Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ... 16
1.1 Анализ существующих способов посадки сельскохозяйственных культур 16
1.1.1 Влияние ориентированной посадки на урожай семян 16
1Л .2 Анализ способов посадки лука-севка 18
1.1.3 Анализ способов посадки лука-матки 21
1.1.4 Анализ существующих способов семеноводства сахарной свеклы 22
1.2 Анализ существующих средств посадки сельскохозяйственных культур 24
1.2.1 Средства механизации посадки лука-севка 24
1.2.2 Средства механизации посадки лука-матки 42
1.2.3 Анализ конструкций для механизации посадки высадков сахарной свеклы 58
1.3 Анализ ориентирующих устройств 70
1.3.1 Способы и принципы ориентирования тел 70
1.3.2 Ориентирующие устройства высадков сахарной свеклы 76
1.4 Выводы цель и задачи исследования 86
2 РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПОСАДКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР (НА ПРИМЕРЕ ЛУКА И САХАРНОЙ СВЕКЛЫ) 89
2.1 Разработка энергосберегающих технологий ориентированной посадки сельскохозяйственных культур 89
2.2 Функциональное описание процесса ориентированной посадки сельскохозяйственных культур 102
Выводы 113
3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПОСАДКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР 116
З Л Теоретические основы ориентации тел 116
3.2 Теоретические исследования технологического процесса ячеисто барабанного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 125
3.2Л Геометрические и кинематические параметры ячеисто барабанного высаживающего аппарата в процессе западання луковиц севка в ячейки 125
3.2.2 Кинематические параметры ориентирующего шнека 134
3.2.3 Расчет рабочих дисков на ориентирующем шнеке 136
3.2.4 Теоретическое исследование движения луковиц севка от высаживающего аппарата до почвы 137
3.3 Теоретические исследования технологического процесса цепочно ложечного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 145
3.3.1 Геометрический расчет щеточного ориентирующего устройства 146
3.3.2 Определение кинематических параметров битера 153
3.3.3 Кинематический расчет высаживающего аппарата 154
3.3.4 Расчет ворса семяпровода 160
3.4 Теоретические исследования технологического процесса в высадкопосадочной машине с ориентирующим устройством 163
3.4.1 Определение времени подачи высадков питающим транспортером 164
3.4.2 Определение кинематических параметров падения высадка 165
3.4.3 Исследование отраженного падения высадка 169
3.4.4 Исследование разворота высадка в ориентирующих поверхностях 175
Выводы 182
4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 184
4.1 Физико-механические свойства лука-севка, лука-матки и высадков сахарной свеклы в связи с ориентированной посадкой 184
4.1.1 Условия проведения опытов и характеристика изучаемых сельскохозяйственных культур 185
4.1.2 Методика проведения исследований физико-механических свойств лука 192
4.1.3 Методика проведения исследований физико-механических свойств высадков сахарной свеклы 197
4.2 Экспериментальные исследования ячеисто-барабанного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 203
4.2.1 Лабораторные исследования 203
4.2.2 Полевые исследования ячеисто-барабанного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 216
4.3 Исследования цепочно-ложечного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 226
4.3.1 Лабораторные исследования : 226
4.3.2 Полевые исследования цепочно-ложечного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 234
4.4 Исследования ориентирующего устройства для машины 241
4.4.1 Лабораторные исследования ориентирующего устройства для высадкопосадочной машины 241
4.4.2 Полевые исследования 250
Выводы 260
5 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 261
5.1 Результаты исследований физико-механических свойств 261
5.1.1 Физико-механические свойства лука 261
5.1.2 Физико-механические свойства высадков сахарной свеклы 268
5.2 Результаты и анализ экспериментальных исследований ячеисто барабанного высаживающего аппарата с ориентирующим ством 273
5.2.1 Результаты и анализ лабораторных исследований 273
5.2.2 Результаты и анализ полевых исследований 281
5.3 Результаты и анализ исследований цепочно-ложечного высаживающего аппарата с ориентирующим устройством 287
5.3.1 Результаты и анализ лабораторных исследований 287
5.3.2 Результаты и анализ полевых исследований 294
5.4 Результаты и анализ исследований ориентирующего устройства для высадкопосадочной машины 299
5.4.1 Результаты и анализ лабораторных исследований 299
5.4.2 Результаты и анализ полевых исследований 304
Выводы 311
6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ВЫСАЖИВАЮЩИХ СИСТЕМ ПРИ 3 \ 5 ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПОСАДКИ
6.1 Экономическая эффективность широкополосной ориентированной посадки лука-севка 315
6.2 Экономическая эффективность ориентированной посадки лука-матки 326
6.3 Экономическая эффективность ориентирующего устройства для
высадков сахарной свеклы 328
Выводы 331
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 333
ЛИТЕРАТУРА 337
ПРИЛОЖЕНИЯ 365
Введение к работе
Актуальность проблемы. Перед сельским хозяйством нашей страны стоят задачи обеспечения продовольственной безопасности и удовлетворения потребности населения в разнообразных продуктах питания.
Получение товарной продукции сельского хозяйства невозможно без качественных семян. Семеноводство - важная отрасль народного хозяйства, заключающаяся в плановом размножении районированных сортов. В отличие от товарного производства, оно является более трудоемкой отраслью, здесь много ручного труда, особенно по таким видам работ, как отбор, посадка, уход, уборка семян и др. [132,133].
Важность развития семеноводства неизмеримо возросла в последние годы в связи с поступлением семян с мирового рынка и необходимостью сохранения национальных приоритетов овощеводства и свекловодства России. Новые сорта и гибриды лука и сахарной свеклы российской селекции по реальной продуктивности вполне конкурентоспособны. В то же время качество семян еще не вполне отвечает современным требованиям, а без этого невозможно добиться должной эффективности производства товарной продукции. Особое место при производстве семян отводится посадке маточных культур. Посадка в оптимальные сроки и в соответствии с агротехническими требованиями имеет большое значение с точки зрения повышения урожайности, повышения энергетической эффективности и улучшения качества семян [134,208].
Основной задачей посадки является обеспечение оптимальной густоты стояния растений и равномерное распределение их по площади, то есть создание таких условий, при которых между растениями равномерно распределяются четыре равнозначных и взаимно незаменяемых фактора жизнедеятельности: свет, тепло, вода и элементы питания. Успешное решение этой задачи, как показывает практика отечественного и зарубежного семеноводства, во многом зависит от способа посадки и его соответствия биологическим особенностям данной культуры. Роль способа посадки состоит еще и в том, что он предопределяет, кроме посадочных агрегатов, тип, конструктивные особенности и степень применения всего комплекса машин на последующих видах работ, обусловливая тем самым качественные показатели всего технологического процесса в целом [59,165].
При этом получение высоких урожаев семян во многом зависит от расположения в почве маточного посевного материала (луковицы донцем вниз, высадки сахарной свеклы вниз хвостовой частью и т.д.), несоблюдение этих требований ведет к потере урожая (по луку снижение урожайности семян в 2...4 раза) [83, 85]. Поэтому возникает необходимость ориентации сельскохозяйственных культур при посадке маточного семенного материала. Под ориентацией понимается процесс, в течение которого тело переводится из неопределенного положения в точно координатное относительно некоторых поверхностей или заменяющих их совокупностей точек [190].
Условием самоориентирования тел является их относительное движение по рабочим поверхностям. Характер относительного движения во многом зависит от формы и свойства тел. Емельяновым П.А. была составлена классификация форм семян, плодов и куриных яиц [87], в ней он предлагает разделить все сельскохозяйственные культуры на следующие формы: шаровидная (горох, просо, лук, свекла); эллипсовидная (картофель, сахарная свекла, редька, лук); конусовидная (морковь, сахарная свекла, редька, лук); цилиндрическая (морковь, огурцы); пирамидальная (подсолнечник, гречиха); бобовидная (бобы, фасоль); чечевидообразная (чечевица); яйцевидная (яйца любой птицы). Как видно из приведенной классификации, из всего разнообразия сельскохозяйственных культур необходимость в ориентировании возникает при посеве культур шаровидной формы (лук, свекла), эллипсовидной (лук) и конусовидной (морковь, сахарная свекла, редька, лук).
Наиболее распространенные маточные культуры, требующие ориентации, - лук и сахарная свекла. Луковицы содержат ценные вещества, такие, как белки (2%), сахар ,(6...12%), минеральные соли (0,6...1,14%), витамины (Л, В1, В, В2, С, Р), эфирные масла, фитонциды и др. В зеленых листьях лука имеется: витамина С до 95 мг. на 100 г; сырое вещество и каротин - 3,75 мг. Благодаря наличию этих ценных веществ, лук используется в качестве лекарственного растения.
Он улучшает пищеварение и способствует хорошему усвоению пищи [170,226,227].
Товарное производство репчатого лука острых сортов сосредоточено в районах Нижегородской, Рязанской, Пензенской, Ярославской, Курской областей, а в небольших количествах - повсеместно [268].
В настоящее время в нашей стране районированы более 80 селекционных и местных сортов репчатого лука, которые значительно отличаются один от другого как биолого-морфологическими, так и физико-механическими свойствами [104,114,115,235].
Сахарная свекла - одна из ценнейших технических культур, из которой вырабатываются высококачественные продукты питания, сложные органические соединения для пищевой промышленности, микробиологии и животноводства. В корнеплодах содержится в среднем 16... 19 % сахара - одного из наиболее широко используемых в питании человека углеводов, хорошо усваиваемого организмом и обладающего высокими вкусовыми качествами. В условиях высокой агротехники сбор ботвы составляет 60...80% урожая корнеплодов. В одном центнере ботвы содержится до 23 кормовых единиц. На каждую кормовую единицу приходится 110 г перевариваемого протеина, 150 мг каротина и много минеральных солей. Листья содержат 11,3...20,4% сухих веществ, в том числе 2,3...3,2% белка и 0,4% жира. Выход отжатого жома составляет 40%, патоки - 4,5...5,5 % от массы. Жом по кормовым достоинствам приближается к концентрированным кормам. Патоку используют на корм скоту в смеси с другими кормами [93].
Лук острых сортов выращивается в трехлетней культуре. В первый год получают мелкие луковицы (севок) диаметром 10...30 мм. На второй год се 9 вок высаживают и получают крупные луковицы диаметром 30...120 мм. На
третий год высаживают крупные маточные луковицы и осенью получают семена. Посадку маточных луковиц проводят в самые ранние сроки с тем, чтобы вегетационный период семенного растения находился в пределах 120...130 дней, иначе ранние заморозки вызовут гибель семян лука в фазе молочной спелости [32,35,58,74,115].
Выращивание лука-репки из севка является самым распространенным и наиболее освоенным способом, применяемым в средней полосе России, а также в северной части европейских стран. Считается, что здесь этот способ обеспечивает 75% продукции всего урожая лука.
Особое место среди луков острых сортов занимает Бессоновский. Он выведен и выращивается в Бессоновском районе Пензенской области на плодородных землях. Этот сорт районирован во многих регионах России и в Белоруссии.
При этом следует отметить, что урожайность лука-репки, выращиваемого из севка, остается на низком уровне и это связано с неориентированной посадкой, недостаточной нормой высадки севка па 1 гектар, неравномерным распределением посадочного материала на единицу площади из-за несовершенства машин существующего технологического комплекса. После резкого роста цен на энергоносители, удобрения, пестициды и сельхозмашины производство репчатого лука острых сортов, выращиваемого в севочноЙ культуре, стало нерентабельным и товарная продукция потеряла конкурентоспособность [174].
В данный момент предлагаемые промышленностью сеялки СЛС-12, СЛС-5,4 и ряд других не могут обеспечить посев по широкополосной схеме, кроме этого у серийных сеялок отсутствуют устройства для ориентации лука-севка, что также снижает урожайность лука-репки. Положение осложняется еще тем, что данные сеялки выпускаются на Украине, а Россия оказалась практически без собственной базы по выпуску луковых сеялок и вынуждена вновь осваивать их производство. Поэтому главной особенностью техниче 10 ской политики должно стать создание сеялок нового поколения, а не модернизация и совершенствование выпускаемых сеялок в Российской Федерации и странах СНГ, иначе сельское хозяйство будет обречено применять десятилетиями морально устаревшие сеялки [118,145,151].
Урожай семян лука-матки зависит от почвенно-климатических условий, уровня агротехники, размера и качества посевного материала. Под семенниками в нашей стране в 1990 году было занято около 9,0 тыс. га. В настоящее время посевы семенников сократилось в 8... 10 раз. Так в Пензенской области в 1990 г. засевалось 375 га, а в 2005 г всего 53 га. При современном уровне механизации затраты труда на возделывание семян составляют 900...2184 чел-ч./га., в том числе на посадку - 288...432 чел-ч./га. Увеличение производства при одновременном снижении затрат может быть достигнуто только на основе внедрения новых технологий и технических средств при его возделывании лука. Однако специальных машин для этих целей отечественная промышленность не выпускает, поэтому есть необходимость в разработке их конструкций или приспособить машины, предназначенные для возделывания других культур [149,196].
Сахарная свекла выращивается в двухлетней культуре. В первый год из семян получают корнеплоды. На второй год из корнеплодов вырастают семенники, которые после уборки и послеуборочной обработки дают семена.
Получение семян с высокими посевными качествами при малых затратах труда и средств обеспечивает технология безвысадочного выращивания семенников. Однако в России этот способ возможно применять только в южных регионах (Краснодарский край и т.д.), при этом нет полной уверенности в сохранности зимующих семенников. В то же время высадочный способ имеет высокий коэффициент размножения семян - не менее 500 (при безвы-садочпом семеноводстве не более 300), что позволяет компенсировать высокие затраты ручного труда (при посадке высадкопосадочной машиной ВПС-2,8 со схемой посадки 70x70 см затраты труда составляют 14 чел. час/га). Кроме того, посадку корнеплодов высадков сахарной свеклы необходимо производить в кратчайшие сроки (запоздание с посадкой на 6 дней снижает урожай до 20% и отрицательно влияет на качество семян) [223].
В настоящее время для посадки корнеплодов высадков сахарной свеклы применяют машины типа ВПС-2,8А. Ее производительность за час основного времени при шаге 70 см составляет 0,54 га/час. В машине используется труд четырех сажальщиков. Здесь механизирован процесс перемещения корнеплодов в почву с последующей заделкой, но поштучный отбор и ориентация корнеплодов производятся вручную, что существенно сказывается на производительности машин и качестве посадки.
Поэтому тема, посвященная разработке энергосберегающих технологий ориентированной посадки сельскохозяйственных культур (на примере лука и сахарной свеклы), является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.
Исследования проводились в ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» в соответствии с Программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 гг. и 2006...2010 гг.», одобренными Общим собранием действительных членов и членов-корреспондентов Россельхозакадемии соответственно 15... 17 февраля 2000 г. и 15...17 февраля 2005 г. и согласованными с Министром сельского хозяйства Российской Федерации 22 сентября 2000 г. и 25 марта 2005 г., согласно заданиям 18.04. и 09.01.02. научных программ «Создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп овощной продукции» (разработка комплекса машин для производства лука в условиях Средне волжского региона), а также по теме №23 НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» «Разработка рабочих органов машин для зерновых и овощных культур».
Опытно-конструкторские разработки и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований используются при реализации программы государств Россия и Беларусь по теме: «Повышение эффективно 12 сти плодоовощной продукции на основе прогрессивных технологий и техники на 2005...2007 годы».
Работа стала победителем конкурса на Грант Президента Российской Федерации в 2006 году (МК-3447.2006.8).
Цель исследований. Повышение урожайности и энергетической эффективности производства лука и сахарной свеклы разработкой и совершенствованием энергосберегающих технологии ориентированной посадки.
Объект исследований. Технологический процесс посадки сельскохозяйственных культур машинами с ориентирующими устройствами.
Предмет исследований. Процесс ориентации сельскохозяйственных культур.
Методика исследований. Системный и структурный анализы и синтезы, математическая статистика, сравнительный эксперимент. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений, законов и методов классической механики, математики и математического моделирования. Предложенные рабочие органы для ориентированной посадки лука-севка, лука-матки и высадков сахарной свеклы исследовались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ программами Statistika, MathCad, Excel. Достоверность работы подтверждается: сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; проведением сравнительных и производственных исследований. Экономическая эффективность разработок определялась по стандартной методике для научно-исследовательских работ и новой техники.
Научная новизна работы:
- функциональные и конструктивно-технологические схемы устройств для ориентированной посадки сельскохозяйственных культур;
- математическое обоснование ориентирования тел в пространстве;
- теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных режимов
работы и оптимальных конструктивно-технологических параметров машин для ориентированной посадки сельскохозяйственных культур.
Научная новизна технических решений по машинному ориентированию подтверждена тремя патентами РФ (№2141751, №2201663, №2237397) на изобретения.
Практическая ценность:
- технологический процесс ориентированной посадки сельскохозяйственных
культур;
-технологические и компоновочные схемы машин для ориентированной посадки сельскохозяйственных культур;
- рекомендации по выбору геометрических и кинематических параметров ориентирующих поверхностей, ячеисто-барабапного и цепочно-ложечного высаживающих аппаратов с ориентирующими устройствами.
Реализация результатов исследований. Предложенные автором конструкции ячеисто-барабанного и цепочно-ложечного высаживающих аппаратов с ориентирующими устройствами, реализованы при создании совместно с ЗАО «Белинсксельмаш» (г. Каменка, Пензенская обл.) и ОАО «ВИСХОМ» (г. Москва) машин для посадки лука-севка и лука-матки, с ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк) для установки ориентирующих поверхностей на высадкопоса-дочную машину ВПС-2,8А.
Машины для ориентированной посадки лука-севка, лука-матки и высадков сахарной свеклы испытаны и внедрены в колхозе «им. Ленина» Бессоиовского района, КФХ «Новинка» Бессоиовского района, СПК «Агрофирма Елюзань» Городищенского района, ФГУП «Учхоз «Рамзай» Пензенской ГСХА» Мокшанского района Пензенской области.
Лабораторные установки используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» на кафедре «Сельскохозяйственные машины».
Апробация работы. Материалы диссертации заслушаны, обсуждены и одобрены на научных конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (1996 14 2006 гг.); ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Вавилова» (1999-2000, 2005 гг.); ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2000-2002 гг.); ФГОУ ВПО «Мичуринский ГАУ» (1998 г.), ГНУ ВНИИО (2001 г.); ГНУ «Пензенский НИИСХ» (р. п. Лунино, 1999, 2001, 2005гг.); ГНУ «ВИИТиН» (Тамбов, 2005г.); ФГНУ «Росинформагротех» (Московская обл., пос. Правда, 2005г.); ФГОУ ВПО «МГАУ им. Горячкииа» (Москва, 2005г.); ГОУ ВПО «Пензенский ГУ» (Пенза, 2005г.), а также на Международной научно-практической конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства в меняющихся экономических условиях в 21 веке» (Пенза, 2000г.).
Научные положении и результаты исследований, выносимые на защиту:
- функциональное описание процесса ориентированной посадки сельскохозяйственных культур;
- результаты исследований физико-механических свойств лука-севка, лука-матки и высадков сахарной свеклы, необходимые для их ориентированной посадки;
- теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров и методика расчета машин для ориентированной посадки сельскохозяйственных культур;
- новые рабочие органы, посадочные машины и машинные технологии для ориентированной посадки сельскохозяйственных культур;
- результаты количественной и качественной оценки выполнения технологического процесса ориентирования в зависимости от режимов работы и параметров соответствующих рабочих органов.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 67 печатных работах общим объемом 67,1 п.л., в том числе 23 статьи в изданиях рекомендуемых перечнем ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 2 монографии, получено 3 патента. Без соавторов опубликовано 16 работ. Лично автору принадлежит 29,3 п.л. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 275 наименования и приложения на 54 с. Работа изложена на 364 с, содержит 136 рис. и 32 табл.
Автор считает своим долгом выразить благодарность докт. техн. наук, профессору Ларюшину Н.П.; докт. техн. наук, профессору Кухмазову К.З.; канд. с.-х. наук, доценту Юртаеву С.Е.; канд. техн. наук Оликову В.П., канд. техн. наук Хореву П.Н., аспирантам, лаборантам и студентам - дипломникам кафедр «Сельскохозяйственные машины», «Организация сельскохозяйственного производства» ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» за помощь в разработке проблемы и проведении экспериментальных исследований, в организации широкой производственной проверки и внедрения результатов исследований по теме диссертации. По результатам исследований с указанными сотрудниками имеются совместные и раздельные публикации в печати.
