CC BY
34
УДК 631.316.022: 631.512
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ БЕЗОТВАЛЬНОГО РАЗРЫХЛЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ СТРУКТУР ВЕРХНЕГО ГОРИЗОНТА
UDC 631.316.022: 631.512
EXPERIMENT FOR DEFINITION OF OPTIMAL PARAMETERS OF TOOL CONSTRUCTION-TECHNOLOGIC IDEA FOR CHISEL TILLAGE OF UPPER LAYER
Тарасенко Борис Фёдорович к.т.н., доцент
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
Представлены анализ механизированных процессов обработки почвы и эксперименты по оптимизации рабочего органа универсального чизельного плуга для разрыхления почвенных структур верхнего горизонта
Ключевые слова: РЫХЛЕНИЕ ЧИЗЕЛЬНОЕ, НОВЫЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ (СТОЙКИ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ ЛАПАМИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ), ЭКСПЕРИМЕНТ, ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Tarasenko Boris Fedorovich Cand.Tech.Sci., assistant professor
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
Analysis of mechanize processes of bursting and experiments for definition of optimal parameters of universal plow for chisel tillage of upper soil layer are presented
Keywords: CHISEL, NEW TOOLS (STANDARDS AND SHOVELS FOR SEEDBED RIFINING), EXPERIMENT, OPTIMAL PARAMETERS
Низкое качество разрыхления почвенных структур верхнего горизонта не обеспечивает условий эффективного накопления и использования почвенной влаги, не способствует получению гарантированных урожаев зерновых, а несовершенные технологические приёмы и технические средства обработки почвы способствуют наращиванию затрат энергии.
Для решения экологической и энергетической проблем, связанных с качеством обработки почвы в условиях рискованного засушливого земледелия в степной зоне Северного Кавказа (Краснодарском крае, Ростовской области и Ставропольском крае), являющейся основной зерносеющей зоной России [1], а также с несовершенством механизированных процессов, нами разработан и защищен патентом РФ универсальный плуг «Рыхлитель чизельный» [2]. Новые рабочие органы данного безотвального конструктивно-технологического решения предназначены для создания мелкокомковатой структуры верхнего горизонта и ровного ложа при предпосевной обработке почвы, и для основной обработки почвы.
Однако для его рабочих органов, необходимо обоснование технологических и конструктивных параметров и их влияние на качество обработки.
Для выхода из сложившейся ситуации нами поставлены следующие задачи исследований.
1. Оптимизировать конструктивные параметры рабочего органа «Рыхлителя чизельного» при основной обработке почвы и разрыхлении почвенных структур верхнего горизонта
2. Экспериментально проверить качество обработки почвы.
Реализация задач исследований осуществлена следующим образом.
1. Оптимизация параметров выполнена при помощи спроектированного и изготовленного нами в учебных мастерских Кубанского госагро-университета экспериментального «Рыхлителя чизельного» для безотвального разрыхления почвенных структур верхнего горизонта. На раме 1 рыхлителя (рисунок 1), навешенного на трактор 2, на кронштейнах 3
Рисунок 1 - Рыхлитель чизельный (экспериментальный образец) закреплены рабочие органы, выполненные в виде двух прямоугольных
стоек 4 с наклонно установленными к направлению движения лапами 5, снабженными спереди заточенной режущей кромкой 6. При этом кромка 6 образована нижней заточкой. Лапы 5 имеют прямоугольную форму и консольно закреплены при помощи косынок 7 к передней части стоек 4. Сзади лапа 5 оснащена сменными ворошителями 8.
Исследования по оптимизации выполнены с использованием методов планирования экспериментов по симметричному композиционному плану типа Вк (звёздные точки равны ±1) согласно разработанной нами программе для ЭВМ в системе МаШсаё [3]. При этом при анализе факторов определено, что существенными (переменными) факторами, влияющими на величину тягового сопротивления, являются ширина лапы Ь и угол крошения в (рисунок 2). При этом часть конструктивных параметров лапы приняты такими, как у плуга чизельного навесного типа ПЧН [4] (задний угол 8=10-13°, угол заточки у=25°), а технологические факторы глубина обработки, скорость обработки были принятые близкими к первичным требованиям 15±1см, до-9км/ч соответственно.
а - вид прямо; сечение А-А Рисунок 2 - Схема рабочих органов
Остальные факторы (полевая влажность, полная влагоёмкость, объёмная масса почвы, удельная масса почвы, пористость, плотность почвы, значе-
а
б
ние средней твёрдости) существенных отклонений не имели. Они проверялись при помощи однофакторных экспериментов, согласно методикам Н.А. Качинского (ГОСТ 20915-75).
Уровни факторов (таблица 1) выбраны «стандартным образом» т.е. так, чтобы их оптимальные значения попадали в центр варьирования.
Таблица - 1 Факторы, интервалы и уровни варьирования
Переменные факторы Кодированные обозначения, Хі Интервал Варьирования, Лі Уровни факторов
+1 0 -1
Ширина лапы Х1 (ЬД м Х1 0,215 0,5 0,285 0,07
Угол крошения Х2 (0!), град. Х2 5 40 35 30
XI - кодированные обозначения ширины лапы, которая имеет интервал варьирования от Ьтщ=0,07м до Ьтах=0,5, а за середину интервала принята ширина лапы Ь0=0,285м;
х2 - кодированные обозначения угла крошения с интервалом варьирования от ртт=30° до втах=40°, а за середину интервала принят угол крошения 00=35°.
Перевод значений действительных в кодированные значения осуществлён согласно формуле
X- + Х-0 (1)
^ = ' , (!) А -
где, Х! - значение действительного 1-го фактора;
Х10 - значение 1-го фактора в середине интервала;
А! - интервал варьирования.
В таблице 2 представлена матрица планирования двухфакторного эксперимента по программе МНК типа Вк, который проведен рандомизировано во времени, то есть в случайной последовательности для исключения влияния систематических ошибок, вызванных внешними факторами (например, неточный контроль и т.д.).
Таблица 2 - Матрица планирования эксперимента по определению зависимости тягового сопротивления лапы с нижней заточкой от ширины лапы __________________________Ь и угла крошения в______________________
п/№ Натуральные значения факторов Кодированные значения факторов Отклик, Н
^, мм Рь град. Х1 Х2
1 500 40 + + 4000
2 500 30 + - 3200
3 70 40 - + 1800
4 70 30 - - 1060
5 500 35 + 0 2200
6 70 35 - 0 1800
7 285 40 0 + 3000
8 285 30 0 - 1880
9 285 35 0 0 3000
10 285 35 0 0 3100
11 285 35 0 0 3050
12 285 35 0 0 2800
В результате математической обработки экспериментальных данных определены коэффициенты, и получено следующее уравнение регрессии в каноническом виде
У(х)=-62651,20+23,99x1+3496,14x2 -0,04х 2 -48,68х 2 (2)
где У - величина тягового сопротивления рабочего органа, Н.
Причём коэффициенты проверены по критерию Стьюдента, а уравнение - по критерию Фишера.
Дифференцируя уравнение, по каждой из переменных и приравнивая производные нулю, получаем систему линейных уравнений. Решив полученную систему, находим координаты центра отклика: в кодированных значениях х1=0,24 и х2=0,04, что соответствует в действительных значениях Х1=336,4мм, Х2=35,2°. Найденные значения подставляем в исходное уравнение (1) и находим значение параметра в центре поверхности отклика. Значение оптимальной величины тягового сопротивления рабочего органа Уб =4157,06Н.
Для анализа факторов после канонического преобразования получаем уравнение
У-Уб =-0,04х2-48,68х 2
(3)
Где У8 - оптимальная величина тягового сопротивления рабочего органа,
Н.
Согласно уравнению (3) поверхность отклика тягового сопротивления рабочего органа от ширины лапы Ь и угла крошения в, поверхность отклика в изолиниях и графики имеют следующие виды (рисунок 3).
а
а - поверхности отклика; б - двухмерное сечение; в,г - графики Рисунок 3 - Поверхности зависимости тягового сопротивления от угла крошения и ширины лапы
При фиксированном значении конструктивного параметра Х1 или параметра Х2 (находящихся в центре плана) величина тягового сопротивления рабочего органа У определяемая из уравнения (3) максимальна и равна 4157,5Н, а для ширины лапы Ь=0,07м, Ь=0,5м, или угле крошения в=30°, в=40°, величины (У) равны соответственно 4157,46 и 4108,8Н (рисунок 4).
Н
л
4157,5
4157,46
4157,4
4157.3
4157:2
4157,1
4157Л
У
0.07 н
0,1
0,2
0,3 0.336 0.4
0.5 V
а
г
т
4160
4150
4140
4130
4120.
4108^8
4110
4167.5.Н
4157,5 Н
35,2 СО О ■■Л-
Р
30
35
40 град, б
а - при фиксированном параметре Х1; б - при фиксированном параметре Х2;
Рисунок 4 - Зависимость тягового сопротивления рабочего органа от Ь и В|
Исследования качества плоскорезной обработки почвы универсальным плугом показали соответствие качеству обработки плугом ПЧН, так как также обеспечивается гладкий и ровный рельеф без заделки стерни и вынос корней сорняков в верхние слои почвы. Исследованиями также выявлено, что новыми рабочими органами обеспечивается получение уплотнённого ровного ложа, а их равномерно расставленными ворошителями, производящими крошение почвы, обеспечивается, кроме сказанного выше, создание мелкокомковатого агрегатного состава почвы над ложем.
Выводы. Поставленные задачи выполнены.
1. Оптимизированы методом планирования эксперимента с использованием Вк плана параметры управляемых факторов экспериментального рабочего органа. Их результаты: ширина лапы, Ь=336,4мм; угол крошения, в=35,2°; тяговое сопротивление, Уб=4157,5Н.
2. Экспериментами подтверждено получение уплотнённого ровного ложа, а также мелкокомковатого агрегатного состава почвы над ним.
Список использованной литературы
1. Рыков, В.Б. Механико-технологическое обоснование технических средств и агрегатов для обработки почвы в условиях засушливого земледелия юга России: Автореферат диссертации на соискании учёной степени доктора технических наук. Зерно-град: ВНИПТИМЭСХ. 2001. 40с.
2. Патент РФ №2316921. 2008. МКИ А01В49/02. Рыхлитель чизельный
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009613305, дата регистрации - 25 июня 2009г. Определение оптимальных параметров чизельной лапы с нижней заточкой.
4. Рис: Новые сорта и энергосберегающие технологии его возделывания в Краснодарском крае (научно-методическая разработка). / Зеленский Г.Л., Чеботарёв М.И., Трубилин Е.И. и др. Краснодар: КубГАУ. 1997. 96с.
