Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы и её основное содержание 15
1.1 Состояние вопроса 15
1.1.1 Народно – хозяйственное значение возделывания льна и других мелкосеменных культур 15
1.1.2 Технико-экономическое обоснование возделывания льна и других мелкосеменных культур 18
1.2 Анализ агробиологических и технологических требований к возделыва нию льна и других мелкосеменных культур 19
1.2.1 Посевные качества мелкосеменных сельскохозяйственных культур 19
1.2.2 Технологические основы предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры 22
1.3 Анализ технологических процессов возделывания льна и других мелко семенных культур в Нечерноземной зоне Российской Федерации 30
1.3.1 Анализ технологических процессов предпосевной обработки почвы 30
1.3.2 Анализ технологических операций посева 34
1.4 Выводы по разделу 1 46
2. Критерии выбора рационального варианта технологического процесса возделывания мелкосеменных культур и оптимального комплекса технических средств
2.1 Оптимизация критерия выбора рационального варианта возделывания мелкосеменных культур 49
2.2 Критерии выбора рациональной технологии предпосевной обработки почвы 56
2.3 Оптимизация технических средств для возделывания льна и других мелкосеменных культур 59
2.4 Формирование оптимальных технологических адаптеров возделывания льна и других мелкосеменных культур как сложных систем 61 63
2.5 Оптимальные технологические процессы возделывания льна и других мелкосеменных культур
2.6 Выводы по разделу 2 68
3. Оптимальные параметры и режимы рабочих органов для предпосевной обработки почвы 69
3.1 Оценка модели всхожести мелкосеменных культур в зависимости от качества предпосевной обработки почвы 69
3.2 Алгоритм модели предпосевной обработки почвы под лён и другие мелкосеменные культуры 71
3.2.1 Обоснование кинематических параметров работы ротационных рабочих органов 75
3.2.2 Энергоёмкость рабочих органов для предпосевной обработки почвы 94
3.3 Математическая модель взаимодействия рабочих органов с почвой 114
3.4 Выводы по разделу 3 127
4. Обоснование параметров и режимов работы дискового пневматического высевающего аппарата 129
4.1 Модель взаимодействия высевающего аппарата с посевным материалом 129
4.2 Кинематика движения высеваемого материала в высевающем аппарате 131
4.3 Оптимизация параметров и режимов работы дискового пневматического высевающего аппарата 141
4.4 Выводы по разделу 4 149
5. Оптимальные параметры и режимы работы сошников для посева льна и других мелкосеменных культур 150
5.1 Математическая модель взаимодействия сошников с почвенным слоем при возделывании льна и других мелкосеменных культур 150
5.2 Оптимизация параметров и режимов работы сошников для посева мелкосеменных культур 1 5.2.1 Оптимизация параметров и режимов работы лапового сошника 161
5.2.2 Обоснование конструктивных параметров и режимов работы сошника
для рядового посева 169
5.2.3 Оптимизация параметров и режимов работы полозовидного сошника
при возделывании льна и других мелкосеменных культур 172
5.3 Энергоёмкость работы сошников 174
5.4 Выводы по разделу 5 180
6. Производственные испытания и экономическая оценка 181
6.1 Методическое и материальное обеспечение исследования физико – ме
ханических и технологических свойств почвы 181
6.1.1 Программа лабораторных исследований ротационных рабочих органов 181
6.1.2 Методика лабораторного исследования сошниковых групп 202
6.1.3 Программа лабораторных исследований высевающих аппаратов
6.2 Методика проведения полевого опыта 207
6.3 Методическое и материальное обеспечение исследования физико – механических и технологических свойств высеваемого материала 209
6.4 Методика обработки результатов экспериментальных исследований 211
6.5 Методика производственных экспериментальных исследований 214
6.6 Результаты и анализ экспериментальных исследований свойств материалов при взаимодействии с рабочими органами 215
6.6.1 Результаты проведённых лабораторных экспериментов 215
6.6.1.1 Характер изменения свойств почвенного профиля в зависимости от факторов предпосевного прикатывания 216
6.6.1.2 Характер изменения свойств в семенном ложе в зависимости от исследуемых параметров предпосевного прикатывания 220
6.6.1.3 Данные тензометрирования 227
6.6.1.4 Результаты изменений почвенных ФМТС 232
6.6.1.5 Результаты изменений коэффициентов структурности почвы от параметров и режимов ротационной бороны 234
6.6.1.6 Влияние параметров и режимов работы сошниковых групп на свойства почвенного слоя 255
6.6.2 Результаты исследований дискового пневматического высевающего аппарата 261
6.7 Результаты полевых исследований 267
6.8 Результаты сравнительных производственных испытаний 281
6.8.1 Результаты модернизации культиватора с применением трубчатого катка 281
6.8.2 Технико-экономическая оценка внедрения БМКА – 3,0 284
6.9 Выводы по разделу 6 293
Заключение 295
Рекомендации производству 298
Перспективы дальнейшей разработки темы 298
Список использованных источников
- Анализ агробиологических и технологических требований к возделыва нию льна и других мелкосеменных культур
- Формирование оптимальных технологических адаптеров возделывания льна и других мелкосеменных культур как сложных систем
- Алгоритм модели предпосевной обработки почвы под лён и другие мелкосеменные культуры
- Оптимизация параметров и режимов работы дискового пневматического высевающего аппарата
Введение к работе
Актуальность проблемы. Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации, в условиях импортозамещения, предусматривает интенсивное развитие растениеводства, с учтом удовлетворения возрастающей потребности населения в сельскохозяйственной продукции.
В комплексе технологических процессов по возделыванию мелкосеменных культур, наиболее ответственными в начальный период является качественное выполнение следующих агротехнических примов – предпосевной обработки почвы, внесения минеральных удобрений, посева семян с одновременной заделкой высеваемого материала. Научными исследованиями и практикой доказано, что от качественного выполнения технологических процессов по возделыванию во многом зависит полевая всхожесть и урожайность перспективных мелкосеменных культур – льна, ярового рапса, клевера и других.
Анализ предшествующих научных исследований показывает, что существующие технические средства при выполнении технологических операций по возделыванию льна и других мелкосеменных культур не удовлетворяют установленным агротехническим требованиям. В результате чего не выдерживается рекомендуемая норма высева, установленная глубина посева, разноуровневое распределение семян и минеральных удобрений, качественная заделка высеваемого материала. Следовательно, улучшение технологических и технико – экономических показателей почвообрабатывающе – посевной техники, качественно выполняющей агротехнические операции, а также создание новых рабочих органов, обеспечивающих их реализацию, является актуальной проблемой в области возделывания льна и других мелкосеменных культур, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Научная гипотеза. Повышение эффективности возделывания льна и других мелкосеменных культур достигается путм реализации технологических и технических решений, повышающих качество подготовки почвы, равномерное распределение семян и минеральных удобрений, с одновременной заделкой высеваемого материала, адаптированных к условиям сельскохозяйственных предприятий.
Степень разработанности темы. Огромный вклад в развитие и совершенствование технологических процессов и технических средств для предпосевной обработки почвы и посева мелкосеменных культур внесли В.П. Горячкин, В.А. Желиговский, П.Н. Бурченко, И.М. Панов, Ю.И. Кузнецов, А.С. Кушнарв, Я.П. Лобачевский, Г.Н. Синеоков, М.Н. Чаткин, Г.А. Хайлис, И.В. Горбачв, Ю.Д. Ахламов, А.П. Матюхин, В.И. Славкин, В.И. Старовойтов, Д.И. Шпаар, Н.П. Ларюшин, а также другие отечественные и зарубежные учные. Однако технологические процессы предпосевной обработки почвы, посева льна и других мелкосеменных культур с одновременной заделкой минеральных удобрений не удовлетворяют предъявляемым агротехническим требованиям, в связи с чем биологическая урожайность снижается в среднем на 7…9 %.
4 Цель исследования. Повышение качества выполнения технологических операций по предпосевной обработке почвы и посеву с внесением удобрений, путм создания перспективных инновационных рабочих органов при возделывании мелкосеменных культур.
Задачи исследований:
1. Проанализировать и обобщить результаты выполненных теоретических и
экспериментальных исследований технологических процессов предпосевной
подготовки почвы, посева льна и других мелкосеменных культур.
-
Составить методологический комплекс исследования и структурную схему возделывания льна и других мелкосеменных культур с применением инновационных рабочих органов, обеспечивающих качественную предпосевную подготовку почвы и посев.
-
Разработать усовершенствованные технологические процессы и технические средства для предпосевной обработки почвы, посева льна и других мелкосеменных культур.
4. Предложить алгоритм проектирования рабочих органов и математические
модели качественного выполнения предпосевной почвообработки, посева с
разноуровневым внесением минеральных удобрений и заделкой высеваемого
материала, с учтом исходных реологических, физико – механических и
технологических свойств почвы.
5. Экспериментально подтвердить теоретические предпосылки
усовершенствованного технологического процесса предпосевной обработки почвы,
посева льна и других мелкосеменных культур, а также элементов технической системы
блочно-модульного адаптера.
6. Выполнить сравнительные производственные испытания, разработать рекомендации производству и провести оценку экономической эффективности исследований.
Объект исследований. Инновационные технологические процессы
предпосевной обработки почвы, совмещения посева с разноуровневым внесением удобрений, закономерности взаимодействия элементов системы с обрабатываемым материалом.
Предмет исследований. Взаимосвязь кинематических, динамических,
конструктивных и энергетических параметров элементов системы
почвообрабатывающе – посевного адаптера, а также зависимость параметров и режимов работы от характеристик почвенных условий и высеваемого материала.
Методы исследований. Системный анализ технологических процессов и
технических систем, проведение вычислительных экспериментальных исследований,
методы классической механики, математический анализ и математическое
моделирование с использованием программных продуктов Exсel, Mathcad Prime 3.0.
Научная новизна исследования заключается в методологии
совершенствования предпосевной обработки почвы, посева и моделировании усовершенствованных технологических процессов для получения оптимальных
5 параметров и режимов работы технических средств, обеспечивающих необходимое качество возделывания мелкосеменных культур и эффективность использования ресурсов, включающей:
-
Теоретические зависимости по определению конструктивных параметров элементов опытного образца блочно – модульного адаптера для предпосевной обработки почвы и посева, обеспечивающего качественное возделывание льна и других мелкосеменных культур, с учтом условий функционирования.
-
Конструктивно – технологические схемы и усовершенствованные технические средства для совмещения предпосевной обработки почвы, посева льна и других мелкосеменных культур.
-
Оптимальные значения конструктивных параметров и технологических режимов работы элементов блочно – модульного адаптера, оказывающие влияние на качественные показатели при возделывании льна и других мелкосеменных культур.
-
Значения оценочных показателей работы блочно – модульного адаптера для предпосевной обработки почвы, посева льна и других мелкосеменных культур.
Новизна технических решений подтверждается 10 патентами на технологические процессы, рабочие органы и приборное обеспечение исследований.
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в предложенной
методике расчта эффективности функционирования рабочих органов при
возделывании льна и других мелкосеменных культур, учитывающей свойства почвы и агротехнические требования к проводимой технологической операции. Обоснованы рациональные технологическо – конструктивные параметры и режимы рабочих органов, повышающих качество возделывания мелкосеменных культур, с учтом снижения энергомкости и повышения экологичности технологических процессов.
Внедрение результатов исследований в сельскохозяйственное производство
повысило качество проведения предложенных технологических решений, снизило
материально – технические затраты на эксплуатацию рабочих органов
почвообрабатывающе – посевных машин. Серийное производство предлагаемого
технологического оборудования для возделывания мелкосеменных культур,
основанного на современных принципах проектирования и компоновочных решений, повысит конкурентоспособность почвообрабатывающе – посевного машиностроения в отрасли растениеводства в условиях импортозамещения.
Разработанные рекомендации по созданию и использованию технологических схем и конструктивных решений рабочих органов предлагаются для широкого внедрения в практику возделывания льна и других мелкосеменных культур, а результаты материалов исследования используются в учебном процессе. Результаты работы могут быть использованы научно – исследовательскими институтами, производителями сельскохозяйственной техники, а также учебными заведениями при разработке и эксплуатации сельскохозяйственных машин для возделывания технических и кормовых мелкосеменных культур.
Реализация результатов исследования. Основные результаты
выполненной работы рекомендованы Министерством сельского хозяйства
6 Тверской области к внедрению на сельскохозяйственных предприятиях. Разработаны исходные технические требования на ротационную борону, прикатывающие устройства, сошниковые группы, пневматический высевающий аппарат и рекомендации по серийному производству зубовых рабочих органов.
Предложенные технологические процессы возделывания мелкосеменных культур и разработанные технические средства внедрены в ООО «МИП АгроСХАТ». Опытный образец блочно – модульного адаптера прошел производственную проверку в СПК «Агро-Колос» Селижаровского района и ЗАО «Калининское» Калининского района при возделывании мелкосеменных культур. Отдельные элементы рабочих органов блочно – модульного адаптера прошли производственную проверку в колхозах – «Красная Звезда» и «Путь Ленина» Кашинского района, СПК – «Мир» Спировского района и «Трудовик» Рамешковского района, КФХ «Высокие Рази» Рамешковского района. Рабочие чертежи и методика проектирования бороны приняты к внедрению проектно-конструкторскими заводами – Бежецксельмаш (г. Бежецк), Тверской экспериментальный механический завод (г. Тверь).
Результаты исследований отражены в 2 монографиях и 5 учебных пособиях по агроинженерным направлениям. Лабораторные установки исследования рабочих органов блочно – модульного адаптера используются в учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам «Сельскохозяйственные машины», «Основы научных исследований», «Детали машин и основы конструирования», а также при выполнении выпускных квалификационных работ.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность
полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается
использованием методов математического моделирования и оптимизации, применением методов статистической обработки данных, а также сходимостью моделей с практическими результатами исследований.
Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на научно – практических и международных конференциях в ФГБОУ ВО Тверская ГСХА в период с 2000 по 2017 гг.; на научно – практических конференциях в ФГБОУ ВО РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязева (2004, 2007, 2008, 2013 – 2016 гг.); на Всероссийских конференциях в ФГБОУ ВО Санкт – Петербургский ГАУ (2013, 2014 гг.); на межвузовской научно – технической конференции в ФГБОУ ВО Брянский ГАУ (2006 г.); научно – практической конференции в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» (2014 г.); областной ярмарке научно – технических идей и разработок, г. Тверь (2004, 2009, 2013 гг.); на межвузовской научно – практической конференции «Современные проблемы рационального пользования природных ресурсов и охраны окружающей среды» в ФГБОУ ВПО ТвГТУ (2009 г.); на XV международной научно – практической конференции в ГНУ ВИИТиН, г. Тамбов (2009 г.), на выставке презентации инновационных проектов субъектов Российской Федерации Правительства города Москвы (2009 г.); на конференции молодых
7 учных Центрального Федерального округа Российской Федерации, г. Калуга (2009 г.); Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу в ФГБОУ ВПО «Рязанский ГАУ» им. П.А. Костычева, г. Рязань, (2013 г.); Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу в ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ», г. Саратов (2013 г.); Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж (2015 г.). По результатам выполненных работ автор является лауреатом Всероссийского конкурса «Инженер – года» (2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 72 печатные работы, в том числе: в 17 публикациях в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в 2 монографиях, в 10 описаниях к патентам РФ. В работе использованы материалы и результаты исследований, выполненных лично автором.
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения и
шести разделов, заключения, рекомендаций производству, списка
использованных источников из 338 наименований (в т. ч. 13 на иностранных языках). Общий объм диссертационной работы 332 стр., в том числе 134 рисунка, 14 таблиц и 29 приложений на 88 страницах.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты выполненного анализа проведнных теоретических и
экспериментальных исследований технологических процессов при возделывании
льна и других мелкосеменных культур.
-
Разработанный методологический комплекс проведения исследований, а также структурная схема качественного выполнения предпосевной обработки почвы и посева с применением усовершенствованных технических средств при возделывании льна и других мелкосеменных культур.
-
Усовершенствованные технологические процессы и технические средства для предпосевной обработки почвы и посева, обеспечивающие качественную подготовку семенного ложа почвы и распределение высеваемого материала, с учтом предъявляемых агротехнических требований к возделыванию льна и других мелкосеменных культур.
4. Алгоритм проектирования рабочих органов и математические модели
качественного выполнения предпосевной обработки почвы, посева с
разноуровневым внесением минеральных удобрений и заделкой высеваемого
материала, с учтом исходных реологических, физико – механических и
технологических свойств почвы.
5. Обоснованные параметры и режимы работы блочно – модульного адаптера
для совмещения технологического процесса предпосевной обработки почвы, посева
льна и других мелкосеменных культур, подтверждающие теоретические
предпосылки.
6. Показатели сравнительных производственных испытаний и оценка технико-экономической эффективности усовершенствованных технологических процессов и технических средств для возделывания льна и других мелкосеменных культур.
Анализ агробиологических и технологических требований к возделыва нию льна и других мелкосеменных культур
Выполнение основных требований Доктрины, Стратегии развития Российской Федерации на период до 2020 года [132, 143, 277, 278, 279, 298, 331, 335] позволит обеспечить устойчивое производство сырьевой базы и пищевых продуктов в объёмах, соответствующих пороговым значениям товарных ресурсов внутреннего рынка, а также способно гарантировать продовольственную независимость Российской Федерации и доступность пищевых продуктов каждому гражданину страны для ведения активного и безопасного образа жизни.
Уровень производства сырьевой базы должен достигать требуемых значений [130, с. 3] в качестве критерия оценки продовольственной безопасности и составлять: для зерна – не менее 95 %; для мяса и мясопродуктов (в пересчёте на мясо) – не менее 85 %; для молока и молокопродуктов (в пересчёте на молоко) – не менее 90 %. В области производства сельскохозяйственной продукции и повышения уровня сырьевой базы усилия должны быть сосредоточены на следующих направлениях [135, с. 4]: «…повышение почвенного плодородия и урожайности, расширение посевов сельскохозяйственных культур за счёт неиспользуемых пахотных земель…; ускоренное развитие животноводства».
В Стратегии развития [277, с. 6] указывается, что «... на данный момент передовые техника и технологии имеются примерно в 1,5 % крупных аграрных организаций и менее чем в 0,5 % фермерских (крестьянских) хозяйств, использующих современную зарубежную технику и технологии, включая посевной материал. При этом передовые сельскохозяйственные предприятия эффективно производят не более 10 % всей сельскохозяйственной продукции в стране».
Разработка и внедрение в производство современных технологических адаптеров, а также элементов и сельскохозяйственной техники, обеспечивающей их реализацию, позволят поэтапно снизить зависимость отечественного сельскохозяйственного производителя от импорта технологий, машин, оборудования и соответственно сырьевой базы как неотъемлемой части развития промышленного и продовольственного комплекса в условиях ИМ [27].
Реализация инновационных технологических процессов, разработка современных отечественных технологических адаптеров с учётом увеличения про изводительности труда, ресурсо- и энергосбережения в сельскохозяйственном производстве можно рассматривать как элемент, позволяющий обеспечить экономическую независимость Российской Федерации.
Исследование процессов предпосевной обработки почвы и посева мелкосеменных культур позволит создать устойчивую сырьевую базу для дальнейшей переработки продукции льна-долгунца, ярового рапса, клевера, создать рабочие места и возродить былую славу, вопреки ввозимому Европейскому льну [302, 308] и Среднеазиатскому хлопку [123, 241, 300], а также «зарубежному» рапсу [41, 322]. В сложившихся условиях возделывание льна-долгунца является основным источником сырьевой базы для текстильной промышленности, что подчёркивает возрастание стратегического значения данной сельскохозяйственной культуры.
Использование льна-долгунца возможно в различных областях – в технике, в лёгкой промышленности, в качестве сырьевой базы. В современных условиях производства растениеводческой продукции вопросами обработки почвы и посева мелкосеменных культур занимаются многие исследователи и научно-исследовательские учреждения. К мелкосеменным культурам, помимо льна-долгунца, по основным критериям (масса 1000 семян составляет не более 370…400 г, а максимальный размер – не более 3,5…4,0 мм) отнесены как технические – лён масличный, яровой рапс, так и кормовые культуры, к которым причисляют травы однолетние и многолетние, клевер красный, клевер белый, люцерна. Данный факт обусловлен рядом причин: с одной стороны, возможным формированием конкурентного рынка взамен хлопку, а с другой – широким введением в севообороты хозяйств кормовых культур по причине вывода из севооборотов основных зерновых культур [125, 165, 277, 317].
Давно известно, что почвы Тверского региона и близлежащих областей Центрального экономического сектора оптимально подходят для посева льна и других мелкосеменных культур с целью создания требуемой кормовой базы сельскохозяйственных предприятий и для технических нужд [142, 302]. Поэтому рассмотрение вопросов, связанных с возделыванием мелкосеменных культур, является актуальным направлением для сельскохозяйственных предприятий Нечерноземной зоны РФ.
Согласно статистическим данным [277, с. 6], в Российской Федерации производительность труда в сельском хозяйстве в 4,1 раза ниже по сравнению с Финляндией и в 5,2 раза – по сравнению с Канадой, несмотря на схожие агроклиматические условия перечисленных стран.
Уровень интенсификации также имеет сравнительно низкий показатель и составляет, в частности, для производства зерновых всего 0,59. Реализация инновационных технологий и сельскохозяйственной техники – улучшение состояния машинно-тракторного парка путём использования инновационных рабочих органов – снизит влияние главного сдерживающего фактора технологической модернизации отрасли на данном этапе. В последнее время отмечается улучшение демографических показателей в сельской местности. Так, исследователи отмечают положительную динамику в приросте населения в сельской местности [279, 281, с. 7]: численность населения в сельской местности выросла практически на один миллион человек. Однако отсутствие рабочих мест, недостаточный уровень развития инфраструктуры не позволяет наращивать темпы демографического роста в сельской местности. Создание рабочих мест, позволяющих занять сельское население, является одним из необходимых этапов повышения количественного состава населения на сельских территориях Российской Федерации.
Разработка инновационных технологий и внедрение ресурсо- и энергосберегающей сельскохозяйственной техники в современный агропромышленный комплекс позволит создать рабочие места и повысить уровень жизни населения. Использование ресурсосберегающих технологий в системах интенсивной и нормальной технологий позволит создать дополнительные рабочие места, повысить урожайность, увеличить уровень импорта продукции из мелкосеменных культур не только прямого назначения, но и дополнительного – в таких отраслях, как медицина, военная промышленность, пищевая промышленность.
Формирование оптимальных технологических адаптеров возделывания льна и других мелкосеменных культур как сложных систем
Проведенный анализ технологических процессов возделывания мелкосеменных культур показал, что на ресурсосбережение и энергоёмкость выполнения технологических процессов оказывает влияние полевая всхожесть семян и урожайность льна и других мелкосеменных культур.
Данные анализа информационных источников свидетельствуют о том, что в начальный период на произрастание семенного материала влияет ряд факторов, среди которых оптимальное применение агротехнологических приёмов с учётом: - возделываемого предшественника; - применяемой предпосевной обработки почвы; - используемого способа посева мелкосеменных культур; - вида высеваемого материала. Используемые технологические адаптеры и их качественный и количественный состав в значительной степени оказывают воздействие на полевую всхожесть возделываемых мелкосеменных культур. Вместе с тем, основным влияющим фактором является качество выполнения технологических процессов с учётом условий возделывания мелкосеменных культур.
В нашем случае в качестве критерия оптимального использования технологических процессов возделывания принимается критерий максимально возможной полевой всхожести. Возможная полевая всхожесть и урожайность мелкосеменных культур определяется выражением Яв = , %, (2.1) N где Пв - максимальное значение полевой всхожести мелкосеменных культур за начальный период вегетации растений при теоретически возможном к.п.д. фотосинтетической активности радиации; R - количество фотосинтетической активности радиации, приходящееся на один гектар пашни за исследуемый период вегетационного срока, кДж/га; К - коэффициент потребления растениями ФАР при формировании биомассы, %; N - среднее количество энергии, накопленное растениями в одном центнере продукции, кДж. Для условий Нечерноземной зоны полевая всхожесть высеваемого материала должна стремиться к значению, равному 100 %, а урожайность изменяется в зависимости от последующих факторов ухода за растениями.
Следовательно, учитывая влияние на исследуемую полевую всхожесть различных агротехнологических приёмов, можно записать выражение Пвлаб. = Пеплан.(Х1;Х2;Х3...Х7) , %, (2.2) где Х- ресурсо- и энергосбережение агротехнологических приёмов; Пвлаб. - лабораторная всхожесть высеваемых мелкосеменных культур, %; Пвплан. - планируемая полевая всхожесть возделываемых мелкосеменных культур, %. Фактическое уменьшение полевой всхожести высеваемого материала определяется разностью лабораторной и планируемой всхожести [90]. Оптимальное значение полевой всхожести, совпадающее с планируемым значением, позволит сократить вегетационный период мелкосеменных культур. Уменьшение вегетационного периода позволит сократить сроки на весь этап возделывания и уборки мелкосеменных культур, а также повысить эффективность качественной реализации предлагаемого агротехнологического приёма по возделыванию.
Данное обстоятельство указывает на то, что уменьшение вегетационного периода за счёт использования менее энергоёмких технологических процессов не в полной мере отражает критерий оптимизации. Поэтому оценку технологических решений производим по критерию оптимального комплекса машин, с учётом рациональных вариантов инновационных технологических решений. Таким образом, комплекс машин и агротехнологические приёмы, влияющие на всхожесть возделы 51 ваемых мелкосеменных культур, являются базой для формирования технологических процессов возделывания льна-долгунца, ярового рапса, клевера и др.
Применительно к технологии возделывания мелкосеменных культур выражение оптимизации запишем в виде ± зтр-км1± зпр-км0± зпоткм1 ТМ Т. ± ф +1 , (2.3) где Tfи Ti+i - варианты технологических решений; Етр; Етоп; Етехн.; Есмк; Еур ; Еуд - энергозатраты на труд, топливо, технику, семенной материал, урожай и удобрения (соответственно), МДж/га; Зтр - затраты на оплату труда обслуживающего персонала, чел. ч/га (руб./га); 3„р - затраты приведённые, руб./га; Зпот - затраты при потерях высеянных семян, руб./га; Еур - удельные энергозатраты на повышение урожайности, МДж/га; Кмі - эмпирические коэффициенты различных видов энергозатрат и энергосодержания урожая. Критерием оптимизации в данном случае являются оптимальные затраты труда, а также качество проведения технологических процессов. В качестве окончательного критерия следует рассматривать прибыль от реализуемой продукции.
На основании проведённых исследований теоретических предпосылок, отражённых в разделе 1, с учётом вышеизложенных аспектов составлена методологическая база исследований технологических процессов возделывания мелкосеменных культур в условиях сельскохозяйственных предприятий Нечерноземной зоны (рисунок 2.1) и предложена структурная схема процесса с применением инновационных рабочих органов реализации предложенной технологии.
Структурирование отдельных элементов технической системы, с учётом АТТ, предъявляемых к качественному проведению выполняемых технологических процессов, позволит учесть ФМТС высеваемого материала и исходных характеристик почвы в условиях Нечерноземной зоны [90].
Методологическая база исследований, базирующаяся на системном подходе, является основой многоуровневой структуры, позволяющей разрабатывать эле 52 менты и рабочие органы технической системы, обеспечивающей качественное вы полнение технологических процессов при возделывании мелкосеменных культур. Методологическая база исследований технологического процесса возделывания мелкосеменных культур в условиях сельскохозяйственных предприятий Нечерноземной зоны
Использование принятой методологии позволяет создать систему исследований на основе более простых подсистем, связанных между собой через внутренние характеристики. В свою очередь, простые подсистемы позволяют с учётом условий функционирования изменять оптимальные режимы работы отдельных элементов технической системы по возделыванию мелкосеменных культур. Решение задач, связанных с данной системой, позволит разработать алгоритм проектирования как простых элементов, так и сложной технической системы для возделывания мелкосеменных культур с его дальнейшей машинной реализацией в виде программного комплекса.
Проведенный анализ технологических процессов возделывания мелкосеменных культур позволил установить новые направления совершенствования элементов технических систем для предпосевной обработки почвы, дозирования высеваемого материала и качественной заделки, с учётом условий функционирования в сельскохозяйственных предприятиях Нечерноземной зоны (рисунок 2.2). ПО – прикатывающее устройство, ротационная борона; ПМ – высев мелкосеменных культур; внесение минеральных удобрений; ЗМ – сошниковые группы, заделывающие элементы; БМКА – комплекс для возделывания мелкосеменных культур; Х – входные функции внешнего воздействия (ФМТС почвы, высеваемого материала; условия функционирования); Y – выходные результирующие показатели работы элементов комплекса для возделывания мелкосеменных культур – почвообрабатывающих, высевающих и заделывающих рабочих органов; КП – функции управляющего воздействия на качественные показатели (регулируемые параметры и режимы работы элементов комплекса для возделывания мелкосеменных культур); Z – функции состояния перечисленных элементов комплекса (нерегулируемые параметры и режимы работы); У1 – качество распределения высеваемого материала, Е1 – энергоёмкость технологического процесса возделывания мелкосеменных культур
Алгоритм модели предпосевной обработки почвы под лён и другие мелкосеменные культуры
Основатель земледельческой механики академик Василий Прохорович Го-рячкин отмечал [111]: «…в основу обоснования параметров и режимов работы почвообрабатывающих и других сельскохозяйственных машин должно быть заложено знание механико-технологических основ расчёта и проектирования машин…». Последователи академика В.П. Горячкина в своих работах разработали основу для проектирования почвообрабатывающих машин, среди которых имеются и разработки, касающиеся ротационных рабочих органов [177, 209, 235, 236, 310].
Рассматривая технологические процессы, происходящие при предпосевной обработке почвы, ряд исследователей учитывал различные виды деформации – сжатие, смятие, сдвиг, растяжение, сложные деформации [43, 151, 234, 235, 265].
Большинство работ, ведущихся в настоящее время, отражает технологические характеристики почвы при ее обработке [8, 18, 30, 31, 112, 195]. Не менее значимыми являются работы, посвящённые исследованию машин для дополнительной и предпосевной обработки почвы, работающих и на повышенных скоростях [32, 133, 139, 209, 233].
При проектировании рабочих органов почвообрабатывающих машин особое значение приобретает оценка качества проведения технологической операции. Однако следует отметить, что отклонения параметров и режимов рабочих органов в процессе взаимодействия с почвой оказывают значительное влияние как на качество проведения предпосевной обработки почвы, так и на тяговые характеристики агрегата в целом.
Проблема предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры в настоящее время является весьма актуальной, что связано с особенностями создания оптимального строения поверхностного почвенного горизонта. В соответствии с Программами развития сельскохозяйственного производства мелкосеменных культур, рассмотренных в разделе 1, при выполнении аналитических [19, 109, 127, 259] и собственных экспериментальных исследований установлена зависимость полевой всхожести льна и других мелкосеменных культур от факторов предпосевной подготовки почвы. Одним из направлений решения задачи по созданию требуемого строения поверхностного слоя почвы, повышающего полевую всхожесть возделываемых мелкосеменных культур, является теоретическое обоснование режимов работы почвообрабатывающих органов. На основании выполненных исследований составлена блок-схема подсистемы взаимодействия факторов предпосевной обработки почвы с полевой всхожестью мелкосеменных культур (рисунок 3.1).
Анализ представленной модели показывает, что на отдельные подсистемы влияют различные факторы, которые могут быть постоянными или переменными. Проведенный анализ теоретических исследований по обоснованию режимов функционирования ротационных рабочих органов, используемых в ходе предпосевной почвообработки, показал, что основное внимание уделяется обоснованию энергетических параметров, однако не следует пренебрегать и устойчивостью рабочих органов в процессе их взаимодействия с почвой. Существующие норматив-
ные документы [4, с. 30…32] указывают на то, что качественная оценка проводится по следующим критериям: наличие почвенных комков от 1,0 до 25,0 мм; рыхление на глубину 3,0…5,0 см и среднее отклонение от требуемой глубины в диапазоне + 1,0 см. Проведённый анализ конструкций существующих технологических адаптеров и технических средств для предпосевной подготовки почвы, продемонстрировал, что имеющиеся разработки не отвечают установленным агротехническим требованиям.
Составленный алгоритм проектирования рабочих органов, в зависимости от условий функционирования, отражён в машинном виде при реализации модели взаимодействия внешних условий с параметрами и режимами выбранных технических средств для предпосевной обработки почвы. В качестве показателей исходных почвенных свойств (ЗПУ) (рисунок 3.2) приняты АТТ [79, 93] к предпосевной обработке почвы, к которым относятся исходное значение плотности почвы по слоям, в том числе и семенного ложа, а также относительная влажность и структурность.
С учётом почвенно-климатических условий возделывания льна и других мелкосеменных культур показателями, отражающими внешние свойства (ВС), являются значения водно-воздушного и температурного режимов различных по гранулометрическому составу почв, её рельефа, а также засорённости камнями и другими препятствиями. Входными воздействиями на рассматриваемую систему являются следующие: различные по типу и механическому составу почвы, значение плотности, структурности, относительной влажности обрабатываемой почвы. К выходным характеристикам исследуемой системы причисляются значения конструктивных параметров и режимов работы технических средств, в качестве ограничений которых выступают требуемые технические условия (ТУ) – материалоёмкость, ресурсо- и энергосбережение. Формирование требуемых свойств почвы для посева льна и других мелкосеменных культур является основной целью работы представленной системы моделирования процесса. Необходимо учитывать условия внешней среды (ВС), свойства почвы (П) и непосредственно показатель рабочего элемента (РО) с целью увеличения полевой всхожести мелкосеменных культур.
Моделирование технологического процесса функционирующей системы проведено на основе агрегативного способа. Поэтапно описан процесс проектирования рабочих органов, которые рассмотрены как подсистемы сложной моделируемой многоуровневой системы. Начальный этап позволяет выделить функционирующую подсистему «машина для почвообработки – рабочий элемент – свойства почвы» [91]. Затем сформулирована задача разработки программы для проектирования отдельных элементов системы при предпосевной подготовке почвы к требуемым ФМТС, в соответствии с типом, гранулометрическим составом адаптивно-ландшафтной системы земледелия в условиях сельскохозяйственных предприятий Нечерноземной зоны.
Разработанный алгоритм представлен в виде блок-схемы на рисунке 3.3. При моделировании был использован «принцип особого состояния», когда отдельная подсистема обрабатывается по самостоятельной схеме. Начальный этап подразумевает выбор вида и сорта мелкосеменной культуры по известным параметрам ВС, а также установление необходимой глубины посева, значения плотности в семенном ложе почвы, структурности. Определяются значения параметров рабочего органа – диаметр, удельная нагрузка, оптимальная форма рабочего органа – с использованием математической модели зависимости указанных значений от исходного состояния почвы.
На следующем этапе происходит корректировка установленных конструктивных параметров для создания уплотнённого семенного ложа почвы, с учётом характера распределения удельной нагрузки по глубине почвы. Оптимальные режимы определяются математическими моделями, которые выражают зависимости распределения удельной нагрузки и плотности в почвенном слое от типа рабочего органа и его кинематических режимов, с учётом АТТ.
Оптимизация параметров и режимов работы дискового пневматического высевающего аппарата
Направления и величина деформаций частиц почвы в современных условиях исследованы недостаточно. Следовательно, в задачи исследования входит определение минимальной величины деформаций почвы, возникающих в результате воздействия рабочих органов, что послужит уменьшению энергоёмкости процесса.
При анализе кинематических режимов катков с недеформируемой поверхностью не представляется возможным исключить процессы, связанные с буксованием или скольжением. Исключение зоны буксования или скольжения возможно с применением эластичных, упругих рабочих органов. Применение эластичных или упругих элементов приводит к использованию неметаллических материалов, что способствует снижению надёжности и усложнению процесса изготовления рабочих органов. При этом, обеспечивая сложную траекторию перемещения рабочего органа, можно исключить зоны буксования и скольжения кратковременным взаимодействием деформатора с почвенным слоем. Использование винтовой рабочей поверхности, с отношением ширины деформатора к его диаметру более 10, позволяет выполнить предпосевную обработку почвы качественно. Предлагается процесс, обеспечивающий сложную деформацию почвенного слоя, который исключает трещинообразование и уменьшает удельные затраты энергии на его выполнение.
Анализ траекторий перемещения почвенных частиц указывает на сложность процесса деформации почвенного слоя. При проведении теоретического исследования взаимодействия ротационной бороны с почвой учитывается тип и механический состав почвы, её исходные ФМТС, в зависимости от свойств высеваемого материала – льна и других мелкосеменных культур. С учётом реологических свойств почвы и возникающих упруговязкопластических деформаций [37, 83, 84, 157, 38] процесс деформации почвенных агрегатов может проходить по нескльким схемам (рисунок 3.22).
Предложенный процесс предполагает несколько этапов деформации: 1 – локальное сжатие опорной поверхностью ротационной бороны, когда в почве возникают деформации, характеризующие её упругие свойства (почва при этом сжимается, не разрушаясь); упругие деформации распространяются на глубину и ширину, не превышающие 20 мм в зоне взаимодействия с деформатором; за счёт отсутствия жёсткого соединения оси вращения ротационной бороны с наружной (рабочей) поверхностью, предопределяется пластическая деформация почвенного слоя, а диаметр ротационной бороны снижается до 2R; Vр.о. – линейная скорость ротационного деформатора; V1…V4 – объёмы структурных почвенных агрегатов при различных видах деформации Рисунок 3.22 – Возможные схемы деформаций почвы ротационной бороной 2 – отделение предварительно сжатого почвенного агрегата с объёмом V2 производится зубьями клинообразной формы; предварительно сжатый почвенный объём деформируется на растяжение с одновременным сдвигом за счёт перехода из сжатого состояния в исходное; поскольку значение сдвиговых деформаций незначи тельное, перемещение почвенного агрегата происходит под углом к направлению ли нейного перемещения ротационной бороны; 3 – следующий этап сопровождается выходом почвенного объёма V3 из зоны взаимодействия с ротационным деформатором; за счёт остаточных напряжений почва стремится восстановить исходную форму и объём, разжимаясь; использование де форматора клинообразной формы позволяет переместить почвенный агрегат под уг лом к направлению движения ротационной бороны, что позволяет обеспечить разру шение почвы до мелкокомковатого строения, одновременно уплотнив семенное ложе почвы. В дальнейшем процесс взаимодействия деформатора с почвой повторяется циклично. Комбинированное уплотняющее и рыхлительное воздействие ротационной бороны на почву формирует качественный посевной слой, соответствующий АТТ, а также позволяет управлять деформацией почвенных агрегатов в соответствии с установленными АТТ.
Составленная схема деформации почвенного слоя (рисунок 3.22) указывает на необходимость найти значение объёма V3, позволяющего в дальнейшем определить динамику процесса деформации почвы ротационной бороной. Определим объём почвы V3, используя криволинейные координаты - «R, p,t» - в виде уравнений V3 = (її dxdydz = (її \j\dRdcpndt , (3.45) V3 V3 где \j\ - коэффициент, учитывающий переход из прямоугольных координат в криволинейные; R - величина приращения радиуса ротационной бороны при взаимодействии с почвой;