Optimization of tillage roller parameters based on field research results

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Прикатывание, как технология, играет важнейшую роль для сельского хозяйства в целом, поскольку влияние на развитие семени и рост растения в начальной фазе его развития оказывает контакт семени с почвой и состояние водно-воздушной среды. Следовательно, применение данного вида обработки непосредственно после посева, оказывает положительный эффект, обеспечивая повышение урожайности до 12% при выполнении агротехнических требований [1–4]. Это связано с тем, что невыполнение требований к обработке почвы, например, по плотности, приводит к снижению урожайности, поскольку переуплотнение или низкая плотность почвы снижает объём пор воздуха и воды в почве или уменьшает контакт с ней семени. Анализ технологий посева культур без прикатывания или посева по стерне показал, что полевая всхожесть семян по сравнению с лабораторной в таких технологиях снижается больше, чем на 25% [5–8].

Проведённая нами подготовительная и аналитическая работа была направлена на определение основных конструктивных особенностей существующих катков. В результате выявлено, что для обеспечения требований по плотности и агрегатному составу почвы катки, как правило, оснащают дополнительными рабочими элементами, такими как выступы разных форм и размеров, ножами и т.д.

Для оценки качества обработки поверхности почвы с использованием почвообрабатывающих катков используют различные оценки отдельных характеристик почвы, например, её плотность. Но чтобы агротехнические требованиям были соблюдены в полной мере, требуется обеспечить достаточное уплотнение подсеменного ложа и наоборот, создать относительно рыхлый надсеменной слой почвы. Это помогает снизить потери влаги и эрозию от ветра, а также улучшает прогрев почвы. Прикатывание также способствует улучшению контакта между высеянными семенами и почвой, положительно влияя на дальнейшие рост и развитие растений [9–11].

На развитие озимых культур оказывает влияние разноуровневый рельеф поверхности почвы, создающийся в период их посева. Благодаря гребням и впадинам, образованным после прикатывания почвы формирующими рельеф почвообрабатывающими катками, увеличивается возможность появления дружных всходов из-за различия в получаемом количестве теплоты и света. Это также способствует повышению выживаемости растений в зимний период года и ускоряет их рост и развитие с наступлением тёплого периода.

Катки, серийно выпускаемые промышленностью, не в состоянии обеспечить требуемое качество почвы по плотности, поскольку после их применения поверхность почвы чаще всего переуплотнена. Структура почвы также не соответствует агротехническим требованиям, из-за чего страдает урожайность [12, 13]. С учетом изложенного выше, нами разработан каток для реализации на поверхности почвы рельефа в виде волн. Применение технологии волнового прикатывания основано на обеспечение разнокачественности растений в начальный период роста и дальнейшего развития. Особенно явно это прослеживается на озимых культурах, возделываемых в зонах рискованного земледелия, поскольку гребень волны лучше прогревается, а впадины хорошо накапливают влагу, что оказывает положительное влияние на растения. При этом разнокачественное развитие способствует здоровой конкуренции растений, что позволяет получить повышенный урожай.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рис. 1 представлен разработанный нами пружинно-волновой каток [14]. Для реализации на поверхности почвы рельефа в виде волн каток снабжён уплотняющими элементами в форме сегментов. В свою очередь, пружины, установленные на каждом из этих уплотняющих элементах, создают дополнительную силу, которая обеспечивает плавное увеличение давления на почву в зоне контакта. Это позволяет эффективно обеспечивать необходимую плотность в верхних слоях почвы. При этом уплотняющие элементы, возвращаясь в исходное положение, колеблются, что обеспечивает отбрасывание налипшей на них почвы в случае её повышенной влажности.

 

Рис. 1. Пружинно-волновой каток.

Fig. 1. A tillage roller.

 

При проведении исследований катка для определения плотности почвы на опытных и контрольных участках, был использован плотномер, выполненный по патенту РФ на полезную модель № 149064 (рис. 2). Применение такого плотномера позволяет определить плотность почвы по слоям, а также за счёт небольшой толщины стенок и возможности вращения корпуса предотвратить смещение слоёв почвы, что повышает качество отбора проб.

 

Рис. 2. Плотномер по патенту РФ на полезную модель № 149064.

Fig. 2. A densometer according to the utility model patent RU № 149064.

 

Полученные пробы взвешивали на весах OHAUS Pioneer PA413 для снижения влияния окружающей среды на дальнейший результат.

Уплотнение почвы и доведения ее состояния до соответствия требованиям, предъявляемым к выращиванию сельскохозяйственных культур, необходимо для получения высокого и стабильного урожая. Поскольку плотность почвы играет основную роль при развитии семени, начальном росте растения и формировании корневой системы, то необходимым условием получения высоких урожаев является поддержание плотности почвы в допустимом агротехническими требованиями интервале. Для этого после контроля показателей исходного состояния почвы выполняют прикатывание ее поверхности почвообрабатывающими катками с целью доведения плотности в надсеменном слое до требуемого значения [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полученные данные полевых исследований обрабатывали с помощью лицензионных специализированных программ, таких как Excel и Statistika. В этих программах, кроме статистической обработки результатов, можно выполнить оценку адекватности полученных моделей и значимость её коэффициентов.

Математическая модель любого технологического процесса должна отражать зависимость критерия оптимизации рассматриваемого процесса от его основных факторов. Как отмечено выше, критерий оптимизации процесса поверхностной обработки катком должен отражать качество этой обработки, а независимыми факторами процесса в этом случае являются: скорость катка, его масса при заданной ширине захвата, которая отражает удельное давление катка на почву, а также суммарное усилие сжатия пружин, характеризующее как степень равномерности вращения катка, так и величину силы дополнительного воздействия уплотнителей на почву (табл. 1).

 

Таблица 1. Границы изменяемых конструктивно-режимных параметров разработанного пружинно-волнового катка

Table 1. Limits of variable design-and-operation parameters of the developed tillage roller

Факторы, оказывающие непосредственное влияние на качество обработки почвы предлагаемым катком	Натуральное / кодированное значение фактора
Скорость v, км/ч / X	7 / -1	11 / 0	15 / +1
Масса балласта m, кг / Y	0 / -1	50 / 0	100 / +1
Количество дополнительных пружин на уплотнителе C, шт. / Z	0 / -1	2 / 0	4 / +1

 

Для анализа результатов исследования использовали систему классификации факторов, которая помогла провести качественный анализ полученных регрессионных уравнений и определить важность каждого параметра в этих уравнениях.

В качестве меры, определяющей эффективность уплотнения почвы при посеве с последующим прикатыванием почвообрабатывающими катками, использовали коэффициент плотности kпл, который оценивает качество прикатывания почвы относительно эталонных значений плотности, заданных агротребованиями. Этот коэффициент позволяет сравнить фактическую плотность почвы после обработки с её эталонными значениями и таким образом оценить качество работы катка.

После обработки экспериментальных данных были получены адекватные уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь между конструктивно-режимными параметрами разработанного катка и значениями критерия оптимизации. Эти уравнения позволяют определить, какой из параметров оказывает наибольшее влияние на принятый критерий. В уравнения (1), (3) и (5) подставляются параметры в натуральных значениях, а в уравнение (2), (4) и (6) — в кодированных:

$k_{пл} = \mathrm{0,6607} + \mathrm{0,0291}v + \mathrm{0,0021}m - \mathrm{0,0011}{v}^2 - \mathrm{4,7824}·{10}^{-5}vm - \mathrm{1,9378}·{10}^{-5}{m}^2,$ (1)

$K = \mathrm{0,8744} + \mathrm{0,0069}X - \mathrm{0,0172}Y - \mathrm{0,0181}{X}^2 - \mathrm{0,0096}XY - \mathrm{0,0484}{Y}^2,$ (2)

$k_{пл} = \mathrm{0,6037} + \mathrm{0,0313}v + \mathrm{0,0883}C - \mathrm{0,0011}{v}^2 - \mathrm{0,0023}vC - \mathrm{0,0142}{C}^2,$ (3)

$K = \mathrm{0,8798} + \mathrm{0,0069}X + \mathrm{0,0124}Z - \mathrm{0,0181} X^2 - \mathrm{0,0185}XZ - \mathrm{0,0566}{Z}^2,$ (4)

$k_{пл} = \mathrm{0,7872} + \mathrm{0,0018}m + \mathrm{0,0691}C - \mathrm{1,9378}·{10}^{-5}{m}^2 - \mathrm{0,0001}mC - \mathrm{0,0142}{C}^2,$ (5)

$K = \mathrm{0,9} - \mathrm{0,0172}Y + \mathrm{0,0124}Z - \mathrm{0,0484}{Y}^2 - \mathrm{0,0126}YZ - \mathrm{0,0566}{Z}^2.$ (6)

Проанализировав приведённые уравнения, можно заключить что большее влияние на k_пл оказывает количество дополнительных пружин на уплотняющих элементах. В свою очередь, масса балласта оказалась менее значима, а именно, на 14,5%.

При этом скорость движения разработанного пружинно-волнового катка на k_пл оказывает на 68% меньший эффект, чем количество дополнительных пружин.

Чтобы оценить влияние на k_пл независимых факторов, представленных выше, в программе STATISTICA 10 с помощью функции «графики поверхностей» нами построены 3D-графики для натуральных значений факторов, а также 2D-графики для их кодированных значений (рис. 3 и 4 соответственно).

 

Рис. 3. 3D-график влияния на k_пл независимых факторов в натуральных значениях: a — скорости и массы балласта; b — скорости и количества дополнительных пружин; c — массы балласта и количества дополнительных пружин.

Fig. 3. The 3D graphs of influence of independent factors on the k_d in natural values: a — velocity and mass of ballast; b — velocity and value of additional springs; c — mass of ballast and value of additional springs.

 

Рис. 4. 2D-график влияния на k_пл независимых факторов в кодированных значениях: a — скорости и массы балласта; b — скорости и количества дополнительных пружин; c — массы балласта и количества дополнительных пружин.

Fig. 4. The 2D graphs of influence of independent factors on the k_d in coded values: a — velocity and mass of ballast; b — velocity and value of additional springs; c — mass of ballast and value of additional springs.

 

На основе анализа полученных данных и графического описания моделей выявлено, что максимальное значение k_пл формируется при скорости движения исследуемого катка в пределах от 10,75 км/ч до 25 км/ч, двух дополнительных пружинах на уплотнителе и массе балласта 35…45 кг, которая обеспечивает удельное давление пружинно-волнового катка на почву 1450,4…1515,7 Н/м. При этом значения kпл колеблются в интервале от 0,875 до 0,9, а площадь области оптимума составляет 20% от всей поверхности отклика.

ОБСУЖДЕНИЕ

Одновременно с предлагаемым пружинно-волновым катком на исследуемом участке поля также проводили прикатывание почвы кольчато-шпоровым и гладким водоналивным катками. После прикатывания отбирали пробы почвы для каждого из исследуемых катков. В результате сравнения данных, полученных после поверхностной обработки, выявлено, что k_пл на участке поля с послепосевным прикатыванием ККШ-6, составил 0,69, что значительно ниже, чем у предлагаемого катка (k_пл = 0,9).

Полученные данные производственных исследований нового катка показали, что урожайность ячменя возросла на 33,3% (до 20,8 ц/га) по сравнению с урожайностью участка, где применялось послепосевное прикатывание катком ККШ-6. Разработанным катком также прикатывали почву после посева пшеницы, урожайность которой, в свою очередь, увеличилась на 16,5% (до 19,1 ц/га) по сравнению с урожайностью, полученной после обработки почвы гладким водоналивным катком, который обеспечил k_пл, не превышающий 0,64.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённого нами исследования выявлено, что предлагаемый пружинно-волновой каток обеспечивает наилучшее качество прикатывания почвы. Максимальное значение k_пл почвы, равное 0,9, при её обработке пружинно-волновым катком достигается при скорости агрегата v = 11 км/ч, удельном давлении на почву 1450,4 Н/м и двух дополнительных пружинах на уплотнителе (С = 2 шт.). Такое значение k_пл на 30,4% больше по сравнению со значением коэффициента плотности, достигаемым при использовании наиболее распространенных кольчато-шпоровых катков и на 40,6% больше по сравнению с гладким водоналивным катком.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В.Е. Прошкин, Е.Н. Прошкин — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; В.И. Курдюмов ― редактирование текста рукописи; Р.В. Богатский ― создание изображений; В.И. Курдюмов ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.E. Proshkin, E.N. Proshkin ― search for publications on the topic of the manuscript, writing the text of the manuscript; V.I. Kurdyumov ― editing the text of the manuscript; R.V. Bogatsky ― creating images; V.I. Kurdyumov ― expert opinion, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

作者简介

Vyacheslav Proshkin

Ulyanovsk State Agrarian University

编辑信件的主要联系方式.
Email: veproshkin1993@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0307-3411
SPIN 代码: 1501-8513

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Agrotechnology, Machinery and Life Safety Department

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

Vladimir Kurdyumov

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: bgdie@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1603-1779
SPIN 代码: 2823-4234

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Head of the Agrotechnology, Machinery and Life Safety Department

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

Roman Bogatsky

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: gerald7337@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-2170-3430
SPIN 代码: 8673-0942

Student of the Engineering Faculty

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

Evgeny Proshkin

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: mobilemach-dep@ugsha.ru
ORCID iD: 0009-0007-3900-1413
SPIN 代码: 8680-5095

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Operation of Mobile Machines and Technological Equipment Department

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

参考

补充文件