Technical and Economic Efficiency of Using Multifunctional Containers in Primary Seed Production of Grain Crops

Full Text

Введение

В соответствии с Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации¹, безопасность в указанной области определяется индикаторами продовольственной независимости. В настоящее время пшеница и ячмень занимают главное положение в списке основных культур. Усредненный показатель незащищенного сектора продовольственной независимости в 2022 г. оценивается в 25,6 %², в 2018 – 28,7 %³, в 2014 – 37,2 %⁴.

Повышение эффективности производства семян на уровне селекционных хозяйств и семенных заводов заключается в широкой модернизации технологии производства селекционных семян. В первичном семеноводстве можно выделить четыре операции, которые с применением гибкой мешкотары выполняются неэффективно. К таковым относятся: многократная ручная перевалка семян, при которой повреждается мешкотара и теряются семена; контроль состояния семян по влажности; сушка семян до кондиционной влажности, а также хранение семян с контролируемыми режимами хранения. Необходимо отметить, что контроль влажности и режимов хранения в случае с нахождением семян в мешкотаре затруднен.

Таким образом, замена мешкотары на многофункциональный жесткий контейнер для первичного семеноводства зерновых культур – важная задача. При этом исключаются технологические недостатки мешкотары, появляется возможность замены ручного труда при перевалке семян, погрузке и разгрузке тары на высокоавтоматизированный [1; 3]. В качестве исследуемой культуры были приняты семена пшеницы, занимающие 45 % посевных площадей и объем рынка семян в 7,4 млн т⁵, что может позволить перераспределить освободившуюся технику и людей на производство культур с недостаточным показателем продовольственной независимости. Применение разработанного технологического контейнера обосновывается по критериям технико-экономической эффективности в сравнении с паллетоместом и мешкотарой.

Обзор литературы

Широкое описание возможностей контейнеризации грузопереработки при замещении труда капиталом, воплощенном в оборудовании, представлено в работе Д. Бауэрсокса, Д. Клосса⁶. Основы конструирования контейнерной упаковки для погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ сельскохозяйственных грузов с оценкой влияния конструкций на экономическую эффективность представлены в работе Г. М. Третьякова, И. В. Горюшинского⁷.

Агротехнологии и сельскохозяйственные культуры как объект контейнеризации исследованы в работах А. Ю. Измайлова [4; 5], Н. Е. Евтюшенкова, Р. К. Курбанова [6], А. С. Чулкова [7; 8], где обоснована экономическая эффективность применения адаптивных технических средств транспортной логистики на базе сменных кузовов, обеспечивающих правильную работу с агротехнологиями производства сельскохозяйственной продукции.

В работе Н. М. Латышенок [2] контейнер используется в качестве выделенной единицы хранения запаса. При этом конструкция контейнера обеспечивает экономическую эффективность хранения семенного зерна за счет герметичности и контроля газовой среды внутри контейнера. Предпосылки и перспективы развития контейнеризации сельскохозяйственных культур исследованы также в ряде других работ [9–18].

Настоящая статья предложена авторами как дополнение к работам исследователей контейнеризации транспортного обеспечения зерновых культур. Вместе с этим научный интерес представляет применение концепции адаптивных технических средств в условиях ограничений первичного семеноводства, где годовой условный объем работ составляет менее 1 тыс. т. Объем бункеров селекционно-семеноводческих комбайнов меньше объема уже обоснованных для продовольственного зерна конструкций сменных кузовов. Перевозки регламентируются законом Российской Федерации «О семеноводстве»⁸, а сушка семян ограничена предельной температурой нагрева в 40–45 °C и предельной неравномерностью влажности семян после сушки в ±1,5 %. При этом необходимо обеспечить чистоту творческого селекционного процесса, сохранность и жизнеспособность семян на всех технологических операциях производства. Применение дорогостоящей техники при сравнительно небольших объемах работы побуждает исследовать возможности обоснования комплексного повышения производительности технологического оборудования⁹.

Анализ работ таких авторов как Л. А. Пестряков, А. И. Бурьянов, С. В. Власова, Э. В. Жалнин, А. Ю. Измайлов, М. Л. Крюков и А. В. Голубкович [19–26] показал, что актуальным техническим решением и способом, наиболее полно обеспечивающим комплексное повышение производительности производства семян, является сменный сушильно-транспортный контейнер, конструкция которого минимизирует перевалку семян при погрузке и разгрузке, а также обеспечивает изоляцию семян от внешней среды при доступе агента сушки. Модульность и закрытость конструкции позволила заложить функцию реверса контейнера, использующуюся, например, при пересыпании семян. Использование реверса в процессе сушки позволяет увеличить разово высушиваемый слой¹⁰ и, следовательно, разовую загрузку зерносушилки и транспортных средств. Недостатком такой конструкции является нарушение качества технологического процесса сушки и хранения семян в контейнерах из-за отсутствия возможности отбора проб семян из контейнера, находящегося в штабеле или в перевернутом положении. Также не найдена зависимость, позволяющая рассчитать время реверсивной сушки семян. Таким образом, может являться рациональной разработка многофункционального контейнера для транспортировки, сушки, хранения, погрузки и разгрузки селекционных семян зерновых культур с устранением конструктивных недостатков прототипа.

Материалы и методы

В процессе исследования был разработан многофункциональный контейнер для первичного семеноводства зерновых культур, габариты которого составили 1000х995х820 мм, а вместимость – 0,5 м³. Он включает каркас с боковыми стенками, перфорированные днище и крышку, возможность эксплуатации с селекционно-семеноводческим комбайном, вилочным погрузчиком, тельфером, функцию вращения кантователем в процессе сушки или пересыпания семян из него (рис. 1).

 

Рис. 1. Многофункциональный контейнер для первичного семеноводства зерновых культур

Fig.1. Multifunctional container for primary seed production of grain crops

 

В качестве техники были использованы такие машины как селекционно-семеноводческий комбайн Wintersteiger Delta [27; 28] с шириной захвата жатки 2 м и системой затаривания семян в мешки (либо зерновым бункером 1,5 м³), трактор «Беларус-622» с полуприцепом 1ПТС-2, тельфер электрический TOR CD1 10916, конвективные зерносушильные установки на базе зерносушилки лотковой СЛ-0,3х2. Основные исходные данные оценки экономической эффективности представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Исходные данные оценки экономической эффективности

Table1. Cost-effectiveness baseline

Символ/ Symbol	Описание/Description	Числовое значение на операции по аналогичной (новой) технике /  Numeric value for analog (new) technology operations
		Уборка / Harvesting	Транспор-тировка / Transporting	Сушка / Drying
1	2	3	4	5
λсмi	Количество основного и вспомогательного персонала (механизаторы и вспомогательные рабочие), обслуживающего самоходную технику МТА за 1 ч. сменного времени на i-м виде работы, чел./Number of main and auxiliary personnel (machine operators and auxiliary workers) servicing self-propelled equipment of MTA per 1 h. of shift time in the i type of work, people	1	3/1	2/1
Wсмi	Производительность техники МТА за 1 ч. сменного времени на i-м виде работы, т/ч/Equipment productivity of MTA per 1 h. of shift time in the i type of work, t/hour	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation
τk	Часовая оплата труда обслуживающего персонала k-ой квалификации, руб/чел/Hourly wages of service personnel with k qualification, ruble/person	187,5	187,5	187,5
nз	Коэффициент, учитывающий уровень социальных отчислений от зарплаты, регламентируемых законодательством конкретного государства/Coefficient that takes into account the level of social deductions from wages regulated by the legislation of a particular state	1,302	1,302	1,302
gTi	Удельный расход моторного топлива (электроэнергии, газа), кг/т/Specific consumption of motor fuel (electricity, gas), kg/t	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation
Цт	Цена топлива (электроэнергии, газа), руб/кг (кВт*ч)/Price of fuel (electricity, gas), ruble/kg (kWh)	42	42	5,5
Ксм.м	Коэффициент учета цены смазочных материалов/Lubricant price factor	1,25	1,25	1
Бмj	Цена j-ой техники (без НДС), НДЕ/Price of j equipment (excluding VAT), national currency	13 000 000	2 170 000	419 000
Kpj	Значение отчислений на ремонт и техническое обслуживание от цены j-ой техники на 100 ч. ее работы, принятые в конкретном государстве, %/Value of deductions for repair and maintenance from the price of j equipment per 100 h. of its operation, adopted in a particular state, %	2,43	0,98	1,5
Kсмj	Коэффициент использования сменного времени j-ой техникой за период контрольных смен/Coefficient of use of shift time by j equipment for the period of control shifts	0,7	0,7	0,7
Kгj	Коэффициент готовности j-ой техники по оперативному времени/Readiness ratio of j equipment by operational time	0,97	0,97	0,97
Kт.и.j	Коэффициент технического использования j-ой техники, определяемый по данным испытаний на надежность/Coefficient of technical use of j equipment, determined according to reliability testing data	0,98	0,98	0,98
Rмj	Значение амортизационного ресурса j-й техники, ч./Value of depreciation life of j equipment, h.	2548	11132	3600
gf	Удельный расход f-го вспомогательного материала, кг/т/Specific consumption of f auxiliary material, kg/t	20+2,5/2,5	20+2,5/2,5	20+2,5/2,5
Rв.мf	Цена единицы f-го вспомогательного технологического материала, руб/кг (м, шт.)/Unit price of f auxiliary technological material, ruble/kg (m, pcs.)	25+1000/12 000
Yc.х.	Урожайность продукции, т/км2/Product yield, t/km2	400–800	400–800	400–800
Цсем	Цена семенного материала, руб/т/Price of seed material, ruble/t	17 000	17 000	17 000
ПВ	Относительная полевая всхожесть семян, %/Relative field germination of seeds, %	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation
nагрᵢ	Агротехнический срок выполнения i-го вида работы, принятый в зоне, дней/Agrotechnical period for completing the i type of work adopted in the zone, days	60	20	20
ti	Возможное время работы техники в сутки на i-м виде работы, ч./Possible operating time of equipment per day in the i type of work, h.	8	8	24
$F_{у}^{\mathrm{Г}}$	Годовой условный объем i-го вида работы, т/Annual conditional volume of the i type of work, t	400,75	400,75	400,75
nсм	Число смен работы обслуживающего персонала в течение суток (целое число), шт./Number of work shifts of service personnel during the day (integer), pcs.	1	1	3
Бсхмj	Цена j-й сельхозмашины, НДЕ/Price of j agricultural machine, national currency	0	200 000	215 000
nсхмj	Число j-х сельхозмашин в МТА, шт./Number of j agricultural machines in MTA, pcs.	0	1	1
$N_{{\mathrm{тех}}_i}^{\mathrm{г}}$	Необходимое количество техники на i-м виде работы, шт./Required amount of equipment for the i type of work, pcs.	Расчет/Calculation	Расчет/Calculation	Расчет / Calculation

 

Для расчета показателей производительности техники W_смi, а также ее потребного количества  на годовой условный объем сортов принято уравнение:

$N_{{\mathrm{тех}}_i}^{\mathrm{г}}\frac{F_y^{\mathrm{г}}}{F_j^{\mathrm{г}}}$, шт.,                                                                                                   (1)

где $F_j^{\mathrm{г}}$ , т – годовой фактический объем i-го технического средства; значение $F_y^{\mathrm{г}}$ принято в расчет на основании плана посевов зерновых Института семеноводства и агротехнологий Всероссийского института механизации «ИСА ВИМ» [29].

Для расчета потребного количества $F_{{\mathrm{тех}}_{\mathrm{к}.\mathrm{м}.}}^{{\mathrm{г}}^{{}^{}}}$ принятого в расчет комбайна при использовании мешкотары уравнение (1) будет выглядеть следующим образом:

$N_{{\mathrm{тех}}_{\mathrm{к}.\mathrm{м}.}}^{\mathrm{г}}= \frac{F_y^{\mathrm{г}}}{{\displaystyle \underset{}{\overset{}{}}}{W}_{{\mathrm{cm}}_{\mathrm{к}.\mathrm{м}}}· t_{\mathrm{к}} · n_{\mathrm{см}}^{\mathrm{к}} · n_{{\mathrm{агр}}_{\mathrm{к}}}}$, шт.                                                                       (2)

Для расчета производительности $W_{см{к}_{\mathrm{м}}}$ принято уравнение:

$W_{см{к}_{\mathrm{м}}} = \left(\frac{3,6 · q_{\mathrm{к}} · \left(1-{\gamma }_{\mathrm{м}}\right) · {\tau }_{\mathrm{к}}^{\mathrm{м}} · k_x}{{\displaystyle \underset{}{\overset{}{\left(1 +\epsilon \right)}}}}\right)$, т/ч,                                                               (3)

где q_к – пропускная способность комбайна, q_к = 2,69 кг/с; γ_м ‒ коэффициент вариации подачи хлебной массы, γ_м = 0,15; k_x – коэффициент, учитывающий состояние убираемого хлебостоя, k_x = 0,95; ε – отношение массы соломы к массе зерна, ε = 0,8; ${\tau }_{\mathrm{к}}^{\mathrm{м}}$ – коэффициент использования времени смены при использовании мешкотары рассчитывается по формуле:

${\tau }_{\mathrm{к}}^{\mathrm{м}} = \left(1-\frac{t_{\mathrm{обсл}}}{t_{\mathrm{к}}}\right) · {\tau }_p^{\mathrm{м}}$,                                                                                       (4)

где t_обсл – вспомогательное время, t_обсл = 1,2 ч.; t_к – время смены оператора комбайна, t_к = 8 ч.; ${\tau }_p^{\mathrm{м}}$ – коэффициент работы комбайна при использовании мешкотары, относящийся только к намолоту зерна, определяется следующим образом:

${\tau }_p^{\mathrm{м}} = \frac{t_{\mathrm{бз}}}{t_{{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}}}^{\mathrm{м}}}$,                                                                                                         (5)

где t_бз, ч. – время на уборку до полного заполнения бункера зерном определяется соотношением:

$t_{\mathrm{бз}} =\frac{V_{б} · \rho · \left(1+{\delta }_{с}\right)}{3,6 · q_{\mathrm{к}} · {К}_{\mathrm{п}}}$, ч.,                                                                                 (6)

где V_б, м³ – объем бункера; ρ – насыпная плотность пшеницы, ρ = 0,715 т/м³; δ_с – выход побочной продукции по отношению к основной, δ_с = 0,9; K_п – коэффициент уменьшения пропускной способности комбайна, K_п = 1.

Время цикла комбайна при использовании мешкотары $t_{{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}}}^{\mathrm{м}}$ представляет собой сумму:

$t_{{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}}}^{\mathrm{м}}= t_{{\mathrm{бз}}_{\mathrm{к}1}} + t_{\mathrm{пов}.{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}2}} + t_{{\mathrm{рг}}_{\mathrm{к}3}}^{м}$, ч.,                                                                               (7)

где $t_{\mathrm{пов}.{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}2}}$ – время, затрачиваемое комбайном на прохождение поворотов:

$t_{\mathrm{пов}.{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}2}}= \frac{{R_{\mathrm{xx}}}_{\mathrm{к}} · {\displaystyle \underset{}{\sum n_{\mathrm{пов}}}}}{v_{\mathrm{пов}} · {\displaystyle \frac{L_{\mathrm{г}}}{t_{\mathrm{бз}} · v_{\mathrm{бз}}}}}$, ч.,                                                                                 (8)

где ${R_{\mathrm{xx}}}_{\mathrm{к}}$, км – путь холостого хода комбайна, ${R_{\mathrm{xx}}}_{\mathrm{к}}$ = 0,04 км; ∑n_пов, шт. – общее количество поворотов на поле. При ширине поля B_п = 0,48 км; ∑n_пов = 233 шт.; v_пов – скорость прохождения поворотов, v_пов = 4,4 км/ч; L_г – длина гона, L _г= 0,05–0,25 км; v_бз – скорость при комбайнировании, v_бз = 4,2 км/ч. v_бз.

$t_{{\mathrm{рг}}_{\mathrm{к}3}}^{\mathrm{м}}$– время разгрузки семян, $t_{{\mathrm{рг}}_{\mathrm{к}3}}^{\mathrm{м}}$ ч. (рис. 2a, 2b).

 

Рис. 2. Погрузочно-разгрузочные работы на операции уборки, транспортировки и сушки с применением мешкотары

Fig.2. Handling operations during harvesting, transporting and drying of grain with the use of sacks

 

Удельный расход моторного топлива при использовании мешкотары $g_{{\mathrm{Т}}_{\mathrm{к}.\mathrm{м}}}$ определяется по формуле:

$g_{{\mathrm{Т}}_{\mathrm{к}.\mathrm{м}}}= \frac{G_{{\mathrm{T}}_{\mathrm{к}}} · t_{{\mathrm{ц}}_{\mathrm{к}}}^{\mathrm{м}}}{V_{\mathrm{б}} · \rho }$, кг/т,                                                                                       (9)

где $G_{{\mathrm{T}}_{\mathrm{к}}}$, кг/ч – часовой расход топлива. Для комбайна Wintersteiger Delta $G_{{\mathrm{T}}_{\mathrm{к}}}$ = 11,87 кг/ч.

Для расчета производительности $W_{{\mathrm{см}}_{\mathrm{т}.\mathrm{м}}}$ и потребного количества $N_{{\mathrm{тех}}_{\mathrm{т}.\mathrm{м}}}^{\mathrm{г}}$ принятого в расчет транспортного средства (ТС) при использовании мешкотары получим по формуле (1) уравнение потребного количества транспортных средств:

$N_{{\mathrm{тех}}_{\mathrm{т}.\mathrm{м}}}^{\mathrm{г}}=\frac{F_{}^{}}{W_{}}$, шт. (10)

Для расчета W_смт.м принято следующее уравнение:

, т/ч, (11)

где n_пм.imaxт – максимальное количество паллетомест, размещаемых в кузове ТС, определяющееся в соответствии с i-вариантами размещения при продольном, поперечном и комбинированном размещении n_пм.imaxт = 3 шт.; n_упт.пм – количество упаковок на паллетоместе, n_упт.пм = 8 шт.;  – вместимость единицы упаковки. При использовании мешкотары  = 0,05 т; t_см.фт – фактическая длительность смены операторов транспортировки, t_см.фт = t_т ‒ t_обсл.

Время цикла ТС при использовании мешкотары  рассматривается по формуле:

, ч, (12)

где t_{рг‒кпт1}, ч. – продолжительность переезда ТС от места разгрузки до края поля (без груза).

Время движения ТС при подборе груза t_{зг‒згт2} определяется соотношением:

, ч., (13)

где  – доля пройденного пути через 24 ближайшие точки загрузки (для трех паллетомест по 8 грузовых единиц), длина гона L_г = 50–250 м, ширина захвата жатки зерноуборочного комбайна B_ж = 1,25–2,3 м [30]:

. (14)

v_зг‒зг – скорость передвижения между точками загрузки, v_зг‒зг = 10 км/ч.; t_згт3 – продолжительность загрузки, t_згт3 = 0,012 ч. (рис. 2c); n_зг – количество операций загрузки ТС за единичный цикл, n_зг = 8; t_{зг‒кпт4}, ч. – продолжительность переезда ТС места загрузки к краю поля (по стерне, с грузом); t_{кп‒взт5}, ч. – продолжительность переезда ТС от края поля до пункта взвешивания (с грузом); t_взт6 – продолжительность взвешивания груза и оформления сопутствующих документов, t_взт6 = 0,06 ч.; t_{вз‒ргт7}, ч. – продолжительность переезда ТС от пункта взвешивания до места разгрузки (с грузом); t_ргт8 – продолжительность разгрузки ТС, t_ргт8 = 0,014 ч. (рис. 2d).

Удельный расход моторного топлива транспортного средства при использовании мешкотары g_Tт.м определяется по формуле:

, кг/т, (15)

где G_Tт – часовой расход топлива для трактора «Беларус-622», G_Tт = 14,3 кг/ч.

При расчете производительности W_смс.м и потребного количества  принятой зерносушилки с использованием мешкотары получим по формуле (1) уравнение потребного количества транспортных средств:

, шт. (16)

Для расчета W_смс.м принято уравнение:

, (17)

где G_вл.з – разовая загрузка влажного зерна в зерносушилку, G_вл.з = 0,4 т; t_см.фс, ч. – фактическая длительность смены операторов сушки, t_см.фс = t_с ‒ t_обсл.

Время цикла сушки при использовании мягкой тары  определяется по формуле:

, ч., (18)

где  – продолжительность загрузки зерносушилки при использовании мешкотары,  ч. (рис. 2e); , ч. – время сушки семян в стационарном слое определяется из соотношения [7]:

, ч., (19)

где U_н, U_к, кг вл/кг сух. материала – начальное и конечное влагосодержание семян, U_н = 0,25–0,43 кг вл/кг сух. материала, U_к = 0,16 кг вл/кг сух. материала; r – теплота парообразования влаги, r ≈ 2 730 кДж/кг; H – высота слоя семян, H = 0,3 м; α – коэффициент теплоотдачи,; t_аг – температура агента сушки, t_аг = 40 °С; θ_ср – начальная средняя температура семян, θ_ср ≈ 25 °С; f – удельная поверхность семян, f ≈ 3 м²/кг.

η – доля теплоты, пошедшая на испарение влаги, рассчитывается по формуле:

, кВт, (20)

где Q_w – расход тепла на испарение влаги при использовании технологии мягкой тары.

, (21)

где G_вл – количество испаряемой влаги в процессе сушки:

, кг, (22)

где W_н, W_к, % – начальная и конечная влажность зерна, W_н = 20‒30 %, W_к = 14 %; с_n – теплоемкость водяного пара,; c_в – теплоемкость воды,; Q_∑, кВт – общий расход тепла на сушку:

, кВт, (23)

где Q_з – расход тепла на нагревание зерна в зерносушилке рассчитывается следующим образом:

, кВт., (24)

где G_c.з – масса высушенного зерна в зерносушилке представляет сумму:

, кг; (25)

где c_з – теплоемкость зерна рассчитывается по формуле:

, (26)

где c_с – теплоемкость сухого вещества зерна. Для зерна пшеницы удельная теплоемкость сухого вещества; t₂ – температура зерна в конце сушки, t₂ = 40 °C.

Потери тепла в окружающую среду Q_П вычислим следующим образом:

Q_П = 0,1 ⋅ Q_w, кВт. (27)

Высота пограничного слоя семян h_n = 0,35 м.

Продолжительность разгрузки зерносушилки при использовании мешкотары  ч. (рис. 2f).

Удельный расход электроэнергии при использовании мешкотары g_Tт.м определяется по формуле:

, кВт/т, (28)

где G_Tc – часовой расход электроэнергии для зерносушилки лотковой СЛ-0,3х2, G_Tc = 14,4 кВт/ч.

Расчет производительности W_смк.к и потребного количества  принятого в расчет комбайна при использовании многофункционального контейнера отличается учетом времени ожидания ТС. Тогда формула (7) примет вид:

, ч. (29)

К расчетам принимаются численные значения объема бункера V_б = 1,5 м³, время разгрузки семян при использовании многофункционального контейнера  ч. (рис. 3a). Остальные числовые значения принимаются идентичными при расчетах с использованием мешкотары.

 

Рис. 3. Погрузочно-разгрузочные работы на операции уборки, транспортировки, сушки с применением многофункционального контейнера

Fig.3. Handling operations during harvesting, transporting and drying of grain with the use of a multifunctional container

 

Расчет производительности W_смк.к и потребного количества  принятого в расчет ТС при использовании многофункционального контейнера отличается учетом времени ожидания намолота семян комбайном. Тогда формула (12) примет вид:

, ч., (30)

где t_ожт2, ч. – продолжительность пребывания ТС у поля в ожидании намолота зерна комбайном. t_ожт2 принимается равным нулю, если t_рг-кпт1+t_кп-згт3+t_зг-кпт5++ t_кп-взт6+t_взт7+t_вз-ргт8+t_ргт9 < t_бзк1+t_пов.цк2 (для t_ожк3 применяется обратное условие); t_кп-згт3, ч. – продолжительность переезда ТС от края поля до места загрузки (по стерне, без груза , n_зг = 1, v_кп-зг = 9,2 км/ч); продолжительность загрузки t_згт4 = 0,009 ч. (рис. 3а); продолжительность переезда ТС от места загрузки до края поля t_зг-кпт5 ≈ t_кп-згт3; t_кп-взт6, ч. – продолжительность переезда ТС от края поля до пункта взвешивания (с грузом v_кп-вз = 16,8 км/ч); t_взт7, ч. – продолжительность взвешивания груза и оформления сопутствующих документов, t_взт7 = 0,06 ч; t_вз-ргт8, ч. – продолжительность переезда ТС от пункта взвешивания до места разгрузки (с грузом, v_вз-рг = 16,8 км/ч); продолжительность разгрузки ТС t_ргт9 = 0,007 ч. (рис. 3b, c). К расчетам также принимаются числовые значения n_упт.пм =1 шт.;  т. Остальные числовые значения принимаются идентичными при расчетах с использованием мешкотары.

Расчет производительности W_смс.к и потребного количества  принятой в расчет зерносушилки при использовании многофункционального контейнера отличается временем загрузки и разгрузки, а также временем сушки, поскольку в ее процессе применяется реверс слоя семян. Тогда уравнение (19) примет вид:

, ч., (31)

где w₀, n, w_рев – начальная влажность семян, %; количество переворотов контейнера, ед.; момент влажности переворота контейнера, %.

Для определения коэффициентов регрессии уравнения реверсивной сушки  в соответствии с разработанной конструкторской документацией был использован стенд комплекта сушильно-транспортного оборудования, а также был проведен трехуровневый эксперимент по плану Бокса-Бенкена^[11]. Испытательный стенд содержит манипулятор-кантователь (1), передвижной контейнер для «биг-бэга» (2), контейнер сушильно-транспортный (3), контейнерную тепловентиляционную установку (4) (рис. 4).

 

Рис. 4. Испытательный стенд контейнерного сушильно-транспортного оборудования

Fig.4. Testing stand for container drying and transporting equipment

 

В контейнере размещена яровая пшеница «Рима». Диапазоны варьирования факторов приведены в таблице 2.

После преобразований получили уравнение расчета времени реверсивной сушки:

, ч. (32)

Адекватность уравнения регрессии по критерию Фишера: F_расч= 0,94. При F_расч < 1. Уравнение адекватно на всех уровнях значимости.

 

Таблица 2. Диапазоны варьирования факторов эксперимента сушки семян

Table2. Variation ranges of seed drying experiment factors

Факторы/Factors	w0, % – Начальная влажность  семян / Initial seed moisture	n – Количество переворотов  контейнера / Number of container flips	wрев, % – Момент  влажности переворота контейнера / Moment of humidity of container overturn
Диапазон варьирования/Range of variation	20...25...30	2...4...6	14...16...18

 

Оценка неравномерности семян по влажности после сушки в контрольных точках по высоте слоя 60 см не показала превышений допустимой неравномерности ±1,5 %.

К расчетам также принимаются числовые значения  ч.,  ч. (рис. 3d). Остальные числовые значения принимаются идентичными при расчетах с использованием мешкотары.

Производительность и потребное количество принятого в расчет комбайна, зерносушилки с применением мешкотары и многофункционального контейнера могут изменяться в зависимости от внешних условий. Используя параметр удельного грузооборота р, который показывает нагруженность плеча перевозки «поле-ток» погонным урожаем с части поля шириной 1 м, возможно графически иллюстрировать изменения производительности W_смк.м, W_смк.к, W_смт.м, W_смт.к и , , ,:

; (33)

; (34)

, т⋅км, (35)

где U_j, т/км² – урожайность культуры, U_i = 400–800 т/км²; L_г, км – длина гона, L_г = 0,05–0,25 км; b – ширина единичного участка поля, b = 0,01 км; L_п-т – длина участка «поле-ток», L_п-т = 0,5–1,5 км.

Тогда изменение производительности комбайна W_смк.м, W_смк.к и ,  по формулам (2), (3) и (29) с учетом (33)–(35) можно проиллюстрировать так, как показано на рисунке 5.

 

Рис. 5. Графики изменения производительности селекционно-семеноводческого комбайна Wintersteiger Delta при использовании мешкотары на 50 кг по пшенице (сверху) и многофункционального контейнера (снизу)

Fig.5. Graphs of changes in productivity of the Wintersteiger Delta plot harvester using a sack for 50 kg of wheat (top) and a multi-functional container (bottom)

 

Несколько линий на графиках представляют собой максимальные (линия максимальной толщины), минимальные (линия минимальной толщины) и средние значения (штриховая линия средней толщины) при повторяющихся значениях p комбинациями U_i, L_г, L_п-т. Внутри линий максимального и минимального значения производительности образуется область значений функции, а по промежуточной линии – преобладающие зчения производительности. Тогда изменение производительности комбайна W_смк.м и W_смк.к можно описать уравнениями:

, т/ч; (36)

(37)

и  по заданным исходным данным всегда равно 1.

Изменение производительности и потребного количества транспортных средств W_смт.м и W_смт.к,  и  по формулам (10, 11) и (30) с учетом (33–35) можно проиллюстрировать так, как показано на рисунках 6 и 7.

Изменение W_смт.м и W_смт.к можно описать уравнениями:

; (38)

(39)

 

Рис. 6. Графики изменения производительности транспортного средства «Беларус-622» с полуприцепом 1ПТС-2 при использовании мешкотары на 50 кг по пшенице (сверху) и многофункционального контейнера (снизу)

Fig.6. Graphs of changes in productivity of Belarus 622 tractor with 1PTS-2 semi-trailer when using a sack for 50 kg of wheat (top) and a multifunctional container (bottom)

 

Рис. 7. График изменения потребного количества в транспортном средстве «Беларус-622» с полуприцепом 1ПТС-2 при использовании мешкотары на 50 кг по пшенице и многофункционального контейнера

Fig.7. Graph of change of required amount in Belarus 622 tractor with 1PTS-2 semi-trailer when using a sack for 50 kg of wheat and a multifunctional container

 

Графическое иллюстрирование изменения производительности и потребного количества зерносушилки W_смс.м, W_смс.к и N_техс.м,  по формулам (16), (17) и (32) проводилось в зависимости от начальной влажности семян w₀. На рисунке 8 (a, b) показано изменение W_смс.м, W_смс.к и ,  при сушке в стационарном слое (штриховая линия) и с применением реверса слоя (сплошная линия) при наиболее эффективном по времени сушки режиме реверса n = 6 переворотов и w_рев = 18 %. Годовой условный объем работ операции сушки изменяется в зависимости от начальной влажности и проиллюстрирован на рисунке 8c, при котором может сохраняться положительная рентабельность от выручки готовой продукции при использовании мешкотары при рыночной цене семян 17 тыс. руб/т.

Изменение W_смс.м и W_смс.к можно описать уравнениями:

; (40)

. (41)

 

Рис. 8. График изменения производительности (a), потребного количества (b) и годового условного объема работ (c) зерносушилки на базе зерносушилки лотковой СЛ-0,3х2 при использовании мешкотары на 50 кг по пшенице (штриховая линия) и многофункционального контейнера (сплошная линия)

Fig.8 . Graph of change of productivity (a), required amount (b) and annual equivalent performance (c) of grain dryer on the basis of tray grain dryer SL-0,3x2 when using a sack for 50 kg of wheat (dashed line) and multifunctional container (continuous line)

 

Рис. 9. Пророщенные семена яровой пшеницы «Рима», хранящиеся в мешках (слева) и многофункциональном контейнере (справа)

Fig.9. Spring wheat sprouts Rima stored in sacks (left) and multifunctional container (right)

 

В ходе исследования также была проведена оценка всхожести семян в соответствии с ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести» после 9 месяцев хранения в контейнере и в мешках для получения показателя П_в (рис. 9). Семена хранились в соответствии с пунктом 6 ГОСТ 52325-2005 «Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия» в вентилируемом помещении при температуре от +12 до +23 °С и относительной влажности воздуха 50–70 %. Значения энергии прорастания и всхожести приведены в таблице 3.

 

Таблица 3. Показатели энергии прорастания и всхожести семян яровой пшеницы «Рима», хранящихся в мешках и многофункциональном контейнере

Table3. Indicators of germination energy and germinating ability of the spring wheat Rima, stored in sacks and in a multifunctional container

Срок хранения/Storage time Энергия прорастания, всхожесть, %/ Germination energy, germinating ability, %	3 месяца / 3 month	6 месяцев / 6 month	9 месяцев / 9 month
Мешок/Sack	98/98	92/96	89/91
Контейнер/Container	98/98	94/97	96/97

 

Приведенные исходные данные были использованы для оценки технико-экономической эффективности применения многофункциональных контейнеров в первичном семеноводстве зерновых культур в сравнении с мешкотарой в соответствии с ГОСТ 34393-2018 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки»¹².

Результаты исследования

Рассмотрим графики изменения показателей сравнительной экономической эффективности на технологических операциях уборки и транспортировки в зависимости от удельного грузооборота (рис. 10–12). При этом контуры графиков соответствуют контурам графиков изменения производительности принятой в расчет техники и сушки семян в зависимости от начальной влажности семян. На рисунках 10 a, 11 а, 12 а представлены графики изменения экономии совокупных денежных средств на годовой фактический объем на технологической операции уборки, транспортировки и сушки. На рисунках 10 b, 11 b, 12 b (штрихпунктирная линия) представлены графики изменения снижения себестоимости выполнения работы на годовой условный объем 400,7 т на технологической операции уборки, транспортировки и 20–130 т на операции сушки. На рисунках 10 c, 11 c, 12 c представлены графики изменения сроков окупаемости капиталовложений на годовой условный объем 400,7 т на технологической операции уборки, транспортировки и 20–130 т на операции сушки. На рисунке 12 (b, штриховая линия) представлен график изменения снижения потребности в обслуживающем персонале на технологической операции сушки. На операции уборки снижение потребности в обслуживающем персонале отсутствует, на операции транспортировки оно постоянно и равно 66 %, а на операции сушки – 33 %. На рисунках 10 d, 11 d, 12 b (сплошная линия) представлены графики изменения снижения потребности в источниках энергии на годовой условный объем 400,7 т на технологической операции уборки, транспортировки и 20–130 т на операции сушки.

 

Рис. 10. Показатели сравнительной экономической эффективности применения многофункционального контейнера в сравнении с мешкотарой при уборке селекционно-семеноводческим комбайном Wintersteiger Delta

Fig.10. Indicators of comparative economic efficiency of using a multifunctional container in comparison with sacks during harvesting by the Wintersteiger Delta plot combine

 

Рис. 11. Показатели сравнительной экономической эффективности применения многофункционального контейнера в сравнении с мешкотарой при перевозке транспортным средством «Беларус-622» с полуприцепом 1ПТС-2

Рис. 11. Показатели сравнительной экономической эффективности применения многофункционального контейнера в сравнении с мешкотарой при перевозке транспортным средством «Беларус-622» с полуприцепом 1ПТС-2

 

Согласно графикам (рис. 7, 8, 10, 11, 12), при годовом условном объеме работ 400,7 т экономия совокупных затрат денежных средств для селекционно-семеноводческого комбайна при использовании многофункционального контейнера в зависимости от удельного грузооборота составляет в среднем 117,9 тыс. руб., снижение себестоимости выполнения работы – 32,8 %, срок окупаемости – 2 года, снижение потребности в обслуживающем персонале не выявлено, источниках энергии – 32,3 %, снижение потребности в комбайнах не выявлено. Экономия совокупных затрат денежных средств для транспортного средства при использовании многофункционального контейнера в зависимости от удельного грузооборота составляет в среднем 67,6 тыс. руб., снижение себестоимости выполнения работы – 49,5 %, срок окупаемости – 0,2 года, снижение потребности в обслуживающем персонале – 66 % и источниках энергии – 27,5 %, снижение потребности в транспортных средствах – 41,6 %; экономия совокупных затрат денежных средств для зерносушилки с применением многофункционального контейнера при годовом условном объеме работ 20–130 т в зависимости от начальной влажности семян составляет в среднем 306,5 тыс. руб., снижение себестоимости выполнения работы – 46,2 %, срок окупаемости – 0,8 года, снижение потребности в обслуживающем персонале – 33,3 % и источниках энергии – 12,8 % снижение потребности в зерносушилках – 20,5 %.

 

Рис. 12. Показатели сравнительной экономической эффективности конвективной сушки зерносушилкой на базе зерносушилки лотковой СЛ-0,3х2 с применением реверсируемого многофункционального контейнера в сравнении с сушкой в стационарном слое с применением мешкотары

Fig.12. Indicators of comparative economic efficiency of convective drying by grain dryer on the basis of the SL-0,3x2 grain dryer tray with the use of reversible multifunctional container in comparison with drying in a stationary layer with bagging

 

Графики рисунков 10–12 указывают на то, что рост производительности принятой в расчет уборочно-транспортной техники повышает годовой фактический объем единицы техники и, соответственно, затраты на единицу техники.

Обсуждение и заключение

Удалось выяснить, что снижается себестоимость выполнения работы на годовой условный объем работ, срок окупаемости капиталовложений и потребность в источниках энергии, однако, изменение экономии затрат может не являться прямо пропорциональным изменению производительности. При удельном грузообороте p = 1 тк⋅м экономия затрат при меньшей производительности превышает экономию затрат при большей производительности, хотя разница становится менее заметной по мере обобщения показателей экономической эффективности: от экономии затрат на единицу техники до срока окупаемости капиталовложений. Это может быть связано с тем, что прирост производительности уборочно-транспортной техники от перехода к многофункциональному контейнеру в условиях показателей удельного грузооборота, обеспечивающих меньшую эксплуатационную производительность, выше по сравнению с условиями показателей удельного грузооборота при большей эксплуатационной производительности. Однако и в этом случае многое зависит от отдельных показателей, из которых составляется сравнительная экономическая эффективность. Например, экономия затрат на оплату труда при транспортировке на годовой фактический объем, которая зависит от изменения производительности транспортного средства, куда входит паллетоместо на 8 мешков или многофункциональный контейнер, при p = 0,9 − 1 т⋅км изменяются, что показано на рисунке 13 а. Экономия затрат на горюче-смазочные материалы изменяется, что показано на рисунке 14 b, а экономия затрат от потерь семян изменяется так, как показано на рисунке 14 c. В свою очередь, экономия затрат на вспомогательные материалы на годовой фактический объем, которые не зависят от изменения производительности комбайна, изменяются так, как показано на рисунке 14 d. Изменения экономии затрат на ремонтно-обслуживающие работы и амортизацию на годовой фактический объем равны нулю. Контуры графиков соответствуют контурам графиков изменения производительности и экономии затрат принятой в расчет техники.

 

Рис. 13. Фрагменты изменения экономии затрат на оплату труда (а), горюче-смазочные материалы (b), от потерь семян (c) и вспомогательные материалы (d) на годовой фактический объем работ транспортного средства «Беларус-622» с полуприцепом 1ПТС-2

Fig.13. Fragments of changes in labor cost savings (a), fuels and lubricants (b), from seed losses (c), and support materials (d) on the annual actual volume of work of Belarus 622 tractor with 1PTS-2 semi-trailer

 

Отмечено повышение потребности в моторном топливе на технологической операции транспортировки в диапазоне p = 0,1−0,2 т⋅км с применением многофункционального контейнера. Повышение может быть связано с меньшими пробегами ТС при подборе мешкотары в поле перемещением ТС методом прохождения ближайших точек и исключением простоев по сравнению с прямым взаимодействием комбайна и транспортного средства [19]. Отмечено повышение потребности в электроэнергии на технологической операции сушки в диапазоне начальной влажности семян 28–30 % с применением многофункционального контейнера, но обобщающий показатель себестоимости выполнения работы показывает снижение совокупных затрат. Повышение может быть связано с циркуляцией некоторого количества влаги в слое, которое не успевает покинуть слой до очередного реверса контейнера, за счет чего увеличивается время сушки до кондиционной влажности. В совокупности наилучшие показатели обеспечиваются в производстве семян с применением многофункционального контейнера и с обслуживающей контейнер техникой с наибольшей эксплуатационной производительностью (исключением является диапазон p = 0,9−1 т⋅км, при котором наибольшая совокупная экономическая эффективность достигается с меньшей производительностью представленной техники) (рис. 14).

 

Рис. 14. Графики изменения совокупного снижения себестоимости работ по уборке, транспортировке, сушке (а), срока окупаемости многофункционального контейнера (b), снижения потребности в обслуживающем персонале (c), топливе (d), электроэнергии (e)

Fig.14. Graphs of changes in the cumulative reduction in the cost of harvesting, transporting, drying (a), the payback period for a multifunctional container (b), reducing the need for maintenance personnel (c), fuel (d), electricity (e)

 

Показатели удельного грузооборота рисунка 14 представлены в таблице 4, среди которых наибольшая экономическая эффективность за счет снижения себестоимости выполнения работ, снижения потребности в обслуживающем персонале, источниках энергии и технике обеспечена при U_i = 800 т/км²; L_г= 0,15 км; b = 0,01 км; L_п-т = 0,5 км, начальной влажности семян 21 % (p = 0,6 т⋅км).

 

Таблица 4. Показатели удельного грузооборота U_i, L_г, b, L_п-т обеспечивающие наибольшую экономическую эффективность с применением многофункционального контейнера

Table4. Indicators of specific cargo turnover U_i, L_г, b, L_п-т that provide the greatest economic efficiency with the use of a multifunctional container

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
p	0,1	0,15	0,2	0,3	0,4	0,45	0,5	0,6	0,7	0,9	1	1,2	1,35	1,5	1,8	2	2,25	3
Ui	400	600	800	400	800	600	400	800	600	600	400	800	600	600	800	800	600	800
Lг	0,05	0,05	0,05	0,15	0,05	0,15	0,25	0,15	0,25	0,15	0,25	0,15	0,15	0,25	0,15	0,25	0,25	0,25
b	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Lп-т	0,5	0,5	0,5	0,5	1	0,5	0,5	0,5	0,5	1	1	1	1,5	1	1,5	1	1,5	1,5

 

Также в таблице 4 курсивом отмечены показатели удельного грузооборота p = 1 т⋅км, при которых меньшая в данных условиях производительность техники обеспечивает большую экономическую эффективность.

 

¹ Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации [Электронный ресурс]: Указ Президента РФ от 21 января 2020 г. № 20. URL: https://base.garant.ru/73438425/ (дата обращения: 04.11.2023).

² Растениеводство в России: урожай 2022 года, импортозамещение, статистика по экспорту [Электронный ресурс]. URL: https://delprof.ru/press-center/open-analytics/rastenievodstvo-v-rossii-urozhay-2022-goda-importozameshchenie-statistika-po-eksportu/11(дата обращения: 04.11.2023).

³ Дачники и аграрии столкнутся с проблемами из-за избыточного контроля импорта семян [Электронный ресурс]. URL: https://www.interfax.ru/russia/703920 (дата обращения: 04.11.2023).

⁴ Кубань за 5 лет планирует избавиться от импортных семян [Электронный ресурс]. URL: https://rostov.rbc.ru/rostov/25/09/2015/560560e19a79476d67122b54 (дата обращения: 04.11.2023).

⁵ Федеральная служба государственной статистики. Посевные площади, валовые сборы и урожайность сельскохозяйственных культур в Российской Федерации в 2022 году (предварительные данные) [Электронный ресурс]. URL: https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/29_cx_predv_2022.xlsx (дата обращения: 04.11.2023).

⁶ Бауэрсокс Д. Дж., Клосс Д. Дж. Логистика: интегрированная цепь поставок. М.: Олимп-Бизнес, 2017. 640 с.

⁷ Третьяков Г. М., Горюшинский И. В., Горюшинский В. С. Контейнерно-транспортные системы в агропромышленном комплексе. М.: Колос-Пресс, 2002. 224 с.

⁸ О семеноводстве [Электронный ресурс]: Закон Российской Федерации от 22.12.2021 № 454-ФЗ. URL: https://base.garant.ru/403332751/ (дата обращения: 04.11.2023).

⁹ ГОСТ 46-72-78. Параметры опытного поля, схемы посева и требования к типажу посевных и уборочных машин в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур. Параметры элементов опытного поля по этапам работ: дата введения 1978-01-01.

¹⁰ Уколов В. С. Сушка семян в камерных сушилках с реверсивной подачей воздуха // Теория и техника сушки зерна: труды научной конференции 15–17 апреля 1969 г. – М: ВНИИЗ, 1969. С. 181–190.

¹¹ План эксперимента Бокса-Бенкина [Электронный ресурс]. URL: http://mdop.sourceforge.net/help_pe/index_ru.html

¹² ГОСТ 34393-2018. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки: дата введения 2019-09-01.

About the authors

Mikhail E. Chaplygin

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: misha2728@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0031-6868
ResearcherId: AAZ-6056-2020

Cand.Sci. (Engr.), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Technologies and Machines for Sowing and Harvesting Grain and Seeds in Selection and Seed Production

 

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Kirill A. Stepanov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: 89999878895@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-1511-4307

Junior Researcher, employee of the Laboratory of Technologies and machines for sowing and harvesting grain and seeds in selection and seed production

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

References

Supplementary files