«Разработка и обоснование параметров рассеивателя семян дискового сошника для посева зерновых культур» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Калашников Сергей Сергеевич

• Калашников Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Калашников Сергей Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Существующие технологии и агрегаты для посева зерновых

КУЛЬТУР И ТЕНДЕНЦИИ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

1.2. ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ

1.3. Агротехнические требования к посеву зерновых культур

1.4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЗЕРНОВЫХ СЕЯЛОК

1.5. ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ СЕМЯН

1.6. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕРНОВЫХ СЕЯЛОК 34 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДВУХДИСКОВОГО СОШНИКА

2.1. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ЗЕРНОТУКОВОЙ СЕЯЛКИ

2.2. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ МАШИНЫ

2.3. Анализ процесса движения семян

2.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ СЕМЕНАМИ ПРИ ВЫСЕВЕ

2.5. Обоснование параметров рассеивателя семян 63 Выводы

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.2. МЕТОДИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

3.2.1. Методика определения физико-механических свойств семенного материала

3.2.2. Методика обоснования выбора материала рассеивателя и определения скоростных коэффициентов с применением высокоскоростной съемки

3.2.3. Методика определения твердости и влажности почвы

3.2.4. Методика проведения экспериментов на предмет равномерности

распределения семян по дну бороздки

3.3. Экспериментальный сошник и установка для проведения ЭКСПЕРИМЕНТОВ

3.3.1. Лабораторная установка

3.3.2. Модифицированный двухдисковый узкорядный сошник для полосового способа посева

3.4. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.5. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКА

3.5.1. Общие положения планирования экспериментов

3.5.2. Методика априорного ранжирования факторов

3.5.3. Планирование эксперимента второго порядка

3.6. МЕТОДИКА ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ

3.6.1. Методика определения динамики всхожести растений

3.6.2. Методика определения урожайности

3.6.3. Метод определения равномерного распределения растений по площади

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 101 ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

4.2. Обоснование материала рассеивателя и результаты нахождения СКОРОСТНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

4.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛОСЫ ВЫСЕВА СЕМЯН

4.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ РАССЕИВАТЕЛЯ СЕМЯН

4.5. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ СЕМЯН ПОСЛЕ СОУДАРЕНИЯ С РАССЕИВАТЕЛЕМ

4.6. РЕЗУЛЬТАТЫ АПРИОРНОГО РАНЖИРОВАНИЯ ФАКТОРОВ

4.7. Результаты полного факторного эксперимента по оптимизации

ПАРАМЕТРОВ РАССЕИВАТЕЛЯ ДВУХДИСКОВОГО СОШНИКА

4.8. Результаты полевык опытов

Выводы по главе 140 ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ЗЕРНОВОЙ СЕЯЛКИ С

МОДИФИЦИРОВАННЫМ СОШНИКОМ

5.1. Расчет годового экономического эффекта от внедрения новой машины

5.2. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 147 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1. Патент РФ на полезную модель

Приложение 2. Патент РФ на полезную модель

Приложение 3. Патент РФ на изобретение

Приложение 4. Патент РФ на полезную модель

Приложение 5. Параметры посевного материала

Приложение 6. Определение коэффициента восстановления 174 Приложение 7. Определение статической деформации и динамического

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КЛАВИШИ РАССЕИВАТЕЛЯ

Приложение 8. Стоп-кадры высокоскоростной съемки траектории

ПОЛЕТА СЕМЕНИ 176 Приложение 9. Стоп-кадры высокоскоростной съемки траектория

ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА СЕМЯН

Приложение 10. АКТ внедрения

Приложение 11. АКТ внедрения

Приложение 12. АКТ внедрения

Приложение 13. АКТ производственной проверки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Разработка и обоснование параметров рассеивателя семян дискового сошника для посева зерновых культур»»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При возделывании зерновых культур посев имеет особое значение, поскольку от равномерного распределения семян по площади питания на заданной глубине зависит появление дружных всходов и в итоге повышение урожайности. Равномерное распределение семян по площади питания является одной из наиболее сложных задач при посеве зерновых культур. Оптимальное размещение семян по площади питания на заданной глубине посева возможно тогда, когда семена расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, или форма этой площади - круг, или, по крайней мере, близкий к нему квадрат. Исследования в области земледельческой науки и практике показывают, что наилучшая площадь питания для одного стебля пшеницы - квадрат, со стороной не менее 4,5 сантиметров. На одном квадратном метре должно находиться примерно 400 растений. При этом семена находятся в одинаковых условиях по обеспеченности теплом, светом, почвенной влагой и питательными веществами.

Существующие зерновые сеялки с дисковыми сошниками позволяют высевать семена рядковым, узкорядным, перекрестным способами. В результате рядкового посева площадь питания одного растения имеет вид очень вытянутого прямоугольника. Узкорядный и перекрестный посевы приближают площадь питания зерновки к оптимальному квадрату, повышают использование площади поля, но при этом имеют существенные недостатки.

В связи с этим разработка конструктивно-технологической схемы дискового сошника для полосного способа посева, обеспечивающего повышение равномерности распределения семян на семенном ложе, представляется актуальной и важной хозяйственной проблемой.

Работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической темой БГСХА "Программа фундаментальных и прикладных исследований по

5

научному обеспечению развития агропромышленного комплекса в Байкальском регионе на 2016-2020 годы" по проблеме (V) "Повышение эффективности инженерно-технической системы и ресурсосберегающих машинных технологий в агропромышленном комплексе Байкальского региона".

Степень разработанности проблемы. Большой вклад в исследование основ теории и расчета машин для посева внесли ученые: Лурье А.Б., Беспамятнова Н.М., Семенов А.Н., Яковлев Н.С., Кем А.А., Кардашевский С.В., Хараев П.Х., Пушинская О.В., Кириченко В. А., Трофимченко Ю.Н., Рублев В.И.и др.

Исследованиям по совершенствованию конструктивных и технологических параметров рабочих органов зерновых сеялок посвящены работы: Сергеева Ю.А., Раднаева Д.Н., Алексеева Е.П., Комарова Ю.В., Саакяна С.Л., Данжеевой Д.К.,Гармаева Ц.И., Тыскинеева Д.О., Ногтикова А.А., Нотова Р.А., Перетятько А.В., Прокопьева С. Н., Сочинева С.И., Тупицына Н.В. и др.

Однако, при всей значимости выполненных исследований, некоторые аспекты данной проблемы изучены недостаточно. В частности, не рассмотрены вопросы определения движения зерновки после соударения с рассеивателем семян в зависимости от материала рассеивателя, а также поиска оптимальных значений параметров технического средства посева зерновых культур, обеспечивающих рациональное распределение семян по площади питания.

Научная гипотеза. Повышение эффективности процесса равномерного распределения семян зерновых культур возможно за счет уменьшения их перекатывания по дну бороздки, путем снижения скорости падения семян после соударения с рассеивателем двухдискового сошника.

Цель исследования. Повышение равномерности распределения семян зерновых культур путем обоснования параметров рассеивателя семян

узкорядного дискового сошника.

Объект исследования. Процесс равномерного распределения семян зерновых культур в междисковом пространстве сошника.

Предмет исследования. Закономерности воздействия параметров клавишного рассеивателя сошника на равномерность распределения семян.

Задачи исследования:

1. Обосновать выбор материала рассеивателя семян двухдискового сошника.

2. Разработать математическую модель движения зерновки после соударения с рассеивателем.

3. Обосновать основные параметры рассеивателя сошника при полосовом способе посева зерновых культур.

4. Провести производственную проверку и определить экономическую эффективность использования экспериментальной сеялки.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель движения зерновки после удара о рассеиватель, позволяющая определять послеударную скорость семян в зависимости от материала рассеивателя.

2. Получено уравнение регрессии в виде функции отклика, отличающееся тем, что позволяет вести поиск оптимальных параметров технического средства для процесса равномерного распределения семян по площади.

3. Получена совокупность уравнений второго порядка, позволяющая выявить закономерности взаимосвязей от комбинации параметров рассеивателя сошника для описания оптимума.

Новизна технических решений подтверждена 4 патентами РФ (№166528; №2604918; №154060; №196015)

Теоретическая и практическая значимость работы. Выявленные теоретические зависимости позволяют определить оптимальные конструк-

тивные параметры рассеивателя семян дискового сошника.

В результате проведенных исследований разработан клавишный рассеиватель семян двухдискового сошника, обеспечивающий равномерное распределение семян по дну бороздки (средняя площадь питания - круг с диаметром 5,7 см.), позволяющий повысить эффективность операции посева зерновых культур. Применение усовершенствованного сошника в почвенно-климатических условиях Республики Бурятия позволяет повысить урожайность до 23 % по сравнению с существующим прототипом.

Методология и методика исследований. При выполнении диссертационной работы использовались стандартные методики с применением классических положений теоретической механики, сопротивления материалов и математического моделирования. Лабораторные, производственные испытания и экономические расчеты осуществлялись в соответствии с действующими ГОСТами и ОСТами. Разработка математических моделей взаимодействия семян с клавишным рассевателем и последующие экспериментальные исследования были выполнены на основе планирования многофакторных экспериментов и регрессионного анализа полученных данных с использованием программ Microsoft Office, Statistica и Mathcad.

Степень достоверности и апробация работы.

Степень достоверности проведенных исследований подтверждается результатами статистической обработки экспериментальных данных с достаточной сходимостью теоретических расчетов и испытаний экспериментальной сеялки с клавишным рассеивателем по сравнению существующим прототипом.

Основные положения и результаты исследований докладывались:

- International conference "Natural Resource Conservation and Agricultural Engineering", Mongolian University of Life Sciences, Ulaanbaatar 2015;

- на ежегодных научно-практических конференциях сотрудников и аспирантов, посвященная Дню российской науки, БГСХА им. В.Р. Филиппова в период с 2015 по 2017 годы;

- на международной научно-практической конференции, приуроченной 100-летию заслуженного деятеля науки Бурятской АССР, профессора Николая Васильевича Барнакова, Улан-Удэ 2015 г.;

- на ежегодных научно-практических конференциях, ВСГУТУ в период с 2015 по 2016 годы:

- на международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию БГСХА им. В.Р. Филиппова и 55-летию инженерного факультета в 2016 году;

- на XXXV международной мультидисциплинарной конференции "Актуальные проблемы науки XXI века", Москва 2018 год;

- на международной научно-практической конференции "Инновационные исследования: проблемы внедрения результатов и направления развития", Уфа 2018 год.

Внедрение. Сошники с установленными клавишными рассеивателями были внедрены в следующих хозяйствах:

- КФХ "Ананина И.Ю.", Республика Бурятия, Мухоршибирский район, село Шаралдай, 2015 г.

- КФХ "Измайлов", Республика Бурятия, Мухоршибирский район, село Харашибирь, 2016 г.;

- КФХ "Суменкова И.М.", Республика Бурятия, Мухоршибирский район, село Заган, 2017 г.

Рекомендация производству. Для посева зерновых культур рекомендуется использовать модернизированную узкорядную сеялку СЗУ-3,6 с клавишным рассеивателем семян, которая по сравнению с сеялками типа СЗ позволяет производить посев с шириной полосы 7 см. в междисковом пространстве и междурядьем 7,5 см., что улучшает

9

распределение семян по площади, а также в два раза увеличивает площадь занятую растениями.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 работах, в том числе в 5 статях в журналах из списка ВАК, 1 статье в международном издании, 4 статьях в журналах из списка РИНЦ, 1 патенте РФ на изобретение и 3 патентах РФ на полезные модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование узкорядного дискового сошника с клавишным рас-сеивателем для полосового посева;

2. Аналитические зависимости для обоснования траектории движения зерновки после удара и рациональных значений параметров рассеивателя;

3. Результаты экспериментальных исследований процесса равномерного распределения семян в междисковом пространстве сошника;

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 185 листов машинописного текста, 44 таблицы, 62 рисунка и 13 приложений. Список использованной литературы включает 156, в том числе 12 источников иностранной литературы.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Существующие технологии и агрегаты для посева зерновых культур и тенденции их совершенствования

В настоящее время в сельском хозяйстве используются различные посевные машины и способы посева для возделывания зерновых культур. Способы проведения посева зерновых культур делятся на рядовые и разбросные. Разбросные являются наиболее древними и появились на заре появления земледельческой культуры. В основе этих способов лежит то, что распределение семян по поверхности почвы происходит путем разбрасывания, а дальнейшая их заделка в почву осуществляется специальными сельскохозяйственными орудиями. Поэтому, высев семян и заделка их в почву производится раздельно. Сочетание данных операций выполнимо в одном сельскохозяйственном орудии (сеялки бункерные), а также в одной сельскохозяйственной машине (сеялки современные) [115].

Посевные сельскохозяйственные машины группируются по назначению, способу посева и агрегатированию. Посевные машины делятся на универсальные (посев разнородных сельскохозяйственных культур) и специальные (посев семян только одной сельскохозяйственной культуры). По назначению посевные агрегаты делятся на хлопковые, кукурузные, зерновые, свекловичные, овощные, льняные и т. п.; по способу посева - на гнездовые, рядовые, разбросные, узкорядные, пунктирные; по агрегатированию на навесные, полунавесные, прицепные [114].

Разбросной способ посева является наиболее простым. Но данный способ предполагает перерасход зерновки на 25-30 процентов, а также неудовлетворительную глубину заделки семян. Однако, на данный момент проводятся работы, связанные с более эффективным использованием этого способа посева. Для разбросного способа применяется и авиация, а заделку

семян можно проводить боронованием либо прикатыванием поверхностного слоя поля [117, 120, 122, 129].

Рядовой посев имеет некоторые преимущества перед разбросным способом посева зерновых. Глубина заделки семян приближается к оптимальной, а урожайность возрастает на 10-15 % в сравнении с разбросным способом [130, 137, 139].

Рядовой способ посева с шириной междурядьев в 15 сантиметров является самым распространенным. Площадь питания в данном случае -вытянутый прямоугольник, в котором длина коротких сторон, по меньшей мере, в 10 раз короче длинных. Скученность семенного материала в рядках очень тормозит развитие и рост растений. Известно, что при данном способе посева растением будет использоваться всего 30 процентов от необходимой площади питания [106].

Любая зерновая культура обладает кустистостью. Это значит, что одно семя сможет дать несколько колосоносных стеблей. При рядовом способе посева наблюдается слабое кущение. Рудиментарность растений, а так же очень слабое кущение являются следствием жесткой борьбы растений на площадях питания с неправильными формами. Для того, чтобы улучшить распределение семенного материала по засеваемой площади, была разработана конструкция двухстрочного сошника, имеющего междурядье, равное 7,5 сантиметрам. Проведенные научные исследования показывают, что узкорядный способ посева увеличивает урожайность зерновых культур в среднем на 1-2,5 центнера с гектара при сравнении с рядовым. Растения размещены наиболее равномерно, что позволяет им эффективнее использовать влагу, энергию солнца, а также микроэлементы, содержащиеся в почве [140].

Перекрестный способ посева подразумевает получение площади

питания, близкой к квадрату. Данные посевы проводятся в 2 прохода сеялки,

(вдоль и поперек поля), а норма высева в 2 раза ниже, чем при рядовом

12

способе посева. Проведение посева перекрестным способом увеличивает урожайность. А недостатком данного способа посева будут являться двойные затраты труда, а также времени и ТСМ [107, 111].

Более равномерное распределение семян по поверхности поля осуществляется с помощью полосового способа посева. При движении сошника его диски создают 2 бороздки (междурядье 7,5 см), профиле-образователь, который располагается между двух дисков, формирует горизонтальный профиль ложа, при этом сдвигая почву от междурядий к дискам сошника на уровне глубины заделки семян. Поток семян, поступающий из семяпровода, попадает на распределитель и равномерно распределяется по сменному ложе в междисковом пространстве [84].

Точный посев используется, в основном, при возделывании кукурузы и подсолнечника. Данный способ обеспечивает повышение урожайности, неплохую экономию семенного материала, сокращает затраты труда на последующий уход за растениями. Нехватка биологически всхожих сортов семян является тормозом в развитии данного способа посева. Возрастает засорённость зерна. Немаловажным фактором является подготовка полей. В настоящее время у наших полей низкое качество, что затрудняет осуществить посев данным способом [6, 26, 61].

Руденко Н.Е. предложена инновационная технология посева зерновых культур [35]. Вместо сошника на сеялке размещают пневматический или механический ускоритель семян. Семена направляются перпендикулярно поверхности почвы и под действием кинетической энергии вклиниваются в нее. Данный способ посева эффективен при повышенной влажности почвы. Однако в почвах с недостатком влаги использование такого способа посева не обеспечит нужного распределения семян, а также возможно увеличение их повреждаемости.

Рядовые зерновые сеялки состоят из рабочих органов (высевающих

аппаратов, семяпроводов и сошников с заделывающими приспособлениями),

13

рамы с механизмом навески или прицепом, опорно-приводных колес, механизма подъема, установки на глубину хода рабочих органов, механизма передачи крутящего момента от колес машины до валов высевающих аппаратов с автоматической муфтой сцепления.

Для посева зерновых культур по подготовленной почве применяют прицепную зерновую сеялку С3-3,6А и ее модификации СЗП-36А, СЗТ-3,6А и др. Для высева зерновых и зернобобовых сельскохозяйственных культур по стерне с внесением минеральных гранулированных удобрений используют посевные машины прямого высева СЗПГМ и СЗПП-8, стерневые сеялки-культиваторы СЗС-2,1, СЗС-6 и др.

Сошники (рабочие органы сеялки) в зависимости от модификации, а также от вида высеваемой сельскохозяйственной культуры и свойств почвы подразделяют на однодисковые, двухдисковые, килевидные, полозовидные, трубчатые, лаповые и др.[114].

Зерновые и зернотуковые посевные машины для рядового и узкорядного способов посева, которые выпускаются в настоящее время и находятся в хозяйствах, оборудованы дисковыми сошниками [79].

Анализ технологического процесса работы посевных машин и опыт их

эксплуатации показывают, что основными внешними возмущающими

воздействиями (входными факторами), оказывающими влияние на

распределение семян, являются профиль поверхности поля, твердость и

влажность почвы, скорость движения агрегата, нестабильность работы

двигателя, буксование колес трактора и другие. В соответствии с внутренней

структурой высевающих систем на распределение интервалов между

семенами значительное действие оказывает неравномерность подачи семян

высевающими аппаратами, обусловленная колебаниями скорости вращения

их высевных устройств, изменчивость параметров движения семян в

семяпроводе, сошнике и по дну раскрытой им борозды. Иначе говоря, при

нормальном функционировании посевной машины выходные показатели

14

технологического процесса зависят не только от внешних воздействий, но и от внутренних структур в высевающей системе [101].

Размеренное и ровное распределение зерновки по площади их питания, приближенной к оптимальной. И их заделка на установленную глубину удовлетворяют условиям одновременного прорастания большинства семян и их дальнейшего полноценного развития. Отсюда следует, что качество посева очень сильно зависит от конструктивных особенностей рабочих органов посевных машин, от их параметров и режимов.

Короткие агрономические сроки, необходимость повышения производительности труда, возрастание единичной мощности мобильных средств обусловили необходимость увеличить ширину захвата посевного агрегата. Это приводит к разработке принципиально новых высевающих аппаратов централизованного высева, сочетающих в себе механическое отмеривание с пневматическим перемещением их в сошник. Использование данных высевающих аппаратов - одно из самых перспективных направлений модернизации посевных агрегатов, так как существует возможность немалого уменьшения времени и затрат, а также труда необходимого при обслуживании и ремонте посевной машины с централизованным бункером, дозаторами [150].

Большинство разработок, которые связаны с новейшими понятиями приспособленности агрегатов к различному проявлению потенциала нашей страны, проходит через определенную систему агрегатной базы производства машин. В данной связи территориальная идея сельскохозяйственного машиностроения базируется на будущем прогрессе сельского хозяйства Сибири [99].

Для последующего усовершенствования районного сельскохозяйственного машиностроения необходимо, чтобы агропредприятия с серийным производством перенаправились на производство широкого сортамента машин небольшими партиями. Создание системы агрегатов,

15

количество единиц и различные программы обновления территориального производства машин должны проводиться на основе маркетингового анализа, который учтет интересы зонального ведения сельского хозяйства. Новую технику необходимо производить на основе блочной модульности, которая позволит использовать электронные методы конструирования, многофункциональности и универсальности. Следовательно, один посевной агрегат сможет посеять любую сельхозкультуру, внести различные удобрения, а также провести культивацию или боронование. Зональные средства механизации должны с завода удовлетворять тем параметрам агрономической экологической системы, в которой они применяются, и иметь возможность адаптироваться к ней [136, 138].

1.2. Почвенно-климатические условия Республики Бурятия

В Республике Бурятия основная часть сельскохозяйственных угодий расположена в сухостепной зоне, которая подразумевает резко выраженную континентальность климата. Среднемесячная температура воздуха меняется от -24 до +22 градусов Цельсия. Абсолютный минимум достигает -53 градусов Цельсия. Амплитуда колебаний средних месячных температур может достигать 45 градусов Цельсия.

Тёплый период наступает из-за поступления прогретых воздушных масс из соседней Монголии и возможен приток сухого и холодного воздуха из северной Сибири. Причиной обезвоженности воздушных масс служит малое количество осадков в весенний период. Вообще на территории Республики Бурятия имеет место недостаточное увлажнение. Среднегодовое количество выпадающих осадков равно 210...240 мм, наибольшая их часть (от 55 до 63 %) приходится на середину и конец лета (июль и август).

В данном регионе весна приходит во второй половине апреля, а

заканчивается, примерно, в конце мая. В это время усиливается

циклоническая деятельность на арктическом фронте, что, в свою очередь,

16

приводит к возобновлению холодов. Заморозки весной длятся до начала июня. В это время дни бывают холодными, малооблачными и ветреными. Относительная влажность воздуха составляет порядка 35 %, а иногда может снизиться до 10%. Это способствует более быстрому испарению и выветриванию влаги и иссушению верхних слоёв почвы. Испарение в весеннее время превышает количество выпадающих осадков примерно в 7 раз. Выпадающие осадки составляют около 21...34 мм. Протаивать каштановые почвы начинают в первые десять дней апреля. К концу апреля практически полностью оттаивает метровый слой. Далее интенсивность оттаивания немного замедляется из-за неоднородности почвы и её гранулометрического состава. В первые десять дней июля оттаивает сезонная мерзлота на глубину 3 м. Засуха в этот период негативно сказывается на росте и дальнейшем развитии сельскохозяйственных культур.

Одной из основных особенностей климата Республики Бурятия считается продолжительность солнечных дней, которые длятся до 3000 часов, с суммарной радиацией около 105-115 ккал/(см кв. в год). Нагревание поверхностных слоев почвы является следствием преобладания прямой солнечной радиации над рассеянной.

В самые холодные месяцы температура воздуха может опускаться до -32 градусов по Цельсию, что приводит к более глубокому промерзанию почв. В таких случаях часто наблюдается смыкание многолетней мерзлоты с сезонной. Низкие температуры воздуха являются причиной отрицательной среднегодовой температуры на всей территории Республики Бурятия, а также вызывают большую потерю влаги из верхних слоев почвы и приводят к криогенным процессам, таким как кристаллизация, коагуляция и т.п., к развитию физического и мерзлотного выветривания почвы. Обогащенность почвенного профиля обломками и щебнем горных пород также связана с данными процессами.

На рисунке 1.1. представлена динамика и тренды среднегодовой температуры воздуха.

Рисунок 1.1. Многолетняя динамика и тренды среднегодовой температуры воздуха. 1 - Улан-Удэ, 2 - Новоселенгинск, 3 - Кяхта

По данным метеостанции Улан-Удэ за 103 года (1900-2015 гг.), потепление климата оценивается ростом температуры воздуха на 2,50С (рис.1.1). При этом, в Новоселенгинске среднегодовая температура воздуха повысилась на 1,80С, в Кяхте - на 1,60С [109].

На рисунке 1.2 показан годовой цикл средних многолетних месячных сумм осадков за период с 1936 по 2015 год в городах Чита (а) и Улан-Удэ (б). Данный цикл всех осадков выражен минимумом температуры зимой и максимумом - летом. Разности м/у нормой измеренных и исправленных сумм осадков, то есть средние значения вносимых поправок, составляют несколько мм. летом и зимой. Но в процентом соотношении от многолетних норм имеющиеся различия являются большими: в летний период они равны около 6 %, а в зимний- до 50 %. Это объясняется малой нормой осадков в зимний период [71].

Рисунок 1.2. Годовой цикл средних многолетних месячных сумм осадков (мм) в Чите (а) и Улан-Удэ (б) за 1936—2015 гг. 1 - измеренное количество осадков, 2 -исправленное количество осадков.

В Республике Бурятия, в основном, распространены почвы каштанового типа. Характерными признаками данных почв является их малая гумусность, легкость механического состава. Кроме того, эти почвы бедны поглощенными основаниями и отличаются низкой влагоемкостью.

Хороший рост и развитие сельхозкультур обуславливается плодородием почвы, а также климатическими условиями, которые складываются в период вегетации. Так как в верхних слоях почвы водный режим является неустойчивым, то зачастую корни пшеницы плохо развиваются, что, в свою очередь, влияет на недостаточность плодородия почвы и приводит к уменьшению урожайности культуры.

В настоящее время аграрная наука и практика Республики Бурятия имеют достаточный опыт, подтверждающий, что наиболее хороший предшественник при возделывании сельхозкультур - чистый пар. Проводя паровую обработку почвы в этих засушливых условиях, можно решить задачи по

накоплению влаги, питательных веществ и борьбе с сорняками.

19

Как показывают данные таблицы (1.1), комковатость почв не выше 40,3%, а пожнивных остатков от 41 до 72 шт. на 1 м . Данная комковатость и низкая связанность почв является итогом воздействия резко континентального климата (высокая амплитуда среднесуточных и сезонных отклонений температуры)[99].

Таблица 1.1 - Число пожнивных остатков и комковатость почвы

Число пожнивных остатков на м2 Комковатость, % Годы и место проведения опыта

в начале к концу парования

342 70 33,5 1997... 1998 Бурятская СХОС (Иволга)

307 43 40,3 1998... 1999 Бурятская СХОС (Иволга)

350 47 32,1 1997... 1998 с-з "Селенгинский"

- 54 36,8 1996... 1997 Бурятский СХИ (Тапхар)

Вследствие недостатка влаги наблюдается низкая полевая всхожесть возделываемых культур. Даже при увеличенной норме высева (от 4,5 до 5,0 млн семян) ко времени уборки урожая остается всего от 310 до 346 растений на 1 м2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Калашников Сергей Сергеевич, 2020 год

Къ - х)2

п -1

(3.7)

I=1

Для определения ошибки средней арифметической воспользуемся формулой:

Р = — ■ (3-8)

Л/и

Относительная ошибка средней арифметической находим по формуле:

Р

ар = -100% . (3.9)

х

Коэффициент вариации:

г = -100% . (3.10)

Далее необходимо определить коэффициенты регрессии. Свободный член уравнения регрессии определяется по формуле:

N

ХсРи

X

к =

и=1

у0

N

(3.11)

где и - номер опыта; ^количество проведенных опытов; усри - среднее

значение отклика в соответствующем опыте.

Коэффициенты регрессии находятся по формуле:

N

X ХикУ с

сРи

К = --, (3.12)

к N '

где хик - значение факторов по столбцам.

После этого, необходимо произвести статистический анализ на предмет значимости каждого из коэффициентов полученного уравнения регрессии:

Среднее значение отклика в определенном опыте были определены по формуле:

X

К У 'и

у». = — , (3.13)

т

где i - номер повторностей; т - количество повторностей; у. - значение

влияния всех значимых факторов в соответствующей повторности.

Среднеквадратическое отклонение отклика у]и от среднего значения

отклика у вычисляется с использованием формулы:

о2(У. ) =

КУи - Ур)2

'=1

т -1

(3.14)

Дисперсия (разброс) у. рассчитывалась по формуле:

. - ури )2

о2( у.) = -1--- . (3.15)

т -1

Дисперсию одного результата для полного эксперимента определяли по формуле:

N т , ч

К -уСри)2 о!( у ) = - "кт -1) • (ЗЛ6)

Средняя дисперсия воспроизводимости для всего проведенного эксперимента среднего значения результата в каждом опыте в т раз меньше дисперсии о(уг).

Произведем расчеты:

N т , ч

о 2 (у ) - Уори )2

о2(уср) = = и== 1)- ■ (3.17)

т N (т - 1)т

Дисперсия коэффициентов уравнения регрессии в N раз меньше средней дисперсии воспроизводимости среднего значения выхода в строке,

так как в расчете каждого коэффициента уравнения регрессии участвуют средние выходы всех N вариантов опытов:

-\Ьк) = . (3.18)

Рассчитаем среднеквадратическое отклонение коэффициентов:

-(К) =

(у""!

уУср> (3.19)

ср

N

Значимость каждого коэффициента производилась независимо по критерию Стьюдента. Определить расчетное значение критерия:

=^ЬЬ1 . (3.20)

После вычисления /-критерия сравниваем его значение с табличным при уровне значимости 0,05 (для технических задачах). Число степеней свободы определяется как:

f = N+1) . (3.21)

В нашем случае:

f = 16-(10+1) = 5 . (3.22)

При значимости 0,05 и числу степеней свободы _/=5 табличное значение критерия Стьюдента составило 1Т =2,571. Коэффициент регрессии признается значимым, если выполняется следующее условие:

гР > гТ . (3.23)

Коэффициенты при независимых переменных свидетельствуют о силе влияния фактора. Чем выше численная величина данного коэффициента, тем, соответственно, наиболее значимое влияние фактора. Если коэффициент с положительным знаком, то с возрастанием значения данного фактора критерий оптимизации будет увеличиваться, с отрицательным -уменьшаться.

При проверке модели на адекватность нужно установить, является ли пригодной полученная модель для последующих расчетов, т.е. полученное уравнение должно адекватно описывать исследуемый процесс.

3.5. Планирование экспериментов первого и второго порядка.

3.5.1. Общие положения планирования экспериментов

Для того чтобы наиболее широко изучить процесс высева семян зерновых культур с применением двухдискового сошника, необходимо воспользоваться системным подходом. Данный подход содержит следующие этапы: планирование эксперимента, разработка математической модели, обработка полученных результатов данного эксперимента с применением программ для ЭВМ.

Планирование эксперимента подразумевает нахождение математической модели исследования, выраженной уравнением регрессии первой или второй степени. Для построения и последующего использования математической модели необходимо следующее:

1) Провести априорное изучение объекта исследования;

2) Определить факторы, которые непосредственно влияют на исследуемый процесс;

3) Выбрать один или несколько критериев оптимизации данного процесса; построить модель;

4) Произвести оценку адекватности полученной модели;

5) Провести анализ данной модели по оптимизации исследуемого процесса, то есть обосновать технологические, кинематические и конструктивные параметры;

6) Обобщить полученные материалы проведенных исследований математической моделью и дать им стат. оценку.

При планировании эксперимента нужно рандомизировать порядок

проведения опытов, то есть проводить опыты последовательно один за

другим и в случайном порядке. Наиболее эффективным методом

86

рандомизации будет являться использование таблиц случайных чисел. Чтобы произвести рандомизацию, необходимо пронумеровать объекты, затем в случайном порядке выбрать столбец из таблицы случайных чисел. Двигаясь вниз вдоль столбца, необходимо выписывать цифры пронумерованных объектов, образуя определенный ряд. Цифры, которые встречаются дважды или более раз опускаются.

При планировании эксперимента требуется решить вопрос о количестве повторностей опыта при выявлении измеряемой величины. Из источника [68] примем доверительную вероятность а=0,95 и допустимую е=±3а, где а - среднеквадратическое отклонение результатов опытов. В пересечении столбца а=0,95 и строки е=±3а получаем из таблицы 4 [68], число измерений равно 4.

В проводимых экспериментах также необходимо учесть ошибки измерения - это разность между полученным результатом измерения и настоящим значением измеряемой величины.

Оценка истинного значения физ. величины можем определить, воспользовавшись следующей формулой:

1

Х = , (3. 24)

где т - число повторностей или число измерений.

Величина случайной ошибки находится по формуле:

* = Л35^ (3-25)

Для того чтобы составить план полного факторного эксперимента нужно определить независимые факторы, воспользовавшись априорным исследованием или предварительно изучить объект исследования.

Независимыми факторами называются переменные величины которые принимают определенное значение в некоторый момент времени и определяют объект исследования и его состояние. Каждый выбранный

87

фактор в опыте может принимать одно или несколько значений (уравнения варьирования фактора). Также факторы бывают количественные и качественные. Количественные факторы возможно измерить и выразить численно, а качественные факторы возможно условно пронумеровать (закодировать). При планировании эксперимента принято условно обозначать нижнюю границу знаком "-1", а верхнюю "+1". Если независимые факторы устанавливают на 2 уровнях, то данный эксперимент обозначают как 2к, где к - это число факторов, а если устанавливаются на 3 уровнях - 3к и т.д. [31, 68]. Взаимодействие факторов - это когда изменение одного фактора сопровождается непропорциональными изменениями результатов эксперимента при изменении уровней другого.

В качестве критерия оптимизации процесса посева зерновых культур был выбран критерий Y1 - среднее расстояние между семенами и У2 -среднеквадратичное отклонение расстояния между зерновками (а), этими двумя критериями определялась равномерность распределения семян для двухдискового сошника.

3.5.2. Методика априорного ранжирования факторов

Процесс распределения семян по площади засеваемой полосы является случайным в вероятностно-статистическом смысле. Особенности распределения семян зависят от разных факторов: изменчивость физико-механических особенностей почвы, микрорельеф поля, колебания рамы посевного агрегата и его рабочего органа по вертикальной, продольно-поперечной плоскостях.

Данный процесс очень сложный и его описание по средствам математики и классической механики невозможно. Наиболее результативным является использование метода математической теории планирования эксперимента [100, 68, 141].

Во время решения многофакторных экстремальных задач необходимо

воспользоваться обоснованным планированием экспериментов. Первый этап:

88

первоначальное изучение данного объекта исследования, второй - создание математической модели, а так же ее интерпретировать. Заключением служит осуществление технической реализации найденных результатов.

При первоначальном изучении объекта исследования решается ряд задач: формулировка цели работы, сбор и обработка априорной информации об выбранном объекте исследования, правильный выбор критерия оптимизации и независимых переменных, формулировка всевозможных ограничений.

Следующая задача - это создание математической модели объекта исследования. На языке математики данная задача будет выражаться в виде необходимости получения некоторого представления о математической модели типа:

у =Ф(хь х2, . . . , Хк), (3.26)

где у - критерий оптимизации; х1у х2, ..., xk - независимые факторы, изменяемые при проведении эксперимента.

Представленная зависимость (3.26) представляет собой некую геометрическую поверхность, называемую поверхностью отклика.

Во время создания математической модели при решении многофакторных экстремальных задач для начала необходимо провести отсеивающие эксперименты, чтобы исключить несущественные факторы и сократить количество последующих исследований. Далее проводится поиск области оптимума.

Математические методы планирования эксперимента позволяют при

поиске области оптимума находить оптимальное число опытов, а также

размещение экспериментальных точек в факторном пространстве на основе

математически обоснованных правил. Даже на начальных этапах работы при

помощи нескольких опытов становится возможным найти правильное

направление, в котором необходимо провести дальнейшие эксперименты,

после чего, идя наикратчайшим путем, отыскать оптимальные условия.

Затем, после нахождения области оптимума, дополнительно ставят

89

небольшое число опытов по плану, что позволяет получить практически полное понимание о поверхности отклика рядом с оптимумом в виде математической модели, воспользовавшись которой представляется возможным выборка оптимальных условий при варьировании независимых переменных (факторов).

При применении математического метода планирования эксперимента функцию отклика (3.24) аппроксимируют полиномом

где во, в, вц, Ра,...- теоретические коэффициенты регрессии.

По окончании эксперимента получаем расчетные коэффициенты регрессии Ь0, Ь^ Ь^, Ьа ... - оценка теоретических коэффициентов. Тогда уравнение (3.27) преобразуется в:

где у - расчетное значение параметра оптимизации.

О степени влияния соответствующих факторов можно судить по величине коэффициентов регрессии, которая свидетельствует о значимости соответствующих эффектов.

Необходимо определить влияние конструктивных и технологических параметров сошника сеялки на равномерное распределение семян. Такими параметрами могут являться: х1- высота установки распределителя семян над семенным ложем; х2 - длина клавиши рассеивателя семян; х3 - скорость движения сошника; х4 - угол наклона рассеивателя относительно вертикальной плоскости; х5 - влажность семенного ложа; х6 - норма высева семян.

Подбор основных параметров и уровней их варьирования является одним из основных этапов проводимого исследования. Для получения необходимой информации необходимо воспользоваться методом априорного

(3.27)

у=Ь0 + ЕЬх++ +

(3.28)

ранжирования факторов, согласно которому факторы ранжируются в порядке убывания вносимого ими влияния. Вносимый каждым фактором вклад расценивается по величине ранга. Ранг - это место, которое отводится специалистом выбранному фактору при проведении ранжирования, учитывающего количественно неизвестное влияние на критерий оптимизации.

В результате проведенного ранжирования составлена матрица рангов. Степень согласованности мнений специалистов определяют коэффициентом конкордации [54]:

тг-т^Ы ■ (3-29)

2

где ^ - квадрат суммы отклонений Дi , т - количество специалистов, k -количество факторов.

Среднее отклонение находят по формуле:

Д1 = , (3.30)

где а^ - ранг каждого ьго фактора у j-го специалиста.

Для вычисления суммы квадратов отклонений воспользовались следующей формулой:

S ^{иСН^ау- Т)2 , (3.31)

где Т - среднее значение сумм рангов по выбранному фактору.

Среднее значение сумм рангов по выбранному фактору определим по формуле:

у^ у™ а..

Т==1 (3.32)

Значимость коэффициента конкордации проверяем по критерию

Пирсона х2:

- т(к-1)Ж —-----(3.33)

— тк (к — 1) 12

Расчетное число критерия Пирсона соотносим с табличным при соответствующем количестве средней свободы [68]. Если соблюдается

О О

неравенство х расч > х табл , а коэффициент конкордации значимо отличен от нуля и стремится к 1, то можно мнения специалистов принять как согласованные.

Далее необходимо построить диаграмму рангов факторов, которая показывает значимость выбранных факторов. Если диаграмма показывает неравномерное убывание, то для последующего рассмотрения выбираем часть «главных факторов», а оставшиеся факторы исключаем; если убывание монотонное - включаем как можно большее число факторов. При неравномерном экспоненциальном убывании часть факторов можно исключить для последующего рассмотрения и отнести их к понятию шумового поля. Если замечено неравномерное распределение или, наоборот, равномерное, то тогда в эксперимент включают все факторы.

После анализа полученных данных факторы, которые определяются как малозначащие, отсеиваются и приступают к построению описания поверхности отклика.

3.5.3. Планирование эксперимента второго порядка

Целью данного исследования являлось определение области равномерного распределения семян по площади семенного ложа при движении установки с экспериментальным двухдисковым сошником.

Экспериментальные исследования рассеивателя семян двухдискового сошника для полосового способа посева проводились с 2015 по 2017 г. в почвенном канале на кафедре «Механизация сельскохозяйственных процессов» ФГБОУ ВО БГСХА им. В.Р. Филиппова г. Улан-Удэ Республика Бурятия.

При составлении плана эксперимента было использованы 3 фактора, выявленные по результатам психологического исследования (априорного

ранжирования). Матрица планирования полного факторного эксперимента типа 2к приведена в таблице 3.1. Число различных комбинаций, состоящих из 3 факторов на 2 уровнях, равно N=^=2^8. Для составления расширенной матрицы планирования с несуществующей переменной вводим столбец с фиктивной переменной Хо= 1, либо "+".

Таблица 3.1. - Расширенная матрица планирования полного факторного эксперимента 2

№ опыта Факторы в натуральном масштабе Факторы в безразмерной системе координат Выход

Z2 Zз Х0 Х1 Х2 Х3 У

1 0,04 0,07 1,9 + - - - У1

2 0,06 0,07 1,9 + + - - У2

3 0,04 0,11 1,9 + - + - У3

4 0,06 0,11 1,9 + + + - У4

5 0,04 0,07 2,9 + - - + У5

6 0,06 0,07 2,9 + + - + У6

7 0,04 0,11 2,9 + - + + У7

8 0,06 0,11 2,9 + + + + У8

Факторы, участвующие в эксперименте, кодировали с учетом их варьирования на двух уровнях [68, 134, 62]:

, (3.34)

где хi - закодированные значения факторов, верхний "+", нижний "-"; Zi -натуральные значения факторов; Z0i - натуральные значения факторов на "0".

Натуральные значения интервалов варьирования выбранного фактора определим как:

£ = , (3.35)

где - X* хВ - значение фактора на верхнем уровне; X" - значение фактора на нижнем уровне.

Уравнение регрессии примет вид:

у = Ь0 + Ь^х^ + Ь2 х2 + Ь3 х3 + Ь12х!х2 + Ь13х1х3 + Ь23 х2х3 + Ь123 х± х2 х3 (3.36)

Любой из коэффициентов уравнения регрессии Ь находится скалярным произведением столбца у на соответствующий столбец Х], отнесенным к числу опытов в матрице планирования (таблица 3.1):

= ^^ (3.36)

= (3.37)

ЬИе = (3.38)

Чтобы проверить значимость всех коэффициентов регрессии, надлежит провести ряд вспомогательных параллельных опытов для нахождения дисперсии воспроизводимости. Тогда матрица планирования будет выглядеть следующим образом (таблица 3.2.).

Таблица 3.2. - Расширенная матрица планирования полного факторного эксперимента 2 с параллельными опытами

№ опыт а Матрица планирования эксперимента Выходной параметр

Хо Х] Х2 Х3 Х1 Х2 Х1 Х3 Х2 Х3 Х1 Х2 Х3 У(и,1) У(и,2) У(и,3)

1 + - - - + + + - У1 У1 У1

2 + + - - - - + + У2 У2 У2

3 + - + - - + - + У3 У3 У3

4 + + + - + - - - У4 У4 У4

5 + - - + + - - + У5 У5 У5

6 + + - + - + - - У6 У6 У6

7 + - + + - - + - У7 У7 У7

8 + + + + + + + + У8 У8 У8

Все коэффициенты уравнений определяются с одинаковой

точностью:

2

р

, (3.39)

где SвоCпp - дисперсия воспроизводимости; N количество опытов. Дисперсия воспроизводимости определяется как:

94

с 2 — ^гСУи У ) (3 40)

NN-1 ' ^^

где NN число параллельных опытов; у0 - среднее значение у, полученное при проведении дополнительных опытов; - значения, которые получены при проведении каждого из параллельных опытов. Расчетное значение критерия Стьюдента:

и = ^ (3.41)

Значение критерия Стьюдента сравниваем с его табличным значением при соответствующем уровне значимости. В случае, если расчетное значение доверительного интервала меньше его табличного, тогда выбранные коэффициенты при использовании модели можно исключить из уравнения регрессии.

Далее существует необходимость проверки адекватности принятого уравнения регрессии, воспользовавшись критерием Фишера:

^Ф = , (3.42)

^воспр

Остаточная дисперсия 5ост находится с помощью формулы:

^^'Т^2 , (3.43)

в которой L - количество значимых коэффициентов.

Полученное расчетное значение критерия Фишера сравнивают с его табличным значением для соответствующего уровня значимости. Если расчетное значение критерия будет меньше табличного, то принятое уравнение регрессии соответствующе описывает данный эксперимент. А если расчетное значение больше табличного, то принятое линейное уравнение считается неадекватным.

Если гипотеза адекватности отвергается, то необходимо проводить эксперимент с меньшим шагом варьирования или переходить к более сложной форме уравнения регрессии.

Так как с уменьшением шага варьирования коэффициенты могут стать статически незначимыми, то тогда необходимо перейти к планированию второго порядка.

Тогда описание математической модели примет вид уравнения регрессии второго порядка:

у = Ь0 + Ь1х1 + Ь2х2 + Ь3х3 + Ь12х1х2 + Ь13х1х3 + Ь23х2х3 - + Ь22х|+Ь33Х2 (3.44)

В таблице 3.3 представлена матрица ортогонального планирования эксперимента.

Таблица 3.3- Ортогональное планирование эксперимента п=3

Номер Матрица планирования Натуральные значения

опыта (и) переменных

Х1 Х2 Х3 2ь м. м. 23, м/с

1 -1 -1 -1 0,04 0,07 1,9

2 +1 -1 -1 0,06 0,07 1,9

3 -1 + 1 -1 0,04 0,11 1,9

4 -1 -1 +1 0,04 0,07 2,9

5 -1 0,19 0,19 0,04 0,0938 2,495

6 0,19 -1 0,19 0,0519 0,07 2,495

7 0,19 0,19 -1 0,0519 0,0938 1,9

8 -0,29 +1 +1 0,0471 0,11 2,9

9 +1 -0,29 +1 0,06 0,0842 2,9

10 +1 +1 -0,29 0,06 0,11 2,255

Коэффициенты регрессии уравнения второго порядка Ь0, Ь1, ... Ьп, Ь12 Ь определяем независимо друг от друга по следующей формуле [68]:

N _

^Х V

ги ^ и

ьг = ^- , (3.45)

^х. 2

ги

где г - номер столбца по порядку в построенной матрице эксперимента (г = 0,1..., п).

Определим дисперсию коэффициентов регрессии по формуле:

уЫ гг

А дисперсию Ь0 определим по следующей формуле: '2 _ С2

Зъ^^г . (3.46)

= 5{ь0} + ТО25^} + - + (3.47)

Затем проводится проверка на значимость полученных коэффициентов уравнения по критерию Стьюдента с помощью уравнения (3.41).

После этого необходимо проверить уравнения регрессии на адекватность по критерию Фишера, воспользовавшись формулой (3.42). Если расчетное значение критерия будет меньше табличного, то принятое уравнение регрессии соответствующе описывает данный эксперимент.

Реализация плана эксперимента проводилась в программе STATISTICA

-6.0.

3.6. Методика полевых испытаний

Полевой агротехнический опыт проводился на полях КФХ «Измайлово» с. Харашибирь Мухоршибирского района Республики Бурятия при посеве пшеницы сорта Бурятская 79, с тремя повторностями опыта на территории и тремя повторностями по времени.

Основной целью при планировании полевого опыта являлось сопоставление качества посевов экспериментальной посевной машины с существующей зерновой сеялкой СЗУ-3,6 (рисунок 3.9).

и =1

Рисунок 3.9. Сеялка зерновая "СЗУ-3,6"

На рисунке 3.10 показан модернизированный узкорядный двухдисковый сошник сеялки с экспериментальным рассеивателем для полосового посева.

Рисунок 3.10. Сошник с экспериментальным рассеивателем для полосового посева

Технологический процесс посева был проведен по методикам полевых испытаний зерновых сеялок (ОСТ 105.1-2000, ОСТ 10.5.1 - 2000 и ОСТ 70.5.1 - 83), а также полевых опытов на урожайность [13, 31, 68, 80, 81, 82].

При проведении полевых экспериментальных исследований были определены следующие показатели работы экспериментального посевного агрегата:

1. Определение равномерности распределения семян по площади;

98

3.6.1. Методика определения динамики всхожести растений

Для наблюдения за полевой всхожестью в начальные дни появления

первых всходов на поле с помощью специальных колышек размечались стационарные участки длиной не более 0,5 м и шириной 1 м, чтобы на разных выбранных вариантах находилось по три делянки. Количество появившихся ростков подсчитывали с того момента, как появлялись всходы. На протяжении 2...3 дней число всходов на одной делянке было постоянным или увеличивалось максимум на одно или два растения. Затем все собранные данные проведенных подсчётов записывались в специальный журнал по полевым наблюдениям и производились построения графиков, которые отображали полевую всхожесть растений в динамике.

3.6.2. Методика определения урожайности

Так как размер делянок не позволяет использовать на уборке комбайн, было применено скашивание растений вручную (серпами). После скашивания хлеб связывался, пересчитывалось количество снопов и записывалось в полевой журнал по каждой из трех делянок отдельно. К снопам каждой делянки шпагатом прикреплялись деревянные этикетки, на которых указывался опыт, номер делянки и число снопов на данной делянке. После просушки снопы обмолачивались на небольшой молотилке простой конструкции, и производилось взвешивание урожая.

После проведения обмолота определялись количественные и качественные показатели урожайности по существующей методике (ГОСТ 13586.3-83) и полевых опытов на урожайность [13,31,68,80,81,82]. Определение влажности осуществлялось путем высушивания навески (ГОСТ 3040-55), а определение чистоты - ручной разборкой по стандарту (ГОСТ 12037-66).

Урожай пересчитывался на 14% влажность и 100% чистоту по следующему уравнению:

X =

Г(ЮО-В)(ЮО-С) (ЮО-В^ЮО '

(3.34)

где Х - урожай при четырнадцати процентной влажности, ц/га; У -урожайность без учета влажности, ц/га; В1 - нормальная влажность, %; В -влажность семян при проведении взвешивания, %; С - содержание вредных примесей, %.

При дисперсионной обработке данных опытов находилась наименьшая существенная разность (НСР) в соответствии с ^критерием, уровнем значимости и ошибок опытов [31]:

где ^ - табличное значение критерия Стьюдента; 1 - уровень значимости; Sd -ошибка разности между выборочными средними.

3.6.3. Метод определения равномерного распределения растений по площади

Для определения равномерности распределения растений в полевых опытах применялись стандартные методики [13, 14, 23, 31, 81, 82, 83].

Обработка полученных результатов методом математического анализа заключалась в определении среднего числа зерен в квадратах, их среднеквадратического отклонения, а также коэффициента вариации, характеризующих равномерность распределения зерновки. Затем находилось количество квадратов с различным числом растений в процентах от общего числа всех квадратов. После чего по количеству случаев в процентном соотношении с разным количеством зерновки строились графики, которые показывали распределение по ширине захвата рабочего органа и по ходу его движения [13, 14, 31, 66].

Проведение опытов осуществлялось с применением семян пшеницы по ГОСТу на испытания зерновых сеялок [23, 31, 83]. Для определения равномерного распределения зерновки производилось наложение квадратной рамки, имеющей размеры 25x25 см, содержащей квадраты 50х50 мм. На участке протяженностью 3 м данная рамка накладывалась пять раз по ходу

НСР1 = Ъ * Sd ,

(3.35)

движения сеялки. Подсчет количества семян проводился в каждом квадрате рамки. Ряды клеток, расположенные вертикально, соответствовали распределению зерновки по ходу движения сошника, а горизонтальные соответствовали ширине захвата рабочего органа. Во время проведения опытов подсчитывалось количество семян в каждой клетке сетки.

После получения экспериментальных данных они обрабатывались при помощи методов мат. статистики, с выявлением математического ожидания, коэффициента вариации, а также дисперсии.

Равномерное распределение растений по площади находилось по всходам, после того как они полностью появились. Равномерность оценивалась тоже с применением рамки, которая разбивалась на равные квадраты (5x5 см), считая количество квадратов с растениями (1, 2, 3 ... п). Для получения более достоверных данных замеры производились не менее 3 раз.

По данной программе и приведенным методикам выполнения экспериментальных исследований были определены ключевые параметры и режимы функционирования двухдискового сошника для полосового способа посева зерновых культур.

Выводы по главе

1. Для определения качественных показателей посева семян по площади была разработана методика проведения лабораторных и полевых испытаний.

2. Для определения основных параметров рассеивателя семян описана методика однофакторных и полных факторных экспериментов, экспериментов по нахождению скоростных коэффициентов.

Глава 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований

4.1. Результаты измерений физико-механических параметров семян сельскохозяйственных культур

Для проведения экспериментов была выбрана пшеница сорта Бурятская 79. Данный сорт является более приспособленным к природно-климатическим условиям Республики Бурятия, дает более высокие урожаи и широко используется в данном регионе.

Для измерения основных физико-механических свойств данной зерновой культуры были проведены исследования (100 измерений), результаты которых приведены в таблице (4.1).

Таблица 4.1 - Физико-механические параметры семян, полученных в результате исследований

Показатели Пшеница

Чистота, % 99,2

Всхожесть, % 95

Масса 1 тыс. семян, г 45,1

Средний размер семян, мм:

Длина 6,7

Ширина 3,6

Высота 3,1

Среднеквадратичное отклонение, мм:

Длина 0,5

Ширина 0,2

Высота 0,3

Коэффициент вариации, %

Длина 14,9

Ширина 8,9

Высота 9,1

Эквивалентный диаметр, мм 4,4

На основании полученных данных для более наглядного понимания распределения семян двух зерновых культур по физико-механическим свойствам имеет смысл построить графики (рисунок 4.1 и Рисунок 4.2).

■

О 5 6 7 8 9 <!,ММ

Рисунок 4.1. Распределения семян пшеницы по длине

%

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

0 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 4,2 4,6 а,Ь,мм

Рисунок 4.2. Распределения семян пшеницы по толщине и ширине

Представленные кривые вариаций распределения параметров размера зерновки показывают, что размеры семян подвержены незначительной изменчивости.

4.2. Обоснование материала рассеивателя и результаты нахождения скоростных коэффициентов

Для обоснования выбора материала рассеивателя сошника были

проведены теоретические исследования по нахождению зависимости послеударной скорости полета зерновки от модуля упругости материала, воспользовавшись формулами (2.19-2.28). Результаты полученных расчетов представлены на рисунке (4.3).

Для подтверждения расчетных данных был проведен однофакторный эксперимент зависимости послеударной скорости полета зерновки от модуля

20 1 8 1 6 1 4 1 2 1 О 8 6 4 2

упругости материала. Данные экспериментов представлены на следующем рисунке (4.3).

V., м/с 1

0,8 0,6

¡ОМЛ огггнмуиа

Щш ////X///// 1

Расчетные денные

Ф Экспериментальные данные

у = 0,017х> - 0.082* + 0.767 й1 = 0,96

-Полиномиальная

( Эьсгчри*«мт1л»«р«данмв1« )

Е'10 ,мгц

01 1 10 100 1000

Рисунок 4.3 Зависимость послеударной скорости полета зерновки от модуля упругости материала

Из графика видно, что область оптимального значения модуля упругости находится в пределах от 0,1 до 10 МПа. Достоверность полученных данных подтверждается коэффициентом детерминации ^2=0,96).

Для последующих экспериментов на основании теоретических исследований было выбрано два материала с модулем упругости соответствующих выбранной области и материал прототипа, которые представлены в следующей таблице (4.2).

Таблица 4.2 - Основные параметры исследуемого материала

№ Материал Ь, м. ^ м. Е- 105, МПа. 1, м.

1 Алюминиево-марганцевый сплав 3004 (ГОСТ 4784-97) 3*10-4 0,01 0,7 0,1

2 Полиэтилентерефталат (ГОСТ 32686-2014) 3*10-4 0,01 1,1 0,1

3 Листовая сталь (ГОСТ Р 522042004) 3*10-4 0,01 21 0,1

Для вычисления коэффициента восстановления после удара Кв были проведены эксперименты с различными видами материала рассеивателя и сортов семян, согласно вышеизложенной методике (приложение 7).

Результаты среднего значения коэффициента восстановления Кв показаны в таблице (4.3).

Таблица 4.3 - Значение коэффициента восстановления в зависимости от зерновой культуры и материала рассеивателя

№ Материал рассеивателя Среднее значение Кв

1. Алюминиево-марганцевый сплав 3004 (ГОСТ 4784-97) 0,34

2. Полиэтилентерефталат (ГОСТ 32686-2014) 0,36

3. Листовая сталь (ГОСТ Р 52204-2004) 0,54

Из таблицы видно, что наименьшее значение коэффициента восстановления Кв получилось при использовании алюминиево-марганцевого сплава.

По вышеизложенной методике были проведены эксперименты по определению статической деформации и динамического перемещения клавиши рассеивателя (приложение 8). При проведении экспериментов параметры рассеивателя семян имели средние значения, но одинаковые для всех видов материалов. Данные экспериментов представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Экспериментальные значения коэффициентов

№ бе, М бД , М Кв Кбд VI, м/е

1 -3 3,1*10 -3 16,1*10 0,34 0,51 0,65

2 -3 2,8*10 -3 14,5*10 0,36 0,68 0,90

3 -3 0,1*10 -3 1,2*10 0,54 0,83 1,65

Результаты расчетных значений представлены в таблице (4.5). Таблица 4.5 - Расчетные значения основных показателей и коэффициентов

№ V,, , м/е. бе, М бд , м А, Дж То , Дж Кбд V!, м/е

1 3,7 3,14*10-3 15,96*10-3 6,36 *10-5 2,74*10-4 0,5143 0,652

2 3,7 2,89*10-3 14,28*10-3 4,21 *10-5 2,74*10-4 0,674 0,874

3 3,7 0,14*10-3 1,16*10-3 0,81 *10-5 2,74*10-4 0,821 1,58

Данные, полученные в ходе экспериментов, имеют незначительные отклонения от расчетных в пределах погрешности. Наиболее подходящим материалом является алюминиево-марганцевый сплава 3004, который имеет модуль упругости Е = 0,7- 105 МПа и обеспечивает снижение скорости до 0,65 м/с. С учетом этого экспериментальные рассеиватели семян были выполнены именно из этого сплава.

Для проверки взаимодействия рассеивателя с потоком зерна была произведена высокоскоростная съемка (рисунок 4.4) (приложение 7, 8).

а б

Рисунок 4.4. Траектория движения, полученная путем высокоскоростной видеосъемки: а. Траектория движения единичной зерновки; б. Траектория движения потока семян

Высокоскоростная съемка показала, что движение потока семян мало чем отличается от движения отдельной зерновки и может быть описано с допустимой погрешностью тем же уравнением.

4.3. Результаты формирования полосы высева семян

После того как были проведены теоретические исследования и

выполнены расчеты для опытного доказательства оптимальных параметров распределителя при использовании полосового способа высева, были изготовлены экспериментальные образцы. На рисунке (4.5) представлены основные размеры и общий вид изготовленных рассеивателей модифицированного двухдискового сошника для полосового посева зерновых культур.

Рисунок 4.5. Общий вид и условные обозначения размеров исследуемых рассеивателей семян, где 1 - длина клавиши рассеивателя, м; а - ширина клавиши рассеивателя, м; h - толщина клавиши рассеивателя, м; а - угол наклона клавиши рассеивателя, рад.

Из таблицы (4.5) видно, что наиболее подходящим материалом является алюминиево-марганцевый сплав 3004, который имеет модуль упругости Е = 7*105 Па. С учетом этого экспериментальные рассеиватели для формирования полосы высева семян были выполнены именно из этого сплава. В следующей таблице (4.6) представлены основные параметры изготовленных клавишных рассеивателей дискового сошника для полосового способа посева.

Таблица 4.6 - Основные показатели исследуемых рассеивателей

Рассеиватель семян 1, м а, м ^ м а, рад

Экспериментальный 1 0,07 0,015 3*10-4 0,8

Экспериментальный 2 0,09 0,014 3*10-4 0,8

Экспериментальный 3 0,11 0,017 3*10-4 0,8

Экспериментальный 4 0,07 0,018 3*10-4 0,8

После проведения исследований с экспериментальными сошниками на лабораторной установке были получены результаты, которые представлены в сравнении с серийными в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Основные показатели качества работы двухдисковых сошников с нормой высева семян пшеницы 5 млн шт на га

Показатели Сошники

серийный экспериментальный

Скорость агрегата, м/с. 1,9

Равномерность распределения семян по площади питания

Количество семян в ячейках (5х5 см), шт: Количество семян в ячейках, %

0 48 11

1 21 66

2 20 15

3 6 5