Системный анализ технологических процессов возделывания и уборки картофеля.

Технологические процессы при возделывании картофеля, выполняемые машинами с различными рабочими органами, должны создавать условия для интенсивного роста и развития растений, а также возможность механизированной уборки картофеля. К показателям, характеризующим эффективность работы агрегата в заданном режиме относятся следующие: производительность, приведенные прямые эксплуатационные затраты и затрать труда на единицу выполненной работы, расход топлива на единицу выполняемой работы, удельная металлоемкость агрегата и др. В анализируемых методиках [1, 18, 96, 118, 165] по определению качественных и эксплуатационных показателей МТА предлагается ряд различных критериев.

Критерий минимума капитальных вложений является стоимостным показателем. Использование этого критерия в современных условиях приводит, с одной стороны, к выбору маломощных машин (более энергонасыщенные ма­шины, как правило, являются и более дорогими), а с другой, - к недостаточной загруженности энергетических средств, что влечет за собой повышение стоимости выполнения работ. Недостатком этого критерия является то, что он не учитывает эксплуатационные затраты.

Критерий минимума эксплуатационных затрат, позволяет выбирать экономичную, с точки зрения эксплуатации, технику, но не учитывает размер требуемых капитальных вложений. Учесть же этот фактор совместно с минимизацией эксплуатационных затрат можно с помощью критерия минимума приведенных затрат. Научные основы оптимизации параметров МТА по приведенным затратам заложены в трудах В.В.Кацыгина, Р.Ш.Хабатова, Н.М.Орлова, Ю.К.Киртбая. К.А.Пшеченков в качестве главных показателей технико-экономической эффективности при обосновании параметров агрегатов называет производительность и приведенные затраты.

При обосновании параметров МТА важное значение имеют определенные закономерности изменения показателей мобильных энергетических средств, изучению которых посвящены работы Ю.В.Пануса [179], В.И.Русанова [213], В.И.Ковда [116], А.М.Плаксина [195], С.Н.Капова [108] и др.

В.В.Кацыгин к наиболее важным критериям оценки конструкции трактора и выбора оптимальных знаний его параметров относит энергетический критерий, критерий по производительности, критерий по затратам труда и экономический. Изложенные методы определения параметров МТА базируются на исследованиях установившегося движения машин. В процессе работы МТА подвергаются воздействию непрерывно изменяющихся нагрузок, обусловленных многочисленными факторами (профилем поверхности поля, глубиной обработки, удельном сопротивлением noчвы и др.).

Значительно лучшие результаты дает применение дифференцирования затрат - комплексного критерия народнохозяйственных затрат, учитывающего дефицитность различных ограниченных ресурсов.

Этот показатель благодаря принципиальной возможности ком­плексного учета всех ограниченных ресурсов теоретически имеет преимущества перед любыми другими, однако его применение в настоящее время затруднено из-за отсутствия необходимых нормативов эффективности высвобождения различных ресурсов. Поэтому сейчас решение задач по минимуму дифференциальных затрат осуществляется по упрощенной форме, когда учитывается дефицитность только двух ограниченных ресурсов - капитальных вложений и рабочей силы.

Критерий минимума затрат труда позволяет получить планы выполнения работ с минимальными затратами живого труда. Использование данного критерия, позволяет учесть экономию живого труда, оценить уровень механизации технологического процесса. Выбор анализируемого критерия обосновывается необходимостью повышения производительности труда. Чтобы разработать машины, обеспечивающие выполнение технологических операций по возделыванию картофеля, необходимо выявить основные факторы, влияющие на процесс обработки почвы.

В работах Дорохова А.П.[85], подробно изложена технология возделывания картофеля, которая условно разбита на четыре этапа: обработка почвы, посадка, уход за посадками картофеля и уборка картофеля. Причем процесс обработки почвы не рассматривался в аспекте разделения на обработку основную – осенью и предпосадочную обработку – весной. Однако результаты ряда исследований показывают, что требуется определение значимости по сути этих двух самостоятельных этапов и не обходимо в технологии возделывания картофеля рассматривать пять этапов (рис.2.1). – основную обработку почвы, предпосадочную обработку почвы, посадка, уход за посадками картофеля и уборка.

 

 

Рисунок 2.1 Схема технологии возделывания и уборки картофеля по этапам.

где R₁, R₂, R₃, R₄ и R₅ передаточные коэффициенты, характеризуют этапы - основную (R₁), предпосадочную (R₂) обработку почвы, посадку картофеля (R₃), уход за посадками (R₄) и уборку картофеля. (R₅).

 

Системный анализ и математическое моделирование технологических процессов обеспечивают возможность оценки последовательности и значимости проводимых операций в формировании конечной продукции.

Технологические операции при возделывании картофеля выполняются при наступлении определенной стадии раз­вития растений и в зависимости от природно-климатических условий (рис.2.2). и оцениваются множеством показателей, которые оказывают определенное влияние на формирование и сохранение урожая.

			Ранне-весеннее рыхление (фрезирование, культивация, перепашка)

 

		Удаление ботвы
		Междурядные обработки (1-е, 2-е др.)
			Уборка картофеля
	Уход за посадками
		Окучивание (1-е, 2-е и др.) е		Уборка
				Транспортировка
		Обработка от сорняков, вредителей, болезней

 

 

Сортировка

 

 

Рисунок 2.2. Традиционная технологическая схема возделывания и уборки картофеля

Для оценки качества выполнения технологических операций должна быть изучена структура этих операций применительно к техническим средствам. Сущностью технологических операций является перевод обрабатываемых материалов из исходного состояния в требуемое. Взаимодействия между почвой и растениями отражаются внутренними связями на этапах и фазах в период роста и развития растений. Выходными параметрами системы являются состояние почвы (плотность; влажность, фракционный состав), ботва (состояние ботвы, размерность, масса, полеглость) и показатель урожайности картофеля.

Технологию возделывания и уборки картофеля представим в виде структурной схемы (рис. 2.3). Взаимодействия между почвой и растениями отражаются связями на этапах в технологической цепочке возделывания и уборки картофеля. Стрелками выделен последовательный процесс формирования урожая и его качественных показателей (развития растений) от посадки до урожая. Изменение качественных показателей почвы и картофеля обозначаются коэффициентом К, а изменения состояния почвы и развития картофеля - . Эти коэффициенты изменяются от 0 до 1 и характеризуются показателями по этапам.

I- этап: r - плотность почвы, г/м³; σ_а – равномерность глубины обработки, см; К - степень крошения почвы,%;

II - этап: r - плотность почвы, г/м³; σ_а – равномерность глубины обработки, см; К - степень крошения почвы,%; S – степень уничтожения сорняков,%; W- влажность почвы,%;

V- этап: У- урожайность картофеля,ц/га; П - повреждаемость клубней,%; С- степень снижения потерь при уборке,%; Ч- чистота клубневого вороха,%.

III - этап: s_с, - равномерность глубины заделки семян (удобрений), см; Нк - норма посадки клубней картофеля, кг/га; Ну - норма внесения удобрений, кг/га; В – всхожесть растений,%;

IV - этап: r - плотность почвы, г/м³; S – степень уничтожения сорняков Г - густота посадок,%; З - засоренность посадок,%; Р – полнота рыхления междурядий, %;

 

К_w δ_w К_ак δ_ак К_д δ_д К_я δ_я К_п δ_п К_пп

К_з

К_1п К_2п К_3п К_4п К_у

δ_1п δ_2п δ_1р δ_2рп

 

К_к

К_т δ_т δ_1пу δ_2пу δ_к1 К_к1 К_с δ_с К_б δ_б К_к2 δ_к2 К_м δ_м

 

 

 

К_с

К_у

Рисунок 2.3 – Схема взаимодействия технологических процессов по возделыванию и уборке картофеля

П- почва; У - удобрения органо-минеральные удобрения; Гд- Гб- посадка в гряды, посадка в гребни; Ок – окучивание; Я- гербициды и ядохимикаты; С- семена; А- атмосферные осадки; Б-ботва; УК - механизированная уборка; УП – уборка с подбором; U-урожайность картофеля.

Для каждого этапа характерен набор технологических операций. Для описания последовательного процесса формирования урожая от посадки до полученного урожая воспользуемся общепринятой методикой построения сигнальных граф. Структурную схему возделывания и уборки картофеля представим следующим образом (рис. 2.4).

Рис. 2.4- Структурная схема технологии возделывания и уборки картофеля.

Результирующая составляющая передаточного коэффициента имеет вид

 

R_ук = R_ПУ* RУ* RО (2.1)

где R_ПУ=R₁*R₂*R₃*R₄*R₅ -передаточный коэффициент, характеризующий биологические фазы развития растений и технологические операции, направленные на создание условий накопления урожая;

С учетом последовательного преобразования функциональной связи между всеми входными и выходными процессами получим окончательную структурную схему и соответствующий сигнальный граф (рис. 2.5).

Рис. 2.5 - Окончательная структурная схема технологического процесса возделывания и уборки картофеля.

Составляющие передаточного коэффициента R_ПУ, RУ и RО по этапам технологии возделывания и уборки картофеля (рис. 2.3) будут иметь вид:

I этап – основная обработка почвы

(2.2)

II этап – предпосадочная обработка почвы

(2.3)

III этап – посадка

(2.4)

IV этап – уход за растениями

(2.5)

V этап – уборка картофеля

Полученные составляющие (2.2 … 2.5) показывают, что при выполнении каждого последующего этапа в технологии возделывания и уборки картофеля необходим учет состояния предыдущего этапа.

Задача оптимизации состоит в определении допустимого управления технологическими операции Х_К, переводящие систему (почву или растения) S из исходного Sн в требуемое состояние Sк, при котором целевая функция принимает экстремальное (минимальное или максимальное) значение и зависит от предшествующего состояния Sк-1 и управляющего воздействия Хк.

к=1,2, …n (2.7)

Целевая функция зависит от показателей эффективности каждого этапа. Обозначим показатель эффективности к-го этапа через

(2.8)

тогда (2.9)

Из анализа уравнения (2.9) можно сделать несколько выводов:

1. Задача оптимизации интерпретируется как n- этапный процесс.

2. Целевая функция равна сумме целевых функций каждого этапа.

3. Состояния Sк после каждого этапа зависит от предшествующего состояния Sк-1 и управления Х_К.

4. На каждом этапе управления Х_К зависит от конечного числа управляющих переменных, которые определяются результатами выполнения технологических операций в данном этапе, а состояние Sк от конечного числа управляющих переменных (показателей).

Показателем эффективности к-го этапа при условии, что к началу последнего этапа система S была в состоянии Sк-1, а на последнем этапе управление было оптимальным (например, минимальным) будет условный экстремум (минимум) целевой функции на к-ом этапе:

(2.10)

Минимизация ведется по всем допустимым управлениям Х_К.

Для оценки составляющих целевой функции проведены расчеты по определению трудоемкости каждой операции и значимости (доли) каждой операции на этапах выполнения технологического процесса при возделывании и уборке картофеля (табл.2.1 и рис. 2.6).

 

Рисунок 2. 6 Затраты труда на возделывание и уборку картофеля. 1 этап - основная обработка почвы; 2 этап – предпосадочная обработка почвы; 3 этап – посадка и внесение гербицида; 4 этап - уход за посадками; 5 этап - уборка картофеля

Наименование операции	Обслуживающий персонал на агрегате	Затраты труда, чел.час
тракто- рист	подсоб- ный	на ед. работы	доля элемента в этапе
I – этап
Дискование жнивья			0,06	3,87
Погрузка органических удобрений			0,03	1,93
Внесение органических удобрений			0,1	6,45
Вспашка зяби			0,5	32,25
Боронование			0,2	12,9
Внесение минеральных удобрений			0,66	42,58
II – этап
Боронование			0,2	16,26
Безотвальная обработка почвы			0,4	32,52
Нарезка гребней			0,63	51,21
III – этап
Выгрузка картофеля из хранилища			0,03	1,16
Сортировка семенного материала			0,4	15,50
Загрузка транспортных средств			0,14	5,42
Транспортировка, загрузка в сажалку			0,01	0,38
Посадка				77,51
IV – этап
1 – ое окучивание до всходов			0,66	19,46
2 – ое окучивание до всходов			0,66	19,46
Обработка гербицидами			0,09	2,65
Междурядная обработка			0,63	18,58
1 – ое окучивание			0,63	18,58
Протравливание пестицидами			0,09	2,65
2 – ое окучивание			0,63	18,58
V – этап
Скашивание ботвы				6,98
Уборка			13,3	92,94
Транспортировка урожая			0,01	0,069
Закладка на хранение
Послеуборочная обработка			0,4	93,02
Загрузка урожая в хранилище			0,03	6,98

Таблица 2.1 Доля элементов технологии в этапах возделывания и уборки картофеля

 

В структурно-технологической схеме возделывания и уборки картофеля наибольшие затраты труда [ 82,93,96] приходятся на последние три этапа, посадка, уход за посадками и уборочные работы. Причем рядом исследований [85,95,100] установлена зависимость – затраты труда тем выше, чем хуже качество выполнения первых двух этапов (рис.2.2). Значительная доля ручного труда используется во время уборочных работ. В тоже время [85,101,203] в хозяйствах где уделяется должное внимание вопросам качественной подготовки почвы уборочные работы производятся механизированными способами и следовательно значительно сокращаются энерго и трудозатраты.