Методические основы оценки использования машин (стр. 2 )

Технолог может создать неработоспособную технологию, например, поставить задачу выращивать бахчевые без ручного труда на прореживании растений в гнездах за счет применения сеялок точного высева при всхожести семян 40%, при этом более 90% гнезд должны иметь два растения. Теория вероятностей покажет, что применение даже идеальной сеялки не поможет решить поставленную технологом задачу. Поэтому в данном случае неэффективной является технология выращивания культуры, которая не может решить поставленную задачу. Технология посева в данной задаче имеет свои результаты, отличные от результата возделывания культуры.

Аналогичным способом можно рассмотреть функционирование любых подсистем. Поэтому можно сформулировать как закон функционирования сложных систем следующее:

- результаты функционирования подсистем, входящих в систему, не зависят от результатов функционирования системы.

Независимость результатов в данном случае подразумевает тот факт, что при определенных результатах работы подсистемы, на выходе системы, использовавшей этот результат, могут быть получены различные результаты, зависимые от результатов функционирования других систем. Оценивать эффективность любой системы, в том числе и подсистем, следует только по их результатам. Следует еще раз подчеркнуть, что каждая из систем имеет свою продукцию, свой результат.

Может возникнуть предложение для опровержения этого закона рассмотреть системы автоматического регулирования параметров процессов или с обратной связью. Но их работа зависит не от параметров системы, т. е. ее выхода, а от сигналов, поступающих от исполнительных механизмов, т. е. входов в эти подсистемы. Нужны целенаправленные усилия для того, чтобы изменения на выходе из системы приводили к заданным изменениям в работе подсистемы.

Основная сложность расчета эффективно­сти подсистем сельскохозяйственного производства, составляющих МТП, заключается не только в правильном определении количества их продукции, но и в определении самой продукции этих подсистем. Нигде не приводится понятие “продукция системы технического обслуживания”.

Поскольку каждая подсистема имеет свою продукцию, то оценка должна охватывать все виды продукции, производимой в процессе машиноиспользования.

Следует подчеркнуть, что сравнения должны быть сопоставимыми, так топливную экономичность лучше определять не в рублях, а в килограммах израсходованного топлива, если сравнивается себестоимость, то при расчетах следует помнить, что одинаковые компоненты могут приобретаться по разным ценам, сравнение должно проводиться в сопоставимых ценах.

При таком подходе возникает задача разложения системы производства на подсистемы. Сельское хозяйство содержит растениеводство
и животноводство
. Их в свою очередь можно разделить на подсистемы. При анализе эффективности производства для каждой подсистемы следует установить вид продукции, которую она производит, спосо­бы оценки ее количества и качества.

Растениеводство в хозяйстве в целом содержит сис­темы (подсистемы) производства культур.

МТП обеспечивает полевые механизированные ра­боты. При этом не может ставиться задача выполнения этих работ в заданные сроки с требуемым качеством. Это является условиями технологии возделывания культуры. Если заданные условия или требования по какой-то при­чине не могут быть выполнены, то необходимо менять технологию, а применение МТП считать неэффектив­ным или ошибочным. Причины неэффективности могут быть различными.

Растениеводство содержит в себе технологии воз­делывания нескольких культур, эффективность их выращивания зависит от урожайности этих культур.

Процессы машиноиспользования осуществляются в виде ПЭ и ТЭ, для которых имеются свои виды продукции.

Машина приобретается для получения ее продукции. Возможности машины производить продукцию отражаются ее технической характеристикой. Основными параметрами машин, влияющими на эффективность их применения, кроме технической характеристики являются стоимость машины Б, срок службы Р или ресурс и затраты на поддержание машины в работоспособном состоянии в течение срока службы или выработки ресурса SТОР (затраты на техническое обслуживание и ремонт). В некоторых случаях большое значение могут иметь затраты труда на получение продукции, расход других ресурсов.

Виды продукции подсистем машиноиспользования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные виды продукции при ПЭ машин

Подсистема машиноиспользования	Вид продукции	Единицы измерения
Производственная эксплуатация рабочих машины, комбайнов Производственная эксплуатация энергетических средств	Обработанные почва, материал, перемещенные грузы и т. п. Энергия, переданная рабочим машинам	га, т, т·км и т. п. кВт·ч, Дж и т. п.

Если в растениеводстве обработанная почва часто выступает в качестве продукции, то в животноводстве чаще обрабатываются материалы.

Предположим, технология производства предполагает провести культивацию. МТА в простом варианте со­держит рабочую машину и энергетическое средство.

Результатом использования культиватора является из­менение состояния почвы, а обработанная площадь — количеством продукции W. Качество ее оценивается соот­ветствием агротехническим требованиям. Если продук­ция им не соответствует, она бракуется со всеми выте­кающими последствиями.

Современные тракторы снабжены устройствами, позволяющими определять большинство параметров, необходимых для анализа машиноиспользования. Бортовой компьютер Infotrac тракторов ARES фирмы CLAAS имеет счетчик событий (остановок, заправок и т. п.), может фиксировать пройденный участок пути, весь пройденный путь. При анализе производительности может фиксироваться общая обработанная площадь, площадь обработанного участка. Может определяться производительность машин в га/ч, фиксироваться рабочее время.

Силосоуборочный комбайн этой фирмы Jaguar снабжен компьютером, позволяющим записывать заказы клиентов, показывать время работы в часах, мото-часы, урожайность, производительности т/ч и т/заказ, расход топлива в л, л/ч, л/га. Однако эти все данные нужно уметь анализировать.

Для выполнения операции культиватор нужно снаб­дить энергией Е для преодоления сопротивлений. Ее источником могут быть различные тракторы, а себестоимость производимой ими энергии бу­дет разной. Продукцией энергетического средства является энергия E, переданная рабочей машине. Ее себестоимость определяет эффективность использования тракторов. При определении эффективности использования машин необходимо учитывать стоимость энергии в данных условиях.

Износ машины пропорционален обработанной пло­щади. Для того, чтобы выполнить операцию, нужно понести эксплуатационные затраты на содержание и использование культиватора. Эффективность опреде­лится разницей между рыночной стоимостью товара и произведенными затратами. Очевидно, что если про­дукция потребляется, то она имеет цену.

В рассмотренном примере в эксплуатационных условиях значительную сложность представляет определение энергоемкости процесса. Определение остальных параметров при правильном учете сложности не представляет.

Система технического обслуживания и ремонта машин поддерживает их в работоспособном состоянии в процессе использования. При этом решается задача снижения затрат на единицу продукции (таблица 2). Продукцией системы ТОР является обеспеченный ресурс машин Р, т. е. для каждой конкретной машины будет своя продукция, выражаемая в единицах обеспеченного ресурса. Например, обслуживаемый трактор израсходовал до списания 100000 кг топлива. Обеспеченный ресурс при этом будет таким же. Если два трактора одной марки израсходовали до списания одинаковое количество топлива, то эффективнее работала система ТОР, которая затратила на поддержание работоспособности меньше своих ресурсов. Поддержание работоспособности осуществляется выполнением различных работ или операций. Продукцией подсистем системы ТОР будут выполненные операции.

Таблица 2 - Основные виды продукции при ТЭ машин

Подсистема ТЭ	Вид продукции	Единицы измерения
Система ТОР рабочих машин, комбайнов, энергетических средств	Обеспеченный ресурс	га, ч., кг топлива
Выполненные операции ТОР	шт.

Система технического сервиса в процессе эксплуатации несет затраты на поддержание и вос­становление работоспособности машин, то есть на техническое обслуживание и ремонт (ТОР). Контроль качества продукции технического сервиса машин заключается в проверке соответствия параметров их технического состояния нормативным, оговоренным в соответствующих документах. Контроль параметров технического состояния рабочих машин, как правило, сложностей не представляет и описан в инструкциях по эксплуатации машин. Техническое состояние энергетических средств, их возможности выполнять свои функции определяются в значительной мере энергетическими характеристиками двигателя и тяговыми характеристиками трактора. Их определение в эксплуатационных условиях в настоящее время, как правило, невозможно. Это обуславливает необходимость совершенствования методов и средств определения энергетических параметров тракторов и их двигателей. Эффективность работ по обеспечению этого ресурса будет определяться затратами на единицу продукции.

Подсистемы технического сервиса выполняют различные технологические воздействия или операции, являющиеся продукцией этих подсистем N.

Показатели эффективности функционирования различных подсистем системы ПЭ представлены в таблице 3.

При покупке машины действительными являются параметры ее технической характеристики и стоимость. Срок службы или ресурс Р и затраты на поддержание машины в работоспособном состоянии в течение срока службы или выработки ресурса SТОР в момент приобретения являются предполагаемыми или проектируемыми. В процессе эксплуатации машин с помощью средств технической диагностики может определяться остаточный и прогнозируемый ресурс машин, фиксироваться расходы на ТОР. По этим данным можно определять прогнозируемые показатели машиноиспользования.

Таблица 3 - Показатели эффективности ПЭ машин

Подсистемы ПЭ	Показатели	Расчетные формулы
Рабочие машины	Себестоимость полученной продукции трудоемкость энергоемкость ресурсоемкость	sп=S/W; зтр=Зтр/W eп=E/W р=Р/W
Энергетические средства	Себестоимость энергии трудоемкость удельный расход топлива ресурсоемкость	s=S/E зтр=Зтр/E q=G/E р=Р/E

Действительный ресурс машин и затраты на ТОР определятся только после окончания эксплуатации машины, при этом можно установить действительные показатели эффективности приобретенной техники (таблица 4).

Таблица 4 - Показатели эффективности ТЭ машин

Подсистемы ТЭ	Показатели	Расчетные формулы
Операция ТОР машин	Себестоимость операции уд. трудоемкость энергоемкость ресурсоемкость	sо=Sо/N зотр=Зтр/N eоп=E/N р=ΔР/N
Система ТОР	Уд. стоимость обеспечения ресурса уд. трудоемкость обеспечения ресурса уд. затраты на материалы для обеспечения ресурса	sрес=Sрес/Р зтррес=Зтррес/Р зматрес=Зматрес/Р

Наука об использовании машин изучает законы расходования ресурса при производственной эксплуатации и законы восстановления или сохранения ресурса при технической эксплуатации. Сохранение ресурса при технической эксплуатации и расходование ресурса при производственной эксплуатации имеют общность в уменьшении ресурса при протекании этих процессов. Различие заключается в том, что при технической эксплуатации расходование ресурса это вредный процесс и следует уменьшать расходование ресурса. Расходование ресурса машин является необходимым условием для системы производственной эксплуатации. При производственной эксплуатации происходит получение ее продукции за счет расходования ресурса, поэтому постановка задачи уменьшения расходования ресурса в единицу времени является некомпетентностью.

Измерение количества продукции для различных подсистем системы машиноиспользования позволит определять проектируемую эффективность применения любых машин при планировании работ, оценивать результаты применения машин, как при их эксплуатации, так и после ее окончании (списании или продаже), сравнивать эффективность применения различных машин и обслуживающих их систем.

Рассмотренные основные методологические принципы и сформулированные законы функционирования сложных систем позволили разработать алгоритм формирования системы оценки любых машин (рисунок 4).

Установить виды продукции, производимые машиной

Установить виды ресурсов, потребляемые машиной

Установить (обосновать) модель расходования ресурса машины

Обосновать показатели эффективности использования машины

Обосновать методы и средства измерения потребляемых ресурсов

Обосновать систему сбора и обработки информации при использовании машины

Разработать методы проверки адекватности предложенной модели

Рисунок 4 - Алгоритм формирования системы оценки использования машин

В разделе «Теоретические предпосылки определения энергетических параметров» показано, что для определения количества продукции энергетических средств и системы технической эксплуатации необходимо знание параметров тракторов и их двигателей.

Для получения регуляторных характеристик двигателя достаточно иметь зависимости цикловой подачи топлива qц=f(n) и крутящего момента двигателя Мкр=f(n) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Зависимость qц=f(n) может быть определена в эксплуатационных условиях при помощи стендов для регулировки ТНВД и сложности не представляет. Значительную сложность представляет определение зависимости Мкр=f(n).

Для определения крутящего момента или мощности двигателя в эксплуатационных условиях были разработаны приборы типа ИМД. Эти приборы прошли необходимую экспертизу и были поставлены на производство, однако практически не используются, так как не обеспечивают нужную точность измерений, т. е. оказались неработоспособными.

Установим причину неработоспособности приборов типа ИМД. График изменения угловой скорости коленвала при разгоне представлен на рисунке 5. Ускорение при этом в любой точке кривой соответствует тангенсу угла наклона касательной к кривой в этой точке или первой производной. В точках экстремумов эти производные равны нулю, в других точках могут быть как положительными, так и отрицательными. Эта неравномерность обусловлена неравномерностью крутящего момента.

Если промежуток времени, за который измеряются скорости и ускорения значительно превышают время цикла, то неравномерностью крутящего момента за цикл можно пренебречь, приняв за действующий крутящий момент его среднее значение за время измерения. Если промежутки времени, за которые определяются параметры движения, меньше или близки по величине времени цикла, то следует учитывать неравномерность движения, его цикличность.

Угловая скорость
	Время разгона

Рисунок 5 - Изменение угловой скорости коленвала при свободном разгоне

Для четырехтактных двигателей цикл соответствует повороту коленчатого вала на два оборота. При этом будет усреднена неравномерность крутящего момента по цилиндрам, обусловленная неравномерностью подачи топлива по цилиндрам. Следует отметить, что приборы типа ИМД не учитывают цикличность изменения крутящего момента двигателей при измерении ускорений, что обусловило их неработоспособность.

Сопротивление машины при выполнении технологического процесса является его энергетическим параметром. На его величину влияет не только состояние почвы, но и регулировки и режимы работы машины. Оперативное определение сопротивления машины и принятие обоснованных решений по изменение режимов работы машин требует измерения сопротивления машин в процессе выполнения операции.

Для определения сопротивления рабочих машин в эксплуатационных условиях разработан метод измерения, заключающийся в следующем. При рабочем ходе трактора за счет снижения подачи топлива достигают минимальной частоты вращения коленчатого вала, соответствующей максимальному крутящему моменту, затем резко увеличивают подачу топлива до максимальной. Двигатель трактора при этом переводится в режим максимального крутящего момента, поэтому трактор будет разгоняться, так как при комплектовании агрегатов обеспечивается загрузка двигателя меньше номинальной. При достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя во время разгона трактора измеряют угловое ускорение коленчатого вала двигателя, аналогично измеряют ускорение при разгоне трактора без рабочих органов. Параллельно (одновременно) измеряется буксование трактора и, из уравнений движения трактора и рабочих машин, определяют силу сопротивления рабочих машин.

Сделаем следующие допущения. Участок, на котором производятся измерения, является однородным по сопротивлению рабочих машин, сопротивлению перекатыванию трактора и рабочих машин. Энергетические параметры трактора в период измерений не изменяются.

При движении на горизонтальном участке уравнение движения трактора с рабочими машинами описывается известным уравнением:

,

(10)

где - приведенная масса трактора;

- ускорение трактора при осуще­ствлении технологической работы;

- движущая сила трактора;

- сила сопротивления перекатыванию;

- крюковое усилие трактора.

Движущая сила трактора определяется по известной формуле

,

(11)

где - крутящий момент двигателя;

- к. п.д. трансмиссии;

- общее передаточное число трансмис­сии;

- радиус качения.

По условию, номинальный крутящий момент двигателя не меняется, и если измерить ускорение трактора при номинальных оборотах, то в уравнении (10) неизвестными будут разность сил - и .

При движении трактора без нагрузки, т. е. без рабочих машин =0 и уравнение его движения имеет вид

,

(12)

где: - ускорение трактора при движении без рабочих машин.

В уравнении (12) неизвестной будет только разность сил (- ). Таким образом, из уравнений (10) и (12) можно определить силу .

Крюковое усилие, это сила, действующая на трактор со стороны рабочих машин, сила тяги трактора действует на рабочие машины со стороны трактора, при этом сила тяги трактора равна по величине крюковому усилию трактора и противоположно направлена, т. е. .

В условиях эксплуатации загрузка трактора обычно составляет не более 85-90% от номинальной, превышает ее только при кратковременных перегрузках, поэтому условия для измерений будем создавать искусственно. При рабочем ходе агрегата или трактора без рабочих машин, уменьшая подачу топлива, достигнем часто­ты вращения вала двигателя, соответствую­щей максимальному крутящему моменту, и практически мгновенно переведем рычаг управления подачей топлива в положение максимальной подачи. Регулятор топливного насоса установит максимальную подачу топлива (режим перегрузки) и агрегат или трактор будет разгоняться до тех пор, пока не установится равновесие действующих сил. Так как агрегаты комплектуют с некоторой недогрузкой, то в какой-то момент двигатель трактора будет иметь номинальный режим. При достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигате­ля производится измерение углового ускоре­ния коленчатого вала. Одновременно с измерением углового ускорения измеряем буксование трактора.

При разгоне агрегата сила тяги затрачивается на преодоление сопротивления машин и преодоление силы инерции рабочих машин,

Уравнение движения рабочих машин имеет вид

,

(13)

где - масса рабочих машин (приведен­ная);

- сила сопротивления рабочих машин.

Из уравнения (13) получим

.

(14)

Так как ускорение холостого хода трактора и ускорение трактора с рабочими машинами производятся при одинаковом режиме работы двигателя, то из уравнений (10), (12) и (14), получим

,

(15)

откуда

.

(16)

Выражение в формулах (15) и (16) характеризует силу тяги, которую может развить трактор на крюке на данном почвенном фоне при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя, выражение в формуле (16) силу инерции, а их разность - сопротивление рабочих машин.

Ускорение трактора при разгоне без рабочих машин связано с угловым ускоре­нием коленчатого вала двигателя зависимо­стью

,

(17)

где - буксование трактора;

Ускорение трактора при разгоне трактора с рабочими машинами связано с угловым ускорением коленчатого вала двигателя аналогичной зависимостью

.

(18)

Необходимо отметить, что для каждого трактора, имеющего определенное техническое состояние, выражение на различных почвенных фонах может иметь на каждой передаче значительные отклонения, обусловленные типом и состоянием почвы. На каждой передаче максимальная сила тяги трактора на грунтовой дороге для гусеничных тракторов и бетонной дороге или на асфальте для колесных тракторов является эксплуатационным параметром, контроль которого должен входить в задачи технической диагностики трактора. Диагностическим параметром при этом будет ускорение трактора при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя в режиме свободного разгона трактора. При эксплуатации трактора мощность его дви­гателя уменьшается, трактор в режиме свободного разгона будет иметь меньшее ускорение.