автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Машинные технологии возделывания зерновых культур

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 62 работы, в том числе 2 книги, 9 рекомендаций производству и 13 авторских свидетельств и патентов РФ.

На защиту выносятся результаты, перечисленные в рубриках «Научная новизна», «Практическая ценность» и «Реализация результатов исследований».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние проблемы и постановка задач исследований

Одной из основных задач минимизации обработки является защита почв от эрозии и дефляции. В связи с этим районы, в которых в настоящее время применяют минимальную обработку почвы, можно подразделить на три группы: районы, где сильно проявляется эрозия; районы, где преобладает дефляция почв; районы с большим насыщением посевных площадей озимыми культурами. Задача состоит прежде всего в том, чтобы проанализировать почвенно-климатические условия ведения сельского хозяйства в таком разрезе, чтобы можно было на этой основе предложить основные направления поддержания и улучшения плодородия почвы при разработке новых энерго-ресурсо-сберегающих технологий, в том числе и минимальной обработки почвы /1, 2, 38, 39,40,41, 42,43, 44/.

В Краснодарском НИИСХ им. П.П.Лукьяненко в результате многолетних исследований разработано агроландщафтное зонирование территории Краснодарского края, которое позволяет с учетом всех почвенных условий и негативных процессов, происходящих в каждой агроландшафтной зоне наметить основные направления систем земледелия. Анализ показывает, что из 25 ландшафтов подвержены эрозии или дефляции, или их совместному действию, 21 агроландшафт, из которых в 15 возделываются зерновые культуры.

Негативные процессы, .происходящие в этих агроландшафтах, связаны не только с особенностями рельефа полей и их природно-климатическими условиями, но во многом и от необдуманного вмешательства сельхозпроизводителей - интенсивными обработками почвы, измельчением пахотного и уплотнением подпахотного слоя почвы, одновременным оголением без растительности на долгое время больших площадей.

Как результат многократных проходов по полю при основной и предпосевной обработках почвы, а также уходных работах, интенсивные технологии отличаются весьма высокими затратами энергии и труда. В связи с этим следует признать, что устранение вышеуказанных недостатков возможно только при комплексном подходе. Это -оптимизация структуры посевных площадей, разработка и освоение в агроландшафтах оптимальных севооборотов, широкое использование пожнивных остатков в качестве мульчи и органического удобрения и другие мероприятия. Среди принимаемых мер крайне важное значение имеют разработка и внедрение новых машинных технологий, основанных на минимальной обработке почвы.

Вопросам теории минимальной обработки почвы, разработки машинных технологий, энерго- и почвосберегающих методов обработки почвы, комбинированных агрегатов и новых машин и орудий посвящены исследования академиков А.И.Бараева, Н.В.Краснощекова, М.С.Рунчева, Э.И.Липковича, Г.Е.Чепурина, Л.Н.Петровой, профессоров Г.Г.Маслова, Ф.М.Конарева, В.А.Богомягких, О.Г.Ангилеева, А.А.Гортлевского, И.Б.Ревута, АЛ.Спирина, П.Г.Семихненко, Н.К.Шикулы, Е.И.Рябова, П.Н.Бурченко, И.М.Панова, Н.К.Мазитова, А.П.Грибановского, В.Б.Рыкова, А.Ф.Жука и других.

Одним из основных способов минимальной обработки почвы является сокращение «лишних» технологических операций и приемов или их совмещение. Совмещение операций широко применяется при посеве и обработке почвы под посев.

При выборе технологии возделывания той или иной культуры важно учесть природно-климатические условия зоны. В условиях достаточно сильного проявления эрозии наибольший эффект дает сохранение пожнивных остатков. В условиях же засушливого климата также необходимо максимальное оставление пожнивных остатков и поверхностная обработка почвы на глубину 8. 12 см.

Применяющиеся в настоящее время технологии возделывания озимых колосовых культур после пропашных предшественников целенаправленно не предусматривают применение минимальной обработки почвы, имеющийся комплекс машин разработан применительно к интенсивным технологиям, а отдельные комбинированные агрегаты недостаточно обоснованы для применения в конкретных почвенно-климатических условиях.

Интенсивные технологии возделывания кукурузы предусматривают широкое применение химических средств борьбы с сорняками. К сожалению, применяемые при этом гербициды характеризуются не только высокой стоимостью (около 20% всех прямых затрат), но отрицательно влияют и на окружающую среду, нарушая экологическое равновесие.

В целом на основании анализа состояния технологий возделывания зерновых культур составлена схема структуризации цели исследований (рис. 1).

Рабочая гипотеза исследований состоит в возможности решить научную проблему повышения экологической безопасности и сохранения плодородия почвы путем исключения химических методов борьбы с сорняками, заменив их на механические, и сокращением количества проходов машинно-тракторных агрегатов по полю.

Для достижения поставленной цели выделены следующие направления исследований:

- разработка безгербицидной машинной технологии возделывания кукурузы на основе технических средств, позволяющих более эффективно уничтожать сорняки и сократить количество проходов машинно-тракторных агрегатов по полю;

- разработка мульчирующей машинной технологии возделывания кукурузы на основе технических средств, позволяющих вести все необходимые технологические операции в условиях наличия на поверхности пожнивных остатков;

- разработка машинной технологии возделывания озимых колосовых культур после пропашных предшественников на основе применения более эффективных орудий и комбинированных агрегатов;

Рис. 1. Схема структуризации цели исследований

В настоящей работе поставлены следующие задачи исследований:

- на основе анализа способов минимальной обработки почвы и борьбы с сорной растительностью разработать комбинированный агрегат для совмещения предпосевной обработки почвы и посева кукурузы по зяблевой вспашке, включающий:

- выбор рабочих органов и их компоновку;

- исследование динамических характеристик почвообрабаты-вающе-посевной секции;

- оптимизацию конструктивных параметров сошниковой системы;

- оптимизацию общих параметров комбинированного агрегата;

- исследование и выбор рабочих органов к пропашным культиваторам для междурядной обработки посевов кукурузы без внесения гербицидов;

- анализ мульчирующей технологии возделывания кукурузы, выбор рабочих органов и их исследование;

- выбор технологической схемы комбинированного агрегата для подготовки почвы под посев озимых колосовых культур и его оптимизация;

- исследование и выбор технологической схемы дисковой бороны;

- исследование и выбор технологической схемы комбинированного агрегата для посева озимых колосовых культур;

- экономическая эффективность машинных технологий возделывания зерновых культур и новых технологических средств для их осуществления.

2. Безгербицидная машинная технология возделывания кукурузы

Безгербицидная технология возделывания кукурузы предусматривает ведение борьбы с сорняками только механическими способами, начиная от уборки предшественника, основной, ранневесенней и предпосевной обработки почвы и заканчивая технологией ухода за посевами кукурузы до смыкания листьев кукурузы /36/.

Для более полного уничтожения сорняков при основной обработке почвы рекомендуется применение отвальных плугов с предплужниками, а на сильно засоренных участках - ярусных плугов. Особое внимание уничтожению сорняков должно быть уделено весной в период предпосевной и довсходовой обработки почвы, так как борьба с сорняками после появления всходов значительно осложняется. Ранневесен-няя культивация проводится для выравнивания почвы и уничтожения сорняков, особенно корнеотпрысковых многолетних сорняков. Предпосевная культивация проводится на планируемую глубину посева для создания плотной подошвы, на которую должны быть впоследствии уложены семена при посеве. Разрыв между предпосевной культивацией и посевом допускается не более одного дня. Если же по каким-либо причинам, - погодным, организационным или техническим, - этот разрыв больше допустимого и заметно, что уже начали развиваться проростки сорняков и находятся в почве в нитевидном состоянии, то лучше повторить еще раз предпосевную культивацию. Такой подход к проведению предпосевной культивации препятствует появлению сорняков на посевах еще до появления всходов кукурузы. Наиболее оптимальным для проведения этой операции является применение комбинированного агрегата, совмещающего проведение предпосевной культивации и посева за один проход, который обеспечивая более равномерную глубину посева гарантирует также и более дружные и ранние всходы. Это создает возможность начала уходных работ за посевами кукурузы раньше, когда легче бороться с сорняками, еще только появляющимися на посевах.

Наиболее ответственный и сложный период борьбы с сорняками наступает уже после посева. В этот период необходимо проведение довсходового боронования и довсходовой культивации пропашными культиваторами с обработкой защитных зон будущих рядков прополочными боронами, а междурядий стрельчатыми лапами. Далее проводятся ранняя междурядная культивация в фазе развития растений 3.4 листьев, междурядная культивация в фазе развития 5.7 листьев с мелким окучиванием и, наконец, окучивание рядков при достижении кукурузой фазы 10. 12 листьев. Все операции культиватором КРН-5,6 проводятся с применением комплекта новых рабочих органов, обеспечивающих качественное выполнение всех работ и с высокой производительностью. Однако следует помнить, что в зависимости от характеристики поля, его засоренности, погодных условий может возникнуть необходимость применения дополнительных операций и технических средств для борьбы с сорной растительностью.

3. Комбинированные агрегаты для посева кукурузы по зяблевой вспашке

Анализ конструкций известных зарубежных и отечественных комбинированных агрегатов показал, что с технологической точки зрения схемы всех агрегатов и машин для; совмещения предпосевной обработки почвы и посева можно разделить на два вида: агрегаты с ленточной обработкой почвы по ширине защитных зон будущих рядков; агрегаты со сплошной, на всю ширину захвата агрегата, обработкой почвы. С точки же зрения конструктивных решений комбинированных агрегатов можно отметить три основных подхода к их решению (рис. 2) /1/.

1. Агрегаты специального назначения, выполняющие наряду с другими операциями элементы предпосевной обработки почвы.

2. Агрегаты, составляемые из серийных, машин, предназначенных для выполнения совмещаемых операций.

3. Приспособления для выполнения одной из совмещаемых операций к машине, выполняющей другую операцию.

Основные схемы компоновки комбинированных агрегатов приведены на рис. 3.

Применение агрегатов специального назначения и почвообраба-тывающе-посевных комбайнов рассчитаны на специфические почвенные условия. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, это направление при разработке комбинированных агрегатов не нашло широкого применения из-за узкой их специализации, малой загруженности, большой энергоемкости и металлоемкости. Соединение отдельных однооперационных машин в агрегаты достигается, в основном, либо за счет их присоединения к специальной раме, либо за счет соединения машин с помощью промежуточных звеньев, позволяющих использовать кинематику машин в рабочем и транспортном положении. Применение приспособлений для одной из операций к машине для выполнения другой совмещаемой операции предполагает обычно использование рамы основной машины в качестве базы для крепления узлов и рабочих органов приспособления с сохранением кинематики основной машины. Недостатком этого подхода является трудоемкость сборки агрегата и разборки при необходимости использования основной машины. Таким образом, наиболее рациональным способом является соединение однооперационных машин и их раздельное использование при необходимости выполнения отдельно совмещаемых операций. Однако, необходимо выбрать тип рабочих органов и кинематику их подвески к раме, определяющих качество совмещаемых операций.

Рис. 2. Классификация комбинированных агрегатов для совмещения предпосевной обработки почвы и посева

В условиях Краснодарского края почва, вспаханная под зябь, весной, перед посевом, как правило, имеет оптимальное или излишне рыхлое сложение. А интенсивное же дополнительное рыхление в таких условиях может только задержать прогревание почвы и вызвать нежелательное разрушение оптимально сложившейся структуры почвы. Поэтому при выборе рабочих органов для обработки почвы и посева кукурузы на таких полях рекомендуются обычно плоскорежущие спаренные бритвы, которые обеспечивают уничтожение сорняков и минимальное перемешивание почвы. На таких хорошо подготовленных почвах рекомендуется в качестве заделывающего рабочего органа применять полозовидные сошники. По своей конструкции они позволяют расположить семена и удобрения относительно друг друга в соответствии с агротехническими требованиями без применения дополнительных для удобрений рабочих органов. В то же время полозовидные сошники достаточно легко заглубляются в рыхлую почву до уплотненного семенного ложа и прорезают в нем семенную канавку для обеспечения более плотного контакта семян с почвой.

Рис. 3. Схемы компановки комбинированных агрегатов: 1 - к раме навесной сеялки подвешены на параллелограммной подвеске почвообрабатывающие секции с культиваторными лапами; 2 - навесной двухбрусный комбинированный агрегат; 3 -комбинированный агрегат к трактору с двумя навесными устройствами; 4 - полунавесной двухбрусный комбинированный агрегат с задним опорно-транспортным колесом; 5 -комбинированный агрегат из навесной почвообрабатывающей машины и прицепной сеялки; 6 - комбинированный агрегат из прицепной сеялки и закрепленной на ее снице почвообрабатывающей машины.

Анализ конструкций отечественных и зарубежных культиваторов показывает, что наибольшее распространение имеют радиальная и па-раллелограммная подвески почвообрабатывающих рабочих органов к раме. Радиальная подвеска способна копировать неровности только определенной длины и плохо реагирует на микронеровности. Это создает ровное дно подошвы, но неодинаковую глубину обработки почвы. Паралеллограммная подвеска более сложная по конструкции, но копирует поверхность почвы в пределах разницы уровня поверхности почвы между копирующим колесом и рабочим органом. Для окончательного выбора рабочих органов комбинированного агрегата и способа их соединения с рамой потребовалось провести исследования на устойчивость их хода по глубине.

Широкое распространение и применение в задачах обеспечения устойчивости системы регулирования, выбора и обоснования ее конструктивных параметров и режимов работы агрегатов получили методы статистической динамики. В общем случае динамическая модель любого сельскохозяйственного агрегата может быть представлена в виде системы с многими входными возмущениями и выходными параметрами. Динамическая модель сошниковой системы кукурузных сеялок, как и многих других мобильных сельскохозяйственных машин, является сложной динамической системой. Входные переменные в виде неровностей поверхности поля Zn(t), дна борозды почвы Zeit), подготовленной к посеву, сопротивление почвы R(t), воздействуя на сошник, нарушают протекание технологического процесса, характеризуемого глубиной посева a(t), расходом мощности N(t) и неровностей Z'„(t) поверхности поля после посева. При этом следует указать, что все входные и выходные переменные рассматриваемой системы являются случайными функциями времени.

В рассматриваемой нами динамической модели наибольший интерес представляет параметр глубины посева a(t), являющийся важнейшим показателем качества протекания технологического процесса. Из входных возмущений на указанный выше параметр сопротивление почвы не может оказать существенного влияния. Это объясняется тем, что почва, подготовленная под посев на небольшую глубину (8. 10 см), имеет сравнительно однородный механический состав, влажность и плотность и не вызывает изменений сопротивления движению сошника, достаточных для нарушения устойчивости его хода в почве /1, 8, 9,10, 14/.

Анализ показывает, что агротехнические требования на посев кукурузы возможно выполнить при удовлетворительном копировании почвообрабатывающим рабочим органом профиля поля, а сошником -дна борозды.

Динамические свойства мобильных сельскохозяйственных агрегатов и их рабочих органов наиболее полно определяются их передаточными функциями.

Применительно к мобильным агрегатам, наиболее целесообразным является получение этих функций статистическим методом, так как входные возмущения и выходные параметры имеют статистическую природу. Для рассматриваемых однородных динамических систем передаточные функции можно выразить их частотными функциями следующим образом:

БгбгсСш) 52п26((Й)

Wl(i©) =-------------, . \¥20<О) =-------------, (1)

Эг^а) 8п(ю) где '^Осо), со) - соответственно частотные функции сошниковой системы и почвообрабатывающей части секции агрегата по отношению к воздействиям Хп(Х) и Т^Ц);

5гп(а), 5гб((о) - спектральные плотности неровностей поверхности поля Ъп(\) и дна борозды и 2^(0;

82пгб(а)) - взаимная спектральная плотность между профилем поля и дном борозды;

52б2с(й>) - взаимная спектральная плотность между профилем дна борозды и колебаниями сошника.

Однако, более глубокий анализ рассматриваемых систем требует знания не только передаточных функций, но также зависимостей ее коэффициентов от конструктивных параметров изучаемой машины. Получение же этих зависимостей возможно при теоретическом рассмотрении вопроса с нахождением дифференциальных уравнений движения рабочих органов.

Для облегчения исследования свойств изучаемой системы, особенно для мобильных сельскохозяйственных машин, динамика которых еще мало изучена, целесообразно рассматривать упрощенную схему в виде линейной модели.

Приняв ряд допущений, уравнение колебаний сошника (рис. 4) в общем виде можно представить выражением:

-Зф = в (1 вшр + а) + 11хЬЬ - соБф' (1 соБф + с) + Я„ ятф' (1 $т<р + а) + + С! Чп (1 ятф + а) - (1 совф + с!) + (1 БШф -е) (2)

Рис. 4. Схема сил, действующих на сошниковую систему После введения ряда обозначений и преобразований получим:

-ЗАф = А Дф + ахЬЪАф + ЬхЬЬДф + Ь^ьО) + кС„ 1 зтфоДф + + кСп1даДф - ах1созф0Аф - ЬХ1 соБфоДф -1 созфЛСО -- ахсЗ Дф - Ьхс1Аф - <1 ^(О + аг1 вшфоЛф + ЬгШпфоАф + + 1 втфоШ) - а2е Дф - Ь2еДф - е (3)

Группируя члены, содержащие Дф, Дф, и свободные члены и обозначив их соответственно через В, С и Д получим:

ЗДф + ВЛф + СДф = Д f(t)

Еще раз вводя обозначения:

Т2 = — , С с

Tj2 =

К = —. получим уравнение следующего вида: Т 2Дф + Т2Дф + Дф = к f(t), которому соответствует передаточная функция

W(S) =

Tj S2 + T2S+I

W(S) = и амплитудно-частотная характеристика К

А(ш) =-------------------------, l-T^w2)2 + T2V

Полученные выражения передаточной функции требуют экспериментальной проверки и уточнения по принятой нами динамической модели почвообрабатывающе-посевной секции агрегата.

В качестве объекта исследований были выбраны наиболее распространенные в отечественных и зарубежных комбинированных агрегатах почвообрабатывающе-посевные секции с параллелограммной и радиальной подвеской почвообрабатывающего органа к раме агрегата. Контролем для сравнения и оценки исследуемых секций служила посевная секция кукурузной сеялки. Исследования проводились на специально изготовленном профиллографе, на котором устанавливались сравниваемые секции и копирующий каток. Основными параметрами, характеризующими случайные процессы, принимались: среднее значение процесса Мср, его дисперсия D или среднеквадратическое отклонение а, корреляционная функция R(x), взаимная корреляционная функция Rxy(x) между входным воздействием X(t) и выходным технологическим показателем Y(t), спектральная плотность S (со) и взаимные спектральные плотности Sxy((û). Однако для удобства определяли их нормированные значения р(т), pxy(t), о(со), оху((о).

Для определения вида и параметров в передаточной функции на основе динамической модели и по спектральным плотностям неровностей поверхности поля Z„(t) и дна борозды Ze(t), а также взаимным спектральным плотностям SZnZ6(G>), SzezciO)) были получены кривые модуля частотных характеристик по выражениям (1), которые аппроксимировались одним из наиболее подходящих выражений:

W(ico)

Было установлено, что передаточные функции почвообрабатывающей и посевной секций агрегата с достаточной для практических расчетов точностью аппроксимируются выражением: к (Т05 + 1)

--------------- , (15) значения коэффициентов которого для скорости 1.97 м/с приведены в табл. 1.

Таблица

Значения коэффициентов передаточных функций моделей почвообрабатывающих и посевной секций при скорости Ур = 1.97 м/с

Подвеска секции Коэффициенты Л к То т, т

Радиальная 0.13 0.150 0.100 0.080 0.

Параллело-граммная 0.62 0.060 0.074 0.035 0.

Посевная секция 0.264 0.037 0.067 0.030' 0.

Наличие коэффициента То в выражении для аппроксимации передаточных функций в отличие от выражения, полученного при теоретическом исследовании динамики сошниковой системы, указывает на то, что входным воздействием модели сошника является не только неровность дна борозды, но и другие возмущения.

Известно, что основными параметрами амплитудно-частотной характеристики, позволяющими оценить качество системы, являются показатель колебательности кю, резонансная частота Юр, соответствующая максимуму АЧХ и частота со„, соответствующая полосе пропускания системы и определяемая из условия А(со) = 1.

Показателем колебательности системы называется величина кш, равная отношению максимальной величины амплитудно-частотной характеристики А(со)юах к ее значению А(со)0 при частоте со = 0, т.е.

А(ю)тах кш —-------------.

А(«)о

Характер протекания А(со) почвообрабатыващих секций с радиальной и параллелограммной подвесками, а также сошниковой системы посевной секции агрегата и объясняют результаты, которые получены при вероятностно-статистическом анализе процессов.

Амплитудно-частотные характеристики, построенные с найденными коэффициентами передаточных функций, приведены на рис. 6.

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики почвообрабатывающих секций агрегата с параллелограммной (1), радиальной (2) подвесками рыхлящего рабочего органа и посевной секции (3) при скорости Ур= 1,97м/с.

Относительное усиление амплитуды вынужденных колебаний, являющихся реакцией системы на воздействие внешнего возмущения - неровностей поверхности поля при радиальной подвеске, не превышает 0,34, при скорости движения V = 1,97 м/с. Такими низкими значениями А(со) на всей ширине спектра частот входного воздействия, видимо, можно и объяснить уменьшение среднеквздратического отклонения неровностей дна борозды az6 в 2,54.1,98 раза по сравнению с oZn неровностей поверхности поля. При параллелограммной подвеске на основном спектре частот система дает усиление А(со) в пределах 0,6.1,2. Максимальное усиление А(ю)тах при скорости 1,33, 1,81, 1,97 и 2,53 м/с составляет 1,76, 1,7, 1,65 и 1,26 и соответствует частотам 12, 13, 13,1 и 14 1/с. Такое большое усиление на этих частотах можно объяснить лишь только резонансом, вызванным совпадением частоты возмущения Zn(t) и собственной частоты колебаний системы.

Коэффициент колебательности кш радиальной подвески при повышении скорости увеличивается с 2,25 до 2,64, а параллелограммной - уменьшается с 2,55 до 2,16. О склонности систем с разной подвеской к колебаниям указывает также и соотношение постоянных времени Ti и Т2 передаточных функций, носящее название параметра затухания:

32 =

При этом, если ж >0, то в системе происходят затухающие колебания; при аг =0 - незатухающие и при ае <0 - расходящиеся колебания. Чем коэффициент затухания ае больше, тем колебательность агрегата меньше.

Таким образом, анализ динамических характеристик и вероятностно-статистических показателей процессов входного возмущения и выходного технологического параметра почвообрабатывающе-посевных секций показал, что секция на параллелограммной подвеске лучше отрабатывает входное возмущение, чем секция на радиальной подвеске.

Посевная же часть агрегата в силу несовершенства своей конструкции не удовлетворяет основному требованию по качеству копирования дна борозды. Поэтому задачей исследования модели сошниковой системы на АВМ являлось определение параметров модели, обеспечивающих минимальную величину дисперсии рассогласования Dp при идеальном и реальном копировании сошником дна борозды, получающегося после прохода почвообрабатывающего рабочего органа на параллелограммной подвеске. Таким образом, были определены зависимости дисперсии рассогласования от коэффициентов Тх и Т2 передаточной функции /8/.

Копирующиеойствашника представляется возможным значительно улучшить при оптимальных значениях коэффициентов XjonT = 0.03-0.04и Т2опт = 0.052-0.056 При этих значениях дисперсия рассогласованияставляетответственно наоростях движения 1.97 и 2.53 м/с 55-60 мм2 против Dpac. = 250 мм2 прихранении параметров и конструкциишниковойстемыялки.

Исходя из постановки задачи и общей выбранной схемы оптимизации в качестве оптимальности был выбран минимум приведенных затрат на единицу выполненной работы Спр

Слр = C/W руб./га, (16) где С - приведенные затраты за 1 ч работы агрегата, руб./ч;

W - производительность агрегата за 1 ч сменного времени, га/ч.

На основании экспериментально-теоретических исследований были установлены зависимости

C=f,(B,V), W=f2(B,V), N=f3(B,V), (17)

Реализация общей зависимости Спр = f(B,V,N) и дала ответ на поставленный вопрос. Ограничив скорость агрегата зоной качественной работы (3 м/с), оптимальные параметры равны: Вопт. = 5.6 м и Voirr. = 3 м/с для колесного трактора МТЗ-80. Для гусеничного трактора Т-150 при номинальной загрузке двигателя целесообразно увеличение ширины захвата В до 8.4 м.

На основании полученных результатов совместно с ПКИ «Поч-вопосевмаш» (г.Кировоград) разработан на основе специальной сцепки комбинированный агрегат АСКП-5,6, состоящий из пропашного культиватора типа КРН и серийной сеялки (рис. 6).

Этот агрегат осуществляет предпосевную обработку почвы на ширину защитных зон спаренными бритвами, установленными на культиватор КРН и посев. На культиваторе при необходимости могут быть установлены рабочие органы для сплошной обработки почвы и для бороздкового посева.

При посеве на скоростях от 2.53.1.33 м/с почвообрабатывающе-посевной секцией на параллелограммной подвеске на оптимальную глубину было высеяно 72,0.79,0% семян. Секции на радиальной подвеске и посевная секция сеялки без почвообрабатывающего рабочего органа в тех же условиях высеяли на оптимальную глубину лишь 57,0.71,5%.

Для более наглядной оценки был использован метод комбинированного статистического контроля качества протекания технологического процесса /23/.

Рис. 6. Комбинированный агрегат АСКП-5,6.

Если закон распределения измеряемой величины близок к нормальному с параметрами Мср и о, то вероятность попадания семян в верхнюю зону Р1 и нижнюю зону Р2 агротехнического допуска определяется так:

Р1 = Р(Х;<Мср-11ст) = 1/2[1-Ф(11)3 (18)

Р2 = Р (X; > Мер + 12а) = У2 [1 - Ф(12)] (19)

Тн - Мер где =.разность между нижним агротехническим с допуском Тн и центром группирования, деленная на <*;

Тв-Мср х.г =. разность между верхним агротехническим а допуском Тв и центром группирования, деленная на а

Ф(1г) и Ф(12) - функции Лапласса.

Вероятность же расположения оцениваемого показателя в пределах заданного агротехнического допуска определится выражением:

Р (Тн < т, < Тв) = '/г Ф(Ч,) + >Л Ф^) (20)

Площадь поля, на которой посев проведен на оптимальную глубину равна

Ропт = Р (Тн < т,< Тв) 100% (21)

Таким образом, такая оценка учитывает одновременно сохранность средней глубины заделки семян Мер и его среднеквадратическое отклонение о.

Засоренность посевов на участках, засеянных комбинированным агрегатом с одновременной обработкой почвы на ширину защитных зон, оказалась в 3.6 раз меньше, чем при раздельном выполнении этих операций. Вес сухих сорняков всех видов с 1 м2 защитной зоны на. посевах сеялкой в 1968 г. составила 51.6 г, а на посевах комбинированным агрегатом - 8.4 г. Эти же показатели при посеве в 1971 г. составляли соответственно 189.4 и 51.5 г.

4. технология механизированного ухода за посевами кукурузы

На основе анализа недостатков пропашного культиватора КРН-5.6 и в целом технологии ухода за посевами разработан комплект рабочих органов к культиватору КРН-5.6 (патент РФ №2048715), позволяющий вести успешно борьбу с сорняками на посевах кукурузы без применения гербицидов (рис. 7). Защитные диски предназначены для защиты рядков кукурузы от засыпания землей даже на самой ранней стадии появления всходов, позволяют вести работы на повышенных скоростях и уменьшить ширину защитной зоны с 25 до 12. 14 см. Стабилизаторы почвообрабатывающих секций, соединяя последние в своей периферийной части друг с другом шарнирно, устраняют поперечные колебания рабочих органов и тем самым позволяют уменьшить защитную зону рядков. Окучники предназначены для уничтожения сорняков в рядках кукурузы присыпанием их почвой толщиной 4.5 см на ранней стадии и 12. 14 см на последней междурядной обработке в фазе развития кукурузы 10. 12 листьев /38/.

Технология механизированного ухода за посевами кукурузы основана на применении комплекта дополнительных рабочих органов к

КРН-5,6, позволяющих начинать работы по уничтожению сорняков раньше, еще до начала всходов, довсходовой междурядной культивацией по направляющим бороздам, прокладываемым при посеве; повышении рабочей скорости при междурядной обработке; уменьшении защитной зоны за счет защитных дисков и стабилизаторов почвообрабатывающих секций; более эффективном окучивании; проведении всех уходных работ в упреждающем развитие сорняков темпе.

Рис. 7. Комплект дополнительных рабочих органов: а - защитные диски; б - окучники; в - прополочные боронки; г - стабилизаторы.

Засоренность посевов перед уборкой кукурузы на участках, где уход за посевами проводился с помощью комплекта дополнительных рабочих органов, была ниже в 4.5 раз по сравнению с засоренностью участков, где обработка междурядий проводилась серийными культиваторами КРН-5.6 и составила соответственно 17.6 г/м2 и 84.6 г/м2 сухого вещества. Урожайность при этом на опытных участках была выше, чем на контрольных на 17,3.21,2 ц/га при уровне урожайности 55,6.76,8 ц/га. По результатам государственных испытаний новая машинная технология ухода за посевами кукурузы и комплект дополнительных рабочих органов к культиватору КРН-5,6 рекомендованы производству, а их выпуск освоен ОАО «Апшеронский завод «Лес-сельмаш».

5. мульчирующая машинная технология возделывания кукурузы при минимальной обработке почвы

Противодефляционные и противоэрозионные технологии минимальной обработки почвы основаны на сохранении на поверхности почвы мульчи пожнивных остатков. Технология возделывания кукурузы с применением соломенной мульчи предусматривает измельчение и разбрасывание соломы и других пожнивных остатков при уборке озимых колосовых культур. Вслед за мульчированием проводится поверхностное рыхление почвы на глубину 5.6 см. По мере появления всходов сорняков проводится безотвальное рыхление на глубину 8.10 см, а при наличии большого количества корнеотпрысковых многолетних сорняков поле обрабатывают гербицидами сплошного действия.

Минеральные удобрения (фосфор и калий) вносят с осени в дозе Р12оК9о> а азот применяют для компенсации предстоящих затрат на разложение соломы из расчета 10 кг д.в. на 1 т соломы. Вслед за внесением минеральных удобрений проводят безотвальное рыхление почвы на глубину 30 см. Остальная часть азота вносится весной под раннюю культивацию. Посев проводится при нагревании почвы на глубине 10 см до 10. 12°С.

Посев кукурузы при наличии на поверхности почвы растительных остатков более сложный технологический процесс, чем при посеве в достаточно рыхлую почву после отвальной зяблевой вспашки. Первой отличительной особенностью новой технологии является тот факт, что под слоем пожнивных остатков почва медленней прогревается и тем самым несколько позже наступает оптимальный по температуре почвы срок сева. В то же время влажность почвы под пожнивными остатками несколько выше. В связи с вышеизложенным рекомендуется посев кукурузы проводить на 1.3 см мельче, чем при отвальной зяблевой вспашке. При наличии достаточно большого количества растительных остатков на поверхности почвы (укрыто пожнивными остатками более 30 % поверхности почвы) необходимо принять меры для освобождения от пожнивных остатков защитных зон при посеве кукурузы. Этот прием обеспечивает в будущем более ускоренное прогревание почвы в зоне высеянных семян. Второй отличительной особенностью посева при наличии пожнивных остатков является более высокая плотность почвы и необходимость ее обработки в зоне высева семян.

В целом процесс сева комбинированным агрегатом при наличии на поверхности мульчи пожнивных остатков, как последовательность операций, выполняемых рабочими органами, показана на рис. 8. Несмотря на обилие комбинированных агрегатов, принципы подхода при выборе конструктивной и технологической схемы и, особенно, заделывающих рабочих органов общие для всех и только анализ наиболее характерных из них позволит выбрать правильный вариант для определенных почвенно-климатических условий /1,41,43/

Анализ технологических схем агрегатов показывает, что все комбинированные агрегаты можно разделить на два типа: специальные и универсальные. Специальные сеялки предназначены для прямого посева и посева при минимальной обработке почвы и выпускаются в одно-, двух- и трех- брусном исполнении. Универсальные же сеялки предназначены преимущественно для работы в условиях минимальной и традиционной технологий. Последние можно разделить на две группы: сеялки, комплектующиеся секционными (модульными) приспособлениями, имеющие независимую от посевной секции навеску; сеялки, комплектующиеся набором съемных рабочих органов, крепящихся к посевной секции. Учитывая, что в России еще недостаточно освоена технология минимальной обработки почвы при возделывании кукурузы и все еще находит широкое применение и традиционная технология, следует отдать предпочтение комбинированным агрегатам из серийных отечественных сеялок, укомплектованным модульными приспособлениями.

Анализ конструкций отечественных и зарубежных комбинированных агрегатов показал, что каждый рабочий орган имеет свое назначение и обеспечивает условия для выполнения требований к качеству заделки семян, который можно изобразить как описательный граф комбинированного агрегата для посева кукурузы (рис. 9).

Почвообрабатывающие рабочие органы служат для обработки узкой полосы почвы (25.35 мм) на требуемую глубину посева. Гладкий диск обеспечивает разрезание растительных остатков перед сошником, устраняя возможность его забивания. В условиях тяжелых липких почв и необходимости ослабления торможения диска применяются рифленые диски. Они обеспечивают постоянное вращение за счет увеличения бокового трения. Для создания более рыхлого слоя почвы в зоне расположения семян применяются гофрированные диски. Заглубляющая способность этих дисков ниже, чем у гладких и рифленных дисков. Поэтому для обеспечения нормального их заглубления в более тяжелых почвенных условиях или наличии большого количества растительных остатков необходимо вводить в конструкцию агрегата догружатели за счет дополнительных грузов или реактивной силы предварительно натянутых или сжатых пружин. В таких условиях иногда применяют на агрегате сочетание двух дисков: гладкого и гофрированного; двух гофрированных - большого и малого диаметров. Такое сочетание обеспечивает лучшую заглубляемость.

Для обеспечения нормальной работы агрегата при наличии на поверхности почвы большого количества растительных остатков устанавливаются рабочие органы для расчистки почвы на пути рабочих органов (игольчатых или сферических дисков).

В качестве заделывающих рабочих органов обычно применяют дисковые, полозовидные, долотообразные сошники различных модификаций. Реже встречаются лапы-сошники и лапы с чизельным наконечником.

Выбор конструкции загортачей и прикатывающих рабочих органов зависит от работы почвообрабатывающих рабочих органов и сошников, а также характеристики почвы. Наибольшее распространение получили одинарные прессующие и двойные У-образно установленные колеса. Одинарные прикатывающие колеса в зависимости от требуемой плотности почвы и заполнености семенного канала почвой бывают широкие и узкие. Загортачи (саблевидные, ножевидные и дисковые) применяют в зависимости от влажности почвы и наличия пожнивных остатков.

Все операции, которые выполняются при возделывании кукурузы на основе минимальной мульчирующей обработки почвы, преследуют одно требование - сохранение на поверхности почвы растительных остатков, которое зависит от обработки почвы, начиная от уборки предшествующей культуры. Учитывая, что проектируемый агрегат должен работать и при посеве поукосных и пожнивных посевов, предпочтительней выбрать вариант разработки приспособления к серийным сеялкам СУПН-8 и СТВ-107/2 «АиСТ». Это диктуется также и необходимостью легкой переналадки агрегата для посева кукурузы и по интенсивной технологии.

Комбинированный агрегат на базе сеялки СУПН-8 имеет приспособление в виде отдельной рамы с рабочими органами (рис. 10). На раму приспособления устанавливается 8 гофрированных дисков для обработки почвы шириной 25. .35 мм перед сошниками.

Рис. 9. Описательный граф сеялки прямого посева

Полозоввдные сошники на сеялке заменяются на долотообразные, характеризующиеся более активной заглубляющейся способностью.

В производственных условиях при применении комбинированного агрегата в технологии минимальной обработки почвы с оставлением на поверхности растительных остатков в виде мульчи получена прибавка урожая 4,4.7,4 ц/га (10,6.19,2%) в сравнении с технологией на основе отвальной вспашки при уровне урожайности 45.50 ц/га. Машинная технология минимальной обработки почвы при возделывании кукурузы с применением приспособления к сеялке СУПН-8 испытана в многочисленных районах Краснодарского края и показала высокую эффективность. Приспособление к серийным сеялкам СУПН-8 прошли Государственные испытания и рекомендованы производству.

Рис. 10. Приспособление к сеялке СУПН-8 для прямого посева кукурузы: 1 - сеялка СУПН-8; 2 - приспособление; 3 - долотообразный сошник.

6. Особенности машинной технологии возделывания озимых колосовых культур после пропашных предшественников

Особенность обработки почвы после пропашных предшественников заключается в том, что она проводится при ограниченном запасе времени до наступления оптимальных сроков посева озимых культур, а иногда даже совпадает с ним. Кроме того, почва к этому времени сильно уплотняется вследствие многократных проходов машин и орудий при посеве, междурядных обработках и уборке предшественника, а также иссушается на большую глубину культурными растениями. Все это создает значительные трудности при подготовке почвы к посеву. Многими исследованиями, проведенными в Краснодарском крае, доказано, что в этих условиях следует отдать предпочтение поверхностной обработке почвы на глубину 8. 12 см. Особенно она эффективна в засушливые годы или когда затянуты сроки уборки предшественника. Однако следует указать и на то обстоятельство, что хотя по качеству крошения почвы поверхностная обработка превосходит отвальную вспашку, но достигается это также многократными проходами, что приводит к дополнительному уплотнению и распылению почвы.

7. Выбор технологической схемы комбинированного агрегата

Наиболее часто встречающиеся комбинированные агрегаты с рабочими органами пассивного действия состоят из одного ряда дисковых батарей и плоскорезов, за которыми располагаются дробящие рабочие органы типа катков различной конструкции. Однако, как показали многочисленные исследования, эти агрегаты в отдельные засушливые годы в условиях повышенной твердости почвы и наличия на поверхности поля значительного количества пожнивных остатков не обеспечивают требуемого крошения почвы (не более 40.50%). У всех агрегатов с односледной обработкой дисковыми рабочими органами степень измельчения пожнивных остатков ниже требуемой величины. В связи с вышеизложенным была предложена трехступенчатая технологическая схема комбинированного агрегата (рис. 11). Она включает два ряда дисковых батарей с вырезными дисками 1, плоскорезы 2 и кольчато-шпоровые катки 3. Дисковые и плоскорежущие рабочие органы размещены на раме агрегата на разных уровнях по глубине обработки со смещением каждого последующего ряда по высоте. Для проверки гипотезы о целесообразности выбранной технологической схемыавнивал агротехничие показатели рядарийных и эериментальных образцов орудий и агрегатов на ове обобщенного критерия оценки (а 934929, 854292, 1060128) /1, 16, 18, 20, 24, 25, 33/.

Рис. 11. Технологическая схема комбинированного почвообрабатывающего агрегата.

Таблица

Показатели качества обработки почвы при различных уровнях желательности

Показатели Обозн а-чение Желательность, й

1,0 0,8 0,63 0,37 0, величина показателя

Равномерность глубины обработки, слоп, см у, 0 0,72 1,45 2,1 . 2,

Глыбистость, % у2 0.15 16.30 31.45 46. 60 более

Степень крошения, % Уз 90 и более 70. 89 50.69 30.49 0.

Гребнистость, см у4 0.3 4.6 7.9 10.12 более

Рис. 12. Функция желательности и оценочная шкала качества обработки почвы

Агротехническая оценка качества обработки почвы проводилась по равномерности глубины обработки почвы Уь глыбистости У2) степени крошения У3 и гребнистости У4. Для характеристики показателей качества обработки почвы использовалась оценочная шкала, предложенная П. Бахтиным (табл. 2) и соответствующие значения желатель-ностей по Харингтону. При этом уровень желательности 0,37 соответствовал нижнему пределу допускаемых значений по агротехническим требованиям или показателям серийных машин (рис. 12).

Обобщенный показатель качества обработки почвы находили как среднее геометрическое желательностей отдельных показателей п1 п ц

Р=Л/ Па,', (22) где <1; - значение желательности ¡-ого показателя; к; - весомость, важность 1-ого показателя; п - количество показателей.

Желательности отдельных показателей ф определяли по функции Харингтона: = ехр [-ехр(-у')] . (23) где у' - кодированное значение показателя.

Кодированные значения У'; рассчитывались путем перевода в безразмерную шкалу У натуральных величин показателей У, с помощью формулы перехода:

У'^ао+а^ + агУ2- (24)

Коэффициенты ао, а.} и а2 определяли по трем базовым точкам, соответствующим желательностям 0,37; 0,63 и 0,8. Значимость коэффициентов проверялась по критерию Стьюдента.

Весомости показателей к; определялись методом экспертной оценки. При этом члены экспертной комиссии представляли специалистов по земледелию и агротехнике возделывания озимой пшеницы, а также специалистов по разработке орудий для обработки почвы и посева (табл. 3).

Степень согласованности мнений членов экспертной комиссии проверялась по коэффициенту %2:

X2 = -Т------------------------у------ггг-------. (25) т.п(п+1)- — где 8 - сумма квадратов отклонений средней суммы рангов от суммы рангов каждого показателя; ш - число членов экспертной комиссии; п - количество показателей. ~ ' X О/-^), (26) где ^ - число одинаковых рангов в .¡-ом ряду.

Таблица

Натуральные значения показателей Уь их желательности с1; и обоб

Варианты Чг/йг у2/а2 УзАЬ У4/с14 Б

1 Борона дисковая БДТ-2,5 2,1/0,37 70,2/0,08 76,3/0,69 5,45/0,65 0,

2 Фреза ФБ-1,0 2,1/0,37 58,5/0,21 76,6/0,69 2,78/0,84 0,

3 Плоскорез КПП-2,2 2,7/0,12 43,7/0,38 57,4/0,47 4,25/0,73 0,

4 Сферические диски 0450 мм в один ряд и плоскорезы 2,5/0,2 37,2/0,51 67,5/0,59 5,1/0,69 0,

5 Сферические диски 0450 мм в два ряда и плоскорезы 2,1/0,37 38,2/0,49 71,6/0,64 5,7/0,64 0,

6 Сферические диски 0450 мм в два ряда, плоскорезы и двурядный кольчато-шпоровый каток 2,1/0,37 13,3/0,85 78,7/0,70 4,25/0,73 0,

7 Плоскорезы, ротационный измельчитель и двурядный кольчато-шпоровый каток 2,1/0,37 18,9/0,77 80,7/0,71 2,25/0,88 0,

По результатам опросов в порядке убывания важности показатели расположились в следующем порядке: степень крошения почвы (к3=0.372); глыбистость поверхности шля (к2=0.272); равномерность глубины обработки почвы (1^=0.264); гребнистость(к4=0.092).

В таблице 3 приведены натуральные значения показателей, полученных экспериментальным путем, а также их желательности и обобщенные показатели качества обработки почвы по сравниваемым технологическим схемам.

Надо отметить, что ни одно из серийно выпускаемых в настоящее время орудий за один проход не обеспечивает даже удовлетворительного качества по всем показателям агротехнической оценки при данных условиях. Если дисковая борона БДТ-2,5 и фреза ФБ-1,0 создают глыбистую поверхность, то культиватор-плоскорез КПП-2,2 не обеспечивает требуемой равномерности глубины обработки. Это указывает на неизбежность многократных проходов по полю серийными машинами для полной подготовки почвы к посеву.

Установка перед плоскорезом сферических дисков в два ряда (вариант 5) стабилизировала устойчивость глубины обработки, а введение в технологическую схему дополнительно и двухрядного кольчато-шпорового катка существенно снизило глыбистость поверхности поля и повысило степень крошения почвы (вариант 6).

Комбинированные агрегаты по технологическим схемам, включающим сферические диски 0 450 мм в два ряда, плоскорезы и двухрядный кольчато-шпоровый каток (вариант 6), плоскорезы, ротационный измельчитель и двухрядный кольчато-шпоровый каток (вариант 7), показали одинаковое качество обработки почвы: = 0,889 и Б7 = 0,888. Однако, учитывая более высокую энергоемкость, низкую надежность и производительность агрегатов с активными измельчителями, следует на данном этапе отдать предпочтение агрегату с пассивными рабочими органами.

8. Оптимизация параметров комбинированного агрегата

В качестве критерия оценки часто принимают различные экономические, технические и эксплуатационные показатели. Поэтому и оптимальные параметры существенно отличаются друг от друга. Кроме того, в процессе исследования по оптимизации машинно-тракторных агрегатов не связывают и не соизмеряют эти показатели. Таким образом, в общем случае в качестве критерия оценки эффективности сравниваемых вариантов должен быть выбран единый обобщенный показатель, обеспечивающий наивыгоднейший компромисс между отдельными показателями.

Для решения поставленной задачи следует выяснить, какая зависимость существует между величиной показателя и его оценкой, как свести воедино отдельные показатели и найти комплексную оценку, а также определить их относительные весомости. Наиболее удачное решение было найдено в преобразовании измеренных значений отдельных показателей в безразмерную шкалу желательности /28/ и нахождении обобщенной функции желательности /27/.

Представленный в таком виде критерий, хотя и служит косвенным показателем, в целом оптимизирует рассматриваемый объект или систему.

Общий порядок оптимизации предусматривает следующие этапы: выбор объекта оптимизации и сбор априорной информации; выбор отдельных показателей, характеризующих эффективность оптимизируемого объекта; обсуждение и выбор оптимизируемых параметров и предполагаемых диапазонов их изменения; выбор метода обобщения отдельных показателей (выбор критерия оценки); определение весомости (важности) отдельных показателей; выбор количественного универсального критерия оценки отдельных показателей (выбор вида функции желательности); установление физических связей отдельных показателей и оптимизируемых параметров; определение величины переменных оптимизируемых параметров, соответствующих экстремальному значению выбранного критерия оценки.

Предлагаемый метод был использован при оптимизации параметров комбинированного почвообрабатывающего агрегата для подготовки почвы за один проход под посев озимых колосовых культур после пропашных предшественников (рис. 11).

Чтобы установить физическую связь между выбранными показателями эффективности и переменными факторами (Х1 - рабочая скорость Vp движения агрегата, м/с; Х2 - глубина а обработки почвы, см; Х3 и Х4 - углы атаки 0С1 и а2 первого и второго рядов дисковых батарей, рад.; Х5 и Х6 - смещения и Ь2 рабочих органов относительно друг друга, см, (табл. 4), был поставлен многофакторный эксперимент типа 2Ы (к - число факторов).

Таблица

Обозначение Факторы

X! х2 Х3 Х4 х5 х

Основной уровень 0 1,75 11,5 0,175 0,

Интервал варьирования; Дx¡ 0,55 2 0,0875 0, верхний +1 2,3 13,5 0,2625 0, нижний -1 1,2 9,5 0,0875 0,

В качестве отдельных показателей, характеризующих эффективность оптимизируемого агрегата, были приняты приведенные затраты

Спр, руб. на 1 га, производительность агрегата га/ч и качество обработки почвы сЗг - критерий, обобщающий степень крошения почвы у] (доля почвенных фракций размером < 50 мм, %), равномерность глубины обработки у2, см, глыбистость у3, %, гребнистость у4} см и удельное тяговое сопротивление у5, Н/м.

Приведенные затраты Спр и производительность рассчитывали по общепринятой методике, на основе которой после несложных преобразований были получены следующие выражения:

Спр = (С3 + 0,081 вт + 0,655Б1/ТГГ + 0,749ВР)АУ; (27)

W = [ур Ркр (0,273 - 4,62 • Шг Тто - 0,68 • 10"2 ур)] / у5; (28) где С, - зарплата обслуживающего персонала, руб. за 1 ч;

От - часовой расход горючего при номинальной загрузке трактора на скорости кг/ч;

Бт - балансовая стоимость трактора, руб.;

Т,т - годовая загрузка трактора, ч;

Ркр ~ усилие, развиваемое трактором при номинальной загрузке на скорости ур, Н;

Тто - время на проведение ежемесячного технического обслуживания трактора, ч.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения связи: у! = 116,3 + 3,06 X, - 5,33 Х2- 139,3 Х3- 37,26 Х4 - 2,11 Х5 + 14,3 Х2Х3; (29) у2 = 2,52 + 0,31 X, - 0,69 Х3 - 0,12 Х5 + 1,03 Х3Х5; (30) у3 = 0,84 + 0,51 Х2 + 50,73 Х3+ 11,46X4+0,48 Х6- 5,16 Х3Хй; (31) у4 = 6,9; (32)

В связи с тем, что при исследовании тягового сопротивления агрегата дисперсии оказались для различных вариантов неоднородными, были приняты различные приемы преобразования как у'=л/у, у'=2>/у, у'=л/у+1 , у'=

§ у и др. Но эти преобразования не привели к успеху.

Для сохранения общей процедуры вычислительных операций и для достижения заданной точности рекомендуется все параллельные измерения по каждому опьпу разделить на группы, а каждую группу заменить ее средним значением.

Предлагаемый методический подход был применен при разработке математической модели удельного тягового сопротивления комбинированного почвообрабатывающего агрегата для подготовки почвы за один проход под посев озимых колосовых культур после пропашных предшественников.

В результате обработки экспериментальных данных после предварительной статистической проверки и исключения резко выделяющихся значений отдельных измерений в каждой выборке были определены средние значения у и средние квадратические отклонения тягового сопротивления су. Проверка по критерию Кохрена в при уровне доверительной вероятности qo.95 показала отсутствие воспроизводимости внутри выборочных дисперсий по опытам при числе измерений в каждой выборке N = 600 (Ота6л. = 0,0333, Сфакг. = 0,069).

Корреляционный анализ показал отсутствие связи между выборочной средней у и ее средним квадратическим отклонением. Наиболее вероятным объяснением этого факта может служить наличие зависимости среднего квадратического отклонения су от изменения переменных факторов X;. Для выяснения характера этой зависимости было определено расчетным путем адекватное уравнение регрессии в кодированном выражении

Су = 237,9 + 55,3x1 +6,5х2 - 21 ,Зх3 + 9,4х5, (33) или в натуральных величинах

Ту=492,6 + 986,4 V + 31,9 а -2395,6 щ + 46,1 Ьь (34)

Анализируя уравнение (35), можно отметить, что наибольшее влияние на величину оу оказывает скорость Х](у) движения агрегата и угол х3 {щ) атаки первого ряда дисковых батарей.

Преобразование каждой выборки в отдельные группы с числом измерений в каждой группе N = 200 привело к воспроизводимости межгрупповой дисперсии <У2ь0Спр. = 71,9 (кН/м)2, которая была использована для расчета математической модели.

В конечном итоге после необходимых расчетов было получено уравнение регрессии тягового сопротивления на единицу ширины захвата комбинированного почвообрабатывающего агрегата в зависимости от переменных факторов: у5= -779,9 + 1016,3 v + 784,8 а + 5961,8а! + 14847,1 а2 + 387,5 ^ - 436,5 Ь

Анализ этого уравнения показывает, что тяговое сопротивление уменьшается при увеличении разности глубины установки первого и второго рядов дисков и уменьшении величины значений всех остальных факторов. Из этого следует, что наименьшее тяговое сопротивление будет достигнуто при установке только одного ряда дисков на глубину хода плоскорезов. Однако наличие второго ряда дисков необходимо для повышения качества обработки почвы, особенно на глубине более 10 см.

Отметим также, что, согласно уравнению, на величину тягового сопротивления максимальное влияние оказывает глубина обработки. Остальные факторы по мере уменьшения их значимости можно расположить в следующей последовательности: сс2, v, ь2, аь

Таким образом, применение метода сгруппированных оценок позволило получить однородные (воспроизводимые) дисперсии по всем опытам плана эксперимента, что служит необходимым условием составления математической модели при определении тягового сопротивления и его анализа в интервале изменения переменных факторов.

Для показателей качества обработки почвы уь у2, Уъ У4 преобразование по безразмерной шкале проводили по (35), а приведенных затрат Спр. и производительности агрегата - по линейной функции

Анализ результатов (табл. 5) показывает, что оптимальные параметры МТА в основном определяются принятым критерием. При их оценке по приведенным затратам С,,, оптимальный вариант агрегата характеризуется следующими параметрами: Вр = 3,82 м, vp = 1,90 м/с, «) = а2 = 0,0875 рад; hi = 1, h2 = 5 см. В этом случае комбинированное почвообрабатывающее орудие агрегатируется с трактором Т-4М. При всех остальных критериях оптимальный вариант предусматривает агрегатирование с трактором К-701. При оценке по критерию W: Вр = 5,83 м, vp = 2,38 м/с; по критерию dt: Вр = 6,33 м, vp = 1,18 м/с; по критерию у,: Вр = 2,90 м, vp = 3,46 м/с. Углы атаки дисковых батарей о^ и а2 при оценке по С„р, W и dj равны 0,0875 рад, а ht и h2 соответственно равны 1 и 5 см. При оценке по критерию yi угол «! = 0,42 и а2 = 0,0875 рад, fy = 3, h2 = 5 см. Это показывает, что параметры регулировки агрегата, соответствующие наилучшим показателям качества обработки почвы, не совпадают с параметрами при оценd2 = 1,47 - 0,16 Спр.; 3 <Спр< 7; d3 = 0,14 +0.19 W; 1,2 <W <4,5. ке по критериям Спр и <11, что вызвано разной чувствительностью и направлением изменения этих критериев оценки.

Оптимальные параметры агрегата при оценке их по общему критерию О были близки к параметрам при оценке по критерию изменяющемуся обратно пропорционально тяговому сопротивлению у5.

Оптимальный вариант при оценке по обобщенному показателю Б : Вр = 5,83 м, 2,38 м/с, щ = ос2 = 0,0875 рад., Ь1 = 1, Ь2 = 5 см, агрегатирование с трактором К-701. Производительность \У = 3,6 га/ч, Спр = 4,29 руб. на 1 га, степень крошения у! = 65,3 %.

Таблица

Оптимальные параметры комбинированного почвообрабатывающего агрегата (а = 10 см)

Критерий оптимальности Достигнутый уровень критерия оптимизации Ширина захвата, Вр, м Скорость V*. м/с Трактор с руб/га га/ч <3, Уь % Б

Спо 3,9 1,93 Ь,7377 63,8 Ь,8815 3,82 1,90 Т

4,29 3,6 0,7015 65,2 0,9139 5,83 2,38 К

1 7,88 2,01 0,7815 57,3 0,8099 6,33 1,18 К

У1 5,26 0,5429 69,7 0,8395 2,9 3,46 Ко 4,29 3,60 0,7015 65,2 0,9139 5,83 2,38 К

9, Последовательный симплекс-метод оптимизации технологической настройки агрегатов

Исследования почвообрабатывающих, посевных и других агрегатов показало, что низкое качество выполнения технологического процесса объясняется несоответствием параметров настройки и регулировки условиям работы. Во многих случаях это несоответствие можно объяснить отсутствием простого и обоснованного плана направлениям и изменениям настроечных параметров. Параметры настройки и трудоемкость регулировок (даже при их выполнении опытными механизаторами или инженерами-испытателями) при одних и тех же условиях эксплуатации нередко бывают существенно различными. Это приводит к снижению производительности агрегатов и качества выполняемой работы, а при испытаниях новой техники - к несравнимости полученных результатов. Для оптимизации технологической настройки сельскохозяйственных агрегатов предложен последовательный симплекс-метод, который способствует устранению указанных недостатков и повышает уверенность в оптимальности выбранного сочетания параметров настройки /17, 21/. Этот метод можно применять и при многокритериальной оценке через обобщенный критерий.

Последовательное симплексное планирование необходимо начинать с анализа структуры и свойств факторов, действующих на изучаемый объект, способов регулирования их на заданный уровень, а при наличии дополнительных источников - степени их влияния на выходные показатели объекта. Затем выбирают план симплекса, уровень и шаг варьирования факторов, после чего определяют для каждого опыта координаты вершин симплекса в кодированных или натуральных величинах. Результаты выходных показателей ранжируются и выявляется наихудший из них. Вершину симплекса, которой соответствует этот результат, отбрасывают и ставят опыт в новой точке, которая совместно с оставшимися вершинами составляет новый симплекс. При этом направление движения к оптимому совпадает с направлением от наихудшей вершины через середину противолежащей грани. Координаты новой вершины в кодированных или натуральных значениях определяют по формуле:

Х1к+2 = Ж1Ъх-ш-х\, (38) где Х(, к+2 - координаты новой вершины по ьму фактору, к - число факторов; - координаты ¿-го фактора отбрасываемой вершины.

Суммирование ведется по всем вершинам, кроме отбрасываемой. В последующем эту процедуру повторяют. Вращение симплекса вокруг какой-нибудь вершины показывает окончание процесса оптимизации. ю. Выбор технологической схемы дисковой бороны и почвообрабатывающе-посевного агрегата

Для поверхностной обработки почвы в настоящее время созданы и разрабатываются новые комбинированные агрегаты, позволяющие сократить число проходов по полю и повысить качество обработки почвы. Наиболее простыми из них являются комбинированные агрегаты, построенные по принципу рационального сочетания пассивных рабочих органов. При этом чаще всего применяются сферические диски и плоскорезы.

Дисковые рабочие органы имеют ряд преимуществ: простота конструкции, относительно небольшой износ рабочих органов и др. Однако, эффективность работы сферических дисков в значительной степени зависит от их расстановки на оси батареи: при недостаточном расстоянии между дисками повышается вероятность заклинивания между ними пласта и отдельных глыб почвы, а увеличение этого расстояния отрицательно сказывается на качестве обработки почвы.

В целях исследования эффективности работы дисковых рабочих органов была изготовлена экспериментальная установка с индивидуальным креплением на отдельных стойках дисков, при углах атаки а = 10, 15 и 20° и одинаковом междисковом расстоянии в = 50 мм. В продольном направлении диски крепились на расстоянии 340 мм. Испытания проводились при твердости почвы 4,15.3,64 мПа. Полученные результаты по степени крошения почвы приведены в табл. 6.

При обработке почвы дисковой бороной БДТ-3 при различных углах атаки получено крошение: за 2 прохода до 77,48% и за три прохода до 86,30%. Следовательно, экспериментальная установка за один проход и борона БДТ-3 за 3 прохода обеспечили практически одинаковую степень крошения почвы /1/.

Таблица

Степень крошения почвы дисковыми боронами ОПХ «Колос»

Вариант и настроеч- Скорость Степень крошения ные параметры движения (фракции почвы менее 50 мм), %

Установка: 3,60 99, а= 10° 6,55 98, в = 50мм 10,02 99, а =15° 3,6 87, в = 50мм 6,43 80,

10,59 93, а = 20° 3,6 88, в = 50мм 6,48 96,

10,75 97,

На основе полученных данных при испытании экспериментальной установки предложена новая технологическая схема размещения дисковых рабочих органов (рис. 13), на основе которой совместно с ОАО «Апшеронский завод «Лессельмаш» изготовлена дисковая борона БДТМ-3 (положительное решение по заявке на изобретение №20000 117745/13).

Государственные испытания дисковой бороны проводились в КубНИИТИМ на карбонатных почвах после уборки подсолнечника и кукурузы на зерно. По результатам испытаний качество обработки почвы дисковой бороной БДТМ-3 за один проход на скоростях 7. 10 км/ч практически удовлетворяет агротехническим требованиям. Степень крошения почвы в обработанном слое составляет по подсолнечнику 78,0.88,2%, а по кукурузе - 60,0.75,9%. Эти показатели в результате второго прохода увеличиваются по подсолнечнику до 92,7%, т.е. всего лишь на 4,0.5,0%, а по кукурузе до 79,3%, т.е. на 3,4%. Это указывает на то, что для посева комбинированным агрегатом с дополнительной обработкой почвы в зоне рядка нет смысла проводить обработку почвы бороной БДТМ-3 в два следа. Измельчение пожнивных остатков предшественника и сорных растений в результате однократного прохода дисковой бороны БДТМ-3 составило по фракции до 30 см 100% по подсолнечнику и 85.93% по кукурузе на зерно. Соизмеримые результаты при обработке почвы дисковой бороной БДТ-3 серийного производства получены лишь за 3 прохода.

Рис. 13. Расстановка дисковых рабочих органов

В настоящее время известно большое количество комбинированных агрегатов для посева озимых колосовых культур. Среди них наибольшее распространение получили комбинированные агрегаты производства США: «Марлис», «Грейт-Плейнз». Эти сеялки имеют одинаковую технологическую схему: два ряда гофрированных дисков, двухдисковые сошники с регулируемым копирующим колесом и прикатывающие катки. Сеялки «Хорш» и «Конкорд» снабжены лапами-сошниками для полосового посева, за которыми устанавливаются прикатывающие колеса шириной 15. 16 см. За ними в зависимости от типа почвы и состояния поверхности поля могут быть установлены пружинные рыхлители. Основным недостатком этих сеялок является неравномерность заделки семян по глубине в засушливые годы и низкая проходимость по переувлажненной почве, а также при наличии на поверхности большого количества пожнивных остатков.

Из отечественных сеялок можно выделить СЗПП-4 ПКИ «Почво-посевмаш» с разрезными гофрированными дисками впереди двухдисковых сошников и СУПС-4 (6,8). Конструктивно у сеялки СУПС-4 и ее модификациях шести и восьмиметровой ширины захвата заделывающие рабочие секции представляют собой многорычажную плавающую систему, опирающуюся на копирующий каток, совмещенный с разрезающим диском, за которым расположены анкерный сошник и прикатывающий каток. Ранее выпускавшиеся сеялки-культиваторы СЗС-2,1 по технологической схеме аналогичны сеялкам «Конкорд» и «Хорш».

Общим недостатком всех вышеперечисленных сеялок является возможность их применения только при прямом посеве или посеве в минимально обработанную почву. Это исключает агрегатирование нескольких сеялок в широкозахватный агрегат при посеве по почве, подготовленной по полупаровой системе.

В результате анализа комбинированных агрегатов для посева озимых колосовых культур нами предложена конструкция прицепного агрегата ППА-3,6 (рис. 14). Он агрегатируется в односеялочном варианте с тракторами кл 14 кН.

Агрегат состоит из почвообрабатывающей приставки и серийной зерновой сеялки С3-3,6, СЗП-3,6 и их модификаций. Гофрированные диски, установленные на приставке, разрезают пожнивные остатки и рыхлят почву на ширину 25.35 мм, в которую дисковые сошники высевают семена. Конструкция агрегата позволяет использование сеялок как в составе комбинированного агрегата при посеве по минимально обработанной почве, так и в составе широкозахватного агрегата без приставки при посеве по полупару.

Испытания агрегата ППА-3,6 проводились на участке после уборки кукурузы на зерно и дискования бороной БДТ-7 в 1 или 2 следа в сравнении с посевом сеялкой С3-3,6 после обработки почвы БДТ-7 в 4.5 следов. На посевах, проведенных агрегатом ППА-3,6, начало всходов отмечено на 7 дней раньше, а полные всходы на 6 дней раньше, чем сеялкой С3-3,6. Процент семян, заделанных на заданную глубину посева с учетом агродопуска ±1 см у ППА-3,6 составлял 74,1%, а у сеялки С3-3,6 - 59%. В связи с таким положением в засушливый год по опытной технологии при посеве агрегатом ППА-3,6 получена урожайность 49,25 ц/га, а на контрольном варианте при посеве сеялкой С3-3,6 - 46,19 ц/га, что меньше на 3,06 ц/га. В обычные по количеству осадков годы урожайность при посеве агрегатом ППА-3,6 не повышается. Например, на Северо-Кубанской сельскохозяйственной опытной станции в 2000 году были получены по контрольной технологии 56,1 ц/га, а по опытной 57,6 ц/га после подсолнечника и соответственно 58,1 ц/га и 58,9 ц/га, которые не имеют существенной разницы.

Рис. 14. Почвообрабатывающе-посевной агрегат ППА-3,6.

11. экономическая эффективность машинных технологий возделывания зерновых культур

Анализ основных экономических показателей машинных технологий возделывания кукурузы без учета дополнительного дохода от повышения урожайности показывает, что наиболее эффективной является машинная безгербицидная технология. При её применении технологическая себестоимость составила 5443,2 руб./га. При посеве по интенсивной технологии этот показатель составляет 7004,2 руб./га, что превышает безгербицидную технологию на 28,7 %. Технологическая себестоимость возделывания 1 га при мульчирующей технологии 5600,7 руб./га. Анализ структуры технологической себестоимости производства кукурузы рассматриваемых технологий показывает, что наибольшую долю в общих затратах составляют материальные ресурсы - минеральные удобрения, гербициды и семена. Их доля в общих затратах по интенсивной технологии равна 59%, безгербицидной -49,3% и мульчирующей технологии - 58,0%. Затраты только на гербициды в интенсивной технологии достигают 20,6 %. Внесение гербицидов на 1 га по интенсивной технологии с учётом их стоимости составляет 1536,7 руб./га, а однократная междурядная культивация - 65,7 руб./га, т.е. стоимость одной обработки гербицидом "Харнес" равняется стоимости 23 междурядных обработок. Все это указывает на исключительно высокую эффективность перехода на безгербицидную технологию не только с экологической, но и с экономической точки зрения.

После материальных ресурсов из всех элементов затрат при производстве кукурузы по всем технологиям наибольшую долю составляют ремонт и техобслуживание и реновация техники (9,0.17,7%). Это указывает на необходимость осторожного отношения к дорогостоящей технике, каковыми обычно являются завозимые за последние годы в Россию зарубежные тракторы, комбайны, сельскохозяйственные машины и орудия. Затраты же на заработную плату составляют всего лишь 1,4.1,8 % от общих затрат. Расход горюче-смазочных материалов при возделывании кукурузы по мульчирующей технологии составляет 54,6 кг/га, а по другим технологиям 64,8 кг/га.

Срок окупаемости капитальных вложений для интенсивной технологии составляет 4,39 года, безгербицидной - 2,86 и мульчирующей без учета повышения урожайности 3,55 года, что значительно ниже срока службы машин, входящих в комплекс машин.

Основой новой технологии возделывания озимых колосовых культур является применение дисковой бороны БДТМ-3 и комбинированного агрегата ППА-3,6, выполняющих за один проход весь процесс подготовки почвы и посева,

Технологическая себестоимость возделывания 1 гектара при этом снижается на 366,3 руб., по сравнению с интенсивной технологией, расход топлива - на 18,1 кг/га, т.е. на 37,6 %, затраты труда - на 0,5 чел.-ч/га, а капиталовложения на 4432,4 руб./га.

Анализ структуры технологической себестоимости показывает, что на материальные ресурсы приходится затрачивать 71,5.75,6%. Из остальных затрат наиболее значительным является реновация (8,7.

9,0 %). Это указывает на необходимость уменьшения капитальных вложений. Заработная плата составляет всего лишь 2.2,2%. Доля ГСМ в новой технологии по сравнению с применяющейся в настоящее время снизилась с 4,7 % до 2,9 %.

Прямые эксплуатационные затраты только на операциях подготовки почвы и посева снизились на 35,8 %, расход горючего - на 48,8 %, а затраты труда - на 46.1 %. Прибыль с каждого гектара увеличилась на 366,3 руб./га.