Параметры ресурсосберегающего рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы под пропашные культуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Кайванов Сергей Дмитриевич

• Кайванов Сергей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Кайванов Сергей Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И КОНСТРУКЦИЙ КУЛЬТИВАТОРОВ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

1.1 Основные требования к обработке почвы

1.2 Конструкции культиваторов для предпосевной

обработки почвы

1.3 Рабочие органы культиваторов для предпосевной

обработки почвы

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Механическое воздействие на почву

2.2 Обоснование параметров двухъярусной стрельчатой лапы

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методика полевых исследований

3.2 Методика определения тягового сопротивления

3.3 Определение количества зависающей растительности

на стойке лапы

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты определения качественных показателей

4.2 Результаты определения тягового сопротивления инновационных лап

4.3 Результаты определения массы зависающей

на стойке растительности

4.4 Результаты проведения полнофакторного

эксперимента типа

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КУЛЬТИВАТОРА

С ДВУХЪЯРУСНЫМИ ЛАПАМИ

5.1 Определение технико-экономической эффективности

5.2 Технико-экономические показатели

5.3 Производительность труда и трудоемкость

5.4 Эксплуатационные затраты

5.5 Годовой экономический эффект

5.6 Капитальные вложения

5.7 Окупаемость капитальных вложений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Поверхности отклика

Приложение 2. Обозначения принятые в диссертационной работе

Приложение 3. Вид силограммы при энергетической оценке двухъярусной лапы

Приложение 4. Заключение по результатам исследований экспериментальных образцов культиваторных лап

Приложение 5. Патент на изобретение №2623481

Приложение 6. Патент на полезную модель №171850

Приложение 7. Сертификат участника Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметры ресурсосберегающего рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы под пропашные культуры»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Площадь под пропашными культурами ежегодно возрастает. Это прежде всего кукуруза на зерно, подсолнечник, соя, сахарная свекла. Растут площади под овощными и бахчевыми культурами: томат, перец, баклажаны, огурец, арбуз, дыня, кабачок. Глубина заделки семян для многих из них не превышает 5 см, однако почвообрабатывающие рабочие органы, используемые при предпосевной обработке, технологически могут работать на глубине более 6 см.

По данным профессоров А. Ф. Бурбеля и А. С. Найденова, «культиватор типа КПС-4 со стрельчатыми лапами устойчиво работает только при глубине обработки 8...10 см. Образуется грубая комковатая поверхность посевного слоя, что приводит к испарению влаги. При севе по такой почве молодые ростки растений, упираясь в комки почвы, не дают всходов, приводя к изреженности посевов. Лапы отбрасывают почву, образуют бороздки, создают невыровненную поверхность с повышенной гребнистостью, выносится влажная почва на дневную поверхность. Это сдерживает рост скорости рабочего движения. Она сейчас рекомендована не более 10.12 км/ч. Предпосевную обработку почвы необходимо проводить бритвенными лапами на глубину до 4.6 см».

В настоящее время рабочих органов для такой предпосевной обработки нет. Невыровненная поверхность приводит к испарению почвенной влаги в предпосевной период, что крайне не желательно.

При механической обработке лапы воздействуют на почву с одной стороны, приводя к деформации сжатия и смятия, что более энергозатратно, чем деформация растяжения и сдвига. Поэтому разработка и исследования почвообрабатывающих рабочих органов, обеспечивающих глубину обработки почвы, равную глубине заделки семян, в пределах 3.5 см и качественно работающих на скоростях, превышающих 12 км/ч с меньшими энергозатратами, являются актуальными и представляют практический интерес.

Степень разработанности темы. Проводятся исследования по совершенствованию рабочих органов и машин, качественно выполняющих процесс

предпосевной обработки почвы. Эта работа ведется в Азово-Черноморском инженерном институте (В. А. Черноволов, А. Ю. Несмиян), в ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской», структурное подразделение СКНИИМЭСХ (В. Б. Рыков, С. И. Камбулов), Горском государственном аграрном университете (А. Б. Кудзаев, Р. М. Тавасиев), Новокубанском филиале ФГБНУ «Росин-формагротех» КубНИИТиМ, (Д.А. Петухов, А.Н. Назаров), Волгоградском государственном аграрном университете (И.Б. Борисенко, А.И. Ряднов) и др.. В настоящее время выпускаются культиваторы для предпосевной обработки почвы, оснащенные прутковыми боронами в комбинации с катками. Качество обработки улучшается, но на 20... 25 % возрастает материалоемкость, а следовательно, и погектарный расход топлива.

Наблюдается тенденция к уменьшению угла крошения лемехов лап с 16.18° до 10.12°.

Цель работы - обоснование параметров рабочего органа, обеспечивающего ресурсосбережение, повышение производительности и качественных показателей предпосевной обработки почвы.

Для выполнения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ технологий и технических средств для предпосевной обработки почвы с целью обоснования нового почвообрабатывающего рабочего органа культиватора.

2. Теоретически обосновать математические зависимости параметров двухъярусной стрельчатой лапы, обеспечивающей стесненное механическое воздействие на почву и совмещение рабочих и копирующих функций с обоснованием формы стойки.

3. Экспериментально определить качественные и энергетические показатели почвообрабатывающего рабочего органа в полевых условиях и установить наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на эффективность процесса.

4. По результатам полнофакторного эксперимента определить рациональные расстояния между лемехами двухъярусной стрельчатой лапы и скорость рабочего движения культиватора.

5. Рассчитать технико-экономические показатели эффективности разработки.

Объект исследования - технологический процесс предпосевной обработки почвы культиватором.

Предмет исследования - закономерности взаимодействия рабочих органов культиватора с почвой.

Научная гипотеза. Повышение качественных показателей предпосевной обработки почвы и ресурсосбережение возможны с изменением способа механического воздействия на почву, совмещением рабочих и копирующих функций в одном рабочем органе.

Научную новизну работы представляют:

- новая конструктивно-технологическая схема культиватора для предпосевной обработки почвы, позволяющая совмещать рабочие и копирующие функции в одном рабочем органе;

- способ стесненного механического воздействия на почву, реализованный в двухъярусной стрельчатой лапе со смещением нижнего лемеха относительно верхнего и формы стойки;

- способ стабилизации глубины обработки вне зависимости от скорости рабочего движения при предпосевной культивации с глубиной обработки до 6 см и угле крошения нижнего лемеха 0°;

- экпериментально-теоретические зависимости качественных и энергетических показателей работы культиватора с предлагаемым рабочим органом.

Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретение № 2623481 и полезную модель № 171850.

Теоретическая и практическая значимость работы. Установлены аналитические зависимости по определению оптимальных конструктивных пара-

метров и режимов работы двухъярусной лапы, обеспечивающие совмещение копирующих и рабочих функций в одном рабочем органе. Реализован способ стесненного механического воздействия на почву двухъярусных стрельчатых лап.

Полевые испытания проведены на полях КубНИИТИМ, получены качественные показатели, соответствующие агротехническим требованиям, что позволило рекомендовать двухъярусную лапу к широкой производственной проверке в различных почвенно-климатических условиях.

Методология и методы исследования. Методология исследования основана на системном подходе, позволяющем раскрыть связь между параметрами разработанного почвообрабатывающего рабочего органа, физико-механическими свойствами почвы и качественными показателями работы. Использованы теоретические и экспериментальные данные земледельческой механики, законы классической механики.

При проведении экспериментальных исследований были применены существующие и специально разработанные установки, высокоточная измерительная аппаратура. Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики с применением ПЭВМ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- способ стесненного механического воздействия на почву и совмещение рабочих и копирующих функций в одном рабочем органе со стойкой;

- аналитические зависимости, определяющие параметры и режимы работы предлагаемого рабочего органа культиватора;

- качественные и энергетические показатели работы двухъярусной лапы;

- технико-экономические показатели культиватора с двухъярусными стрельчатыми лапами.

Реализация результатов исследования. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях, международных агропромышленных выставках и научно-инновационных конкурсах.

Результаты научных исследований одобрены и внедрены минсельхозом Ставропольского края в рамках государственного контракта № 189/16 «Разработка конструкторской документации на высокотехнологичный культиватор для предпосевной обработки почвы с двухъярусными стрельчатыми лапами».

Техническое решение (ЯИ 2623481) в конструкции двухъярусной стрельчатой лапе позволяет работать при скоростях, превышающих 12 км/ч с минимальными энергозатратами.

Конструкторская документация передана в ОАО РТП «Петровское». Экспериментальные образцы нового рабочего органа были представлены на международной выставке «Агроуниверсал 2018», а также используются в курсовом и дипломном проектировании.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается использованием методов математической статистики и теории многофакторного эксперимента, применением современных приборов и средств измерений, отвечающих требованиям соответствующих стандартов. Основные результаты исследований докладывались на научно-инновационном конкурсе «УМНИК» (Ставрополь, 2015 г.), на V конкурсе на соискание гранта и премии ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ» (Ставрополь, 2016 г.), научно-практических конференциях ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ» (2016-2018 гг.), на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, КБГСХА (Нальчик, 2017 г.), на Международной агропромышленной выставке «Агроуниверсал - 2018».

Публикация материалов исследования. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, 5 из них - в рецензируемых изданиях. Общий объем - 2,34 п. л., из них автору принадлежит 1,05 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 82 наименований. Работа изложена на 11 3 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 30 таблиц и 7 приложений.

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И КОНСТРУКЦИЙ КУЛЬТИВАТОРОВ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

1.1 Основные требования к обработке почвы

Технологический процесс обработки почвы основан на механическом воздействии на почву с целью крошения, рыхления, уплотнения, выравнивания, подрезания на определенной глубине сорняков, мульчирования.

По данным Н. Е. Руденко, А. П. Ляхова [52], оптимальным фракционным составом поверхностного слоя почвы для снижения потерь влаги на физическое испарение являются агрегаты размерами 5.10 мм (рисунок 1.1). Они лучше удерживают почвенную влагу, образуя эффективный мульчирующий слой.

п 7 / »' < V 6 7 а V V

Количеапдс суток

Рисунок 1.1 - Влажность почвы в зависимости от фракционного состава верхнего слоя (по Н.Е. Руденко) [52]

Качество обработки почвы во многом зависит от её механического состава. Классификация почвы по механическому составу происходит в зависимости от содержания в ней физической глины, т. е. частиц почвы менее 10 мкм (0,01 мм) [20].

К легким почвам относят песчаные, супесчаные и легкосуглинистые почвы, которые содержат до 30 % физической глины. Они хорошо поддаются механической обработке, отличаются водопроницаемостью и лучшим воздушным режимом. К средним - суглинок средний, который содержит 31.45 % физической глины. К тяжелым почвам относят суглинок тяжелый (46.60 %) и глину (> 60 %). Глинистые почвы - тяжёлые. При увлажнении они легко заплывают, липкость их увеличивается, при подсыхании образуется мощная почвенная корка, а при обработке - глыбы, что отрицательно сказывается на росте и развитии культурных растений.

Более крупные почвенные отдельности считаются глыбистой частью, более мелкие относятся к распылённой фракции. Наиболее водопрочными являются агрегаты размером 1,0.3,0 мм.

Если в верхнем слое почвы 0.50 мм частиц почвы размером до 0,25 мм более 25 %, то такая почва при отсутствии стерни и растительности подвергается ветровой эрозии.

Скважность или порозность характеризуется долей пустот, находящихся в общем объеме почвы, и выражается в процентах [20]:

Оптимальная порозность почвы находится в пределах 40.60 %. Поры диаметром менее 10 мкм (0,01 мм) непроходимы даже для тонких корней растений, а диаметром менее 3 мкм (0,003 мм) - для большинства почвенных микроорганизмов. Порозность имеет существенное значение для создания благоприятного водного, воздушного, теплового и пищевого режимов.

Отношение массы почвы тП к ее объему УП в естественном состоянии составляет плотность почвы [20]

(1.1)

где УПУ - объем пустот, мм3;

УП - общий объем почвы, мм3.

(1.2)

-5

Она изменяется от 0,7 до 1,8 т/м .

Оптимальной считается плотность 1,0.1,3 т/м . При плотности более

-5

1,4 т/м корни плохо проникают в почву. Комки почвы с такой плотностью практически не участвуют в процессе повышения ее плодородия. Плотность почвы уменьшают рыхлением, а повышают уплотнением.

Увеличение расстояния между комочками почвы с частичным уменьшением их размеров осуществляется при рыхлении. Эта операция улучшает водо-и воздухопроницаемость почвы и аэрацию.

Уменьшение расстояния между комочками почвы происходит при уплотнении и способствует подтягиванию влаги и ее прогреванию.

Отношение массы содержащейся в почвы воды к массе сухой почвы, выраженное в процентах, есть абсолютная влажность почвы

m — m

W = mb mc . Ю0 %, (1.3)

mc

где Wa - абсолютная влажность почвы, %;

mb - масса образца влажной почвы, г;

mc - масса образца сухой почвы, г.

Почва, у которой масса образца при дальнейшем высушивании в сушильном шкафу (при температуре 105 °С) практически не изменяется, является сухой.

Снижение влажности почвы происходит путем капиллярного подъема влаги за счет конвекции и диффузии, вызванного градиентами температуры и давления, потоком воздуха. Капиллярный подъем влаги определяется структурным состоянием почвы, размерами агрегатов.

При работе почвообрабатывающих машин возникают силы сопротивления, вызванные трением [51]. Различают внутреннее трение, или трение почвы о почву, и внешнее трение - трение почвы о поверхности рабочих органов.

Коэффициенты трения позволяют правильно подойти к выбору рабочих органов почвообрабатывающих машин, которые бы позволили выполнять наиболее качественно технологический процесс при возможно меньшей затрате энергии.

FTP = FHtg9 = FH f, (1.4)

где f - коэффициент трения почвы по стальной поверхности.

Сила трения FTP пропорциональна нормальному давлению FH.

Законы трения и прилипания различаются, хотя и проявляются одинаково -в виде сопротивления движению. Сила трения FTP не зависит от площади контакта и при Fh = 0 отсутствует. Тогда как сила прилипания FnP зависит от площади контакта и проявляется даже при отсутствии нормального давления (Fh = 0).

Почва не будет налипать на поверхность рабочих органов, если силы внутреннего трения между почвенными частицами будут больше сил трения и прилипания между почвой и рабочей поверхностью.

Эффективный рост и развитие растений происходят при создании оптимальных условий: влажности, температуры, аэрации, содержания элементов питания. Изменение этих факторов обеспечивается выполнением технологических операций: рыхления, крошения, уплотнения, резания, оборачивания, перемешивания, подрезания сорняков, выравнивания поверхности, профилирования поверхности (борозды, гребни, гряды, щели).

Комбинации этих операций входят в технологические процессы, выполняемые рабочими органами.

Основными почвообрабатывающими рабочими органами являются: лемех с отвалом, диски, лапа стрельчатая, катки, выравниватели, щелеватели, бо-роздорезы.

Состав почвы оценивается тремя коэффициентами: коэффициент структурности

С = ОТ(°-25-20) ; (1.5)

m

^m(<° 25)

коэффициент распыленности P = ——— •

т т

коэффициент глыбистости Г = —^^,

т

где т - общая масса взятой для анализа почвы, кг; т(о,25...20) - масса фракции почвы 0,25 .20 мм; т(<0,25) - масса фракции почвы менее 25 мм; т(>25) - масса фракции почвы более 25 мм.

Желательно, чтобы коэффициент С был наибольшим, а Р и Г -наименьшими.

К наиболее эффективным приёмам восстановления структурных свойств почв относятся агротехнические: обработка в спелом состоянии, возделывание многолетних трав, применение органических удобрений, сидератов, известкование кислых почв, мелование и гипсование солонцов [51].

По данным В. А. Желиговского, лезвия рабочих органов осуществляют резание вследствие смятия почвы. Лезвием считается та часть ножа, по которой почва не скользит, не перемещается. Скольжение разделенных комочков почвы начинается по фаскам [19].

Уменьшение площади поверхности, а значит, и площади испарения происходит при ее выравнивании.

Для накопления и распределения влаги служат щели, борозды, гребни (таблица 1.1).

Приемы сохранения влаги:

- разрушение капиллярной скважности верхнего слоя;

- снижение конвекции влаги из мелкокомковых пустот и трещин;

- уменьшение выноса влажной почвы на поверхность;

- снижение скорости ветра в приземном слое;

- выравнивание поверхности;

- щелевание;

- уничтожение сорняков и рыхление верхнего слоя почвы на 50.60 мм без перемешивания или культивация поверхности;

- повышение водоудерживающей способности и влагоемкости почвы (внесение органических удобрений, торфа).

В качестве рабочих органов, действующих на комки при обработке почвы, используют лапы, катки, иглы, зубья, ножи и их комбинации.

Эффективный рост и развитие растений происходят при оптимальных условиях: влажности, температуры, аэрации, содержания элементов питания. Изменение этих факторов обеспечивается выполнением технологических операций: рыхления, крошения, уплотнения, подрезания сорняков, выравнивания поверхности [35; 37].

Таблица 1.1 - Факторы роста и развития культурных растений и сорняков

Технологическая Воздействия Влияние на факторы

операция на почву на сорняки роста и развития

Рыхление, кро- - уменьшение - повреждение - улучшение аэрации;

шение плотности; и уничтожение; - снижение температу-

- разрушение - провоцирование ры верхнего слоя;

почвенной прорастания се- - уменьшение влажно-

корки; мян; сти;

- снижение ис- - измельчение кор- - ускорение нитрифи-

парения невищ многолетних растений кационных процессов

Уплотнение - разрушение - улучшение кон- - повышение темпера-

комков; такта семян туры, улучшение

- увеличение с почвой; прогреваемости

плотности; - повышение верхнего слоя;

- разрушение всхожести - снижение аэрации;

почвенной - понижение порозно-

корки сти; - подтягивание влаги из нижележащих слоев; - увеличение испарения

Выравнивание - разрушение - счищение всхо- - снижение испарения

поверхности гребней, засыпка впадин; - возможное планирование поверхности дов, проростков сорняков влаги

Нарезка щелей, - увеличение - уничтожение - улучшение прогрева-

борозд площади сорняков; ния почвы;

поверхности - вынос семян на поверхность - накопление и сохранение влаги

Комбинации этих операций входят в технологические процессы, выполняемые рабочими органами.

Обработка почвы на глубину до 120 мм без оборота пласта и выноса на поверхность нижних влажных слоев, обеспечивающая крошение, рыхление, частичное перемешивание почвы, выравнивание поверхности поля, подрезание сорных растений, заделку удобрений и гербицидов, происходит при культивации. Тогда же формируется поверхностный рыхлый слой, препятствующий испарению влаги, улучшаются водный и воздушный режимы, ускоряется прогре-

вание почвы весной, усиливается микробиологическая деятельность и создаются благоприятные условия для накопления питательных веществ и влаги.

Сплошную культивацию проводят в системе предпосевной и поверхностной обработки почвы при уходе за чистыми и кулисными парами.

При предпосевной культивации почвы формируется оптимально уплотненное семенное ложе, обеспечивающее благоприятные условия для равномерного распределения семян и появления дружных всходов [66; 67-69; 72].

1.2 Конструкции культиваторов для предпосевной обработки почвы

При обработке почвы требуется:

- обеспечение степени крошения почвы не менее 85 %;

- вынос влажной почвы на дневную поверхность не более 10 %;

- выравненность поверхности почвы, гребнистость до 40 мм;

- отсутствие борозд;

- выровненность дна при предпосевной обработке;

- стабильность глубины обработки, вариабельность не более 20 %;

Обработку применяют для уничтожения сорняков и рыхления почвы без

ее оборачивания при уходе за парами и подготовке к посеву. Рыхление почвы способствует накоплению и сохранению влаги и питательных веществ в форме, доступной для усвоения их растениями [6; 7; 9; 11].

Предпосевную культивацию проводят обычно на глубину заделки семян. Неравномерность глубины обработки не должна превышать ±0,01 м. После культивации верхний слой почвы должен быть мелкокомковатым, а сорные растения -полностью подрезаны. Дно борозды и поверхность поля после культивации должны быть ровными. Высота гребней взрыхленного слоя не должна превышать 0,03...0,04 м, поэтому одновременно с культивацией часто проводят боронование, используются катки. Рабочие органы культиватора не должны выносить на поверхность нижний слой почвы. С увеличением скорости улучшается выравнивание поверхности поля и создаются хорошие условия для работы посевных машин [3; 5]. Стрельчатые лапы вызывают невыровненность поверхности и вынос влажной почвы на дневную поверхность.

Конструктивная схема культиваторов остается одинаковой: несколько рядов стрельчатых лап с радиальной подвеской, секции зубовых борон, прикатывающие катки [1-5; 10].

В почвообрабатывающих культиваторах применяют разные варианты выравнивания поверхности после прохода стрельчатых лап (рисунок 1.2).

а - установка за каждой стрельчатой лапой диска (он заделывает образующую лапой бороздку. Общее выравнивание и доизмельчение комков почвы осуществляет сзади расположенный каток);

б - несколько рядов пружинных органов для выравнивания поверхности почвы;

в - бороны и прутковые катки;

г - спиральные катки

Рисунок 1.2 - Применяемые варианты выравнивания поверхности после

прохода стрельчатых лап

Все это приводит к росту удельной материалоемкости почвообрабатывающих машин. Для широкозахватных культиваторов она достигает 292, а импортных - 390 кг/м.

Культиватор КПС-4 предназначен для сплошной предпосевной обработки почвы и обработки паров с одновременным боронованием на разных типах почв при рабочей скорости до 12 км/ч (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Общий вид культиватора КПС-4 Копирующие колеса отрицательно сказываются на качестве обработки

почвы.

При наезде колес на бугорки лапы становятся на пятку и выглубляются, а в случае попадания в понижение опираются на носок и заглубляются, создавая невыровненное семенное ложе (рисунок 1.4).

Рисунок 1. 4 - Невыровненное семенное ложе, которое негативно сказывается на энергии прорастания и всхожести семян

Культиваторы оборудованы приспособлением для навески секций зубовых борон, обеспечивающих рыхление почвы на глубину до 12 см с уничтожением сорняков [24, 31-33].

Глубина обработки поддерживается копирующими колесами. Однако ввиду того, что они располагаются на расстоянии от рабочих органов, добиться высокой стабильности их хода невозможно. Наличие угла крошения и стоек, разрезающих верхний слой почвы, приводит к раздвиганию, выносу влажной почвы за стойками, образованию бороздок. Глубина и ширина их увеличивается с ростом скорости движения культиватора. Создается нетехнологичный фон для посева [ 39; 40; 47].

Культиватор комбинированный скоростной ШККС (рисунок 1.5) предназначен для сплошной предпосевной и паровой обработки почвы, уничтожения сорной растительности с максимальным сокращением стерни и других пожнивных остатков на полях, обработанных плоскорезными и безотвальными орудиями под посевы яровых, овощных и пропашных культур. Агрегатируется с тракторами тягового класса 30-50 кН. Культиватор представляет собой широкозахватную прицепную машину с шарнирно-секционной рамой, с трехрядным расположением рабочих органов, с заравнивающим приспособлением в виде роторных боронок.

Рисунок 1.5 - Общий вид культиватора ШККС-10

На культиваторе в зависимости от исполнения предусмотрена установка дополнительного оборудования:

1. Роторная борона (каток) и легкая двухрядная борона с пружинными зубьями.

2. Навеска для установки борон БЗСТ-1,0; БЗСС-1,0.

Паровой культиватор КП-4 (рисунок 1.6) производства ОАО РТП «Петровское», г. Светлоград Ставропольского края, представляет собой современный аналог культиватора КПС-4, выполняет те же операции, но отличается тем, что на данной машине каждый рабочий орган имеет собственную пружину-стабилизатор и жестко крепится стремянками к раме культиватора, в то время как на КПС-4 стойка лапы жестко крепится к подпружиненному грядилю. Вместо зубовых борон также установлена борона с пружинным зубом и прикатывающие катки.

Рисунок 1.6 - Общий вид культиватора КП-4

Анализ конструкций культиваторов, выпускаемых в России, проведенный А. Ю. Несмиян и В. В. Должиковым (таблица 1.2), показал, что «.при производстве культиваторов сохраняется тенденция использования устоявшихся еще с середины ХХ века конструктивных решений, что приводит к их относительно низкой производительности при высоких затратах энергии и металлоемкости. В связи с этим возникает необходимость поиска принципиально новых технических решений, позволяющих повысить эффективность сплошной культивации почвы с учетом экономических, почвенно-климатических и ландшафтных особенностей хозяйств АПК» [46; 71-73].

Основными задачами предпосевной обработки почвы является обеспечение высокой стабильности глубины хода рабочего органа, мелкокомковатой

структуры верхнего слоя и выровненной поверхности с отсутствием бороздок и выноса влажной почвы на дневную поверхность. Необходимы рабочие органы, позволяющие работать на повышенных скоростях, обеспечивающих повышение производительности на 30.40 %. Требует решения система копирования, упрощающая конструкцию и снижающая вариабельность глубины обработки [73-77].

Таблица 1.2 - Характеристики модульных предпосевных культиваторов отече-

ственного производства

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кайванов Сергей Дмитриевич, 2019 год

- -^

2

7

1, 2 - брусья; 3 - проушина; 4 - подвижная вертикально-горизонтальная часть; 5 - тензометрический датчик «DAСELL» TS21 - T5; 6 - вертикальная серьга;

7 - поддержка

Рисунок 3.6 - Схема тензометрического приспособления для динамометрирования навесных сельскохозяйственных машин Методика измерения тягового сопротивления навесной сельскохозяй-

ственной машины предусматривает четкое отслеживание глубины обработки и скорости рабочего движения машины.

При проведении динамометрирования брус 1 при помощи стремянок крепится к треугольнику автосцепки трактора, а брус 2 к брусу машины (рисунок 3.7). Когда агрегат находится в покое, брус навесной машины опирается на поддержки 7, что исключает нагрузку на тензометрический датчик 5, он, в свою очередь, служит лишь стабилизатором от возможного поворота бруса 2.

3 5 6

в

а - вид сбоку; б - вид сверху; в - тензостанция в кабине трактора Рисунок 3.7 - Тензометрическое приспособление для динамометрирования

Подвижная вертикально-горизонтальная часть 4 и вертикальная серьга 6 позволяют совершать трактору небольшие криволинейные колебания в горизонтальной и вертикальных плоскостях без возможности повреждения и нарушения точности измерений тензометрического датчика.

В процессе движения при проведения измерений тензометрический датчик «DASELL» TS21 - Т5 (максимальная нагрузка 5 т) считывает нагрузочные показатели и определяет их модуль обработки данных тензометри-ческой станцией KYOWA. Обработав данные, тензостанция выводит на экран ноутбука фактические числа нагрузочных показателей, в том числе и «ОНЛАЙН». Данные записываются и сохраняются на жестком диске ПК.

Трехплоскостная силовая характеристика машины состоит из продольной Fx, поперечной Fy и вертикальной F 2 составляющих (рисунок 3.8). Продольная составляющая F х представляет собой тяговое сопротивление машины.

Рисунок 3.8 - Схема сил при динамометрировании

Её определяют путем линейного динамометрирования. Величина Fx зависит от технологических свойств почвы, глубины обработки, рабочей скорости движения, параметров рабочих органов [17; 19; 21; 24; 33].

В процессе движения агрегата вертикальная составляющая Fz гасится поддержкой 7, а поперечная Fy - нивелируется подвижной вертикально-горизонтальной частью 4.

На культиваторе КРН-5,6 установили поочерёдно по пять лап. Испытания проводились при работе на скоростях 10, 14, 18 км/ч. После рабочих ходов на таких же режимах проводили холостые ходы с поднятыми лапами. По полученным данным определены

Ъл = Д-р - Ъ х, (3.3)

где ^тл - тяговое сопротивление лап, Н;

^тр - тяговое сопротивление культиватора при рабочем ходе, Н; ^тх - тяговое сопротивление культиватора при холостом ходе, Н. Удельное тяговое сопротивление лапы

Г

Г = —, Н, п

ту

(3.4)

где п - количество лап на культиваторе, шт.

3.3 Определение количества зависающей растительности

на стойке лапы

Исследование стоек двух типов: с прямоугольным и треугольным сечениями (рисунок 3.9).

а б

а - прямоугольное; б - треугольное Рисунок 3.9 - Виды сечений стойки лапы

Опыты проводили в поле, на засоренном растительными остатками участке.

Стойки устанавливали на стандартные стрельчатые лапы шириной захвата 320 мм и углом крошения 16°. Длина учетного пути - 500 м. После каждого прохода снимали растительность со стойки и взвешивали. Повторность пятикратная.

Выводы по главе

1. Полевые исследования проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 20915-2011 и СТО АИСТ 4.6-2010 на междурядной обработке и обработке полупара.

2. Характеристика двухъярусной лапы: ширина захвата двухъярусной лапы 360 мм, высота со стойкой - 400 мм, масса - 4,9 кг, угол крошения нижнего лемеха а = 0 °

3. Почва: предкавказский слабовыщелоченный среднесуглинистый чернозем. Влажность верхнего слоя 18,9.21,6 %.

4. Установлены исследуемые факторы: скорость рабочего движения; расстояние между лемехами и критерии оптимизации: коэффициент вариации глубины обработки почвы, степень крошения почвы, степень выноса влажной почвы на дневную поверхность, гребнистость почвы.

5. Для определения тягового сопротивления лап разработано тензометриче-ское приспособление, включающее датчики DAСELL» TS21 - Т5, тен-зостанцию и механическое устройство.

6. Определялось количество зависающей растительности на стойке прямоугольного и треугольного сечения. Взвешивалась их масса.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты определения качественных показателей

Обработанная поверхность после прохода двухъярусной лапы имела вид хорошо разработанного массива с минимальной гребнистостью и практически без выноса влажного слоя на поверхность (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1 - Вид поверхности почвы, обработанной двухъярусной лапой

Исследуемые факторы: расстояние между лемехами к и скорость рабочего движения V. Два уровня варьирования. Критериев оптимизации четыре: коэффициент вариации глубины обработки Vh, степень крошения почвы Ск, степень выноса влажной почвы Св, гребнистость поверхности Г.

Результаты полевых исследований представлены в таблице 4.1

Отмечены следующие тенденции:

- глубина обработки не зависит от скорости рабочего движения;

- зависимость коэффициента вариации глубины обработки от исследуемых факторов не просматривается;

- крошение почвы повышается с ростом скорости рабочего движения и расстояния между лемехами;

- степень выноса влажной почвы снижается при увеличении скорости рабочего движения;

- минимальная гребнистость отмечена при наименьшем расстоянии между лемехами.

Таблица 4.1 - Качественные показатели работы двухъярусной лапы

Показатель Значение

Расстояние между лемехами, мм 60 70 80

Скорость рабочего движения, км/ч 14 16 18 14 16 18 14 16 18

Коэффициент вариации, глубины обработки, % 20,8 21,1 20,5 23,2 17,1 20,0 20,3 16,2 20,9

Крошение почвы, % 87,7 83,1 91,5 88,1 92,2 95,4 89,2 94,8 98,1

Степень выноса влажной почвы на поверхность, % 11,2 10,5 10,2 6,3 5,8 6,0 4,4 5,3 5,0

Гребнистость поверхности, см 2,0 3,0 2,1 4,6 4,0 3,1 4,0 3,5 3,3

Результаты полевых исследований показателей стандартной лапы представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Агротехнические показатели стандартной лапы

Показатель Значение

Рабочая скорость движения, км/ч 10,0 14,0 18,0

Глубина обработки:

- средняя, см 4,8 4,0 3,4

- коэффициент вариации, % 19,0 16,3 25,0

Крошение почвы, %, массовая доля

комков по фракциям, мм:

менее 10 19,6 19,4 28,9

от 10 до 15 5,9 4,8 3,3

- '' -''-20-''- 2,7 5,8 1,8

- ''-20-''-25-''- 6,8 5,3 3,3

свыше 25 65,0 64,7 62,7

Степень выноса влажного слоя 15,8 12,9 10,8

на поверхность, %:

Гребнистость поверхности почвы, см 8,9 7,0 5,2

Формируется крупноглыбистая структура (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Вид поверхности почвы, обработанной стандартной

стрельчатой лапой

Как видно по всем качественным показателям, стандартная стрельчатая лапа существенно уступает двухъярусной. Двухъярусная стрельчатая лапа эффективно работает на скоростях 16.18 км/ч, что обеспечивает повышение производительности культиватора до 50% [29].

4.2 Результаты определения тягового сопротивления инновационных лап

По результатам энергетической оценки установили, что инновационные почвообрабатывающие лапы менее энергоемки.

Тяговое сопротивление установленных на культиваторе двухъярусных лап составляет в среднем 2343,5 Н, стандартных стрельчатых лап 3345,5 Н. Это обеспечивает существенное снижение затрат на топливо и смазочные материалы.

4.3 Результаты определения массы зависающей на стойке растительности

Как видно на рисунке 4.4, большее количество растительности было на стойке прямоугольного сечения. Она на ней накапливается.

В среднем накапливалось от 110 до 180 г, тогда как на треугольной стойке 60-90 г (рисунок 4.3). В основном это были пожнивные остатки.

Рисунок 4. 3 - Сход растительности со стойки треугольного сечения

Рисунок 4.4 - Зависшая растительность на стойке прямоугольного сечения

Сорная растительность сходила со стоек более интенсивно. Гипотетически можно предположить, что первая растительность, соприкасающаяся со стойкой, ввиду большего значения коэффициента трения задерживается на ней. Далее по мере накопления трение растительности по растительности не удерживает ее, и она соскальзывает со стойки. Процесс накопления заканчивается.

Превышение массы растительности, собираемой на стойке прямоугольного сечения, составляет 80-100 %, что говорит о целесообразности перехода на стойку треугольного сечения.

Теоретические РдТ и экспериментальные РдЭ значения тягового сопротивления двухъярусной лапы адекватны: 498,8 и 468,7 Н соответственно. Фактический критерий Пирсона Хф = 3 ; табличный Хо, 5 = 1 5 , 5 1 , следовательно, различия между и ^ э несущественны. Тяговое

сопротивление стандартной лапы 669,1 Н, что на 42,7 % больше, чем двухъярусной (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Зависимость тягового сопротивления лап от скорости

4.4 Результаты проведения полнофакторного эксперимента типа 2

С целью взаимодействия факторов и параметров двухъярусной лапы про-

Л

веден полный факторный эксперимент типа ПФЭ 2 [12; 13; 15; 22; 39; 59].

Основные факторы и уровни их варьирования в натуральном и кодированном выражении представлены в таблице 4.3

Таблица 4.3 - Основные факторы и уровни их варьирования для эксперимента типа 22

Уровень Рабочая скорость движения агрегата Расстояние между лемехами, мм

Натуральное обозначение V, км/ч к, мм

Верхний 18 80

Основной 14 70

Нижний 10 60

Кодированное обозначение Х1 Х2

Верхний +1 + 1

Основной 0 0

Нижний -1 -1

Параметры оптимизации:

- степень крошения почвы, Ск, %;

- степень выноса влажной почвы на дневную поверхность, Св, %;

- гребнистость поверхности, Г, мм;

- коэффициент вариации глубины обработки почвы, V, %.

При проведении экспериментов интервалы варьирования контролируемых факторов значительно превышали ошибки показаний регистрирующей

л

аппаратуры. Опыты проведены по матрице ПФЭ 2 (таблица 4.4) в последовательности, имеющей случайный характер. Повторность опытов шестикратная.

Пользуясь таблицей случайных чисел, была принята следующая последовательность опытов : 4-й, 2-й, 1-й, 3-й.

Таблица 4.4 - Матрица планирования полного факторного эксперимента типа 22

№ опыта ^0 Х1 Х2 Х12 7(0)

1 + 1 + 1 + 1 + 1 71

2 + 1 + 1 -1 -1 72

3 + 1 -1 + 1 -1 73

4 + 1 -1 -1 + 1 74

По результатам экспериментальных исследований составлено уравнение регрессии в кодированном и натуральном видах для параметров оптимизации (общий вид)

7(0) = Ь0 ± ЬХ ± ¿2X2 ± ¿12X1X2.

Это уравнение регрессии устанавливает связь между параметром оптимизации 0к и факторами - рабочая скорость движения агрегата V и расстояние между лемехами к.

Необходимо проверить однородность дисперсий по критерию Кохрена [13; 16; 19; 42; 49; 53].

Проверен на гипотезу значимости коэффициентов уравнения регрессии по критерию Стьюдента [13; 15; 20; 48; 53]. Необходимо проверить адекватность статистической математической модели по критерию Фишера.

Л

Результаты полного факторного эксперимента (ПФЭ 2 ) представлены в таблице 4.5.

Л

Таблица 4.5 - Результаты проведения ПФЭ 2

№ опыта Повт. Уровень факторов 7(Ск) 7(Св) 7(Г) 700

Х1 Х2

1 98,1 4,9 2,9 24,9

2 97,9 5,5 3,5 25,6

1 3 (+1) (+1) 99,1 5,0 3,8 26,8

4 18 80 97,5 4,6 2,8 26,1

5 97,7 5,8 2,7 26,2

6 98,3 5,4 4,1 25,8

1 90,9 10,6 1,7 22,3

2 92,1 9,4 1,9 22,9

2 3 (+1) (-1) 91,1 10,9 2,3 24,3

4 18 60 91,9 11,1 2,4 24,8

5 90,5 9,7 1,8 24,1

6 92,5 11,3 2,5 22,6

№ опыта Повт. Уровень факторов ДСК) ДСв) ДГ) вд

Х2

3 1 (-1) 10 (+1) 80 88,9 3,9 5,7 28,2

2 89,6 4,7 6,3 29,6

3 89,4 4,8 6,2 29,9

4 89,1 3,8 5,9 27,9

5 88,3 4,5 5,8 29,2

6 89,9 4,7 6,1 28,6

4 1 (-1) 10 (-1) 60 87,8 14,6 1,8 20,1

2 86,9 14,1 2,3 20,9

3 87,9 13,8 2,1 20,5

4 88,3 14,3 1,9 20,8

5 89,2 13,6 1,7 21,3

6 87,7 14,8 2,2 21,2

Для каждого опыта определяем среднее значение отклика

__т

у>=-ту*,

_

где 7 - среднее значение отклика в г-м опыте;

т - количество повторностей в опыте; и - номер повторности;

уи - значение отклика и-й повторности г-го опыта. Оценка погрешности среднего отклика относительно трех измеренных откликов производится вычислением дисперсии среднего для каждого из вариантов по формуле

2

Х--2

<-■2 _ ¡ = \_

т -1

Результаты вычисления средних значений отклика и значений построчных дисперсий для параметра оптимизации Г(Ск) приведены в таблицах 4.6-4.9.

Таблица 4.6 - Результаты вычисления значений построчных дисперсий Г(Ск)

№ опыта ДСк) (1) ДСк) (2) ДСк) (3) ДСк) (4) ДСк) (5) ДСк) (6) ДСк) ^ (^(01))

1 98,1 97,9 99,1 97,5 97,7 98,3 98,1 0,32

2 90,9 92,1 91,1 91,9 90,5 92,5 91,5 0,608

3 88,9 89,6 89,4 89,1 88,3 89,9 89,2 0,32

4 87,8 86,9 87,9 88,3 89,2 87,7 87,9 0,575

Таблица 4.7 - Результаты вычисления значений построчных дисперсий Г(Св)

№ опыта Ш) (1) ВД) (2) Ш) (3) ВД) (4) Ш) (5) Ш) (6) ВД) ^ (ВД))

1 4,9 5,5 5,0 4,6 5,8 5,4 5,2 0,196

2 10,6 9,4 10,9 11,1 9,7 11,3 10,5 0,604

3 3,9 4,7 4,8 3,8 4,5 4,7 4,4 0,192

4 14,6 14,1 13,8 14,3 13,6 14,8 14,2 0,212

Таблица 4.8 - Результаты вычисления значений построчных дисперсий Г(Г)

№ опыта Ш) (1) ВД) (2) Ш) (3) ВД) (4) ВД) (5) Ш) (6) ВД) ^ (ВД))

1 2,9 3,5 3,8 2,8 2,7 4,1 3,3 0,34

2 1,7 1,9 2,3 2,4 1,8 2,5 2,1 0,116

3 5,7 6,3 6,2 5,9 5,8 6,1 6,0 0,056

4 1,8 2,3 2,1 1,9 1,7 2,2 2,0 0,056

Таблица 4.9 - Результаты вычисления значений построчных дисперсий У(у)

№ опыта Ш) (1) ВД) (2) Ш) (3) ВД) (4) ВД) (5) Ш) (6) ВД) ^ (гт

1 24,9 25,6 26,9 26,1 26,2 25,8 25,9 0,408

2 22,3 22,9 24,3 24,8 24,1 22,6 23,5 1,06

3 28,2 29,6 29,9 27,9 29,2 28,6 28,9 0,632

4 20,1 20,9 20,5 20,8 21,3 21,1 20,8 0,2

Оценка однородности дисперсий дана по критерию Кохрена [13; 16; 19; 48; 53]. Расчетное значение критерия Кохрена определяется по формуле

Б2 (У)

г — 'У ^мдх

ХБ (У)

1 = 1

С критерием GР связаны степени свободы: для числителя /1 = п - 1, для знаменателя/2 = N. Для заданной доверительной вероятности а по значениям /1 и /2 определяется критическое значение критерия Кохрена Окр.

Результаты расчета показаны в таблице 4.10.

Полученные значения расчетного критерия Кохрена (таблица 4.10) меньше табличных (критических) значений. Следовательно, гипотеза об однородности дисперсий подтверждается при 5 % уровне значимости.

Таблица 4.10 - Результаты расчетов проверки однородности дисперсий для параметров оптимизации экспериментальной двухъярусной лапы

Параметр оптимизации Значение критерия Кохрена

Опытное Табличное

7(С) 0,3336 0,6841

7(С) 0,50166 0,6841

7(Г) 0,59859 0,6841

ад 0,46087 0,6841

Дисперсия воспроизводимости откликов (дисперсия параметра оптимизации) определится по формуле

N

2 _ 1 = 1

IБ

5 =

Полученное значение является средней по всем опытам дисперсией. Чем она больше, тем хуже воспроизводится значение отклика при повторной установке одних и тех же уровней факторов. Можно сказать, что дисперсия воспроизводимости характеризует внутреннюю стабильность и, как следствие, управляемость исследуемого объекта (таблица 4.11).

Таблица 4.11 - Результаты расчета значений дисперсии воспроизводимости

Параметр оптимизации Дисперсия воспроизводимости

ДСк) 0,4556

7(С) 0,301

7(Г) 0,142

ад 0,575

Определение коэффициентов уравнения регрессии (таблица 4.12-4.15) производится из выражения

1 п

где х^ - кодированное значение >го фактора в ьм опыте.

Таблица 4.12 - Результаты расчета коэффициентов уравнения регрессии

крошения почвы

Обозн. Параметр оптимизации

7(Ск) - степень крошения почвы

Ь0 91,6917

ъх 3,1083

Ъг 1,958

Ъ12 1,342

Таблица 4.13 - Результаты расчета коэффициентов уравнения регрессии

степени выноса влажной почвы на дневную поверхность

Обозн. Параметр оптимизации

7(Св) - степень выноса влажной почвы на поверхность

Ъ0 8,975

Ъ1 -0,725

Ъг -3,775

Ъ12 1,125

Таблица 4.14 - Результаты расчета коэффициентов уравнения регрессии

гребнистость поверхности

Обозн. Параметр оптимизации

7(Г) - гребнистость поверхности

Ъ0 3,35

Ъ1 -0,65

Ъ2 1,3

Ъ12 -0,7

Таблица 4.15 - Результаты расчета коэффициентов уравнения регрессии коэф-

фициента вариации глубины обработки почвы

Обозн. Параметр оптимизации

7(у) - коэффициент вариации глубины обработки почвы

Ъ0 24,775

Ъ1 -0,075

Ъ2 2,625

Ъ12 -1,425

Среднее квадратическое отклонение для коэффициентов уравнений регрессий определится по формуле

/52

С* _ I вое

= ..

тп

Значимость коэффициентов уравнения регрессии определяем с помощью /-критерия (критерия Стьюдента) [13; 16; 19; 35; 41; 46]

t. =

¡b,!

j

Sb

Для каждого из коэффициентов bj должно выполняться условие

tj > ^аблф,

где tтабл - табличное значение критерия Стьюдента, определяется при заданной доверительной вероятности (а = 0,95) и числе степеней свободы f = N(m -1). Если данное условие выполняется, то коэффициенты считаются значимыми. Если же для какого-то из коэффициентов это условие не выполняется, то этот коэффициент считается незначимым или равным нулю, так как отличным от нуля он мог стать из-за ошибок эксперимента (таблица 4.16).

Таблица 4.16 - Оценка значимости коэффициентов с помощью t-критерия

Стьюдента

Обозн. Расчетное значение критерия tj Стьюдента Табличное значение ^абл-критерия Стьюдента

Y(CK)

b0 665,44453 ^габл 2,31

b1 22,55847

b2 14,21244

b12 9,73703

Из полученных данных видно, что все коэффициенты уравнения регрессии являются значимыми, тогда уравнение регрессии крошения почвы (Ск) примет вид

У(С ) = 91,6917 + 3,1083^1 +1,958X2 +1,342X1X2.

Из полученных данных (таблица 4.17) видно, что все коэффициенты уравнения регрессии являются значимыми, тогда уравнение регрессии степени выноса влажной почвы на поверхность (Св) примет вид

У (С ) = 8,575 - 0,725X1 - 3,775X2 +1,125X1X2.

Таблица 4.17 - Оценка значимости коэффициентов с помощью /-критерия

Стьюдента

Обозн. Расчетное значение критерия ^ Стьюдента Табличное значение /табл-критерия Стьюдента

ДСв)

Ьо 76,56962 ^табл 2,31

Ь1 6,47382

Ь2 33,70849

Ь12 10,04558

Из полученных данных (таблица 4.18) видно, что все коэффициенты

уравнения регрессии являются значимыми, тогда уравнение регрессии гребни-стости поверхности (Г) примет вид

Г(Г) = 3,35 - 0,65X1 + 1,3X2 - 0,7X1X2.

Таблица 4.18 - Оценка значимости коэффициентов с помощью /-критерия

Стьюдента

Обозн. Расчетное значение критерия ^ Стьюдента Табличное значение /табл-критерия Стьюдента

7(Г)

Ьо 43,55181 ^табл 2,31

Ь1 8,45035

Ь2 16,9007

Ь12 9,10038

Из полученных данных (таблица 4.19) видно, что коэффициент Ь1 для

уравнения У(у) можно принять незначимым, и тогда уравнение регрессии примет вид

У{у) = 24,775 + 2,625X2 - 1,425X1X2. Таблица 4.19 - Оценка значимости коэффициентов с помощью /-критерия

Стьюдента

Обозн. Расчетное значение критерия ^ Стьюдента Табличное значение /табл-критерия Стьюдента

вд

Ь0 160,06094 ^табл 2,31

Ь1 0,48454

Ь2 16,95903

Ь12 9,20633

Адекватность математической модели определяем, сравнивая дисперсию воспроизводимости с дисперсией адекватности, с помощью критерия Фишера [13, 16, 19, 42, 48, 53].

Дисперсию адекватности рассчитываем по формуле

С2 _ m

^ад -

11

п-1 =1

Определим расчетное значение критерия Фишера по формуле

Б2

_ ад

/ Б2

£Р й (/ ),

табл у ад ' воспр ) '

воспр

где Е/ - расчетное значение коэффициента Фишера;

Етабл(/ад, _/воспр) - табличное значение критерия Фишера для чисел степеней свободы;

/ад = N - I и/воспр = Щт - 1) при заданной доверительной вероятности (а = 0,95). Результаты расчетов представлены в таблице 4.20.

Таблица 4.20 - Результаты расчетов проверки адекватности аппроксимирующих полиномов поверхностям отклика

Параметр оптимизации Дисперсия адекватности Б2 Значение критерия Фишера

расчетное р табличное табл

вд 0,135 0,2348 4,3513

Из полученных расчетных значений критерия Фишера видно, что полученная математическая модель адекватна.

Для перехода уравнений регрессии от кодированного вида к натуральному используем формулу

X.

X, - X

АХ,.

где

X'. - натуральное значениеу-го фактора;

Х° - основной уровень варьирования у-го фактора;

АХ. - интервал варьирования у-го фактора.

Уравнения в кодированном виде: Г(Ск) = 91,6917 + 3,1083X1 +1,958X2 - 1,342X1X2;

Г(Св) = 8,575 - 0,725X1 - 3,775X2 + 1,125X1X2; К(Г) = 3,35 - 0,65X1 -1,3X2 + 0,7X1X2; Y(y) = 24,775 + 2,625X2 - 1,425X1X2.

После пересчета уравнения в натуральном виде: Ск = 128,2713 - 3,14285V + 0,8778h + 0,0671л/?;

С = 103,8 - 4,3V -1,2775/ + 0,05625nh; Г = -39, 75 + 2,1 25V + 0,6 9h - 0,03 5nh; у = -73,4 + 4,9875V +1,4025h - 0,07125nh.

C использованием адекватной математической модели были построены поверхности отклика и двумерные сечения поверхностей отклика (рисунок 4.6).

(1)X1(V), км/ч

(2)X2(h), мм

1by2

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

Effect Estimate (Absolute Value)

Рисунок 4.6 - Диаграмма Паретто - степень крошения почвы Г(Ск)

Из анализа уравнений в кодированном виде и изолиний поверхности отклика следует, что наиболее значимым для крошения почвы является скорость рабочего движения, а для других критериев оптимизации - расстояние между верхним и нижним лемехами (рисунки 4.7-4.17). По результатам многофакторного эксперимента рациональными параметрами являются: скорость рабочего движения 17,2-17,4 км/ч, расстояние между лемехами при глубине обработки 6,0 см, равное 7,0-7,2 см.

Рисунок 4.7 - Поверхность отклика: степень крошения почвы Ск, %

80

78 76 74 72

5 5

-р 70 68 66 64 62 60

X

10

12

16

17

13 14 15

Х1(У), км/ч

Рисунок 4.8 - Изолинии поверхности отклика: У - степень крошения почвы Ск, %

18

(2)X2(h), мм

1by2

(1)X1(V), км/

0

1

2

7

8

3 4 5 6

Effect Estimate (Absolute Value)

Рисунок 4.9 - Диаграмма Паретто - степень выноса влажной почвы на дневную поверхность Г(Св), %

Рисунок 4.10 - Поверхность отклика: степень выноса влажной почвы

на поверхность, Св, %

9

X

80 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60

10

18

I I 14 I I 12 О 10 О 8

6

13 14 15

Х1(У), км/ч

Рисунок 4.11 - Изолинии поверхности отклика: У - степень крошения почвы Св, %

(2)Х2(И), мм

1ЬУ2

(1)Х1(^, км/ч

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8

Effect Estimate (Absolute Value)

Рисунок 4.12 - Диаграмма Паретто - гребнистость поверхности, У(Г), см

х