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

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

Supplementary files