OPTIMIZATION OF SOIL CULTIVATION MODES WITH MACHINE-TRACTOR UNITS
DOI 10.12737/2073-0462-2025-20-4-119-129 УДК 631.31
Keywords:
machine-tractor units, linear motion, maneuvering, optimization, practical recommendations.Abstract
The objective of this study is to determine the optimal hook load and travel speed of machine-tractor units based on wheeled tractors to improve soil cultivation efficiency. This work is based on a theoretical and experimental approach combining mathematical modeling and production optimization methods with verification using field test data. Field tests were conducted at Kazan State Agrarian University and Kirov Institute of Agricultural Sciences from 1990 to 2005. The study was conducted on typical agricultural conditions of Middle Volga region: compacted arable land (with a density of 1350-1415 kg/m3 and a moisture content of 13-15%), freshly plowed soil (1275-1315 kg/m3, 14-16%) and stubble (1475-1520 kg/m³, 12-14%). Standard and certified instruments were used: R 320 dynamometers, DFM-5 fuel consumption meters, and EIA-P and URDP-AFI devices. It was found that the optimal hook load for rectilinear movement of the machine-tractor unit is 6.5 kN for soil with average properties and the optimal travel speed is 1.25 times theoretical speed of the unit. The load varied for different agricultural backgrounds: 6.9 kN on compacted arable land, 6.6 kN on freshly plowed land and 5.9 kN on stubble. When maneuvering machine-tractor units, the optimal load decreases with increasing theoretical speed according to a hyperbolic law: a 70% increase in speed leads to a 25-30% decrease in load. The turning coefficient decreases by 15-20%, allowing for a smaller turning radius. The resulting relationships allow for a quantitative assessment of the impact of soil agrophysical properties on machine-tractor unit operating modes and can be used in the development of automated control systems for agricultural machinery.
References
1. К согласованию кинематических характеристик поворота колёсной машины / А. Н. Беляев, Т. В. Тришина, А. Н. Брюховецкий, И. А. Высоцкая // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2020. Т. 13 No 3(66). С. 12-18. doi: 10.17238/issn2071-2243.2020.3.12.
2. Новиков В. В., Поздеев А. В. Влияние угловой демпфирующей связи на колебания трехосной двухсекционной бесподвесочной колесной машины // Тракторы и сельхозмашины. 2019. No 4. С. 54-61. doi: 10.31992/0321-4443-2019-4-54-61.
3. К формированию модели эффективности функционирования сельскохозяйственного трактора в составе МТА при работе на альтернативных видах топлива / А. А. Глущенко, И. Р. Салахутдинов, А. К. Субаева, Калимуллин М.Н. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2024. Т. 19 No 1(73). С. 42-47. doi: 10.12737/2073-0462-2024-42-47.
4. Анализ кинематики навесного устройства трактора с регулируемыми характеристиками / С. М. Яхин, Ф. Х. Халиуллин, А. З. Имамиев, А.В. Матяшин, С.В. Егоров // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2022. No 17-2. С. 250-259. doi: 10.26160/2658-3305-2022-17-250-259.
5. Анализ современных конструкций комбинированных почвообрабатывающих машин и агрегатов / С. В. Малюков, Е. В. Поздняков, М. В. Шавков, А.Ф. Петков, И.И. Шанин, А.В. Белгов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2023. No 2(70). С. 523-534. –doi: 10.32786/2071-9485-2023-02-61. Например, при прямолинейном движении МТА в теплое время года по почве со средними агрофизическими показателями оптимальная крюковая нагрузка равняется 6.5 кН, а оптимальная скорость будет меньше теоретической скорости агрегата, приблизительно, в 1.2 раза. В случае маневрирования МТА установлено, что с увеличением теоретической скорости агрегата величина оптимальной крюковой нагрузки уменьшается. Следовательно, увеличивая скорость кругового движения МТА, величину крюковой нагрузки необходимо уменьшать. В целом, полученные соотношения, установленные закономерности частично подтверждают известные, что говорит об их достоверности. С другой стороны, они представляют возможность количественной оценки влияния свойств почвы на выбор оптимальных режимов обработки ее. К сожалению, непосредственно сравнить данные оптимальные решения с имеющимися в научно-технической литературе сложно, поскольку, например, известные выражения для расчета оптимальной скорости прямолинейного движения МТА содержит показатель, характеризующий максимальный КПД трактора, который в полученных соотношениях не содержится, при проведении полевых испытаний не определялся. Более того, результаты оптимизации режимов маневрировании МТА нам не известны. Таким образом, в рамках теоретико-экспериментального подхода с использованием методов математического моделирования, производственной оптимизации, результатов полевых испытаний прямолинейного и кругового движения машинно-тракторных агрегатов, получены соотношения для расчета оптимальной крюковой нагрузки, скорости прямолинейного движения, коэффициента поворачиваемости при маневрировании агрегатов. Научная новизна и, вместе с тем, значимость этих соотношений состоит в том, что они содержат параметры, характеризующие агрофизические свойства почвы. Выводы. В результате выполнения работы с применением методов математического моделирования, производственной оптимизации, когда часть зависимостей является аппроксимацией имеющихся в научно-технической литературе экспериментальных данных (теоретико-экспериментальный подход) достигнута поставленная цель по оптимизации режимов движения машинно-тракторных агрегатов. Установлены конкретные количественные зависимости: для прямолинейного движения МТА оптимальная крюковая нагрузка составляет 6.5 кН, а скорость движения – 1.25 от теоретической скорости агрегата. Для основных типов агрофонов оптимальная нагрузка варьируется от 5.9 кН (стерня) до 6.9 кН (слежавшаяся пахота). При маневрировании МТА доказано, что увеличение теоретической скорости на 70% приводит к снижению оптимальной крюковой нагрузки на 25-30% по гиперболическому закону, при одновременном уменьшении коэффициента поворачиваемости на 15-20% и, соответственно, радиуса поворота агрегата. Практическая значимость результатов заключается в возможном применении полученных соотношений при проектировании систем автоматизированного управления МТА и разработке рекомендаций по эксплуатации тракторов в различных почвенных условиях. Данные аналитические зависимости позволяют quantitativamente оценить влияние агрофизических свойств почвы на энергоэффективность агрегатов, также могут быть использованы при создании алгоритмов оптимального выбора режимов обработки почвы. Согласно этим соотношениям рекомендуется при прямолинейном движении устанавливать крюковую нагрузку 6.5-6.9 кН в зависимости от типа почвы, а при маневрировании – снижать нагрузку пропорционально квадрату скорости движения МТА. Перспективными направлениями дальнейших исследований являются учет динамических свойств почвы и климатических факторов в оптимизационных моделях, разработка методов адаптивного управления МТА в режиме реального времени, а также решение задач оптимизации в условиях неопределенности параметров агрофона.
6. Лопарев А. А., Новиков К. В., Комкин А. С. Исследование процесса сопротивления качению сельскохозяйственных тракторов-Киров: ООО Издательство Радуга-ПРЕСС", 2021. 202 с.–ISBN 978-5-6044635-9-8.
7. Валиев А. Р., Матвеев И. Н., Щитов С. В. Снижение полных энергозатрат за счет повышения устойчивости движения агрегата // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. No 3(37). С. 72-76. doi: 10.12737/14760.
8. Лопарев А.А. Буксование ведущих колес трактора МТЗ-80 и свойства почвы // Земледелие. 2002. No3. С.23-24.
9. Гапич Д. С., Привалов В. А. Прогнозирование тягово-сцепных показателей колесных тракторов при динамическом характере крюкового усилия // Известия МГТУ МАМИ. 2016. No 4(30). С. 20-24.
10. Особенности применения современного тракторного транспорта в технологических процессах по возделыванию сельскохозяйственных культур / Н. В. Бышов, С. Н. Борычев, И. А. Успенский и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2017. No 126. С. 180-198. doi: 10.21515/1990-4665-126-013.
11. Оптимизация параметров многофункционального пахотного агрегата / Г. Г. Маслов, Е. М. Юдина, В. В. Цыбулевский, В. В. Вовк // Colloquium-Journal. 2018. No 6-1(17). С. 62-65.
12. Фасхутдинов М. Х., В. Л. Федяев. Гусенично-колесные движители универсально-пропашных тракторов. Проблемы и перспективы Казань: Академия наук РТ, 2021. 304 с. ISBN 978-5-9690-0891-5.
13. Бледных В. В., Свечников П. Г. Оптимизация рабочих органов, конструктивной схемы и параметров орудия // Агропродовольственная политика России. 2015. No 1(37). С. 7-11.
14. Optimization of plow adjustment / D. T. Khaliullin, A. Belinsky, A. R. Valiev, Lukmanov R.R., Bourges G. // Bio web of conferences 2020. P. 000103. doi: 10.1051/bioconf/20202700103.
15. Оптимизация энергетических и экономических показаний комбинированного агрегата / А. Р. Валиев, Г. С. Юнусов, А. А. Мустафин и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. Т. 11. No 3(41). С. 72-78. doi: 10.12737/22680.
16. Optimization of main parameters of tractor and unit for seeding cereal crops with regards to their impact on crop productivity / R. Khafizov, C. Khafizov, A. Nurmiev, I. Galiev // Engineering for Rural Development: Proceedings. 2018. Vol. 17. P. 168-175. doi: 10.22616/ERDev2018.17. N192.
17. Optimization of main parameters of tractor and unit for plowing soil, taking into account their influence on yield of grain crops / C. Khafizov, R. Khafizov, A. Nurmiev, I. Galiev // Engineering for Rural Development: 2020. P. 585-590. doi: 10.22616/ERDev.2020.19.TF131.
18. Акулин Е. В., Свиридова Л. Е. Применение математического моделирования в науке и технике // Вестник науки. 2021. Т. 2. No 3(36). С. 123-127.
19. Тяговое сопротивление секции чизельного плуга с рабочими органами различной геометрической формы / С. Д. Фомин, Д. С. Гапич, С. И. Субботин, Ю. А. Швабауэр // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2024. No 2(74). С. 358-367. doi: 10.32786/2071-9485-2024-02-42.
20. Ибятов Р. И., Зиганшин Б. Г. О моделировании случайных процессов в агропромышленном комплексе // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17. No 1(65). С. 50-55. doi: 10.12737/2073-0462-2022-50-55
1. Belyaev AN, Trishina TV, Bryukhovetskiy AN, Vysotskaya IA. [On the coordination of kinematic characteristics of the turning of a wheeled vehicle]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; Vol.13. 3 (66). 12-18 p. doi: 10.17238/issn2071-2243.2020.3.12.
2. Novikov VV, Pozdeev AV. [Influence of the angular damping link on vibrations of a three-axle two-section non-suspension wheeled vehicle]. Traktory i selkhozmashiny. 2019; 4. 54-61 p. doi: 10.31992/0321-4443-2019-4-54-61.
3. Glushchenko AA, Salakhutdinov IR, Subaeva AK, Kalimullin MN. [Towards the formation of a model of operating efficiency of an agricultural tractor as part of an MTA when operating on alternative fuels]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2024; Vol.19. 1 (73). 42-47 p. doi: 10.12737/2073-0462-2024-42-47.
4. Yakhin SM, Khaliullin FKh, Imamiev AZ, Matyashin AV, Egorov SV. [Analysis of the kinematics of a tractor hitch with adjustable characteristics]. Transportnoe, gornoe i stroitelnoe mashinostroenie: nauka i proizvodstvo. 2022; 17-2. 250-259 p. doi: 10.26160/2658-3305-2022-17-250-259.
5. Malyukov SV, Pozdnyakov EV, Shavkov MV, Petkov AF, Shanin II, Belgov AV. [Analysis of modern designs of combined tillage machines and units]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie. 2023; 2(70). 523-534 p. –doi: 10.32786/2071-9485-2023-02-61.
6. Loparev AA, Novikov KV, Komkin AS. [Study of the rolling resistance process of agricultural tractors]. Kirov: OOO Izdatelstvo Raduga-PRESS. 2021; 202 p. –ISBN 978-5-6044635-9-8.
7. Valiev AR, Matveev IN, Shchitov SV. [Reduction of total energy consumption by increasing the stability of the unit's movement]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015; Vol.10. 3(37). 72-76 p. doi: 10.12737/14760.
8. Loparev AA. [Slipping of the drive wheels of MTZ-80 tractor and soil properties]. Zemledelie. 2002; 3. 23-24 p.
9. Gapich DS, Privalov VA. [Forecasting the traction and coupling indicators of wheeled tractors with a dynamic nature of the hook force]. Izvestiya MGTU MAMI. 2016; 4(30). 20-24 p.
10. Byshov NV, Borychev SN, Uspenskiy IA. [Features of modern tractor transport use in technological processes for agricultural crops cultivation]. Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2017; 126. 180-198 p. doi: 10.21515/1990-4665-126-013.
11. Maslov GG, Yudina EM, Tsybulevskiy VV, Vovk VV. [Optimization of the parameters of a multifunctional plowing unit]. Colloquium-Journal. 2018; 6-1(17). 62-65 p.
12. Faskhutdinov MKh, Fedyaev VL. Gusenichno-kolesnye dvizhiteli universalno-propashnykh traktorov. Problemy i perspektivy. [Tracked-wheel movers of universal-row-crop tractors. Problems and prospects]. Kazan: Akademiya nauk RT. 2021; 304 p. ISBN 978-5-9690-0891-5.
13. Blednykh VV, Svechnikov PG. [Optimization of working units, design scheme and parameters of the implement]. Agroprodovolstvennaya politika Rossii. 2015; 1 (37). 7-11 p.
14. Khaliullin DT, Belinskiy A, Valiev AR, Lukmanov RR, Bourges G. Optimization of plow adjustment. Bio web of conferences. 2020; 000103 p. doi: 10.1051/bioconf/20202700103.
15. Valiev AR, Yunusov GS, Mustafin AA. [Optimization of energy and economic indicators of a combined unit]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016; Vol.11. 3(41). 72-78 p. doi: 10.12737/22680.
16. Khafizov R, Khafizov C, Nurmiev A, Galiev I. Optimization of main parameters of tractor and unit for seeding cereal crops with regards to their impact on crop productivity. Engineering for Rural Development: Proceedings. 2018; Vol.17. 168-175 p. doi: 10.22616/ERDev2018.17. N192.
17. Khafizov C, Khafizov R, Nurmiev A, Galiev I. Optimization of main parameters of tractor and unit for plowing soil, taking into account their influence on yield of grain crops. Engineering for Rural Development: 2020; 585-590 p. doi: 10.22616/ERDev.2020.19.TF131.
18. Akulin EV, Sviridova LE. [Application of mathematical modeling in science and technology]. Vestnik nauki. 2021; Vol.2. 3 (36). 123-127 p.
19. Fomin SD, Gapich DS, Subbotin SI, Shvabauer YuA. [Traction resistance of a chisel plow section with working units of different geometric shapes]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie. 2024; 2(74). 358-367 p. doi: 10.32786/2071-9485-2024-02-42.
20. Ibyatov RI, Ziganshin BG. [On modeling random processes in the agro-industrial complex]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 1 (65). 50-55 p. doi: 10.12737/2073-0462-2022-50-55
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
Categories
License
Copyright (c) 2026 Vestnik of Kazan state agrarian university
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
