Оптимизация параметров и режимов работы фрезерного рабочего органа агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений
Хажметова А.Л., Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М., Фиапшев А.Г.
Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова
Аннотация
агрегат крошение почва
В статье приведены результаты экспериментальных исследований процесса работы агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений. Получены математические модели, описывающие взаимосвязь между основными конструктивными, режимными параметрами агрегата и физико-механическими характеристиками почвы, оказывающими наибольшее влияние на критерий оптимизации - качество крошения почвы. На основании проведенного многофакторного эксперимента установлены значения скорости передвижения агрегата, угловой скорости вращения фрезы и угла установки ножей, при которых обеспечивается максимальное качество крошения почвы.
Ключевые слова: ПОЧВА, СВОЙСТВА, АГРЕГАТ, ОБРАБОТКА, КРОШЕНИЕ, ПЛОДОВЫЕ НАСАЖДЕНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ
Механизированные технологии равнинного садоводства малоэффективны в специфических условиях горного и предгорного земледелия, где главным лимитирующим фактором является почвенное плодородие.
В то же время остро стоит вопрос ускоренного создания гумусового слоя в приствольных полосах, улучшения водного и пищевого режимов плодовых насаждений на склоновых землях.
Проведенный анализ системы содержания почвы в садах показал, что наиболее рациональным является дерново-перегнойная система, предусматривающая скашивание растительности с оставлением ее на поверхности почвы в виде мульчи.
Однако серийно выпускаемые промышленностью косилки-измельчители имеют относительно низкую частоту вращения ротационного рабочего органа (540…840 мин-1), не обеспечивают качественное измельчение травяной растительности, неспособны транспортировать измельченную травяную массу в приствольные полосы плодовых деревьев [1].
Для ускоренного создания гумусового слоя в приствольных полосах молодых деревьев в садах на террасах и галечниковых землях необходимо разработать установку, состоящую из косилки-измельчителя и рыхлителя активного действия, позволяющую качественно выполнять несколько взаимосвязанных технологических операций: обеспечивать качественный срез, измельчение травяной растительности в междурядьях, укладку и смешивание мульчматериала с почвой в приствольных полосах при одновременном покрытии ряда плодовых деревьев мульчматериалом.
Для решения данной проблемы предлагается агрегат для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений [2-6], который осуществляет конвейерно-технологический процесс: с одной стороны - мульчирование, с другой - ускоренная гумификация приствольных полос молодых деревьев. При этом улучшается водный и пищевой режим деревьев, создаются благоприятные условия для развития микробиологических процессов в почве, повышающих их плодородие.
На основании проведенного анализа технологического процесса обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений и результатов теоретических исследований [2-6] установлено, что определяющей характеристикой процесса работы фрезерного рабочего органа агрегата является качество крошения почвы. С учетом этого, указанный параметр принят нами в качестве критерия оптимизации. Установлено, что наибольшее влияние на данный критерий оказывают следующие параметры и режимы работы фрезерного рабочего органа: скорость передвижения агрегата ; угловая скорость вращения фрезы ; угол установки ножей (табл. 1).
Для установления оптимальных конструктивных параметров и режимов работы фрезерного рабочего органа агрегата, обеспечивающих максимальное качество крошения почвы, проведен многофакторный эксперимент. Учитывая трудоемкость опытов, эксперименты были проведены с использованием трехуровневого плана Бокса-Бенкина как наиболее экономичного. Он предполагает определенную выборку из полного факторного эксперимента типа , где ? количество факторов, а 3 - количество уровней варьирования каждой переменной (+1, 0, ?1). Планирование экспериментов проводили с учетом надежности результатов опыта, равной 0,95, допустимой ошибки, равной , и количества повторностей опытов, равного 3.
Таблица 1. Факторы и уровни их варьирования
|
Шаг и уровни варьирования факторов |
Кодированное (безразмерное) значение факторов |
Натуральное значение факторов |
|||
|
(, км/ч) |
(, с-1) |
(, град) |
|||
|
Шаг |
- |
0,5 |
15 |
10 |
|
|
Верхний |
+1 |
2,5 |
55 |
70 |
|
|
Нулевой |
0 |
2 |
40 |
60 |
|
|
Нижний |
-1 |
1,5 |
25 |
50 |
После проведения всех опытов по рандомизированной схеме получена таблица 2, в которой имеются все данные для статистического анализа результатов экспериментальных исследований.
Таблица 2. Результаты реализации матрицы планирования (критерий оптимизации - качество крошения почвы, %)
|
i |
Фактор |
Отклик |
||||||
|
X1 |
X2 |
X3 |
У1 |
У2 |
У3 |
Уср |
||
|
1 |
1 |
1 |
0 |
78,2 |
73,3 |
76,8 |
76,1 |
|
|
2 |
1 |
-1 |
0 |
73,9 |
75,2 |
74,2 |
74,43 |
|
|
3 |
-1 |
1 |
0 |
78,8 |
81,7 |
77,2 |
79,23 |
|
|
4 |
-1 |
-1 |
0 |
80,4 |
80,4 |
79,1 |
79,97 |
|
|
5 |
0 |
0 |
0 |
90,8 |
89,5 |
92,1 |
90,8 |
|
|
6 |
1 |
0 |
1 |
75,2 |
77,8 |
76,5 |
76,5 |
|
|
7 |
1 |
0 |
-1 |
68,7 |
64,8 |
66,1 |
66,53 |
|
|
8 |
-1 |
0 |
1 |
84,3 |
83 |
84 |
83,77 |
|
|
9 |
-1 |
0 |
-1 |
70,2 |
73,2 |
71,2 |
71,53 |
|
|
10 |
0 |
0 |
0 |
90,8 |
92,8 |
92,1 |
91,9 |
|
|
11 |
0 |
1 |
1 |
84,6 |
81,7 |
83 |
83,1 |
|
|
12 |
0 |
1 |
-1 |
73,9 |
72,6 |
73,9 |
73,47 |
|
|
13 |
0 |
-1 |
1 |
84,3 |
81,7 |
83 |
83 |
|
|
14 |
0 |
-1 |
-1 |
72,6 |
71,3 |
71,3 |
71,73 |
|
|
15 |
0 |
0 |
0 |
90,4 |
91,2 |
90,5 |
90,7 |
В результате проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента установлено, что все коэффициенты, за исключением , значимы.
На основании полученных данных для оценки влияния варьирующих факторов на критерий оптимизации (качество крошения почвы) было составлено уравнение регрессии, имеющее вид:
|
(1) |
В результате проверки адекватности уравнения по критерию Фишера установлено, что полученное уравнение регрессии адекватно описывает исследуемый процесс (Fpасч=2,193 < Fтабл=2,359).
Уравнение регрессии (1) в раскодированном виде имеет следующий вид:
|
(2) |
После преобразований уравнения (2) получим:
|
(3) |
Для определения значений факторов, обеспечивающих максимальное качество крошения почвы, составлена система дифференциальных уравнений, представляющих частные производные по трем факторам:
(4)
В результате решения системы уравнений (4) определены оптимальные значения факторов в кодированном виде:
Раскодированные значения факторов: 1,92 км/ч, 40,4 с-1 и 630. При этом обеспечивается максимальное качество крошения почвы, равное 92,3%.
Проверка воспроизводимости эксперимента произведена по критерию Кохрена:
При 5%-ном уровне значимости ѓ1=2, ѓ2=15 табличное значение критерия Кохрена Gтабл=0,335. Так как значение расчетного критерия Кохрена меньше табличного, то гипотеза об однородности дисперсий подтверждается.
Уравнение регрессии при нулевом уровне угла установки ножа () имеет вид:
(5)
Поверхность отклика при изменении скорости передвижения агрегата и угловой скорости вращения фрезы (при нулевом уровне угла установки ножа) представлена на рис. 1.
Уравнение регрессии при нулевом уровне угловой скорости вращения фрезы (с-1) имеет вид:
(6)
Поверхность отклика при изменении скорости передвижения агрегата и угла установки ножа (при нулевом уровне угловой скорости вращения фрезы) представлена на рис. 2.
Уравнение регрессии при нулевой скорости передвижения (=2 м/с) имеет вид:
(7)
Поверхность отклика при изменении угловой скорости вращения фрезы и угла установки ножа (при нулевом уровне скорости передвижения агрегата) представлена на рис. 3.
Анализ результатов многофакторного эксперимента показывает, что максимальное качество крошения почвы (92,3%) достигается при следующих значениях варьирующих факторов: скорость передвижения агрегата: =1,92 м/с, угловая скорость вращения фрезы 40,4 с-1 и угол установки ножа 630.
Рис. 1. Поверхность отклика при нулевом уровне
Рис. 2. Поверхность отклика при нулевом уровне с-1
Рис. 3. Поверхность отклика при нулевом уровне =2 м/с
Список использованных источников
агрегат крошение почва
1. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М. Инновационные технологические и технические решения по повышению плодородия почв в условиях склоновых эродированных черноземных почв Юга России. - Нальчик: Кабардино-Балкарский ГАУ. - 2017. - 344 с.
2. Шекихачев Ю.А., Хажметова А.Л., Шекихачев А.А. Обоснование конструктивно-технологической схемы технического средства для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений / В сборнике: Инженерное обеспечение инновационного развития агропромышленного комплекса России Сборник научных трудов VII Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения Х.Г. Урусмамбетова. - 2018. - С. 249-251.
3. Хажметова А.Л., Шекихачев Ю.А. Установка для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений в садах на террасах / В сборнике: Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического развития АПК и сельских территорий. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию окончания Сталинградской битвы. - 2018. - С. 278-282.
4. Патент РФ на полезную модель № №178374. Установка для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений на террасах и галечниковых землях / А.К. Апажев, В.Н. Бербеков, Ю.А. Шекихачев, А.Л. Хажметова и др. Патентообладатель Кабардино-Балкарский ГАУ. Опубл. 02.04.2018. Бюл. №10.
5. Шекихачев Ю.А., Полищук Е.А., Хажметова А.Л. Установка для обработки приствольных полос / Материалы XIII Международная НПК «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» (5-7 апреля, 2017г., г. Ставрополь). - Ставрополь. - 2017. - С. 125-128.
6. Хажметова А.Л., Шекихачев Ю.А. Инновационная биотехнология и техническое средство для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений / Материалы VII Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные инновационные проекты молодых ученых. - Нальчик. - 2017. - С.155-159.