Оптимизация параметров рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением высокомолекулярного полиэтилена

Введение. В соответствии с Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы необходимо предотвращать водную и ветровую эрозии, улучшать структурный состав почвы, что положительно влияет на плодородие.

В зоне недостаточного увлажнения основная задача обработки почвы заключается в создании оптимальных условий для максимального накопления запасов влаги и предотвращения непродуктивного её расхода. Накопление влаги достигается путём создания мульчирующего слоя на поверхности и различных по структурному составу и плотности сложения слоёв почвы при её обработке. Это можно осуществить послойной безотвальной обработкой почвы. Однако рабочие органы для послойной безотвальной обработки почвы характеризуются высокой металлоёмкостью, что приводит к увеличению массы конструкции и росту энергозатрат на осуществление технологического процесса. Благодаря использованию в конструкции новых неметаллических материалов на основе пластика возможно существенное снижение металлоёмкости рабочих органов и затрат энергии на осуществление технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы.

Целью исследования является снижение затрат энергии на осуществление технологического процесса послойной безотвальной обработки почвы.

Материалы и методы. На основании анализа взаимодействия рабочих органов с обрабатываемой средой [1, 2, 3], экспериментальных и теоретических исследований [4, 5, 6, 7] разработана конструкция рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением сверхвысоко молекулярного полиэтилена низкой плотности, содержащего стойку с долотом, в передней части которой установлены съёмные лемешные лезвия, причем левое в форме циклоиды. На долоте закреплён с возможностью перемещения комкодробитель и расположена упорная плита. В верхней части стойки смонтирован с возможностью замены элемент для мелкой обработки почвы (рыхлитель).

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен низкой плотности монтировали в локальных зонах износа и области повышенного трения рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы (рисунок 1). В результате исследований [8] установлено, что при функционировании рабочего органа на экстремальном режиме (глубина более 38 см, твёрдость более 4 МПа) происходит деформация рыхлителя для мелкой обработки почвы, имеющего локальные области концентрации напряжений. Поэтому рыхлитель для мелкой обработки почвы выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности, толерантного к концентраторам напряжений. Помимо этого сверхвысокомолекулярный полиэтилен низкой плотности устанавливался на долоте, комкодродителе и упорной плите рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы. Это обусловлено тем, что сопротивление разрушению пласта почвы при глубоком рыхлении в боковых расширениях прорези по отношению к единице площади их сечения в несколько раз меньше, чем сопротивление, отнесённое к единице площади перед лобовой поверхностью долота, поскольку при сжатии требуется создать разрушающие напряжения в несколько раз больше, чем при растяжении [9,10,11,12,13].

Рисунок 1 - Рабочий орган для послойной безотвальной обработки почвы с применением с верх высоко молекул яр нога полиэтилена

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 корреляционно-регрессивного анализа. Введён 15.09.2011 (взамен СТП 13.046-80).

Методика оптимизации параметров рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности основана на планировании эксперимента по трёхфакторному плану Бокса. Проверка опытных данных проведена с использованием ЭВМ. Для расчёта применялись программы Microsoft® Office Excel 2003 и MathCAD v15. Математическая обработка опытных данных включала проверку адекватности математической модели по критерию Фишера (F).

Результаты и их обсуждение. Критерием оценки (отклика) является тяговое усилие, затрачиваемое на преодоление силы сопротивления почвы, действующей на рабочий орган (так называемое тяговое сопротивление рабочего органа). От тягового сопротивления напрямую зависят энергозатраты на осуществление технологического процесса. Поэтому необходимо было подобрать рациональные значения факторов, обеспечивающих минимальное тяговое сопротивление рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы. Варьируемыми факторами в эксперименте были выбраны: скорость перемещения рабочего органа, глубина обработки почвы, угол входа в почву долота. Пределы изменения этих факторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Пределы изменения факторов

Варьируемые в опыте факторы	Кодированные обозначения факторов	Пределы изменения
		-1	0	+1
Скорость перемещения рабочего органа, м/с	X!	2	2,5	3
Глубина обработки почвы, см	х2	25	30	35
Угол входа в почву долота рабочего органа, °	Хз	30	32,5	35

Таблица 2 - План эксперимента и выходные параметры опытов

№ опыта	Матрица планирования			Натуральные значения переменных			Выходные параметры (тяговое сопротивление, кН)
	Xi	Xz	Хз	Скорость перемещения рабочего органа, м/с	Глубина обработки почвы,см	Угол входа в почву долота рабочего органа, град,
1	+1	+1	0	3	35	32,5	6,07
2	+1		0	3	25	32,5	6,09
3	-1	+1	0	2	35	32,5	8,80
4	-1	-1	0	2	25	32,5	6,11
5	0	0	0	2,5	30	32,5	6,80
6	+1	0	+1	3	30	35	8,10
7	+1	0	-1	3	30	30	7,60
8	-1	0	+1	2	30	35	6,12
9	-1	0	-1	2	30	30	7,20
10	0	0	0	2,5	30	32,5	7,04
11	0	+1	+1	2,5	35	35	9,10
12	0	+1	-1	2,5	35	30	7,90
13	0		+1	2,5	25	35	6,70
14	0	-1	-1	2,5	25	30	6,74
15	0	0	0	2,5	30	32,5	7,20

Уровни факторов выбирали таким образом, чтобы оптимальные их значения, рассчитанные теоретически и учитывающие существующие ограничения, попадали в центр интервала варьирования. Пределами изменения первого фактора являются значения скорости агрегата от 2 м/с до 3 м/с, что соответствует интервалу варьирования. Для второго фактора значение глубины обработки почвы изменяли от 25 до 35 см, что соответствует интервалу варьирования. Для третьего фактора значение угла входа в почву долота рабочего органа составляет от 30° до 35°, что соответствует интервалу варьирования (таблица 2).

В результате исследований влияния скорости, глубины обработки почвы, угла входа в почву долота тяговое усилие, затрачиваемое на преодоление силы сопротивления почвы, действующей на рабочий орган, получено регрессионное уравнение в кодированных обозначениях.

У = 7,013 - 0,046 ■ ^ + 0,779 • X, + 0,072 • Х₃ -

-0,678- X_t ■ Х₂ + 0,395-%! ■ Х₃ + 0,310-^ - Х₃ - - 0,30 ■ Х^ + 0,055 • Х\ + 0,542 • X;

Проверка адекватности показала, что по критерию Фишера (Ғ=17,9<Ғтаб=18,99) уравнение математической модели является адекватным. Модель применима для решения научноисследовательских задач.

Анализ влияния факторов на критерий оптимизации по уравнению регрессии выявил следующее:

• -    глубина обработки почвы рабочим органом (Хг) оказывает наиболее сильное влияние. Этот фактор имеет наибольший коэффициент при X? в уравнении регрессии, а знак «плюс» у коэффициента, характеризующего влияние данного фактора, указывает на увеличение критерия оптимизации;

• -    значительное влияние на критерий оптимизации оказывает и третий фактор (угол входа в почву долота рабочего органа Хз). Знак «плюс» у коэффициента при Хз, характеризующего влияние данного фактора, указывает на увеличение тягового усилия, затрачиваемого на преодоление силы сопротивления почвы, действующей на рабочий орган;

• -    характер влияния скорости перемещения рабочего органа (Xi) показывает, что с ростом его значения происходит уменьшение критерия оптимизации.

Значимость полученных коэффициентов уравнения регрессии проверялась в программе MathCAD v15.

Рассмотрим влияние факторов на критерий оптимизации при фиксации одного из пара-

Рисунок 2 - Поверхность отклика тягового сопротивления при изменении скорости перемещения рабочего органа и глубины обработки почвы

Влияние скорости перемещения рабочего органа и глубины обработки почвы представлено на рисунке 2.

Скорость, м/с

При фиксации значения угла входа в почву долота рабочего органа на уровне 32,5 градуса критерий оптимизации уменьшается с падением скорости перемещения рабочего органа и глубины обработки почвы. Оптимальной областью можно признать интервал значений скорости перемещения рабочего органа от 2,0 до 2,2 м/с и глубины обработки почвы от 25 до 28 см (рисунок 2).

Влияние угла входа в почву долота рабочего органа и глубины обработки почвы представлено на рисунке 3.

При фиксации значения скорости перемещения рабочего органа на уровне 2,5 м/с критерий оптимизации последовательно уменьшается с падением глубины обработки почвы в пределах её варьирования в опыте. Наименьшее значение критерий оптимизации достигает при угле входа в почву долота рабочего органа от 31,5 до 33,5 градусов.

Влияние изменения угла входа в почву долота рабочего органа и скорости перемещения рабочего органа представлено на рисунке 4.

При фиксации значения глубины обработки почвы рабочим органом на уровне 30 см поверхность отклика имеет «седловидную» фор му. При этом снижение критерия оптимизации происходит в двух областях поверхности: при скорости перемещения рабочего органа в пределах от 2,0 до 2,2 м/с и от 2,8 до 3,0 м/с для угла входа в почву долота в пределах от 31,5° до 33,5°.

С точки зрения увеличения производительности рабочего органа и машины в целом оптимальными условиями её работы будут пределы изменения факторов для угла входа в почву долота рабочего органа в пределах от 31,5° до 33,5° и скорости перемещения рабочего органа в пределах от 2,8 до 3,0 м/с.

В результате проведенного анализа экспериментальных данных было выявлено, что снижение тягового сопротивления наблюдается при варьировании Xi от 2,0 до 2,2 м/с и от 2,8 до 3,0 м/с, однако для увеличения производительности агрегата предпочтительнее наибольшая скорость движения агрегата (от 2,8 до 3,0 м/с). Оптимальный угол входа в почву долота рабочего органа в пределах указанных интервалов варьирования скорости одинаков и составляет от 31,5° до 33,5°. При глубине обработки почвы 30-35 см обеспечивается оптимальное тяговое сопротивление.

Рисунок 3 - Поверхность отклика тягового сопротивления при изменении угла входа в почву долота рабочего органа и глубины обработки почвы

Рисунок 4 - Поверхность отклика тягового сопротивления при изменении угла входа в почву долота и скорости перемещения рабочего органа

Выводы:

• -    для создания оптимальных условий для максимального накопления запасов влаги и предотвращения непродуктивного её расхода в зоне недостаточного увлажнения необходимо осуществлять послойную безотвальную обработку почвы:

• -    при использовании в конструкции рабочих органов для послойной безотвальной обработки почвы новых неметаллических материа

лов на основе пластика возможно существенное снижение металлоёмкости машины и затрат энергии на осуществление технологического процесса;

• -    оптимальное тяговое сопротивление рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности обеспечивается при скорости агрегата от 2,8 до

3,0 м/с; угле входа в почву долота от 31,5° до 33,5°; глубине обработки почвы 30-35 см.