Введение к работе
Актуальность научной проблемы. Энергосберегающие технологии возделывания зерновых культур подразумевают минимизацию обработки почвы при высокой научно обоснованной культуре земледелия и рациональном использовании ресурсов (почвенных, водных, энергетических, биологических, финансовых и трудовых). Такие технологии включают в себя минимальную и нулевую обработки почвы, которые основываются на проведении мульчированного и прямого посева соответственно. Существующие традиционные технологии возделывания зерновых культур характеризуются достаточно высокими трудоемкостью и затратами энергии, повышенной нагрузкой на почву и потерей плодородных почвенных ресурсов. Все это приводит к необходимости применения энергосберегающих технологий при производстве зерна.
При проведении посева зерновых культур необходимо создать оптимальные условия для прорастания семян и развития каждого растения, то есть обеспечить их необходимым количеством питательных веществ, влаги, света, воздуха и тепла в оптимальных пропорциях. Этого можно достичь, применяя подпочвенно-разбросной посев, осуществляемый, как правило, посевными машинами с лаповыми сошниками, в под- сошниковом пространстве которых установлен распределитель семян, размещающий посевной материал на дне борозды по всей ширине захвата лапы. Кроме того, такие посевные машины при возделывании зерновых культур позволяют совместить до пяти технологических операций, снизить затраты труда, энергии, влияние ветровой и водной эрозии почв, а также сократить сроки проведения посевной кампании.
Несмотря на свои явные преимущества, посевные машины для подпочвенно- разбросного посева семян зерновых культур имеют и недостатки, которые проявляются в недостаточной равномерности распределения семян по площади рассева на заданной глубине, забивании подсошникового пространства почвой, растительными остатками и посевным материалом, повышенном сопротивлении почвы.
Таким образом, возникает противоречие между требованиями, предъявляемыми к подпочвенно-разбросному посеву зерновых культур и существующими посевными машинами, не обеспечивающими снижение энергетических затрат при производстве зерна.
Поэтому исследования, направленные на совершенствование технологии и разработку новых технических средств для подпочвенно-разбросного посева семян зерновых культур, обеспечивающих повышение качества посева при минимальных энергозатратах, являются актуальными, практически значимыми и имеют важное хозяйственное значение.
Исследования проводились в ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» совместно с ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии по заданию IX.01.04 «Разработать наукоемкие ресурсосберегающие машинные технологии основной и предпосевной обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг., одобренной Межведомственным координационным советом по формированию и реализации программы 19 октября 2006 г. и президиумом Российской академии сельскохозяйственных наук 16 ноября 2006 г.
Работа выполнялась в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-1950.2009.8 по теме «Энергосберегающие технологии и технические средства для посева зерновых культур» в 2009-2010 гг. и по теме №25 НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» «Разработка рабочих органов машин для производства зерновых, корнеплодов и овощных культур».
Цель исследований. Совершенствование технологии и разработка новых технических средств подпочвенно-разбросного посева семян зерновых культур, обеспечивающих повышение качества посева при минимальных энергозатратах.
Объект исследований. Технологический процесс технических средств (сеялка, оснащенная сошниками с отражателями в семяпроводах, сеялка с сошниками с кулисно- рычажными механизмами распределителей, сеялка-культиватор с комбинированными сошниками с бороздообразующими рабочими органами и сеялка-культиватор с катушеч- но-винтовыми высевающими аппаратами) подпочвенно-разбросного посева семян зерновых культур.
Предмет исследований. Показатели энергозатрат и качества посева зерновых культур подпочвенно-разбросным способом, технологические и конструктивные параметры технических средств подпочвенно-разбросного посева.
Методика исследований. Системный и структурный анализы, математическая статистика и сравнительный эксперимент. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием законов и методов классической механики, математического анализа и методов планирования экспериментов. Предложенные технические средства для подпочвенно-разбросного посева семян зерновых культур исследовались в лабораторных, лабораторно-полевых и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, СТО АИСТ и разработанными частными методиками. Обработка экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием программ Statistica, Excel.
Научная новизна работы:
энергосберегающая технология возделывания зерновых культур с разработанными техническими средствами, обеспечивающая повышение качества посева при минимальных энергозатратах;
функциональная схема подпочвенно-разбросного посева зерновых культур, позволяющая установить взаимосвязь между критериями, влияющими на оценочные показатели работы посевных машин;
новые технические средства для посева зерновых культур (сеялка, оснащенная сошниками с отражателями в семяпроводах, сеялка с сошниками с кулисно- рычажными механизмами распределителей, сеялка-культиватор с комбинированными сошниками с бороздообразующими рабочими органами и сеялка-культиватор с кату- шечно-винтовыми высевающими аппаратами), обеспечивающие повышение равномерности распределения семян по площади рассева и качества посева;
закон движения семян в лаповом сошнике, учитывающий расположение в под- сошниковом пространстве отражателя и распределителя семян, и дифференциальное уравнение движения кулисно-рычажного механизма сошника для определения его положения в любой момент времени и обеспечения копирования микрорельефа дна борозды;
зависимости для определения тягового сопротивления комбинированного сошника с бороздообразующим рабочим органом и рабочего объема катушечно-винтового высевающего аппарата, учитывающие наличие винтовой катушки и прямоугольного клапана;
конструктивные и технологические параметры технических средств для под- почвенно-разбросного посева семян зерновых культур, влияющие на равномерность распределения семян по площади рассева на заданной глубине.
Техническая новизна разработанных технических средств для посева зерновых культур подтверждена пятью патентами РФ на изобретение - №2185715, №2368114, №2399186, №2399187, №2384040.
Практическая значимость работы заключается в разработке технической документации на сеялку-культиватор с комбинированными сошниками и сеялку-культиватор с катушечно-винтовыми высевающими аппаратами, переданной в ООО «КЗТМ» для серийного производства, а также на сеялку с сошниками, оснащенными отражателями в семяпроводах, и сеялку с сошниками с кулисно-рычажными механизмами распределителей - в ОАО «Завод Белинсксельмаш» Пензенской области для производства опытной партии.
Результаты исследований позволили обосновать технологический процесс под- почвенно-разбросного посева семян зерновых культур с применением разработанных технических средств, конструктивно-технические схемы новых технических средств, обеспечивающие лучшее распределение семян по площади рассева на заданной глубине, разработать рекомендации по оптимизации конструктивно-технологических и энергетических параметров предлагаемых технических решений.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными лабораторными исследованиями рабочих органов и полевыми исследованиями технических средств и энергосберегающей технологии при подпочвенно-разбросном посеве зерновых культур, а также сходимостью результатов лабораторных и полевых экспериментов с теоретическими исследованиями.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований использовались ООО «КЗТМ» при постановке на серийное производство сеялки-культиватора с комбинированными сошниками, сеялки-культиватора с катушечно-винтовыми высевающими аппаратами и ОАО «Завод Белинсксельмаш» при производстве опытной партии сеялки, оснащенной сошниками с отражателями в семяпроводах, сеялки, оснащенной сошниками с кулисно-рычажными механизмами распределителей семян.
Разработанные посевные машины используются в хозяйствах ЗАО «Петровский хлеб», ООО «Кургановский», ФГУП «Учебно-опытное хозяйство «Рамзай» Пензенской ГСХА», ООО «Новый Век Пенза», ТНВ «Кулагин и К» и ОАО «Ночкинское хлебоприемное предприятие» Пензенской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (1998-2010 гг.), ГОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет» (2001 г.), ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2002 г.), ФГОУ ВПО «Пензенская ГАСА» (2002 г.), ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» (2003-2005, 2009 гг.), ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА» (2003 г.), ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» (2003, 2005 г.), на Всероссийском форуме молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений (Московская СХА им. К.А. Тимирязева, 2004 г.).
Инвестиционный проект «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для посева семян сельскохозяйственных культур» на X Московском международном салоне изобретений и инноваций (2010 г.) отмечен дипломом и бронзовой медалью.
Разработка «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для посева зерновых культур» на XIII Московском международном салоне изобретений и инноваций «Архимед-2010» удостоена серебряной медали (2010 г.)
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
функциональное описание подпочвенно-разбросного посева зерновых культур;
энергосберегающая технология подпочвенно-разбросного посева зерновых культур;
теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные конструктивные и технологические параметры технических средств для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур;
новые технические средства для подпочвенно-разбросного посева (сеялка с сошниками с отражателями в семяпроводах; сеялка с сошниками с кулисно- рычажными механизмами распределителей семян; сеялка-культиватор с комбинированными сошниками с бороздообразующими рабочими органами; сеялка-культиватор с катушечно-винтовыми высевающими аппаратами);
рекомендации по применению, технико-экономическая и энергетическая оценка предлагаемых разработок.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 85 печатных работы, из них 1 монография, 16 статей в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», 33 - без соавторов, получено 5 патентов РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 69,3 п.л., из них автору принадлежит 31,8 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 299 наименований и приложения на 95 с. Диссертация изложена на 374 с., содержит 52 табл. и 160 рис.
