Оптимизация конструктивных параметров машины для измельчения и внесения в почву твердых органических удобрений

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.333.6

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАШИНЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ВНЕСЕНИЯ В ПОЧВУ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ

OPTIMIZATION OF THE CONSTRUCTIVE PARAMETERS OF THE MACHINE FOR MILLING AND SOLID ORGANIC FERTILIZERS APPLYING TO SOIL

И.Б. Сычев, аспирант В.Г. Абезин, доктор технических наук, профессор В.А. Моторин, кандидат технических наук, доцент

I.B. Sythev, V.G. Abezin, V.A. Motorin

Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University

Повышение плодородия почв требует высококачественной подготовки и своевременного внесения обоснованных доз органических удобрений. Технология приготовления и внесения органических удобрений должна быть направлена на повышение энергоэффективности и экономической обоснованности их применения в сельскохозяйственном производстве. Требуемое качество внесения обеспечивается необходимой подготовкой органических удобрений, совершенствованием функциональной схемы машины, выбранным режимом работы, что позволяет получать равномерное распределение удобрений по ширине поля. Результативность применения органических удобрений оценивается приращением урожая, его качеством, затратами труда и средств. Эффективность зависит от количества удобрений, вносимых в оптимальные агротехнические сроки и качества их подготовки. Неравномерное распределение удобрений снижает технологические и биологические свойства урожая, допускает накопление нитратов в сельскохозяйственных культурах, приводит к загрязнению окружающей среды. Машины для внесения в почву твёрдых органических удобрений (ТОУ) должны обеспечивать измельчение удобрений и их внесение с требуемым качеством и минимальными затратами труда и средств. Одной из ключевых задач при подготовке почвы является качественное измельчение удобрений, и их равномерное распределение по полю. Известные технологии и комплексы машин для приготовления и внесения удобрений не обеспечивают их качественную подготовку. На качество распределения удобрений при механизированном разбрасывании влияют следующие факторы: физико-механические свойства удобрений, их вид, типы измельчающих, дозирующих и распределяющих рабочих органов машин, рельеф обрабатываемого поля, рабочая ширина захвата агрегата, способ обработки поля, квалификация механизаторов, метеорологические условия и др.

Increasing the fertility of soils requires high-quality preparation and the timely introduction of reasonable doses of organic fertilizers. The technology of preparation and application of organic fertilizers should be aimed at increasing the energy efficiency and economic feasibility of their application in agricultural production. The required quality of application is provided by the necessary preparation of organic fertilizers, improvement of the functional scheme of the machine, the chosen operating mode, which allows to obtain an even distribution of fertilizers over the width of the field. The effectiveness of the application of organic fertilizers is estimated by the increment of the crop, its quality, labor and resources. Efficiency depends on the amount of fertilizers introduced in the optimal agro-technical terms and the quality of their preparation.Uneven distribution of fertilizers reduces the technological and biological properties of the crop, allows the accumulation of nitrates in agricultural crops, leads to environmental pollution. Machines for applying solid organic fertilizers (TU) to the soil should provide grinding of fertilizers and their introduction with the required quality and minimum labor and funds. One of the key tasks in soil preparation is the qualitative grinding of fertilizers, and

1

their uniform distribution over the field. Known technologies and complexes of machines for the preparation and application of fertilizers do not provide for their qualitative preparation. The following factors influence the quality of distribution of fertilizers in mechanized spreading: the physical and mechanical properties of fertilizers, their appearance, the types of grinding, dispensing and distributing machine working parts, the relief of the treated field, the working width of the aggregate, the field treatment method, the qualifications of machine operators, meteorological conditions, etc.

Ключевые слова: твердые органические удобрения, измельчающий барабан, шнек, центробежный разбрасыватель, оптимизация, измельчающий нож.

Key words: solid organic fertilizers, grinding drum, auger, centrifugal spreader, optimization, grinding knife.

Введение. В практике нашей страны и ряда зарубежных стран (Германия, Нидерланды, Чехия, Словакия и другие страны Западной Европы, а также Азии и Америки), остается значимым повышение плодородия почв путем внесения органических удобрений [12].

Анализ литературных источников, патентные исследования, а также результаты испытаний существующих машин для работы с ТОУ показали, что существующие машины не отвечают агротехническим требованиям по качеству измельчения удобрений и равномерности их распределения по поверхности поля [7, 4, 11].

Лабораторией механизации бахчеводства и овощеводства разработана конструкция машины для внесения в почву ТОУ, которая способна выполнить существующие агротехнические требования.

Материалы и методы. Существующая технология внесения ТОУ включает их измельчение и равномерное разбрасывание по поверхности поля, а затем заделку плугами в пахотный слой почвы [6].

Одним из важнейших требований к машинам для измельчения и внесения ТОУ является равномерное распределение ими удобрений по поверхности поля. Для этого необходимо измельчать удобрения до мелкокомковатой структуры, с размером частиц не более 50 мм [5].

Таким требованиям отвечает разработанная нами конструкция машины для измельчения и внесения в почву твердых органических удобрений.

К примеру, применение навоза при возделывании тыквы в дозе 30 т/га обеспечивает прибавку урожая тыквы сорта крупноплодная - 37,5 т/га, Волжская серая 92 -35,8 т/га, при возделывании картофеля применение навоза в дозе 20 т/га обеспечивает прибавку урожая 5,48 т/га.

Результаты и обсуждение. Машина содержит бункер 1, с подающим горизонтальным транспортером 2, над которым со стороны выхода установлен измельчающий барабан 3. Барабан 3 снабжен измельчающими ножами 4, которые представляют собой пластины, закрепленные на витках измельчающего барабана 3 при помощи болтов под углом 40-450 и расстоянием в горизонтальной плоскости 5 см. Измельчающий барабан 3 выполнен в виде однозаходного шнека с навивкой к центру, имеет три яруса с расстоянием между ними, обеспечивающим свободное вращение в горизонтальной плоскости и имеет привод от ВОМ трактора. Перед измельчающим барабаном 3 установлен подвижный борт 5 для предотвращения потерь ТОУ, приводимый в движение гидроцилиндром 6. За измельчающим барабаном 3 смонтирована ограничительная заслонка 7, приводимая в движение гидроцилиндром 8. Под измельчающим барабаном 3 установлены центробежные разбрасыватели 9.

Машина для измельчения и внесения ТОУ (рисунок 1) работает следующим образом: перед началом работы бункер 1 заполняется удобрениями. При движении машины по полю подающий горизонтальный транспортер 2 перемещает удобрения из бункера 1 к измельчающим барабанам 3. Ножи 4 и навивка к центру обеспечивают измель-

чение и перемешивание органических удобрений. Измельченная масса удобрений, перемещаясь за барабаны, упирается в ограничительную заслонку 7. Под собственным весом удобрения просыпаются в нижнюю часть заслонки 7, дополнительно измельчаясь и перемешиваясь. В результате образуется однородная мелкоизмельченная масса органических удобрений, которая поступает на центробежные разбрасыватели 9 и равномерно распределяется по поверхности поля.

Перед измельчающим барабаном 3 установлен подвижный борт 5, препятствующий попаданию массы ТОУ на измельчающие барабаны при погрузке и транспортировке.

При планировании эксперимента были выделены четыре основных фактора [1, 2, 10], влияющих на качество измельчения массы ТОУ (таблица 1).

Таблица 1 - Факторы, их уровни и интервалы варьирования

Факторы Уровни фактора Интервал варьирования, е

0 -1 +1

х1 - угол наклона винтовой линии измельчающего барабана, град. 35 20 50 15

х2 - угол заточки измельчающего ножа, град. 20 10 30 10

х3 - скорость вращения измельчающего барабана, мин- 20 15 25 5

х4 - скорость подачи массы, м/с 0,08 0,01 0,15 0,07

5

б)

ИЗВЕСТИЯ ***** № 3 (47) 2017

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

в)

Рисунок 1 - Технологическая схема узлов машины для измельчения и внесения ТОУ: а - машина для измельчения и внесения ТОУ, б - измельчающий барабан, в - измельчающий нож

В виде итоговых значений в момент лабораторно-полевых испытаний было принято: совпадение с заданной величиной измельчения ДИ, выраженное в процентах.

В соответствии с установленной методикой, для изучения области оптимума был выполнен план Рехтшафнера.

На основе полученных экспериментальных данных по программе [3] вычислены коэффициенты В0, В^ Ву и В^ уравнения регрессии:

У = Во + X В,х, + X В1]х1х] + X ВЛ2 .

Уровень значимости коэффициентов уравнения (1) оценивался по критерию Стьюдента. Малозначимые коэффициенты удалялись, и производились повторные вычисления коэффициентов регрессионной модели [8]. В ходе расчетов получено следующее уравнение регрессии в кодированном виде:

У = 82,8 - 0,04х - 4,54х2 + 0,08х3 -1,42х4 - 0,48^ + 0,29хх - 0,08хх -

-0,38х2х3 -0,06х2х4 + 0,29х3х4 - 6,65х2 - 6,16х22 - 5,69х32 -3,29х42 .

Соответствие полученных математических моделей оценивалось по критерию Фишера [9]:

V2

где 82 (у) = [ X X [у;ч - У; ]2)/^(п - 1) - бесконечное число ошибки опыта;

1 1

N 2 // \

= п Х( У; - У ) (N -[к +1]) - бесконечное число неадекватности модели; yi - случайная величина, определенная по математической зависимости; yi - среднеарифметическое значение случайной величины; ущ - значение >той величины в д-том опыте; п - количество проведенных опытов; N - численное значение строк матрицы плана; к - количество факторов.

При проведении исследования качества измельчения Б = 0,5241. Во всех приведенных случаях Б005 (здесь Б0,05 = 2,1646 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости, соответствующем 5 % [8, 9]). Таким образом, математические модели схожи с результатом проведенного эксперимента.

С помощью программы [3] были выявлены следующие оптимальные значения факторов (таблица 2).

Примечание: в числителе - в зашифрованном формате, в знаменателе - в расшифрованном формате.

Для рассмотрения и упорядоченности полученную математическую модель второго порядка привели к стандартной канонической форме вида:

Таблица 2 - Оптимальные значения факторов

Фактор Оптимальные значения факторов

х1 - угол наклона винтовой линии измельчающего барабана, град. 0,01 35,15

х2 - угол заточки измельчающего ножа, град. - 0,37 16,3

х3 - скорость вращения измельчающего барабана, мин-1 0 20

х4 - скорость подачи массы, м/с - 0,21 0,065

7 - 7 = В11Х1 + В22Х2 + + ВккХк ,

где У - значение критерия оптимизации; У8 - значение критерия оптимизации в оптимальной точке; Хь Х2, ..., Хк - новые оси координат, повернутые относительно старых хь х2, ..., хк; В1Ь В22, ., Вкк - коэффициенты регрессии в канонической форме.

В ходе расчетов, проведенных на электронно-вычислительной машине, выделены коэффициенты регрессии в канонической форме Вц, В22, В33, В44 и определяющие критерии оптимизации в оптимальной точке У8.

Уравнения регрессии (2), представленные в канонической форме, имеют следующий вид:

Уу - 83,7 = -6,77Х2 - 6,08Х22 - 5,66Х32 - 3,27Х42.

Исходя из того, что все коэффициенты при квадратных членах имеют отрицательные значения, то поверхности откликов, обусловленные уравнением (2), представляют четырехмерные параболоиды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов.

При анализе двумерного сечения поверхностей отклика, согласно уравнению регрессии (2), относительно (х) и (х2), факторы (х3) и (х4) ставились на оптимальные значения х3 = 0 х4 = - 0,21.

а)

б)

в)

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 3 (47), 2017

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

г) д) е)

Рисунок 2 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов: а) х и х 2 при х3 = 0 х4 = -0,21; б) х и х3 при х2 = - 0,37 и х4 = - 0,21; в) х и х4 при х2 = - 0,37 и х3 =0; г) х2 и х3 при х1 = 0,01 и х4 = - 0,21; д) х2 и х4 при х1 = 0,01 и х3 = 0; е)х3 и х4 при х1 = 0,01 и х2 = - 0,37; на отклонение от заданной величины измельчения ДИ

Полученные результаты расчетов графически представлены на рисунке 2а.

Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1 = -0,1...0,1 и х = - 0,5...- 0,3.

При анализе двумерного сечения поверхностей отклика, согласно уравнению регрессии (2), относительно (х) и (х3), факторы (х2) и (х4) ставились на оптимальные значения х2 = - 0,37 и х4 = - 0,21.

Полученные результаты расчетов графически представлены на рисунке 2б.

Следовательно, могут быть применены такие оптимальные значения факторов, как: х = - 0,1.0,1 и хз = - 0,1.0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика, согласно уравнению регрессии (2), (х ) и (х4), факторы (х2) и х3) ставились на оптимальные значения х2 = - 0,37и х3 = 0.

Полученные результаты расчетов графически представлены на рисунке 2в.

Следовательно, могут быть применены такие оптимальные значения факторов, как: х = - 0,1.0,1 и х4 = - 0,3.- 0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика, согласно уравнению регрессии (2), относительно (х2) и (х3), факторы (х1) и (х4) ставились на оптимальные значения х1 = 0,01 и х4 = - 0,21.

Полученные результаты расчетов графически представлены на рисунке 2г.

Следовательно, могут быть применены такие оптимальные значения факторов, как: х = - 0,5.- 0,3 и х3 = - 0,1.0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика согласно уравнению регрессии (2), относительно (х2) и (х4), факторы (х1) и (х3) ставились на оптимальные значения х1 = 0 их3 = 0.

Полученные результаты расчетов графически представлены на рисунке 2д.

Следовательно, могут быть применены такие оптимальные значения факторов, как: х2 = - 0,5.- 0,3 и х4 = - 0,3.- 0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика, согласно уравнению регрессии (2), относительно (х3) и (х4), факторы (х1) и (х2) ставились на оптимальные значениях1 = 0,01 и х2 = - 0,37.

Полученные результаты расчетов графически представлены на рисунке 2е.

Следовательно, могут быть применены такие оптимальные значения факторов, как: хз = - 0,1...0,1 и х4 = - 0,3...- 0,1.

Заключение. Анализ приведенных двумерных сечений показал: чтобы совпадение с заданной величиной измельчения ДИ было максимальным, могут быть рекомендованы следующие интервалы значения факторов: xi = - 0,1.0,1; х2 = - 0,5.- 0,3; х3 = - 0,1.0,1 и х4 = - 0,3.- 0,1. При этом совпадение с заданной величиной измельчения ДИ составит 83,5 %.

Разработанная конструкция отвечает данным параметрам и имеет рациональную схему измельчающего аппарата, минимальный расход энергии на резание, равномерную нагрузку на вал машины, качественное перемешивание всей массы ТОУ.

Библиографический список

1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст]/ Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - Изд-е второе, перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. - С. 47-56.

2. Веденяпин, Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных [Текст] / Г.В. Веденяпин. - М.: Колос, 1973. - С. 7-11.

3. Дегтярев, Ю.П. Регрессионный анализ на ПЭВМ [Текст] / Ю.П. Дегтярев, А.И. Филатов // Труды Волгоградского СХИ. - Волгоград, 1992. - С. 128-131.

4. Гаврилов, А.М. Почвоведение [Текст] / А.М. Гаврилов. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2007. - С. 92-99.

5. ГОСТ Р 53117-2008. Удобрения органические на основе отходов животноводства. Технические условия [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2009. - С. 3-5.

6. Лукьяненков, И.И. Приготовление и использование органических удобрений [Текст] /И.И. Лукьяненков. - М.: Россельхозиздат, 1982. - С. 9-16.

7. Марченко, Н.М. Механизация внесения органических удобрений [Текст] / Н.М. Марченко, Г.И. Личман, А.Е. Шебалкин. - М.: ВО «Агропромиздат», 1990. - С. 5-15.

8. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях с.-х. процессов [Текст] / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - М.: Колос, 1972. - C. 58-61.

9. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях с.-х. процессов [Текст] / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Л.: Колос, 1980. - C. 111-136.

10. Румшанский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство [Текст] / Л.З. Румшанский. - М., 1971. - C. 127-130.

11. Халанский, В.М. Сельскохозяйственные машины [Текст] /В.М. Халанский. - М.: КолосС, 2004. - С. 33-96.

12. Pommer G. Zelenakmota do pudz. Uroda. 1982. № 30. S. 276-277.

Reference

1. Adler, Yu. P. Planirovanie ]ksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij [Tekst]/ Yu. P. Adler, E. V. Markova, Yu. V. Granovskij. - Izd-e vtoroe, pererab. i dop. - M.: Nauka, 1976. - S. 47-56.

2. Vedenyapin, G. V. Obschaya metodika jeksperimental'nogo issledovaniya i obrabotki opy-tnyh dannyh [Tekst] / G. V. Vedenyapin. - M.: Kolos, 1973. - S. 7-11.

3. Degtyarev, Yu. P. Regressionnyj analiz na P}VM [Tekst] / Yu. P. Degtyarev, A. I. Filatov // Trudy Volgogradskogo SXI. - Volgograd, 1992. - S. 128-131.

4. Gavrilov, A. M. Pochvovedenie [Tekst] / A. M. Gavrilov. - Volgograd: Volgogradskaya GSXA, 2007. - S. 92-99.

5. GOST R 53117-2008. Udobreniya organicheskie na osnove othodov zhivotnovodstva. Tehnicheskie usloviya [Tekst]. - M.: Standartinform, 2009. - S. 3-5.

6. Luk'yanenkov, I. I. Prigotovlenie i ispol'zovanie organicheskih udobrenij [Tekst] /I. I. Luk'yanenkov. - M.: Rossel'hozizdat, 1982. - S. 9-16.

7. Marchenko, N. M. Mehanizaciya vneseniya organicheskih udobrenij [Tekst] / N. M. Marchenko, G. I. Lichman, A. E. Shebalkin. - M.: VO "Agropromizdat", 1990. - S. 5-15.

8. Mel'nikov, S. V. Planirovanie ]ksperimenta v issledovaniyah s. -- h. processov [Tekst] / S. V. Mel'nikov, V. R. Aleshkin, P. M. Roschin. - M.: Kolos, 1972. - C. 58-61.

9. Mel'nikov, S. V. Planirovanie ]ksperimenta v issledovaniyah s. -- h. processov [Tekst] / S. V. Mel'nikov, V. R. Aleshkin, P. M. Roschin. - L.: Kolos, 1980. - C. 111-136.

10. Rumshanskij, L. Z. Matematicheskaya obrabotka rezul'tatov ]ksperimenta. Spravochnoe rukovodstvo [Tekst] / L. Z. Rumshanskij. - M., 1971. - C. 127-130.

11. Halanskij, V. M. Sel'skohozyajstvennye mashiny [Tekst] /V. M. Halanskij. - M.: KolosS, 2004. - S. 33-96.

12. Pommer G. Zelenakmota do pudz. Uroda. 1982. № 30. S. 276-277.

E-mail: vmotorin001@yandex.ru