Параметры и режимы работы многофункционального посевного агрегата с одновременным внесением основной дозы удобрений

Во введении обоснована актуальность исследования, сформули-
рована цель работы, научная новизна, практическая значимость и
представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ применяемых технологий по-
сева зерновых колосовых культур.
Краснодарский край обладает уникальными, не имеющими ми-
ровых аналогов по плодородию, черноземными почвами и является
одним из крупнейших регионов России по производству сельскохо-
зяйственной продукции, в том числе зерна озимой пшеницы. Почвы
и климат в регионе благоприятны, однако имеющиеся природные
возможности производства сельскохозяйственной продукции высо-
кого качества не используются в полной мере.
Наукой сделан вклад в разработку и усовершенствование машин
для посева озимой пшеницы и других колосовых культур. В работах
ученых изучены и обоснованы технологические требования к тех-
ническим системам посева сельскохозяйственных культур и внесе-
ния минеральных удобрений. Уделено место совмещению техноло-
гических операций при посеве зерновых.
Ведущими компаниями производителей сельскохозяйственной
техники проводится большое количество исследований по усовер-
шенствованию процесса посева. Данные исследования были проана-
лизированы нами. Все образцы посевных машин имеют ряд недо-
статков, таких как: высокая стоимость агрегатов, сложное техниче-
ское исполнение, что не позволяет мелким производителям массово
использовать образцы данной техники. Большинство хозяйств не в
состоянии применять современные технологии передовых предпри-
ятий производящих посевное оборудование. В результате чего
нарушаются сроки и качество посева, что снижает урожайность.
Применяемые технологии посева с одновременным внесением
удобрений не в полной мере учитывают требования системы земле-
делия. Совмещение операций посева, прикатывания спирально-
винтовым катком, а также внесения стартового и основного мине-
рального удобрения позволяет существенно снизить затраты энер-
гии и денежных средств и повысить урожайность.
Пока еще не разработан многофункциональный посевной агре-
гат, учитывающий вышеуказанные недостатки технологий посева и
рабочих органов посевных машин, обеспечивающий качественное
внесение основного удобрения и прикатывание семян, устраняющее
потери почвенной влаги и выравнивание поверхности поля.
Во второй главе обоснованы способ посева – конструктивно-
технологическая схема многофункционального посевного агрегата
(МПА), совмещающего за один проход по полю внесение основно-
го, припосевного удобрений, высев, заделку семян и рациональное
прикатывание посевов, разработана математическая модель процес-
са работы агрегата и алгоритм оптимизации конструктивных и ре-
жимных параметров МПА.
Отличительная особенность предлагаемого способа посева зер-
новых колосовых культур (рисунок 1) в соответствии с патентом РФ
на полезную модель № 178335 является локальное внесение основ-
ного удобрения в междурядья высеваемой культуры на глубину 16–
18 см, а стартовая доза амофоса заделывается в почву вместе с семе-
нами на оптимальную глубину 4–6 см.

Рисунок 1 – Схема посева зерновых колосовых и заделки удобрений в почву

Прикатывающий почву спирально-винтовой каток создает оп-
тимальную плотность в посевном слое, а вычесанные им на поверх-
ность пожнивные остатки и сорняки защищают почву от эрозии и
способствуют сбережению влаги и прибавке урожая.
Составляющие синтеза, предлагаемого МПА представлены на
рисунке 2.
аб

вг
а – зерновая сеялка; б – спирально-винтовой каток; в – подкормовой нож;
г – размещение подкормочных ножей на раме зерновой сеялки (вид сверху)
Рисунок 2 – Внешний вид составляющих синтеза предлагаемого
многофункционального агрегата

Предлагаемая технологическая схема многофункционального
посевного агрегата согласно патенту № 178335 обеспечивает высев
семян со стартовой дозой удобрений на заданную глубину 4–6 см,
основное внесение удобрений на глубину 16–18 см, прикатывание
семян до оптимальной плотности в слое 2–3 см, создание рыхлого
неприкатанного слоя почвы 2–3 см над прикатанным и вынос остат-
ков и сорняков из семенного ложа на поверхность. Такие благопри-
ятные условия для прорастания семян за один проход агрегата по
полю ранее не создавались, и направлены они на повышение уро-
жая.
Математическая модель функционирования агрегата при вы-
полнении посева пшеницы и прикатывания (1):

[()]

()
,(1)

[()]
{
()*[]+
[]
, (2)
где– мощность двигателя трактора, кВт; , – соответственно ширина
захвата (м) и рабочая скорость (км/ч); – длина гона, м;– балансовая
стоимость трактора, р; – время цикла работы агрегата, ч; – число циклов
за смену; – масса удобрений в емкостях агрегата, кг; – время чистой ра-
боты агрегата за 1 ч сменного времени; – производительность агрегата за 1
ч сменного времени, га/ч.

Для реализации математической
модели был разработан алгоритм ре-
шения к ПЭВМ, блок-схема которого
представлена на рисунке 3.
Отличительнаяособенность
эффективности посевного МПА со-
стоит в качестве работы на всех опе-
рациях, выполняемых им за один
проход, в том числе учете вероят-
ностного характера анализируемой
случайной величины – плотности
почвы в семенном слое после прохо-
да спирально-винтового катка. Ре-
шением функции (3) найдена веро-
ятность попадания плотности почвы
после прикатывающего катка в со-
ставе МПА в заданный диапазоном
(1,22–1,3). Которая составила 82,6 %.
Формальный вид функции
Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма распределения вероятностей плот-
оптимизации параметров МПАности почвы после катка следую-
щий:

∫*()+ ,(3)
√

Получена также функция распределения вероятностей плотно-
сти (рисунок 4) как случайной величины.
Рисунок 4 – Распределение плотности почвы при использовании
спирального катка КВШ на прикатывании пшеницы

В третьей главе представлены программа и методика экспери-
ментальных исследований. В программе представлены: схема, об-
щий вид экспериментальной установки (рисунок 5), общая и част-
ные методики применяемые в исследованиях. В исследованиях при-
менялись методы классической механики, теории планирования
многофакторного эксперимента, динамометрирования, математиче-
ской статистики, расчета параметров на ПЭВМ по разработанным
алгоритмам и программам с использованием пакетов прикладных
программ Excel и MathCad.
Экспериментальные исследования выполняли в полевых усло-
виях на посеве озимой пшеницы в учхозе «Кубань» Кубанского ГАУ
с применением предлагаемой экспериментальной установки для по-
сева пшеницы, внесения стартового и основного твердых минераль-
ных удобрений и влагосберегающего прикатывания посевов спи-
рально-винтовым катком (рисунок 5).
При агрооценке МПА использовались СТО АИСТ 4.2-2004 и
СТО АИСТ 8.200-2004.

аб
а – общий вид установки; б – конструктивно-технологическая схема
Рисунок 5 – Экспериментальная установка для проведения исследований:
Планированием эксперимента по плану Вк с построением ги-
перповерхностей и двумерных сечений оптимизированы параметры
плотности почвы после прохода спирально-винтового к5атка, кото-
рая изменяется в зависимости от его массы и скорости движения.
Установлены его оптимальные параметры и режимы работы.
При составлении плана эксперимента выбрали независимые фак-
торы, исходя из предварительного изучения объекта исследования, а
с учетом патентной и другой научно-технической литературы были
выбраны управляемые факторы и уровни их варьирования (таблица
1).
Таблица 1 – Факторы, интервалы и уровни варьирования
Кодированный ин-УровниУровни факторов
Факторы
тервалварьирования–10+1
Скорость движения
агрегата V, км/чх144812
Дополнительный груз
G, кгх220204080

В качестве критерия оптимизации (отклика) принята плотность
почвы в прикатанном слое, которая зависит от балластного груза на
раме катка и рабочей скорости движения агрегата при определенной
влажности почвы.
Уровни факторов выбрали таким образом, чтобы оптимальные
их значения, рассчитанные теоретически или с учетом существую-
щих ограничений, попадали в центр интервала варьирования.
После математической обработки экспериментальных данных
получили следующее уравнение регрессии с действительными ко-
эффициентами:
,(4)
где Д0 = 0,463; Д1 = –0,14; Д2 = 0,062; Д12 = 5·10–4; Д11 = 7,813·10 – 3;
Д22 = –7,75·10 – 4 – действительные значения коэффициентов уравнения регрессии.

Центр плана Х1 = 8 км/ч, а Х2 = 40 кг/м.
После преобразования действительных значений коэффициен-
тов уравнения регрессии в нормализованные, учитывая уравнения
перевода, получим:
Уравнения перевода

;(5)

.(6)

Нормализованные значения коэффициентов уравнения регрес-
сии будут:
b0 = 1,243; b1 = 0,020; b2 = 0,080; b12 = 0,040;
b11 = 0,125; b22 = –0,310.
После расчета коэффициентов проверяли гипотезу об их стати-
стической значимости по критерию Стьюдента. Все коэффициенты
уравнения регрессии оказались статистически значимыми.
Уравнения регрессии с нормализованными коэффициентами
примет вид:
у = 1,243 + 0,020х1 + 0,080х2 + 0,040х12 + 0,125х12 – 0,310х22, (7)

Проверку адекватности полученного уравнения провели по кри-
терию Фишера, сравнивая полученное значение с табличным, оно не
превышает его.
Дисперсию опыта определили из дополнительно проведенных
опытов в центре плана в количестве 5 повторностей.
Fp < Ft,1,065 < 6,04.(8) Для нахождения оптимальных значений исследуемых факторов найдем частные производные уравнения (5) по факторам. {,(9) Решая систему линейных уравнений (9), находим координаты центра поверхности отклика. х1 = –0,1;х2 = 0,123. Поскольку коэффициенты канонического уравнения регрессии имеют разные знаки, то поверхность отклика является гиперболиче- ским параболоидом (рисунок 6), а центр фигуры называется седлом или минимакс. аб Рисунок 6 – Поверхность (а) и двумерное сечение (б) зависимости плотности почвы в посевном слое после прикатывания посевов озимой пшеницы от скорости движения агрегата и балластного груза на катке Установлено, что центр эксперимента лежит в пределах экспе- римента. Оптимальная плотность почвы в семенном ложе при посе- ве озимой пшеницы будет равной 1,25при скорости движения агрегата 7,6 км/ч и балластном грузе 42,4 кг. Методика инженерного расчета основных характеристик мно- гофункционального посевного агрегата (МПА) составлена по ре- зультатам теоретических и экспериментальных исследований. Она внедрена в учебный процесс по кафедре эксплуатации Кубанского ГАУ, а также может быть внедрена в производство при внедрении МПА. Выбор состава агрегата и определение рабочей скорости его движения В начале определим тяговое сопротивление МПА: (),(7) где n – количество машин в агрегате;– удельное тяговое сопротивление машин, кН;– рабочая ширина захвата агрегата, м;– вес машины, кН; – тяговое сопротивление сцепки, кН. Рациональная скорость агрегата определяется по формуле: ,(8) где – мощность двигателя, кВт;– КПД трансмиссии трактора; – ко- эффициент буксования трактора;– тяговое сопротивление агрегата, кН;– вес трактора, кН. Теперь, зная ширину захвата агрегата, рабочую скорость движения, мощность двигателя трактораи производитель- ность агрегата, построим номограмму (рисунок 7), согласно ко- торым можно подобрать параметры МПА, режим его работы и ко- личество необходимых агрегатов для посева площади 1000 га за оп- тимальный срок сева озимых 10 дней при продолжительности рабо- чего дня 14 часов. Четвертая глава со- держит результаты экспе- риментальных исследова- ний и их анализ: оптималь- ные параметры и режимы работы и экономическую эффективность результатов исследований. На основании модели- рования и оптимизации Рисунок 7 – Номограмма рационального процесса МПА по разрабо- использования МПА и режимовтанной математической мо- его работыдели обоснованы парамет- ры и режимы работы агрегата с использованием критерия оптимиза- ции-минимум приведенных затрат на выполнение работы (таблица 2). Анализ результатов расчета позволяет сделать вывод, что мини- мум критерия оптимизациируб./га, определяет опти- мальные параметры агрегата (таблица 2) и режим работы (рабочая скорость движения посевного агрегата 10 км/ч). Оптимальная мощ- ность двигателя трактора при работе с предлагаемым МПА составит на 67,9 кВт или 92,3 л. с. Получена зависимость критерия оптимизации Е от ширины захва- та МПА и скорости движения (рисунок 8). Оптимум Е приходится на= 3,6 м и рабочую скорость. При других парамет- рах МПА затраты Е возрастают. Таблица 2 – Оптимальные параметры посевного МПА Оптимальные Параметры МПА значения Ширина захватаагрегата, м3,6 Рабочая скорость движения , км/ч10,0 Мощность двигателя трактора , кВт67,9 Балансовая стоимость трактора , тыс. руб.2623,6 Емкость бункера сеялки ,3,0 Рабочая длина гона , км1,5 Время цикла работы МПА , ч0,332 Количество циклов работы за 7 ч,19,97 (20) Время основной работыв течение смены, ч5,99 Коэффициент использования времени смены t0,86 Производительность МПА за 1 час времени смены, га3,1 Эксплуатационные затраты на выполнение работы МПА , руб./га894 Капиталовложение в МПА, К, руб./га2675,95 Минимальные приведенные затраты Е на выполнение работы МПА, руб./га1295,43 Оптимизационные расчеты необходимы для обоснования тех- нического уровня машин, особенно при сравнении с зарубежными. Анализ зависимости производительности W предлагаемого МПА от его ширины захватаи скорости движенияпозволяет сделать вывод об ее закономерном росте (рисунок 9) от увеличения скорости и ширины захвата. На основании моделирования процессов работы посевного МПА получены зависимости мощности двигателя трактора от рабочей ско- рости и ширины захвата агрегата (оператор 2 рисунок 3), производи- тельности агрегата (оператор 10), а также эксплуатационных и приве- денных затрат (операторы, соответственно 11 и 13 рисунок 3). Моделирование рабочего процесса предлагаемого МПА и опти- мизация его параметров позволяют сделать вывод о его высокой эф- фективности. Данный агрегат позволяет совместить три важные тех- нологические операции: внесение основного и стартового удобрения, посев зерновых колосовых и прикатывание посевов спирально- винтовым катком. При ширине захвата МПА 3,6 рабочей скорости движения 10 км/ч, мощности двигателя трактора 67,9 кВт обеспечи- ваются минимальные приведенные затраты на процесс 1295,43 руб./га. Рисунок 8 – График зависимостиРисунок 9 – Зависимость удельных приведенных затрат Епроизводительности посевного МПА от ширинызахвата МПАот ширины захвата и скорости движенияи скорости движения С учетом полученной общей зависимости тягового сопротивле- ния МПА (3-й арифметический оператор блок-схемы рисунок 3) установлены частные зависимости тягового сопротивления агрегата от его ширины захвата и скорости движения (рисунок 10). Тяговое сопротивле- ние предлагаемого агрега- та возрастает прямо про- порциональноувеличе- нию скорости движения и ширины захвата. Так для агрегата ширина захвата 3,6 м на скорости 5 км/ч тяговоесопротивление агрегата составило 11,05 Рисунок 10 – График зависимостикН, а на скорости 12 км/ч тягового сопротивления МПАуже 12,2 кН. Коэффици- оти ент пропорциональности в формуле при равен 0,096. При минимальной ширине захвата 0,9 м на рабочей скорости 5 км/ч тяговое сопротивление агрегата было минимальным, и составило 2,8 кН. Структура почвенного разреза на опытном участке (рисунок 11) наглядно показывает его преимущество по минеральному питанию и прикатыванию. Согласно рисунку 11 семенное ложе на глу- бине 4–6 см. создается культиваторной лапой при предпосевной куль- тивации на опыте и кон- троле одинаково. Далее, Рисунок 11 – Структура почвенного разрезакогда растениям требу- на опытном участкеется повышенная доза фосфора (уже в фазе вы- хода в трубку), на кон- троле скажется его недостаток. При расчете экономической эффективности предлагаемого МПА в качестве базы для сравнения принята обычная существую- щая технология внесения удобрений, вспашки, посева и прикатыва- ния, выполняемая однооперационными машинами. Расчеты эффек- тивности выполнены по ГОСТ Р 53056-2008. Все показатели эффек- тивности предлагаемой технологии с применением МПА более предпочтительны по сравнению с базовой: затраты труда на площа- ди посева 400 га (по предшественнику люцерна в типичном хозяй- стве Кубани) сокращаются с 684,5 чел.-ч до 372,6, или в 1,8 раза, эксплуатационные затраты, в 1,5, металлоемкость – в 1,6, энергоем- кость – в 1,4 раза. Срок окупаемости 3,1 года без учета достоверной прибавки урожая зерна. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итоги выполненного исследования 1. Разработана конструктивно-технологическая схема и макет- ный образец многофункционального посевного агрегата, обеспечи- вающего на примере озимой пшеницы совмещение операцийпо- сева, внесения основного и припосевного удобрения и влагосбере- гающего прикатывания. 2. По разработанной математической модели и алгоритму опти- мизации параметров и режимов работы МПА согласно минималь- ному значению критерия оптимальности приведенных затрат на процесспосева,прикатыванияивнесенияудобрений 1295,00 руб./га, установлена ширина захвата агрегата 3,6 м, рабочая скорость движения 5–12 км/ч, потребная мощность двигателя трак- тора 67,9 кВт, масса балласта катка 42,4 кг/м, емкость бункера сеял- ки 3,0 м3. При времени рабочего цикла 0,332 ч и коэффициенте ис- пользования времени смены 0,86 производительность МПА соста- вила 3,1 га/ч. 3. Методом планирования двухфакторного эксперимента по плану Вк оптимизирована плотность почвы на посевах пшеницы и режим работы спирально-винтового катка. Оптимальная плотность почвы 1,25 г/см3 получена при оптимальной скорости движения агрегата 7,6 км/ч, массе балластного груза 42,4 кг/м и влажности почвы 16 %. В ре- зультате исследований установлена также функция плотности вероят- ностей почвы (уравнение 4), прикатанной спирально-винтовым кат- ком и функция распределения вероятностей (рисунок 5). 4. Получены зависимости мощности двигателя от ширины за- хвата МПА и скорости движения, плотности почвы от массы катка и скорости движения. Адекватность зависимостей установлена крите- рием Фишера, расчетное значение которого было ниже табличного: для мощности двигателя 0,6 < 0,8; для плотности почвы 0,7 < 0,9; для тягового сопротивления катка 0,4 < 0,6. 5. Оптимизацией параметров и режимов работы прикатывающе- го катка методом планирования двухфакторного эксперимента уста- новлено, что центр эксперимента лежит в области оптимума, опти- мальное значение плотности почвы составило 1,25 г/см3 при скоро- сти движения 7,6 км/ч, балластном грузе на раме катка 42,4 кг и об- щей массе с катком 86,4 кг/м. 6. Согласно разработанной методике инженерного расчета определяется потребная мощность двигателя для МПА и рабочая скорость движения агрегата, а по предложенной номограмме – для любого состава агрегата и выбранной для него рабочей скорости можно определить производительность и необходимую потребность в машинах для посева озимых культур в оптимальные сроки. 7. Экономическая эффективность МПА по сравнению с раз- дельным выполнением технологических операций определялась для площади 400 га по ГОСТ Р 53056-2008. Установлено снижение экс- плуатационных затрат с 1784,4 тыс. руб. до 1216,9, или в 1,5 раза, затраты труда снижаются с 684,5 чел.-ч до 372,6 или в 1,8 раза; ме- таллоемкость – в 1,6 раза, энергоемкость – в 1,4 раза. Ожидаемый годовой экономический эффект от снижения эксплуатационных за- трат составит 567,5 тыс. руб., а срок окупаемости агрегата – 3,1 года без учета прибавки урожая. Рекомендации производству Предложенные в работе параметры рабочих органов и техноло- гическая схема МПА могут быть использованы конструкторскими организациями при разработке многофункциональных посевных аг- регатов, а технология комплексного посева зерновых колосовых культур по вспаханному фону с одновременным внесением основ- ного, припосевного удобрения и рационального прикатывания ре- комендуется для внесения в сельхозпредприятиях АПК. Перспективы дальнейшей разработки темы Принципы предлагаемого синтеза многофункциональных агрега- тов за счет его составляющих из известных, высокоэффективных од- нооперационных, серийных машин могут быть использованы при раз- работке других видов многофункциональных агрегатов. Кроме того, для предлагаемого МПА необходимо усовершенствовать систему рас- пределения отдельных видов удобрений по слоям вспаханногого пла- ста в соответствии с агротребованиями: фосфорные туки необходимо вносить на дно борозды, азотные и калийные – по всему слою.