Parametric optimization of the curvilinear working element for layerwise soil-free tillage



Cite item

Abstract

For effective functioning in conditions of insufficient and unstable moistening of the south of Russia, tillage machines are developed on the basis of the block-modular construction principle with various working elements with replaceable elements. The possibility of a combination of replaceable elements is incorporated in the design of the working element for layer-by-layer soil-free tillage. This working body is equipped with curved, planar rippers or plastic elements. Qualitative indices of the technological process of layer-by-layer soil-free tillage of the working body with a curvilinear ripper, in comparison with others, reach a higher level: 97,4...98,5 % of fractions up to 50 mm, a sharp decrease in the content of erosion-hazardous particles in the surface layer to 15,12...18,13 %. The energy consumption for the functioning of the working element with plastic elements is 6 % less than with the curved ripper. The purpose of the research шы еру reduction of energy costs due to optimization of the parameters of the working body with a curved ripper while maintaining the quality of the technological process of layered soil-free tillage. Experimental studies on the three-factor Box plan for determining the parameters of the working body with a curvilinear ripper have been carried out, which ensures a reduction in energy costs for layer-by-layer soil-free tillage. The criterion for evaluation is the traction resistance of the working body, on which the energy costs directly depend on the performance of the technological process of layer-by-layer soil-free tillage. The greatest influence on the growth of traction resistance is due to an increase in the crumbling bit angle of the barpoint. With increasing speed, a reduction in traction resistance with a lower intensity is observed. This is explained by the less significant effect of the speed of movement of the working member on its traction resistance in comparison with the propagation velocity of the stress wave. With an increase in the depth of cultivation of the soil, the traction resistance increases. When fixing the speed of moving the working element at a level of 2,5 m/s, the optimal value of the depth of tillage is 28...29 cm, the angle of crumbling of the bit is 31...31,5 degrees.

Full Text

Введение Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия намечен ряд задач, к которым относится воспроизводство и повышение эффективности использования земельных ресурсов, экологизация производства, увеличение объема производства продукции растениеводства на основе роста урожайности основных видов с/х культур, обеспеченность сельхозтоваропроизводителей современными видами сельскохозяйственной техники, внедрение инновационных разработок технологий [1-5] в АПК в условиях недостаточного и неустойчивого увлажнения юга России. Это позволит определить направления по формированию комплекса технических средств качественно нового поколения [6], позволяющих повысить производительность труда и энергоэффективность [7], надежность при эксплуатации машин [8], улучшить показатели технологического процесса [9], создать благоприятные условия для производства сельскохозяйственной продукции и обеспечить ее конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Возможен переход от интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур на так называемые высокие технологии, рассчитанные на достижение урожайности культуры, близкой к ее биологическому потенциалу. Разрабатываемые почвообрабатывающие машины за счет блочно-модульного принципа построения и комплектования их различными рабочими органами на основе синергистической комбинации сменных элементов [10] способны выполнять технологические операции в различных почвенно-климатических условиях, в том числе в условиях недостаточного и неустойчивого увлажнения южных регионов России. Возможность комбинации сменных элементов заложена в конструкции разработанного рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы [11]. Рабочий орган для послойной безотвальной обработки почвы оснащается криволинейным, плоскорезным рыхлителями или элементами из пластика. В результате проведенных ранее исследований [11] установлено, что наименьшее тяговое сопротивление возникает при функционировании рабочего органа с элементами из пластика. При этом разница тягового сопротивления (рис. 1, а) и рабочего органа с криволинейным рыхлителем (рис. 1, б) не превышает 6 %. а б Рис. 1. Исследуемые рабочие органы: а - с элементами из пластика; б - с эллиптическим рыхлителем Однако качественные показатели технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы рабочего органа с криволинейным рыхлителем достигают более высокого уровня: 97,4...98,5 % фракций размером до 50 мм; резкое снижение содержания эрозионно-опасных частиц в поверхностном слое до 15,12...18,13 %. Рабочий орган с элементами из пластика обеспечивает получение 82,0...84,8 % фракций размером до 50 мм и снижение на 2,95...3,41 % содержания эрозионно-опасных частиц в поверхностном слое почвы [12]. Цель исследования Целью исследования является снижение энергозатрат за счет оптимизации параметров рабочего органа с криволинейным рыхлителем при сохранении качества технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы. Материалы и методы исследования Проведены экспериментальные исследования по параметрической оптимизации [13] рабочего органа с криволинейным рыхлителем, обеспечивающим снижение энергозатрат на послойную безотвальную обработку почвы. Оптимизация параметров и режимов функционирования рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы предусматривала проведение полевых исследований. Экспериментальные значения измеряемых величин подвергали статистической обработке в соответствии с СТО АИСТ 1.17-2010 «Испытания сельскохозяйственной техники и агротехнологий. Методы сравнительной оценки с использованием многофакторного корреляционного-регрессивного анализа»; введен 15.09.2011. (взамен СТП 13.046-80). Варьируемыми факторами в эксперименте по трехфакторному плану Бокса были выбраны: скорость перемещения рабочего органа; глубина обработки почвы; угол крошения (входа в почву в поперечно-вертикальной плоскости) долота. Пределы изменения этих факторов представлены в табл. 1. Уровни факторов выбирали таким образом, чтобы оптимальные их значения, рассчитанные теоретически и учитывающие существующие ограничения, попадали в центр интервала варьирования. Максимальными значениями для первого фактора являются значения скорости перемещения рабочего органа от 2 до 3 м/с, для второго фактора - максимальной глубины обработки почвы от 25 до 35 см, третьего - максимального угла крошения долота от 30 до 35 град. Критерием оценки (отклика) является тяговое усилие энергосредства [14], затрачиваемое на преодоление силы сопротивления почвы, действующей на рабочий орган (тяговое сопротивление рабочего органа). От величины тягового сопротивления напрямую зависят энергозатраты на выполнение технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы. Поэтому необходимо подобрать рациональные значения факторов, обеспечивающих минимальное тяговое сопротивление. План эксперимента и выходные параметры опытов представлены в табл. 2. Результаты и их обсуждение В результате исследований влияния скорости перемещения рабочего органа, глубины обработки почвы, угла крошения долота на тяговое сопротивление получено регрессионное уравнение в кодированных обозначениях: Y = 2,252 - 0,663Х1 + 0,378Х2 + 0,85Х3 - - 0,6Х1Х2 + 0,325Х1Х3 + 0,475Х2Х3 - - 0,092 + 0,089+ 0,71. Проверка адекватности математической модели показала, что по критерию Фишера (F = 8,16 < Fтаб = 9,55) уравнение математической модели является адекватным. Модель применима для решения научно-исследовательских задач. Анализ влияния факторов на критерий оптимизации по уравнению регрессии выявил следующее. Угол крошения долота рабочего органа (Х3) оказывает наиболее сильное влияние. Этот фактор имеет наибольший коэффициент при Х3 в уравнении регрессии, а знак «плюс» у коэффициента, характеризующего влияние данного фактора, указывает на увеличение критерия оптимизации. Меньшее влияние на критерий оптимизации оказывает скорость перемещения рабочего органа (Х1). Знак «минус» у коэффициента при Х1, характеризующего влияние данного фактора, указывает на то, что с ростом его значения происходит уменьшение критерия оптимизации. Характер влияния глубины обработки почвы рабочим органом (Х2) показывает, что с увеличением его значения происходит рост тягового сопротивления. Влияние скорости перемещения рабочего органа и глубины обработки почвы на изменение тягового сопротивления представлено на рис. 2. При фиксации значения угла входа в почву долота рабочего органа на уровне 32,5 градуса критерий оптимизации последовательно уменьшается с увеличением скорости в пределах ее варьирования в опыте. Наименьшее значение критерий оптимизации достигает при глубине обработки почвы от 30 до 31,5 см. Влияние угла входа в почву долота рабочего органа и глубины обработки почвы на изменение тягового сопротивления представлено на рис. 3. Рис. 2. Поверхность отклика тягового сопротивления при изменении глубины обработки почвы и скорости рабочего органа с криволинейным рыхлителем Рис. 3. Поверхность отклика тягового сопротивления при изменении глубины обработки и угла крошения долота рабочего органа с криволинейным рыхлителем При фиксации значения скорости перемещения рабочего органа на уровне 2,5 м/с получено оптимальное значение глубины обработки почвы (от 28 до 29 см) и угла крошения долота (от 31 до 31,5 град.). Влияние изменения угла входа в почву долота рабочего органа и скорости перемещения рабочего органа на тяговое сопротивление представлено на рис. 4. Рис. 4. Поверхность отклика тягового сопротивления при изменении скорости и угла входа в почву долота рабочего органа с криволинейным рыхлителем При фиксации значения глубины обработки почвы рабочим органом на уровне 30 см критерий оптимизации последовательно уменьшается с увеличением скорости в пределах ее варьирования в опыте. Наименьшее значение критерий оптимизации достигает при угле крошения долота рабочего органа от 31 до 31,5 град. Оптимальный угол крошения долота рабочего органа составляет от 31 до 31,5 град и при глубине обработки почвы от 28 до 29 см зафиксировано оптимальное тяговое сопротивление. В результате проведенного анализа экспериментальных данных было выявлено снижение тягового сопротивления с увеличением скорости, что подтверждают предыдущие исследования [11] (рис. 5). Цифрами на рисунке указаны значения тягового сопротивления. Снижение тягового сопротивления с увеличением скорости можно объяснить характером взаимодействия рабочего органа с почвой в соответствии с конструкцией криволинейных стойки и рыхлителя, которые при крошении пласта за счет формы способствуют возникновению разнонаправленных деформаций, в том числе наименее энергоемких (растяжения). При оптимальном угле крошения наблюдается достаточный подпор пласта, отсутствует процесс сгруживания почвы перед рабочим органом [15], мощность энергосредства не расходуется на перемещение призмы волочения, и тяговое сопротивление снижается. Снижение тягового сопротивления с ростом скорости при блокированном резании, которое возникает при взаимодействии долота с почвой в подпахотном слое при достижении критической глубины резания, подтверждено исследованиями В.И. Пындака, А.Е. Новикова. Сжатие в условиях блокированного резания носит циклический характер, сопровождающийся смещением пласта вверх по поверхности наклонного долота. При этом от нагруженных и переуплотненных фрагментов почвы распространяются волны напряжений и деформаций - создается вибрационное воздействие на почву. Скорость распространения волны напряжения напрямую зависит от модуля упругости, который при высокой уплотнености и твердости подпахотных слоев почвы резко возрастает и соизмеряется со скоростью звука. Это объясняет несущественное влияние скорости перемещения рабочего органа на его тяговое сопротивление по сравнению со скоростью распространения волны напряжения [16]. При вибрационном воздействии угол внутреннего трения периодически стремится к нулю и при определенном угле крошения долота рабочего органа разрушение пласта происходит под углом скола, совпадающим с направлением наименьшего сопротивления почвы. Исследуемый рабочий орган разработан на основе чизельного с рыхлителем для мелкой обработки почвы, расположенным в верхней части стойки. Из анализа формулы Горячкина следует, что при уменьшении обрабатываемой площади в поперечном сечении при использовании чизеля, функционирующего с недорезом пласта по ширине захвата машины, а также при изменении коэффициентов, характеризующих сопротивление деформациям растяжения, увеличение скорости рабочего органа с криволинейными стойкой и рыхлителем не приводит к повышению тягового сопротивления, а при оптимальных параметрах даже способствует его снижению. Снижение тягового сопротивления при увеличении скорости рабочего органа с элементами из пластика объясняется уменьшением первой составляющей формулы Горячкина за счет положительных свойств используемого высокомолекулярного полиэтилена низкой плотности, выраженных в значительном уменьшении массы конструкции и коэффициента внешнего трения. Следует отметить, что условия проведения экспериментальных исследований [12] характеризовались экстремальной твердостью на глубине более 25 см (7,49 МПа при допускаемой 4 МПа). Поэтому необходимо продолжить исследования при различных условиях функционирования для подтверждения выдвинутой гипотезы о менее существенном влиянии скорости перемещения рабочего органа на его тяговое сопротивление (по сравнению со скоростью распространения волны напряжения). Заключение В результате экспериментальных исследований по трехфакторному плану Бокса по критерию минимума тягового сопротивления определены параметры рабочего органа с криволинейным рыхлителем, обеспечивающим снижение энергозатрат на послойную безотвальную обработку почвы: при фиксации значения скорости перемещения рабочего органа на уровне 2,5 м/с получено оптимальное значение глубины обработки почвы (от 28 до 29 см) и угла крошения долота (от 31 до 31,5 град.). Таблица ١ Пределы изменения факторов Варьируемые в опыте факторы Кодированные обозначения факторов Пределы изменения -1 0 +1 Скорость перемещения рабочего органа, м/с Х1 2 2,5 3 Глубина обработки почвы, см Х2 25 30 35 Угол крошения долота, град. Х3 30 32,5 35 Таблица ٢ План эксперимента и выходные параметры опытов № опыта Матрица планирования Натуральные значения переменных Выходные параметры (тяговое сопротивление), кН Х1 Х2 Х3 Скорость перемещения рабочего органа, м/с Глубина обработки почвы, см Угол крошения долота, град. 1 +1 +1 0 3 35 32,5 6,5 2 +1 -1 0 3 25 32,5 7,2 3 -1 +1 0 2 35 32,5 9,1 4 -1 -1 0 2 25 32,5 7,4 5 0 0 0 2,5 30 32,5 5,2 6 +1 0 +1 3 30 35 7,2 7 +1 0 -1 3 30 30 6,3 8 -1 0 +1 2 30 35 9,1 9 -1 0 -1 2 30 30 6,9 10 0 0 0 2,5 30 32,5 8,2 11 0 +1 +1 2,5 35 35 10,1 12 0 +1 -1 2,5 35 30 7,3 13 0 -1 +1 2,5 25 35 8,1 14 0 -1 -1 2,5 25 30 7,2 15 0 0 0 2,5 30 32,5 6,3 Рис. 5. Сечение поверхности отклика при изменении угла крошения долота и скорости перемещения рабочего органа с элементами из пластика [11]
×

About the authors

G. G Parhomenko

Federal State Budgetary Scientific Institution «Agrarian Science Center «Donskoy»

Email: parkhomenko.galya@yandex.ru
PhD in Engineering

References

  1. Пахомов В.И., Рыков В.Б., Камбулов С.И. Результаты сравнительной оценки механизированных технологий возделывания зерновых культур // Зерновое хозяйство России. 2016. № 1. С. 58-62.
  2. Алабушев А.В., Сухарев А.А., Попов А.С., Камбулов С.И., Н.Г. Янковский, Овсянникова Г.В. Минимизация обработки почвы под пропашные культуры и их продуктивность // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2016. № 6 (55). С. 30-33.
  3. Пахомов В.И., Рыков В.Б., Камбулов С.И., Шевченко Н.В., Ревякин Е.Л. Опыт возделывания озимой пшеницы в условиях недостаточного увлажнения. М.: Росинформагротех, 2015. 160 с.
  4. Алабушев А.В., Сухарев А.А., Попов А.С., Камбулов С.И., Логвинов А.Я. Изменение продуктивности сельскохозяйственных культур под воздействием однотипных способов основной обработки почвы // Земледелие. 2015. № 8. С. 25-28.
  5. Янковский Н.Г., Алабушев А.В., Жидков Г.А., Камбулов С.И., Сухарев А.А. Совершенствование основных элементов технологии возделывания озимой пшеницы. Ростов-на-Дону, 2011. 174 с.
  6. Tverdohlebov S.A., Parkhomenko G.G. Research of the new generation chisel plow // Mechanization in agriculture. 2017. № 1. С. 33-36.
  7. Пархоменко С.Г., Пархоменко Г.Г. Повышение энергоэффективности мобильных почвообрабатывающих агрегатов // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 3 (18). С. 40-47.
  8. Пархоменко Г.Г., Пархоменко С.Г. Повышение эксплуатационной надежности САР почвообрабатывающих машин // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 122. С. 87-91.
  9. Пархоменко Г.Г., Пархоменко С.Г. Оптимизация показателей технологических процессов сельскохозяйственного производства в растениеводстве // Хранение и переработка зерна. 2017. № 1 (209). С. 55-60.
  10. Пархоменко С.Г., Пархоменко Г.Г. Моделирование следящих систем почвообрабатывающих агрегатов // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 1. С. 22-31.
  11. Пархоменко Г.Г., Божко И.В., Громаков А.В., Пахомов В.И. Использование пластика в конструкциях почвообрабатывающих рабочих органов для послойной безотвальной обработки почвы // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 8. С. 8-15.
  12. Пархоменко Г.Г., Семенихина Ю.А., Громаков А.В., Божко И.В. Анализ агротехнических показателей рабочих органов для послойной безотвальной обработки почвы // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 5. С. 32-38.
  13. Пархоменко С.Г., Пархоменко Г.Г. Параметрическая оптимизация комбинированной следяще-силовой системы автоматического регулирования пахотного агрегата // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: сборник научных докладов Междунар. научно-практ. конф. Тамбов. 2015. С. 18-22.
  14. Пархоменко С.Г., Пархоменко Г.Г. Измерение силы тяги на крюке трактора в агрегате с навесной сельскохозяйственной машиной // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 4. С. 15-19.
  15. Пархоменко Г.Г., Щиров В.Н. Теория глубокорыхлителя: Расчет взаимодействия рабочих органов с почвой в засушливых условиях. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 78 с.
  16. Пындак В.И., Новиков А.Е. Энергоэффективность глубокого чизелевания почвы // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2013. № 4 (32). Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/energoeffektivnost-glubokogo-chizelevaniya-pochvy (дата обращения 26.01.2018).

Copyright (c) 2018 Parhomenko G.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies