CC BY
0
УДК 631.313.5
DOI 10.36461/NP.2023.66.2.011
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЫХЛИТЕЛЬНОГО КАТКА КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
К.З. Кухмазов, доктор техн. наук, профессор; А.В. Яшин, кандидат техн. наук, доцент;
Р.Р. Хабибуллин, аспирант
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, тел. 89379127279, e-maiL: mister.nikto98@maiL.ru
Материалы статьи посвящены актуальной проблеме - повышению качества предпосевной обработки почвы. В ней отмечено, что качественные показатели работы комбинированных агрегатов для предпосевной обработки на суглинистых черноземах не в полной мере соответствуют агротехнических требованиям. Приведено описание конструкции предлагаемого рыхлительного катка культиватора для предпосевной обработки почвы и экспериментальной установки для проведения лабораторных исследований по обоснованию его оптимальных конструкционных и режимных параметров. Представлена методика проведения исследований с применением теории планирования трехфакторного эксперимента. Критерием оптимизации принята степень крошения почвы, которая характеризуется процентом содержания массы комков с размерами менее 50 мм в пробе. Выбраны наиболее значимые факторы (длина зуба l, диаметр катка d, рабочая скорость), их уровни и интервалы варьирования. Составлена матрица ортогонального композиционного плана второго порядка. Обработав опытные данные с помощью программ «Microsoft Excel.» и «Statistika» на ПК, получена адекватная модель второго порядка, описывающая зависимость критерия оптимизации от изучаемых факторов. Приведены расчеты и построены поверхности отклика степени крошения почвы и их двумерные сечения. Анализ двумерных значений показывав, что оптимальными являются: длина зуба l = 0,041 м, диаметр рыхлительного катка d = 0,293 м и рабочая скорость ô = 1,95 м/с. При этом степень крошения почвы составляет более 97,0 %.
Ключевые слова: комбинированный агрегат, культиватор, предпосевная обработка почвы, рыхли-тельный каток, зуб рыхлительного катка, почвенный канал, критерии оптимизации, степень крошения.
Для цитирования: Кухмазов К.З., Яшин А.В., Хабибуллин Р.Р. Лабораторные исследования рыхлительного катка культиватора для предпосевной обработки почвы. Нива Поволжья, 2023, 2 (66), с. 3006. DOI10.36461/NP.2023.66.2.011
Введение
Опыт эксплуатации комбинированных агрегатов для предпосевной обработки суглинистых чернозёмов показывает, что качественные показатели их работы не в полной мере отвечают агротехническим требованиям [7]. Поверхность поля, прошедшего поверхностную обработку почвы, должна быть выровнена, высота гребней и глубина борозд должна быть не более 4 см, обработанный слой почвы должен быть разрыхлен-нным и мелкокомковатым [1, 16]. В обработанном слое допускаются комки почвы размером по наибольшему диаметру до 2,5 см - до 80 %, а от 5 до 10 см - не более 10 %. Возникает необходимость разработки комбинированных агрегатов, более полно отвечающих агротехническим требованиям.
Методы и материалы
Для повышения качества предпосевной обработки почв предлагается оснащение культи-
ватора предпосевной обработки почвы дополнительным рабочим органом - рыхлительным катком (рис. 1), содержащим ось (1), расположенную перпендикулярно направлению движения, крепления (2), боковые (3) и промежуточные (4) диски, выполненные в виде шестиконечной звезды, на концах которой имеются выемки в виде полукруга. Боковые (3) и промежуточные
(4) диски установлены на оси (1) через равные интервалы. На боковых (3) и промежуточных (4) дисках по винтовой линии закреплены прутья
(5), к которым приварены рабочие элементы (6), выполненные в виде зуба.
Для обоснования оптимальных параметров рыхлительного катка проведены лабораторные исследования с применением теории планирования многофакторного эксперимента на экспериментальной установке (рис. 2), состоящей из почвенного канала (1), с приводной тележкой (2). С помощью пластин крепления (3) и регулировоч-
ных пластин (4) к раме (5) приводной тележки (2) закреплен рыхлительный каток (6) с зубьями (7). Регулировочные пластины (4) позволяют изменять глубину обработки почвы рыхлительного катка (6).
Для привода тележки (2) в движение имеется электродвигатель (8), редуктор (9), цепная
передача (10), трос (11) с системой полиспастов
(12). Необходимую скорость движения приводной тележки (2) устанавливают редуктором (9) и изменением частоты вращения вала электродвигателя с помощью частотного преобразователя
(13). Управление установкой осуществляли пультом управления (14).
Рис. 1. Схема рыхлительного катка: 1 - ось; 2 - крепление; 3 - боковые диски; 4 - промежуточные диски; 5 - прутья; 6 - рабочие элементы (зубья).
1 11 13 15 5 6 3^72
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - почвенный канал; 2 - приводная тележка; 3 - пластина крепления; 4 - регулировочная пластина; 5 - рама приводной тележки; 6 - рыхлительный каток; 7 - рабочий орган (зуб); 8 - электродвигатель; 9 - редуктор; 10 - цепная передача; 11 - трос; 12 - системы полиспастов; 13 - преобразователь частоты векторный; 14 - пульт управления; 15 - привод рабочих органов; 16 - почва;17 - ролик; 18 - шкив.
Предварительно подготавливали почву в почвенном канале (рис. 3). На приводной тележке (2) (рис. 2) устанавливали испытуемый рыхлительный каток (6) с заданным диаметром и длиной зуба.
Подбирали необходимую скорость движения редуктором (9) и частотным преобразователем (13).
Пультом управления (14) включали привод рабочих органов (15) тележки (2). После прохождения заданного участка отключали привод.
В качестве критерия оптимизации приняли степень крошения почвы, которую определяли по формуле:
К =
тр.п+тк
х 102,%,
где трп + тк - общая масса пробы с размерами 0,3 х 1,0 х 0,06 м, взятая из почвенного канала, кг; тр п - масса почвы с комками менее 50 мм, кг; тк - общая масса комков более 50 мм, кг.
В соответствии с конкретными задачами исследований и на основе априорной информации были выбраны три наиболее значимых фактора: диаметр катка, длина зуба, рабочая скорость, а также интервалы их варьирования (табл. 1). Для этих факторов была составлена матрица ортогонального композиционного плана второго порядка.
т
р.п
Рис. 3. Общий вид экспериментального рыхлительного катка на экспериментальной установке
Таблица 1
Факторы, уровни и интервалы их варьирования
Фактор Условное обозначение Кодированное обозначение Уровень варьирования Интервал варьирования
-1 0 +1
Длина зуба, м l Xi 0,03 0,04 0,05 0,01
Диаметр катка, м d X2 0,25 0,3 0,35 0,05
Рабочая скорость, м/с X3 1,4 1,9 2,4 0,5
Результаты и их обсуждение
Обработав результаты трехфакторного эксперимента с помощью программы «Microsoft Excel» и «Statistika» на ПК, получили адекватную модель второго порядка, описывающую зависимость критерия оптимизации от изучаемых факторов в закодированном виде (2).
Y = 96,81 + 0,43-xi - 3,60 Х2 + 3,55 х3 - 0,30 xi-
<2-8,04 -х2,
Х2 - 6,24-х2 - 12,69-х2-8,04-х|, %. (2)
При этом множественный коэффициент корреляции составляет R = 0,99, а коэффициент, показывающий степень плотности (разброса) экспериментальных и расчетных значений, F-тест = 0,999. Тогда адекватность полученной математической модели составляет более 99 %.
Для определения оптимальных конструктивных и кинематических параметров рыхлительного катка по степени крошения почвы математическая зависимость должна быть исследована на экстремум, то есть определен возможный максимум или минимум данной зависимости как функции трех переменных х1, х2 и х3.
Для определения экстремума математической зависимости (2) и построения поверхностей отклика и их двухмерных сечений воспользовались программой MathCAD.
Производя дифференцирование математической зависимости (2) отдельно по каждой переменной х1, х2 и хз получим систему дифференциальных уравнений следующего вида:
{ — = 0,43 -12,48 • х1- 0,3 • х2
йх1 1 2
■ ^ = -3,6 - 0,3 • х1 - 25,38 ■ х2 (3)
I ^ = 3,55 - 16,08 • х3.
V 3
Для поиска оптимума приравняли полученные производные по переменным к нулю:
Г^ = 0,
J dx2 vax3
(4)
Решая совместно системы уравнений (3) и (4)получили:
( 0,43 - 12,48 • х1- 0,3 • х2 = 0, {-3,6 - 0,3 •х1 - 25,38 ■ х2 = 0, (5) ( 3,55 - 16,08 • х3 = 0.
Полученная система уравнений (5) имеет три уравнения и три неизвестных.
Решая данную систему уравнений, получим следующие оптимальные значения конструктивных и кинематических параметров рыхлитель-ного катка культиватора для предпосевной обработки почвы в закодированном виде:
( х1 = 0,038,
¡Х2 = -0,142, (6)
( х3 = 0,221.
Подставляя полученные значения из (6) в математическую зависимость (2) получим
значение степени крошения почвы при оптимальных параметрах:
У = 96,81 + 0,43- 0,038 - 3,60- (- 0,142) + 3,550,221 - 0,30- 0,038-(- 0,142) - - 6,24- (0,038)2 -12,69-(- 0,142)2 -8,04 ■ (0,221)2 = 97,466 %.
Полученные значения критерия оптимизации соответствуют агротехническим требованиям. Далее были выполнены расчеты и построены поверхности отклика степени крошения почвы и их двумерные сечения (рис. 3, 4, 5)
1.
а)
0.8 —,
78.7^07^82^859 83.899
0 6 - ■»"з-89 097:88°57
~ 5.978 .-89.097 Ш-^ллггА
78.7 '5-'
вПЦ^Г^
ЙРЙЭЙЙ
84.!
90.137^-87.0
0.4-
Х2
-0 .8 -
-1
92.216 . , ^94.295
850^87.018097 —
пт
91.176
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
х1
Г"
о
б)
90.137^-4
89.097 <>04 д3
87 Г)1Я>рУ,
0.2
0.4
0.6 0.8 1
Рис. 3. Поверхность отклика степени крошения почвы и его двумерное сечение от длины зуба х1 и диаметра рыхлительного катка х2 при оптимальном значении рабочей скорости хз = 0,221
хз
хз
х1
0.8-
0.6-
0.4-
0.2-
0-
-0.2-
-0.4 -
-0.6-0.8 -
-1:
95.755 96.604
96.604
96.604
тг/9-^
/92.356 657' / '
II I
93.206 \ .
•65?. 94.055 х „„ „. 9,1.50794.055 95.755 .807 \ \ N94.905
^259чХ90.657.91То792 356
89.807'---©Ж
'1Л1^86 40988.10888.958 —-88~108<^85.5: 462^3.86 $^259 —У1;
-0.8'-0.6'-0.4'-0.2' О1 0.2' 0.41 Об1
—0^91.507\>ОЙ
95"\\\\у
94.905 |1
\ Ш
94.055' III
95.755'/ // / 92.356 - 9
94.905
94.055 93.206 91.507
■7 ">>86.40,
•>>/88.95 — // / />
87.2:
х1
а)
б)
Рис. 4. Поверхность отклика степени крошения почвы и его двумерное сечение от длины зуба х1 и рабочей скорости хз при оптимальном значении диаметра рыхлительного катка х2 = -0,142
1
1
Рис. Поверхность отклика степени крошения почвы и его двумерное сечение от диаметра рыхлительного катка Х2 и рабочей скорости Х3 при оптимальном значении длины зуба Х1 = 0,038
Заключение
Полученные оптимальные значения факторов подтверждаются поверхностями отклика и их двумерными сечениями (табл. 2).
Степень крошения почвы имеет максимальное значение при длине зуба I = 0,041 м, диаметре рыхлительного катка й = 0,293 м и рабочей скорости д = 1,95 м/с.
Таблица 2
Оптимальные значения исследуемых факторов
Наименование фактора Единица измерения Обозначение Оптимальное значение фактора
условное кодированное в закодированном виде в раскодированном виде
Длина зуба м 1 х1 0,038 0,041
Диаметр катка м d х2 - 0,142 0,293
Рабочая скорость м/с хз 0,221 1,95
Литература.
1. ГОСТ 20915-2011. Межгосударственный стандарт. Испытания сельскохозяйственной техники: методы определения условий испытаний: дата введения 2013-01-01. Федеральное агентство по техническому регулированию. Изд. официальное. Москва, 2020, 23 с.
2. Хабибуллин Р.Р., Кухмазов К.З. Комбинированные агрегаты для подготовки почвы к посеву. Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса: сборник материалов международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2021, с. 212-215.
3. Хабибуллин Р.Р., Кухмазов К.З. Комбинированное орудие для предпосевной обработки почвы. Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса: сборник материалов международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2021, с. 215-217.
4. Кухмазов К.З., Хабибуллин Р.Р. Методика лабораторных исследований рыхлительного катка. Региональные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса в условиях цифровой трансформации: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2023, с. 447-551.
5. Кухмазов К.З., Хабибуллин Р.Р. Методы определения физико-механических свойств почвы перед предпосевной обработкой. Региональные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса в условиях цифровой трансформации: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2023, с. 551-554.
6. Кухмазов К.З., Хабибуллин Р.Р. Физико-механические свойства почвы перед предпосевной обработкой. Региональные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса в условиях
цифровой трансформации: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2023, с. 554-557.
7. Мельникова Н.А., Нечаева Е.Х. Влияние минимализации обработки на состояние плодородия тяжелых суглинистых почв в посевах яровой и озимой пшеницы. Известия самарской государственной сельскохозяйственной академии. Самара: РИО СГСХА, 2016, с. 7-11.
8. Кушнарев А.С., Бауков А.В., Проектирование рыхлительных рабочих органов культиваторов. Киев, 1979, 20 с.
9. Мазитов Н.К. Комбинированные почвообрабатывающие агрегаты. Казань, 1984, 141 с.
10. Батраева О.С. Результаты экспериментальных исследований комбинированной машины для поверхностной обработки почвы. Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сборник научных работ. Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2004, с. 65-72
11. Теличкина Н.А. Экспериментальная установка для мелкой поверхностной обработки почвы. Достижения науки по агропромышленному производству: материалы международной научно-технической конференции: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Челябинск: РИО ЮУГАУ, 2017, с. 1195-2000.
12. Руденко В.Н. Механическая обработка почвы. Москва, 2016, 632 с.
13. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. Москва, 1985, 351 с.
14. Коженкова К.И. Технология механизированных сельскохозяйственных работ. Минск, 2014, 375 с.
15. Гордиенко В.П. Научные основы обработки почвы и их практическое применение. Одесса, 1995, 18 с.
16. Овтов В.А., Шумаев В.В., Губанова А.Р. Сошник для рядового посева семян и удобрений с сво-добообразующей косынкой. Сурский Вестник, 2019, № 2 (6), с. 39-43.
UDC 631.313.5
DOI 10.36461/NP.2023.66.2.011
LABORATORY STUDIES OF THE CULTIVATOR RIPPER ROLLER FOR SECONDARY TILLAGE
K.Z. Kukhmazov, Doctor of Engineering Sciences; A.V. Yashin, Candidate of Engineering Sciences;
R.R. Khabibullin, postgraduate student
Federal State-Funded Educational Institution of higher education «Penza State Agrarian University», Penza, Russia, tel. 89379127279, e-mail: mister.nikto98@mail.ru
The paper is devoted to an urgent problem of improving the quality of secondary tillage. It is noted in the article that the quality performance of combined preparations for secondary tillage of loamy chernozems does not comply with the agrotechnical requirements fully. There is a description of the design of proposed cultivator ripper roller for secondary tillage and of an experimental installation for laboratory studies to substantiate its optimal structural and operational parameters. There is a methodology for conducting research according to the theory of planning a three-factor experiment. The optimization criterion is the degree of crumbling of the soil, which is characterized by the percentage of lumps less than 50 mm in size in the sample. There were selected the most significant factors (tooth length l, roller diameter d, operation speed$), their levels and variation intervals. The matrix of the orthogonal compositional plan of the second order was compiled. Having processed the experimental data on a PC using Microsoft Excel and Statistika, an adequate second-order model that describes the dependence of the optimization criterion on the studied factors was obtained. Calculations were given and response surfaces of the degree of crumbling of the soil and their two-dimensional sections were constructed. The analysis of two-dimensional values shows that the optimal ones are: tooth length ¿= 0.041 m, diameter of the loosening roller d = 0.293 m and operation speed $= 1.95 m/s, while the degree of soil crumbling is more than 97.0%.
Keywords: combined aggregate, cultivator, secondary tillage, loosening roller, loosening roller share, soil channel, optimization criteria, degree of crumbling.
Reference.
1. GOST 20915-2011. Interstate standard. Tests of agricultural machinery: methods for determining test conditions: date of introduction 2013-01-01. Federal Agency for Technical Regulation. Official edition. Moscow, 2020, 23 p.
2. Khabibullin R.R., Kukhmazov K.Z. Combined aggregates for preparing the soil for sowing. Innovative ideas of young researchers for the agro-industrial complex: a collection of materials of the international scientific and practical conference. Penza: PPD PSAU, 2021, pp. 212-215.
3. Khabibullin R.R., Kukhmazov K.Z. Combined tool for secondary tillage. Innovative ideas of young researchers for the agro-industrial complex: a collection of materials of the international scientific and practical conference. Penza: PPD PSAU, 2021, pp. 215-217.
4. Kukhmazov K.Z., Khabibullin R.R. Methods of laboratory studies of a ripper. Regional problems of sustainable development of the agro-industrial complex in the context of digital transformation: a collection of articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Penza: PPD PSAU, 2023, pp. 447-551.
5. Kukhmazov K.Z., Khabibullin R.R. Methods for determining the physical and mechanical properties of the soil before secondary tillage. Regional problems of sustainable development of the agro-industrial complex in the context of digital transformation: a collection of articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Penza: PPD PSAU, 2023, pp. 551-554.
6. Kukhmazov K.Z., Khabibullin R.R. Physical and mechanical properties of the soil before secondary tillage. Regional problems of sustainable development of the agro-industrial complex in the context of digital transformation: a collection of articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Penza: PPD PSAU, 2023, pp. 554-557.
7. Melnikova N.A., Nechaeva E.H. The effect of minimization of processing on the fertility of heavy loamy soils in spring and winter wheat crops. Proceedings of the Samara State Agricultural Academy. Samara: PPD SSAA, 2016, pp. 7-11.
8. Kushnarev A.S., Baukov A.V., Design of loosening operation bodies of cultivators. Kiev, 1979, 20 p.
9. Mazitov N.K. Combined tillage machinery. Kazan, 1984, 141 p.
10. Batraeva O.S. Results of experimental studies of a combined machine for surface tillage. Design, use and reliability of agricultural machinery: a collection of scientific papers. Bryansk: Publishing House of the Bryansk State Agricultural Academy, 2004, pp. 65-72
11. Telichkina N.A. Experimental installation for shallow surface tillage. Achievements of science in agro-industrial production: materials of the international scientific and technical conference: collection of articles of the All-Russian Scientific and practical Conference. Chelyabinsk: PPD YUSAU, 2017, pp. 1195-2000.
12. Rudenko V.N. Mechanical tillage. Moscow, 2016, 632 p.
13. Dospekhov B.A. Methodology of field experience. Moscow, 1985, 351 p.
14. Kozhenkova K.I. Technology of mechanized agricultural work. Minsk, 2014, 375 p.
15. Gordienko V.P. Scientific bases of tillage and their practical application. Odessa, 1995, 18 p.
16. Ovtov V.A., Shumaev V.V., Gubanova A.R. A ploughshare for row sowing of seeds and fertilizers with an arch-forming kerchief. Sursky Bulletin, 2019, No. 2 (6), pp. 39-43.
