Результаты производственной проверки экспериментального щелевателя

Экспериментальные исследования проводились согласно следующим нормативным документам: ГОСТ Р 52778–2007 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки» и ОСТ 10 4.1–2001 «Машины и орудия для глубокой обработки почвы. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы оценки функциональных показателей» [1, 2].

Полевые экспериментальные исследования проводились на учебно-опытном поле ОГАУ (на фонах, типичных для сухостепной зоны Южного Урала) с использованием экспериментальной установки (рисунок 1).

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки: 1 — трактор Т-150К; 2 — чизельный плуг ПЧ-2,5; 3 — экспериментальные рабочие органы

 

Программа полевых исследований в себя включала:

а) проведение испытаний предлагаемого щелевателя в полевых условиях;

б) определение качества выполнения операций;

в) исследование влияния экспериментального агрегата на урожайность зерновых культур;

г) определение баланса мощности щелевателя и энергоемкости процесса его работы;

д) определение качественно-экономических показателей работы экспериментального щелевателя.

Экспериментальная установка состоит из чизельного плуга ПЧ-2,5 (только с двумя крайними щелерезами) с установленным на нем экспериментальными рабочими органом для внесения соломы в щель. Щелеватель агрегатировался с трактором Т-150К [3, 4].

Во второй части эксперимента сравнивались агротехнические и энергетические характеристики работы щелевателей (серийного и экспериментального). Также проводились исследования зависимости урожайности зерновых культур от параметров заделки соломы в щель.

Одной из задач экспериментального исследования щелевателя является определение оптимальных параметров, при которых качество заделки соломы в почвенную щель будет наилучшим при низком значении тягового сопротивления агрегата.

Так как факторов, определяющих оптимальные параметры процесса, достаточно много, то было принято решение о проведении многофакторного эксперимента. Многофакторный эксперимент планировался на основании известных методик [5, 6, 7, 8].

За первый параметр оптимизации многофакторного эксперимента было принято тяговое сопротивление агрегата R_X, кН (Y₁).

За второй параметр оптимизации, показывающий качество обработки почвы, была принята влажность почвы k, % (Y₂).

Основываясь на теоретических положениях, а также на исследованиях ряда ученых, в качестве варьируемых факторов, оказывающих наибольшее влияние на параметры оптимизации, были приняты следующие параметры работы:

1)      ширина наральника (X₁);

2)      глубина щели (X₂);

3)      глубина заделки соломы (X₃).

В таблице 1 представлены уровни изменения факторов в эксперименте.

Таблица 1

Факторы многофакторного эксперимента и уровни их варьирования

Наименование факторов	Условное обозначение	Единица измерения	Уровни варьирования			Интервал
			верхний (+1)	основной (0)	нижний (-1)
Ширина наральника (B)	X1	м	0,11	0,08	0,05	0,03
Глубина щели (a)	X2	м	0,41	0,38	0,35	0,03
Глубина заделки соломы (hc)	X3	м	0,24	0,20	0,16	0,04

 

Для описания поверхности отклика в области начальной точки был составлен ортогональный план эксперимента первого порядка в кодированных и натуральных значениях факторов (таблица 2).

Кодирование представляет собой линейное преобразование координат факторного пространства: перенос начала координат в нулевую точку плана (центр плана) и выбор масштаба по осям координат в единицах интервалов варьирования. При этом верхний уровень интервала варьирования принимается за +1, а нижний за -1.

Формула перевода натуральных значений факторов в кодированные имеет вид:

                                                                                                               (1)

где t_i — кодированное значение i-го фактора;

D_i — натуральное значение интервала варьирования i-го фактора;

X_i0 — натуральное значение нулевого (основного) уровня i-го фактора;

X_i — текущее натуральное значение i-го фактора.

Натуральные значения интервала варьирования и нулевого (основного) уровня i-го фактора определяются по формулам:

                                                                      (2)

где X_imax, X_imin — соответственно, натуральные максимальное и минимальное значения i-го фактора.

Таблица 2

Ортогональный план эксперимента

№ опыта, N	Условия опыта в кодированных переменных				Условия опыта в натуральных переменных
	t0	t1	t2	t3	X1	X2	X3
1	+1	-1	-1	-1	0,05	0,35	0,16
2	+1	-1	-1	+1	0,05	0,35	0,24
3	+1	-1	+1	-1	0,05	0,41	0,16
4	+1	-1	+1	+1	0,05	0,41	0,24
5	+1	+1	-1	-1	0,11	0,35	0,16
6	+1	+1	-1	+1	0,11	0,35	0,24
7	+1	+1	+1	-1	0,11	0,41	0,16
8	+1	+1	+1	+1	0,11	0,41	0,24

 

Эксперимент реализовался отдельными сериями. Каждая серия включала в себя проведение N опытов, соответствующих всем строкам матрицы спектра плана. Количество серий m обычно равно 2¸4. В нашем случае m = 3, следовательно, общее число опытов равно Nm = 8×3 = 24. Внутри каждой серии порядок реализации опытов должен быть случайным, для этого применялась процедура рандомизации: m-кратное проведение данной процедуры обеспечивает различную (случайную) последовательность реализации строк матрицы спектра плана в каждой серии опытов.

В ходе многофакторного эксперимента были получены результаты, показывающие зависимость параметров оптимизации (тягового сопротивления щелевателя Y₁ и влажности почвы Y₂) от трех факторов: ширины наральника X₁, глубины щели X₂, глубины заделки соломы X₃ (таблица 3).

Таблица 3

Результаты многофакторного эксперимента.

№	Значения факторов в кодированных переменных				Значения параметров оптимизации в трех повторностях
	t0	t1	t2	t3	Y1, кН				Y2, %
					1	2	3	Среднее	1	2	3	Среднее
1	+1	-1	-1	-1	7,203	7,166	7,205	7,191	17,68	18,51	17,97	18,05
2	+1	-1	-1	+1	7,282	7,249	7,235	7,255	22,84	22,87	22,93	22,88
3	+1	-1	+1	-1	9,384	9,412	9,383	9,393	15,19	15,48	15,24	15,30
4	+1	-1	+1	+1	9,454	9,457	9,443	9,451	20,87	21,57	20,93	21,12
5	+1	+1	-1	-1	8,646	8,670	8,690	8,669	18,89	18,96	19	18,95
6	+1	+1	-1	+1	8,752	8,747	8,737	8,745	25,05	25,12	25,07	25,08
7	+1	+1	+1	-1	10,983	10,983	10,970	10,979	16,33	16,49	16,22	16,35
8	+1	+1	+1	+1	11,066	11,049	11,035	11,050	21,80	22,31	22,49	22,20

 

Результаты многофакторного эксперимента были обработаны в программе Statistica 6.1. Также были подсчитаны коэффициенты регрессии для параметров оптимизации.

Коэффициенты регрессии, у которых вероятность p (уровень значимости или вероятность ошибки) для факторов и их взаимодействий больше выбранного уровня значимости (0,05 или 5 %), являются статистически незначимыми, следовательно, из уравнений были исключены.

По результатам регрессионного анализа для параметра оптимизации Y₁ можно составить следующее уравнение регрессии, описывающее зависимость тягового сопротивления от факторов:

                        (3)

По результатам регрессионного анализа для параметра оптимизации Y₂ составлено следующее уравнение регрессии, описывающее зависимость влажности почвы от факторов:

                             (4)

Проверка адекватности полученных регрессионных моделей с помощью F-критерия Фишера выявила, что построенные модели адекватны.

Полученные уравнения регрессии позволяют построить поверхности отклика параметров оптимизации от факторов (рисунок 2).

Важнейшим показателем при расчете экономической эффективности модернизированного щелевателя является изменение урожайности сельскохозяйственных культур вследствие его применения по сравнению с использованием стандартного щелевателя.

Экспериментальные исследования по выявлению этого показателя проводились в 2012–2014 годах на поле ПУМ Оренбургского ГАУ при возделывании озимой пшеницы.

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 4.

Эксперимент показал увеличение урожайности озимой пшеницы на 31,1 % при обработке почвы щелевателем с дополнительными рабочими органами по сравнению с серийным. Увеличение урожайности произошло вследствие увеличения влажности почвы на 26,9 %. При этом произошло увеличение энергетических затрат (повышение тягового сопротивления на 19,1 %, увеличение расхода топлива на 8,97 %), которое учитывается при оценке экономической эффективности модернизированного щелевателя.

Таблица 4

Сравнение показателей работы серийного щелевателя с щелевателем с дополнительными рабочими органами.

Показатели	Серийный щелеватель	Щелеватель с дополнительными рабочими органами	Изменение показателей
Тяговое сопротивление RX, кН	16,57	19,75	+3,18
Расход топлива, л/га	7,8	8,5	+0,7
Влажность почвы k, %	59,1	86	+26,9
Урожайность пшеницы У, ц/га	13,2	17,3	+4,1
Урожайность в пересчете на 18 %-ю влажность Упр, ц/га	12,57	16,48	+3,91

Рис. 2. Поверхности откликов параметров оптимизации Y₁ и Y₂: а — Y₁ (R_X, кН) от факторов X₁ (ширина наральника B, м) и X₂ (глубина щели a, м); б — Y₂ (k, %) от факторов X₁ (ширина наральника B, м) и X₂ (глубина щели a, м); в — Y₁ (R_X, кН) от факторов X₁ (ширина наральника B, м) и X₃ (глубина заделки соломы h_c, м); г — Y₂ (k, %) от факторов X₁ (ширина наральника B, м) и X₃ (глубина заделки соломы h_c, м); д — Y₁ (R_X, кН) от факторов X₂ (глубина щели a, м) и X₃ (глубина заделки соломы h_c, м); е — Y₂ (k, %) от факторов X₂ (глубина щели a, м) и X₃ (глубина заделки соломы h_c, м)

 

В результате экспериментальных исследований выявлены зависимости энергетических и агротехнических показателей работы предлагаемого щелевателя в зависимости от условий работы, сравнение экспериментальных данных с теоретическими показало соответствие результатов теоретических и экспериментальных исследований.

В результате испытаний по сравнению агротехнических показателей работы серийного и экспериментального рабочих органов выявлено повышение влажности почвы на 26,9 % по сравнению с серийным щелевателем при возрастании тягового сопротивления на 19,1 %, также зафиксировано увеличение урожайности озимой пшеницы на 31,1 %.

 

Литература:

 

1.         ГОСТ Р 52778–2007 Испытания сельскохозяйственной техники. Методы эксплуатационно-технологической оценки. — Введ. 13.10.2007. — М.: Стандартинформ.

2.         ОСТ 10 4.1–2001 Стандарт отрасли. «Машины и орудия для глубокой обработки почвы. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы оценки функциональных показателей». — М.: Минсельхоз России. — 2001. — 43 с.

3.         Совершенствование технических средств для глубокого рыхления почвы / К. С. Потешкин, М. М. Константинов, А. Н. Хмура, Б. Н. Нуралин // Известия ОГАУ. — 2011. — № 4. — С. 101–104.

4.         Потешкин К. С. Определение конструктивно-режимных параметров модернизированного щелевателя / К. С. Потешкин, И. В. Герасименко // Молодой ученый. — 2012. — № 12. — С. 39–43.

5.         Аугамбаев М., Иванов А. З., Терехов Ю. И. Основы планирования научно-исследовательского эксперимента: учебное пособие / под. ред. д. т. н., профессора Рудакова Г. М. — Ташкент: Укитувчи. — 2004. — 336 с.

6.         Базаров М. К., Огородников П. И. max информации при min сложности методов количественного анализа (пособие начинающему исследователю). — Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН. — 2008. — 357 с.

7.         Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработка опытных данных. — М.: Колос. — 1973. — 199 с.

8.         Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5 изд. доп. и перераб. / М.: Агропромиздат. — 1985. — 351 с.