CC BY
16
Literatura
1. Baranceva E.A. Modelirovanie i optimizaciya processov smeshivaniya sypuchih materialov: avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk: 05.17.08. - Ivanovo, 2010. - 262 s.
2. Borischnikova S.V. The application of two-stages technology for feeding particulate solids / S.V. Borischnikova, V. F. Perschin, A. G. Tkachev // Summaries of 12 th International Congress of Chemical and Process Engineering, 1996. - V.6. - P.73.
3. Mitrofanov A.V. Matematicheskaya model' kipyashchego sloya nepreryvnogo dejstviya // Izvestiya vuzov. Himiya i himicheskaya tekhnologiya. - 2012. - №10. T-53. - S. 96-98.
4. Volkov M.V. Tarshis A.I. Issledovanie smesitelya sypuchih materialov otkrytogo tipa s lopastyami // Izvestiya vuzov. Himiya i himicheskaya tekhnologiya. - 2013. - №11. T-56. - S. 117-119.
5. Vershinin I.N., Vershinin N.P. Apparaty s vrashchayushchimsya elektromagnitnym polem. -Sal'sk-Moskva: Peredovye tekhnologii XXI veka, 2007. - 368 s.
6. Mishchenko M.V., Bokov M.M., Grishaev M.E. Aktivaciya tekhnologicheskih processov obrabotki materialov v apparatah s vrashchayushchimsya elektromagnitnym polem // Fundamental'nye issledovaniya. - 2015. - № 2-16. - S. 3508-3512. - URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37809 (data obrashcheniya: 12.04.2020).
7. Bezzubceva M.M. Theoretical researches of working process electromagnetically mechanoactivations of the product in the magnetoliquefied layer ferrotel // European Journal of Natural History. - 2017. - № 2. - S. 10-12.
8. Oborin P.A., Hripchenko S.YU. Generaciya techeniya zhidkogo metalla i perenos passivnoj primesi v pryamougol'noj polosti begushchim magnitnym polem // Vychislitel'naya mekhanika sploshnyh sred. - 2013. - №2. T. 6. - S. 207-213. DOI: 10.7242/1999-6691/2013.6.2.24
9. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. K voprosu issledovaniya rezhimov raboty elektromagnitnyh smesitelej // Mezhdunarodnyj zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya. - 2015. - № 9. - S. 117-119.
10.Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Mekhanoaktivatory agropromyshlennogo kompleksa. Analiz, innovacii, izobreteniya: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2014. - 176 s.
УДК 631.171:636 DOI 10.24411/2078-1318-2020-12134
Доктор техн. наук, проф. М.А. КЕРИМОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КОРМОРАЗДАТЧИКОВ КАК МНОГОСВЯЗНЫХ
ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Эффективность молочного скотоводства, как известно, на 60% определяется кормлением [1, 11]. Технологический процесс кормления животных должен протекать в заданном режиме, т. е. в строгом соответствии с зоотехническими требованиями.
Широкое распространение в молочном скотоводстве получили многофункциональные кормораздатчики, осуществляющие раздачу кормов в виде сбалансированной по питательности кормосмеси. Объединяя такие функции, как измельчение стебельных кормов, смешивание различных компонентов и дозированную выдачу приготовленной смеси на кормовые столы, кормораздатчики обеспечивают значительное сокращение эксплуатационных затрат, своевременность и правильность кормления животных, а также снижают до минимума потери ресурсов [2].
Однако в реальных производственных условиях вероятность пребывания показателей функционирования кормораздатчика в поле технологического допуска не превышает 0,900,95. Причинами неэффективной работы кормораздатчиков как динамических систем являются неопределенность параметров внешней среды, влияющих на работу технологической машины, а также случайный (в вероятностно-статистическом смысле) характер изменений физико-механических свойств компонентов смеси, отклонение
эксплуатационных регулировок рабочих органов от оптимальных установочных значений и
др. [3, 10].
В связи с этим разработка инженерных решений, обеспечивающих качественную работу кормораздатчика, имеет важное значение для хозяйственной практики животноводческих предприятий.
Цель исследования - повышение надежности функционирования кормораздатчика путем оптимизации траектории перемещения по технологической трассе при автоматическом режиме эксплуатации. Требуется определить такую траекторию движения технологической машины по территории животноводческого комплекса из начальной точки А (кормохранилище) в точку разгрузки Р (коровник), которая:
- проходила бы последовательно через точки слоев, лежащих на пути из А в Р;
- обеспечивала ей объезд встречающихся на этом пути запретных зон (препятствий);
- минимизировала функционал.
Материалы, методы и объекты исследований. Кормораздатчик рассматривается как транспортно-раздаточная машина рабочей зоны животноводческого комплекса, которая функционирует в составе биотехнической системы «оператор-машина-животное». Указанная система состоит из двух биологических подсистем и одной подсистемы неживой природы. Первые две являются вероятностными подсистемами, а машинную часть следует рассматривать как детерминированную подсистему. В целом биотехническая система остается вероятностной, характеризуемой неодинаковой природой подсистем и связей, имеющихся внутри нее. Животные в процессе продуцирования подчинены законам биологии и физиологии, которыми человек до сих пор не научился управлять оперативно. Машинно-технологические подсистемы функционируют в соответствии с законами механики, физики и др. Отсюда понятно, насколько сложна задача нахождения оптимальных связей между биологическими и техническими частями системы. Наиболее эффективный путь достижения поставленной цели лежит в русле многовариантного системного анализа [4].
Системность качества кормораздатчика раскрывается в единстве двух аспектов рассмотрения его внешних и внутренних свойств. Функциональный аспект, выражающий внешнюю обусловленность качества, проявляется через систему отношений и связей между кормораздатчиком и факторами внешней среды. Одинаковость функций сравниваемых технических объектов (кормораздатчиков) указывает на то, что они имеют одинаковое назначение. Сопоставление технико-эксплуатационных параметров позволяет определить, какой из объектов наилучшим образом реализует свои функции.
Структурный аспект характеризует внутреннюю обусловленность качества. Технические параметры регламентируют функцию структурного элемента, т.е. его конкретные свойства, которые обеспечивают выполнение определенных требований к реализации предписанных функций.
Управлять биотехническими системами в целом непросто, потому что в каждом животноводческом помещении содержатся от 100 и более голов крупного рогатого скота, которые обслуживаются десятками разнообразных машин и оборудования. В этих условиях возникает необходимость и целесообразность автоматического управления эффективностью функционирования транспортно-раздаточной машины. Автоматизация машины характеризуется следующими признаками:
- необходимостью управления кормораздатчиком в режиме реального времени;
- многообразием и сложностью решаемых задач;
- необходимостью адаптации к изменяющимся внешним условиям.
Как управляемая система кормораздатчик должен обеспечивать своевременное и качественное выполнение технологических процессов [5]. Схематически функционирование технологической линии кормления животных показано на рисунке 1.
Ki К2
Km
Рис. 1. Схема технологической линии кормления животных
К1, К2, ..., Кт - компоненты кормовой смеси;
ТРМ - транспортно-раздаточная машина;
КС - кормовой стол;
Ж - животное;
П - продуктивность животных.
Результаты исследований. Постановка задачи предусматривает отыскание оптимальной траектории движения кормораздатчика. При этом в качестве критерия целесообразно выбрать общее время перемещения машины из точки А до точки Р (рис. 2). Задача интерпретируется как дискретная: по оси абсцисс выбирается шаг дискретизации Ах, а по оси ординат - шаг Ау. Решение осуществляется в прямоугольной системе координат (Беллман Р., 1965). Кормораздатчик изображен проекцией на плоскость (двойная штриховка), а запретная зона в виде проекции на плоскость обозначена одинарной штриховкой (рис. 3).
Слоем Li называется совокупность S(ji) точек дискретной сетки; при этом точка S(ji) имеет координаты xi и уд. Перемещение кормораздатчика по прямолинейной траектории происходит из точки S(ji-l) е Li-l в другую точку S(ji) е Li и указанный переход обозначается как S(ji). Перемещение по криволинейной траектории (поворот) на 1-ом шаге будет
характеризоваться значением угла а^(]1-1), S(ji)}, как показано на рисунке 2.
Для обеспечения требуемых показателей качества функционирования транспортно-раздаточной машины алгоритм автоматической системы управления должен быть адаптивным. Эффективность управления оценивается целевой функцией. При динамической оптимизации в целевой функции всегда присутствует время. Критерием оценки динамики функционирования машины служит целевой функционал:
Г = extr7[q(t),u(t)] = /[q*(t),u*(t)] , (1)
где u*(t) - управляющая функция (т. е. управление).
Указанная функция определяет структуру системы управления транспортно-раздаточной машиной, движение которой будет осуществляться с помощью спутниковой навигации. Навигационная система, построенная на технологической платформе, обеспечивает все уровни принятия решений актуальной информацией, которая в режиме online будет влиять на выполнение производственных задач.
В качестве технологического решения при реализации системы управления движением транспортно-раздаточной машины рассматривается следующий алгоритм (2).
Теоретико-вероятностные методы описания условий принятия решений являются достаточными в данной постановке [8]. Полученное рекуррентное соотношение запишется в следующем виде:
F(i)(s Gi-i), s Gi))= r. mill [F^-D (s(ji_2), s Gi-i))+ (2)
+ т (s Gi-i), s GO) + t(s Gi-2), sGi-i), s GO)], где s (j0) = (xA, yA); s (jN) = (xP, yP);
т(8(]ь1), б^)) = ^Дх + _ /V- время, которое необходимо кормораздатчику
для совершения перехода б ф - 1) ^ б (ji); V - скорость кормораздатчика;
1 (б (>2), б (ji-l), б (ji)) = с[а (б (б (ji-l), б (ji)) - а (б ф-2), б (ji-l))]2 - время, которое на ьм шаге затрачивает кормораздатчик при изменении его углового положения; с - некоторый постоянный коэффициент;
N - число шагов, за которое можно попасть из точки А в точку Р, перемещаясь от слоя к слою.
п
1л 1л 1т
Рис. 2. Схема перемещения транспортно-раздаточной машины при изменении углового положения
Чтобы исключить наезд кормораздатчика на какое-либо препятствие, разработана система логических проверок допустимости совершаемых на каждом шаге переходов б (^ - 1) ^ б (я), ^-1 = 0,1, ..., т; ji = 0,1, ..., т; I = 2, 3, ..., N (рис. 3). Суть этих проверок заключается в выявлении факта пересечения отрезков ломаной линии, ограничивающей проекцию раздатчика на плоскость, хотя бы с одним из указанных отрезков, ограничивающих проекции запретных зон на плоскость территории [9].
При наличии поворотов имеет место зависимость Тор1 = Тор1(^, где Торг - штраф за линейное перемещение или изменение углового положения.
Y
□ *
JTLl
-я тч т т
тч
UT"
ч
*
/
□
¿1
Lt Lji Ln
Рис. 3. Схема перемещения транспортно-раздаточной машины по территории животноводческого комплекса
Подход, реализованный при решении задачи, базируется на утверждении, что зависимость Topt= Тор^^ является унимодальной в момент совершения поворота кормораздатчика (Вентцель Е. С., 1991).
Выбор и обоснование типа и марки кормораздатчика с учетом вероятностной природы условий его функционирования представляется актуальной задачей. С целью определенной формализации процесса оценки разработана инженерная методика, реализующая взвешенный аддитивный критерий в оптимизационных моделях принятия решений. Постановка задачи позволяет выделить две группы выходных параметров при эксплуатации машины. В первую группу целесообразно включить параметры у*(х), значения которых в процессе оптимизации следует увеличивать (производительность, грузоподъемность, надежность). Во вторую группу - выходные параметры у^(х), значения которых нужно уменьшать (установленная мощность, масса машины и др.)
Целевая функция свертки будет иметь вид:
F(x) = £f=1 Af уГ(х) ~Л1У1+(Х) , (3)
где > 0 - весовой коэффициент, определяющий степень важности i-го выходного параметра.
Для объединения нескольких выходных параметров, имеющих различную физическую размерность и величину, в одну скалярную целевую функцию необходимо выполнить предварительное нормирование этих параметров. Технические характеристики сравниваемых вариантов самоходных кормораздатчиков представлены в таблице.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ 139 Таблица. Технические характеристики самоходных транспортно-раздаточных машин
Марка Вместимость, м3 Грузоподъемность, кг Установленная мощность двигателя, кВт Число ножей Масса, кг
Keenan MechFiber365SP 20 8100 128 2х8 15850
SILPKING SelfLine System 500+ 21 7900 128 2х7 15650
Leader Maxxi 17 5700 128 2x6 11300
Triotrac 17 5800 129 2x6 11700
Trioliet Mullos B.V. 1800 ZK 15 7500 129 2x5 9490
Рациональному техническому объекту, как следует из выражения (3), будет соответствовать наибольшее значение целевой функции F(X).
Геометрическая интерпретация оптимизационной задачи изображена на рисунке 4, где представлена разработанная круговая диаграмма компромиссных решений. Из диаграммы следует, что среди рассмотренных вариантов транспортно-раздаточных машин рациональным является смеситель-кормораздатчик KEENAN Mech Fiber 365 SP.
Рис. 4. Круговая диаграмма компромиссных решений
Выводы. Предложен алгоритм решения задачи нахождения оптимальной траектории перемещения транспортно-раздаточной машины из положения А в положение Р. Алгоритм реализуется в следующей последовательности:
а) используя рекуррентное соотношение (1), получаем за Ni шагов значение Topt(Ni), причем изменение направления переходов от слоя к слою производим после слоя Li (рис. 2);
б) используя рекуррентное соотношение (1), получаем за Nii шагов значение Topt(Nii), причем изменение направления переходов от слоя к слою осуществляется после слоя Lii;
в) сравниваем значение Topt (Ni) и Topt(Nii); если Topt(Nii) > Topt (Ni), то это означает, что оптимальной является траектория, содержащая Ni шагов, и поиск закончен;
г) если же Topt(Nii) < Topt (Ni), то, проделав операции п. б) для слоя Liii, получаем Topt(Niii); сравниваем это значение с Topt(Nii) и т.д.
Описанный выше алгоритм является корректным при любой конфигурации препятствий, которые могут быть на пути движения транспортно-раздаточной машины.
Разработана круговая диаграмма компромиссных решений. Для выбора и обоснования наилучшего варианта транспортно-раздаточной машины из совокупности технических альтернатив используется взвешенный аддитивный критерий, который объединяет несколько выходных параметров в одну скалярную целевую функцию. При этом необходимо выполнить предварительное нормирование рассматриваемых параметров.
Практическое значение разработанных мероприятий состоит в возможности их реализации при автоматизации управления перемещением транспортно-раздаточных машин в рабочей зоне животноводческого комплекса. Экономический эффект от применения предложенных схемотехнических решений обеспечивается за счет качественного выполнения технологических процессов кормления животных на сельскохозяйственных предприятиях.
Литература
1. Дегтерев Г.П. Инновационные технологии и машины для заготовки, погрузки и раздачи кормов в животноводстве. - М.: Изд-во «Столичная ярмарка», 2018. - 208 с.
2. Инновационная техника для животноводства / В. Ф. Федоренко и др. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2013. - 208 с.
3. Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года / Ю. Ф. Лачуга и др. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. - 80 с.
4. Троицкий В.А. Системный анализ и принятие решений. - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та., 2009. - 137 с.
5. Черноиванов В.И., Ежевский А.А., Федоренко В.Ф. Мировые тенденции машинно-технологического обеспечения интеллектуального сельского хозяйства. - М: ФГБНУ «Росинформагротех», 2012. - 284 с.
6. Петрищев Н.А. Применение телеметрических информационных бортовых систем и самоходных сельскохозяйственных машин // Сельскохозяйственная техника. Технологии обслуживания и ремонт. - 2012. - № 11 - С. 38-44.
7. Смагин Б.И. Экономико-математические методы. - М.: Колос, 2012. - 271 с.
8. Kosko B. Fuzzy thinking. - New York: Hyperion, 1993. - 350 p.
9. Федоренко В.Ф. Информационные технологии в сельскохозяйственном производстве. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. - 224 с.
10.Siccardi F.J. Pros and cons: time clock control of feeding. Broiler Ind. 1984, v.47, № 12, p.50
11.Rempe J.E. Drag cJnveyors. // Feed manufacturing tehnology. Americcan feed manufacturers association, inc. 1976. C. 437 - 449.
Literatura
1. Degterev G.P. Innovacionnye tekhnologii i mashiny dlya zagotovki, pogruzki i razdachi kormov v zhivotnovodstve. - M.: Izd-vo «Stolichnaya yarmarka», 2018. - 208 s.
2. Innovacionnaya tekhnika dlya zhivotnovodstva / V. F. Fedorenko i dr. - M.: FGBNU «Rosinformagrotekh», 2013. - 208 s.
3. Strategiya mashinno-tekhnologicheskoj modernizacii sel'skogo hozyajstva Rossii na period do 2020 goda / YU. F. Lachuga i dr. - M.: FGNU «Rosinformagrotekh», 2009. - 80 s.
4. Troickij V.A. Sistemnyj analiz i prinyatie reshenij. - SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta., 2009. - 137 s.
5. CHernoivanov V.I., Ezhevskij A.A., Fedorenko V.F. Mirovye tendencii mashinno-tekhnologicheskogo obespecheniya intellektual'nogo sel'skogo hozyajstva. - M: FGBNU «Rosinformagrotekh», 2012. - 284 s.
6. Petrishchev N.A. Primenenie telemetricheskih informacionnyh bortovyh sistem i samohodnyh sel'skohozyajstvennyh mashin // Sel'skohozyajstvennaya tekhnika. Tekhnologii obsluzhivaniya i remont. - 2012. - № 11 - S. 38-44.
7. Smagin B.I. Ekonomiko-matematicheskie metody. - M.: Kolos, 2012. - 271 s.
8. Kosko B. Fuzzy thinking. - New York: Hyperion, 1993. - 350 p.
9. Fedorenko V.F. Informacionnye tekhnologii v sel'skohozyajstvennom proizvodstve. - M.: FGBNU «Rosinformagrotekh», 2014. - 224 s.
10.Siccardi F.J. Pros and cons: time clock control of feeding. Broiler Ind. 1984, v.47, № 12, p.50
11.Rempe J.E. Drag cJnveyors. // Feed manufacturing tehnology. Americcan feed manufacturers association, inc. 1976. C. 437 - 449.
УДК 631.312.06. 313.9.314.1 DOI 10.24411/2078-1318-2020-12141
Доктор техн. наук Н.В. АЛДОШИН (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, [email protected].)
Доктор техн. наук Ф.М. МАМАТОВ (Каршинский инженерно-экономический институт, Республика Узбекистан, [email protected]) Аспирант И.И. ИСМАИЛОВ (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, [email protected])
АГРЕГАТ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ ПОД БАХЧЕВЫЕ КУЛЬТУРЫ
Современное сельскохозяйственное производство требует решения проблем повышения урожайности сельскохозяйственных культур, сохранения и повышения плодородия почвы на основе ресурсосберегающих почвозащитных технологий, обеспечивающих комплексную механизацию всех технологических операций при значительном снижении энергетических затрат. Особую актуальность имеет проблема снижения или полного исключения доли ручного труда при выполнении наиболее трудоемких технологических операций [1, 2, 3].
Бахчевые культуры относятся к наиболее распространенным культурам, возделываемым в регионах с теплым и жарким климатом. Способность формировать высокий урожай в условиях полупустыни, где выращивание других сельскохозяйственных культур проблематично, обеспечило им широкую популярность. В настоящее время бахчевые культуры возделывают более чем в 130 странах мира [4].
В основном при возделывании бахчевых культур используются традиционные технологии и технические средства для подготовки почвы к посеву. Это вызывает увеличение затрат труда, времени и энергии. Многократные проходы агрегатов по полю приводят к переуплотнению почвы. В связи с этим актуальной задачей на сегодняшней день является обоснование и разработка комбинированных почвообрабатывающих орудий, позволяющих реализовывать новые прогрессивные технологии по подготовке почвы к посеву бахчевых культур.
Цель исследования - обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного почвообрабатывающего орудия для подготовки почвы под бахчевые культуры.
Материалы, методы и объекты исследований. При подготовке почвы под бахчевые культуры в определенной последовательности проводится ряд технологических операций. Все они выполняются при сплошной обработке поля. Изучая особенности возделывания бахчевых культур, можно отметить, что сплошная обработка поля не обязательна. Обрабатывая все
