Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1 Агротехнические требования, предъявляемые к посеву семян овощных культур 8
1.2 Агротехника посева овощных культур 11
1.3 Технические средства для заделки семян овощных культур в почву 22
1.3.1 Сеялки 22
1.3.2 Посевные секции и сошники 30
1.3.3 Конструкции сошников для подпочвенно- разбросного посева 36
1.4 Выводы, цель и задачи исследований 46
2 Теоретическое исследование процесса посева сошником с активным рассеивателем и внутрипочвеннои заделкой семян овощных культур 48
2.1 Конструкция и технологическая схема работы сошника с активным рассеиванием семян 48
2.2 Анализ условий, определяющих движение семян в сошнике 51
2.3 Исследование свободного полета семян после удара о пластину 55
2.4 Определение координат точек падения семян после скольжения по пластине 58
2.5 Результаты расчетов и выбор режимов работы 63
2.6 Выводы по главе 65
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 68
3.1 Программа экспериментальных исследований 68
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 69
3.2.1 Объект и средства экспериментальных исследований 69
3.2.1.1 Описание экспериментальной установки, приборы и оборудование 69
3.2.2 Методика определения оптимальных конструктивных параметров пластины распределителя семян 73
3.2.3 Методика определения оптимальной амплитуды и частоты колебаний пластины рассеивателя семян 75
3.2.4 Методика проведения многофакторного эксперимента по оптимизации параметров активного рассеивателя семян сошника для подпочвенно-разбросного посева 78
3.2.5 Методика математической обработки результатов экспериментальных исследований 82
3.3 Методика проведения полевых испытаний 86
4 Результаты экспериментальных исследований 90
4.1 Обработка результатов экспериментальных исследований 90
4.2 Разработка экспериментального сошника с активным рассеивателем семян для внутрипочвенного разбросного посева овощных культур 98
4.3 Результаты полевых испытаний 100
4.4 Выводы по главе 105
5 Экономическая эффективность внедрения экспериментального сошника для внутрипочвенного разбросного посева овощных культур 107
5.1. Определение годового экономического эффекта 107
5.2 Выводы по главе 111
Общие выводы 114
Список литературы 116
Приложения 127
- Агротехника посева овощных культур
- Анализ условий, определяющих движение семян в сошнике
- Описание экспериментальной установки, приборы и оборудование
- Обработка результатов экспериментальных исследований
Введение к работе
Важной проблемой на сегодняшний день является отсутствие в севообороте сельскохозяйственных предприятий кормовых культур, таких как свекла, морковь и другие. Отсутствие данных культур ведёт к снижению молочного и мясного производства, так как животные недополучают те питательные вещества, которые содержатся в корнеплодах.
Причиной данной проблемы является недостаток средств механизации технологических процессов возделывания, уборки и послеуборочной обработки кормовых культур.
В общем комплексе технологических операций по возделыванию овощных и других сельскохозяйственных культур важное место занимает посев, так как своевременность и качество его проведения во многом определяют урожайность культуры и величину последующих затрат труда на её возделывание.
Как известно, одним из основных требований, предъявляемых к посеву сельскохозяйственных культур, является равномерность распределения семян по площади засеваемого поля. В идеальном случае площадь питания одного растения должна иметь круглую форму. При этом подразумевается, что растение располагается в центре круга определенной площади и получает питательные вещества равномерно со всех направлений. Однако у большинства применяемых в настоящее время способов посева форма площади питания растений представлена вытянутым прямоугольником, что приводит к неравномерному использованию плодородной почвы и создает предпосылки к снижению урожайности культуры.
Попытки равномерного распределения семян по засеваемой площади поля предпринимались и раньше, но широкое внедрение в производство подпочвенно-разбросной посев не получил из-за несовершенства конструкций сошников.
Одним из основных недостатков существующих сошников для подпочвенно-разбросного посева является недостаточная дальность рассева семян по ширине захвата сошника, что приводит к увеличению количества стыковых междурядий, и, как следствие, увеличению незасеянной площади поля и снижению равномерности распределения растений. Также существенным недостатком является и то, что все распределители семян в этих сошниках являются пассивными и выполнены в виде отражающих поверхностей различной формы и при небольшом уклоне поверхности ПОЛЯ, а соответственно и сошника, рассев семян будет осуществляться только в направлении уклона.
Сочетание равномерного распределения семян по площади поля при посеве с оптимальной для данной зоны и культуры нормой высева позволило бы без дополнительных затрат обеспечить значительное повышение продуктивности сельскохозяйственных культур.
Целью данной диссертационной работы является повышение качества посева овощных культур за счет совершенствования технологического процесса распределения семян по площади питания и обоснование конструктивных форм и параметров сошника с активным рассеивателем семян для внутрипочвенного разбросного посева.
Объект исследований. Технологический процесс распределения семян при внутрипочвенном разбросом посеве овощных культур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- получено математическое описание рабочего процесса распределения
семян при использовании активного рассеивателя;
- выведены аналитические зависимости, обосновывающие взаимо
действие семян с активным рассеивателем;
разработана методика, основанная на математической модели, для определения рациональных параметров рассеивателя;
получена математическая модель процесса посева по качественному параметру оптимизации (равномерность распределения семян);
- определены параметры и режимы работы рассеивателя, обеспе
чивающие наиболее лучшую равномерность распределения семян.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема сошника для внутрипочвенного разбросного посева (патент РФ на изобретение №2316931).
Производственный образец сошника испытан на полях СПК «Первый май» Малопургинского района Удмуртской Республики и крестьянского хозяйства «Нива» Завьяловского района Удмуртской Республики. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы научно-исследовательскими институтами, конструкторскими бюро и машиностроительными заводами при разработке сеялок для внутрипочвенного разбросного посева, а также в учебном процессе сельскохозяйственными учебными заведениями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Ижевской ГСХА в период 2005-2008 года. По материалам исследований опубликовано в 7 научных работ, в том числе три из них в центральных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 54 рисунка и 8 приложений. Список литературы включает 115 наименований.
На защиту выносятся следующие основные положения:
конструктивно-технологическая схема сошника для внутрипочвенного разбросного посева;
аналитические зависимости, обосновывающие основные параметры и режимы работы активного рассеивателя, условие движения семян;
результаты экспериментальных исследований по оптимизации параметров и режимов работы активного рассеивателя семян;
результаты производственных испытаний разработанной конструкции;
технико-экономические показатели использования сошника.
Агротехника посева овощных культур
Технологический процесс возделывания овощной культуры представляет собой совокупность операций, выполняемых в определенной последовательности, увязанной по времени и средствам воздействия на обрабатываемые объекты (почва, семена, растения, плоды и т. д.). Каждая операция в этом процессе является дискретной и характеризуется конкретными выходными параметрами, отвечающими агробиологическим требованиям данной культуры. При этом выходные параметры предыдущей операции служат входными последующей, что обуславливает их качественную взаимосвязь и технико-экономические показатели. Поэтому из общего комплекса технологических операций трудно выделить главную, так как каждая из них в конкретных условиях может оказать решающее влияние на конечный результат всего технологического процесса. Вместе с тем некоторые операции составляют основу технологии и являются определяющими как в затратах труда, так и при получении гарантированного высокого урожая. К ним следует отнести, прежде всего, посев.
Основной задачей посева, как известно, является обеспечение оптимальной густоты стояния растений, и равномерное распределение их по площади засеваемого поля, т. е. создание таких условий, при которых между растительными организмами равномерно распределяются четыре равнозначных и взаимно незаменимых фактора их жизнедеятельности (свет, тепло, вода и элементы пищи) [19, 97].
Успешное решение этой задачи, как показывает практика отечественного и зарубежного овощеводства, во многом зависит от способа посева и его соответствия биологическим особенностям данной культуры. Либо он сам по себе обеспечивает оптимальное размещение и густоту стояния растений, либо создает необходимые условия для их формирования путем использования различных механических средств, включая ручное прореживание всходов. Роль способа посева состоит еще и в том, что он предопределяет, кроме посевных агрегатов, тип, конструктивные особенности и степень применения всего комплекса машин на последующих видах работ (включая уборку урожая), обуславливая тем самым технико-экономические показатели всего технологического процесса в целом. Поэтому способ посева можно отнести к числу главных этапов, являющихся технологической основой создания новых более совершенных посевных машин, отвечающих требованиям современных индустриальных технологий производства овощей.
Способы посева семян овощных культур в том виде, в каком они описаны в литературе, проанализировать не представляется возможным, так как нередко один и тот же способ приводится под разными названиями или, наоборот, различным способам присваивается одно и то же наименование.
В настоящее время при возделывании овощных культур принято различать следующие способы посева: обычный рядовой, гнездовой (групповой), квадратно-гнездовой, пунктирный, односемянный (точный) и широкополосный. Такое многообразие названий приводит к смешению понятий способа и схемы посева. Ниже приводится классификация способов посева семян овощных культур [20] (рисунок 1.1), в основу которой положен действительный характер размещения семян на площади посева. В соответствии с этим признаком все существующие в практике виды распределения семян можно объединить в три способа посева: рядовой, полосовой и сплошной (безрядковый).
В основе рядового способа посева лежит размещение семян правильными рядами, которые могут быть расположены на различном расстоянии друг от друга, образуя междурядья различной ширины. Распределение семян в рядах может быть гнездовое (группами), квадратно-гнездовое (группы семян смежных рядов располагаются в вершинах квадрата или прямоугольника) и неупорядоченное. Рядовой посев с неупорядоченным размещением семян в ряду принято называть обычным рядовым посевом. Односемянный, или, как многие авторы его называют, пунктирный, является частным случаем гнездового размещения семян в ряду, когда число их в гнезде равно единице.
Полосовой способ посева (в литературе он часто называется широкополосным) отличается от рядового тем, что семена распределяются не рядами, а полосами различной ширины. Семена в полосе, так же как и при обычном рядовом посеве, размещаются неупорядоченно. Рядовой посев с междурядьями менее 10 см можно отнести к частному виду полосового.
Сплошной способ характеризуется тем, что семена распределяются по всей посевной площади рядами с междурядьями менее 8 см с засевом следа колес трактора. Сплошной посев, на котором следы колес не засеваются, является частным видом полосового способа посева.
Под схемой посева следует понимать взаимное расположение рядов или полос на засеянном поле.
При посеве рядовым способом в настоящее время используется значительное количество различных схем расположения рядов. Однако большинство из них отличаются только лишь названиями. В целях унификации все существующие виды размещения рядов можно объединить в три основные схемы посева: однострочную, ленточную и многострочную.
Однострочной схеме отвечает расположение рядов с одинаковыми расстояниями между ними, многострочной — сближением нескольких рядов. В итоге на поле получается чередование нескольких суженных междурядий с одним расширенным.
Ленточная схема является частным случаем многострочной и характеризуется сближением двух рядов и чередованием суженных и расширенных междурядий. Выделение ленточной схемы посева в самостоятельную обусловлено тем, что она получила наибольшее распространение при посеве семян основных овощных культур (морковь, томаты, огурцы, капуста, перец, баклажаны и др.). При полосовом посеве схемы расположения полос аналогичны схемам рядового посева и выбираются в соответствии с агротехническими требованиями и техническими возможностями посевного агрегата.
В практике отечественного овощеводства наибольшее распространение получил обычный рядовой посев с различными междурядьями. Широкое внедрение этого способа объясняется отнюдь не достоинствами его перед другими, а тем, что в начальной стадии развития овощеводства, как отрасли, не было специальных овощных сеялок, и посев проводили зерновыми рядовыми сеялками. Широкое применение обычного рядового посева в последующие годы и до настоящего времени обусловлено, с одной стороны, отсутствием научно обоснованных агротехнических требований как к способам посева, так и машинам, предназначенным для их осуществления, с другой — несовершенством имеющихся овощных сеялок для гнездового и других видов размещения семян.
Анализ условий, определяющих движение семян в сошнике
На рисунке 2.2 сплошными линиями показаны законы изменения хи х в зависимости от времени. Из графиков видно, что при длине семяпровода / = 0,3 м семя достигнет пластины рассеивателя через tp = 0,26 с после начала падения, имея скорость Vp =хр= 2,15 м/с.
После выхода из семяпровода движение семян в значительной степени имеет случайный характер. Одна часть семян попадает прямо на образованную лапой сошника борозду, падая в просвет между стенкой семяпровода и кромкой пластины, когда она находится в крайнем положении. Такой вариант предусмотрен в конструкции сошника для того, чтобы засевалась средняя часть ширины посева. Вторая часть в результате отскока от пластины сразу рассеивается по поверхности борозды. А третья часть семян, при малом угле отражения, ударяется об свод лапы сошника, и, имея после этого малую относительную скорость, начинает скользить по поверхности пластины.
При ударе о пластину происходит потеря кинетической энергии семян. По данным книги [105] коэффициент восстановления к, равный отношению нормальных составляющих скорости перед ударом К("} и после удара V"+) (рис. 2.3) может принимать значения от 0,15 до 0,67, т. е. изменяется в широких пределах. Наши опыты показали, что даже при вертикальном падении на горизонтальную плоскость угол отражения (между нормалью к поверхности и скоростью после удара) может достигать 60...75. То есть скорость частицы после удара может быть направлена под малым углом к горизонту. Назовем этот угол углом отскока (в). Тогда нормальная и касательная составляющие скорости частицы после удара будут определяться по формулам Кроме того, полет семян после удара происходит в случайном направлении. Это объясняется несимметричностью формы семян и наличием шипиков, которые при ударе испытывают упругую деформацию. Во время скольжения семян по пластине учтем трение, принимая коэффициент трения / равным 0,3 [105]. Покажем, что для упрощения вычислительной программы и преобразований при выводе уравнений движения семян после удара можно пренебречь сопротивлением воздуха, учитывая, что свободный полет частицы и скольжение по пластине происходит с малой скоростью на малых расстояниях. Для этого на рисунке 2.2 по известным уравнениям і = gt, х = — построены графики изменения скорости х и перемещения х без учета сопротивления воздуха. Сравнение построенных графиков показывает, что за малые интервалы времени после начала движения значения скорости и перемещения, вычисленные с учетом и без учета сопротивления воздуха, практически не отличаются. Например, при JC = 0,1 м ошибка в определении перемещения составляет 4%. Можно принять, что ошибка при нахождении координат точек падения семян будет такого же порядка, так как длина свободного полета после удара не более 0,075 м. Найдем положения точек падения на борозду тех семян, которые попадают на неё в результате свободного полета сразу после удара о пластину. Для исследования движения семян после отскока весь круг с центром в точке падения Р разобьем на 12 секторов с углом Ау равным 30 (рис. 2.4). Два из них образуют «мертвую зону» 5, в направлении которой семена не вылетают вследствие конструктивных особенностей лапы сошника. По середине остальных секторов дискретно зафиксируем 10 направлений отскока. Выбор того или иного направления для каждой падающей из семяпровода частицы определялся с помощью ряда случайных чисел. Также случайным образом для каждой частицы задавались угол отскока (от 15 до 30) и коэффициент восстановления (от 0,3 до 0,4). По графикам на рисунке 2.2 при длине семяпровода 0,3 м среднюю скорость падения частицы принимаем равной 2,1 м/с. После отскока частица летит относительно земли в вертикальной плоскости по направлению оси U (рис.2.5). Вертикальную составляющую скорости семени после удара определяем по формуле (2.4).
Описание экспериментальной установки, приборы и оборудование
Целью экспериментальных исследований является проверка установленных теоретических предпосылок процесса распределения семян по ширине засеваемой полосы и определение рациональных параметров и режимов работы рассеивателя семян. Программа включает проведение лабораторных и производственных исследований. В соответствии с поставленной целью программа исследований в лабораторных условиях предусматривает решение следующих задач: - разработка и изготовление экспериментальной установки (объекта исследований); - определение размерных характеристик рассеивателя семян; - определение частоты и амплитуды колебания пластины рассеивателя; - определение основных управляющих факторов, влияющих на процесс распределения семян пластиной рассеивателя и пределов их варьирования; - на основе методики планирования многофакторного эксперимента выявление оптимальных параметров и режимов работы рассеивателя, обеспечивающих высокую эффективность распределения семян по ширине засеваемой полосы. В производственных условиях программа исследований предусматривает решение следующих задач: - изготовление экспериментального сошника с рассеивателем семян; - установка экспериментального сошника на серийно выпускаемую сеялку и проведение производственных испытаний; - получение технико-экономических показателей экспериментального сошника с рассеивателем семян. Описание экспериментальной установки, приборы и оборудование Объектом исследования является рассеиватель семян. Схема установки представлена на рисунке 3.1. Лабораторная установка состоит из рамы 8, на которой смонтирована высевающая система (рисунок 3.4): роторный высевающий аппарат с бункером 3, семяпровод 4. К раме крепиться бесконечная транспортерная лента 6, надетая на барабанах. Натяжение ленты осуществляется натяжным устройством 7. Над лентой закреплен привод 2 с установленным на нем экспериментальным активным рассеивателем семян 5. Привод ленты и вала высевающего аппарата осуществляется от электродвигателя 9 посредством ременной 10 и цепной 11 передачами соответственно. На раме также смонтирован пульт управления лабораторной установкой 1. Конструкция привода ленты, высевающего аппарата и активного рассеивателя позволяет варьировать скоростью движения, нормой высева семян, частотой и амплитудой колебания пластины рассеивателя. Общий вид установки представлен на рисунке 3.2.
Основной принцип, положенный в основу этой установки, это принцип обратимого движения, то есть движется не сошник относительно почвы, а «почва» в сторону, обратную движению сеялки. Использование этого принципа позволяет эффективно и с достаточной точностью проводить эксперименты по исследованию равномерности распределения семян сошниками для разбросного полосового посева.
Для снижения трудоемкости по проведению опытов и, учитывая то, что равномерность распределения семян по площади обусловлена в основном характером их распределения по ширине захвата, и с целью сокращения времени на проведение экспериментов на ленту транспортера были нанесены квадраты 4x4 см (площадь квадрата равна оптимальной площади питания одного растения моркови), позволяющие оперативно и с достаточной точностью оценивать качество распределения семян по ширине захвата сошника. Общий вид ленты транспортера с нанесенными на неё квадратами представлен на рисунке 3.3. Когда включался привод транспортера и высевающего аппарата производился высев семян на размеченную ленту, в результате чего наглядно получали распределение семян по ширине захвата сошника, что позволяло оценить равномерность распределения семян по ширине засеваемой полосы.
Обработка результатов экспериментальных исследований
С целью проверки правильности результатов теоретических и экспериментальных исследований по определению качественных показателей работы экспериментальных сошников для подпочвенно-разбросного посева, в сравнении с серийными сошниками, нами были проведены полевые испытания. Для проведения испытаний овощная сеялка СО-4,2 поочередно оборудовалась экспериментальными и серийно выпускаемыми двухдисковыми сошниками.
Испытания проводились с использованием отраслевых стандартов ОСТ 10.5.1-2000 «Испытание сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей», ОСТ 70.5.1-82 «Испытание сельскохозяйственной техники. Машины посевные», ГОСТ 12036-85 «Семена сельскохозяйственных культур. Правила приемки и методы отбора проб», ГОСТ 12041-82 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения влажности», ГОСТ 12042-82 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения массы 1000 семян», ГОСТ 24055...24059-88 «Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки», ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб», ГОСТ 28268-89 «Почвы. Метод определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений» и «Методики полевого опыта» Б. А. Доспехова [27, 28, 29, 31, 32, 33, 39, 83, 84].
Программой агротехнической оценки работы сеялки оборудованной сошниками для подпочвенно-разбросного посева с активным рассеивателем семян предусматривалось решение следующих задач: - определение посевных качеств семенного материала; - подготовка посевного агрегата к работе, настройка его на заданную норму высева, установка заданной глубины заделки семян; - подготовка участка к проведению испытаний, определение его характеристик - влажности и твердости почвы; - определение агротехнических показателей работы агрегата - глубины заделки семян, динамики появления всходов, равномерности распределения семян по площади поля; - определение урожая моркови с опытных посевов и проведение структурного анализа урожая. За объект исследования в полевых испытаниях были приняты: серийный двухдисковый сошник овощной сеялки СО-4,2 и экспериментальный сошник с активным рассеивателем семян. Полевые испытания проводились на полях СПК «Первый май» Малопургинского района Удмуртской республики. Подготовка почвы к посеву проводилась в соответствии с агротехническими требованиями зоны. На выбранный для испытаний участок составлялась характеристика с указанием типа почвы, рельефа, микрорельефа, предшествующей обработки, влажности и твердости почвы. Определение влажности и твердости почвы, настройка сеялки на заданную норму высева и глубину заделки семян проводились по общеизвестным методикам. Динамику появления всходов определяли с момента их появления на трех учетных площадках размером 1 м", расположенных по диагонали опытного участка. С момента появления всходов ежедневно в одни и те же часы подсчитывали количество растений на каждой площадке с нарастающим итогом до полного их появления. Наблюдения заканчивали, когда в течение двух-трех дней количество всходов на учетных площадках повторялось или увеличивалось на одно-два растения. Данные наблюдений использовали для определения относительной динамики появления всходов, получаемой путем отношения количества всходов в день учета к общему количеству растений на учетной площадке после полного появления всходов, выраженное в процентах, а также для построения графических зависимостей. Фактическая глубина заделки семян определялась по этиолированной части растений после появления 3...4 листьев в двух смежных проходах сеялки, на полосах, намеченных по методу рандомизации вне следа трактора. На участке не менее чем у 100 растений срезалась наземная часть, а оставшаяся часть выкапывалась, и замерялось расстояние от места среза до семени. Проводилось не менее трех замеров. Ширину засеваемой полосы определяли после появления всходов. Измерения проводили в двух смежных проходах сеялки по каждому ряду сошников. Ширина полосы измерялась в поперечном направлении между крайними растениями относительно центра полосы с погрешностью не более ±1 см с трехкратной повторностью. Равномерность распределения растений по площади определялась по всходам после полного их появления и оценивалась при наложении рамки, разбитой на квадраты, размером 4x4 см, путем подсчета количества квадратов с 1, 2, 3...- и так далее растениями. На опытном участке производилось не менее трех замеров. Полученные данные по распределению растений по глубине и по площади поля обрабатывались методом математической статистики, на основании которых затем строились и анализировались графические зависимости. Основным показателем, оценивающим эффективность применения на посеве сеялки, оборудованной экспериментальными сошниками, в сравнении с существующей, является урожайность культуры с единицы площади. Для повышения достоверности полученных результатов при учете урожая с опытного участка использовали сплошной метод (по рекомендации [39]), взвешивая корнеплоды моркови со всей учетной делянки. Урожай моркови с опытных делянок убирали вручную. При уборке и учете урожая придерживались требований, установленных Государственными стандартами, по подготовке их к реализации: например, очистка корнеплодов от ботвы, остатков почвы и т. п. Всю валовую продукцию делили на две группы: товарную и нетоварную. Убранные и подготовленные к реализации корнеплоды взвешены поделяночно в день уборки. Для оценки качества урожая моркови с каждой делянки отбирали средние пробы (выборки) из товарной части продукции и определяли средний вес единицы продукции (корнеплода), вкусовые и засолочные качества, лежкость при зимнем хранении.
