In the work, the methods of system analysis have used for comparising several alternatives of existing plows in order to substantiate the optimal choice of a method for their modification. The analysis takes into account the discovered during soil cultivation in clear-cut areas fact, that share plows cultivate the soil well, but are not able to work in forest soils saturated with roots, or they require significant tractive power, which is not always advisable. Therefore, disc plows with good maneuverability and mobility are often used in clearings, however, the quality of surface processing is not ideal. Changes of existing implements design are required. The systematic approach allows us to justify the feasibility of implementation a new design solution taking into account several factors: expansion of design solutions, reduction of time for a working operation and features of using in the conditions of the Russian Federation. Studies have shown that a plow with forced working bodies possesses optimal characteristics, which, when processing soils in clearings, additionally loosens.
systematic approach, method of comparison of alternatives, comparison criteria, multi-criteria approach, plow designs, soil preparation in clearings.
УДК 519.86
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К СРАВНИТЕЛЬНОМУ АНАЛИЗУ
ПЛУГОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВ ПРИ ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИИ
Князев А.Г., Камалова Н.С., Юдин Р.В.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический
университет имени Г.Ф. Морозова»
E-mail: rc@icmail.ru
Аннотация: В работе с помощью методов системного анализа проводится сравнение нескольких альтернатив существующих плугов для обоснования оптимального выбора способа их модификации. Анализ учитывает обнаруженный при обработке почв на вырубках факт, что лемешные плуги хорошо обрабатывают почву, но не способны работать в насыщенных корнями лесных почвах, или для них требуются значительные тяговые мощности, что не всегда целесообразно. Поэтому чаще на вырубках используют дисковые плуги, имеющие хорошую проходимость и маневренность, однако, качество обработки поверхности при этом не идеальное. В конструкции существующих орудий необходимо внесение изменений. Системный подход позволяет для обоснования целесообразности реализации нового конструкторского решения учитывать несколько факторов: расширение конструкционных решений, сокращение времени на рабочую операцию и особенности использования в условиях Российской Федерации. Исследования показали, что оптимальными характеристиками обладает плуг с принудительными рабочими органами, который при обработке почв на вырубках дополнительно производит рыхление.
Ключевые слова: системный подход, метод сравнения альтернатив, критерии сравнения, многокритериальный подход, конструкции плуга, подготовка почв на вырубках.
SYSTEM APPROACH TO COMPARATIVE ANALYSIS OF
PLOWS FOR SOIL TREATMENT IN FOREST RESTORATION
Knyazev A.G., Kamalova N.S., Yudin R.V.
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Voronezh State
University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov»
E-mail: rc@icmail.ru
Summary: In the work, the methods of system analysis have used for comparising several alternatives of existing plows in order to substantiate the optimal choice of a method for their modification. The analysis takes into account the discovered during soil cultivation in clear-cut areas fact, that share plows cultivate the soil well, but are not able to work in forest soils saturated with roots, or they require significant tractive power, which is not always advisable. Therefore, disc plows with good maneuverability and mobility are often used in clearings, however, the quality of surface processing is not ideal. Changes of existing implements design are required. The systematic approach allows us to justify the feasibility of implementation a new design solution taking into account several factors: expansion of design solutions, reduction of time for a working operation and features of using in the conditions of the Russian Federation. Studies have shown that a plow with forced working bodies possesses optimal characteristics, which, when processing soils in clearings, additionally loosens.
Keywords: systematic approach, method of comparison of alternatives, comparison criteria, multi-criteria approach, plow designs, soil preparation in clearings.
Введение
Для принятия оптимальных решений при наличии нескольких критериев часто используют метод сравнения альтернатив Т. Саати [1-3]. Пример использования этого метода в области решения технических задач приведен в работе [4] для обоснования выбора эффективного корчевателя. Покажем пример применения методов системного анализа для решения технической задачи, связанной с лесовосстановлением.
Основой увеличения производительности труда в лесоразведении является комплексная механизация, использование автоматизации, внедрение систем машин с высокими технико-экономическими показателями. Для повышения эффективности почвообрабатывающих агрегатов требуется дальнейший рост их производительности, снижение тягового сопротивления и улучшение качества подготовки почвы [5, 6]. Таким образом, разработка технологических основ, создание и внедрение нового поколения машин и рабочих органов для обработки почвы – важная проблема в технологиях лесопромышленного комплекса.
В настоящее время на территории Российской Федерации для предварительной обработки почвы применяются плуг дисковый ПДВ-1,5, плуг лесной дисковый ПЛД-1,2 и различные лемешные плуги. При работе на вырубках обнаружено, что лемешные плуги, которые качественно обрабатывают почву, не могут работать в лесных почвах, насыщенных корнями, или для их работы требуются значительные тяговые мощности, что не соответствует задаче снижения энергозатрат. Известно, что дисковые плуги меньше подвержены забиванию сорняками, древесными остатками и другими волокнистыми материалами [7, 8]. Однако, они хуже, чем лемешные, выполняют оборот пласта. Так, если качество работы дискового плуга на песчаных почвах бывает достаточно хорошим, то при вспашке влажной, сильно задернелой почвы часть пластов оказывается заброшенной на отваленные при предыдущем проходе плуга пласты, а часть сваливается обратно в борозду. Кроме того, при взаимодействии рабочего органа с почвенным пластом возникают боковые усилия, которые отрицательно влияют на устойчивую работу плуга. Таким образом, применение дисковых плугов на лесных почвах с большим количеством растительных и древесных остатков сдерживается из-за отсутствия разработок конструкций дискового плуга с учетом взаимодействия рабочего органа с почвенным покровом. В частности, моделированию существенно мешает недостаток исследований в области взаимодействия почвенного пласта с дисковым рабочим органом и с плугом в целом.
С другой стороны, поскольку в российских условиях приходится приспосабливаться к различным нештатным ситуациям, таким как лесные пожары, ураганы и иные стихийные бедствия, важную роль играет скорость реагирования и эффективность производимых работ по предупреждению распространения или локализации последствий. Часто возникает требующая высокой мобильности и скорости острая необходимость по восстановлению экологических ресурсов. Поэтому лучше использовать дисковые плуги, которые производят не только первичную подготовку почвы для дальнейшего восстановления, но и способны значительно сократить пагубное влияние на окружающую среду, а, следовательно, значительно уменьшить затраты на ликвидацию последствий.
Цель данной работы – провести сравнение эффективности четырех дисковых лесных плугов (ПДВ-1,5, ПЛД-1,2, модернизированного плуга на базе ПЛД-1,2 и модернизированного плуга на базе предыдущей модели) по таким критериям, как оптимальность конструкторского решения, длительность рабочей операции и приспособленность использования плуга в климатических условиях Российской Федерации.
Для сравнительного анализа будем применять метод многокритериального анализа альтернатив или аналитической иерархии (МАИ) [1]. Данный подход уже использовался при обосновании технических устройств различного назначения [4, 9, 10].
Описание альтернатив
Первой альтернативой является дисковый плуг ПДВ-1,5, отличающейся хорошей подготовкой микроповышений. Однако, образованные гребни неустойчивы и склонны к разрушению и возврату в борозду, часто наблюдаются пустоты между пластами. В плане конструкторского решения необходимо учитывать высокую стоимость изготовления винтового отвала.
К достоинствам плуга лесного дискового ПЛД-1,2 (альтернатива № 2) можно отнести простоту конструкции и возможность использования на вырубках с различным рельефом местности. Однако, на практике наблюдается плохое рыхление почвы, что влияет на процесс образования борозды. К тому же, выявилась большая трудоемкость и низкая производительность при посадке и дальнейшем уходе.
В процессе разработки модернизированного лесного плуга на базе ПЛД-1, 2 (альтернатива № 3 – плуг) удалось добиться улучшений в работе по сравнению с аналогом, однако, проблему с микроповышениями решить не удалось.
Поэтому нами была предложена дальнейшая модернизация предыдущего плуга (альтернатива № 4 – плуг модернизированный), внедрено дополнительное оборудование, способное не только повысить оборачиваемость пласта, но и повысить рыхлительную способность плуга в целом за счет модернизации формы дискового корпуса. Модернизация позволила снизить тяговую нагрузку на трактор, что в итоге привело к снижению высоких требований к трактору.
Выбор критериев
В качестве критериев для сравнения альтернатив выбраны адаптированность к условиям эксплуатации на территории Российской Федерации (целевой критерий), экономия времени на рабочую операцию (краткосрочные перспективы) и критерий оптимальности конструкторского решения рабочего органа дискового плуга (конструкционный критерий).
Сравнение альтернатив
Анализ в выбранном методе проводится по коэффициентам значимости критериев и результатам сравнения альтернатив по каждому критерию (элементам каждого иерархического уровня). В результате вычисляются компоненты собственных векторов матриц попарного сравнения по формулам [1]:
(1)
где k – величина, обратная количеству критериев или альтернатив. Для нормировки используется соотношение:
, (2)
где i – номер критерия, j – номер альтернативы. В результате индикатор сравнения каждого устройства плуга оценивается как:
. (3)
Критерии сравнивались попарно в соответствии со степенью значимости (табл. 1). Самым значимым критерием в соответствии с целью исследования была выбрана адаптированность устройства к сложным условиям эксплуатации на территории Российской Федерации. Вторым по значимости являлся критерий длительности элементарной операции (краткосрочные перспективы), третьим – критерий оптимальности конструкционного решения.
Таблица 1
|
Критерии |
Конструкционный |
Краткосрочные перспективы |
Целевой |
|
Конструкционный |
1,0 |
3,0 |
0,2 |
|
Краткосрочные перспективы |
0,33 |
1,0 |
0,14 |
|
Целевой |
5,0 |
7,00 |
1,0 |
Рисунок 1 – Компоненты собственных векторов матриц попарного сравнения
Рисунок 2 – Результаты сравнения плугов
Сравнение проводилось с помощью электронных таблиц Excel (рис. 1). В результате математической обработки было выявлено очевидное преимущество второй модернизации плуга ПЛД-1,2 (рис. 2).
Заключение
Таким образом, в работе было продемонстрировано, что системный подход к сравнительному анализу нескольких альтернатив позволяет для обоснования целесообразности реализации нового конструкторского решения учитывать несколько факторов (критериев): расширение конструкционных решений, сокращение времени на рабочую операцию и особенности использования в условиях Российской Федерации. Исследования показали, что оптимальными характеристиками для обработки почв на вырубках в наших природных условиях обладает вторая модернизация плуга ПЛД-1,2, имеющая принудительные рабочие органы, которые производят дополнительное рыхление.
1. Saati, T. Prinyatie reshenij. Metod analiza ierarhij / T. Saati ; per. s angl. R. G. Vachnadze. - Moskva : Radio i svyaz', 1993. - 278 s.
2. Primenenie metoda analiza ierarhij pri regional'noj ocenke opolznevoj opasnosti (na primere rajona Severo-zapadnyj Laokaj, V'etnam) / CH. K. Nguen, I. K. Fomenko, V. V. Pendin, K. T. Nguen // Geoinformatika. - 2017. - № 2. - S. 53-66
3. Cibizova, T. YU. Primenenie metoda analiza ierarhij v ocenke kachestva processov upravleniya / T. YU. Cibizova, A. A. Karpunin // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2015. - № 2-1. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=20847.
4. Kuznecov, D. S. Primenenie metoda analiza ierarhij dlya obosnovaniya vybora naibolee effektivnogo korchevatelya / D. S. Kuznecov, E. V. Pozdnyakov, N. YU. Evsikova // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik. - 2020. - T. 1. - № 1 (31). - S. 133-139.
5. Bartenev, I. M. Sovremennye ekologicheski sbalansirovannye, resurso- i energosberegayushchie tekhnologii lesovosstanovleniya : [dep. rukopis'] / I. M. Bartenev, I. E. Doncov, M. N. Lysych // GOU VPO VGLTA. - Voronezh, 2008. - 21 s.
6. Drapalyuk, M. V. Matematicheskoe modelirovanie vzaimodejstviya rychazhnogo korchevatelya s pnem i pochvoj / M. V. Drapalyuk, D. N. Afonichev, E. V. Raeckaya // Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - № 77. - S. 202-213.
7. Burchenko, P. N. Mekhaniko-tekhnologicheskie osnovy pochvoobrabatyvayushchih mashin novogo pokoleniya / P. N. Burchenko. - Moskva : VIM, 2002. - 212 s.
8. SHabanov, M. L. Perspektivnye konstrukcii lesnyh diskovyh ryhlitelej / M. L. SHabanov, M. N Lysych, R. V. Ikonnikov // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. - 2016. - № 12-1. - S. 92-97. URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36482.
9. Sistemnyj podhod k probleme obosnovaniya modernizacii lesozagotovitel'nyh mashin / P. I. Popikov, N. YU. Evsikova, N. S. Kamalova, V. S. Polyanin // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka : teoriya i praktika : sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Voronezh, 2015. - № 2, ch. 2 (13-2). - S. 296-300.
10. Ocenka effektivnosti mekhanizmov korchevatel'nyh mashin metodom sravneniya al'ternativ Saati / I. M. Bartenev, E. V. Pozdnyakov, A. K. Pozdnyakov, M. V. SHavkov // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik. - 2018. - T. 1. - № 1 (23). - S. 91-95.
