
E-mail: tsmo@rgau-msha.ru
DMITRY I. PETROVSKY, PhD (Eng)
E-mail: dm_petrovsky@mail.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation.
A hoe is the main working element of cultivators for general and inter-row soil cultivation. The size and shape of centre hoes are characterized by an opening angle, a crubing angle, a sharpening angle, a wing width, and a coverage. In the course of operation, as a result of wear, almost all of these settings are changed, reducing the centre hoe performance. Cultivator hoes are currently made mainly of steel 65F Their service life amounts to 7 to 18 ha depending on the soil texture. The authors have studied the wear patterns of cultivator centre hoes, offered some criteria for the replacement of worn parts, and outlined the main directions for improving the durability of working elements. It has been proved that to ensure high durability and efficiency of centre hoes, they should be produced from 40XC steel grade instead of 65r; then, hardening of the most succeptible for wear front parts of centre hoes should be implemented with bar-from overlays, which will increase their service life twice as long as compared with simple surface welding of wing's cutting edges.
Key words: soil, processing, centre hoe of a cultivator, durability.
References
1. Yerokhin M.N., Leonov O.A. Remont sel'skok-hozyaystvennoy tekhniki s pozitsii obespecheniya kachestva [Repair of agricultural machinery in terms of quality assurance]. Ekologiya i sel'skokhozyaystven-naya tekhnika. Materialy 4-y nauchno-prakticheskoy konferentsii, 2005. Pp. 234-238. (In Rus.)
2. Yerokhin M.N., Kushnarev L.I., Puchin Ye.A. Mashinno-tekhnologicheskiye stantsii - rezerv tekhnicheskogo i ekonomicheskogo razvitiya APK: Monografiya [Machinery technological stations as a base for technical and economic agricultural development. Monograph]. Moscow, Moskovskiy gos. agroin-zhenernyy un-t im. VP. Goryachkina, 2008. (In Rus.)
3. Chernoivanov V.I. Kontseptsiya modernizatsii inzhenerno-tekhnicheskoy sistemy sel'skogo khozyay-stva Rossii na period do 2020 goda [Concept of modernization of engineering systems of Russian agriculture for the period up to 2020] / VI. Chernoivanov, YU.F. Lachuga, A.A. Yezhevskiy, N.V Krasnoshche-kov, I.V. Gorbachev, A. Yu.Izmaylov, M.N. Yerokhin, V.F. Fedorenko, D.S. Buklagin, V.D. Popov, N.M. Iva-nov, V.M. Kryazhkov, D.I. Yesakov, S.A. Goryachev, A.V. Petrikov, VV. Nungezer, N.T. Sorokin, A.P. Sev-ast'yanov. Proyekt. Moscow, 2010. (In Rus.)
4. Novikov V.S. Uprochneniye rabochikh organov pochvoobrabatyvayushchikh mashin: Monografiya [Hardening working elements of tillage machines. Monograph]. Moscow, FGBOU VPO MGAU, 2013, 112 p. (In Rus.)
5. Sidorov S.A. Povysheniye dolgovechnosti i rabo-tosposobnosti rabochikh organov pochvoobrabatyvay-
ushchikh mashin i orudiy, primenyayemykh v sel'skom i lesnom khozyaystvakh [Increasng the durability and efficiency of working elements of tillage machines and tools used in agriculture and forestry]: Self-review of PhD thesis. Moscow, GNU VIM, 2007, 33 p. (In Rus.)
6. Lebedev K.A., Lebedev A.L. i dr. Povysheniye resursa kul'tivatornykh lap [Increasing the service life of hoes]. Nauchnoye obozreniye, 2015, No. 3. Pp. 50-55. (In Rus.)
7. Vol'ferts G.A., Maksimov A.A., Oleynikov D.V Ispol'zovaniye svarochnykh i uprochnyayushchikh tekhnologiy pri proizvodstve lap kul'tivatorov i sey-alok [Using welding and hardening technology in manufacturing of cultivator and seeder hoes/ Polzunovskiy al'manakh, 2003, No. 4. Pp. 174-175. (In Rus.)
8. Ishkov A.V., Krivochurov N.T. i dr. Vliyaniye tekhnologicheskikh faktorov na iznos poverkhnost-no-uprochnennykh strel'chatykh lap [Effect of technological factors on the wear of surface-hardened centre hoes]. Vestnik Altayskogo gosudarstvennogo agrar-nogo universiteta, 2010, No 10. Pp. 92-96. (In Rus.)
9. Yerokhin M.N., Novikov B.C., Saburkin D.A. Vybor marki stali dlya lemekha pluga [Choosing a steel grade for plow shares]. Traktory i sel 'skokhozyaystven-nyye mashiny, 2008, No. 1. Pp. 5-8. (In Rus.)
10. Strel'chataya lapa kul'tivatora: Patent na poleznuyu model' № 110894 RF [The patent for useful model No. 110894 of the Russian Federation "Centre hoe of a cultivator" / B.C. Novikov, M.N. Yerokhin; publ. on 10.12.2011. Bul. No. 34. (In Rus.)
11. Yerokhin M.N., Novikov V.S., Petrovskiy D.I. K voprosu ob importozameshchenii rabochikh organov zarubezhnykh pochvoobrabatyvayushchikh mashin
[On import substitution of foreign working elements of tillage machines]. Trudy GOSNITI, 2015, Vol. 121. Pp. 206-212. (In Rus.)
12. Yerokhin M.N., Novikov V.S., Petrovskiy D.I. Prognozirovaniye resursa rabochikh organov pochvoo-brabatyvayushchikh mashin [Forecasting the service life of working elements of tillage machines]. Sel'skiy mekhanizator, 2015, No. 11. Pp. 6-9. (In Rus.)
13. Petrovskiy D.I., Novikov V.S. K voprosu o povyshenii dolgovechnosti rabochikh organov poch-voobrabatyvayushchikh mashin [On ways of improving the durability of working elements of tillage machines]. Innovatsionnyye napravleniya razvitiya tekhnologiy i tekhnicheskikh sredstv mekhanizatsii sel 'skogo khozyaystva: Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchonnoy 100-letiyu kafedry sel'skokhozyaystvennykh mashin
agroinzhenernogo fakul 'teta Voronezhskogo gosudarst-vennogo agrarnogo universiteta imeni imperatora Petra I. Part II. Voronezh, 2015. Pp. 125-129. (In Rus.)
14. Novikov V.S., Petrovskiy D.I. Vysokoresurs-nyye rabochiye organy mashin dlya osnovnoy obrabotki pochvy [Long-operable working elements of machines for primary tillage]. Innovatsionnyye tekhnologii dlya APKyuga Rossii, 2016. Pp. 79-82. (In Rus.)
15. Novikov V.S., Petrovskiy D.I. Povysheniye resursa rabochikh organov mashin dlya osnovnoy obrabotki pochvy [Increasing the service life of working elements of machines for primary soil tillage]. Os-novnyye napravleniya razvitiya tekhniki i tekhnologiy v APK. VII Vserossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya, 2016. Pp. 288-293. (In Rus.)
Received on May 23, 2017
УДК 62-235:338.5
ПАСТУХОВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор1
E-mail: kafedra_TMKM@bsaa.edu.ru
КРАВЧЕНКО ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор2
E-mail: kravchenko-in71@yandex.ru
ЕФИМЦЕВ АНДРЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ1
E-mail: kafedra_TMKM@bsaa.edu.ru
1 Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина, ул. Вавилова, 1, п. Майский, Белгородский район, Белгородская область, 308503, Российская Федерация
2 Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
ВНЕДРЕНИЯ СПОСОБА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ JOHN DEERE
Представлены результаты практического внедрения способа технического обслуживания карданных шарниров со съемными подшипниковыми гнездами на примере конструкции, применяемой в тракторах John Deere 7830. Основу апробируемого технического решения составляет способ технического обслуживания карданных шарниров по RU2453451, заключающийся в замене рабочих поверхностей подшипниковых узлов путем поворота крестовины в сборе. Оценка технико-экономической эффективности предусматривает определение затрат от внедрения способа технического обслуживания, годовую экономию и срок окупаемости затрат. В процессе выполнения расчетов проведена сравнительная оценка затрат на материалы по реализации способа и по замене карданных шарниров новыми, стоимости работ по диагностированию карданных шарниров при техническом обслуживании, годовой экономии от снижения себестоимости при внедрении способа технического обслуживания с учетом повышения долговечности, а также установлен срок окупаемости капиталовложений. При этом стоимость замены карданных шарниров новыми составила 49940 руб., а себестоимость технического обслуживания - 13622 руб. С учетом коэффициента повышения долговечности в 1,16 раза экономия затрат составила 44308 руб., что обеспечивает срок окупаемости капиталовложений в способ на уровне 0,31 года. На примере тракторного парка John
Deere в Белгородской области возможный экономический эффект, при учете потребности в обслуживании, может достигать более 5 млн руб.
Ключевые слова: карданный шарнир, подшипниковые узлы, долговечность, себестоимость технического обслуживания, срок окупаемости.
Введение. Состояние машинного обеспечения агропромышленного комплекса России можно признать не соответствующим требованиям интенсификации. При этом опыт стран с развитой рыночной экономикой свидетельствует о том, что наукоемкие технологии являются исходной движущей силой обеспечения прироста сельскохозяйственного производства. Поэтому стратегическое будущее сельского хозяйства России в технической сфере связано с глубокой модернизацией технологий, технических средств и методов инновационного развития инженерно-технического потенциала предприятий, определяемого реализацией научно-технических достижений [1-3].
Применительно к аграрным предприятиям Белгородской области, использующим технику зарубежного производства, таким инновационным направлением развития инженерно-технической службы сервиса являются эксплуатационные наблюдения за используемой техникой с целью формирования полной картины эксплуатационной надежности объектов, например тракторов марки John Deere 7830 разработка на основе этих данных мероприятий по обеспечению работоспособности наименее долговечных агрегатов с учетом снижения затрат на техническое обслуживание и ремонт [4-6].
На основе оригинального технического решения по способу технического обслуживания карданных шарниров конструкции John Deere в эксплуатации [7, 8] авторами предложен технологический процесс, который позволил реализовать данное инновационное решение в рамках рядовой эксплуатации. Техническая сущность упомянутого способа заключается в том, что крестовину в сборе с подшипниковыми узлами поворачивают относительно оси вращения на 90° (вправо или влево), а затем осуществляют поворот относительно вертикальной пары шипов на 180°. В результате обеспечивается такое положение подшипниковых узлов крестовины, при котором неизношенные поверхности становятся ведущими, а изношенные - ведомыми.
Цель исследований - технико-экономическая оценка эффективности внедрения способа технического обслуживания карданных шарниров на примере трактора John Deere 7830.
Материал и методы. Эффективность предлагаемого технологического процесса технического обслуживания карданных шарниров обусловливается сравнительным экономическим эффектом на предприятиях, связанных с эксплуатацией техники, оснащенной шарнирами типа CR115 (RE52347 по каталогу запасных частей фирмы John Deere), за счет повышения долговечности подшипниковых узлов путем замены рабочих поверхностей шипов кре-
стовины с минимальными капиталовложениями. Для сравнения полной себестоимости необходимо рассмотреть технико-экономические показатели предлагаемого способа технического обслуживания карданных шарниров по техническому решению [9] в сравнении с рекомендациями завода-изготовителя тракторов John Deere 7830. Обоснование технико-экономической эффективности проводим в соответствии с методиками [10, 11], предусматривающими определение затрат от внедрения способа технического обслуживания, годовую экономию и срок окупаемости затрат.
Результаты и обсуждение. Стоимость материалов, используемых при проведении технического обслуживания карданных шарниров John Deere, устанавливаем исходя из норм расхода резьбового фиксатора и очистителя фиксатора, а также в стоимость материалов включаем стоимость карданного шарнира, который в соответствии с регламентом подлежит замене. По данным прайс-листа компании John Deere (2016 г.), стоимость одной крестовины типоразмера RE52347 (тип CR115) с учетом НДС составляет 20767,5 руб. [8]. Так как карданные шарниры меняют в комплекте (две единицы), затраты удваиваются и составляют 41535 руб.
Затраты на материалы, необходимые для замены карданных шарниров СМ, руб., определяем по формуле
СМ = НМ ' Дш (1)
где НМ - норма расхода материалов на карданный шарнир, мл; ЦМ - цена материалов по прейскуранту, руб.
Для проведения замены или технического обслуживания карданных шарниров необходимо выкрутить восемь болтов, очистить, провести соответствующие способу манипуляции, нанести по капле фиксатора резьбовых соединений, затянуть болты моментом 70 Нм для прижатия проушин к вилке-фланцу. Примерный расход фиксатора на один болт составляет 0,04 мл, поэтому получаем общий расход (0,04 ■ 8) = 0,32 мл. При стоимости 50 мл фиксатора резьбовых соединений 1570 руб. получаем СФ = (1570 ■ 0,32) / 50 = 10,05 руб.
При проведении технического обслуживания карданных шарниров по предлагаемому способу необходимо дополнительно выполнить измерение радиального зазора с помощью усовершенствованного прибора, стоимость изготовления которого составляет 3340 руб., при этом следует учесть амортизационные отчисления (12%) на ремонт и техническое обслуживание прибора 400 руб.
Расчет затрат на расходные материалы и прибор заносим в таблицу.
Затраты на способ технического обслуживания или замену карданных шарниров
Наименование материалов Норма расхода на комплект КШ, мл Цена, руб. Цена, руб. Сумма на комплект КШ, руб. Возвратные отходы, руб.
исход. проект. исход. проект. исход. проект.
1. Фиксатор резьбы средний, 50 мл 0,64 0,64 1570 31,4 20,1 20,1 1570 1538,6
2. Очиститель герметика, 400 мл 6,4 6,4 458 0,87 5,57 5,57 458 457,13
3. Карданный шарнир, шт. 2 0 41535 41535 41535 0 - 0
4. Прибор - - - 3740 - 3740 - -
Всего - - 43563 - 41560,67 3565,67 2028 1995,73
Рассмотрим себестоимость технического обслуживания комплекта карданных шарниров карданного вала привода гидромодуля коробки передач трактора John Deere 7830 в сравнении с заменой их новыми карданными шарнирами в виде запасных частей.
Техническое обслуживание карданных шарниров проводим непосредственно на пунктах технического обслуживания или в полевых условиях с помощью оборудования, имеющегося в сервисном автомобиле.
Годовая экономия от снижения себестоимости при внедрении способа технического обслуживания с учетом повышения долговечности определяется по формуле
Эг — (Ctoi' kdT0 — СТ02)А2, (2)
где СТО1, СТО2 - себестоимость технического обслуживания карданных шарниров и их замены по изменяющимся статьям, руб.; А2 - годовой объем технических обслуживаний, шт.; kdT0 - коэффициент, учитывающий повышение ресурса карданных шарниров в результате технического обслуживания.
Себестоимость замены карданных шарниров при номерном техническом обслуживании по рекомендациям производителя определяем по формуле
СТО1 = ЗП01 + ЗПД1 + НДС + С31, (3)
где СТ01 - себестоимость замены КШ, руб.; ЗП01 -заработная плата основная, руб.; ЗПД1 - заработная плата дополнительная, руб. (процент начисления 15%); НДС1 - налог на добавленную стоимость, руб. (процент начисления 18%); СЗ1 - затраты на замену карданных шарниров, руб.
Основная заработная плата определяется по формуле
ЗП0 =^ГСЧГКПР, (4)
¡•=1
где ti - трудоемкость операции технического обслуживания, чел. - ч; СЧ,- - часовая тарифная ставка рабочих при выполнении технологических операций, руб./ч (по данным ООО «Юпитер 9»); ^ПР - коэффициент, учитывающий премиальные выплаты
из единого фонда оплаты труда (в расчетах принимаем Л"ПР = 1,3); п - число операций при проведении технического обслуживания.
В соответствии с данными ООО «Юпитер 9» принимаем: трудоемкость операции замены /1 = 2,5 чел. - ч, часовая тарифная ставка мастера-наладчика СЧ1 = 1900 руб., откуда по формуле (4) получаем
ЗПО1 = 2,5 ■ 1900 ■ 1,3 = 6175 руб.,
а дополнительная заработная плата составит
ЗПД1 = 0,15 ■ ЗПО = 0,15 ■ 6175 = 926 руб.,
откуда начисления по фонду социального страхования составят
НДС! = 0,18(ЗПО1 + ЗПД1) = 0,18(6175 + 926) = = 1278 руб.
Стоимость замены карданных шарниров с учетом изложенного выше СЗ1, руб., определяется по формуле
С = С + С (5)
где СМ - стоимость фиксатора и очистителя герметика для резьбовых соединений, руб.; СШ - стоимость комплекта карданных шарниров, руб.
Таким образом, себестоимость замены карданных шарниров при техническом обслуживании с учетом стоимости работ и расходных материалов вычисляется по формуле (3) и составляет
СТО1 = 6175 + 926 + 1278 + (25,67 + 41535) = = 49940 руб.
Себестоимость технического обслуживания карданных шарниров по предлагаемому способу определяем по формуле
Сто 2 = ЗПО2 + ЗПД2 + НДС2 + СМ, (6)
где СТО2 - себестоимость ТО КШ с учетом способа ТО, руб.
В соответствии с данными ООО «Юпитер 9» принимаем: трудоемкость операции техническо-
го обслуживания с учетом замены рабочих поверхностей и замера радиального зазора равной tj = 3,0 чел. - ч, часовая тарифная ставка мастера-наладчика СЧ1 = 1900 руб., откуда по формуле (3) получаем
ЗПО2 = 3,0 ■ 1900 ■ 1,3 = 7410 руб., тогда дополнительная заработная плата составляет
ЗПД2 = 0,15 ■ ЗПО2 = 0,15 ■ 7410 = 1112 руб.,
а начисления по фонду социального страхования равны
НДС2 = 0,18(ЗПО + ЗПД) = 0,18(7410 + 1112) = 1534 руб.
В итоге с учетом данных по стоимости затраченных материалов получаем себестоимость способа технического обслуживания на основании формулы (6):
СТО2 = 7410 + 1112 + 1534 + 3566 = 13622 руб.
Годовую экономию затрат от снижения себестоимости технического обслуживания при внедрении способа технического обслуживания карданных шарниров [9] с учетом повышения долговечности определяем по формуле (2) и получаем
ЭГ = (49940 -1,16-13622) -1 = 44308 руб.
По данным на 2016 г., парк тракторов John Deere 7030-7830, эксплуатирующихся в Белгородской области, составляет 205 единиц, поэтому годовая экономия с учетом 60% доли карданных шарниров, нуждающихся в техническом обслуживании, на основании анализа отказов составит более 5 млн руб. [12].
Срок окупаемости дополнительных затрат, связанных с внедрением способа технического обслуживания карданных шарниров, определяем по формуле
Ток = СТО2 / ^Г, (7)
где СТО2 - затраты на внедрение способа технического обслуживания, руб.; ЭГ - годовая экономия от снижения себестоимости продукции при внедрении разработок, руб.
В результате расчета после подстановки значений получим
Ток = 13622 / 44308 ~ 0,31 года.
Полученный экономический эффект не учитывает снижение потребности в запасных частях.
Выводы
1. Одним из целесообразных и наиболее эффективных направлений повышения работоспособности дорогостоящей сельскохозяйственной техники
является разработка оригинальных эксплуатационных мероприятий, основанных на достоверной информации о ее отказах и текущем техническом состоянии.
2. На основе оригинального технического решения по способу технического обслуживания карданных шарниров конструкции John Deere в эксплуатации авторами разработан технологический процесс, который позволил реализовать данное инновационное решение в рамках рядовой эксплуатации.
3. Технико-экономическая оценка внедрения предлагаемого способа технического обслуживания карданных шарниров на примере трактора John Deere 7830 показывает получение годовой экономии затрат в размере 44308 руб. на один трактор за счет снижения расхода запасных частей и повышения долговечности шарниров, что позволяет окупить единовременные капиталовложения в течение трех-четырех месяцев.
Библиографический список
1. Черноиванов В.И. Инженерно-технический прогресс в АПК. М.: ГНУ ГОСНИТИ, 2012. 200 с.
2. Черноиванов В.И., Ежевский А. А., Федорен-ко В.Ф. Повышение эффективности использования машинно-тракторного парка в современных условиях. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2015. 336 с.
3. Кушнарев Л.И. Организация эффективного использования машинно-тракторного парка. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2015. 272 с.
4. Ерохин М.Н. Технические и технологические требования к перспективной сельскохозяйственной технике. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. 248 с.
5. Дидманидзе О.Н., Кушнарев Л.И. Состояние и направление инновационного развития инженерно-технической службы АПК // Международный технико-экономический журнал. 2014. № 1. С. 31-40.
6. Корнеев В.М., Кравченко И.Н., Корнеева Е.Н. Логистика технического сервиса. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2016. 141 с.
7. Пастухов А.Г., Ефимцев А.В. Ресурсная оценка способа технического обслуживания карданных шарниров трактора «Джон Дир» // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 112. С. 88-93.
8. Ефимцев А.В. Обоснование способа технического обслуживания карданных шарниров тракторов John Deere в постгарантийный период: Дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03. М.: РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2016. 140 с.
9. Способ технического обслуживания карданного шарнира: Патент RU2453451 C1, B60S5/00, F16D3/41, F16C11/06. 2011107086/11 / А.Г. Пастухов, А.В. Ефимцев, Б.С. Зданович, Е.П. Тимашов; заявл. 24.02.2011; опубл. 20.06.2012, бюл. № 17.
10. Баутин В.М., Буклагин Д.С., Федоренко В.Ф. Экономика агротехсервиса; Под ред. В.М. Баутина. М.: Росинформагротех, 2011. 404 с.
11. Кушнарев Л.И., Кушнарев С.Л., Чепурин А.В. Экономическая оценка проекта мастерской, цеха, участка, профилактория автогаража сельскохозяйственного предприятия. М.: УМЦ «ТРИАДА», 2014. 25 с.
12. Erokhin M.N., Pastukhov A.G., Timashov E.P. Analysis of wear of the cardan cross the joints John Deer tractor // Traktori i pogonske masine. 2016. Vol. 21. No. 1. Pp. 24-29.
Статья поступила 22.05.2017
TECHNICAL AND ECONOMIC ASSESSMENT OF INTRODUCING MAINTENANCE PROCEDURES FOR JOHN DEERE U-JOINTS
ALEKSANDR G. PASTUKHOV, DSc (Eng), Professor1
E-mail: kafedra_TMKM@bsaa.edu.ru
IGOR N. KRAVCHENKO, DSc (Eng), Professor2
E-mail: kravchenko-in71@yandex.ru
ANDREY V. EFIMTSEV1
E-mail: kafedra_TMKM@bsaa.edu.ru
1 Belgorod State Agricultural University named after V. Ya. Gorin, 308503, Russia, Belgorod region, Belgorod district, Maiskiy, Vavilova str., 1
2 Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The paper presents the results of practical implementation of a maintenance technique of U-joints with removable bearing seats as exemplified by a design applied in John Deere 7830 tractors. The approved technical solution is based on a maintenance technique of U-joints according to RU2453451 consisting in the replacement of work surfaces of bearing mount assemblies by turning of an assembled centrepiece. The assessment of technical and economic efficiency includes the calculation of expenses from the introduction of a maintenance technique, annual economic effect, and a payback period of expenses. While performing calculations, the authors have carried out the comparative assessment of material costs to implement the maintenance technique and replace the U-joints with the new ones, the costs of operations on diagnosing U-joints in the course of maintenance, annual savings from cost reduction resulting from the introduction of the new maintenance technique with account of durability increasing, as well as established a payback period of capital investments. As a result, the cost of U-joint replacement with the new one has accounted for 49940 rubles, and the cost of maintenance -13622 rubles. With account of the coefficient of durability increasing by 1,16 times, saving on costs has totaled 44308 rubles that provides a payback period of capital investments of 0,31 of a year. With account of service requirements, an expected economic effect may reach about 5 million rubles for the John Deere tractor fleet in the Belgorod region.
Key words: U-joint, bearing mount assemblies, durability, maintenance cost, payback period.
References
1. Chernoivanov V.I. Inzhenerno-tekhnicheskiy progress v APK [Engineering and technical progress in farm industry]. Moscow, GNU GOSNITI, 2012, 200 p. (In Rus.)
2. Chernoivanov V.I., Yezhevskiy A.A., Fedoren-ko V.F. Povysheniye effektivnosti ispol'zovaniya mashinno-traktornogo parka v sovremennykh uslovi-yakh [Increasing the utilization efficiency of the machine and tractor fleet in modern conditions]. Moscow, FGBNU "Rosinformagrotekh", 2015, 336 p. (In Rus.)
3. Kushnarev L.I. Organizatsiya effektivnogo ispol'zovaniya mashinno-traktornogo parka [Organization of effective utilization of the machine and tractor fleet]. Moscow, FGBNU "Rosinformagrotekh", 2015, 272 p. (In Rus.)
4. Yerokhin M.N. Tekhnicheskiye i tekhnologich-eskiye trebovaniya k perspektivnoy sel'skokhozyay-stvennoy tekhnike [Technical and technological requirements for advanced agricultural machinery]. Moscow, FGBNU "Rosinformagrotekh", 2011, 248 p. (In Rus.)
5. Didmanidze O.N., Kushnarev L.I. Sostoyaniye i napravleniye innovatsionnogo razvitiya inzhener-
no-tekhnicheskoy sluzhby APK [Current state and direction of innovative development of the engineering and technical service in farm industry]. Mezhdunar-odnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal, 2014, No. 1. Pp. 31-40. (In Rus.)
6. Korneyev VM., Kravchenko I.N., Korneyeva Ye.N. Logistika tekhnicheskogo servisa [Logistics of technical service]. Moscow, Izd-vo RGAU-MSKhA, 2016, 141 p. (In Rus.)
7. Pastukhov A.G., Yefimtsev A.V. Resursnaya ot-senka sposoba tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardan-nykh sharnirov traktora "Johm Deere" [Resource evaluation of the maintenance method of U-joints of "John Deere" tractors]. Trudy GOSNITI, 2013, Vol. 112. Pp. 88-93. (In Rus.)
8. Yefimtsev A.V. Obosnovaniye sposoba tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardannykh sharnirov traktorov John Deere v postgarantiynyy period [Justification of a maintenance method of U-joints of John Deere tractors in the post-guarantee period]: PhD (Eng) thesis: 05.20.03. Moscow, RGAU-MSKhA imeni K.A. Timiryazeva, 2016, 140 p. (In Rus.)
9. Sposob tekhnicheskogo obsluzhivaniya kardan-nogo sharnira [Method for servicing U-joints]: Patent RU2453451 C1, B60S5/00, F16D3/41, F16C11/06. 2011107086/11 / A.G. Pastukhov, A.V. Yefimtsev, B.S. Zdanovich, Ye.P. Timashov; appl. on 24.02.2011; publ. on 20.06.2012, bul. No. 17. (In Rus.)
10. Bautin VM., Buklagin D.S., Fedorenko V.F. Ekonomika agrotekhservisa [Economy of farm machinery maintenance]; Ed. by V.M. Bautin. Moscow, Rosinformagrotekh, 2011, 404 p. (In Rus.)
11. Kushnarev L.I., Kushnarev S.L., Chepurin A.V Ekonomicheskaya otsenka proyekta masterskoy, tse-kha, uchastka, profilaktoriya avtogarazha sel'skok-hozyaystvennogo predpriyatiya [Economic evaluation of projects of a workshop, a shop, a site, and a motor-garage dispensary of a farm enterprise]. Moscow, UMTs "TRIADA", 2014, 25 p. (In Rus.)
12. Erokhin M.N., Pastukhov A.G., Timashov E.P. Analysis of the wear of the cardan cross the joints John Deer tractor. Traktori i pogonske masine, 2016, Vol. 21, No. 1. Pp. 24-29.
Received on May 22, 2017
ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В АПК
УДК 338.49
ЭНКИНА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА, канд. экон. наук
E-mail: ev18.12@inbox.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИИ
Рассмотрены вопросы, связанные с состоянием развития инженерной инфраструктуры в сельской местности. Сельские территории занимают значительную долю в общей площади страны. Основной отраслью экономики таких регионов является сельскохозяйственное производство, для эффективного функционирования которого необходимы развитые сети водо-, газообеспечения, электро- и теплоснабжения, водоотведения. Немаловажную роль в аграрном производстве играет также и наличие автодорог и подъездных путей. Установлено неудовлетворительное состояние инфраструктурных объектов, которое затрудняет развитие сельскохозяйственного производства. Таким образом, выявлена необходимость восстановления и дальнейшего развития элементов, составляющих сельскую инженерную инфраструктуру, с целью повышения эффективности аграрной отрасли и успешного функционирования сельских территорий. Коллективный принцип в потреблении подтверждает основополагающую роль государства в поддержании и развитии объектов инженерной инфраструктуры села на современном этапе. Для решения данных задач органами федерального и регионального уровней разрабатываются целевые программы и «адресные» приоритетные национальные проекты. В силу существующего дефицита бюджетов различных уровней отрасли инженерной инфраструктуры сельских поселений попросту недополучают необходимые средства для эффективного функционирования. Развитая инженерная инфраструктура способствует более эффективному ведению сельскохозяйственного производства, что является ключевой задачей Доктрины продовольственной безопасности России.
Ключевые слова: инженерная инфраструктура села, водоснабжение, газообеспечение, водоотведе-ние, сельские территории, сельскохозяйственное производство, государственное регулирование
Введение. Основная доля сельскохозяйственных предприятий в России располагается в пределах сельских территорий, занимающих значительную часть страны. В сельской местности проживает около 40 млн человек, что составляет порядка 26% от населения страны в целом. Помимо производства сельскохозяйственной продукции, сельские поселения выполняют широкий спектр народнохозяйственных функций: жизнеобеспечивающую, производственную, социально-демографическую (воспроизводственную), экологическую, культурную, рекреационную. Для поддержания и успешного функционирования сельских территорий существует целый ряд объектов производственной, со-циально-бытой, инженерной, экологической и институциональной инфраструктур. Одна из главных ролей, как в производстве, так и в жизнедеятельности сельского населения, отводится инженерной
инфраструктуре, элементами которой являются сети водо- и электроснабжения, газообеспечения, канализации, а также межпоселковые автомобильные дороги.
Цель исследования - проанализировать состояние объектов инженерной инфраструктуры сельских населенных пунктов России и определить перспективы их развития.
Результаты и обсуждение. Проводя анализ обеспеченности страны водопроводной сетью, необходимо отметить, что за исследуемый период 1990-2016 гг. произошло многократное сокращение данного показателя (рис. 1).
В целом по России снижение составило 4,5 раза, в сельской местности ввод сократился в 5,4 раза. Наибольшее снижение приходится на 90-е гг. За период 1990-1999 гг. строительство водопроводных сетей сократилось в 6,6 раза, в том числе в сель-
ской местности - более чем в 9,5 раза. Начиная с 2000 г. наблюдалась положительная динамика вплоть до 2015 г. включительно. Рост составил более 200%. Однако за 2016 г. произошло снижение показателя в 1,6 раза. По итогам минувшего года значение составило 1675,2 км водопровода, из которых около 65% (1088,7 км) приходится на сельские территории, что меньше аналогичного показателя 1990 г. на 13,5%. Анализируя сельский жилищный фонд, необходимо отметить его низкую обеспечен-
В отличие от водопроводной сети, противоположная ситуация наблюдается при анализе ввода в действие газовых сетей (рис. 2). За период 1990-х гг. строительство газовых сетей в целом
За период 2000-2016 гг. зафиксировано снижение показателя в 2,6 раза для сельских территорий.
ность центральным водоснабжением. По итогам 2016 г. удельный вес площади, оборудованной водопроводом, составил лишь 57%. Благодаря разрабатываемым государством целевым программам удалось повысить данный показатель в сравнении с 1990-ми годами более чем на 20%. Тем не менее, техническое состояние водопроводной сети на селе остается крайне неудовлетворительным, значительная часть (около 40%) фондов нуждается в ремонте или полной замене.
по России увеличилось более чем в 2 раза, непосредственно в сельской местности - в 2,5 раза. Однако в последующие годы рост ввода сменился спадом.
По итогам 2016 г. строительство газовых сетей составило в целом по стране 8701,5 км, что на 15%
Рис. 1. Ввод в действие водопроводных сетей в Российской Федерации за период 1990-2016 гг. [1]
Рис. 2. Строительство газовых сетей в Российской Федерации за период 1990-2016 гг. [1]
ниже уровня 1990 г. Необходимо отметить, что обеспеченность газом жилищного фонда сельских территорий находится на уровне 74%, что на 10% выше аналогичного городского показателя. Такая высокая доля достигнута во многом благодаря собственным средствам сельских жителей. Таким образом, увеличение доступности газоснабжения во многом объясняет снижение показателей строительства и ввода газовых сетей в стране.
Помимо газо- и водообеспечения, инженерная инфраструктура представлена также сетями теплоснабжения и водоотведения. Согласно динамике
Сельский жилищный фонд оборудован сетями водоотведения лишь на 45%. Сточные воды имеют в основном механическую очистку и сбрасываются в водные объекты недостаточно очищенными или вовсе без очистки, что оказывает негативное влияние на качество хозяйственно-питьевого водоснабжения.
В действующем Федеральном законе от 07.12.2011 г. № 416 «О водоснабжении и водо-отведении» определен механизм контроля и финансирования процедуры строительства канализационных и водопроводных сетей. В соответствии с данным законом государством разработана федеральная целевая программа «Чистая вода» на период 2011-2017 гг. Общий объем финансирования составляет 331,8 млрд руб. Однако, учитывая приоритетное направление развития для страны водохозяйственного комплекса, доля государственной помощи остается крайне низкой: менее 3% (9 млрд руб.) приходится на федеральный бюджет и столько же - на бюджеты субъектов [2].
В рамках другой федеральной целевой программы «Устойчивое развитие сельских территорий на 2014-2017 годы и на период до 2020 года» для сельских поселений предусмотрено незначительное финансирование строительства распределительных газовых сетей, локальных водопроводов и расширение сети автодорожного полотна [3]. Динамика строительства автодорог имеет положительную тенден-
ввода данных показателей, строительство тепло-снабженческих сетей в стране за анализируемый период сократилось в 8,5 раза (рис. 3). Ввиду высокого обеспечения сельских поселений газом (74%) удельный вес площади, оборудованной отоплением, составляет 68%. Канализирование сельских населенных пунктов значительно отстает от развития водоснабжения. Строительство канализационных сетей уменьшилось в 2,2 раза. В техническом состоянии канализационной инфраструктуры сложился устойчивый отрицательный тренд - в замене нуждаются 35% сетей.
цию. За 2015 г. были построены и реконструированы подъезды с твердым покрытием к 176 сельским населенным пунктам, 24 объектам сельскохозяйственного производства общей протяженностью 384,8 км, или 16,4% от общего ввода автодорог общего пользования с твердым покрытием. Строительство линий электропередачи для нужд сельского хозяйства росло высокими темпами до 2015 г. В 2015 г. в связи с дефицитом региональных бюджетом ввод сетей с напряжением 0,4 кВ сократился на 20%, а с напряжением 6-20 кВ - более чем на 40% по сравнению с предыдущим годом. В целом за период 2010-2015 гг. для электрификации сельского хозяйства было проложено 42,7 тыс. км электрических сетей напряжением 0,4 кВ и 29,9 тыс. км напряжением 6-20 кВ [4].
Низкие количественные и качественные показатели развития объектов инженерной инфраструктуры в сельской местности объясняются рядом причин. В первую очередь такие объекты требуют крупных капитальных вложений, срок окупаемости которых является длительным. Очень сложным является привлечение дополнительных внебюджетных источников финансирования. В свою очередь, инфраструктуру принято относить к непроизводственной сфере экономики, однако она непосредственно влияет на процесс производства, хотя находится за его технологическими пределами. Так как инфраструктурными объектами, помимо сельскохозяйственных производителей,
Рис. 3. Ввод в действие сетей теплоснабжения и водоотведения в России за период 1990-2016 гг. [1]
пользуется и проживающее рядом население, то значительная доля в их финансировании должна принадлежать непосредственно государству.
Выводы
На сегодняшний день, в результате повышения приоритета в пользу аграрной отрасли российской экономики, проблемы в развитии инженерной инфраструктуры ощущаются наиболее остро. Жизненный цикл многих еще советских инфраструктурных объектов подходит к концу, что значительно усугубляет развитие сельхозпроизводства [5]. В большинстве случаев сельскохозяйственные предприятия играют так называемую селообразующую роль. Гибель сельскохозяйственного производства напрямую приведет и к вымиранию сельских территорий в целом. Принцип коллективного пользования объектами инженерной инфраструктуры порождает вопрос об источниках их финансирования, а именно -о повышении доли и заинтересованности государства в строительстве такого рода объектов. Развитие инженерной инфраструктуры сельских территорий будет способствовать повышению эффективности сельскохозяйственной отрасли и как следствие - достижению продовольственной безопасности страны, что является главной задачей реализуемой сегодня политики импортозамещения.
Библиографический список
1. Статистические данные Федеральной службы государственной статистики. [Электронный ресурс]. 2017. URL: http://www.gks.ru /wps/wcm/ connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/enterprise/ building/#
2. Постановление Правительства РФ от 22 декабря 2010 г. № 1092 «О федеральной целевой программе «Чистая вода» на 2011-2017 годы». [Электронный ресурс]. 2017. URL: http://www.garant.ru/ products/ipo/prime/doc/2073798/#100000.
3. Постановление Правительства РФ от 15 июля 2013 г. № 598 «О федеральной целевой программе «Устойчивое развитие сельских территорий на 2014-2017 годы и на период до 2020 года». [Электронный ресурс]. 2017. URL: http://government.ru/ media/files/41d47baf642258e68c1b.pdf
4. О состоянии сельских территорий в Российской Федерации в 2015 году. Ежегодный доклад по результатам мониторинга: Науч. изд. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. Вып. 3. 352 с.
5. Энкина Е. В. Развитая сельская инфраструктура как объективная необходимость выживания российской деревни // Известия МААО. 2011. № 12 (2011). С. 82-84.
Статья поступила 04.05.2017
PRESENT CONDITION AND DEVELOPMENT PROSPECTS OF ENGINEERING INFRASTRUCTURE OF RURAL TERRITORIES IN RUSSIA
YEKATERINA V. ENKINA, PhD (Econ)
E-mail: ev18.12@inbox.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The paper deals with issues related to the state of development of the engineering infrastructure in rural areas. Rural territories occupy a significant share in the total area of the country. The main economy branch in such regions is farm production, the effective functioning of which requires the availability of developed networks of water, gas, electricity and heat supply, as well as drainage systems. An important role in farm production is played by the availability of main and access roads. The author has identified the unsatisfactory state of the existing infrastructure facilities, which hampers the development of farm production. Thus, the need to restore and further develop the components of a rural engineering infrastructure has been identified with a goal of increasing farming efficiency and ensuring the successful functioning of rural areas. The "sharing" principle of consumption confirms the fundamental role of maintaining and developing the rural engineering infrastructure at the current stage. To address these challenges, federal and regional bodies are developing targeted programs and categorical priority national projects. Due to the existing deficit of various-level budgets, the rural engineering infrastructure simply fails to receive the necessary funds for effective functioning. The developed engineering infrastructure contributes to more efficient management of farm production, which is a key task of the Doctrine of Food Security in Russia.
Key words: engineering infrastructure of rural areas, water supply, gas supply, drainage, rural areas, agricultural production, state regulation
References
1. Statistical data of the Federal State Statistics Service [Electronic resource]. 2017. Access mode: http://www.gks.ru /wps/wcm/connect/rosstat_main/ rosstat/ru/statistics/enterprise/building. (In Rus.)
2. Resolution of the Government of the Russian Federation of December 22, 2010 No. 1092 "On the federal target program" Pure Water "for 2011-2017". [Electronic resource]. 2017. Access mode: http://www. garant.ru/products/ipo/prime/doc/2073798/#100000 (In Rus.)
3. Resolution of the Government of the Russian Federation of July 15, 2013 No. 598 "On the federal targeted program" Sustainable Development of Rural Territories for 2014-2017 and for the period until 2020 ". [Electron-
ic resource]. 2017. Access mode: http://government.ru/ media/files/41d47baf642258e68c1b.pdf (In Rus.)
4. O sostoyanii sel'skikh territoriy v Rossiyskoy Federatsii v 2015 godu. Yezhegodnyy doklad po re-zul'tatam monitoringa [On the state of rural areas in the Russian Federation in 2015. Annual report on monitoring results]: Nauch. izd. Moscow, FGBNU "Rosinfor-magrotekh", 2017. Issue 3, 352 p. (In Rus.)
5. Enkina Ye.V. Razvitaya sel'skaya infrastruktura kak ob"yektivnaya neobkhodimost' vyzhivaniya rossiyskoy derevni [Developed rural infrastructure as an objective necessity of the survival of Russian villages]. Izvestiya MAAO, 2011, No. 12 (2011). Pp. 82-84. (In Rus.)
Received on May 4, 2017
УДК 339.132/.133:631.372
ЕРЕМЕЕВА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА, доцент
E-mail: oaluk@mail.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЫНКА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
В современных условиях экономического развития страны, направленных на активное импортоза-мещение и обеспечение продовольственной независимости, становится актуальным анализ рынка сельскохозяйственной техники и факторов, которые формируют его. Анализ спроса сельскохозяйственной техники показал, что между объемом техники и его ценой существует обратная зависимость. Реакция сельскохозяйственных товаропроизводителей на изменение цены на технику слабая, т. е. спрос неэластичен, вследствие быстрого роста цен на технику в сравнении с финансовыми результатами. Основными факторами, влияющими на формирование спроса на сельскохозяйственную технику, являются государственная поддержка производителей сельхозтехники, поддержка по экспорту техники и санкции и эмбарго на внешнем рынке сельскохозяйственной техники. Общее сокращение парка тракторов и зерноуборочных комбайнов за период 1998-2016 гг. составило более 70%. На предложение техники оказывают влияние следующие факторы: количество отечественных производителей сельскохозяйственной техники, диспаритет цен, изменения цен на топливо, государственные субсидии, внешнеэкономическая деятельность и условия ВТО. Длительный период времени предложение сельскохозяйственной техники в большей степени было представлено импортом, который увеличился с момента вступления России в ВТО, например, по тракторам на 50%. Но за последние годы в связи с макроэкономической ситуацией в стране: эмбарго, рост курса валют, экономические санкции - наблюдается сокращение поставок импортной техники на внутренний рынок. Современный рынок сельскохозяйственной техники обладает ненасыщенным спросом и избыточным предложением, поэтому необходимо проводить политику, направленную на стимулирование спроса на технику, в том числе через расширение спроса посредством государственных программ.
Ключевые слова: сельскохозяйственная техника, факторы спроса и предложения, рынок тракторов.
Введение. Рынок сельскохозяйственной техники России на протяжении последних двух десятилетий развивался в сложных экономических
условиях. В Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продоволь-
ствия на 2013-2020 годы одной из целей является повышение эффективности и конкурентоспособности продукции сельскохозяйственных товаропроизводителей за счет технической и технологической модернизации производства. Данная цель не может быть реализована без развитого рынка сельскохозяйственной техники.
Цель исследований - анализ основных факторов, влияющих на формирование спроса и предложения на отечественном рынке сельскохозяйственной техники.
Материал и методы. Исследование рынка сельскохозяйственной техники основано на использовании методов наблюдения, сравнения, рядов динамики, анализа и синтеза, метода табличного представления. В статье использованы данные Росстата о наличии техники и энергетических мощностей в сельскохозяйственных организациях за ряд лет, а также материалы государственных программ и стратегий развития сельского хозяй-
ства и сельскохозяйственного машиностроения России.
Результаты и обсуждение. Основными структурными элементами конъюнктуры рынка сельскохозяйственной техники являются спрос, предложение и конкуренция. Спрос предъявляют потребители сельскохозяйственной техники, т.е. сельскохозяйственные товаропроизводители, а предложение -предприятия - производители сельхозтехники [1].
Спрос на рынке сельскохозяйственной техники -это готовность сельскохозяйственных товаропроизводителей приобретать технику по сложившимся рыночным ценам. В соответствии с законом спроса между объемом спроса и ценой существует обратная зависимость. Так, например, при анализе спроса на трактора сельскохозяйственного назначения указанная зависимость наглядно иллюстрируется графиком (рис. 1) и уравнением связи Qd = 7,76-0,58Р, которые характеризуют обратную зависимость между ценой и количеством приобретенной техники.
я о
о
н ^
и &
& Ё
« А
ш ы
£ И
5 »
^ 5
ЧВ и
I з &я
I
Щ
4,50 4,00 3,50 ' 3,00 , 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
у = -0,5833х + 7,'
7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5
Количество приобретенных тракторов, тыс. шт.
10,0
10,5
Рис. 1. График спроса на трактора сельскохозяйственного назначения [2, 3]
В микроэкономическом анализе основными неценовыми детерминантами спроса выступают:
Qd = /(Рс, Р, I, Т, Е),
где РС - цены комплементарных товаров; Р5 - цены товаров-субститутов; I - доходы потребителей; Т -вкусы и предпочтения; Е - ожидания потребителей.
Так, на рынке тракторов, кроме цен на тракторы, важнейшими факторами будут первые три из перечисленных. К комплементарным товарам можно отнести запчасти, горюче-смазочные материалы, сельскохозяйственные машины, монтируемые на тракторы, и др.
Рост цен на тракторы вызывает сдерживание роста объема спроса, но не вызывает его падение. При росте цен на технику должно было произойти падение объема спроса и, соответственно, сокращение производства. Но этого не происходит. Наоборот, по итогам 2016 г. выпуск тракторов
66
для сельского и лесного хозяйства увеличился на 27% - до 5700 шт., а их продажи в России по итогам года выросли примерно на 20% - до более чем 13000 шт. [4].
Важнейший фактор, обусловивший рост продаж и производства тракторов даже в условиях роста цен на них, - это проводимая в последние годы государством политика по стимулированию спроса на отечественные сельхозмашины и соответственно стимулированию их продажи, прежде всего с помощью программы государственного субсидирования 25...30%-х скидок на выпускаемую в России сельхозтехнику. В 2016 г. на эту программу выделено из бюджета почти 10 млрд руб. Покупки (спрос) сельхозпроизводителями техники зерноуборочных комбайнов и тракторов в России будут расти за счет этого фактора и дальше. Субсидирование государством 25...30%-х скидок можно рассматривать как государственное регулирование цен на сельхозтехнику с целью их понижения. Такое понижение цен
способствует росту объема спроса. Так, в 2016 г. скидки цен на 25% способствовали повышению объема продаж (спроса) на 20%, т.е. спрос на сельхозтехнику при низком уровне насыщенности потребностей в ней довольно эластичен по ценам. Коэффициент эластичности практически равен единице. Но без государственной поддержки спрос и предложение на отечественном рынке сельскохозяйственной техники могут сократиться.
В 2017 г. на продолжение программы субсидирования скидок предусмотрено выделить 13,7 млрд руб., включая 3,7 млрд руб. для исполнения обязательств 2016 г. Объем продаж (спрос) может вырасти на 30%, без нее - на столько же упасть [5, 6].
Следующий фактор, способствовавший росту продаж и увеличению производства техники, - это проводимая в последние годы государством политика по поддержке экспорта отечественных сельхозмашин. Государство компенсирует часть логистических затрат, расходов на адаптацию техники, участие в зарубежных выставках.
Также можно отметить фактор, который способствовал расширению спроса и предложения отечественной сельхозтехники, - санкции и эмбарго на внешнем рынке сельскохозяйственной техники. Это способствовало проведению политики импор-тозамещения, расширению спроса на отечественную технику, соответственно - и расширению ее выпуска.
Рассмотрим формирование предложения на рынке сельскохозяйственной техники. По своему строению с позиций экономической теории данный рынок можно отнести к рынку несовершенной конкуренции, а именно - олигополии. Так, на 2016 г. крупнейшими предприятиями - производителями отечественной сельхозтехники - являются:
- комбайновый завод «Ростсельмаш» (производство зерно- и кормоуборочных комбайнов, прицепной и навесной сельхозтехники, сельскохозяйственных тракторов);
ал о
Снижающийся спрос на сельскохозяйственную технику привел к сокращению объемов производства в отрасли отечественного сельскохозяйственного машиностроения. За период с 1992 по 2002 г. общее сокращение производства тракторов составило
- концерн «Тракторные заводы» (производство зерно- и кормоуборочных комбайнов, прицепной и навесной сельхозтехники, сельскохозяйственных тракторов);
- Петербургский тракторный завод (производство тракторов сельскохозяйственного назначения с мощностью двигателя свыше 250 л.с.) [7, 8].
Если рассматривать отрасль более детально, то в настоящее время в сегменте производства зерноуборочных комбайнов фактически действуют лишь два предприятия, занятых полным циклом производства (нелокализованная сборка): комбайновый завод «Ростсельмаш» и ОАО «ПО «Красноярский завод комбайнов» (входит в концерн «Тракторные заводы»). Безусловным лидером производства в сегменте является «Ростсельмаш», доля которого в структуре российского производства этого вида техники достигает 70%.
На формирование предложения техники, помимо числа производителей на рынке, влияет комплекс факторов, мы выделим такие, как: диспаритет цен, изменения цен на топливо, государственные субсидии, внешнеэкономическая деятельность и условия ВТО.
Один из факторов, который отрицательно сказывается на росте предложения сельскохозяйственной техники, - это образование диспаритета цен (неравномерный рост цен на промышленную и сельскохозяйственную продукцию).
Проанализируем динамику индекса цен производителей и покупателей дизельного топлива как один из примеров диспаритета цен (рис. 2). Так, наибольшее отклонение индекса цен наблюдается в 2006, 2008, 2013 гг. - 11%, т.е. в данные периоды наблюдалась наибольшая разница между ценами производителей дизельного топлива и ценами покупателей. Это отрицательно отразилось в целом на производстве продукции сельского хозяйства, так как значительное превышение цен на приобретение топливно-энергетических ресурсов приводит к увеличению издержек производства.
92%, комбайнов зерноуборочных - 82%, кормоубо-рочных - 92%, доильных установок - 98% [8, 9, 10]. Наблюдается ежегодное сокращение парка тракторов и зерноуборочных комбайнов - общее снижение за период 1998-2016 гг. составило более 70% (рис. 3).
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Индексы цен производителей дизельного топлива, % ■ Индексы цен на приобретение дизельного топлива. %
Рис. 2. Индексы цен на дизельное топливо, % [9]
■ Тракторы, тыс. шт.--Комбайны зерноуборочные, тыс. шт.
Рис. 3. Парк тракторов и зерноуборочных комбайнов в РФ, тыс. шт. [9]
Вместе с тем следует отметить, что в составе используемых в сельском хозяйстве тракторов и комбайнов увеличивается удельный вес импортной техники. Это свидетельствует о более высокой конкурентоспособности зарубежной техники по цене-качеству.
Анализируя рынок тракторов сельскохозяйственного назначения, можно отметить, что со-
кращение внутреннего предложения данного вида сельскохозяйственной техники способствовало увеличению его импорта, прирост которого за период с 2000 по 2008 г. составил 11 раз (рис. 4). Финансовый кризис 2009 г. отрицательно отразился и на отрасли машиностроения: внутреннее производство сократилось более чем в два раза, ввоз техники - более чем в три раза.
1998 2001 2004 2007 2010 2013
■ Предложение тракторов, с учетом импорта, тыс шт. Приобретение тракторов (спрос), тыс пгг.
Рис. 4. Рынок тракторов сельскохозяйственного назначения
[9]
По данным рисунка 4 можно выделить несколько периодов на рынке тракторов сельскохозяйственного назначения:
- до 2004 г. - характеризуется превышением спроса над предложением, при этом спрос активно сокращается на 41%, а предложение увеличивается в 2 раза;
- 2004-2008 гг. - опережающий рост предложения над спросом. За данный период времени увеличились инвестиции в основной капитал сельского хозяйства, а так как сельскохозяйственная техника - это активная часть основного капитала, то наблюдается рост и на рынке техники;
- 2008-2010 гг. - резкое падение и спроса, и предложения, вызванное финансовым кризисом. В начале 2008 г. в связи с принятием и реализацией приоритетного проекта «Развитие АПК», а также за счет благоприятных условий наблюдается рост производства сельского хозяйства по сравнению с 2007 г., но под влиянием начавшегося финансового кризиса происходит замедление, ухудшение финансовых результатов сельскохозяйственных товаропроизводителей, которое отрицательно отразилось на покупательном спросе на сельскохозяйственную технику.
- 2010 г. по настоящее время - значительное превышение предложения тракторов над спро-
сом, достижение уровня спроса 2004 г. При замедлении предложения тракторов после 2012 г. рынок все равно находится в состоянии, характеризующемся избыточным предложением техники. Значительное снижение доходности сельскохозяйственных организаций в 2013 г. сменилось увеличением в 2014 г. и ростом объема спроса отечественных товаропроизводителей на продукцию отрасли сельскохозяйственного машиностроения за счет активной поддержки государства, включая Постановление Правительства РФ от 27 декабря 2012 г. № 1432 «Об утверждении Правил предоставления субсидий производителям сельскохозяйственной техники». Так, с 2013 г. по Правилам предоставления субсидий производителям сельскохозяйственной техники производители предоставляют сельскохозяйственным организациям скидку в размере 25-30% на выпускаемую технику, а государство субсидирует предприятиям, реализовавшим сельскохозяйственную технику, эти расходы [10].
После вступления России во Всемирную торговую организацию (ВТО) изменилась структура рынка импортной сельскохозяйственной техники. Во-первых, за 2012 г. наблюдается общее увеличение поставок тракторов в РФ, прирост составляет 17% по сравнению с 2011 г.; во-вторых, за счет понижения в условиях членства в ВТО ставок таможенных пошлин (по комбайнам - с 25 до 5% таможенной стоимости, на трактора - с 25 до 15%) увеличивается доля импортных тракторов. Так, если доля импорта тракторов из Беларуси в 2012-2013 гг. занимала 51% всего рынка, то в 2014 г. уже на 15,2% ниже, при этом увеличилась доля таких стран, как Китай, Япония. Например, поставки тракторов из Китая за 2013-2014 гг. увеличились на 23%.
Изменение структуры рынка импортных тракторов за период 2012-2014 гг. отрицательно отразилось на рынке отечественного производства сельскохозяйственной техники и машин и частичного замещения его импортной техникой: сокращение внутреннего производства тракторов составило 50%, культиваторов - 40%, машин для внесения удобрений - более 60%.
После 2013-2014 гг. ситуация стала меняться. Тенденция к нарастанию импорта техники постепенно стала сменяться тенденцией к ее сокращению. Основные факторы, обусловившие сокращение объемов импорта техники: объявление экономических санкций, падение курса рубля, продовольственное эмбарго, государственная поддержка отечественных производителей техники путем
субсидирования 25...30%-х скидок на выпускаемую в России сельхозтехнику.
Выводы
Таким образом, формирование спроса и предложения на рынке сельскохозяйственной техники, их структура и соотношение характеризовались в исследуемый период самыми различными тенденциями. До 2014 г. ряд факторов формировал неблагоприятную для отечественных производителей техники конъюнктуру на рынке тракторов и зерноуборочных комбайнов. С 2014 г. сложилась новая социально-экономическая ситуация, государством стала разрабатываться и применяться политика импортозамещения, что существенно улучшило рыночную конъюнктуру производителей и потребителей техники.
Библиографический список
1. Еремеева О. А. Спрос и предложение на рынке сельскохозяйственной техники // Управление рисками в АПК. 2016. № 1. С. 5-8.
2. Россия в цифрах. 2003: Краткий стат. сб. M.: Госкомстат России, 2003.
3. Россия в цифрах. 2015: Краткий стат. сб. M.: Росстат, 2015.
4. Основные средства. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://os1.ru
5. Правительство поддержит производство сельхозтехники в 2017 году. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.vedomosti.ru/auto/arti-cles/2016/12/23/671021-pravitelstvo-prodolzhit-pod-derzhivat-proizvoditelei.
6. Агроинфо: сельскохозяйственный портал. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://agroin-fo.com.
7. Бутов А.М. Рынок сельскохозяйственных машин. М.: НИУ ВШЭ, 2016. 68 с.
8. Российская ассоциация производителей сельхозтехники. URL: http://www.rosagromash.ru
9. Сельское хозяйство, охота и охотничье хозяйство, лесоводство в России в 2015 году: Стат. сб. M.: Росстат, 2015.
10. Постановление Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2012 г. № 1432 «Об утверждении Правил предоставления субсидий производителям сельскохозяйственной техники». URL: http://base.garant.ru.
Статья поступила 09.06.2017
SPECIFIC FEATURES OF FARM MACHINERY MARKET FUNCTIONING
OLGA A. EREMEYEVA, Associate Professor
E-mail: oaluk@mail.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
In modern conditions of the country's economic development aimed at active import substitution and ensuring food independence, it has become urgent to analyze the market of farm machinery and the factors that shape it. Analysing demand for agricultural machinery has shown that there is an inverse relationship between the amount of machinery available and its price. The respose of farm producers to a change in the machinery price is insignificant, which means that the demand is inelastic due to rapid machinery price increase as contrasted to financial results. The main factors determining the demand for farm machinery are the state support for farm machinery producers, the support for the machinery export, and sanctions and embargoes existing in the foreign market of farm machinery. The total reduction of the fleet of tractors and combine harvesters for the period 1998-2016 was more than 70%. The following factors influence the machinery supply: the number of domestic producers of farm machinery, the disparity of prices, changes in fuel prices, government subsidies, foreign economic activity, and WTO conditions. For a long period of time, the supply of farm machinery was largely represented by imports, which has increased since Russia joined the WTO, for example, the imports of tractors have risen by 50%. But in recent years, due to the macroeconomic situation in the country - trade embargo, the growth of exchange rates, economic sanctions - there has been a reduction in the supply of imported machinery to the domestic market. The modern farm machinery market is characterized by an unsaturated demand and an excessive supply, therefore it is necessary to pursue a policy aimed at stimulating demand for machinery, including demand expansion by means of government programs.
Key words: farm machinery, supply and demand factors, tractor market.
References
1. Yeremeyeva O.A. Spros i predlozheniye na rynke sel'skokhozyaystvennoy tekhniki [Demand and supply on the market of farm machiner]. Upravleniye riskami v APK, 2016, No. 1. Pp. 5-8. (In Rus.)
2. Rossiya v tsifrakh [Russia in figures]. 2003: Krat-kiy stat. sb. Moscow, Goskomstat Rossii, 2003. (In Rus.)
3. Rossiya v tsifrakh [Russia in figures]. 2015: Short collection of papers. Moscow, Rosstat, 2015. (In Rus.)
4. Osnovnyye sredstva [Fixed assets]. [Electronic resource]. Access mode: http://os1.ru. (In Rus.)
5. Pravitel'stvo podderzhit proizvodstvo sel'khoz-tekhniki v 2017 godu [The government will support the production of agricultural machinery in 2017]. [Electronic resource]. Access mode: http://www.ve-domosti.ru/auto/articles/2016/12/23/671021-pravitel-stvo-prodolzhit-podderzhivat-proizvoditelei (In Rus.)
6. Agroinfo: agricultural portal. [Electronic resource]. Access mode: http://agroinfo.com (In Rus.)
7. Butov A.M. Rynok sel'skokhozyaystvennykh mashin [The market for agricultural machinery]. Moscow, NIU VShE, 2016. 68 p. (In Rus.)
8. Russian Association of Agricultural Machinery Manufacturers. URL: http://www.rosagromash.ru (In Rus.)
9. Sel'skoye khozyaystvo, okhota i okhotnich'ye khozyaystvo, lesovodstvo v Rossii v 2015 godu [Agriculture, hunting and hunting, forestry in Russia in 2015]: Stat. sb. Moscow, Rosstat, 2015. (In Rus.)
10. Decree of the Government of the Russian Federation of December 27, 2012 № 1432 "On approval of the rules for granting subsidies to farm equipment producers". URL: http://base.garant.ru (In Rus.)
Received on June 9, 2017
УДК 631.3.004.69.(470)
ЗИМИН НИКОЛАЙ ЕГОРОВИЧ, докт. экон. наук, профессор
E-mail: zimnikolaj@yandex.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, г Москва, 127550, Российская Федерация
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ В СФЕРЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СЕРВИСА МАШИН В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ХОЗЯЙСТВОВАНИЯ
Произведен анализ возможностей использования научного наследия по направлению экономических взаимоотношений в сфере технического сервиса и воспроизводства машин, используемых в АПК, применительно к современным условиям хозяйствования. В основу исследования положены научные разработки прошлых лет, а также результаты оценки современного состояния машинно-тракторного парка. В качестве информационной базы использованы авторские наработки, материалы проблемной научно-исследовательской лаборатории по экономике ремонта и технического обслуживания машинно-тракторного парка. Рассмотрены метод ускоренной амортизации, пропорциональный метод начисления амортизации, а также амортизационные сроки машин, устанавливающие период погашения первоначально авансированной стоимости. Приведены нормы амортизации для основных марок тракторов на базе регрессивного метода. Разработанные нормативы являются в целом усредненными, однако для различных регионов они могут быть дифференцированы в зависимости от природно-климатических условий и складывающейся годовой нагрузки. За основу для разработки коэффициентов дифференциации норм амортизационных отчислений может быть принята ежегодная наработка, в которой отражается старение техники и оптимальная нагрузка в отдельные годы. Также необходима коррекция по сроку службы, так как существующий машинно-тракторный парк в значительной степени укомплектован машинами зарубежного производства с более высокой степенью надежности на начальном этапе их эксплуатации. Для осуществления амортизационной политики и разработки новых норм амортизации выдвинуты следующие предложения для практики: во-первых, на период становления рыночных отношений в сельском хозяйстве, когда рынок подержанной техники еще не развит, следует использовать балансовую стоимость в качестве расчетной амортизационной суммы; во-вторых, по мере развития рыночных отношений, рынка подержанной техники для основных групп тракторов, следует прекратить начисления амортизации на полное восстановление после 4-5-летнего срока эксплуатации, так как размер выручки, полученной от ликвидации списанных машин, в большинстве случаев перекрывает недоначислен-ную амортизацию за вторую половину нормативного срока. Совершенная нормативная база оценки остаточной стоимости машин позволит решить вопросы эквивалентности процесса обмена при купле-продаже ремонтного фонда, подержанных работоспособных машин, при аренде и прокате машин, лизинговых отношениях.
Ключевые слова: научное наследие, экономические отношения, технический сервис, амортизация, закономерности экономического снашивания, лизинг, остаточная стоимость.
Введение. Прошедший период реформирования затронул все стороны материальной сферы производства, при этом технический сервис машин АПК не явился исключением. Общая недостаточная эффективность проводимых мероприятий по переходу на рыночные отношения свидетельствует о неполном использовании того научного наследия, которое является резервом повышения эффективности работы машинно-тракторного парка. Разработанные предложения и рекомендации по совершенствованию экономических отношений были актуальными до 90-х гг. и остаются востребованными в настоящее время. Выполненные ис-
следования по изменению технико-экономических показателей использования машин в зависимости от сроков службы явились базой для разработки значительного количества практических вопросов машиноиспользования.
Конец XX - начало XXI в. в нашей стране является периодом формирования новой системы экономических отношений, однако полученные научные результаты в области машиноиспользо-вания и закономерности воспроизводства машин имеют актуальное значение в настоящее время, позволяют использовать наработки «доперестроечных» времен для решения современных про-
блем, не принимая во внимание разновидности экономик. Основой такого суждения является утверждение о том, что нашими учителями в сфере технического сервиса заложена не форма общественно-экономической формации, а объективные закономерности экономического снашивания машин, для которых форма общественного обустройства значения не имеет.
Цель исследований - провести анализ возможностей использования научного наследия по направлению экономических взаимоотношений в сфере технического сервиса и воспроизводства машин, используемых в АПК, применительно к современным условиям хозяйствования.
Материалы и методы. В основу исследования положены научные разработки прошлых лет, а также результаты критической оценки современной практики решения рассматриваемых вопросов. В качестве информационной базы использованы авторские наработки, материалы проблемной научно-исследовательской лаборатории по экономике ремонта и технического обслуживания машинно-тракторного парка [1-4].
Результаты и обсуждение. В целях создания финансовых условий для ускорения внедрения в производство научно-технических достижений и повышения заинтересованности предприятий в ускорении обновления и техническом развитии активной части основных производственных фондов (машин, оборудования, транспортных средств) предприятия было предложено применять методы ускоренной амортизации активной части фондов, введенных в действие после 1 января 1991 г. Однако практическая реализация этого права затруднена по причине отсутствия соответствующих норм амортизации и рекомендаций по использованию ускоренных методов.
Анализируя практику использования методов ускоренной амортизации, следует отметить, что они являются наиболее приспособленными к условиям рыночного хозяйствования. Равномерное формирование фонда возмещения (пропорциональный метод начисления амортизации) не в состоянии обеспечить эффективное воспроизводство основных фондов. Дефицит амортизационного фонда не погашается переоценками фондов, так как их периодичность проведения не отслеживает индекс роста цен. Неадекватные затраты во времени на производство продукции (без учета дифференцированных норм отчислений по амортизации) дают искаженное представление о себестоимости продукции, получаемых предприятиями доходах и налогах, поступающих в бюджет страны.
Одним из ключевых вопросов рассматриваемой проблемы являются амортизационные сроки машин, устанавливающие период погашения первоначально авансированной стоимости. Это есть время, в течение которого нормами амортизации будет накоплен денежный фонд для воспроизводства машин до их списания (вывода из эксплуата-
ции). Они устанавливались, как правило, короче по сравнению с продолжительностью физической долговечности, начисление амортизации прекращалось, а машины продолжали использоваться. Наглядным подтверждением этого явилась практика эксплуатации сельскохозяйственных машин после 90-х гг. и в настоящее время на предприятиях с неустойчивым развитием экономики. Определение сроков службы является самостоятельной проблемой, решение которой базируется на минимизации затрат по эксплуатации машин в расчете на единицу механизированных работ (продукции), выполненных (произведенной) с помощью машин. Этот параметр был использован при определении оптимальных сроков службы сельскохозяйственной техники для разработок амортизационных сроков и обоснования норм амортизационных отчислений [1].
Результатами исследований академика РАН Ю.А. Конкина доказано, что по тракторам, используемым в сельском хозяйстве, среди группы ускоренных методов начисления амортизации наиболее предпочтительным является регрессивный.
Рассматриваемый метод имеет следующие особенности:
- амортизация исчисляется не с первоначальной, а с остаточной стоимости по увеличенным нормам, принятым при равномерном (пропорциональном) методе;
- за установленный срок начисления амортизации погашается не вся балансовая (расчетная величина для амортизации) стоимость. С увеличением коэффициента регрессии, как показывают исследования, доля недоначисленной амортизации снижается.
Коэффициенты регрессии определяют и задают соответствующие темпы изменения норм амортизационных отчислений, которые в идеальном случае должны отражать степень утраты потребительной стоимости и стоимости машин. То или иное их значение, при фиксированных величинах остальных нормообразующих факторов, должно соответствовать действительному обесценению (износу) машин. В качестве показателей, отслеживающих динамику обесценения машины, могут быть приняты затраты на ремонт и техническое обслуживание, годовая наработка. Количественное изменение степени обесценения в этом случае выражается через совокупные затраты по амортизации на полное восстановление и поддержанию работоспособного состояния в расчете на единицу механизированных работ или произведенную с помощью машин продукцию. Оптимальное значение коэффициента регрессии должно обеспечивать совпадение средних совокупных затрат за установленный амортизационный срок с текущими значениями, независимо от срока службы машин.
С теоретических позиций и как показывают результаты исследований, такое упрощение приводит к искажению разрабатываемых норм, так как
не принимается во внимание остаточная стоимость списываемых машин. Чтобы избежать этого, в расчетной амортизационной сумме по каждой машине или группе в целом должна учитываться выручка от их ликвидации путем уменьшения балансовой стоимости на ее величину.
Многолетние результаты исследований годности деталей списанных тракторов в установленном порядке, полученные Проблемной лабораторией МГАУ им. В.П. Горячкина и другими научными коллективами, а также опыт работы пунктов сбора изношенных деталей показали, что тракторы содержат более 30% годных деталей для дальнейшего использования без восстановления, свыше 40% после их восстановления и только четвертая часть может быть направлена в металлолом.
С учетом возможных затрат на проведение разборочно-моечных, транспортно-заготовитель-ных и дефектовочных работ остаточная стоимость списанных тракторов или выручка от их ликвидации составляет 20...25% от балансовой стоимости.
Полученные результаты имеют принципиальное значение для осуществления амортизационной политики и разработки новых норм амортизации, так как на их основе были выдвинуты следующие предложения для практики:
1. На период становления рыночных отношений в сельском хозяйстве, когда рынок подержанной техники еще не развит, а значительная часть годных деталей, узлов и агрегатов, бывших в использовании, попадает в металлолом, следует использовать балансовую стоимость в качестве расчетной амортизационной суммы.
2. По мере развития рыночных отношений, рынка подержанной техники для основных групп тракторов, следует прекратить начисления амортизации на полное восстановление после 4-5-летнего срока эксплуатации, так как размер выручки, полученной от ликвидации списанных машин, в большинстве случаев перекрывает недоначис-ленную амортизацию за вторую половину нормативного срока.
В таблице 1 приведены показатели норм амортизации для основных марок тракторов, при этом использован регрессивный метод как один из ускоренных методов. Разработанные нормативы являются в целом усредненными, однако для различных регионов они могут быть дифференцированы в зависимости от природно-климатических условий и складывающейся годовой нагрузки. За основу для разработки коэффициентов дифференциации норм амортизационных отчислений может быть принята ежегодная наработка, в которой отражается старение техники и оптимальная нагрузка в отдельные годы.
Рассматривая полученные результаты как научное наследие, можно отметить, что в настоящее время принципиально оно нашло себе применение, так как Правительством РФ принято
постановление об использовании иных способов начисления амортизации, в том числе и ускоренных по активной части основных средств. Только обязательным условием их использования является необходимость закрепления приказом по учетной политике на предприятии. Однако, используя принципиальные положения научного наследия применительно к современной практике, необходима коррекция по сроку службы, так как существующий машинно-тракторный парк в значительной степени укомплектован машинами зарубежного производства с более высокой степенью надежности на начальном этапе их эксплуатации.
Исследование состояния экономических отношений при техническом сервисе машин в АПК, оставшихся в наследие от централизованного управления ими и сложившихся за период реформирования, позволяет выделить вопросы эквивалентности процесса обмена при купле-продаже ремонтного фонда, подержанных работоспособных машин, при аренде и прокате машин, лизинговых отношениях.
Конкретизация разработки рассматриваемого направления связана прежде всего с установлением соответствующих цен, так как в условиях рыночных отношений они определяют уровень и совершенство достигнутых взаимоотношений. В условиях идеальной рыночной системы ценовые отношения строятся на основе закона спроса и предложения, когда равновесные цены соответствуют экономическим интересам производителей и потребителей. Однако даже в странах с развитой рыночной экономикой полного равновесия не наблюдается, а действие закона спроса и предложения рассматривается как тенденция. Поэтому действительные цены в значительной степени отражают рыночный дисбаланс экономических интересов потребителя или производителя (продавца, посредника, покупателя). В связи с этим в качестве концептуальной основы для формирования цен предложения подержанных (работоспособных и неработоспособных) машин было предложено осуществлять формирование цен с учетом особенностей товара, которым являются машины, их узлы, агрегаты и детали, бывшие в употреблении. Их потребительские свойства и полезность изменяются неадекватно времени использования, определяются объективными закономерностями процесса физического износа. Игнорирование этой главной особенности товара не позволяет, как показала отечественная практика взаимоотношений дореформенного периода, установить взаимовыгодные связи между партнерами по техническому сервису машин даже в условиях полного государственного регулирования экономики страны в целом.
В настоящее время проблема этого свойства наиболее остро проявилась при организации лизинговых взаиморасчетов техники, ее аренде и прокате. Используя равномерные нормативы
экономического снашивания машин при определении размера лизинговых платежей, определении величины оплаты при организации проката или аренды машин, нарушается принцип взаимной эквивалентности обмена и экономической заинтересованности партнеров по той или иной сделке. В наибольшей степени это проявляется при изы-мании подержанных машин у лизингополучателя за лизинговые неплатежи. Рассматриваемое явление в экономических отношениях приобрело массовый характер в последние пять лет, когда неплатежеспособные хозяйства непосредственным образом за счет этого фактора снизили доходность лизинговых компаний. Недополучение лизинговыми компаниями соответствующих платежей прямым образом отражается на их финансовых результатах или бюджете страны в случае государственной поддержки.
Основной причиной разбалансированности экономических отношений явилась нормативная база оценки остаточной стоимости машин, которые были в эксплуатации. Проводя оценку размера возврата подержанной техники, например после 5 лет
использования при 10-летнем нормативном амортизационном сроке в 50% от первоначальной стоимости, лизингодатель получает значительные убытки, так как в рассматриваемом случае рыночная цена машины может быть выше стоимости металлолома незначительно (рис. 2).
Свидетельством признания несовершенства использования созданной системы является то, что правительством страны перед ОАО «Роса-гролизинг» при его организации была поставлена одна из главных задач - обеспечить возврат задолженности юридических лиц по средствам федерального бюджета, выделенным на обеспечение АПК машиностроительной продукцией и племенным скотом. Задолженности на тот период в части стоимости объектов лизинга составили около 50% от общего платежа, по некоторым регионам превысили 80%. Однако смена лизингового оператора явилась формальностью и не повлияла на эффективность лизинга для потенциальных лизингополучателей. Изменение условий финансирования не привело к снижению стоимости лизинговой услуги.
Таблица 1
Нормы амортизационных отчислений по основным маркам тракторов, % к расчетной стоимости
Нормы амортизационных отчислений на полное восстановление по годам срока службы тракторов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Колесные общего назначения класса 5,0 т (К-700, К-701 и модификации)
30,0 21,0 14,7 10,3 7,2 5,0 3,5 2,4 1,6 1,2 -
Гусеничные общего назначения класса 4,0 т (Т-4, Т-4А и модификации)
37,5 23,5 14,6 9,2 5,7 3,6 2,2 0,9 - - -
Колесные общего назначения класса 3,0 т (Т-150К и модификации)
25,0 18,8 14,0 10,5 7,9 5,9 4,5 3,3 2,5 1,9 -
Гусеничные общего назначения класса 3,0 т (ДТ-75, ДТ-75М и модификации)
31,3 21,5 14,8 10,2 7,0 4,8 3,3 2,3 - - -
Гусеничные специального назначения класса 2,0 т (Т-54В, Т-70С)
25,0 18,6 17,0 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 - - -
Универсальные пропашные класса 0,9-1,4 т (Т-40, Т-40М и модификации)
25,0 18,6 17,0 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 - - -
Универсальные пропашные класса 0,9-1,4 т (МТЗ-50 и модис шкации)
22,0 17,2 13,4 10,4 8,0 6,4 5,0 3,9 3,0 - -
Универсальные пропашные класса 0,9-1,4 т (МТЗ-80, ЮМЗ-6 и модификации)
18,2 14,9 12,2 10,0 8,2 6,7 5,5 4,5 3,7 3,0 2,4
Универсальные пропашные класса 0,6 т (Т-16М, Т-25А и модификации)
18,9 15,2 12,4 10,1 8,2 6,6 5,4 4,4 - - -
Таблица 2
Нормативы средних значений остаточной стоимости ремонтного фонда тракторов,
% от балансовой стоимости
Срок эксплуатации, годы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
К-700 и модификации
80,4 62,1 48,2 39,0 31,3 25,4 21,2 18,1 16,1 15,0 -
Т-150К и модификации
80,7 63,8 51,5 43,1 35,9 32,3 27,7 22,7 18,6 15,0 -
МТЗ-80, 82 и модификации
91,1 82,9 73,6 65,4 57,2 49,3 42,0 35,1 28,4 21,6 15,0
Т-25 и модификации
85,2 70,3 57,9 47,7 37,2 28,0 21,1 15,0 - - -
ДТ-75 и модификации
77,3 57,1 44,6 36,3 28,3 22,6 18,7 15,0 - - -
ДТ-75М и модификации
79,8 61,3 48,5 39,0 31,5 25,8 20,5 15,0 - - -
Среднее значение по группам тракторов со сроком начисления амортизации: -11 лет*; -10 лет**; -8 лет***
91,1* 82,9* 73,6* 65,4* 57,2* 49,3* 42,0* 35,1* 28,4* 21,6* 15,0*
80,6** 62,9** 49 9** 41 1** 33,6** 28,7** 24,4** 20,4** 16,4** 15,0** -
80,8*** 62,9*** 50,3*** 41 0*** 32 3*** 25 4*** 20,1*** 15,0*** - - -
Выводы
В настоящее время научные разработки рассматриваемого направления, в стране не ведутся, поэтому на практике применяется равномерный (пропорциональный) метод начисления амортизации на реновацию. Однако более 20 лет тому назад при проведении трехкратных обследований 150 тыс. тракторов этот метод был признан экономически необоснованным. Для активной части основных средств рекомендуется использовать ускоренные методы.
Применительно к современным условиям хозяйствования необходимы дополнительные научные исследования технико-экономических показателей эксплуатации машин в АПК. При этом следует использовать научное наследие в части критериев и механизмов формирования соответствующих показателей, на которых строятся рыночные отношения субъектов хозяйствования.
Библиографический список
1. Зимин Н.Е. Влияние воспроизводства технической базы сельского хозяйства на экономическую безопасность предприятий // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 2017. № 2. С. 35-41.
2. Зимин Н.Е. Рекомендации по установлению экономических взаимоотношений при техническом сервисе в условиях рынка. М.: Колос, 1995. 56 с.
3. Зимин Н. Е. Совершенствование экономических взаимоотношений в системе технического сервиса машин АПК: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. экон. наук. М., 1996. 49 с.
4. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Разработать нормативы амортизации технических средств для обеспечения их воспроизводства и калькуляции себестоимости продукции». М.: МИИСП, 1992. 182 с.
Статья поступила 15.06.2017
IMPROVEMENT OF ECONOMIC RELATIONS IN MACHINERY MAINTENANCE IN MODERN ECONOMIC CONDITIONS
NIKOLAI YE. ZIMIN, DSc (Econ), Professor
E-mail: zimnikolaj@yandex.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The paper provides the results of an analysis of opportunities asscociated with using the scientific ideas on economic relations in the sphere of technical service and the reproduction of machinery employed in thefarm industry, in the conext of modern economic conditions. The research is based on scientific developments of the past years, as well as the results of assessing the current state of the machinery-and-tractor fleet. As an information base, the author has made use of his own studies, as well as materials of the problem-oriented research laboratory on the economy of repair and maintenance of the machinery-and-tractor fleet. The method of accelerated depreciation, the proportional depreciation method, as well as the machinery depreciation periods, which determine the repayment period of the original advanced value, have been particularly considered. The paper provides depreciation rates for the main tractor brands of based on the regressive method. The developed standards are generally averaged, but they can be differentiated for separate regions depending on the climatic conditions and the current annual load. As a basis for the calculation of coefficients for differentiating the rates of depreciation deductions, annual operating time can be adopted, which reflects the machinery aging and the optimal load in certain years. Also, there is a need in correction for the service life, since the existing machinery-and-tractor fleet is largely equipped with foreign-made machines with a higher degree of reliability at the initial stage of their operation. To implement the depreciation policy and develop new depreciation rates, the following practical proposals are put forward: first, for the period of establishing market relations in the farm industry, when the used equipment market has not completely developed yet, the book value should be used as a calculated depreciation amount; second, as the market relations develop and the market of second-hand equipment for the main groups of tractors grows as well, it is necessary to stop depreciation accrualling for the full recovery after 4-5 years of service life, since the amount of revenue received from the liquidation of writte-off machines in most cases covers the under-estimated depreciation for the second half of a standard period. The efficient normative regulatory framework used for assessing the residual value of machines will allow ensuring the exchange process equivalence in the sale and purchase of a repair fund and second-hand operable machines, as well as in dealing with leased and rented machines and settling leasing relations.
Key words: scientific heritage, economic relations, technical service, depreciation, economic attrition patterns, leasing, residual value.
References
1. Zimin N.Ye. Vliyaniye vosproizvodstva tekh-nicheskoy bazy sel'skogo khozyaystva na ekonomich-eskuyu bezopasnost' predpriyatiy [Effect of the reproduction of the agricultural technical base on the economic security of enterprises]. Vestnik FGOU VPO "MGAU imeni VP. Goryachkina". 2017. No. 2. Pp. 35-41. (In Rus.)
2. Zimin N.Ye. Rekomendatsii po ustanovleniyu ekonomicheskikh vzaimootnosheniy pri tekhnich-eskom servise v usloviyakh rynka [Recommendations for establishing economic relations in the sphere of technical service in market conditions]. Moscow, Kolos, 1995, 56 p. (In Rus.)
3. Zimin N.Ye. Sovershenstvovaniye ekonomicheskikh vzaimootnosheniy v sisteme tekhnicheskogo servisa mashin APK [Improving economic mutual relations in technical service of farm machinery]: Self-review of PhD (Econ) thesis. Moscow, 1996, 49 p. (In Rus.)
4. Otchet o nauchno-issledovatel'skoy rabote po teme: "Razrabotat' normativy amortizatsii tekhnich-eskikh sredstv dlya obespecheniya ikh vosproizvodstva i kal'kulyatsii sebestoimosti produktsii" [Report on research work on the subject: "Developing standards for the depreciation of technical means to ensure their reproduction and production cost accounting"]. Moscow, MIISP, 1992, 182 p. (In Rus.)
Received on June 15, 2017
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 621.31
БЕЛОВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент
E-mail: sbelov-@mail.ru
ПЕТРОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ
E-mail: petrov_ps@inbox.ru
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 35-220 КВ
Надежность сети 35-220 кВ имеет огромное значение для потребителей. Зачастую эти электрические сети взаимно резервируемы, но не исключены случаи одновременного совпадения двух аварийных ситуаций на основной и резервной линиях, что подтверждает важность прогноза надежности. Результаты прогнозирования количества аварийных отключений в электрических сетях являются важной информацией для энергетиков, анализ которых приводит к принятию дополнительных мер по повышению надежности электрических сетей, а также получению информации о своевременной замене или модернизации оборудования. Проанализированы статистические данные по количеству отключений в Москве за 8 лет. Рассмотрены наиболее актуальные способы прогнозирования количества аварийных отключений в электрических сетях: интерполяция временных рядов, математическое ожидание, авторегрессия проинтегрированного скользящего среднего. Произведен сравнительный анализ данных. В результате установлено, что методы прогнозирования имеют следующие погрешности: интерполяция - 16,2%, математическое ожидание - 31,2% и авторегрессия проинтегрированного скользящего среднего - 20,6%. Выбран наиболее точный метод - интерполяция временных рядов. С помощью данного метода произведен прогноз количества аварийных отключений в Москве на 2017-2018 гг. Также с помощью одномерного анализа Фурье и автокорреляционного анализа данных по числу аварийных отключений за 2009-2016 гг. показано наличие сезонности, равной 12 месяцам. Анализ сезонности возникновения аварий выявил закономерность - увеличение количества аварий в 2...3 раза в летний период относительно зимнего. Это связано с более тяжелыми условиями эксплуатации сетей, вызванными жарой и повышенной нагрузкой на электрическую сеть (кондиционеры). Оценка на перспективу состояния надежности электрических сетей 35-220 кВ позволит по необходимости применить различные мероприятия, направленные на снижение количества отказов.
Ключевые слова: электрические сети, надежность, прогнозирование, сезонность, аварийное отключение, интерполяция, математическое ожидание.
Введение. В настоящее время наиболее востребованными методами прогнозирования являются методы, основанные на интерполяции временных рядов отказов ВЛ 35-220 кВ, математическом ожидании отказов и на авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС). Основой данных методов является анализ фактических данных прошлого состояния исследуемого объекта и распространения тенденции прошлого для прогноза экономических и технических параметров электрических сетей высокого напряжения на будущее.
Применение этих методов целесообразно для прогнозирования показателей надежности воздушных и кабельных линий. Сложность прогнозирования данных параметров заключается в непредсказуемости внешних параметров, таких как природные явления (резкое изменение температуры и влажности, переход с минусовой на плюсовую температуру и обратно, гололед, сильный ветер, паводок, гроза и др.) и человеческий фактор (непредсказуемость действий человека относительно электросетевого объекта) [1-2].
Цель исследования - прогнозирование количества аварийных отключений и анализ наличия сезонности в электрических сетях 35-220 кВ современными методами.
Материал и методы. На основе статистических данных по электрическим сетям 35-220 кВ с помощью программ Microsoft Excel 2016, Statistica 12 произведен прогноз количества аварийных отключений.
Результаты исследований. Для оценки точности прогноза и погрешности каждого из методов сравнили действительные значения с прогнозными
на основе данных количества отключений в Москве за 2009-2015 гг. и первое полугодие 2016 г. На графике (рис. 1) приведены фактические данные за прошедший период.
Результаты расчета прогнозного количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ в Москве для второго полугодия 2016 г. приведены в таблице 1. Сравнение фактических и прогнозных значений за второе полугодие 2016 г. дает возможность оценить точность используемых методов (табл. 1, 2).
Январь 2009 Январь 2011 Январь 2013 Январь 2015
Январь 2010 Январь 2012 Январь 2014 Январь 2016
Рис. 1. Количество аварийных отключений в сетях 35-220 кВ в Москве за 2009-2016 гг.
Таблица 1
Результаты прогнозирования количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ в Москве на июль - декабрь 2016 г.
Период Метод прогнозирования
истинные данные интерполяция математическое ожидание АРПСС
Июль 2016 24 14,9 16,4 15,0
Август 2016 15 12,5 14,9 13,7
Сентябрь 2016 12 10,3 13,3 12,2
Октябрь 2016 8 9,0 12,6 11,0
Ноябрь 2016 9 8,9 13,3 9,7
Декабрь 2016 8 9,2 11,1 10,5
Интерполяционный метод заключается в приблизительном расчете интервала недостающего значения, находящегося внутри динамического ряда. Это означает, что отсутствующая точка вычисляется как взвешенное среднее соседних то-
чек. Интерполяция основывается на предположении, что тенденция (закономерность), выявленная для изучаемого периода времени, сохранится на какое-то время в будущем [3-4]. Расчет производился в программе Microsoft Excel 2016.
Таблица 2
Погрешность методов прогнозирования количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ
в Москве на июль - декабрь 2016 г.
Период Погрешность,% от истинного значения
интерполяция математическое ожидание АРПСС
Июль 2016 37,9 31,5 37,5
Август 2016 16,5 1,0 8,4
Сентябрь 2016 14,4 10,7 1,7
Октябрь 2016 12,7 57,1 37,2
Ноябрь 2016 1,4 47,6 7,6
Декабрь 2016 14,4 39,3 31,4
Общая погрешность,% 16,2 31,2 20,6
Метод математического ожидания основан на вероятностных величинах и математическом ожидании. Это самый простой и наглядный способ прогнозирования по имеющимся статистическим данным, в котором производится расчет среднего арифметического значения каждого месяца за 2009-2015 гг.
Третий метод - метод АРПСС (авторегрессия проинтегрированного скользящего среднего), т. е. это интегрированная модель авторегрессии скользящего среднего. В его основу положена модель и методология анализа временных рядов. Подход ARIMA к временным рядам заключается в том, что в первую очередь оценивается стационарность ряда. Различными тестами выявляются наличие единичных корней и порядок интегрирования временного ряда (обычно ограничиваются первым или вторым порядком). Далее, при необ-
ходимости (если порядок интегрирования больше нуля), ряд преобразуется разностью соответствующего порядка и на основе преобразованной модели строится новая модель. Это одна из наиболее популярных моделей для построения краткосрочных прогнозов [5-6].
На основании расчетов, представленных в таблице 2, наименьшая погрешность наблюдается при интерполировании. Погрешность данного метода оценивается ориентировочно с учетом большого числа внешних неопределенных факторов, действующих на элементы электрических сетей. На основании метода интерполяции по имеющимся данным количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ в Москве за 2009-2016 гг. сделан прогноз количества отказов на 2017-2018 гг. в программе Microsoft Excel 2016. Полученный результат приведен на графике (рис. 2).
Рис. 2. Прогноз количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ г. Москвы на 2017-2018 гг.
Далее произведен анализ полученных результатов на наличие сезонной зависимости количества отказов в течение прогнозируемого года. Для этого использовалась программа 81аИ811еа 12. Результат обработки данных с помощью автокорреляционного анализа представлен на графике (рис. 3).
Как следует из графика автокорреляционной функции, коэффициент корреляции высокий для значения лага, равного единице, затем он убывает и снова возрастает. Очередной локальный максимум приходится на значение лага, равного 12. Это означает, что в данных присутствует сезонность, значение которой равно 12. То есть 12 месяцев, или один год.
Рис. 3. Автокорреляционный анализ количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ в Москве за 2009-2016 гг.
Чтобы убедиться, что сезонность влияет на число отказов, применен еще один метод. Результат обработки данных об отказах с помощью одномерно-
го анализа Фурье представлен на графике (рис. 4). Данный метод показывает влияние дополнительных сезонностей на число отказов.
Рис. 4. Одномерный анализ Фурье количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ в Москве за 2009-2016 гг.
В результате расчета был получен график спектральной плотности на год. Из графика (рис. 4) следует, что абсолютный максимум достигается в точке 12, что соответствует основной сезонности. Также видно, что в данных присутствует сезонность, равная 6 и 24 месяцам. Но значения спектральной плотности в этих точках значительно ниже, и можно заключить, что сезонность со значением 12 влияет на данные значительно больше, чем сезонность со значением 6 и 24. Этот метод дополнительно доказывает, что количество аварийных отключений имеет периодическую зависимость, равную 12 месяцам.
Выводы
В работе были представлены актуальные методы прогнозирования, произведен анализ данных методов и выбран наиболее точный, основанный на интерполяции временных рядов отказов ЛЭП 35-220 кВ. С помощью интерполирования произведен прогноз количества аварийных отключений на 2017-2018 гг. С помощью метода автокорреляции и одномерного анализа Фурье выявлена сезонность количества аварийных отключений в сетях 35-220 кВ, равная 12 месяцам. Это обусловлено климатическими особенностями местности, в которой расположены данные электрические сети. Анализируя данные, можно увидеть закономерность, которая заключается в увеличении количества аварий в 2. 3 раза в летний период относи-
тельно зимнего. Это связано с более тяжелыми условиями эксплуатации сетей, вызванными жарой и повышенной нагрузкой на электрическую сеть (кондиционеры).
Таким образом, спрогнозировано количество аварийных отключений в электрических сетях 35-220 кВ по г. Москве на 2017-2018 гг. и их сезонные отклонения.
Библиографический список
1. Лещинская Т.Б., Наумов И.В. Электроснабжение сельского хозяйства. М.: БИБКОМ, Транслог, 2015. 656 с.
2. Шайкина Е.В., Уколова А.В. Эконометрика. Курс лекций. М.: РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2009. 119 с.
3. Тарасова О.Б., Шайкина Е.В., Шибалкин А.Е., Кагирова М.В. Математическая статистика: Практикум. М.: РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2011. 143 с.
4. Елисеева И. И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики. М.: Финансы и статистика, 2002. 480 с.
5. Айвазян С. А. Прикладная статистика. Основы эконометрики. Т. 2. М.: Юнити-Дана, 2001. 432 с.
6. Магнус Я.Р., Катышев П.К., Пересецкий А. А. Эконометрика. Начальный курс. М.: Дело, 2007. 504 с.
Статья поступила 14.05.2017
FORECASTING EMERGENCY DISCONNECTIONS IN POWER NETWORKS OF 35-220 KV
SERGEY I. BELOV, PhD (Eng), Associate Professor
E-mail: sbelov-@mail.ru
PAVEL S. PETROV
E-mail: petrov_ps@inbox.ru
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
The reliability of the 35-220 kV network is of great importance for consumers. Often, these electrical networks are mutually redundant, but there can also be cases of simultaneous coincidence of two emergency situations on the main and backup lines, which confirms the importance of the reliability forecast. The results of predicting the number of emergency outages in electrical networks represent a kind of important information for power engineers, the analysis of which leads to taking additional measures to increase the reliability of power networks, as well as obtaining information on timely replacement or upgrading of the applied equipment. The authors have analyzed statistical data on the number of outages in Moscow for 8 years and considered the most effective ways of forecasting the number of emergency outages in electric networks, such as the interpolation of time series, mathematical expectation, autoregression of the integrated moving average. A comparative analysis of the data has been also carried out. As a result, it has been found that the forecasting methods have the following errors: interpolation - 16.2%, mathematical expectation - 31.2% and autoregression of the integrated moving average - 20.6%. The authors have found the interpolation of time series to be most accurate
method. With the help of this method, they have made a forecast of the number of emergency outages in Moscow for 2017-2018. Using one-dimensional Fourier analysis and autocorrelation analysis of data on the number of emergency outages for 2009-2016, they have also determined the presence of seasonality equalling to 12 months. of The seasonality analysis of the accident occurrence has revealed a regularity - an increase in the number of accidents in 2.3 times in summer as compared to winter. This is due to heavier operating conditions of the networks caused by heat and an increased load on the power network (air conditioners). The long-term assessment of the reliability of 35-220 kV electric power networks will make it possible, if necessary, to apply various measures aimed at reducing the number of failures.
Key words: electrical networks, reliability, forecasting, seasonality, emergency shutdown, interpolation, mathematical expectation.
References
1. Leshchinskaya T.B., Naumov I.V. Elektrosnabzheni-ye sel'skogo khozyaystva [Electricity supply of farm industry]. Moscow, BIBKOM, Translog, 2015, 656 p. (In Rus.)
2. Shaykina Ye.V, Ukolova A.V Ekonometrika. Kurs lektsiy [Econometrics. Lecture course]. Moscow, RGAU-MSKhA imeni K.A. Timiryazeva, 2009, 119 p. (In Rus.)
3. Tarasova O.B., Shaykina Ye.V, Shibalkin A. Ye., Kagirova M.V Matematicheskaya statistika: Praktikum [Mathematical statistics: Practical course]. Moscow, RGAU-MSKhA imeni K.A. Timiryazeva, 2011, 143 p. (In Rus.)
4. Yeliseyeva I.I., Yuzbashev M.M. Obshchaya te-oriya statistiki [General theory of statistics]. Moscow, Finansy i statistika, 2002, 480 p. (In Rus.)
5. Ayvazyan S.A. Prikladnaya statistika. Os-novy ekonometriki [Applied statistics. Fundamentals of econometrics]. Vol. 2. Moscow, Yuniti-Dana, 2001, 432 p. (In Rus.)
6. Magnus YA.R., Katyshev P.K., Peresets-kiy A. A. Ekonometrika. Nachal'nyy kurs [Econometrics. The basic course]. Moscow, Delo, 2007, 504 p. (In Rus.)
Received on May 14, 2017
Научный журнал
ВЕСТНИК
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
№ 4 (80) /2017
Редактор И.В. Мельникова
Литературная обработка текста - В.И. Марковская Компьютерный набор и верстка - А.С. Лаврова Перевод на английский язык - А.Ю. Алипичев
Подписной индекс в объединенном каталоге «Пресса России» - 42252.
Правила оформления научных статей для опубликования в журнале размещены в Интернете (http://timacad.ru/deyatel/izdat/vestnik_MGAU/trebovaniya.php). Для ссылок: Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина»
По вопросам публикаций статей обращаться по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 58, корпус № 27, к. 321. E-mail: vestnik@rgau-msha.ru Телефон: 8-499-976-07-27, 8-926-716-48-00
Подписано в печать 29.08.2017 г.
Формат 60x84/8
Усл. печ. л. 8,4
Тираж 500 экз.
Цена подписная
Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул., 44 Тел.: +7 (499) 977-00-12; 977-40-64, 977-14-92
Отпечатано в типографии ООО «Офсет Принт» 127550, г. Москва, Дмитровское ш., д. 39, корп. 1 Тел.: 8 (499) 976-24-85, 8-916-503-02-43
