Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы. цель и задачи исследований 14
1.1 Основные факторы, обеспечивающие повышение урожайности сельскохозяйственных культур 14
1.2 Краткий анализ исследований процесса смешивания высоковязких и сыпучих компонентов 31
1.3 Анализ технологий внесения в почву органо-минеральных удобрений 40
1.3.1 Технологии внутрипочвенного внесения удобрения 42
1.3.2 Устройства для высева удобрений при внутрипочвенном внесении 44
1.4 Предпосевная обработка семян защитно-стимулирующими препаратами 48
1.4.1 Способы обработки семян 48
1.4.2 Анализ исследований перекрестного взаимодействия в камере протравливания семян и защитно-стимулирующего препарата 50
1.5 Постановка проблемы, цель и задачи исследования 56
ГЛАВА 2 Концепция решения научной проблемы 60
2.1 Основные принципы системного анализа исследуемых процессов... 60
2.2 Моделирование технологических процессов
2.2.1 Процесс приготовления органо-минерального удобрения 75
2.2.2 Процесс внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения 81
2.2.3 Процесс нанесения защитно-стимулирующего препарата на семена
2.3 Показатель эффективности комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур 93
2.4 Методы исследования технологических процессов 101
Выводы по главе 109
ГЛАВА 3 Обоснование основных стадий приготовления органо-минерального удобрения .. 111
3.1 Компоненты органо-минерального удобрения 111
3.2 Качественные показатели органо-минерального удобрения 116
3.3 Подготовка минеральных компонентов к смешиванию
3.3.1 Требования к минеральным компонентам 126
3.3.2 Выбор способа измельчения минеральных компонентов 129
3.3.3 Установка для измельчения минеральных компонентов 140
3.3.4 Определение эксплуатационных показателей измельчителя
при обработке минеральных компонентов 142
3.4 Смешивание птичьего помета с минеральными компонентами 148
3.4.1 Определение толщины полос смешанных компонентов 148
3.4.2 Оценка качества органо-минеральной смеси 153
3.4.3 Энергетические затраты процесса смешивания 158
3.4.4 Физико-механические свойства органо-минерального удобрения 164
3.5 Результаты опытов по отзывчивости растений на применение органо-минерального удобрения 167
3.5.1 Лабораторные опыты 167
3.5.2 Мелкоделяночные опыты 168
3.5.3 Сравнительные опыты по применению промышленных минеральных удобрений и органо-минерального удобрения
на основе птичьего помета 174
Выводы по главе 180
ГЛАВА 4 Исследования процесса внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения 182
4.1 Высев удобрения в рядки 183
4.1.1 Подача удобрения к распределяюще-высевающему барабану... 183
4.1.2 Взаимодействие распределяюще-высевающего барабана с удобрением 188
4.1.3 Влияние конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на неравномерность высева органо-минерального удобрения 195
4.1.4 Производительность высевающего аппарата 198
4.2 Заделка удобрения в почву 202
4.2.1 Кинематика движения ротационного рабочего органа комбинированного сошника 202
4.2.2 Смешивание органо-минерального удобрения с почвой 208
4.2.3 Силовое взаимодействие ротационного рабочего органа со смешиваемым материалом 218
4.2.4 Определение тягового сопротивления комбинированного сошника 230
4.3 Результаты производственной проверки ленточного внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения 235
4.3.1 Энергетическая оценка процесса ленточного внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения 235
4.3.2 Сравнительные эксплуатационно-технологические показатели агрегатов для внесения органо-минеральных удобрений 238
Выводы по главе 241
ГЛАВА 5 Теоретическое обоснование основных технологических операций при обработке семян защитно-стимулирующими препаратами 243
5.1 Формирование кольцевого потока семян в камере протравливания 243
5.1.1 Обоснование параметров конусного распределителя семян 248
5.1.2 Определение пропускной способности дозирующего
устройства камеры 253
5.2 Ступенчатое нанесение защитно-стимулирующего препарата на семена 259
5.3 Определение полноты обработки семян 265
5.4 Результаты внедрения технологии обработки семян с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующего препарата 268
Выводы по главе 272
ГЛАВА 6 Оценка результатов исследования 274
6.1 Себестоимость органо-минерального удобрения 274
6.2 Оценка ленточного внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения 276
6.3 Эффективность внедрения комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур 278
6.3.1 Экономическая эффективность 278
6.3.2 Экологическая эффективность 284
Основные выводы 288
Список литературы
- Технологии внутрипочвенного внесения удобрения
- Процесс приготовления органо-минерального удобрения
- Требования к минеральным компонентам
- Кинематика движения ротационного рабочего органа комбинированного сошника
Введение к работе
Актуальность проблемы. Жесткая конкуренция на рынке растениеводческой продукции ставит перед сельхозтоваропроизводителями первоочередную задачу по повышению эффективности возделывания сельскохозяйственных культур. Эта задача может быть решена путем повышения урожайности и снижением затрат ресурсов.
Одним из радикальных способов повышения урожайности является применение удобрений. В настоящее время в России на 1 га посевов в среднем вносится около 25 кг действующего вещества (д. в.) удобрения, в то время как в государствах с развитым сельским хозяйством – от 130 до 285 кг д. в. Основной причиной неудовлетворительного применения минеральных удобрений является их высокая стоимость. Недостаточная эффективность применения органических удобрений связана с низким содержанием в них питательных веществ и несовершенством технологии внесения. Сложилась ситуация, когда затраты на применение удобрений зачастую не окупаются прибавкой урожайности сельскохозяйственных культур. Кроме того, при усилении питания растений создаются благоприятные условия для патогенов и вредителей, что также приводит к большим потерям урожая.
Одним из рациональных способов защиты растений от болезней и воздействия вредителей является протравливание семян. Высокоэффективное действие комплекса защитно-стимулирующих препаратов обеспечивается при соблюдении полноты обработки и равномерности распределения препарата как между отдельными семенами, так и на поверхности каждого семени. Это предполагает, в свою очередь, высокий уровень технологии обработки семян, выдержать который имеющимися техническими средствами зачастую не удается.
Исходя из вышеизложенного, разработка способа и технологии приготовления эффективного удобрения, рациональное внесение его в почву и качественная предпосевная обработка семян защитно-стимулирующими препаратами являются актуальными задачами и имеют важное народно-хозяйственное значение. Научная проблема заключается в отсутствии взаимосвязей между технологическими процессами приготовления органо-минерального удобрения на основе птичьего помета, ленточным внутрипочвенным внесением
удобрения и двухступенчатой обработкой семян защитно-стимулирующими препаратами, а также в установлении внутренних связей этих процессов, направленных на повышение эффективности возделывания сельскохозяйственных культур.
Научные исследования и разработки, составившие основу диссертационной работы, выполнены в соответствии с разделом Федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2011–2015 гг., одобреннной Президиумом Россельхозакадемии 18 октября 2010 г., Межведомственным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2010 г.
Научная гипотеза. Реализация комплекса технологических процессов приготовления органо-минерального удобрения, ленточного внутрипочвенного его внесения и предпосевной двухступенчатой обработки семян защитно-стимулирующими препаратами позволит существенно повысить потенциал урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур при меньших затратах на удобрения и защитно-стимулирующие препараты, разработка которых базируется на установлении причинно-следственных связей отдельных и комплекса технологических процессов.
Цель исследований. Повышение эффективности возделывания сельскохозяйственных культур путем реализации комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур.
Задачи исследований:
-
На основе системного анализа производственной ситуации по применению удобрений и защите растений от болезней и вредителей обосновать концепцию построения комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур.
-
Разработать технологический процесс и обосновать технические средства для приготовления органо-минерального удобрения, установить его влияние на урожайность сельскохозяйственных культур.
-
Разработать технологический процесс, обосновать параметры и режимы работы рабочих органов машины для ленточного вну-трипочвенного внесения органо-минерального удобрения при возделывании пропашных культур.
-
Разработать технологический процесс и технические средства, обеспечивающие равномерное нанесение защитно-стимулирующего препарата на семена и снижение их травмирования.
5. Разработать опытные образцы машины для ленточного внутри-
почвенного внесения органо-минерального удобрения, протравлива
теля семян с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующего
препарата, провести производственную проверку работы агрегатов,
дать оценку эффективности применения комплексного ресурсосбере
гающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы
и семян при возделывании сельскохозяйственных культур.
Объект исследований. Комплексный ресурсосберегающий технологический процесс и технические средства для предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур.
Предмет исследований. Взаимосвязи технологических процессов приготовления органо-минерального удобрения на основе птичьего помета, ленточного внутрипочвенного его внесения и двухступенчатой обработки семян защитно-стимулирующими препаратами, а также внутренние связи этих процессов, направленных на повышение эффективности возделывания сельскохозяйственных культур.
Методика исследований. Исследования проводились на основе системного подхода к решению поставленных задач путем анализа и синтеза технологических процессов с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики, математики и математического моделирования, оптимизации, тензометрирова-ния и других приемов. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производственных машинах. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, которая составляет не менее 90 %, при погрешности опытов не более 5 %.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.
-
Обоснована и разработана концепция возделывания сельскохозяйственных культур, обеспечивающая повышение рентабельности производства продукции растениеводства, на основе установления причинно-следственных связей комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур.
-
Впервые обоснованы и разработаны новые способы и модели технологических процессов приготовления органо-минерального удобрения, его ленточного внутрипочвенного внесения и двухступенчатой обработки семян защитно-стимулирующими препаратами, модель комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании сельскохозяйственных культур.
-
Впервые определены основные технологические и технические параметры процесса приготовления органо-минерального удобрения. Определены основные физико-механические и химические свойства данного удобрения. Установлена отзывчивость возделываемых культур прибавкой урожайности и качеством продукции на применение органо-минерального удобрения.
-
Разработаны математические модели и предложены методы расчета рациональных параметров основных рабочих органов и режимов работы машины для ленточного внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения и протравливателя семян с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующего препарата.
-
Обоснованы основные параметры и режимы работы рабочих органов машин для ленточного внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения и протравливателя с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующих препаратов на семена, обеспечивающие качество выполнения технологических операций и снижение затрат энергии.
Научная новизна и достоверность результатов работы подтверждены 4 авторскими свидетельствами на изобретение, в том числе одно на способ внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения, 5 патентами на изобретение, в том числе один на способ приготовления органо-минерального удобрения и один на способ утилизации птичьего помета.
Практическая ценность. Обобщена и развита теория и практика применения комплексного ресурсосберегающего технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян при возделывании с.-х. культур. Разработан способ и технологический процесс приготовления органо-минерального удобрения на основе птичьего помета, позволяющий утилизировать опасные для окружающей среды отходы птицеводства и получать удобрения с содержанием питательных веществ до 30–35 %. По питательным свойствам данные удобрения являются конкурентоспособными с минеральными туками, кроме того, их стоимость значительно ниже. Разработан способ и технологический процесс ленточного внутрипочвенного внесения орга-но-минерального удобрения, который, по сравнению со сплошным внесением, обеспечивает снижение потребного количества удобрения в 4…5 раз, исключает питательную среду для сорняков и дополнительную операцию по заделке удобрения в почву. Внутрипочвенное внесение удобрения предотвращает потери питательных веществ и загрязнение окружающей среды, снижает уплотнение почвы, затраты труда и энергии. Результаты исследований по двухступенчатому нанесению защитно-стимулирующего препарата на поверхность обрабатываемых семян позволяют повысить качество обработки семян, исключить их повреждение и тем самым повысить эффективность выполнения данной технологической операции. Опытные образцы машин для ленточного внутрипочвенного внесения органо-минерального удобрения и протравливателя семян с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующего препарата прошли производственную проверку и рекомендованы к внедрению.
Результаты работы отмечены 2 медалями и 2 свидетельствами областного смотра-конкурса Свердловской области, 1 медалью и 2 дипломами выставок агропромышленного комплекса Челябинской области. Для проведения исследований Правительством Челябинской области выделено 2 гранта, на республиканском и областном уровнях выполнено 4 госконтракта, 8 хоздоговоров.
Апробация результатов исследований. Основные положения работы и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях Челябинской ГА А (1990–2011 гг.), НТС Минсельхоза Челябинской области (1992, 2006–2011 гг.), НТС НИИМАСП – филиал ФГБОУ ВПО ЧГАА (2004–2009 гг.),
НТС Минсельхоза Свердловской области (2004 г.), семинаре-совещании Управления химизации Минсельхоза РФ (г. Москва, 2005 г.), Международной конференции «Утилизация промышленных и бытовых отходов» в рамках Международного экологического форума-выставки «Изменение климата и экология промышленного города» (г. Челябинск, 2010 г.), НТС Департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Курганской области (2011 г.), Международной научно-практической конференции Уральской ГСХА (г. Екатеринбург, 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика в диверсификации аграрного сектора и устойчивом развитии сельских территорий» ( г. Москва, 2012 г.), конференции «Утилизация промышленных и бытовых отходов» III Международного экологического форума «Изменение климата и экология промышленного города» ( г. Челябинск, 2012 г.), НТС Федерального государственного унитарного предприятия «Федеральная энергосервисная компания» Минэнерго РФ на тему: «Вопросы оценки эффективности проектов в области биоэнергетики» ( г. Москва, 2012 г.).
Образцы протравливателей демонстрировались на областных агропромышленных выставках в Челябинске и Екатеринбурге. Опытные образцы стационарных и самоходных протравливателей внедрены в хозяйствах Челябинской, Курганской и Свердловской областей.
Результаты научной работы используются в учебном процессе ЧГАА. Отдельные разделы диссертационной работы используются преподавателями, аспирантами, студентами и слушателями факультета повышения квалификации в качестве учебно-методического материала.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 59 научных работах, в том числе 11 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, монографии объемом 5,17 п. л., рекомендациях для специалистов сельского хозяйства объемом 3,0 п. л. Новизна технических решений защищена 9 авторскими свидетельствами и патентами на изобретение, три из которых на способ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержание диссертационной работы изложено на 378 страницах, включая 113 рисунков, 34 таблицы и списка литературы из 205 наименований, имеется 69 страниц приложений.
Технологии внутрипочвенного внесения удобрения
Защита растений необходима при применении любых технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Особенно значимость защиты растений возрастает при использовании интенсивных технологий, так как растет абсолютная величина каждого процента потерь урожая. Следует учитывать, что при усилении минерального питания растений, приемах мелиорации, внедрении более прогрессивных сортов и других прогрессивных мероприятиях создаются благоприятные условия не только для растений, но и для патогенов и вредителей. Болезни и вредители растений причиняют большой ущерб сельскому хозяйству во всех странах мира. В настоящее время в мире зафиксировано около 30 тыс. различных болезней, при этом, по данным известного миколога А. А. Ячевского, только на территории государств бьгешего Советского Союза - свыше 3 880 возбудителей болезней культурных растений [ 172].
Забота о будущем урожае начинается с семенного фонда. Зерно, находящееся в зернохранилищах, имеет богатую микрофлору. Через семена передается больше половины возбудителей опасных заболеваний. Опасными возбудителями болезней являются головневые инфекции: фузариоз, гельмин-тоспориоз корневых гнилей, септориоз и другие. Среднее число микроорганизмов на 1 грамм зерна составляет: у ржи - до 2,5 млн, у пшеницы - до 1,5 млн, у овса — до 700 тысяч, у гороха — до 40 тысяч, у проса - до 20 тысяч. Часть этой микрофлоры патогенна: десятки видов грибов, бактерий и вирусов, среди которых преобладают возбудители различных видов головни, гельминтоспориозной и фузариозной гнилей, септориоза, различных пятни-стостей, плесневения семян. Каждый процент инфицирования семян возбудителями фузариоза снижает урожайность на 1,6... 2,4 %, гельминтоспориоза -на 1,0... 1,4% [130].
Одним из самых эффективных способов по предотвращению полегания растений, защите их от болезней и вредителей является обработка семян защитно-стимулирующими препаратами. Обеззараживание семян и посадочного материала химическими или биологическими веществами направлено на защиту растений от возбудителей заболеваний, которые находятся: на поверхности семян (твердая головня пшеницы, каменная головня ячменя, стеблевая головня ржи и др.); в оболочке или под оболочкой семян (пыльная головня овса, гель-минтоспориоз ячменя, белая гниль подсолнечника); внутри семян, в зародыше (пыльная головня пшеницы и ячменя, бактериоз огурцов); в почве (плесневение семян, корневые гнили, корнеед свеклы, черная ножка капустной рассады).
Предпосевная химическая обработка семян является наиболее экономичным и экологичным мероприятием по защите растений от болезней, передающихся с семенами, и почвообитающих вредителей. Такая обработка семян локализует препарат в максимальной близости от объекта обработки, при этом потери препарата минимальны (по сравнению с опрыскиванием, где нерационально используется, как правило, более 30 % препарата), меньше загрязнение окружающей среды и более высокая избирательность по отношению к полезным микроорганизмам. Высокоэффективное действие комплекса защитно-стимулирующих препаратов проявляется при соблюдении дозы обработки (г/кг или кг/т) или полноты обработки (отношение фактической дозы препарата к расчетной в процентах), а также высокой равномерности распределения препарата как между отдельными семенами, так и на поверхности каждого отдельно взятого семени (коэффициент вариации дозы). Это предполагает, в свою очередь, высокий уровень технологии обработки семян препаратами и соответствующий уровень квалификации обслуживающего персонала.
Качественные семена являются одним из основных факторов получения высоких урожаев, поэтому вся технология производства и подготовки семян должна быть ориентирована на сохранение урожайного потенциала. В российской практике урожайный потенциал семян реализуется в среднем на 20-30 %, в лучшем случае при благоприятных погодных условиях и удовлетворительном выполнении агротехнических, агрохимических и защитных мероприятий — на 50% [75, 81]. Использование высокоурожайных сортов, приспособленных к конкретным зональным условиям, высев в хозяйстве сортов, различающихся по биологическим и хозяйственным признакам, является одним из условий получения стабильных урожаев. При этом нельзя упускать из вида степень уязвимости этих сортов для болезней и вредителей. Применение районированных высокоурожайных сортов - фактор организационный и зависит от уровня квалификации агрономической службы. Посев должен проводиться только районированными семенами, которые прошли проверку в семенной инспекции на чистоту и всхожесть. Проросшие в почве семена с самого начала нуждаются в воде и питательных веществах. В наибольшем количестве растения нуждаются в азоте, фосфоре, калии, кальции, магнии и сере, при этом особую роль в росте и развитии растений играет азот. Недостаток азота для всех растений часто является фактором, лимитирующим рост урожая. Азот входит в состав таких важных в жизни растений органических веществ, как белки, нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, хлорофилл, алкалоиды, фосфатидьт и многие другие. Естественное накопление почвенного азота происходит в результате разложения органического вещества свобод-ноживущих микроорганизмов, развития клубеньковых бактерий и атмосферных осадков. Однако эти источники накопления природных запасов азота составляют лишь незначительную часть того количества азота, которое выносится с урожаем сельскохозяйственных культур, а также непроизводственных потерь азота. Известно, что для обеспечения благоприятных условий роста и развития растений необходимо, чтобы почва не только содержала достаточное количество элементов питания и воды, но и максимально эффективно воспринимала, аккумулировала и предоставляла растениям воду и питательные вещества, вносимые извне, а также обеспечивала условия оптимального воздушного и теплового режимов [105].
Одним из радикальных способов улучшения плодородия почвы является применение удобрений. Удобрения входят в тесное соприкосновение с почвой и в зависимости от свойств почвы и самих удобрений видоизменяются, питательные вещества их становятся доступны для растений, повышая тем самым продуктивность растения. В настоящее время в сельском хозяйстве применяются три основных вида удобрений: органические, минеральные и известковые. Почти каждое из них может быть использовано в твердом и жидком состояниях. В твердом состоянии удобрения обладают сыпучестью, которая зависит от физико-механических свойств. Жидкие удобрения могут быть представлены в виде «чистых» растворов (минеральные удобрения) и растворов суспензий (известковые и органические удобрения). Нормы внесения жидких удобрений колеблются от нескольких десятков килограммов до десятков тонн на гектар в зависимости от количества действующего вещества в удобрении и уровня плодородия почвы. В связи с различием физических, химических и биологических свойств существуют различные технологии внесения удобрений в почву. В мире происходит ежегодное увеличение объемов потребления удобрений, к 2011 году они составили около 180 млн тонн При этом наибольшая доля потребления удобрений приходится на развивающиеся страны (рисунок 1 7)
Процесс приготовления органо-минерального удобрения
Мероприятия по повышению эффективности возделывания сельскохозяйственных культур на основе разработки новых технологических процессов включают в себя как основные процессы, направленные на изменение свойств обрабатываемых материалов, так и вспомогательные, направленные на облегчение и выполнение основных технологических процессов. К основным процессам следует отнести процесс приготовления органо-минерального удобрения, внесение удобрения в почву и обработку семян защитно-стимулирующими препаратами.
К вспомогательным процессам относятся процесс хранения, погрузоч-но-разгрузочный и транспортный процессы и процесс контроля, которому принадлежит роль управления производством, обработки информации о состоянии производственного процесса и выработки управляющих команд. Математическая модель любого технологического процесса представляет собой математическое описание и алгоритм его решения (рисунок 2.3).
Структура математической модели Общую стратегию математического моделирования, принципы синтеза, анализа и оптимизации комплексного технологического процесса при решении задач его проектирования и применения можно условно представить в виде четырехуровневой иерархической структуры (рисунок 2.4). На первом уровне решения задач на основе имеющихся знаний, применения фундаментальных законов и экспериментальных данных следует создать модели процессов приготовления органо-минералъного удобрения на основе птичьего помета, ленточного внутрипочвенного его внесения и обработки семян защитно-стимулирующими препаратами. При математическом моделировании технологических процессов производится воспроизведение реально протекающих явлений на моделях и проверка их на адекватность, то есть соответствие результатов моделирования экспериментальным данным. С целью определения неизвестных параметров и оценки параметров состояния комплексного процесса производится идентификация математических моделей элементов. Комплексный технологический процесс и образующие его процессы могут быть представлены как символическими, так и иконографическими моделями. С учетом иерархии метода математического моделирования при исследовании комплексного технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян его символическую математическую модель в целом представим в виде некоторого функционального оператора, осуществляющего нелинейные преобразования:
Уровни задач проектирования комплексного технологического процесса предпосевной подготовки почвы и семян: \/ - критерий эффективности комплексного технологического процесса; X - вектор входных переменных комплексного процесса; К - вектор параметров элементов комплексного процесса; V - вектор параметров Y - вектор выходных переменных комплексного процесса; S - вектор функциональных характеристик процесса; Чг - некоторое значение критерия эффективности; Z - вектор внутренних переменных (параметров внутренних технологических процессов); \/ - рациональное значение критерия эффективности; К , К - значения технологических, конструктивных параметров элементов комплексного процесса; Д - вариации вектора; \\j n - предельное значение критерия эффективности действующего комплексного процесса при современном техническом обеспечении технологических процессов; S - предельное значение функциональных характеристик комплексного процесса при современном техническом обеспечении технологических процессов; А - современный уровень технического обеспечения технологических процессов Так как комплексный процесс представляет собой совокупность обра-з)тощих ее отдельных элементов, то его символическая математическая модель может быть представлена совокупностью символических математических моделей отдельных элементов и уравнений технологических связей между этими элементами:
При этом каждый из отдельных элементов комплексного процесса в зависимости от поставленной цели следует рассматривать как отдельный процесс с более детализованными уровнями декомпозиции [42]. В связи с этим при анализе комплексного технологического процесса предусматривается изучение свойств и эффективности функционирования отдельных процессов в зависимости от структуры технологических связей между элементами процесса, а также в зависимости от значений конструкционных и технологических параметров, режимов работы технических средств. Синтез комплексного технологического процесса предусматривает выбор типов элементов и структуры технологических связей между ними, определение параметров элементов и технологических потоков комплексного процесса, которые обеспечивают рациональное значение критерия эффективности, исходя из цели функционирования комплексного процесса, желаемых количественных оценок, характеристических свойств и заданных параметров внешней окружающей среды. Учитывая специфику использования принципов синтеза, анализа и оптимизации при математическом моделировании технологических процессов, общая стратегия решения задач проектирования может быть представлена блок-схемой (рисунок 2.5).
Явления, определяющие процессы взаимодействия птичьего помета с минеральными компонентами при приготовлении органо-минерального удобрения, высев удобрения и заделка его в почву, нанесение защитно-стимулирующего препарата на поверхность семян по своей природе являются вероятностными. Детерминированные фундаментальные законы, с одной стороны, отражают лишь общий характер явления при совокупности ограничений и допущений. С другой стороны, будучи основным аппаратом при построении математических моделей процессов, для решения конкретных задач нуждаются в количественных оценках вероятности свершения взаимодействия на различных уровнях. Получить более реальные характеристики проектируемого процесса, способствующие повышению эффективности возделывания сельскохозяйственных культур в целом, можно лишь после проведения корректировки параметров модели, исходя из заданного критерия оценки, по экспериментальным данным. Поэтому идентификация математической модели является одной из основных задач моделирования технологических процессов, в том числе и комплексного технологического процесса предпосевного обеспечения роста и развития растений.
Требования к минеральным компонентам
Основным и наиболее прогрессивным принципом организации технологического процесса приготовления органо-минерального удобрения является поточность производственного процесса с применением гибких технологий, предусматривающих возможность быстрого изменения свойств получаемых удобрений. Поточность должна обеспечивать более полное использование установленного оборудования, применение комплексной механизации и автоматизации отдельных технологических операций. При поточности производства удобрения должны быть обеспечены: 1) строгая ритмичность процессов подготовки минеральных компонентов, стабилизации питательных веществ в помете, смешивания помета с минеральными компонентами и синхронизация длительности циклов на каждом рабочем участке; 2) непрерывность потока данных процессов, обеспечивающих полную утилизацию помета, поступающего из птичника.
Ритмичность предполагает безусловное соблюдение времени на выполнение отдельного цикла, предусмотренного технологией. Синхронизация заключается в расчленении операции по отдельным постам таким образом, чтобы время нахождения компонента удобрения на этих постах совпадало. Непрерывность потока при подаче птичьего помета в смеситель и дозированная подача минеральных компонентов, смешивание и по необходимости гранулирование с затариванием позволяют освободить производство удобрений от дополнительных операций по транспортированию и лучше использовать производственные площади.
В процессе обработки помета стабилизатором технологией предусматривается определенное время выдерживания помета. Выдерживание производится в емкости для хранения, в которую перегружают помет из приемного бункера, что не влияет на непрерывность подачи помета в смеситель.
При выборе и обосновании любого технологического процесса следует учитывать его соответствие требованиям, предъявляемым как к качеству удобрения, так и к обеспечению заданной производительности. При этом выбранный технологический процесс должен быть выполнен с минимальными затратами труда и денежных средств. Под качеством удобрения понимается совокупность свойств, определяющих заданное содержание питательных веществ и пригодность его к использованию по назначению существующей системой машин. Качество является сложной технико-экономической категорией, которое чрезвычайно неустойчиво. Оно подвержено влиянию множества технических, организационных и экономических факторов.
Эффективное управление системой применения органо-минералъных удобрений возможно лишь в том случае, когда известно математическое описание процессов приготовления и внесения удобрения в почву. Математическое описание данных процессов зависит от природы технологических операций и управления процессами в целом.
Для обеспечения заданной дозы внесения органо-минералъных удобрений и равномерности их распределения в почве необходимо определить влияние промежуточных показателей качества, то есть необходимо знать показатели качества удобрения. Другими словами, качество выполнения технологического процесса применения органо-минеральных удобрений в производственных условиях определяется главным образом процессами, поддающимися контролю и управлению, - приготовление удобрения и внесение его в почву. При обосновании технологических отклонений выполнения процессов на начальной стадии исследования следует установить функциональную связь между качеством распределения питательных веществ в массе удобрения VHPK, качеством распределения физической массы удобрения в почве VFM и качеством распределения питательных веществ в почве УМРКП Качество внесения в почву органо-минерального удобрения зависит от равномерности распределения основных питательных веществ NPK в массе удобрения VNPK и физической массы удобрения VFM в почве. При приготовлении органо-минерального удобрения на основе птичьего помета и минеральных компонентов после их смешивания в единице массы удобрения содержится определенное количество основных элементов питания растений: азота /?N, фосфора щ и калия пк- В случае некачественного смешивания компонентов их значение будет непостоянно и будет меняться от пробы к пробе. При применении удобрения количество питательных веществ NPK, внесенных на единицу площади, можно выразить как nNPKv=nNPKm4i (3.1) где NPK,j - произведение случайных величин количества питательных веществ в почве и физической массы удобрения в почве. Исходя из выражения (3.1), показатель качества распределения питательных веществ органо-минерального удобрения в почве имеет вид: 100 [nVPA%] М\Пцрктч\ С учетом того, что математическое ожидание произведения двух независимых величин равно произведению их математических ожиданий, дисперсия может быть определена выражением % J = APA-]4WJ + M1 ]4n]+M2K]DKA ]- (3.3) После преобразования получим формулу для определения распределения питательных веществ в почве: 119 У NPKTl = V ХРК FM + " NPK + FM (3.4) Данная формула подтверждает предположение, что качество распределения питательных веществ органо-минерального удобрения зависит как от качества распределения удобрения в почве, так и от распределения питательных веществ в массе удобрения. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о необходимости исследований по качеству распределения питательных веществ в удобрении и качестве распределения физической массы удобрения в почве.
При приготовлении органо-минерального удобрения должны быть установлены зависимости между входными показателями, характеризующими качество птичьего помета и минеральных компонентов (влажность, плотность, фракционный состав, их соотношение в смеси), и выходными показателями (влажность, плотность, фракционный состав полученного удобрения, качество распределения питательных веществ в массе). В качестве технологических постоянных и параметров рабочих органов в зависимости должны также входить такие показатели, как продолжительность приготовления удобрения, затраты энергии, производительность линии. Показатели, характеризующие технологический процесс приготовления, можно подразделить на случайные, технологические и управляемые показатели (таблица 3.1). К случайным показателям относятся физико-механические и физико-химические свойства смешиваемых компонентов -птичий помет и минеральные компоненты, к технологическим - параметры и режимы работы рабочих органов смесителя, воздействующих на перемешиваемый материал.
Кинематика движения ротационного рабочего органа комбинированного сошника
Отсутствие в уравнении регрессии (4.45) одного из квадратичных членов уже предполагает отсутствие точки глобального экстремума функций W(k, И) и W(X, а). Приведенные графики также показывают, что форма поверхности отклика имеет вид минимакса, седловидную форму по переменным А. и h (рисунок 4.21) и желобообразную форму по переменным А. , а (рисунок 4.22). Внешний вид зависимостей свидетельствует о том, что глобального экстремума у уравнения регрессии не будет. Для проверки данного утверждения запишем необходимое условие экстремума: и равен численно DET = -0,00003, что практически соответствует 0. Это говорит о вырожденности матрицы данной системы уравнений и свидетельствует о малом влиянии некоторых из факторов на оптимизируемый показатель. Наиболее целесообразно искать значения глубины обработки, соответствующие тому или иному сочетанию значений остальных параметров (факторов) оптимизации.
Из анализа системы уравнений (4.47) видно, что при любом сочетании А, и h (рисунок 4.21) однородность смешивания улучшается с увеличением А.. Поэтому целесообразно принять значение а = 45. Анализ зависимости W от X (рисунок 4.22) также свидетельствует о росте однородности при увеличении окружной скорости ротора. В то же время существует лучшее сочетание ка (рисунок 4.22). При этом однородность смешивания удобрения с почвой составляет 80... 85 %.
Таким образом, в качестве рациональных диапазонов изменения параметров с учетом изложенных ограничений следует принять X = 2...2,4; а = 40...45. Приведенные результаты обработки и графической визуализации регрессионной зависимости выполнены с помощью электронного документа в системе MCAD-6.0 (приложение 1).
При воздействии иглы ротора на смешиваемый материал совокупность сил, распределенных по поверхности иглы, не может быть сведена к одной равнодействующей [201]. В качестве точки приведения сил выберем ось вращения иглы (рисунок 4.25).
(fy-S)cos(p 2 i) - - Рисунок 4.25 - Схема сил, действующих на иглу
В точке М\ {ММ\ = S) на иглу действует нормальное касательное напряжение к ее поверхности N, удельные усилия Р„ и Рх. Выделив в окрестности этой точки элемент длиною dS, выразим проекции на координатные оси элементарных усилий и момент сил сопротивления относительно оси вращения ротора:
Силы, действующие на поверхность иглы при взаимодействии ее с почвой, зависят от механических свойств смешиваемого материала. При этом необходим правильный выбор подходящей модели поведения среды, соответствующей как ее состоянию, так и условиям взаимодействия. Для предварительно взрыхленного материала вполне применима модель сплошной сыпучей среды.
Рассмотрим площадку SS, находящуюся на глубине h в сыпучей среде, перемещающуюся в направлении К к площадке (рисунок 4.26). Будем считать, что скорость перемещения достаточно мала, то есть возникающие в среде силы инерции много меньше гравитационных сил внутреннего трения среды. На любую точку данной площадки действуют напряжения, обусловленные весом смешиваемой среды az и давлением GX, обусловленным относительным смещением частиц смешиваемой среды, вызванным движением площадки. Горизонтальная компонента давления может быть определена как давление на подпорную стенку, Па [181]
В то же время касательная компонента сил, действующих на площадку, будет зависеть от того, скользит ли материал по поверхности иглы или по другому материалу. В случае, если частицы сыпучей среды не скользят по площадке, а наблюдается скольжение частиц, прижатых к поверхности относительно других частиц среды:
Условием вида скольжения является требование минимальности возникающих в зоне контакта касательных усилий [35]. Поэтому для определения угла фкр необходимо проверять условие 7ti qX2, где индекс 1 относится к первому в М-соотношении, а индекс 2 - ко второму:
Угол поворота, при котором происходит смена вида скольжения ф , может быть найден как точка пересечения кривых, описанных функциями 7ті(ф), ?т2(ф)- Он имеет предел от 42 до 45. Данный угол также зависит от физико-механических свойств смешиваемого материала (рисунок 4.27).
Зависимость вида скольжения фкр от угла внутреннего трения смешиваемого материала представлена на рисунке 4.28. Из графика видно, что чем выше угол внутреннего трения смешиваемого материала, тем позднее будет происходить смена внутреннего вида скольжения на внешнее скольжение. С учетом вышеизложенных исследований, интегрируя зависимости (4 48, 4.49, 4.52, 4.53), получаем
В результате исследований определена рабочая зона иглы ротационного рабочего органа, активно воздействующая на обрабатываемый материал в процессе смешивания почвы с удобрением, зависимость усилий, действующих на рабочую зону иглы, от кинематических параметров ротора и физико-механических свойств удобрений. Определена зависимость критического угла трения от величины поворота иглы в почве, который при радиусе ротора RU, = 0,14 м, глубине обработки h = 0,1 м, угле внутреннего трения смешиваемого материала ці — 22 и угле внешнего трения \J/J = 25 находится в интервале от 42 до 45 градусов. Данные исследования направлены на проектирование процесса ленточного внутрипочвенного внесения органо-минеральных удобрений.
