МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОПУСТИМЫХ СКОРОСТЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДИНАМИЧНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

14. Dzhabborov N.I., Sergeev A.V., Eviev V.A., Ochirov N.G. Razrabotka modeli funktsionirovaniya pochvoobrabatyvayushchikh rabochikh organov s uprugimi elementami [Developing mathematical model of functioning of tillage working bodies with elastic elements]. Vestnik Voronezhskogo

gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019. vol. 12. No. 4(63): 45-51(In Russian) 15. Bavrin I.I. Teoriya veroyatnostei i matematicheskaya statistika [Theory of Probability and Mathematical Statistics]. Moscow: Higher School Publishing House. 2005: 160 (In Russian)

УДК 631.316:51-74 Б01 10.24411/0131-5226-2020-10254

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОПУСТИМЫХ СКОРОСТЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДИНАМИЧНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА

Н.И Джабборов., д-р техн. наук; Г.А. Семенова

А.В Сергеев., канд. техн. наук;

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

Моделирование технологического процесса обработки почвы динамичными почвообрабатывающими рабочими органами с учетом максимально допустимой скорости их перемещения представляется актуальной задачей, так как позволяет оптимизировать конструктивные параметры и рациональные режимы их работы. Целью исследований является разработка математической модели для прогнозирования допустимых скоростей (максимальной и минимальной) перемещения инновационного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в различных условиях его функционирования. Объектом исследований является динамичный почвообрабатывающий рабочий орган стреловидной формы с шириной захвата 330 мм для поверхностной обработки почвы на глубину до 14 см. Предметом исследований является закономерности изменения скорости перемещения динамичного почвообрабатывающего рабочего органа. Исследования проводились с применением методов математического моделирования, основанные на изучении физических закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы; экспериментальных исследований по энергетической оценке почвообрабатывающих рабочих органов, анализа и обобщения экспериментальных данных. Научную новизну работы представляет математическая модель для определения допустимой (максимальной и минимальной) рабочей скорости перемещения динамичного почвообрабатывающего рабочего органа. Приведены основные показатели, определяющие значение допустимой скорости перемещения почвообрабатывающего рабочего органа, ограничения, задаваемые агротехническими требованиями к процессу поверхностной обработки почвы. Предложена математическая модель для определения и прогнозирования допустимой скорости перемещения динамичного рабочего органа, учитывающая наиболее значимые показатели, такие как активная фронтальная площадь динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, коэффициент его террадинамического сопротивления и твердость почвы.

Ключевые слова: математическая модель, максимально допустимая скорость, обработка почвы, почвообрабатывающий рабочий орган.

Для цитирования: Джабборов Н.И.,Сергеев А.В., Семенова Г.А. Математическая модель для прогнозирования допустимых скоростей перемещения динамичного почвообрабатывающего рабочего органа // АгроЭкоИнженерия. 2020. №3(104). С.58-65

PREDICTIVE MATHEMATICAL MODELLING OF THE PERMISSIBLE TRAVEL SPEEDS OF A

DYNAMIC TILLAGE TOOL

N.I. Dzhabborov, DSc (Engineering), G.A. Semenova

A.V. Sergeev, Cand. Sc. (Engineering),

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

Modelling of the technological process of soil cultivation with dynamic tillage tools in terms of maximum permissible speed of their travel is an urgent task since it allows optimizing the design parameters and rational modes of their operation. The study purpose was to create a mathematical model for predicting the permissible travel speeds (maximum and minimum) of an innovative dynamic tillage tool in various operating conditions. The study object was a dynamic arrow-shaped tool with a working width of 330 mm designed for the surface soil tillage to a depth of 14 cm. The study subject was the variation patterns of the travel speed of a dynamic tillage tool. The study applied the mathematical modelling methods based on the physical laws observed in the tillage process. The energy efficiency of the tilling tools was estimated experimentally. The experimental data obtained were analysed and integrated. The scientific novelty of the work was manifested in the mathematical model for determining and forecasting the permissible travel speed (maximum and minimum) of a dynamic tillage tool. The paper presents the main indicators that govern the permissible travel speed of the tillage tool, and the restrictions set by the agro-technical requirements for the surface tillage. The described mathematical model allows calculating and predicting the permissible travel speed of a dynamic tillage tool with due account for the most significant indicators, such as the active frontal area of this tool, the coefficient of its terra-dynamic resistance and the soil penetration index.

Key words: mathematical model, maximum permissible speed, soil tillage, tillage tool

For citation: Dzhabborov N.I., Sergeev A.V., Semenova G.A. Predictive mathematical modelling of the permissible travel speed of a dynamic tillage tool. AgroEcoEngineering. 2020. No. 3(104): 58-65 (In Russian)

Введение

В технологиях возделывания

сельскохозяйственных культур самым энергоемким процессом является обработка почвы и подготовка ее к посеву.

В этой связи ученые проводят исследования, направленные на уменьшение энергетических затрат на обработку почвы, повышения эффективности технических средств и энергоносителей, применяемых в

растениеводстве [1 - 4].

Учеными ФГБНУ ФНАЦ ВИМ обоснована российская технология обработки почвы и посева на основе собственных

конкурентоспособных инновационных машин, обеспечивающая экономию энергии по сравнению с известными ранее технологиями [2]. Ими также научно обоснованы и предложены перспективные пути применения энергетически и экологически эффективные машинные технологии, и технические средства [3].

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований предложены новые энергосберегающие способы послойной обработки почвы [4].

В последние годы в нашей стране и за рубежом проводятся исследования по цифровизации технологий производства

сельскохозяйственной продукции в

растениеводстве. Результаты исследований показывают, что цифровизация технологий может существенно повысит

производительность труда, качество продукции и снизить себестоимость производимой

продукции. В качестве примера можно привести работу [5], которая посвящена эффективности освоения цифровых технологий в области обработки почвы.

Разработка принципиально новых

инновационных почвообрабатывающих рабочих органов, наделенные свойством динамичности, требуют глубокое изучение динамических процессов взаимодействия рабочих органов с почвой, установления максимально допустимых рабочих скоростей их движения с учетом требований агротехники в конкретных условиях их функционирования.

Исследования показали, что инновационные динамичные почвообрабатывающие рабочие органы [6], благодаря особенности своей конструкции автоматически настраиваются к почвенным условиям - твердости и плотности почвы, и тем самым, позволяют уменьшить затраты энергии на обработку почвы [7]. Обоснованы конструктивные параметры динамичных рабочих органов [8].

Скорость движения почвообрабатывающих агрегатов зависит от тягово-мощностных показателей энергетического средства (трактора). Вместе с тем, на скорость движения почвообрабатывающих агрегатов ставят определенные ограничения показатели качества технологического процесса, в соответствии с агротехническими требованиями.

В связи с этим возникает необходимость обосновать максимально допустимую скорость перемещения разработанных динамичных почвообрабатывающих рабочих органов.

От правильного решения поставленной задачи в условиях высокой степени неопределенности наиболее значимых параметров характеристик почвы зависит значения показателей

эффективности инновационных динамичных почвообрабатывающих рабочих органов. Разработка математической модели позволит с наименьшими затратами труда и средств определить и спрогнозировать допустимую

скорость перемещения динамичных

почвообрабатывающих рабочих органов, и тем самым, обеспечит объективный анализ и прогноз запланированных показателей эффективности их применения в почвообрабатывающих агрегатах.

Материалы и методы

Целью исследований является разработка математической модели для определения и прогнозирования допустимой (максимальной и минимальной) скорости перемещения

инновационного динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа в различных условиях его функционирования.

При проведении исследований применялись методы математического моделирования, основанные на изучении физических закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы, анализ и обобщение экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования

инновационного динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа (рис. 1) были проведены на полях экспериментальной базы «Красная Славянка».

В процессе экспериментальных исследований применялась лабораторная установка «Информационно-измерительный комплекс ИИК-ИАЭП, состоящий из трактора класса 1,4 и навесной установки с тензометрическими тележками и измерительно-информационной системы ИП 264 РосНИИТиМ. В полевых условиях ИИК-ИАЭП обеспечивает проведение энергетической оценки почвообрабатывающих рабочих органов и машин на различных скоростных и нагрузочных режимах их функционирования (рис. 2).

Рис. 1. Динамичный почвообрабатывающий рабочий орган [6] на жесткой стойке

динамичных почвообрабатывающих рабочих органов с помощью измерительно-информационного комплекса ИИК-ИАЭП

Экспериментальные исследования были приведены в следующих условиях: средняя твердость почвы в слое до 20 см - 0,85 - 1,0 МПа, а ее влажность в слое 0 - 10 см - 13,5 %, в слое 10 - 20 см - 16,8 %.

В процессе экспериментальных исследований в измерительно-информационной системе были зафиксированы время опыта, тяговое сопротивление динамичных

почвообрабатывающих рабочих органов, а также колебания крыла динамичного рабочего органа на различных скоростных и нагрузочных режимах их функционирования. Опытные данные обрабатывались по методике, изложенной в работе [9].

Результаты и обсуждение

На основе методики анализа чувствительности [10] функций к аргументам установлены наиболее значимые показатели, влияющие на величину допустимой скорости перемещения почвообрабатывающего рабочего органа (рис. 3).

Общеизвестно, что скорость движения машинно-тракторных агрегатов является одним из основных энергетических параметров, определяющих качество выполнения

технологического процесса обработки почвы.

С повышением скорости движения почвообрабатывающих рабочих органов и машин, неровности поверхности поля и неравномерность твердости и плотности почвы не только создают колебания тягового сопротивления, но и колебания частей почвообрабатывающего агрегата. В итоге, установленные при настройке агрегата его агротехнические параметры не остаются постоянными.

Рис.2. Экспериментальные исследования

Устойчивость

направления

перемещения

Н ера ен оыерность глубины обработки

Удельное сопротивление на единицу активной фронтальной площади рабочего органа

Скорость перемещения

динамичного поч в о обр а баты ва ю ше г о рабочего органа

Коэффициент т ерра дин аыиче с-кого сопротивления рабочего органа

Неровность поверхности поля

Гребнист ость поверхности поля

Степень рыхления (крошения) почвы

Рис. 3. Основные факторы, определяющие значение максимально допустимой скорости перемещения почвообрабатывающего рабочего органа

Нами ранее была предложена формула для определения коэффициента террадинамического сопротивления Кд динамичного почвообрабатывающего рабочего органа [11]:

кд - сп

2Rpo

Т . V2 • F р° 1 п V р 1

(1)

где СП — коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности параметров , Тп ,

Vp и

F *

Яо — тяговое сопротивление

динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа, кН; Тп — твердость почвы, кг/см2;

-

скорость перемещения динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, м/с;

Р *ро - площадь фронтальной проекции одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, м2.

Из выражения (1) определяем скорость перемещения динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа:

у — ( 2 CnRa \ ^ Р \KdTnF*P°) .

(2)

Удельное тяговое сопротивление на единицу почвообрабатывающего рабочего органа активной фронтальной площади определяется по формуле [10]:

пРО

uf° _ R а

уд f*a0

кН/м

(3)

пР°

где тяговое сопротивление

динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, кН;

активная фронтальная площадь динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, м2.

Из выражения (3) определяем тяговое сопротивление динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа:

Rpo = крог.ро

(4)

Подставляя (4) в (2) получаем:

2СЖ\

1/2

'""уд \

КдТп )

(5)

Анализ факторов (рис. 1) и выражения (5) показывает, что на максимально допустимую скорость перемещения динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа наибольшее влияние оказывают удельное тяговое сопротивление на единицу активной фронтальной площади Яру°д динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа, коэффициент К° его террадинамического сопротивления и твердость Тп почвы. Значения названных показателей по существу зависят от конструктивных параметров и свойства динамичности рабочих органов.

Неравномерность глубины обработки, гребнистость поверхности поля после

обработки, степень рыхления (крошения) почвы являются результатом функционирования динамичного почвообрабатывающего рабочего органа и задаются агротехническими требованиями на технологический процесс.

С учетом сказанного, максимально допустимую скорость перемещения

динамичного почвообрабатывающего рабочего органа можно определить по следующей формуле (при неравномерности глубины обработки Л ь = + 1 см, неравномерности поверхности поля Лн = < 1 5 см, гребнистость поверхности после обработки Лг < 7 см, степень рыхления почвы К° < 85 — 9 5 % ):

\ 1/2

Необходимо отметит, что устойчивость заданного направления перемещения рабочего органа зависит от характеристик энергетического средства и точности его управления оператором, а неровность поверхности поля зависит в основном от предыдущей технологической операции.

Выводы

Обоснованы наиболее значимые факторы, влияющие на значение допустимой скорости перемещения почвообрабатывающего рабочего органа.

Разработана математическая модель для определения и прогнозирования допустимой

Ураор = (2 су;° / Кд Тп) . (6)

рабочей скорости перемещения динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, которая учитывает активную фронтальную площадь р° динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа, коэффициент К° его террадинамического сопротивления и твердость Тп почвы.

Обоснование допустимой скорости перемещения динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа в дальнейшем позволяет разработать высокоскоростные почвообрабатывающие агрегаты с улучшенными эксплуатационными показателями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лобачевский Я.П., Старовойтов С.И., // Сельскохозяйственные машины и технологии. Чемисов Н.Н. Энергетическая и технологическая 2015. №5. С. 10-13.

оценка почвообрабатывающего рабочего органа 2. Мазитов Н.К., Лобачевский Я.П.,

Рахимов Р.С., Хлызов Н.Т., Шарафиев Л.З.,

Садриев Ф.М., Дмитриев С.Ю. Российская технология обработки почвы и посева на основе собственных конкурентоспособных

инновационных машин //Достижения науки и техники АПК. 2014. № 7. С. 68-70.

3. Измайлов А.Ю., Лобачевский Я.П., Сизов О.А. Перспективные пути применения энерго и экологически эффективных машинных технологий и технических средств //Сельскохозяйственные машины и технологии. 2013. № 4. С. 8-11.

4. Жук А.Ф. Новые способы послойной обработки почвы //Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. № 4. С. 13-18.

5. Лобачевский Я.П., Старовойтов С.И., Ахалая Б.Х., Ценч Ю.С. Цифровые технологии в почвообработке //Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 1 (30). С. 191-197.

6. Джабборов Н.И., Захаров А.М., Сергеев

A.В., Семенова Г.А. Рабочий орган для рыхления почвы. Патент РФ на изобретение № № 2702551. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 08 октября 2019 г.

7. Джабборов Н.И., Сергеев А.В., Эвиев

B.А., Семенова Г.А. Оценка вероятностно-

статистических характеристик тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами // Известия Нижневолжского агроуниверситетского

комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019. №2 (54). С. 275-284.

8. Семенова Г.А., Джабборов Н.И. Обоснование конструктивных параметров динамичных почвообрабатывающих рабочих органов // Технический сервис машин. 2019. №2 (135). С.60-66.

9. Валге А.М., Джабборов Н.И., Эвиев В.А. Основы статистической обработки экспериментальных данных при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства с примерами на STATGRAPHICS и EXCEL (под ред. А.М. Валге). Санкт-Петербург: изд-во ИАЭП; Элиста: изд-во КалмГУ, 2015.140 с.

10. Джабборов Н.И., Сергеев А.В., Семенова Г.А. Нормированные показатели оценки эффективности рабочих органов и машин для поверхностной обработки почвы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. 3 (100), С. 53-61.

REFERENCES

1. Lobachevskii Ya.P., Starovoitov S.I., Chemisov N.N. Energeticheskaya i tekhnologicheskaya otsenka pochvoobrabatyvayushchego rabochego organa [Power and technological evaluation of soil cultivating working tool]. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii. 2015. No. 5: 10-13. (In Russian)

2. Mazitov N.K., Lobachevskii Ya.P., Rakhimov R S., Khlyzov N.T., Sharafiev L.Z., Sadriev F.M., Dmitriev S.Yu. Rossiiskaya tekhnologiya obrabotki pochvy i poseva na osnove sobstvennykh konkurentosposobnykh innovatsionnykh mashin [Russian tillage and seeding technology on the basis of national competitive innovative machines]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2014, No. 7: 6870. (In Russian)

3. Izmailov A.Yu., Lobachevskii Ya.P., Sizov O.A. Perspektivnye puti primeneniya energo i ekologicheski effektivnykh mashinnykh tekhnologii

i tekhnicheskikh sredstv [Promising ways of using energy and environmentally efficient machine technologies and technical means]. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii. 2013, No. 4: 8-11. (In Russian)

4. Zhuk A.F. Novye sposoby posloinoi obrabotki pochvy [New ways of graded tillage]. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii. 2014, No. 4: 13-18. (In Russian)

5. Lobachevskii, Ya.P., Starovoitov, S.I., Akhalaya, B.Kh., Tsench, Yu.S. Tsifrovye tekhnologii v pochvoobrabotke [Digital technologies in soil tillage]. Innovatsii v sel'skom khozyaistve. 2019. No. 1(30): 191-197. (In Russian)

6. Dzhabborov N.I., Sergeev A.V., Zakharov A.M., Semenova G.A. Rabochii organ dlya rykhleniya pochvy [Working tool for soil loosening]. Patent RF on invention No. 2702551. 2019. (In Russian)

7. Dzhabborov N.I., Sergeev A.V., Eviev V.A., Semenova G.A. Otsenka veroyatnostno-

statisticheskikh kharakteristik tyagovogo soprotivleniya pochvoobrabatyvayushchego

agregata s dinamichnymi rabochimi organami [Evaluation of the probability-statistical characteristics of the traction resistance of the soil-processing aggregate with dynamic working parts]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie, 2019. No. 2 (54): 275-284 (In Russian)

8. Semenova G.A., Dzhabborov N.I. Obosnovanie konstruktivnykh parametrov dinamichnykh pochvoobrabatyvayushchikh rabochikh organov [Justification of constructive parameters of dynamic soil cultivating working bodies. Tekhnicheskii servis mashin. 2019. 2 (135): 60-66. (In Russian)

9. Valge A.M., Dzhabborov N.I., Eviev V.A. Osnovy statisticheskoj obrabotki ehksperimental'nyh dannyh pri provedenii issledovanij po mekhanizacii sel'skohozyajstvennogo proizvodstva s primerami na

STATGRAPHICS i EXCEL [Fundamentals of statistical processing of experimental data for research in mechanisation of agricultural production with examples in STATGRAPHICS and EXCEL]. Saint Petersburg: IEEP Publ.; Elista: Kalmyk Univ. Publ., 2015: 140. (In Russian) 10. Dzhabborov N.I., Sergeev A.V., Semenova G.A. Standardised indicators for efficiency assessment of the working bodies and machines for surface tillage. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 3(100): 5361 (In Russian)

УДК [631.362+631.56]:633.1 Б01 10.24411/0131-5226-2020-10255

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И МАШИН ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

СЕМЯН ТРАВ И ЗЕРНА

П. А. Савиных, д-р техн. наук; В. А. Казаков, канд. тех.наук

Ю. В. Сычугов, д-р техн. наук;

ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», Киров, Россия

В природно-климатических условиях Евро-Северо-Востока России получение семян трав и зерна злаковых культур связано с определенными трудностями, в первую очередь с сушкой высоковлажного исходного семенного и зернового материала. Повысить эффективность данного процесса возможно правильным выбором технологии сушки и машин и оборудования для её осуществления. Используемые в настоящее время машины и технологии несовершенны, поэтому разработка новых технологий и технических средств послеуборочной сушки и обработки семенного вороха позволит в значительной мере устранить их недостатки и является актуальной задачей настоящего времени. Целью исследований является разработка новых высокоэффективных технологических линий послеуборочной сушки и обработки семян трав и зерна и внедрение их в производство, а также машин и оборудования для данных линий и оптимизация их конструктивно-технологических параметров. Такие технологические линии, машины к ним разработаны в г. Кирове, реализованы в ряде сельскохозяйственных предприятий Кировской и соседних областей. Для сушки семян трав и зерна разработана конструкция топочных блоков ТБ-0,75 для работы при сжигании древесных отходов, что даёт экономию в сравнении с жидким топливом на один топочный блок за уборочный сезон более 300 тыс. рублей. В технологическую линию для