Решение проблемы механизации садоводства и виноградарства
СЕВЕРО - КАВКАЗСКИЙ ЗОНАЛЬНЫЙ
НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
САДОВОДСТВА И ВИНОГРАДАРСТВА
На правах рукописи
БОНДАРЕВ
Василий Андреевич
МЕХАНИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
МЕХАНИЗАЦИИ САДОВОДСТВА И ВИНОГРАДАРСТВА
Специальность 05.20.01 - механизация
сельскохозяйственного производства
Диссертация в виде научного доклада
на соискание учёной степени
доктора технических наук
Краснодар, 1997
Работа выполнена в Северо-Кавказском зональном
научно- исследовательском институте садоводства и виноградарства
(СКЗНИИСиВ, г. Краснодар) в 1966 ... 1996 гг.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор П.Н.БУРЧЕНКО
член-корреспондент РАСХН,
доктор технических наук,
профессор Ю.А.УТКОВ
доктор технических наук,
профессор А.В.ЧЕТВЕРТАКОВ
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт
виноградарства и виноделия им. Я.И.Потапенко (ВНИИВиВ им.
Я.И.Потапенко)
Защита состоится 24 сентября 1997 г. в 10 часов
на заседании диссертационного совета Д 169.06.01 в АООТ
Научно - исследовательский институт сельскохозяйственного
машиностроения - АО «ВИСХОМ» по адресу:
127247, г. Москва, Дмитровское шоссе, 107
Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в
библиотеке АО «ВИСХОМ»
Диссертация в виде научного доклада разослана
« » _____________1997 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
А.А.Сорокин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В механизации многолетних культур на стадии
разработки проектов системы машин имеет существенное значение выбор
наиболее целесообразных решений как по определению последовательности их
включения в технологические схемы, так и предпочтительного их включения в
планы конструкторских разработок. При этом обязательно учитывать возможную
деградацию среды, которая изначально заложена в культуру: в результате
многократного однообразного воздействия на неё среда «стареет» быстрее, чем
культура. Поэтому, с каждым новым вегетационным циклом, влияние на культуру
накапливаемых средой отрицательных факторов увеличи-вается. В конечном
итоге культура входит в неблагоприятные для неё параметры среды значительно
раньше своего возрастного состояния. От этого, прежде всего, страдает
хозяйственная деятельность общества: накопление отрицательных факторов
среды приходится учитывать созданием материально-технической базы (МТБ) с
завышенной прочностью. А это ведёт к перерасходу в первые годы насаждения
материальных, трудовых и энергетических ресурсов. Особенно это заметно в
регионе Северного Кавказа, где сосредоточено около 30% плодово - ягодных
культур и 100% виноградников Российской Федерации. Научно обоснованные
методы оценки и выбора наиболее выгоднейшего из них для многолетних
насаждений до настоящего времени отсутствуют. Применяемые методы проб и
ошибок, Паттерн - анализа и группового учёта аргументов используются только
для негативного прогноза, чтобы показать, чего не может быть, если всё в
Паттерне будет происходить так, как происходит сейчас.
Актуальность исследований заключалась в нахождении метода достоверного
прогноза развития уровня механизации садоводства и виноградарства через
выявление принципов оптимального стыка средств ухода с постоянно
изменяющимися параметрами объектов ухода.
Исследовательские и конструкторско-технологические работы
проводились в СКЗНИИСиВ в соответствии с планами НИР и ОКР на основании
заданий Государственного комитета по науке и технике 0.51.02 (проблема
16.01 и 16.14), межотраслевой комплексной программы (0.сх.101 и 2.51.04), а
также по прямым договорам с Агропромом СССР, АПК Краснодарского и
Ставропольского краёв, Ростовской области и хозяйствами - производителями
садово - виноградной продукции.
Цель работы заключается в обосновании, разработке и использовании
научных основ формирования оптимальной материально-технической базы для
создания конкретных механизированных технологий многолетних насаждений.
Объекты исследований. Процесс развития стыка параметров многолетних
насаждений, архитектоники крон и средств ухода за ними; физико-механические
свойства почв и элементов крон, стыкующихся со средствами ухода; технологии
ухода за почвой, системой «шпалера - куст», внесения удобрений, укрывки и
открывки виногра-дников, уборки урожая; рабочие органы культиваторов, машин
для внесения в почву жидких минеральных удобрений, ухода за кроной и
монтажа шпалеры, укрывки и открывки виноградников, уборки урожая.
Методика исследований. Для выработки основ формирования и управления
механизированными технологиями многолетних культур разработан общий научный
подход, который исходит из единой стратегии решения глобальной системы
методами проектологии: сравнивается совокупность технических средств
разного функционального назначения, но используемых в одной и той же
отрасли для выработки одного и того же продукта. При этом совокупность
технических средств одного и того же функционального назначения
рассматривается как самостоятельная система машин, а совокупность систем
машин для технологии получения одного и того же продукта , как товара,
рассматривается как комплекс систем механизированных технологий [43, 54,
62, 64, 65, 79, 89, 95].
В основу методики исследований оптимального стыка средств ухода с
объектами ухода положен принцип, устанавливающий связи и допустимые пределы
внутрисистемного влияния друг на друга свойств среды и средств ухода.
Исследования средств ухода базировались на положениях
земледельческой механики и математической статистики. Лабораторно - полевые
эксперименты проводились согласно отраслевым стандартам, дополненных
частными методиками и приборами [20, 21, 26, 31, 32, 41, 68, 94].
Разработанная методология использована в ежегодных компаниях заказа техники
для садоводства и виноградарства Краснодарского [54, 85] и Ставропольского
[71, 72] краёв.
Научную новизну составляют:
n методология модульного системного анализа технологий, как инструмент
отбора оптимальных агротехнических систем, с последующим их
направленным совершенствованием;
n математические модели расчёта: механизированной технологии культуры
через тарифные издержки; интенсивности механизированной технологии
через алгоритм, характеризующий величину согласованности входящих в
технологию компонентов; параметров архитектоники кроны через
плодоносность и физико-механические свойства её элементов; параметров
выемочно - насыпного профиля почвы в технологии защиты виноградного
куста от низких температур через естественные параметры ограничения
(упругость пучка лоз, глубину проникновения отрицательных температур и
угол естественного откоса насыпного профиля);
n метрология изучения взаимодействия рабочих органов машин с объектами
ухода;
n классификация и формализация функциональных отличий насаждений и крон
растений на фоне уровней в мировой градации поколений техники,
структурно отображающиеся согласованностью, повторяемостью и
целесообразностью стыка средств ухода с объектами ухода;
n индустриальные системы «шпалера - куст» для промышленного и
индивидуального виноградарства.
Технологические схемы и технические решения защищены 26 авторскими
свидетельствами и патентами РФ, 7 из которых отражают новые способы ухода и
ведения культур.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждены
экспериментальными данными лабораторно - полевых исследований,
положительными результатами заводских, ведомственных и государственных
испытаний рабочих органов, машин, способов и систем, разработанных с
участием соискателя.
Практическую ценность работы для многолетних культур представляют:
n методология прогнозирования технического прогресса и обоснование
путей совершенствования зональных систем машин;
n метрология и приборы для изучения условий функционирования агрегатов
и рабочих органов по уходу за почвой, кроной и шпалерными системами;
n система мероприятий, технологические схемы машин и технические
решения по снижению антропогенного влияния на почву механизированных
технологий;
n рекомендации и технические решения:
- оптимального стыка технологических систем «крона - шпалера» при
различных формах хозяйствования;
- технологии пунктирного глубокого внесения жидких минеральных
удобрений, в том числе и в зону ряда;
- технологии защиты растений от низких температур;
- технологии контейнерной уборки, транспортировки и хранения
плодов, ягод и винограда.
Реализация результатов исследований. Разработанные единые
концептуальные подходы [20, 21, 70, 89, 95, 107] использованы:
n в справочнике виноградаря Кубани [54];
n в совершенствовании методов разработки технологических карт [62];
n в решении проблем развития виноградарства Краснодарского края [68];
n в учебном процессе заочных курсов садоводства [69];
n в системах машин для садов Ставропольского [71] и Краснодарского
[85] краёв, садоводства России [90], интенсивного садоводства
Северного Кавказа [58], питомников плодовых, ягодных и орехоплодных
культур [87], прогнозе развития технического уровня садоводства до
2010 года и анализа его современного состояния в Северо - Кавказском
регионе [Агропром CCCР, 1986 г ].
Разработаны и внедряются технологии:
n уборки, транспортировки и хранения плодов, ягод и винограда в
кассетных контейнерах [79];
n возделывания, транспортировки и переработки технических сортов
винограда машинной уборки [74];
n применения жидких комплексных удобрений в садах и виноградниках
[63];
n по защите виноградников от низких температур [11].
Разработаны и внедряются способы:
n Краснодарский формирования виноградного куста [111];
n ведения виноградного куста на шпалере [112];
n ведения укрывной культуры винограда [113];
n крепления виноградных лоз [115];
n борьбы с корневищными сорняками в рядах культурных растений [120];
n ведения интенсивного сада [125].
Полученные рекомендации внедрены в поставленных на производство
машинах - для внесения жидких комплексных удобрений в садах МГУС-2,5 и
виноградниках МВУ-2000, автоматической линии для изготовления и затаривания
на спецкассеты крепёжных скоб; устройствах - контейнера кассетного для
затаривания лотковой первичной тары при уборке, транспортировке, хранении и
реализации винограда, плодов, ягод и овощей КПТ-28, стойки железобетонной
для шпалеры индустриальной ВС-20-4.ТУ10 РСФСР 21-01-89; приспособления
лозоукладывающего ПРВН-39000Э; приборах динамометрических ПТЛ-1, ДТ-1, ДЛ-
3, ПУВЛ, ПЛ-50-5, МД-1, ДМЗ-3, разработанных совместно с Одесским филиалом
НПО «Агроприбор» для изучения взаимодействия рабочих органов машин с
элементами крон древесных растений [32, 41, 44. 68, 94].
Модернизированы и внедрены через мастерские хозяйств виноградниковые
плуги - рыхлители ПРВН-2,5, приспособления ПРВН 72000, садовые культиваторы
КСГ-5, фрезы ФА-0,76А, рабочие органы для двухслойной обработки почвы в
междурядьях, мульчирования колеи и приствольной полосы, плуги - рыхлители
ПРВН-2,5 для укрывки лозы почвой, взятой из межколейного пространства
междурядий и столбостав ЗСВ-2 для транспортировки контейнеров одновременно
в 3 ... 5 междурядьях, обеспечивающие снижение тягового сопротивления
агрегатов не менее, чем на 25 % и увеличение производительности труда в 1,5
... 1,8 раза.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на
заседаниях Учёного совета СКЗНИИСиВ (1966 ... 1995 г.г.); четырежды - на
научно - технических конференциях ВИСХОМ (1970, 1972, 1976, 1985 г.г.);
пять раз - на научно - практических конференциях «Научно - технический
прогресс в инженерно - технической сфере АПК России» в ВИМ (1992) и ГОСНИТИ
(1993, 1994, 1995, 1996); шесть раз - на Всесоюзных научно - технических
конференциях в Краснодаре (1977, 1984 г.г.), во Львове (1974 г.), в Каунасе
(1982 г.), в Нальчике (1987 г.), в Санкт-Петербурге (АФИ, 1993 г.); дважды
- на НТС Госпрома РСФСР (1988 г.); дважды - на Всесоюзных семинарах ВДНХ
СССР (1974 г.) и ЦИНАО (1976 г.); четырежды - на научно - методических
совещаниях НТО СХ в Орджоникидзе (1979 г.), Зернограде (1980 г.), Кишинёве
(1983 г.), Краснодаре (1983 г.); четырежды - на Координационных советах по
проблеме О.СХ.61 в Новочеркасске (1984, 1996 г.г.), Тбилиси (1985 г.), Ялте
(1991 г.); трижды - на заседаниях секции ВРО ВАСХНИЛ «Комплексная
механизация и электрификация растениеводства» в Зернограде (1984, 1985,
1991 г.г.); на заседании Президиума ВРО ВАСХНИЛ (1989 г.).
Методические, технологические, научно - исследовательские и
конструкторские разработки демонстрировались на ВДНХ СССР и отмечены 13
медалями, в том числе 2 золотыми.
Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации
изложено в 125 научных работах, в том числе - в одном справочнике, трёх
методиках, четырёх монографиях, 18 рекомендациях, 7 агроуказаниях, 6
брошюрах и 60 научных статьях общим объёмом 207 п. л., в том числе лично
автора 58,8 п.л., а также 26 авторских свидетельствах и патентах.
На защиту выносятся результаты, перечисленные в рубриках «Научная
новизна», «Практическая ценность» и «Реализация результатов исследований».
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Анализ состояния проблемы и обоснование задач
исследований
Моделирование технологий в растениеводстве рассмотрено в работах
А.Б.Лурье, М.С.Рунчева, Э.И.Липковича, П.Н.Бурченко, Г.П.Варламова,
М.Е.Демидко, В.Я.Зельцера, А.В.Четвертакова, Ю.А.Уткова, А.А.Никонова,
Н.Н.Походенко, В.И.Могоряну, Т.Е.Малофеева, А.М.Гатаулина и др. Анализ этих
работ показал, что они в принципе аналогичны синтезу системы отображения
массива данных через однородные порции, используемого в работах В.А.Вей-
ника, Н.П.Бусленко, В.Ф.Венды, Е.Г.Гольштейна, В.В.Налимова, Н.Н.Моисеева,
М.П.Перетятькина, И.И.Кандаурова, А.Н.Зеленина, В.И.Баловнева, И.П.Керова,
С.Директора, Р.Рорера, Джозефа Р. Шен-филда, Кеннета Кюнена и др.
Указанными исследованиями доказано, что моделированию мо-жет быть
подвержена любая проблема любой системы, если массив данных о процессах,
протекающих в системе, отобразить через осно-вной процесс, обратные связи и
ограничения. Этот принцип был положен в основу разработки комплексов машин.
Однако методы отображения информации в конкретных механизированных
технологиях до сих пор не носят обобщающего характера. Особенно это
относится к технологиям многолетних насаждений, где для сходных условий
среды пока управляемыми являются только входные и выходные параметры
технологии (размещение растений во время закладки массива, уровень спелости
урожая и т. п.), а внутреннее функционирование и развитие составляющих
технологии до сих пор остаётся «черным ящиком», т.е. «неоптимизировано и
неуправляемо» [43, 65, 70].
Гипотетически проблема состоит в том, что в управлении фун-
кционированием технологии недостаточно учтены: многолетность насаждения;
неизменность схем посадок, при непрерывном изменении архитектоники крон;
изменение свойств среды в результате многократного однообразного
циклического воздействия на неё; предельные параметры стыка в системе
машина - растение - среда.
Исходя из высказанной гипотезы, потребовалось решить следующие задачи:
n изучить формирование многолетних насаждений в процессе
индивидуального и группового развития на фоне мировой градации
поколений техники;
n разработать методологию оптимизации управления функционированием и
развитием механизированных технологий многолетних насаждений;
n выполнить с помощью разработанной методологии анализ современного
состояния и прогноз развития технического уровня садоводства
Северного Кавказа и виноградарства Краснодарского края;
n выбрать из массива данных анализа приоритетные направления и с
помощью разработанной методологии обосновать оптимальные параметры
их механизированных технологий, рабочих органов и машин.
Исходные предпосылки оптимизации управления
механизированными технологиями
многолетних насаждений
При разработке такой сложной проблемы, какой является оптимизация
управления механизированными технологиями многолетних насаждений в процессе
их функционирования, возникает необходимость видеть одновременно и проблему
целиком, и связи между её частями, и отдельные её части. Всё это
рассматривать в зависимости от закономерностей среды, развития культур и
обрабатывающей их техники.
Механизм решения поставленной задачи соответствует «поня-тийно -
образно - практической» структуре (Г.Альтшуллер, 1973, М.Зиновкина, 1996).
В данном случае решение сводилось к системному анализу развития с
последующей доработкой принятых в производстве вариантов технологий
многолетних культур.
Закономерность формообразования этих вариантов развития определялась
морфологическим анализом функциональных отличий стыка между параметрами
насаждений (табл. 1), в том числе и формообразования растений в насаждениях
(табл. 3), и параметрами средств ухода за ними, на фоне мировой градации
поколений техники (НТР.ВО «Знание» / Бюл. - № 20, 1986 г.) и почвенно -
климатических особенностей Северо - Кавказского региона России в разрезе
отрицательных факторов воздействия технологий на параметры среды и среды на
параметры технологий [16, 19, 23, 24, 25, 69, 92, 96, 104, 120].
Видение проблемы в целом, связей между её частями и отдельных её
частей осуществлялось специально разработанным для этого методологическим
подходом, отправным моментом которого являет-[pic]ся доказательство
достаточности массива информации о проблеме [43, 70, 73, 81, 82, 86, 88,
89, 91, 95, 98].
Анализ информации морфологической матрицы (табл. 1) показал, что на
данном этапе развития многолетних культур существует, с позиции теории
систем, два технологических «организма» [pic] и [pic], имеющих собственные
цели. Первый и конструктивно и функционально «застыл» на втором уровне
мировой градации поколений техники ([pic] и [pic]). Его средства ухода
[pic][pic]ограничиваются моторизацией инвентаря с ручным управлением. Его
самоцель - заставить рабочий объём насаждения максимально давать продукт.
Поэтому он является основой ведения дачных, приусадебных и других куртинных
насаждений. Второй, в отличие от первого «организма», развивающийся. Его
цель - максимальная замена ручного труда машинным. Ему осталось в
управлении системой применить гибкое программирование с адаптацией и
внутренней диагностикой системы, тогда он полностью перейдёт на пятый
уровень мировой градации поколений техники. В нём противоречие отбора
рабочего объёма насаждения на технологические коридоры [pic] [98] решается
переходом средств ухода на мостовые системы по схеме [pic] и [pic] [82,
124]. В «организме» [pic] заложена не только собственная цель, но и
возможные пути развития её «организма» в направлении [pic], или [pic], или
[pic], или [pic], или [pic], или [pic].
Из этого следует, что каждое последующее функциональное отличие
технологии предыдущему функциональному отличию является альтернативным
([pic] альтернатива для [pic] и т. д.), поэтому вектор развития
архитектоники многолетних насаждений явно движется от [pic] к [pic].
Кульминацией этого развития станет блочно - пропашное исполнение
«организма» [pic] (см. табл. 2).
Чисто пропашное исполнение «организма» [pic][pic] [pic]
бесперспективно для садоводства
по причине сло-жности транспортировки урожая с участка. Рационально его
использовать в питомниководстве с модернизацией трактора МТЗ-80/82 и
[pic]
[pic] При четырёхразовой ротации насаждений.
культиватора КРН-5,6 [124]. Применение «организма» [pic], с использованием
[pic] по схеме [pic], при появлении [pic] стало не рациональным [34, 35,
48, 54, 56, 70, 71, 72, 85, 90, 93, 117, 119, 120].
Таким образом, многолетние насаждения с технологическими коридорами
являются самоорганизующейся системой, каждый вариант которой имеет сугубо
свои цели, поэтому на ближайшее обозримое будущее варианты [pic], или[pic],
или [pic], или [pic] этой технологии правомочны. В них параметры
технологического коридора останутся стабильными как минимум до 2010 года,
(на период пятого поколения техники ширина коридора будет в пределах 2 ...
2,5 м.), в то время как архитектоника растения будет продолжать
совершенствоваться [11, 26, 31, 32, 38, 43, 48, 56, 60, 65, 67, 73, 75, 81,
82, 83, 93, 94, 98, 111, 112, 113, 115, 116, 123, 125]. А это значит, что
заданная стратегия развития отличительной функции [pic] архитектоники
многолетних насаждений, «опирающаяся на поведенческие стере-отипы»
(Н.Н.Моисеев, 1996) этой функции, ещё не только не исчерпала себя, но и
находится на подъёме. Подъём её идёт явно по двум
Таблица 3
Морфологическая матрица вариантов исполнения
основных функций архитектоники многолетних растений
[pic]
направлениям: уменьшением количества технологических коридоров и параметров
растений. Но эти направления для [pic] и [pic] антагонистичны, так как с
уменьшением параметров растений уменьша-
ется ширина междурядья, что увеличивает её долю в параметре коридора с 25%
на СКС до 50% на карликовых подвоях М9, а это и недобор урожая с площади, и
увеличение антропогенного влияния агрегатов на почву более частыми
проходами на этой площади. Поэтому варианты [pic] и [pic] наиболее
перспективны [98]. При этом следует ожидать, что из вариантов [pic], [pic]
и [pic] будут синтезированы садовые [98] и виноградниковые (В.П.Бондарев,
1989) оптимальные конструкции крон отдельных растений или рядов [93] для
блока варианта [pic]. Путь этого синтеза чётко прослеживается с помощью
формализации кроны многолетнего растения в виде четырёхмерного
пространства, которая показывает направления совершенствования
архитектоники кроны, а следовательно и насаждения. Для этого были
использованы понятия науки проектирования и конструирования «носителей
функций» (Я.Дитрих, 1981), информация о которых представлена в табл. 3 и на
рис. 1.
[pic]
Рис. 1. Модульное с) нарастание дерева а) и куста в);
[pic] - апикально, по порядкам ветвления [pic];
[pic] - латерально, по порядкам утолщения [pic]
Анализ данных таблицы 3 показал, что, с позиции теории систем, вся
гамма форм архитектоники многолетнего растения строится на трёх основных
иерархически подчинённых функциях: ствола, скелета и периферии кроны.
Каждая из этих функций отдельный организм, имеющий сугубо свою цель, но
закономерность построения этих организмов однотипна - обязательная