Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Краткий обзор технологий обработки почвы применяемых при возделывания картофеля в Северо-Западном регионе 7
1.2. Краткий обзор почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами для возделывания картофеля 12
1.3. Краткий обзор исследований по взаимодействию катков с почвой 18
1.4. Постановка вопроса и задачи исследования 30
2. Анализ рабочего процесса активного катка
2.1. Технологический процесс активного катка в составе фрезерного культиватора-гребнеобразователя 32
2.2. Математические модели функционирования активного катка 33
2.3. Теоретическое обоснование рациональных режимов работы активного катка 36
2.4. Идентификация рабочего процесса активного катка 43
3. Экспериментальные исследования рабочего процесса активного катка
3.1. Задачи и программа экспериментальных исследований 49
3.2. Приборы и оборудование, используемые при проведении полевых экспериментальных исследований
3.2.1. Полевой измерительный комплекс 50
3.2.2. Устройство и принцип работы датчиков 54
3.2.3. Тарировка датчиков
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований 67
3.4. Методика статистической обработки полученной информации
4. Результаты экспериментальных исследовании
4.1. Динамика изменения плотности почвы подготовленной к посадке рассады семенного картофеля с использованием активного катка 76
4.2. Условия функционирования активного катка 84
4.3. Выходные процессы моделей, характеризующие качество работы активного катка 89
4.4. Результаты идентификации технологического процесса работы активного катка 93
5. Выбор рациональных параметров активного катка и режимов его работы
5.1. Выбор рационального режима работы активного катка 98
5.1. Выбор рациональных параметров настройки активного катка 100
6. Практические рекомендации и основные выводы
6.1. Практические рекомендации 10 8
6.2. Основные выводы
Список литературы
- Краткий обзор почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами для возделывания картофеля
- Математические модели функционирования активного катка
- Приборы и оборудование, используемые при проведении полевых экспериментальных исследований
- Условия функционирования активного катка
Краткий обзор почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами для возделывания картофеля
Основой общепринятой западноевропейской технологии являются: высококачественные семена; использование оборотных плугов для основной обработки почвы и проведение однократной предпосадочной обработки машинами с активными рабочими органами; однократная междурядная обработка; увеличение междурядного расстояния до 75, 90 см; применение интенсивной защиты растений от сорняков, болезней и вредителей; сжатые сроки выполнения отдельных работ.
Основная обработка проводится ранней осенью на глубину не более 20...25 см. Использование для основной обработки оборотных плугов позволяет формировать выровненную поверхность обработанного поля без свальных гребней и развальных борозд. «Гладкая» пахота позволяет в дальнейшем повысить качество внесения удобрений и качество предпосадчной обработки почвы, сократить затраты на предпосадочные операции и повысить производительность посадочных агрегатов. Предпосадочная обработка почвы весной заключается в активном поверхностном рыхление почвы перед посадкой фрезерными культиваторами на глубину 12... 15 см без предварительного закрытия влаги. Фрезерование почвы перед посадкой обеспечивает мелкокомковатую структуру поверхностного слоя всего за одну обработку [4, 47, 49, 79, 80, 82, 131]. В Западной Европе производителями таких фрез являются фирмы, как Kverneland (Норвегия), Amak, Rumptstad, Rabewerk (Нидерланды), Howard (Великобритания), Kron, Lemken, Rau (Германия), Kuhn (Франция), Maschio (Италия) и др.
В этих технологиях междурядная обработка проводится фрезерными культиватороми с гребнеобразователями таких фирм как Rumptstad, Baselier agri tech (Нидерланды), Kverneland (Норвегия), Grimme (Германия) и др. После гребнеобразования другие механические обработки не проводят. Для защиты посадок картофеля от сорняков, болезней и вредителей используют химический способ защиты растений. Химические препараты вносят широкозахватными штанговыми опрыскивателями.
Основными недостатками западноевропейской технологии является высокая пестицидная нагрузка на почву и растения, а также разрушение почв с недостаточным уровнем плодородия, при их обработке орудиями с активными рабочими органами.
В странах Западной Европы при возделывании картофеля на каменистых почвах (содержание камней более 40 т/га) получил развитие способ удаления камней из верхнего слоя почвы, в котором располагаются клубни растений [4, 53, 66]. При этом камни и комки, соизмеримые с клубнями, укладываются в междурядья, а крупные камни удаляются с поля. Укладка камней в междурядье борозды облегчает условия уборки, снижает повреждения клубней. Так как колеса уборочных машин движутся по уложенным в междурядьях комков и камням, то уборка комбайнами возможна в условиях повышенной влажности почвы.
Более экономичным способом является вариант, предложенный фирмой Crimme (Германия), с раздельным использованием камнеуборщика и картофелесажалок.
С осени проводится глубокая вспашка на глубину 30 см оборотными плугами. Весной глубокое рыхление чизельным культиватором, нарезка гряд шириной 150... 170 см машиной для формирования гряд Crimme BF2000. Затем гряды сепарируют от камней и комков камнеуборщиком Crimme CombiStar CS1500/1700. Камни удаляют из верхнего корнеобитаемого слоя с укладкой их в борозду смежной гряды или выполняют их погрузку в прицеп. Посадка производится после сепарации гряд.
Движущаяся следом сажалка высаживает клубни с междурядьями 75, 90 см на глубину 18...20 см. Для выполнения посадки используются только 2-рядные машины серии Crimme KSZ. Это связано с тем, чтобы избежать выноса камней со дна борозды. Глубина посадки на 18...20 см в рыхлую почву исключает необходимость дальнейшего наращивания гребней. Все операции по уходу за растениями заключаются в своевременной обработке посадок картофеля химическими средствами защиты растений с использованием широкозахватных опрыскивателей.
Недостатки возделывания картофеля с использованием приема фирмы Crimme - это высокие энергозатраты проведения подготовки почвы к посадке и низкая производительность комплекса машин для сепарации гряд.
В Федеральном регистре «Технологий производства продукции растениеводства» отмечено, что производство картофеля на семенных участках не различается в технологических операциях и поэтому не выделено в самостоятельную технологию [119]. В настоящее время большое внимание уделяется созданию безвирусного исходного материала для выращивания картофеля. При этом широко используется рассадный способ выращивания картофеля [6, 92, 93, ПО, 135]. Однако развитие производства семенного картофеля рассадным способом в открытом грунте в Северо-Западном регионе РФ сдерживается отсутствием технологии подготовки почвы и техники.
Как уже отмечалось, посадка рассады в Северо-Западном регионе РФ должна производиться после наступления гарантированного безморозного периода, начиная с середины первой декады июня, а оптимальным сроком проведения предпосадочной обработки почвы является момент ее физической спелости начало - середина мая. Поэтому в технологии пердпосадочной подготовки почвы при производстве семенного картофеля рассадным способом в Северо-Западном регионе РФ предлагается использовать операцию упрочнения поверхности гребней.
Математические модели функционирования активного катка
Из анализа выражений (2.11) и (2.12) следует, что наибольшая плотность почвы рв в верхнем слое формируется при таком режиме работы активного катка, когда в зоне сцепления АВ на дуге контакта возникают максимальные касательные напряжения г, , а размер этой зоны имеет максимально возможную величину и превышает размер зоны буксования ВС. При этом максимальные касательные напряжения ттах на каждом участке зоны сцепления имеют значения близкие к критическим, т.е. ттах & тпр.
Выражение (2.13) означает, что изменение плотности почвы р на некоторой глубине определяется величиной вертикальной нагрузки Q на каток. Поэтому выбор настроечного значения вертикальной нагрузки на каток зависит от плотности почвы ро до прохода активного катка.
Выражения (2.11) и (2.12) описывают процесс формирования плотности почвы в верхнем слое при работе активных катков. Однако с их помощью невозможно определить рациональный режим работы активного катка, при котором происходит максимальное уплотнение почвы в верхнем слое.
Изменение степени буксования активного катка д позволяет регулировать соотношение размеров зон буксования и скольжения, что, в свою очередь, приводит к изменению плотности почвы рв в верхнем слое на тех участках, где наряду с объемным сжатием под действием нормальных напряжений а происходит сдвиг почвенных элементов под действием касательных напряжений т. Поэтому, после того, как для создания требуемой плотности почвы на заданной глубине приложена определенная вертикальная нагрузка Q, необходимо выбрать такой режим буксования, при котором уплотненная почва в верхнем слое будет сохранять заданную плотность почвы р3 на глубине посадки рассады семенного картофеля.
В работах [89, 138] приведена методика определения зон сцепления и буксования, основанная на анализе траекторий движения точек, находящихся на ободе колеса и частичек почвы, соприкасающихся с ободом. Известно, что траектория движения точек, находящихся на ободе жесткого колеса, имеет вид удлиненной или укороченной циклоиды в зависимости от режима качения (рис.2.5).
Данная методика основана на определении тангенса угла tgs между циклоидой траектории точек обода колеса и нормалью окружности в точке контакта обода колеса с деформируемым основанием. В зоне сцепления, где не происходит перемещение поверхностных элементов основания относительно поверхности обода колеса, имеет место неравенство
В зоне буксования происходит перемещение поверхности обода относительно основания в направлении, обратном движению катка. В данной зоне имеет место неравенство Однако, используя выражение (2.16), а также неравенства (2.14) и (2.15), невозможно определить рациональный режим работы активного катка, при котором уплотнение почвы в верхнем слое становится наибольшим. Это связано с тем, что данные выражения позволяют вычислить только положение той или иной зоны, но не дают никакой информации о протекающих в зоне контакта процессах взаимодействия катка с почвой. Кроме этого, в реальных полевых условиях углы трения у/с.п и у/п.п являются случайными, в вероятностно статистическом смысле, величинами и могут изменяться в зависимости от изменения в пределах одного поля физико-механического состава почвы, ее влажности и др. [89].
Ввиду того, что описать закон распределения нагрузки на почву со стороны обода катка q( p) аналитическим путем практически невозможно, а определение положения различных зон на дуге контакта катка с почвой не дает информации об изменении, необходимо использовать какой-либо косвенный показатель.
Для определения рационального режима работы активного катка проведем анализ сил, действующих на него, и составим уравнение моментов относительно оси его вращения. При равномерном движении активного катка передаваемый на его вал крутящий момент Мк уравновешивается моментом, возникающим под действием равнодействующей силы R, приложенной к ободу (рис.2.6) [15, 61,128].
Приборы и оборудование, используемые при проведении полевых экспериментальных исследований
На первом этапе полевого эксперимента участок разбивался на зачетные гоны длиной =70... 100 м. Исследования проводились без применения и с применением активного катка в составе культиватора-гребнеобразователя. Настроечное значение буксования активного катка составляло Н&=5, 10, 15 и 20%.
После прохода агрегата пробы образцов почвы в гребне брались в 100 точках. Для взятия их применялся бур Некрасова. Затем образцов почвы распределялись по пластиковым пакетикам, для предотвращения испарения влаги, и доставлялись в лабораторию. В лаборатории определялась плотность почвы и ее абсолютная влажность Wno стандартной методике [9, 20, 77],
На втором этапе перед началом эксперимента участок разбивался на зачетные гоны длиной Z=70...100 м. Датчики устанавливались на полевом измерительном комплексе и соединялись экранированными кабелями с усилительно-преобразующей и регистрирующей аппаратуре. Затем включалось питание, для прогрева аппаратуры, и через 20 минут производилась проверка и настройка измерительных каналов. Перед прохождением зачетных участков осуществлялась запись уровней сигналов, соответствующих нулевым показаниям датчиков. В начале движения культиватор-гребнеобразователь с активным катком переводился в рабочее положение и разгонялся до рабочей скорости. Во время движения агрегата через интервалы Л1 = 5 см снимались значения входных и выходных процессов. При прохождении начала и конца зачетного участка производилась соответствующая отметка в регистрирующем устройстве.
Первичная информация, полученная при полевом эксперименте была обработана на ЭВМ по программе разработанной на кафедре сельскохозяйственных машин СПбГАУ по следующему алгоритму [76]: Вначале получали момент первого порядка - математическое ожидание случайного процесса
Идентификацию моделей работы активного катка проводили по множеству синхронно записанных реализаций входных и выходных процессов. При статистической обработке результатов экспериментальных исследований получили п оценок средних значений процессов тх1 и ту\ среднеквадратических отклонений сгх и гу\ а также коэффициентов вариации Vim Vy\
На основании синхронно записанных реализаций входных и выходных процессов мы получили совокупность математических моделей в виде уравнений регрессии.
При достаточном числе реализаций оценки средних значений процессов mj и ту\ среднеквадратических отклонений aj и а/, а также коэффициентов вариации Vx и Vy и уравнений регрессии рассматривали, как реализации случайных величин с соответствующими статистическими оценками средних значений, среднеквадратических отклонений и коэффициентов вариации. Для этих случайных величин устанавливали доверительные интервалы и близость их оценок к теоретическим значениям методами математической статистики.
Метод исключения грубых ошибок позволил из выборки оценок математических ожиданий исключить значения, выпадающие из общего ряда с учетом случайного характера. Исключение грубых ошибок измерений производили за счет принятия безразмерной величины [102, 121], которая вычисляется по формуле где т/ - математическое ожидание исследуемых процессов; Mm/ - среднее значение выборки математических ожиданий процессов; amj среднеквадратическое отклонение выборки математических ожиданий исследуемых процессов.
Значения Р затабулированы соответственно доверительным различным вероятностям [121]. Если какое-либо г/не соответствовало принятому значению доверительной вероятности, то их отбрасывали. Затем производили вычисление новых оценок математического ожидания тті, среднеквадратического отклонения Опй выборки математических ожиданий исследуемых процессов.
Вычисление доверительных интервалов для совокупностей значений математических ожиданий и коэффициентов уравнения регрессии производили по соотношению Стьюдента [3, 121] где п - количество значений исследуемой совокупности. Границы доверительных интервалов определяли, используя формулы доверительной вероятности a = P{m j mij mj}, (3.11) где щн - нижняя граница доверительного интервала; т/ - верхняя граница доверительного интервала.
Условия функционирования активного катка
Для решения задачи связанной с выбором рациональных параметров настройки вертикальной нагрузки на каток применялся метод имитационного моделирования. Данный метод позволил воспроизвести реальные условия функционирования моделируемого объекта и получить информацию об его выходных показателях. При этом объект исследования представлялся в виде математической модели, оператор которой описывает связь между входными и выходными процессами. В нашем случае модель представлена уравнением регрессии, полученной на основе экспериментальных данных методом статистической идентификации. Математическая модель рабочего процесса активного катка - формирования плотности почвы pH(t) на глубине посадки рассады имеет вид: p„(t) =0,005+0,0006Q(t)+0,96p0(t). (5.1)
Моделирование осуществляется с помощью современных вычислительных средств с использованием специального программного обеспечения [141]. Методами цифрового моделирования производилось построение дискретных моделей активного катка и их условия функционирования. Такой метод моделирования позволил исследовать модель активного катка в широком диапазоне входных воздействий, изменять их параметры и производить интерпретацию результатов в зависимости от задач, стоящих перед исследованием.
Моделирование осуществляется по схемам, построенным по принципу «вход - выход». В такой постановке задачи моделируются входные возмущения, действующие на объект исследования. Входное возмущение является случайным процессом X(t), однозначно задающимся своими плотностями/ и функциями распределения F(x) вероятностей с соответствующими корреляционными связями [8, 39]. Построение дискретного аналога возмущающего воздействия на исследуемый агрегат осуществляется по заданной корреляционной функции R(T). Параметры получаемой дискретной цифровой последовательности %[x]=(p(At -п) соответствуют исходному случайному процессу X(t). В основу данного метода [8, 39] положено линейное преобразование стационарной последовательности Х[п] независимых нормально распределенных случайных чисел (дискретный «белый шум») с параметрами тх=0 nDx=l В последовательность fnj, коррелированную по закону R(n) = M{tw- ll]} = R(nAt). (5.2)
Оператор линейного преобразования «белого шума» Х[п] в дискретную последовательность фі], записывается в виде рекуррентного уравнения [8, 39, 141] Алгоритм моделирования случайного процесса (5.2) отличается простотой и позволяет формировать дискретные реализации случайных процессов сколь угодно большой длины, а вид корреляционной функции полученного случайного процесса определяется набором значений ак и Ьк. Большинство технологических процессов, имеющих место при работе сельскохозяйственных агрегатов, являются случайными функциями времени и аппроксимируются следующими корреляционными функциями [68] Точность результатов моделирования устанавливалась по корреляционным функциям R(j), рассчитанным по ординатам смоделированных дискретных последовательностей, которые затем сравнивались с исходными корреляционными функциями R(r). Достаточная сходимость корреляционной функции моделируемого процесса и исходной корреляционной функции достигается при At=0,l с и я 1000.
Для получения имитации компьютерных реализаций процесса вертикальной нагрузки на каток Q(t) его корреляционная функция, полученная в ходе обработки экспериментальных данных аппроксимировалась выражением (5.5), которое обеспечило высокую точность. На рисунке 5.2 представлены экспериментальные кривые и аппроксимированные (пунктирные линии) корреляционных функций процесса вертикальной нагрузки на каток Q(t) при настроечных значениях //е=300, 400 и 500 Н.
