CC BY
19УДК 631.42
ФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ В МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Тишанинов Игорь Александрович, преподаватель технических дисциплин; ГОБПОУ «ЧАК», Чаплыгин, Российская Федерация Катаев Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной и компьютерной графики, Свиридов Алексей Сергеевич, ассистент кафедры инженерной и компьютерной графики; ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация
Аннотация: В работе рассмотрена возможность применения фрактального анализа при оценке грунта, разрыхленного в почвенном канале П-образным рыхлителем. Построена трехмерная карта распределения фрактальной размерности грунта. Определен наилучший угол разложения рабочего органа для продуктивного рыхления почвы.
Ключевые слова: механизация сельского хозяйства; фрактальная; технология; почвенный канал; грунт.
FRACTAL ANALYSIS IN AGRICULTURAL MECHANIZATION
Tishaninov Igor' Aleksandrovich, Teacher of technical subjects;
Chaplyginsky Agricultural College, Chaplygin, Russia Kataev Yurij Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Engineering and Computer Graphics, Sviridov Aleksej Sergeevich, Assistant of the Department of Engineering
and Computer Graphics; Timiryazev Russian State Agrarian University, Moscow, Russia
Abstract: The paper considers the possibility of using fractal analysis in the assessment of soil loosened in the soil channel by a U-shaped ripper. A three-dimensional map of the distribution of the fractal dimension of the soil is constructed. The best angle of decomposition of the working body for productive loosening of the soil is determined. Keywords: agricultural mechanization; fractal; technology; soil channel; soil.
Для цитирования: Тишанинов, И. А. Фрактальный анализ в механизации сельского хозяйства / И. А. Тишанинов, Ю. В. Катаев, А. С. Свиридов. - Текст : электронный // Наука без границ. -2021. - № 2 (54). -С. 37-43. - URL: https://nauka-bez-granic.ru/No-2-54-2021/2-54-2021/
For citation: Tishaninov I.A., Kataev Yu.V., Sviridov A.S. Fractal analysis in agricultural mechanization // Scince without borders, 2021, no. 2 (54), pp. 37-43.
Любой механизированный процесс производства в сельском хозяйстве нуждается в технологическом росте. Сейчас крупные агрохолдинги внедряют различные инновационные технологии и методику производственных операций. Это позволяет более
быстро решать поставленные задачи, достигать определенных целей в производстве, составлять конкурентоспособность. Механизация сельского хозяйства - очень обширная сфера деятельности, которая содержит много различных технологических, транс-
портных и вспомогательно-производственных операций, нацеленных на получение конкурентоспособной продукции. Это достигается за счет применения техники нового поколения, обеспечивающей высокоточное исполнение операций, сокращения трудовых энергетических издержек и ряда других ресурсов. Кроме того, внедряются высокоэффективные информационные технологии, например ГЛОНАСС [1].
В поставленные задачи входит применение метода фрактального анализа для оценки фрактальных характеристик грунта после обработки его различными сельскохозяйственными рабочими органами. Их проектирование осуществлялось в программном обеспечении КОМПАС-3D - это российская система трехмерного проектирования в таких отраслях промышленности, как машиностроение (транспортное, сельскохозяйственное, энергетическое, нефтегазовое, химическое и т.д.), приборостроение, авиастроение, судостроение, станкостроение, металлургия, промышлен-но-гражданское строительство и т.д. Данное программное обеспечение обладает сквозной 3D-технологией, которая позволяет на предприятии создать единое информационное пространство по управлению жизненным циклом изделия (ЖЦИ) в цифровом формате по безбумажным технологиям с учетом отечественных стандартов [2, 3]. К основным этапам сквозной технологии можно отнести следующие этапы: проектирование, подготовка производства, производство и реализация, эксплуатация и утилизация.
Для применения фрактального метода к исследуемому рабочему органу
он должен иметь следующие основные характеристики: объект обязан быть довольно неоднородным для способности его описания способами классической евклидовой геометрией с целочисленной размерностью; объект должен быть самоподобным, т.е. его геометрические и физические характеристики обязаны быть связаны степенной зависимостью; фрактальная размерность объекта как количественная черта меры его сложности, характеризующая плотность и равномерность заполнения элементами этого объекта евклидова пространства всегда должна быть меньше размерности данного пространства [4, 5, 6].
Почва как диссипативная, самоподобная структура. Диссипативная система характеризуется самопроизвольным образованием трудной, нередко беспорядочной структуры. Эти системы характеризуются тем, что они не способны поддерживать объем в фазовом пространстве. Иначе говоря, структура грунта изменяется при воздействии на него силы различного характера. В данном случае сельскохозяйственных агрегатов.
Цель работы заключается во внедрении технологии оценки разрыхля-емости грунта методом фрактального анализа в сельскохозяйственное предприятие. К основной задаче можно отнести возможность применения метода фрактального анализа для оценки фрактальных характеристик грунта после обработки его различными сельскохозяйственными агрегатами на предприятии.
После обработки почвы различными агрегатами делаются фотографии участков в высоком разрешении в формате BMP [7]. Этот тип формата был использован в связи с тем, что
наиболее распространенный формат JPEG вносит небольшое структурное искажение в чертеж, когда его сжимают. Выбранный тип формата изображений обладает хорошей цветностью и полным отсутствием компрессии. Изображения были переведены в черно-белый формат. Стоит отметить, что отличная по качеству картинка в формате BMP имеет внушительный
вес. Это связано с тем, что данный файловый формат не использует сжатие, следовательно, и размер изображения не может быть уменьшен. Также он имеет однослойное изображение в растровом типе с приличной плотностью пикселей (рис. 1). После конвертации изображения на нем была измерена фрактальная размерность интересующих областей.
Определение фрактальной размерности проводилось с использованием программы Gwyddion - модульной программы анализа данных, изначально предназначенной для обработки данных сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).
Прежде всего, программа предназначена для анализа полей высот, полученных различными методами сканирующей зондовой микроскопии (АСМ, МСМ, СТМ, СБОМ), но в целом ее можно использовать для анализа любых изображений. Gwyddion - это бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом, лицензированное GNU General Public License (GNU GPL). Интерфейс программы
показан на рис. 2.
Эксперименты проводились в почвенном канале Лаборатории мелиоративных машин кафедры машин и оборудования природообустройства и защиты в чрезвычайных ситуациях МГАУ им. Горячкина с моделью рабочего органа П-образного рыхлителя. Данное оборудование представляет собой сборное металлическое основание, изготовленное в виде канала, для заполнения почвой с установленными в канал подвижной тележкой с устройством подъема и комплектом рабочих органов сельскохозяйственных машин. Технические характеристики данного оборудования представлены в таблице.
ал** ДА
м I'. Ч > 4 ВЯ'1ВУ.
7 Тн Т; ! :
Рисунок 2 - Интерфейс программы Gwyddion
Технические характеристики почвенного канала
Таблица
№ Наименование Показатель
1 Номинальная мощность силового электродвигателя (не более), кВт 2,5
2 Объем канала, куб. метра 0,6
3 Рабочий ход тележки, мм 2700
4 Скорость тележки, км/ч 0...2,45
5 Габаритные размеры (ДхВхШ), мм 4300x1090x980
В ходе работы показана возможность применения изменений фрактальных показателей при обработке почвы с помощью модели рабочего органа рыхлителя, подтверждается самоподобный характер почвы и то, что структура почвы хорошо оценивается по фрактальной размерности среза грунта (рис. 3). Внедрение этой технологии в производство требует более подробного изучения. Важно, что для выявления каких-либо изменений в почвенных процессах необходимо
создать его математическую модель (рис. 4). Данная технология более емко описывает механические процессы в грунтах.
В работе «Моделирование резания грунта лемехом рабочего органа методами фрактального анализа» Тиша-нинов И.А. [8] установил, что модель рабочего органа рыхлителя с углом резания 23 градуса обеспечивает максимальное разрыхление при умеренной тяге. Доказано, что более низкие углы, такие как 0 и 17 градусов, не обеспечи-
Рисунок 3 - Распределение фрактальной размерности обработанного грунта
моделью рабочего органа рыхлителя
Рисунок 4 - Трехмерная карта распределения фрактальной размерности
на срезе грунта
вают достаточно высокого и равномерного рыхления грунта. Высокие углы обеспечивают разрушение, которое сочетается с некоторым уплотнением грунта. К тому же сила тяги значительно выше, что говорит о неэффективности использования данных углов.
На основании полученных данных был определен оптимальный угол резания лемеха модели рыхлителя, обеспечивающий максимальную степень рыхления почвы при условии минимизации энергопотребления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балабанов, В. И. Проблемы механизации органического земледелия / В. И. Балабанов. - Текст : непосредственный // Доклады ТСХА. - 2019. - С. 105-107.
2. Дорохов, А. С. Выполнение чертежей с использованием системы "КОМПАС-3D" / А. С. Дорохов, Е. Л. Чепурина, К. А. Краснящих, Ю. В. Катаев, Г. М. Вялых. - Текст : непосредственный // Москва. - 2016.
3. Дорохов, А. С. Компьютерное проектирование в системе AUTOCAD / А. С. Дорохов, Ю. В. Катаев, К. А. Краснящих, Г. М. Вялых. - Текст : непосредственный // Москва. - 2016.
4. Леонтьев, Ю. П. Оценка эффективности глубокого рыхления грунтов большой плотности рабочими органами объемного типа / Ю. П. Леонтьев, И. В. Цветков,
A. А. Макаров. - Текст : непосредственный // Сборник статей по итогам II международной научно-практической конференции "ГОРЯЧКИНСКИЕ ЧТЕНИЯ", посвященной 150-летию со дня рождения академика В.П. Горячкина. - 2019. - С. 121-125.
5. Жогин, И. М. Оценка зависимости фрактальных параметров грунта от его влажности / И. М. Жогин, М. М. Камалов, А. Н. Насонов, Х. М. Абдужаббаров, И. В. Цветков. - Текст : непосредственный // ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНСТИТУТА ЗА 2017 ГОД. Сборник научных трудов. - Москва. - 2018. - С. 341-347.
6. Цветков, И. В. Моделирование режимов работы объемного рыхлителя методом фрактального анализа / И. В. Цветков, Ю. П. Леонтьев, И. М. Жогин, А. А. Макаров,
B. И. Балабанов. - Текст : непосредственный // ДОКЛАДЫ ТСХА. Материалы международной научной конференции. - 2018. - С. 154-156.
7. Зиангирова, Л. Ф. Стеганоаналитические методы для графических файлов форматов BMP и JPEG / Л. Ф. Зиангирова. - Текст : непосредственный // Вестник Башкирского государственного педагогического университета им. М. Акмуллы. - 2015. -№ 4 (32). - С. 65-71.
8. Тишанинов, И. А. Моделирование резание грунта лемехом рабочего органа методами фрактального анализа / И. А. Тишанинов. - Текст : непосредственный // Сборник студенческих научных работ, 2019, С. 59-61.
REFERENCES
1. Balabanov V.I. Problemy mekhanizacii organicheskogo zemledeliya [Problems of mechanization of organic farming]. Reports of the TAA, 2019, pp. 105-107.
2. Dorohov A.S., Chepurina E.L., Krasnyashchih K.A., Kataev Yu.V., Vyalyh G.M. Vypolnenie chertezhej s ispol'zovaniem sistemy "KOMPAS-3D" [Execution of drawings using the COMPASS-3D system]. Moscow, 2016.
3. Dorohov A.S., Kataev Yu.V., Krasnyashchih K.A., Vyalyh G.M. Komp'yuternoe proektirovanie v sisteme AUTOCAD [Computer-aided design in the AUTOCAD system]. Moscow, 2016.
4. Leont'ev Yu.P., Cvetkov I.V., Makarov A.A. Ocenka effektivnosti glubokogo ryhleniya gruntov bol'shoj plotnosti rabochimi organami ob"emnogo tipa [Evaluation of the effectiveness of deep loosening of high-density soils by volumetric working bodies]. Collection of articles on the results of the II International Scientific and Practical Conference "GORYACHKIN READINGS", dedicated to the 150th anniversary of the birth of Academician V. P. Goryachkin, 2019, p. 121-125.
5. Zhogin I.M., Kamalov M.M., Nasonov A.N., Abduzhabbarov H.M., Cvetkov I.V. Ocenka zavisimosti fraktal'nyh parametrov grunta ot ego vlazhnosti [Estimation of the dependence of the fractal parameters of the soil on its humidity]. THE MAIN RESULTS
OF SCIENTIFIC RESEARCH OF THE INSTITUTE FOR 2017. Collection of scientific papers, Moscow, 2018, pp. 341-347.
6. Cvetkov I.V., Leont'ev Yu.P., Zhogin I.M., Makarov A.A., Balabanov V.I. Modelirovanie rezhimov raboty ob"emnogo ryhlitelya metodom fraktal'nogo analiza [Modeling of the modes of operation of a volumetric ripper by the method of fractal analysis]. THE REPORTS OF THE TAA. Proceedings of the international scientific conference, 2018, pp. 154-156.
7. Ziangirova L.F. Steganoanaliticheskie metody dlya graficheskih fajlov formatov BMP i JPEG [Steganalytic methods for BMP and JPEG image files]. Bulletin of the Bashkir State Pedagogical University named after M. Akmulla, 2015, no. 4 (32), pp. 65-71.
8. Tishaninov I.A. Modelirovanie rezanie grunta lemekhom rabochego organa metodami fraktal'nogo analiza [Modeling cutting of the ground with a ploughshare of the working body by methods of fractal analysis]. Collection of student scientific papers, 2019, pp. 59-61.
Материал поступил в редакцию 08.02.2021 © Тишанинов В.А., Катаев Ю.В., Свиридов А.С., 2021
