Оптимизация параметров и режимов работы фрезерного рабочего органа агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений

Механизированные технологии равнинного садоводства малоэффективны в специфических условиях горного и предгорного земледелия, где главным лимитирующим фактором является почвенное плодородие.

В то же время остро стоит вопрос ускоренного создания гумусового слоя в приствольных полосах, улучшения водного и пищевого режимов плодовых насаждений на склоновых землях.

Проведенный анализ системы содержания почвы в садах показал, что наиболее рациональным является дерново-перегнойная система, предусматривающая скашивание растительности с оставлением ее на поверхности почвы в виде мульчи.

Однако серийно выпускаемые промышленностью косилки-измельчители имеют относительно низкую частоту вращения ротационного рабочего органа (540…840 мин^-1), не обеспечивают качественное измельчение травяной растительности, неспособны транспортировать измельченную травяную массу в приствольные полосы плодовых деревьев [1].

Для ускоренного создания гумусового слоя в приствольных полосах молодых деревьев в садах на террасах и галечниковых землях необходимо разработать установку, состоящую из косилки-измельчителя и рыхлителя активного действия, позволяющую качественно выполнять несколько взаимосвязанных технологических операций: обеспечивать качественный срез, измельчение травяной растительности в междурядьях, укладку и смешивание мульчматериала с почвой в приствольных полосах при одновременном покрытии ряда плодовых деревьев мульчматериалом.

Для решения данной проблемы предлагается агрегат для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений [2-6], который осуществляет конвейерно-технологический процесс: с одной стороны - мульчирование, с другой - ускоренная гумификация приствольных полос молодых деревьев. При этом улучшается водный и пищевой режим деревьев, создаются благоприятные условия для развития микробиологических процессов в почве, повышающих их плодородие.

На основании проведенного анализа технологического процесса обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений и результатов теоретических исследований [2-6] установлено, что определяющей характеристикой процесса работы фрезерного рабочего органа агрегата является качество крошения почвы. С учетом этого, указанный параметр принят нами в качестве критерия оптимизации. Установлено, что наибольшее влияние на данный критерий оказывают следующие параметры и режимы работы фрезерного рабочего органа: скорость передвижения агрегата ; угловая скорость вращения фрезы ; угол установки ножей (табл. 1).

Для установления оптимальных конструктивных параметров и режимов работы фрезерного рабочего органа агрегата, обеспечивающих максимальное качество крошения почвы, проведен многофакторный эксперимент. Учитывая трудоемкость опытов, эксперименты были проведены с использованием трехуровневого плана Бокса-Бенкина как наиболее экономичного. Он предполагает определенную выборку из полного факторного эксперимента типа , где ? количество факторов, а 3 - количество уровней варьирования каждой переменной (+1, 0, ?1). Планирование экспериментов проводили с учетом надежности результатов опыта, равной 0,95, допустимой ошибки, равной , и количества повторностей опытов, равного 3.

Таблица 1. Факторы и уровни их варьирования

После проведения всех опытов по рандомизированной схеме получена таблица 2, в которой имеются все данные для статистического анализа результатов экспериментальных исследований.

Таблица 2. Результаты реализации матрицы планирования (критерий оптимизации - качество крошения почвы, %)

В результате проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента установлено, что все коэффициенты, за исключением , значимы.

На основании полученных данных для оценки влияния варьирующих факторов на критерий оптимизации (качество крошения почвы) было составлено уравнение регрессии, имеющее вид:

В результате проверки адекватности уравнения по критерию Фишера установлено, что полученное уравнение регрессии адекватно описывает исследуемый процесс (F_pасч=2,193 < F_табл=2,359).

Уравнение регрессии (1) в раскодированном виде имеет следующий вид:

После преобразований уравнения (2) получим:

Для определения значений факторов, обеспечивающих максимальное качество крошения почвы, составлена система дифференциальных уравнений, представляющих частные производные по трем факторам:

 (4)

В результате решения системы уравнений (4) определены оптимальные значения факторов в кодированном виде:

Раскодированные значения факторов: 1,92 км/ч, 40,4 с^-1 и 63⁰. При этом обеспечивается максимальное качество крошения почвы, равное 92,3%.

Проверка воспроизводимости эксперимента произведена по критерию Кохрена:

При 5%-ном уровне значимости ѓ₁=2, ѓ₂=15 табличное значение критерия Кохрена G_табл=0,335. Так как значение расчетного критерия Кохрена меньше табличного, то гипотеза об однородности дисперсий подтверждается.

Уравнение регрессии при нулевом уровне угла установки ножа () имеет вид:

(5)

Поверхность отклика при изменении скорости передвижения агрегата и угловой скорости вращения фрезы (при нулевом уровне угла установки ножа) представлена на рис. 1.

Уравнение регрессии при нулевом уровне угловой скорости вращения фрезы (с^-1) имеет вид:

(6)

Поверхность отклика при изменении скорости передвижения агрегата и угла установки ножа (при нулевом уровне угловой скорости вращения фрезы) представлена на рис. 2.

Уравнение регрессии при нулевой скорости передвижения (=2 м/с) имеет вид:

(7)

Поверхность отклика при изменении угловой скорости вращения фрезы и угла установки ножа (при нулевом уровне скорости передвижения агрегата) представлена на рис. 3.

Анализ результатов многофакторного эксперимента показывает, что максимальное качество крошения почвы (92,3%) достигается при следующих значениях варьирующих факторов: скорость передвижения агрегата: =1,92 м/с, угловая скорость вращения фрезы 40,4 с^-1 и угол установки ножа 63⁰.

Рис. 1. Поверхность отклика при нулевом уровне

Рис. 2. Поверхность отклика при нулевом уровне с^-1

Рис. 3. Поверхность отклика при нулевом уровне =2 м/с