CC BY
41
УДК 658. 01. 001.42 А.П. Ловчиков, В.П. Ловчиков, С.А. Казанцев
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА САМООРГАНИЗАЦИИ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ
Рассматриваются вопросы технологического взаимодействия технических средств уборки зерновых культур и обоснования процессов самоорганизации в машиноиспользовании технологических линий уборки зерновых.
Ключевые слова: уборка зерновых, комбайны, самоорганизация, технологическая система, устойчивость процесса.
A.P. Lovchikov, V.P. Lovchikov, S.A. Kazancev INFLUENCE OF SELF-ORGANIZING TO FUNCTIONING OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS OF GRAIN HARVESTING
Questions of technological interaction of means of harvesting grain crops and basik ideas of processes of self- organizing in avtomatic use technological machine of harvesting grain are consibered.
Key words: harvesting grain, combines, self- organizing, technological system, stability of process.
Уборка зерновых культур - явление многоплановое, характеризующееся как пространственными, так и временными структурами. В первую очередь - это структура процессов. Данную структуру можно рассматривать как совокупность процессов скашивания, обмолота, уборки незерновой части урожая (НЧУ), транспортировки зерна и НЧУ, в которых используются различные технические, трудовые и другие ресурсы в виде уборочно-транспортных комплексов (УТК).
По функциональной и морфологической структуре основу УТК составляют зерноуборочные комбайны, транспортные средства и другие машины, а также способы их использования. Организация использования комбайнов в УТК предусматривает их групповое, звеньевое, а в отдельных случаях - индивидуальное применение [1-4]. В результате этого образуются структура и связи между отрядами, звеньями, отдельными техническими средствами, которые различаются по результатам взаимодействия: одни стимулируют увеличение производительности труда, другие - депрессируют.
В процессе взаимодействия зерноуборочного комбайна с хлебной массой последняя получает какое-то количество движения от комбайна, в результате чего происходит процесс обмолота и разделения хлебной массы на фракции: зерно (товарное, семенное или фуражное) пшеницы или других культур, солома (цельная или измельченная) и полова. При действии комбайна и хлебной массы друг на друга перемещаются или комбайн, или комбайн и масса. В начальной фазе взаимодействия комбайн приближается к хлебной массе, так как она находится в состоянии равновесия в виде валка на стерне. В состоянии равновесия хлебная масса находится какую-то часть времени, зависящую от многочисленных факторов внешней среды. Эти факторы имеют свою предельную количественную величину, после которой изменяются состояние хлебной массы и качество зерна. Необходимо производить взаимное сближение комбайна и хлебной массы, которое из-за получения зерна пшеницы или других культур в процессе обмолота переходит в противоположную фазу - отталкивание (удаление) двух тел друг от друга, приводящее комбайн и хлебную массу в состояние равновесия.
От состояния равновесия зерна в бункере комбайна образуется определенное количество движения обслуживающего транспортного средства. В свою очередь состояние покоя зерна в транспортном средстве нарушается определенным количеством движения зерна в комбайне, поэтому порция зерна, равная грузоподъемности транспортного средства, стремится перейти в более устойчивое равновесное состояние на механизированный ток, где происходит накопление зерна для перехода в новую форму движения. Хлебная масса в валках на стерне выступает как противодействие на зерноуборочный комбайн, заставляя его воздействовать с определенной силой на хлебную массу. Состояние покоя хлебной массы в виде валка на стерне и порции зерна в бункере комбайна являются причиной образования движения технических средств технологической линии. Следовательно, процесс обмолота зерновых культур комбайнами можно рассматривать как совокупное движение порций зерна и других продуктов обмолота хлебной массы, состоящее из частных форм движения.
При этом форма движения Фп - покой первоначального состояния хлебной массы в виде валков на стерне - переходит в форму движения Фі, определяемую двумя частными формами движения Фп1 и Фд1. Одна из них Фп1 (покой зерна в бункере комбайна) порождает форму движения транспортного средства Фп2 -движение, другая Фд1 (движение зерна в комбайне) выводит из состояния покоя Фп2 - транспорт. Формы движения Фп2, Фд2 образуют общую форму движения Ф2, переходящую в новую форму движения Фп - покой,
которая характеризуется более устойчивым равновесным состоянием зерна на площадке механизированного тока, где его состояние потенциально.
При взаимодействии транспортных средств с порциями зерна из бункера комбайна наблюдается не только пространственное перемещение зерна с поля на площадку механизированного тока. Транспортный процесс в первую очередь изменяет качественное состояние подсистемы «комбайн - поток зерна» в целом. Это свидетельствует о наличии двух уровней качества процесса обмолота зерновых культур комбайном. Изменение форм движения хлебной массы сопровождается переносом движения от комбайна на хлебную массу, а изменение движения зерна в комбайне переносит движение на транспортное средство. Превращение формы движения комбайнов в форму движения транспортных средств, количественно пропорциональное первому, приводит к тому, что движение машин технологических процессов совершает работу, которая характеризует производительность труда и зависит от их технической оснащенности. Из изложенного следует, что комплекс машин для уборки зерновых культур преобразует массив сельскохозяйственных культур в компонент зерновой массы различного технологического назначения и незерновую часть урожая для последующего использования в сельскохозяйственном и перерабатывающем производстве.
Системное единство УТК, как и различие, обеспечивается процессом «технологического узнавания», т.е. объединением комбайнов в звено, звеньев - в отряды и закреплением транспортных средств за определенными звеньями и отрядами. Практика использования сельскохозяйственной техники показывает, что без наличия «технологического узнавания» между отдельными звеньями, отрядами (группами) и техническими средствами, которое осуществляется через трудовые ресурсы, процесс системообразования был бы невозможен. Наличие технических средств уборки зерновых и трудовых ресурсов в своем совокупном действии образует самоорганизующуюся систему [5], которая может самооценивать и «запоминать» удачные технологические решения, т.е. производственный опыт прошлых лет, и использовать их в сходных ситуациях. По мнению Г. Хакена [6], “...самоорганизация наблюдается в тех системах, в которых если внешние упорядочивающие действия отсутствуют, а рабочие трудятся коллективно благодаря взаимопониманию, устанавливающемуся между ними самими, причем в производстве продукта каждый рабочий выполняет свою функцию.”. Другими словами, система обладает «памятью», которая сохраняется и передается трудовыми ресурсами. Академик РАСХН В.А. Панфилов [7] отмечает, что процессы самоорганизации возможны и в неорганических системах (тем более в антропогенных системах с участием человека), если в них наблюдаются упорядочение связей, возникновение новых структур, их усложнение и детерминация.
Так, производственная практика и проверка транспортного обслуживания комбайнов Дон-1500 (звено из шести машин) с использованием одного перегрузочного накопителя ДТ-75+Дон-20НПП и транспорта К-701+1ПТС-10 + две тележки 3ПТС-13 + кАМАЗ-5320+два прицепа ГКБ-8350 при подборе спаренных валков (У=0,8-1,2 т/га, В=19,6 м и радиус перевозок 9,5-10,0 км) показала повышение производительности комбайнов в 1,19-1,78 раза по сравнению с прямыми перевозками зерна от комбайнов даже в условиях неустойчивости технологической линии [8]. Практика показывает, что уборочно-транспортная линия неустойчиво функционирует в течение смены. Признаком неустойчивости данной технологической структуры является прекращение работы мобильного накопителя ДТ-75+Дон-20НПП после 19-20 часов вечера в транспортной линии, которое объясняется снижением часовой производительности звена комбайнов Дон-1500. В вечернее время, в конце смены уборочное звено комбайнов Дон-1500 самоорганизуется на транспортное обслуживание по схеме прямых перевозок зерна с поля на ток. Данное явление (событие) наблюдается и в утреннее время (до 10-11 ч) работы комбайнов класса 8,5 кг/с уборочного звена.
Организация и проверка в производственных условиях структуры уборочно-транспортной линии с наличием иерархического технологического контроля между техническими средствами показывают, что транспортные средства обслуживающие комбайны Дон-1500 работают как два разнокачественных элемента (рис. и табл. 1).
Транспортное средство средней грузоподъемности в ф 01 Транспортное средство большой грузоподъемности 0 >> 01
Комбайн д = 8,5 кг/с
4 4
------------------------------►
Схема организации уборочно-транспортной линии с наличием иерархического контроля
между транспортными средствами
Таблица 1
Затраты времени в операциях технологического цикла работы транспортных средств
Показатель ^, мин <т V %
Транспорт:
ГАЗ-53 (ГАЗ-3310): 66,6 4,75 7, 1
технологический цикл* 4,40 0,50 11,5
производительность, т/ч
К-701+2ПТС-12+3ПТС-13:
технологический цикл* 178,0 74 ,7 41,9
производительность, т/ч 6,60 2,79 42,2
* расстояние перевозки зерна R= 6 км.
Тракторный транспорт - это медленноразвивающееся звено. Наличие транспорта малой грузоподъемности (5-6 т), кратной емкости бункера комбайна класса 8,5 кг/с, в технологической линии обеспечивает более гибкое управление процессом уборки зерновых культур, поскольку именно им осуществляется компенсация случайных возмущений, образующихся при работе технических средств уборочно-транспортной линии. Загрузка зерном транспорта малой грузоподъемности осуществляется на поле после выгрузки в тракторный прицеп (сцеп) одного или двух бункеров в зависимости от производительности комбайнов и расстояния транспортировки зерна на ток. Устойчивость работы машин, как в этом случае, так и уборочнотранспортного звена, обеспечивается посредством управления цикличностью загрузки транспорта малой грузоподъемности зерном от комбайнов и осуществляется саморегулировкой в зависимости от производственных условий. Использование данного принципа организации транспортного обслуживания уборочного звена с наличием признаков процессов самоорганизации между транспортными средствами технологических структур позволило повысить производительность комбайнов класса 8,5 кг/с в среднем на 20,9 % (табл. 2).
Таблица 2
Производительность технических средств уборочно-транспортного звена, т/ч
Показатель Количество, шт. Величина Г рузоподъемность транспорта 0, т
Жч С7 V %
Состав звена:* комбайны** Дон-1500 3 6,10 1,48 24,2
транспорт ЗИЛ-ММЗ-554 6 4,50 0,97 21,5 5
Состав звена: * комбайны** Дон-1500 3 7,38 1,04 14,1
транспорт КамАЗ 1 5,40 1,20 22,2 12
ЗИЛ-ММЗ-554 4 4,20 1,37 32,6 5
* подбор валков хлебной массы, В=12 м;
** урожайность У= 2,3 т/га; расстояние перевозки зерна R =6 км.
Случайный характер природно-климатических факторов уборки зерновых культур, а также определенный уровень производительности технологических линий приводят к образованию процессов самоорганизации в машиноиспользовании, что выражается в изменении технологических схем взаимодействия комбайнов и транспортных средств, следовательно, и технологических структур поточной линии в суточном режиме их использования. Многолетние исследования неустойчивости функционирования уборочнотранспортной линии свидетельствуют, что заявки (бункер зерна) от комбайнов звена или отряда на обслуживание транспортными средствами поступают как последовательно, так и параллельно (одновременно от двух или трех и более машин) и зависят от многих факторов [3,8].
В общем виде свойства технологических систем уборки зерновых S могут быть охарактеризованы внутренней структурой - S, R; поведением - Xs, Zs, Vs, ф, ^; режимом функционирования - RvS, SRv, Xs, Vs, ^; и может быть описана как
@, R, RvS, SRv, X* 2*, Vs, ф, 9, (1)
где S - пространство входных величин системы S;
R - множество отношений связи экономико-технологической системы S;
RvS- множество составных частей системы экономического пространства, от которых исходят потоки к системе S;
SRv - множество составных частей системы экономического пространства, к которым направлены выходные потоки системы S;
X* - поведение системы S;
2* - пространство параметров состояния системы S;
V* - пространство выходных величин системы S; ф - функция времени перехода от одного состояния системы к другому;
{ - функция времени внешнего поведения системы S.
Она характеризуется взаимодействием между структурой, поведением и режимом функционирования в системе экономического пространства. В результате происходит взаимопроникновение различных преобразующих технических систем ^тс) на базе комбайнов разного класса и образование структурных изменений, посредством которых образуются кооперативные эффекты, особенностью которых является “...упорядоченность, целенаправленность поведения сложной системы при относительной хаотичности поведения отдельных элементов или подсистем.“ [9].
При этом технологическая система уборки зерновых является неравновесной структурой, поскольку за счет притока материальных ресурсов (комбайнов, транспорта и других технических средств уборки урожая), трудовых и энергетических ресурсов может сохраняться в пространстве и во времени довольно долго. Из этого следует, что для развивающейся системы уборки зерновых характерны, с одной стороны, устойчивость, с другой стороны - потеря устойчивости, разрушение одной и создание другой устойчивой структуры (например, прямое комбайнирование зерновых заменяется раздельным способом уборки, одна схема технологического взаимодействия технических средств заменяется другой, как правило, за малый промежуток времени). В этом случае процесс последовательных переходов в иерархической системе неравновесных структур к непрерывно возрастающей сложности есть по сути дела процесс развития технологической системы уборки. Его можно рассматривать как последовательность циклов изменения состояния внутри цикла, со скачкообразным переходом в конце цикла на новый качественный уровень (переход от прямого комбай-нирования к раздельному способу уборки зерновых и наоборот происходит за малый промежуток времени относительно продолжительности уборочных работ). Для процесса развития системы характерна необратимость, т.е. невозможность перехода от новообразованной структуры к старой, разрушенной структуре в результате действия каких-либо организационных причин. В сельскохозяйственных предприятиях во время уборки урожая зерновых используется собственный комбайновый парк; в какой-то случайный момент времени в хозяйство привлекается со стороны некоторое количество комбайнов, в этом случае структура парка разрушается и образуется новая, отличная от старой. Получается, что для перехода в качественно новое состояние технологическая система уборки зерновых должна в какой-то момент времени оказаться неустойчивой.
В реальности технологические системы уборки зерновых демонстрируют как временные, так и пространственные процессы самоорганизации или кооперации, что приводит к структурным изменениям форм системы и предотвращению процессов разрушения.
Рассмотрим на основе принципа “развивающихся подчинений” процессы самоорганизации или кооперации в технологической системе уборки зерновых культур [9]. Преимущество использования принципа “подчинения”, по мнению Г. Хакена [6], состоит в колоссальном уменьшении числа степеней свободы, поскольку оставляются лишь неустойчивые моды. Их кооперация или конкуренция определяет вид возникающих структур в системах.
Если в системе или технологической линии уборки образуются производительности Wi(t) и Wj(t) и их моды обладают временной иерархией, то их постоянные времени значительно отличаются друг от друга, что подтверждается различными моделями прироста производительности за день работы зерноуборочных комбайнов:
комбайн Дон-1500:
ажд = ),збзд°’326 -1оо%;
комбайн Енисей-1200: (2)
АГд = ),315Д0/*6 -100%;
комбайн СК-5 «Нива»:
ДГд = ),251п Д°’904 -100%, где Др - сезонная продолжительность работы комбайнов, Др е (0-10) дней.
Если Wi(t) - медленно затухающая, а ^(Ц - быстрозатухающая мода производительности, то структура самоорганизации или кооперации будет возникать за счет взаимодействия мод Wi(t) и ^(Ц, в котором сильные моды при взаимодействии могут подавлять слабые, т.е. создается своеобразная конкуренция мод в развивающейся технологической системе уборки зерновых. В этом случае процесс самоорганизации или кооперации есть не что иное, как конкуренция мод производительности Wi(t) и ^(Ц в развивающейся технологической системе уборки зерновых культур.
Выводы
1. Наличие технических средств уборки зерновых и трудовых ресурсов в своем совокупном действии образует самоорганизующуюся систему, которая может самооценивать и «запоминать» удачные технологические решения во время уборки урожая в виде производственного опыта.
2. Результаты практики и экспериментальных исследований зерноуборочных процессов на базе комбайнов класса 8,5 кг/с свидетельствуют, что при определенном уровне производительности машин технологических систем уборки зерновых культур образуются процессы самоорганизации. Закономерности данных процессов определяют устойчивость и эффективность выполнения зерноуборочных процессов.
3. Определение закономерностей протекания процессов самоорганизации в машиноиспользовании является существенным резервом роста производительности машин и технологических линий, что требует более глубокого изучения и познания данного вопроса на современном уровне развития науки.
Литература
1. Ловчиков, А.П. Формирование уборочно-транспортных комплексов / А.П. Ловчиков // Механизация и электрификация с.х. - М., 2003. - № 3. - С.55-57.
2. Оргтехпроект поточно-циклового метода использования машинно-тракторного парка. - М.-Косино, 1984. - 114 с.
3. Ловчиков, А.П. Организация уборочно-транспортных комплексов с иерархическим технологическим контролем / А.П. Ловчиков // Вестн. КрасГАУ. - 2004. - №4. - С.141-147.
4. Рекомендации по внедрению поточно-циклового метода организации производственных процессов в полеводстве / В.Д. Саклаков [и др.]. - Челябинск, 1983. - 47с.
5. Энгельгарт, В.А. Интегратизм - путь от простого к сложному в познании явлений жизни / В.А. Энгель-гарт // Вопросы философии. - 1970. - №11. - С. 108.
6. Хакен, Г. Сенергетика / Г. Хакен. - М.: Мир, 1980. - 404 с.
7. Панфилов, В.А. Диалектика пищевых технологий / В.А. Панфилов // Хранение и переработка с.-х. сырья. - 2004. - №6. - С.17-22.
8. Разработать и внедрить в производство технологический процесс комбайновой уборки зерновых культур на базе комбайна класса 8-9 кг/с: отчет о НИР / А.П. Ловчиков [и др.]; НПО «ЦСХМ». № ГР01880090075 (Кн. 1, 2). - Кустанай, 1990. - 186с.
9. Кучин, Б.Л. Управление развитием экономических систем / Б.Л. Кучин, Е.В. Якушева. - М.: Экономика, 1990. - 157 с.
'--------♦-----------
