CC BY
12
XXXXXX технологии и средства механизации сельского хозяйства XXXXXX
Научная статья УДК 631.316.41
DOI: 10.24412/2227-9407-2022-3-24-36
Совершенствование методов оценки условий функционирования культиватора-глубокорыхлителя для междурядной обработки почвы при возделывании картофеля
Андрей Борисович КалининИгорь Зиновьевич Теплинский2, Вероника Евгеньевна Герасимова 3
12 3 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Санкт-Петербург, Россия
1 andrkalinin@yandex.ru^, http://orcid.org/0000-0002-6301-5758
2 teplinskij. igor.zinovevich@gmail. com, http://orcid. org/0000-0003-4464-066Х 3gerasveronika@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6788-6294
Введение. Формирование корнеобитаемого слоя с параметрами почвенного состояния, обеспечивающими нормальное развитие растений картофеля, является одним из основных факторов, определяющих получение планируемой урожайности требуемого качества продукции. Используемый в западноевропейской технологии производства картофеля принцип минимизации обработки почвы проблему переуплотнения почвы не решает, а заметное повышение плотности отмечается в междурядьях по следу ходовых систем картофелепосадочного агрегата. Устранение переуплотненных горизонтов почвы предлагается выполнять при междурядной обработке посадок картофеля. Для настройки и управления глубиной хода глубокорыхлительных лап пропашного культиватора необходимо иметь оперативную информацию об условиях функционирования агрегата, представляющих собой случайные в вероятностно-статистическом смысле процессы. Для оперативного получения такой информации был использован цифровой измерительный комплекс. Полученная информация позволила разработать методику определения случайного процесса расположения переуплотненных горизонтов, которая в дальнейшем использована для создания цифровой системы настройки и управления глубиной хода глубоко-рыхлительных лап пропашного культиватора.
Материалы и методы. Учитывая случайный характер процессов, имеющих место при функционировании пропашного культиватора-глубокорыхлителя, для разработки модели технологического процесса его функционирования при разуплотнении почвы использовались положения статистической динамики сельскохозяйственных агрегатов. Ввиду того, что работа орудий для глубокой обработки почвы сопровождается большими затратами энергии, то для снижения энергозатрат на обработку при настройке глубины хода рабочих органов необходимо определить точное местоположение переуплотненных горизонтов, так как каждый лишний сантиметр существенно увеличивает сопротивление орудия. Для определения точного значения настроечных параметров использовалась методика поиска переуплотненных горизонтов на основе информации, полученной в результате проведения полевых экспериментальных исследований. Для получения такой информации была использована информационно-измерительная система, позволяющая оперативно, с высокой точностью оценивать послойно твердость почвы с привязкой к месту измерения. В качестве объекта исследования был принят макетный образец пропашного культиватора-глубокорыхлителя, разработанного в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.
Результаты. В результате проведения натурных экспериментальных исследований был получен ансамбль реализаций процесса изменения твердости почвы в исследуемых горизонтах корнеобитаемого слоя по следу колес картофелепосадочного агрегата на длине гона 100 м с шагом 1 м. Вычисляя производную полученных процессов, был построен случайный процесс глубины расположения переуплотненного горизонта Ь(1) по
© Калинин А. Б., Теплинский И. З., Герасимова В. Е., 2022
Аннотация
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
xxxxxx технологии и средства механизации сельского хозяйства хжхжхх
длине гона. Полученные массивы данных, характеризующие условия функционирования пропашного культи-ватора-глубокорыхлителя, использованы для разработки цифровой системы настройки и управления глубины хода его рабочих органов на основе методов имитационного моделирования.
Обсуждение. Применяемое в настоящих исследованиях оборудование позволило составить offline электронную карту поля с указанием на ней глубины расположения переуплотненных почвенных горизонтов после прохода картофелепосадочной машины. Для оперативного получения информации об условиях функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя в режиме online в цифровой системе настройки и управления было использовано устройство Top Soil Mapper, позволяющее определять положение переуплотненного горизонта бесконтактным способом.
Заключение. В результате выполнения настоящих исследований была получена информация о процессе расположения переуплотненного почвенного горизонта по глубине на длине гона с учетом вероятностно-статистической природы изменения почвенных условий. Полученная информация характеризует условия функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя и может быть использована для разработки цифрового устройства настройки и управления глубиной хода его рабочих органов.
Ключевые слова: картофелепосадочная машина, переуплотнение почвы, почва, пропашной культиватор-глубокорыхлитель, система настройки и управления, условия функционирования
Благодарности: авторы выражают глубокую признательность сотрудникам кафедры «Технические системы в агробизнесе» ФГБОУ ВО СПбГАУ за методическую и техническую помощь при проведении настоящих исследований.
Для цитирования: Калинин А. Б., Теплинский И. З., Герасимова В. Е. Совершенствование методов оценки условий функционирования культиватора-глубокорыхлителя для междурядной обработки почвы при возделывании картофеля // Вестник НГИЭИ. 2022. № 3 (130). С. 24-36. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-3-24-36
Improvement of the methods for assessing the functioning conditions of the potato inter row cultivator - subsoiler
Andrey B. Kalinin1^, Igor Z. Teplinsky2, Veronika E. Gerasimova3
12 3 Saint Petersburg State Agrarian University, Saint Petersburg, Russia
1 andrkalmm@yandex.ruB'' http://orcid.org/0000-0002-6301-5758
2 teplinskij. igor.zinovevich@gmail. com, http://orcid. org/ 0000-0003-4464-066Х 3gerasveronika@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6788-6294
Abstract
Introduction. The formation of a root layer with soil conditions that ensure the normal development of potato plants is one of the main factors determining the achievement of the planned yield of the required product quality. The principle of minimizing soil tillage used in the Western European potato production technology does not solve the problem of soil compaction and a noticeable increase in density is observed in the row-spacing along the track of the wheel systems of the potato planters. The elimination of over-compacted soil horizons is proposed to be carried out with inter-row cultivation of potato. To set up and control the depth of the ripper tines of thus cultivator it is necessary to have operational information about the operating conditions of the unit which are random processes in a probabilistic-statistical sense. To quickly obtain such information a digital measuring complex was used. The information obtained made it possible to develop a method for determining the random process of the location of overcompacted horizons which was later used to develop a digital system for setting and controlling the depth of the ripper tines of a inther-row cultivator.
Materials and methods. Taking into account the random nature of the processes that take place during the work of a inter-row cultivator-subsoiler the provisions of the statistical dynamics of agricultural aggregates were used to develop a model of the technological process of its operation during soil decompaction. Due to the fact that the work of tools
XXXXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXXXX
for deep tillage is accompanied by high energy costs, in order to reduce the energy consumption for deep cultivation when adjusting the depth of workiing ripper tines it is necessary to determine the exact location of over-compacted horizons since each extra centimeter of depth significantly increases the soil resistance for tillage machine. To determine the exact value of the tuning parameters the method of searching for overcompacted horizons was used on the basis of information obtained as a result of field experimental studies. To obtain such information an digital measuring system was used which makes it possible to quickly and accurately assess the soil cone index layer by layer with reference to the measurement site. As an object of study a model of a inter row cultivator-subsoiler developed at the St. Petersburg State Agrarian University was adopted.
Results. As a result of field experimental studies, an ensemble of implementations of the process of changing the cone index in the studied horizons of the root layer was obtained along the track of the wheels of the potato planter at a head length of 100 m with a step of 1 m. Calculating the derivative of the obtained processes a random process of the depth of the overcompacted horizon was built h(l) along the length of the field. The obtained data arrays characterizing the operating conditions of inter-row cultivator-subsoiler are used to develop a digital system for setting and controlling the depth of its ripper tines on the basis of simulation modeling methods.
Discussion. The equipment used in these studies made it possible to compile an offline electronic map of the field indicating on it the depth of the location of overcompacted soil horizons after the passage of the potato planter. To quickly obtain information about the operating conditions of the row cultivator-subsoiler in the online mode in the digital system of adjustment and control, the Top Soil Mapper device was used, which allows determining the position of the over-compacted horizon with non-contact method.
Conclusion. As a result of the present research, information was obtained on the process of location of the overcom-pacted soil horizon in depth along the field taking into account the probabilistic-statistical nature of changes in soil conditions. The information obtained characterizes the operating conditions of a interrow cultivator-subsoiler and can be used to develop a digital device for setting and controlling the depth of its working bodies.
Keywords: soil, soil compaction, potato planter, tilled cultivator-subsoiler, operating conditions, adjustment and control system
Acknowledgments: The authors express their deep gratitude to the staff of the Department of Technical Systems in Agribusiness, St. Petersburg State Agrarian University for methodological and technical assistance in conducting these studies.
For citation: Kalinin A. B., Teplinsky I. Z., Gerasimova V. E. Improvement of the methods for assessing the functioning conditions of the potato inter row cultivator - subsoiler // Bulletin NGIEI. 2022. № 3 (130). P. 24-36. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2022-3-24-36
Введение
Формирование корнеобитаемого слоя с параметрами почвенного состояния, обеспечивающими нормальное развитие растений картофеля, является одним из основных факторов, определяющих получение планируемой урожайности требуемого качества продукции [1; 2]. Однако проведенные исследования в производственных условиях показали [3], что при возделывании картофеля с применением традиционной технологии происходит существенное ухудшение условий развития корневой системы растений за счет многократных проходов машинно-тракторных агрегатов по полю в весенний период, когда почва более всего подвержена уплотняющему воздействию со стороны их ходовых систем и рабочих органов. Используемый в западноевропейской
технологии производства картофеля принцип минимизации обработки почвы проблему переуплотнения почвы не решает [4; 5]. При этом во всех технологиях наиболее заметное переуплотнение почвы по горизонтам корнеобитаемого слоя отмечается в междурядьях по следу ходовых систем картофелепосадочного агрегата. Так на рис. 1 представлены результаты предварительных исследований случайного процесса твердости почвы в виде графиков, характеризующих оценку этого процесса по горизонтам корнеобитаемого слоя до и после посадки клубней 4-рядной картофелепосадочной машиной GL 430. Результаты исследований показали, что в период повышенной влажности почвы воздействие ходовых систем картофелепосадочной машины производит существенное увеличение твердости
xxxxxx технологии и средства механизации сельского хозяйства хжхжхх
почвы, начиная непосредственно с поверхности междурядья. По следу сажалки повышенное уплотнение отмечается на глубине на 7-8 см ниже дневной поверхности дна борозды. При таком значении твердости почвы отмечается снижение числа пор и капиллярных каналов, через которые может перемещаться вода, а также образуется плотный почвенный комок. При выпадении осадков такая почвенная структура не способна быстро впитать воду, которая начнет стекать вниз по уклону. Данное явление приводит к застою воды на дне междурядий и появлению вымочек в низинах, а также смыву плодородных почвенных частиц на склонах. При наступлении высоких температур уплотненная почва быстро высыхает и формирует трудно разрушимый почвенный комок, который остается в верхнем слое до момента уборки и сильно повреждает клубни картофеля при тесном контакте во время механизированной уборки. На глубине более 20 см формируется переуплотненный горизонт, твердость которого превышает значение 4,6 МПа, характеризующее зону сильного переуплотнения, в которой невозможно распространение корневой системы картофеля [6].
Исследования, проведенные автором [7], показали, что корневая система картофеля обладает слабой приникающей способностью и поэтому корнеобитаемый слой для данной культуры по показателю твердости условно разделили на 4 зоны. В зоне I твердость почвы находится в диапазоне от 0 до 1,0 МПа, что характеризует наиболее благоприятные условия для развития корневой системы картофеля, когда растение тратит минимальную энергию на проникновение корней внутри почвенного массива. Зону I принято называть зоной нормального уплотнения, в которой можно достичь максимальной реализации генетического потенциала растений по урожайности и качественным показателям. В зоне II твердость почвы находится в диапазоне от 1,1 до 2,5 МПА. При такой твердости в почвенном массиве отмечается меньшее количество пор и капилляров, и корневая система картофеля развивается с некоторым затруднением, затрачивая повышенное количество энергии. Корни растений при такой твердости способны распространяться внутри почвы, однако скорость их развития несколько снижена и за весь вегетационный период ей сложно будет достичь параметров, которые заложены в генетическом потенциале растений. Зону II принято называть зоной среднего уплотнения, наличие которой приводит к некоторому снижению урожайности
клубней. В зоне III твердость почвы находится в диапазоне от 2,6 до 4,5 МПа. Данная зона характеризуется существенным уплотнением с незначительным числом пор и капиллярных каналов. При развитии корневой системы внутри этой зоны растения продолжают свой рост и развитие, однако тратят значительную энергию на распространение. Низкое содержание капилляров приводит к недостатку влаги, и внесенные удобрения слабо растворяются, а содержащиеся в них питательные элементы менее интенсивно переходят в почвенный раствор. Наличие такой зоны на пути распространения корневой системы картофеля существенно ограничивает их развитие в корнеобитаемом слое, ухудшает режим питания и влагообеспечения растений. Зону III принято называть зоной сильного уплотнения, наличие которой ведет к снижению урожайности картофеля и качества убранных клубней, обуславливает значительную зависимость конечного результата от влияния неблагоприятных погодных условий, когда любое отклонение атмосферных явлений от нормального значения порой приводит к катастрофическим последствиям и полной потере урожая. В зоне IV твердость почвы принимает значения свыше 4,6 МПа под действием существенного уплотняющего воздействия, результатом которого является практически полная ликвидация капилляров. Твердость почвы становится таковой, что корневая система растений и влага не способны проникнуть в такой почвенный массив. Зону IV принято называть зоной переуплотнения, присутствие которой не позволяет растениям использовать потенциал почвенного плодородия, а урожайность клубней и их качество не позволят в полном объеме возместить затраты на производство картофеля. Кроме этого при наличии переуплотнения внутри почвы отмечаются наиболее интенсивное развитие эрозионных процессов и существенные потери почвенного плодородия.
В связи с тем, что почва более всего подвержена уплотняющему воздействию при повышенном содержании влаги, а проход картофелепосадочной машины в весенний период приводит к существенному повышению твердости по следу ходовых систем, поэтому устранение переуплотненных горизонтов почвы необходимо выполнить при последующей междурядной обработке посадок картофеля. С этой целью предлагается использовать в пропашном культиваторе глубокорыхлительные рабочие органы, способные выполнять обработку почвы на глубину до 40-45 см [8].
technology and mechanization of agriculture
Рис. 1. Оценка твердости почвы по горизонтам корнеобитаемого слоя R(h) до посадки
и после посадки в междурядье по следу колес трактора: 1 - до посадки; 2 - после посадки;
I - 0.. .1,0 МПа - зона нормального уплотнения;
II - 1,1.2,5 МПа - зона среднего уплотнения;
III - 2,6.4,5 МПа - зона сильного уплотнения; IV - 4,6 и больше - зона переуплотнения
Fig. 1. Evaluation of soil cone index according to the horizons of the root layer R(h) before planting and after
planting in the aisle along the tracks of the tractor wheels: 1 - before planting; 2 - after planting; I - 0.1.0 MPa - zone of normal compaction;
II - 1.1.2.5 MPa - zone of medium compaction;
III - 2.6.4.5 MPa - zone of strong compaction; IV - 4.6 and more - zone of overcompaction
Источник: разработано авторами на основании результатов исследований
Для настройки и управления глубиной хода этих рабочих органов необходимо иметь оперативную информацию об условиях функционирования агрегата, представляющих собой случайные в вероятностно-статистическом смысле процессы, основным из которых является расположение в междурядьях по глубине переуплотненных почвенных горизонтов. Для оперативного получения такой информации был использован цифровой измерительный комплекс. Полученная информация позволила разработать методику определения случайного процесса расположения переуплотненных горизонтов, которая в дальнейшем использована для создания цифровой системы настройки и управления глуби-
ной хода глубокорыхлительных лап пропашного культиватора, применение которой направлено на обеспечение высокого качества обработки почвы с минимальными затратами энергии.
Материалы и методы Работа мобильных сельскохозяйственных агрегатов протекает в постоянно изменяющихся в случайно-статистическом смысле условиях ввиду неоднородного почвенного сложения, наличия уклонов и неровностей на поверхности поля и целого ряда внешних воздействий. Учитывая случайный характер процессов, имеющих место при функционировании пропашного культиватора-глубокорыхлителя, для разработки модели технологического процесса его функционирования при разуплотнении почвы использовались положения статистической динамики сельскохозяйственных агрегатов [9; 10]. Блок-схема этой модели представлена на рис. 2. Условия функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя формируются картофелепосадочным агрегатом 1, на вход которого, в свою очередь, воздействуют случайные процессы в виде твердости почвы R(l), профиля поверхности поля Z(l) и влажности почвы W(l). Под действием изменяющейся во время работы массы посадочного агрегата, переменной скорости движения и ряда других факторов случайные входные процессы преобразуются в случайный процесс Ц1), описывающий глубину расположения переуплотненного горизонта по следу ходовых систем. Анализ технологической схемы этого агрегата показал, что наиболее сильное уплотнение отмечается по следу ходовых систем посадочного агрегата. Поэтому в настоящих исследованиях входным воздействием на пропашной культиватор-глубокорыхлитель 2 был принят случайный процесс, формируемый ходовыми системами трактора и опорными колесами последующей за ним картофелепосадочной машины. Основной задачей технологического процесса функционирования глубоко-рыхлительных лап этого культиватора является устранение переуплотненных горизонтов, препятствующих развитию корневой системы картофеля в центре рядка, а также в междурядьях [11; 12; 13]. Кроме этого, глубокое рыхление позволяет улучшить водный режим растений за счет создания внутри корнеобитаемого слоя разветвленной сети пор и капилляров [14; 15], а устранение уплотнения в междурядьях позволяет наиболее полно использовать площадь поля для формирования урожая и минимизирует содержание плотных комков в ворохе,
XXXXXX технологии и средства механизации сельского хозяйства XXXXXX
сепарируемом картофелеуборочной машиной. Выходным процессом данной модели является глубина хода глубокорыхлительных лап а(Г), обеспечивающих гарантированное разрушение переуплотненных горизонтов. Однако следует отметить, что работа орудий для глубокой обработки почвы сопровождается большими затратами энергии, поэтому для
снижения энергозатрат на обработку при настройке глубины хода рабочих органов ан необходимо определить точное местоположение переуплотненных горизонтов, так как каждый лишний сантиметр существенно увеличивает сопротивление орудия и затраты топлива, необходимого для выполнения данной операции [16].
R(i)3
z(i)a w(i)
Картофелепосадочная машина -1
h(o
Пропашной культиватор-глубоко-рыхлитель - 2 а(1)
1 На 1
Рис. 2. Блок-схема модели технологического процесса функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя при разуплотнении почвы Fig. 2. Block diagram of the model of the technological process of the functioning of a inter row cultivator-subsoiler for disimpaction of the soil Источник: разработано авторами на основании результатов исследований
Для определения точного значения настроечных параметров использовалась методика поиска переуплотненных горизонтов на основе информации, полученной в результате проведения полевых экспериментальных исследований [17]. Данная методика предусматривает одновременное измерение продольной твердости почвы г датчиком, установленным ниже носка рыхлительной лапы, и глубины погружения рабочего органа а при заглублении орудия на краю поля.
Однако данная методика использовалась для получения единичного значения глубины положения переуплотненного горизонта на краю поля и не учитывает случайный характер условий функционирования исследуемого орудия. Исследованиями [12] установлено, что на разворотных полосах и по следу технологической колеи отмечается наиболее интенсивное уплотнение, распространяющееся на значительную глубину. Выполняя настройку куль-тиватора-глубокорыхлителя на глубину обработки на основе использования вышеописанной методики определения границы переуплотнения в корне-обитаемом слое во время заглубления орудия на краю поля, происходило измерение наиболее глубокой позиции расположения переуплотненного горизонта. Однако за пределами разворотной полосы отмечается уменьшение глубины расположения переуплотненного горизонта из-за менее ин-
тенсивного воздействия на почву машинно-тракторных агрегатов, и настройка рабочих органов на завышенное значение глубины позволяло выполнять разрушение уплотнения с избыточными затратами энергии. С целью обеспечения высокого качества работ требуется выполнить получение большего объема экспериментальной информации о реальном положении глубины расположения переуплотненного горизонта по площади поля. Для получения такой информации была использована информационно-измерительная система Pene-tгo1oggeг, позволяющая оперативно, с высокой точностью оценивать послойно твердость почвы с привязкой к месту измерения. Оценка почвенного состояния происходила во время заглубления Pene-tгo1oggeг со скоростью погружения 5 см/с. Площадь поперечного сечения конусного деформатора составляла 1 см2.
В качестве объекта исследования был принят макетный образец пропашного культиватора-глубокорыхлителя (рис. 3), разработанного в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете при выполнении исследований работ по реализации федеральной научно-технической программы «Селекция и семеноводство картофеля» на учебно-опытных полях. Для работы культиватора-глубокорыхлителя на почвах, засоренных камнями, рыхлительные лапы и отвалы окучивающего
technology and mechanization of agriculture
устройства крепились на пружинной стойке. Настройка глубины хода рабочих органов производилась оператором с помощью силово-
го/позиционного регулятора задней навески трактора. Методика сбора и обработки экспериментальной информации изложена в работах [9; 18].
Рис. 3. Макетный образец пропашного культиватора-глубокорыхлителя
Fig. 3. Model sample of inter row cultivator-subsoiler Источник: разработано авторами на основании результатов исследований
Результаты исследований
В результате проведения натурных экспериментальных исследований был получен ансамбль реализаций процесса изменения твердости почвы в исследуемых горизонтах корнеобитаемого слоя по следу колес картофелепосадочного агрегата на длине гона L = 100 м с шагом А1 = 1 м. На рис. 4 показан фрагмент этих реализаций. Из характера этих кривых видно, что с увеличением глубины h твердость почвы R постепенно повышается и при достижении де-форматором глубины 25-35 см наблюдается резкое повышение этого почвенного показателя. При дальнейшем заглублении деформатора происходит некоторое снижение твердости почвы R. На глубине перегиба кривой процесса R(h) переуплотненный почвенный горизонт, соответствующий максимальному значению твердости почвы в месте выполнения измерения. Для точного определения расположения по глубине переуплотненного почвенного горизонта предложено аппаратным способом производить вычисление производной процесса R(h)', которая графически представлена в виде касательной к кривой
процесса R(h). На рис. 5 схематично представлена методика определения глубины расположения переуплотненного слоя. При увеличении твердости почвы R по мере заглубления деформатора производная процесса R(h)'>0. В точке перегиба процесса на определенной глубине h производная этого процесса принимает нулевое значения R(h)' = 0, меняя свой знак с положительного на отрицательный R(h)'<0. Выполняя вычисление производной R(h)' для полученных реализаций на каждом шаге измерения А1 = 1 м, был построен случайный процесс глубины расположения переуплотненного горизонта по длине гона L = 100 м. Реализации случайного процесса для исследуемого поля приведены на рис. 6. Представленный ансамбль реализаций процесса расположения переуплотненного почвенного горизонта свидетельствует о стохастическом характере расположения переуплотнения почвы по площади поля, поэтому дальнейшие исследования и обработка экспериментальных данных проводились с применением методов, принятых в статистической динамике сельскохозяйственных агрегатов.
технологии и средства механизации сельского хозяйства
Рис. 4. Фрагменты ансамбля реализаций процесса твердости почвы по горизонтам
корнеобитаемого слоя R(h) по длине гона L исследуемого участка поля Fig. 4. Fragments of the ensemble of realizations of the process of soil cone index along the horizons of the root layer R(h) along the length of the field L of the studied area Источник: разработано авторами на основании результатов исследований
Полученные массивы данных о процессе расположения переуплотненного почвенного горизонта на площади поля, характеризующие условия функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя, были использованы для разработки цифровой системы настройки и управления глубины хода его рабочих органов на основе методов имитационного моделирования [19]. Для этой цели выполнялась статистическая обработка полученных процессов Ь(1) для оценки их внутренней структуры с целью определения интервала измерения почвенного состояния специальными устройствами, а также параметров работы системы настройки и управления.
Интервал измерения устройств, регистрирующих процесс глубины расположения переуплотненных почвенных горизонтов Ь(1) в качестве входного воздействия на пропашной культиватор-глубокорыхлитель, был выбран из условия: шв-А1= п,
где - наибольшее значение частоты в спектре контролируемого процесса.
Предварительные исследования показали, что для большинства процессов, описывающих почвенное состояние, ~ 25 м-1, на основании чего интервал измерения принят равным А1 = 0,1 м.
Рис. 5. К методике определения глубины расположения переуплотненного горизонта для точки поля Ni Fig. 5. To the method for determining the depth of the location of the overcompacted horizon for the field point Ni Источник: разработано авторами на основании результатов исследований
XXXXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXXXX
60
Рис. 6. Ансамбль реализаций случайного процесса h(l), характеризующих условия функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя на исследуемом участке поля: 1, 2, 3, 4 - проходы картофелепосадочной машины Fig. 6. Ensemble of implementations of the random process h(l), characterizing the operating conditions of the inter row cultivator-subsoiler in the studied area of the field: 1, 2, 3, 4 - passes of the potato planter Источник: разработано авторами на основании результатов исследований
Результаты статистической обработки экспериментальных данных также позволили определить интервал контроля Lk, обеспечивающий, с одной стороны, достоверность оценок технологического процесса, а с другой - минимальный путь для достаточной оперативности выполнения настройки орудия на режим, обеспечивающий требуемое качество выполнения технологического процесса и поддержание рациональных настроечных параметров с учетом случайного характера входных воздействий на пропашной культиватор-глубокорыхлитель. Интервал контроля определялся на основе анализа графика изменения функции oh = /(N), т. е. изменение значений среднеквадрати-ческого отклонения входного процесса в зависимости от числа измерений N. Интервал контроля считается достоверным, при любом N > ^онтр выполняется условие oh ~ const.
Оценка условий функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя при работе системы настройки и управления производится за два этапа. На первом этапе - в режиме настройки на начальном участке накапливается информация о процессе h(l) с шагом Al на интервале наблюдения Lk1 и вычисляется его среднее значение: mh1(l) = = TJi=ih(l)/Lkl. Полученное значение mh1(l) используется в качестве настроечного значения для установки глубины хода глубокорыхлительных лап. На втором этапе производится переход системы в режим управления. В этом режиме интервал наблюдения сдвигается относительно Lk1 на величину шага измерения Al и на втором интервале наблюдения Lk2 вычисляется mh1(l). Таким образом формируется
текущее среднее mh(l) входного воздействия h(l) на пропашной культиватор-грубокорыхлитель. Данная методика позволяет сохранять наравне с текущей информацией информацию о входном процессе в прошлом, причем количество измерений N на участке наблюдения Lki остается постоянным при каждом сдвиге. Изменение настройки глубины хода рабочих органов происходит при отклонении текущего значения скользящего среднего mh (l) от значения первоначальной настройки орудия более чем на 2 см. Применение такой методики настройки глубины хода рабочих органов пропашного культи-ватора-глубокорыхлителя позволяет исключить рысканье орудия по глубине при незначительных изменениях глубины расположения переуплотненных горизонтов в корнеобитаемом слое.
Обсуждение Ввиду того, что измерительная система почвенного состояния Penetrologger, применяемого в настоящих исследованиях, предусматривает предварительный сбор и накопление информации с последующей обработкой результатов на персональном компьютере, по итогам обработки полученных данных строится offline электронная карта почвенного состояния с указанием на ней значений твердости почвы по горизонтам корнеобитаемого слоя. Данная карта может быть использована для работы системы настройки и управления глубины хода рабочих органов пропашного культиватора-глубокорыхлителя в точном земледелии, когда агрегат оснащен приемником GPS/ГЛОНАС сигнала, позволяющего определять точное положение машины во время работы в режиме реального времени. Однако такой способ
xxxxxx технологии и средства механизации сельского хозяйства хжхжхх
получения информации о глубине расположения переуплотненных почвенных горизонтов требует существенных затрат времени на сбор, последующую статистическую обработку полученных данных и построение цифровой карты поля.
Ввиду того, что междурядную обработку картофеля с глубоким рыхлением междурядий рекомендуется проводить сразу же вслед за посадкой во избежание высыхания уплотненного дна борозды и образования трудноотделимых почвенных комков, то составление offline карты поля сложно использовать в производственных целях на значительных площадях. Поэтому был проведен поиск цифровых устройств, позволяющих оперативно получать информацию о почвенном состоянии с оценкой глубины расположения переуплотненного почвенного горизонта. Одним из таких устройств является Topsoil Mapper (TSM), предназначенный для бесконтактного измерения и оценки почвенного состояния в точном земледелии [20].
Принцип работы устройства TSM основан на геофизическом измерении отклика четырех почвенных горизонтов на излучение, генерируемое электромагнитной катушкой. Оценка почвенного состояния в этих почвенных горизонтах производится по результатам математической обработки электрических сигналов, генерируемых приемными катушками, которые регистрируют отраженное электромагнитное поле. Расположенные в ряд на некотором удалении от генератора электромагнитного поля другие приемные катушки настроены на прием отраженного сигнала от «своего» почвенного горизонта. Максимальная глубина расположения почвенного горизонта, который можно оценить с помощью TSM, достигает до 1,1 м. Кроме этого, TSM оснащен геоинформационным модулем, который обеспечивает регистрацию координат измеряемых параметров и составление соответствующих слоев на цифровой карте поля.
Программное обеспечение, с помощью которого производится обработка сигналов от приемных катушек, позволяет достоверно оценить почвенное состояние по таким параметрам, как влагоудержи-вающая способность почвы и тип почвы для каждого горизонта, а также глубину расположения переуплотненного горизонта и степень уплотнения. Устройство TSM изготавливается в пыле- и влаго-защищенном пластиковом корпусе и может навешиваться на заднюю или фронтальную навеску трактора. Скорость движения измерительного устройства TSM может составлять до 20 км/ч.
Информация о текущем состоянии корнеоби-таемого слоя может оперативно в режиме online подаваться в систему настройки и управления при оснащении почвообрабатывающего агрегата измерительным устройством TSM. Для крупных сельскохозяйственных предприятий, когда для выполнения технологического процесса применяется несколько агрегатов сразу же после завершения посадки на высокой скорости, можно провести оценку почвенного состояния, навесив устройство TSM на легкое транспортное средство, способное передвигаться по полю на достаточно высокой скорости. После окончания измерения цифровая карта поля со всеми исследуемыми слоями может оперативно отправляться в облачную систему TSM Client Cloud для последующего составления карты-задания, загружаемого в систему настройки и управления глубиной хода рабочих органов пропашного культива-тора-глубокорыхлителя. Данная карта-задание может использоваться одновременно на нескольких агрегатах. Независимо от того, в каком виде (online или offline) в систему настройки и управления поступает информация об условиях функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя, алгоритм ее работы остается без изменения.
Использование цифрового измерительного устройства TSM исключает существенные затраты времени на получение достоверной информации для работы цифровой системы настройки и управления, а также позволяет существенно сократить затраты энергии на проведение глубокой обработки посадок картофеля.
Заключение
В результате выполнения настоящих исследований была разработана блок-схема модели функционирования пропашного культиватора-глубокорыхлителя, предназначенного для устранения переуплотнения после прохода картофелепосадочного агрегата. На основе теоретических исследований в качестве основного входного воздействия на пропашной культиватор-глубокорыхлитель принят случайный процесс расположения по глубине переуплотненного почвенного горизонта в корнеобитае-мом слое. В результате полевых экспериментальных исследований получена информация о процессе расположения переуплотненного почвенного горизонта по глубине на длине гона h(l) с учетом вероятностно-статистической природы изменения почвенных условий. Для использования полученной информации о входном возмущающем воздействии при разработке цифрового устройства настройки и управле-
XXXXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXXXX
ния глубиной хода его рабочих органов было проведено определение шага измерения и определен минимальный путь опроса датчиков, обеспечивающий получение достоверной информации о текущем положении переуплотненного почвенного горизонта. Настройку и управление глубины хода рабочих органов пропашного культиватора-глубокорыхлителя предложено проводить по показателю скользящего среднего, методика определения которого позволяет оперативно проводить настройку и корректировку настроечного значения, при этом избежать рысканье агрегата по глубине за счет использования для расчета текущих показателей памяти предыдущих измерений на каждом шаге опроса датчиков.
С целью повышения эффективности работы цифрового устройства настройки и управления глубиной хода рабочих органов пропашного культиватора в качестве измерительного устройства предложено использовать цифровой измерительный комплекс TopsoiL Mapper, способный производить
оценку почвенного состояния на глубину до 1,1 м бесконтактным методом. Данный цифровой измерительный комплекс может использоваться для получения текущей информации в режиме online при его установке на фронтальную навеску трактора, использующего систему настройки и управления глубиной хода рабочих органов пропашного культиватора. Для обеспечения работы нескольких почвообрабатывающих агрегатов цифровой измерительный комплекс может использоваться для составления offline карты задания на основе использования облачных технологий для оперативной передачи информации. Применение цифрового устройства настройки и управления глубиной хода рабочих органов пропашного культиватора совместно с цифровым измерительным комплексом Topsoil Mapper позволяет обеспечить требуемое качество междурядной обработки почвы при минимальных затратах энергии, необходимой для выполнения этого технологического процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шпаар Д., Быкин А., Дрегер Д и др. Картофель. Под редакцией Д. Шпаара. Торжок : ООО «Вариант», 2004. 466 с.
2. Маслов Г. Г., Малашихин Н. В., Лаврентьев В. П. Эффективные направления снижения уплотнения почвы для сохранения ее плодородия // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. КубГАУ. 2019. № 146 (02). С. 24-37.
3. Kalinin A. B., Teplinsky I. Z., Ustroev A. A., Kudryavtsev P. P. Selection and substantiation of cultivator adjustment parameters for differential soil treatment on potato based on the rheology state of soil horizons // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. P. 012-025.
4. Зинченко М. К., Зинченко С. И. Ферментативная активность серой лесной почвы при различных приемах основной обработки // Достижения науки и техники АПК. 2021. Т. 35. № 4. С. 17-21.
5. Stalham M. A., Allen E. J., Rosenfeld A. B., Herry F. X. Effects of soil compaction in potato (Solanum tuberosum) crops // The Journal of Agricultural Science, 2007. V. 145. № 4. P. 295-312.
6. Кирюшин В. И. Экологические основы земледелия. М. : Колос, 1996. 367 с.
7. Кудрявцев П. П. Методы и средства оперативной оценки плотности почвы при мониторинге почвообрабатывающих агрегатов // АПК России. 2016. Т. 23. № 4. С. 836-840.
8. Кленин Н. И., Киселев С. Н., Левшин А. Г. Сельскохозяйственные машины. М. : КолосС, 2008. 816 с.
9. Kazimirov A. N. Methods for Describing the Dynamics of Agricultural Machinery Processes // Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020). ICIE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54814-8_114
10. Лурье А. Б., Давидсон Е. А., Валге А. М., Дубровский Б. Ц. Статистические методы построения математических моделей машин // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1973. № 3. С. 53-56.
11. Лобачесвкий Я. П., Старовойтов С. И. Теоретические аспекты работы рыхлительного рабочего органа // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2016. № 5. С. 17-23.
12. Труфанов В. В. Глубокое чизелевание почв. М. : Агропромиздат, 1989. 142 с.
13. Давлетшин М. М. Мударисов С. Г. и др. Чизельные плуги и глубокорыхлители. Уфа. БГАУ, 2014.
152 с.
14. Панов И. М., Ветохин В. И. Физические основы механики почв. К. : Феникс, 2008. 266 с.
xxxxxx технологии и средства механизации сельского хозяйства хжхжхх
15. Kalinin A., Teplinsky I., Ustroev A. Substantiation of tillage methods aimed at rational usage of water resources // Proceeding Engineering for Rural Development. 2018. P. 392-399.
16. Garner T. H., Reynolds W. R., Muzen H. L. and etc. Energy requirement for subsoiling coastal plain soil ASAE paper // ASAE. St. Joseph, MI 49085. 1984. D01:10.13031/2013.31951
17. Stafford J. V., Hendrick J. G. Dynamic Sensing of Soil Pans //Transaction of the ASAE. 1988. V. 31 (1). P. 9-13. DOI: 10.13031/2013.30656
18. Валге А. М., Джабборов Н. И., Эвиев В. А. Основы статистической обработки экспериментальных данных при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства с примерами на STAGRAPHICS и EXEL. Санкт-Петербург - Элиста. 2015. 140 с.
19. Смелик В. А. Технологическая надежность сельскохозяйственных агрегатов и средства ее обеспечения. Ярославль, 1999. 229 с.
20. Гёггерле Т. На разную глубину // Новое сельское хозяйство. 2016. № 6. С. 86-88.
Дата поступления статьи в редакцию 10.01.2022, одобрена после рецензирования 31.01.2022;
принята к публикации 02.02.2022.
Информация об авторах:
A. Б. Калинин - д.т.н., доцент, профессор кафедры «Технические системы в агробизнесе», Spin-код: 6759-2761;
И. З. Теплинский - к.т.н., профессор, профессор кафедры «Технические системы в агробизнесе», Spin-код: 6759-8071;
B. Е. Герасимова - аспирант Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, Spin-код: 1081-6590.
Заявленный вклад авторов: Калинин А. Б. - общее руководство проектом, анализ полученных результатов. Теплинский И. З. - участие в обсуждении материалов статьи, анализ и дополнение текста статьи. Герасимова В. Е. - проведение экспериментальных исследований, сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Shpaar D., Bykin A., Draeger D et al. Kartofel' [Potato], In D. Shpaar (ed.), Torzhok: LLC «Variant», 2004,
466 p.
2. Maslov G. G., Malashikhin N. V., Lavrentiev V. P. Effektivnye napravlenia snizhenia uplotnenia pochvy dla sohranenia ee plodorodia [Effective ways to reduce soil compaction to preserve its fertility], Politehnichesky setevoj electronny zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo unversiteta [Polythematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University], KubGAU, 2019, No. 146 (02), pp. 24-37.
3. Kalinin A. B., Teplinsky I. Z., Ustroev A. A., Kudryavtsev P. P. Selection and substantiation of cultivator adjustment parameters for differential soil treatment on potato based on the rheology state of soil horizons, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, pp. 012-025.
4. Zinchenko M. K., Zinchenko S. I. Fermentativnaya aktivnost' seroj lesnoj pochvy pri razlichnyh priemah os-novnoj obrabotki [Enzymatic activity of gray forest soil with various methods of basic processing], Dostizheniya nauki i tekhniki APK [Achievements of science and technology of the agro-industrial complex], 2021, Vol. 35, No. 4, pp. 17-21.
5. Stalham M. A., Allen E. J., Rosenfeld A. B., Herry F. X. Effects of soil compaction in potato (Solanum tuberosum) crops, The Journal of Agricultural Science, 2007, Vol. 145, No. 4, pp. 295-312.
6. Kiryushin V. I. Ekologicheskie osnovy zemledelia [Ecological foundations of agriculture], Moscow: Kolos, 1996, 367 p.
7. Kudryavtsev P. P. Metody I sredstva operativnoj ocenki plonosti pochvy pri monotoringe pochvoobrabatyvayshih agregatov [Methods and means of operational assessment of soil density when monitoring soil-cultivating aggregates], APKRissii [APKof Russia], 2016, Vol. 23, No. 4, pp. 836-840.
XXXXXXXXXX technology and mechanization of agriculture XXXXXXXXXX
8. Klenin N. I., Kisilev S. N., Levshin A. G. Selskohozia'stvennye mashiny [Farm machines]. Moscow: KolosS, 2008, 816 p.
9. Kazimirov A. N. Methods for Describing the Dynamics of Agricultural Machinery Processes, Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020), ICIE 2021, Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54814-8_114
10. Lurie A. B., Davidson E. A., Valge A. M., Dubrovsky B. Ts. Statisticheskie metody postroenia mathe-maticeskih [Statistical methods for constructing mathematical models of machines], Mechanizatsia I elektrificatsia sotsialisticheskogo sel'skogo hozia'stva [Mechanization and electrification of socialist agriculture], 1973, No. 3, pp. 53-56.
11. Lobachevsky Ya. P., Starovoitov S. I. Teorticheskie aspekty raboty ryhlitel'nogo rabothego organa [Theoretical aspects of the work of the ripping working body], Sel 'skohoxia'stvennye mashiny I tehnologii [Agricultural machines and technologies], 2016, No. 5, pp. 17-23.
12. Trufanov V. V. Glubokoe chizelevanie pochv [Deep chiseling of soils], Moscow: Agropromizdat, 1989,
142 p.
13. Davletshin M. M. Mudarisov S. G. et al. Chizel'nye plugi I glubokoryhliteli [Chisel plows and subsoilers]. Ufa. BSAU, 2014, 152 p.
14. Panov I. M., Vetokhin V. I. Fizicheskie osnovy mechaniki pochv [Physical foundations of soil mechanics]. Kiev: Feniks, 2008, 266 p.
15. Kalinin A., Teplinsky I., Ustroev A. Substantiation of tillage methods aimed at rational usage of water resources, Proceeding Engineering for Rural Development. 17th International Scientific Conference, 2018, pp. 392-399.
16. Garner T. H., Reynolds W. R., Muzen H. L. et al. Energy requirement for subsoiling coastal plain soil, ASAEpaper. ASAE, St. Joseph, MI 49085, 1984. D0I:10.13031/2013.31951
17. Stafford J. V., Hendrick J. G. Dynamic Sensing of Soil Pans, Transaction of the ASAE, 1988, Vol. 31 (1). pp. 9-13. DOI: 10.13031/2013.30656
18. Valge A. M., Dzhabborov N. I., Eviev V. A. Osnovy statisticheskoj obrabotki eksperimental'nyh dannyh pri provedenii isslidovanij po mechanizatsii selskohozia'stvennogo proizvodstva s primerami na STAGRAPHICS i EXEL [Fundamentals of statistical processing of experimental data when conducting research on the mechanization of agricultural production with examples on STAGRAPHICS and EXEL], St. Petersburg - Elista, 2015, 140 p.
19. Smelik V. A. Techologicheskaia nadeznost' selskohozia'stvennyh agregatov I sredsnv ee obespechenia [Technological reliability of agricultural units and means of its provision], Yaroslavl, 1999, 229 p.
20. Goggerle T. Na raznuu glubinu [At different depths], Novoe sel'skoe hozia'stvo [New agriculture]. 2016, No. 6, pp. 86-88.
The article was submitted 10.01.2022; approved after reviewing 31.01.2022; accepted for publication 02.02.2022.
Information about the authors: A. B. Kalinin - Ph. D. (Technical Sciences), associate professor, professor of the chair «Technical Systems in Agribusiness», Spin-code: 6759-2761;
I. Z. Teplinsky - Ph. D. (Technical Sciences), associate professor, associate professor of the chair «Technical Systems in Agribusiness», Spin-code: 6759-8071;
V. E. Gerasimova - Postgraduate student of St. Petersburg State Agrarian University, Spin-code: 1081-6590.
Contribution of the authors: Kalinin A. B. - managed the research project, data analyzing.
Teplinsky I. Z. - participation in the discussion of the materials of the article, analyzing and supplementing the text. Gerasimova V. E. - conducting field trials, collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text.
The authors declare no conflict of interests.
