Сельское хозяйство

Сельское хозяйство. 2 Механизация сельского хозяйства

К.т.н. Нурушев С.З.

Костанайский государственный университет им. А.Байтурсынова, Казахстан

Оптимизация параметров комбинированного орудия

Поверхностную обработку целинных солонцов – земель, подлежащих коренному улучшению, а также других задернелых под сенокосами и пастбищами почв в настоящее время выполняют тяжелыми дисковыми боронами за три-пять проходов или лугово-болотными фрезами за один. Фрезерование эффективнее, чем дискование, но более энергоемко. В последнее время изучены комбинированные рыхлительно - ротационные рабочие органы. Предварительными исследованиями НПО «Целинсельхозмеханизация» и ВИМ установлено, что они позволяют по сравнению с фрезерными уменьшить энергоемкость технологического процесса поверхностной обработки целинных солонцовых почв в 1,4…1,8 раза и нагрузку на ВОМ трактора в 1,9…2,8 раза [1]. Конструктивно-технологическая схема этих рабочих органов включает расположенные в шахматном порядке плоскорежущие лапы, размещенный за ними активный ротор с горизонтальной осью вращения и опорно-прикатывающий каток.

Задача данного исследования – обоснование рациональных параметров и режимов работы комбинированного орудия для поверхностной обработки солонцовых почв.

Учитывая сложность технологического процесса, в котором участвуют многие взаимосвязанные между собой факторы, для сокращения времени, объема исследований и повышения их уровня применили метод активного планирования эксперимента. Полученная математическая зависимость позволяет определить характер и степень влияния того или иного параметра (фактора) на технологический процесс.

Для получения математического описания объекта в исследуемой области использован план Хартли. Выбор его обусловлен тем, что последний при n=4 имеет минимальное число опытов по сравнению с планом центрального композиционного планирования и по свом статистическим свойствам близок к D – оптимальному [2]. План позволяет описать процесс математической моделью второго порядка в виде:

где - свободный член;

, , - коэффициенты регрессии;

Априорный анализ и результаты предварительных опытов показали, что на качественные и энергетические показатели комбинированного орудия наиболее существенно влияют число активных рабочих органов, расстояние между дисками, частота вращения фрезерного барабана и скорость движения агрегата (табл. 1).

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования факторов

Уровень фактора	Факторы
Уровень фактора	Число ножей x₁	Расстояние между дисками х₂, м	Частота вращения вала фрезерного барабана х₃, мин^-1	Скорость движения х₄, м/с
Основной	3	0,150	280	1,94
Верхний (+1)	4	0,165	380	2,78
Нижний (-1)	2	0,135	180	1,11
Интервал варьирования	1	0,015	100	0,83

В качестве критериев оптимизации приняты степень крошения поверхностного слоя, содержание эрозионно опасных частиц и удельная энергоемкость обработки почвы. В связи с тем что после основной мелиоративной обработки в период до посева почва подвергается паровым обработкам, воздействиям осенних и весенних осадков, согласно рекомендациям [3] за показатель степени крошения надсолонцового горизонта принят 70%, а содержание эрозионно опасных частиц минимальное.

Удельную энергоемкость обработки почвы комбинированным орудием определяли по следующей зависимости [4]:

где М – крутящий момент на валу фрезерного барабана, определяемый с помощью тензометрического вала и осциллографической аппаратуры, кН∙м;

- угловая скорость фрезерного барабана, с^-1;

Р_Т – тяговое сопротивление комбинированной машины, определяемое с помощью тензонавесного устройства, м;

h – глубина обработки, м;

- поступательная скорость движения агрегата, м/с.

Исследования проводили на старопахотных среднесуглинистых солонцах, занятых под многолетними травами, при твердости почвы в слое 0…0,20 м 3,8 МПа и влажности 14,9 % с помощью лабораторно-полевой установки, позволяющей изменять конструктивные параметры и режимы работы. Средняя глубина обработки равнялась 0,15 м. реализация многофакторного эксперимента с 17 опытами основной серии в трехкратной повторности приведена в табл. 2. Для исключения систематических ошибок порядок проведения опытов составлялся по таблице случайных чисел.

Обработку результатов эксперимента, расчет коэффициентов регрессии, оценку их значимости, проверку воспроизводимости процесса и адекватности уравнений провели по известной методике с использованием ЭВМ «НАИРИ-4» [5].

Таблица 2 – Матрица планирования и результаты экспериментов по определению качественных и энергетических показателей работы комбинированного орудия

Порядок проведения опытов	Уровень факторов				Крошение, %		Содержание эрозионно опасных частиц, %		Удельная энергоемкость, кВт/дм³
Порядок проведения опытов	х₁	х₂	х₃	х₄
9	-1	-1	-0,94	+0,8	53,90	53,07	7,28	11,03	89,7	85,15
1	+1	-1	-0,93	+0,77	57,90	61,03	31,78	31,91	127,37	132,08
17	-1	+1	-0,95	-1,07	62,29	62,55	16,08	15,53	99,8	96,81
5	+1	+1	-0,93	-0,93	73,94	72,11	40,11	36,75	99,73	96,89
4	-1	-1	+0,95	-0,97	88,96	89,35	22,31	22,32	141,43	137,16
2	+1	-1	+0,93	-0,93	93,01	96,44	43,37	40,46	179,2	182,23
16	-1	+1	+0,81	+0,83	76,38	76,34	33,06	34,25	159,07	154,46
8	+1	+1	+0,85	+0,9	85,03	81,80	40,27	41,35	119,0	115,37
3	-1	0	-0,01	+0,07	81,74	83,20	20,50	21,24	125,9	128,92
15	+1	0	-0,04	+0,03	90,50	90,27	36,81	36,87	216,1	219,93
6	0	-1	+0,03	+0,17	87,05	84,63	33,76	32,84	112,47	108,66
13	0	+1	+0,05	+0,13	91,60	87,29	23,72	21,69	108,9	112,37
11	0	0	-0,94	+0,13	74,25	73,08	13,54	14,03	91,8	93,9
12	0	0	+0,80	+0,03	87,60	86,61	30,01	28,12	146,0	145,61
14	0	0	-0,07	-0,97	89,56	87,25	18,07	17,00	127,13	128,28
7	0	0	-0,07	+0,73	73,41	76,19	17,16	18,04	94,6	91,36
10	0	0	+0,01	+0,03	81,38	87,14	21,30	22,24	123,77	129,52

Проверка равноточности измерений, проведенная по критерию Кохрена, подтверждается при уровне значимости равной 0,05. Коэффициенты уравнений регрессий, рассчитанные по формулам для плана Хартли типа 2^k^-1, оценивали на статистическую значимость по t-критерию Стьюдента. После исключения незначимых и уточнения значимых коэффициентов были получены следующие уравнения регрессии:

- по степени крошения почвы, %

;

- по степени содержания эрозионно опасных частиц (распыления)

;

- по удельной энергоемкости, Дж/дм³

Проверка полученных уравнений на адекватность по критерию Фишера показывает, что условие адекватности выполняется и полученные уравнения регрессии с уровнем значимости 5 % адекватно описывают технологический процесс.

Для обоснования рациональных параметров использован графоаналитический метод поиска условного экстремума [6]. Отыскание области оптимума проводилось совмещением двумерных сечений поверхностей откликов (удельной энергоемкости, степени крошения и содержания эрозионно опасных частиц) и поиска компромиссного решения. Анализ двумерных сечений поверхностей откликов позволил сделать вывод, что по критериям минимальной энергоемкости, содержания эрозионно опасных частиц почвы и степени крошения 70 % рациональными значениями факторов являются:

- рабочая скорость движения 2,5…2,8 м/с;

- частота вращения фрез барабана 215…275 мин^-1;

- расстояние между дисками 0,13…0,14 м;

- число ножей на диске 3…4 шт.

Выводы

1. Применение плана Хартли для обоснования параметров комбинированного орудия при правильном выборе интервалов и уровней варьирования факторов обеспечивает решение поставленной задачи.

2. Установлены рациональные параметры комбинированного орудия, обеспечивающие качественную обработку поверхностного слоя почвы при минимальных затратах энергии.

Литература:

1. Марченко О.С., Бычков В.В., Жуламанов К.Р., Нурушев С.З. Результаты исследования комбинированных рабочих органов для поверхностной обработки целинных солонцовых почв / / Науч.-техн. Бюл. ВАСХНИЛ,ВИМ.- 1986. – Вып. 63.

2. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента.- М.: Машиностроение, 1974.

3. Рекомендации Госагропрома СССР по применению новой техники для освоения солонцовых почв.- М., 1987.

4.Яцук Е.П. и др. Ротационные почвообрабатывающие машины.- М.: Машиностроение, 1971.

5.Мельников С.В. и др. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. - Л.: Колос, 1980.