Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и перспективы механизации уборки и использования незерновой части урожая зерновых культур 10
1.1. Плодородие почв. Пути сохранения и улучшения плодородия почв 10
1.2. Экологические предпосылки в разработке технологии и технических средств уборки незерновой части урожая зерновых культур 27
1.3. Существующие технологии уборки и использования незерновой части урожая зерновых культур в условиях Кубани и перспективы их совершенствования 33
1.4. Современная структура технических средств механизации уборки незерновой части урожая в условиях Кубани и ее анализ 45
1.4.1. Структура парка зерноуборочных и соломоуборочных средств 46
1.4.2. Классификация зерноуборочных комбайнов по способу утилизации незерновой части урожая 50
1.5. Цели и задачи исследований 55
2. Программа и методы исследований
2.1. Программа исследований 60
2.2. Общая методика исследований 61
2.3. Методика изучения физико-механических свойств соломы зерновых культур ириса 62
2.4. Методика определения энергетических показателей процесса резания соломы зерновых культур и риса 64
2.5. Методика качественной оценки работы измельчителей соломы при уборке 71
2.6. Методика лабораторно-полевых исследований 80
2.6.1. Почвенно-климатические и погодные условия в годы проведения полевых опытов 81
2.6.2. Методика исследований и агротехника в полевых опытах... 81
2.6.3. Методика экологической оценки влияния сжигания пожнивных остатков на физико-механические свойства и плодородие
почвы, зоофауну и фитогенные микроорганизмы 84
2.6.4. Методика комплексной оценки эффективности новых тех
нологий и технических средств заделки измельченной соломы зерновых
культур в почву 85
2.7. Методика опытно-производственной проверки технологии
уборки незерновой части урожая зерновых культур 91
3. Теоретические основы разработки современных технологий и технологических комплексов машин для уборки зерна и незерновой части урожая 92
3.1. Принципы многоуровневого системного подхода при обосновании технологии использования незерновой части урожая 92
3.2. Организационно-технологические условия уборки зерновых колосовых в Краснодарском крае 96
3.3. Обоснование и синтез графовой модели технологических процессов уборки зерновых колосовых культур 107
3.4. Математическая модель оптимизации технологических комплексов машин 116
3.5. Результаты математического моделирования процессов
уборки зерновых-колосовых культур в Краснодарском крае 123
3.6. Анализ процесса резания соломы и его энергетических показателей 131
3.7. Предпосылки и пути снижения энергоемкости технологии уборки незерновой части урожая 146
3.7.1. Совершенствование технологического процесса измельчения НЧУ и поиск путей снижения энергоемкости измельчителей 146
3.7.2. Совмещение технологических операций в технологии уборки НЧУ и минимализация технологии заделки измельченной соломы в почву 153
4. Обоснование технологической и конструктивной схем экологически безопасного измельчителя незерновой части урожая 156
4.1. Экологические аспекты разработки и использования измельчителей в технологиях уборки зерна и незерновой части урожая 156
4.2. Обоснование технологических схем измельчителей незерновой части урожая по многокритериальному подходу 158
4.3.Обоснование технологической схемы и параметров работы дискового разбрасывателя 174
4.4. Энергетические затраты на измельчение незерновой части урожая и обоснование конструктивных параметров нового измельчителя 183
5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 207
5.1. Результаты лабораторно-полевых исследований 207
5.1.1. Физико-механические свойства соломы зерновых-колосовых культур и риса, возделываемых в Краснодарском крае 207
5.1.2. Влияние заделки измельченной НЧУ зерновых культур на плодородие почвы 218
5.1.3. Влияние удобрения почвы НЧУ зерновых культур на рост и развитие озимой пшеницы 222
5.1.4. Влияние удобрения почвы соломой на урожайность сельскохозяйственных культур в условиях Кубани 233
5.2. Результаты экологического обоснования различных технологий уборки и использования незерновой части урожая зерновых культур 242
5.2.1. Экологические последствия сжигания соломы и стерни зерновых культур и изменение плодородия почвы 242
5.2.2. Влияние сжигания стерни и соломы зерновых культур на зоофауну и фитопатогенные микроорганизмы и обоснование экологически безопасных путей использования соломы 257
5.3. Эффективность новых энергосберегающих технологий за
делки измельченной соломы зерновых культур в почву 264
5.4.Агро-зоотехническое обоснование требований к машинам для уборки зерновых колосовых и риса, обеспечивающих эффективное использование незерновой части урожая 279
6. Технико-экономическая эффективность разработанных технологий и технологических комплексов машин 287
6.1. Результаты опытно- производственных испытаний 287
6.1.1. Характеристика условий сельскохозяйственных культур 288
6.1.2. Состав технологических комплексов машин 289
6.1.3. Агроэкономическая эффективность технологий использования соломы при возделывании различных сельскохозяйственных культур 293
6.2. Технико-экономическая эффективность новых технологий и
технологических комплексов машин 300
6.2.1. Эффективность технологических комплексов машин 300
6.2.2. Эффективность новых технологий использования незерновой части урожая в качестве органического удобрения 305
7. Общие выводы и рекомендации производству 311
7.1. Выводы 313
7.2. Предложения производству 319
Список использованной литературы 321
Приложение 1. Материалы внедрения результатов научных исследований 347
Приложение 2. Материалы исследований 364
- Плодородие почв. Пути сохранения и улучшения плодородия почв
- Методика изучения физико-механических свойств соломы зерновых культур ириса
- Принципы многоуровневого системного подхода при обосновании технологии использования незерновой части урожая
- Физико-механические свойства соломы зерновых-колосовых культур и риса, возделываемых в Краснодарском крае
Введение к работе
Количество и качество производимой растениеводческой продукции зависят от агротехнических, мелиоративных и организационных мероприятий, направленных на эффективное использование земельных ресурсов, сохранение и повышение плодородия почвы, охрану окружающей среды от загрязнения. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур находится в прямой зависимости от полноценного использования плодородия почвы, обобщенным показателем которого является количественное содержание в ней органического вещества и прежде всего наиболее деятельной его части гумуса. Однако за последние 50 лет среднегодовые потери гумуса в почвах Краснодарского края приближаются к 5 млн. т. (около 1,2 т/га). Даже на государственных сортоучастках при достаточном внесении минеральных удобрений и более высокой культуре земледелия не удалось избежать потерь гумуса, [7, 72, 73, 82, 98].
В почвах Краснодарского края в среднем за год содержание гумуса снижается на 0,03%. Если учесть, что накопление гумуса идет крайне медленно (сотни и даже тысячи лет), а разрушение значительно быстрее (десятки лет), то проблема сохранения его запасов в почве является актуальной и достаточно сложной. Чтобы предотвратить дальнейшие потери гумуса, необходимо вносить повышенные дозы органических удобрений, шире внедрять противоэр-розионные мероприятия, прекратить сжигание стерни, проводить запашку растительных остатков, [118, 122].
В качестве дополнительного источника удобрения весьма эффективны измельченная солома колосовых и стебли других с.-х. культур.
Многолетними исследованиями научных учреждений Краснодарского края доказана высокая эффективность механизированной технологии использования соломы на удобрение. Она позволяет приостановить деградацию кубанских черноземов, улучшает экологическую обстановку за счет отказа от выжигания стерни, способствует повышению урожайности сельскохозяй-
ственных культур на 15-20% и эффективности производства. При этом используется на удобрение та часть получаемого урожая соломы, которая остается после заготовки для нужд сельскохозяйственных предприятий и на другие цели, [162, 172, 178].
Однако широкое внедрение технологии сдерживается из-за отсутствия высокопроизводительных и надежных машин для качественного измельчения и равномерного распределения соломы по полю. Использование измельчителя ПУН-5 с зерноуборочным комбайном СК-5 "Нива" приводит к снижению его производительности на уборке до 20%, сокращению срока службы, увеличению удельного расхода топлива на 10-15%, отнесенного к 1 тонне намолоченного зерна, а также к дополнительным потерям урожая. На комбайнах Дон-1500 с приспособлениями ПКН-1500 также имеет место некоторое превышение расхода топлива. Все это требует создания новых машин для измельчения и разбрасывания соломы и на их основе совершенствования технологии использования соломы на удобрение, [38, 41, 42, 55, 66, 112, 182].
Несмотря на проведенные исследования по данной проблеме, до сих пор остаются нерешенными многие важные вопросы. В частности, не отработана энергосберегающая и экологически безопасная технологическая схема приспособления к зерноуборочным комбайнам для эффективного использования соломы по различным технологиям (в том числе и на удобрение), не уточнены агротехнические требования к измельчителям, учитывающие новые подходы к степени измельчения соломы при ее использовании на удобрение, не определено влияние измельченной и расщепленной соломы на урожайность основных сельскохозяйственных культур, возделываемых в Краснодарском крае. Недостаточно глубоко обоснованы технологические комплексы машин для уборки зерна и незерновой части урожая.
Решение этих задач возможно только при системном подходе, объединяющим весь комплекс вопросов, связанных с анализом и разработкой новых технологий использования НЧУ зерновых культур, технических средств для
их реализации и эффективностью измельченной НЧУ при возделывании сельскохозяйственных культур.
Настоящая работа направлена на решение важной научной проблемы: повышения плодородия почвы на основе разработки и освоения в сельскохозяйственном производстве Краснодарского края новых технологий и технологических комплексов машин для использования соломы зерновых культур в качестве одного из основных источников сохранения и повышения плодородия почв. Работа, на наш взгляд, достаточно актуальна и имеет важное народнохозяйственное значение для такого крупного аграрного региона, как Кубань.
Для решения поставленной проблемы были обоснованы задачи исследований, намечены пути и методы их решения. При этом было проанализировано современное состояние и перспективы уборки зерна и незерновой части урожая, технические средства для их выполнения, экологические аспекты исследуемой проблемы, проведены теоретические и экспериментальные исследования.
Объектом исследований являлась технология уборки и использования незерновой части урожая зерновых культур и технические средства для их осуществления, в первую очередь измельчители.
Научные выводы по изучаемой проблеме получены на основе теоретических, и лабораторно-полевых исследований, широкой производственной проверки технологии в хозяйствах Краснодарского края. В качестве центрального направления в работе выбрано обоснование нового, подтвержденного патентом, рационального технологического процесса использования соломы на удобрение и комплекса машин к нему. В работе использованы современные методы исследований: математическое моделирование, графовые модели, планирование эксперимента и др.
Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете и сельскохозяйственных предприятиях Краснодарского края.
Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Кубанского госагроуниверситета (1985-1995 г.г.), на секции НТС по механизации и электрификации сельского хозяйства департамента сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края (приложение 1), на секции уборки зерновых культур Всероссийского семинара-совещания (г. Новокубанск, 1994 г., КубНИИТиМ).
Результаты исследований по использованию незерновой части урожая зерновых и крупяных культур и выбору технологических комплексов машин были одобрены и рекомендованы к практическому использованию в ГСКБ ПО "Ростсельмаш" (приложение 2).
На защиту выносятся следующие основные положения:
графовая и математическая модели функционирования и оптимизации технологических комплексов машин для уборки и утилизации соломы;
аналитические зависимости процесса резания соломы;
технологическая схема приспособления к зерноуборочным комбайнам для измельчения и разбрасывания незерновой части урожая по полю;
экологические аспекты процесса уборки незерновой части урожая во взаимосвязи с агроценозом, почвой и биотой;
агробиологическая эффективность измельченной и заделанной в почву соломы;
физико-механические свойства новых районированных и перспективных сортов зерновых культур и риса, возделываемых в Краснодарском крае;
многокритериальный метод разработки и выбора основных конструктивных элементов создаваемых машин;
энергетические показатели работы различных типов измельчителей;
частные методики исследования технологий и технических средств для измельчения незерновой части урожая;
агротехнические требования к измельчителям соломы;
технико-экономические показатели комплексов машин и технологий уборки и использования незерновой части урожая.
Плодородие почв. Пути сохранения и улучшения плодородия почв
Известно, что при интенсивном ведении сельскохозяйственного производства достигается достаточно высокая урожайность возделываемых культур. Однако при этом происходит и интенсивный вынос питательных веществ из почвы, снижение ее плодородия. Следовательно, для сохранения высокой урожайности сельскохозяйственных культур необходимо постоянное пополнение почвы свежим органическим веществом, рациональная система минерального питания растений, [5, 10, 12, 51, 162, 167, 235, 261, 272].
Краснодарский край является одним из крупных производителей зерна в Российской Федерации. Ежегодно зерновые и зернобобовые культуры размещаются в крае на площади 1,88-2,24 млн. га (табл. 1.1). Общий валовой сбор зерна в хозяйствах всех категорий, включая и фермерские, колеблется от 5,7 до 10,1 млн. т (табл. 1.2). Урожайность зерновых составляет 3-5 т/га (табл. 1.3). Количество незерновой части урожая (НЧУ), в первую очередь соломы, при этом достигает 4,4-7,6 млн. т. По данным краевого департамента сельского хозяйства и продовольствия из собираемого количества соломы только 2-3 млн.т используется на хозяйственные нужды агропромышленного комплекса (АПК). Остальные 3-4 млн. т не находят эффективного применения и нередко сжигаются, нанося огромный экологический вред окружающей среде и экономический ущерб сельскохозяйственным предприятиям, уплачивающим большие штрафы за сжигание соломы (табл. 1.4). Значительная часть соломы остается в поле, превращаясь зачастую в источник размножения и накопления вредителей и болезней. Затраты же на уборку соломы сопоставимы с затратами на уборку зерна, а иногда и превышают их [6, 11, 122, 172, 191, 220].
Одним из основных источников сохранения плодородия почвы, пополнения ее органическим веществом является пожнивно-корневые остатки сельскохозяйственных культур. Однако количество этих остатков в почве после уборки или сжигания соломы невелико и не может полностью возместить потери гумуса. Поэтому сельскохозяйственное производство с давних пор использует органические удобрения. В Краснодарском крае среди органических удобрений по объемам накопления ( более 20 млн. тонн) и ценности основное место занимает подстилочный навоз. Однако эти объемы не удовлетворяют потребность земледелия в органических удобрениях. Так, по данным научных учреждений, для сохранения почвенного плодородия (запасов гумуса) необходимо ежегодно вносить 7-Ю тонн навоза на 1 га. В то же время, имеющиеся органические удобрения по различным причинам не вносятся в почву, что является одним из факторов ухудшения плодородия, деградации черноземов. Только за период с 1928 по 1978 годы на выщелоченном черноземе Кубани содержание гумуса в верхнем слое почвы снизилось с 4,9% до 3,4% или на 30%. За последние 3-5 лет, в связи с изменением экономической ситуации в стране, внесение органических удобрений на поля уменьшилось до 2-3 т/га и поэтому есть основание ожидать дальнейшего более резкого обеднения всемирно известных уникальных черноземов органическим веществом [6, 12, 16, 21, 34, 61, 73, 94, 104, 107, 126, 171, 190].
Резко снижается и количество вносимых минеральных удобрений, что также ведет к существенному снижению урожайности и валовых сборов сельскохозяйственных культур в крае.
Следовательно, одним из перспективных направлений в повышении плодородия почвы в Краснодарском крае в ближайшие годы, следует считать использование незерновой части урожая сельскохозяйственных культур, в первую очередь соломы, для заделки в почву. Объемы возможного использования незерновой части урожая для этих целей в условиях Краснодарского края достаточно велики и определяются несколькими миллионами тонн.
После заделки измельченной массы в почву начинается процесс ее разложения. При разложении соломы в почве временно закрепляются доступные для растений подвижные формы азота. Исследованиями Г.А. Карелина,
Н.И. Володарского установлено, что содержание подвижных форм азота в почве удобренной соломой в сочетании с минеральным азотом, несколько выше, чем при внесении азотных удобрений, но без соломы [92]. Совместное внесение соломы и азотных удобрений увеличивает численность большинства групп микроорганизмов и повышает ферментативную активность почвы.
По данным Е.И. Аношина запашка на каждом гектаре 5 тонн ржаной соломы в годы прямого действия на каштановых почвах в условиях орошения повышала в почве содержание гумуса, азота, фосфора и калия [16, 17]. Исследования В.А. Федорова, проведенные на обыкновенных черноземах, показали, что применение одной соломы, в частности под кукурузу на силос, несколько снижает содержание в почве подвижных форм азота, а добавка к соломе 1,2 % минерального азота или замена его жидким свиным навозом повышает содержание доступного азота, [239]. Данные Е.Н. Мишустина, свидетельствуют, что внесение соломы в почву способствует постепенному переводу в доступную форму малоподвижных фосфатов [131, 132 133]. Запашка соломы осенью способствует закреплению подвижных форм азота, что предохраняет их от вымывания в осенне-зимний период. Исследованиями установлено, что 1 кг. разложившейся соломы в почве обогащает ее в среднем 8-10 г. азота. Следовательно, внесение 5 т на гектар соломы может обогатить почву 40-50 кг азота за счет фиксации его из воздуха и примерно 25 кг за счет азота, содержащегося в соломе. Доказано, что внесение в почву минерального азота в дозе 100 кг действующего вещества на 1 га. при наличии соломы в количестве 5 т/га. не тормозит азотфиксирующей деятельности микроорганизмов. При внесении соломы также улучшаются физические свойства почвы, уменьшается ее плотность, поддерживается нейтральная среда почвенного раствора рН, улучшается ее структура и увеличивается влагоемокость, [17, 37, 44, 162, 201, 223, 259].
При внесении и разложении соломы происходит увеличение содержания калия в почве на 80-100 кг на каждом гектаре, [9, 72, 134].
По данным многих исследователей нитрификационная способность почвы увеличивается при систематическом применении соломы в севообороте совместно с ежегодным внесением полного минерального удобрения, [25, 42, 167].
По мнению X. Бергнера, Е.Н. Мишустина и др. влияние 30 т/га навоза или 40 ц/га соломы на содержание гумуса и урожайность культур равноценно при одинаковом содержании в них азота, [22, 75, 132].
О повышении содержания гумуса и основных питательных элементов в почве от применения соломы зерновых колосовых говорят и данные других исследователей, [43, 61, 89, 225, 245]
Следовательно, использование соломы зерновых колосовых на удобрение положительно сказывается на улучшении плодородия почвы и урожайности полевых культур, особенно с дополнительным внесением азота.
Интенсивность многих почвенных процессов, влияющих на плодородие почвы, зависит от температурного режима. Значительные исследования в данной области выполнены P.P. Визла, A.M. Лыковым, М.С. Савицким, W.S. Ghepil и рядом других исследователей. Ими установлено, что температурный режим почвы зависит не только от количества поступающего тепла, но и от водно-физических свойств конкретного типа почвы [33, 116, 184, 267].
Если суточные и сезонные колебания температуры носят, как правило, плавный характер и приводят к формированию определенного теплового режима данной почвенной зоны, то сжигание значительных объемов пожнивных остатков может оказать существенное нестандартное воздействие на водно-физические, агрохимические и биологические процессы в почве в основном отрицательного характера, что свидетельствует о недопустимости сжигания пожнивных остатков и соломы, [63, 81, 95, 120, 145, 261, 268].
Методика изучения физико-механических свойств соломы зерновых культур ириса
Физико-механические свойства растений являются главным фактором, определяющим качественные и энергетические показатели процесса уборки незерновой части урожая.
Изучение физико-механических свойств проводили для основных, районированных в Краснодарском крае, сортов зерновых культур, риса и некоторых сорных растений. На основании паспортных источников составляли краткую агробиологическую характеристику сорта, в которой указывали регион его районирования, период вегетации, средние размерные параметры стебля, устойчивость к полеганию и потенциальную урожайность.
В соответствии с задачами исследований определяли размерные характеристики стеблей и их влажность в период уборки зерна и незерновой части урожая.
Для исследований отбирали на опытном участке в 10-ти точках по пять растений. Растения срезали на уровне почвы. В лабораторных условиях у каждого растения измеряли высоту от точки среза (поверхности почвы) до высшей точки растения и диаметр стебля. Допустимая погрешность измерений составляла не более 4 %. Длину стебля определяли линейкой, диаметр -микрометром.
Влажность растений определяли при прямом комбайнировании и при подборе валков. При прямом комбайнировании растения перед скашиванием в поле закладывали в банки с плотными крышками. В лабораторных условиях стебли и листья измельчали, отвешивали по три пробы по 5-8 г каждая и высушивали в алюминиевых бюксах в сушильном шкафу. Сушку вели при температуре 104 С в течение 4х ч. После 4-х ч. сушки образцы в бюксах охлаждали и взвешивали с точностью до 0,01 г. Затем бюксы вновь помешали в сушильный шкаф на 1 ч, после чего взвешивали. Сушку прекращали после того, как разница между двумя последними значениями массы не превышала 0,01 г. Влажность стеблей определяли по известной формуле, [241]: где W - влажность стеблей в %; т\ - масса навески до сушки, г; т2 - масса навески после сушки, г. Влажность растений при раздельном комбайнировании определяли аналогичным образом, отбирая растения в поле перед подбором валков комбайном. Растения, у которых измеряли размерные показатели, в дальнейшем использовали для определения удельной работы резания.
Существующие методы исследований процессов резания сельскохозяйственных культур и испытаний измельчителей основаны на тензометрирова-нии нагруженных частей и элементов конструкций и определении мощност-ных показателей расчетным путем.
В то же время для поиска путей снижения энергоемкости процесса измельчения необходимо знать усилия резания, возникающие при действии рабочих органов на измельчаемый материал.
Стебли зерновых культур и риса имеют сходное строение. Однако их прочностные характеристики существенно различаются ввиду разного химического состава стебля. Поэтому важно знать удельную работу резания для создания малоэнергоемких конструкций измельчителей соломы.
Определение энергетических показателей процесса резания стеблей сельскохозяйственных культур проводили после снятия характеристики измельчаемого материала, в которую включали: - вид измельчаемого материала; - сорт сельскохозяйственной культуры; - толщину стебля; - влажность материала, а также характеристики рабочего органа - ножа: - угол заточки; -остроту лезвия.
Под остротой лезвия понимали диаметр окружности, вписанной в вершину лезвия. Для определения остроты лезвия использовали медную пластину, в которую вдавливали лезвие ножа, получая оттиск. С помощью микроскопа МИ-1 определили диаметр окружности, вписанной в вершину оттиска.
После определения характеристики рабочего органа в лабораторных условиях находили значение кинематических и динамических показателей процесса резания стеблей исследуемых сельскохозяйственных культур. Для этого использовали маятниковый копр, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.1.
Принципы многоуровневого системного подхода при обосновании технологии использования незерновой части урожая
Одним из важнейших методических приемов при решении проблемы сохранения почвенного плодородия, позволяющим комплексно исследовать причины его ухудшения, определить возможные пути увеличения запасов гумуса в почве, разработать наиболее эффективные технологии и технологические средства уборки и использования незерновой части урожая зерновых культур в качестве одного из перспективных направлений пополнения почвы свежим органическим веществом, является системный подход. При этом указанный комплекс следует рассматривать как систему, состоящую из функционально связанных элементов - технических устройств, машин и технологий взаимодействующих как единое целое с окружающей средой, характеризуемой зональными организационно-технологическими условиями для достижения единой цели улучшение почвенного плодородия кубанских черноземов. Под организационно-технологическими условиями следует понимать исходное плодородие почв, климатические условия, наличие трудовых и материально-технических ресурсов, формы организации труда, структуру посевных площадей, урожайность возделываемых культур и площади, занимаемые ими, экологические последствия организационно-технологической деятельности человека.
Системный подход при решении проблемы плодородия позволяет рассматривать уборку незерновой части урожая зерновых культур, дальнейшее направление использования НЧУ как вероятностную динамическую систему большого масштаба, подсистемами которой являются технологии и технологические средства уборки и заделки измельченной НЧУ в почву. В такой системе прослеживаются все изменения, происходящие под влиянием отдельных элементов, а результат функционирования (деятельности) любой части системы, например измельчителя соломы или технологического комплекса машин для заделки в почву, оценивается по эффективности всей системы в целом - качеству уборки, урожайности сельскохозяйственных культур и почвенному плодородию.
Системный подход и основанный на нем системный анализ, применительно к проблеме почвенного плодородия, позволяет исследовать состояние и причины ухудшения почвенного плодородия, обосновать направления ее решения, разработать пути - технологии - средства - технологические комплексы и отдельные устройства для достижения цели.
Рассматривая технологии уборки и использования НЧУ зерновых культур как важнейшую составляющую принятой системы, выделим для их обоснования и разработки 4 этапа: 1) постановка цели и задач; 2) первичная структуризация системы; 3) составление математической модели составляемой системы; 4) исследование построенной модели.
Представим структурную схему иерархии задач по уборке и использованию незерновой части урожая зерновых культур на удобрение схематично, рис. 3.1.
Комплексное решение задач в этом случае осуществляется шестью подсистемами, каждая из которых решается на одном-двух взаимосвязанных уровнях.
Подсистема А позволяет, используя исходную информацию по качественным показателем работы различных вариантов технологических схем измельчителей соломы на основе оптимизации обосновать лучший вариант из альтернативных. Входом подсистемы А на первом уровне являются качественные показатели работы различных конструкций измельчителей, а выходом - оптимальный ее вариант. Вход первого уровня является входом этой же подсистемы на втором уровне, входом которой являются параметры рабочих органов и режим работы измельчителей.
Следующую группу подсистем называют агроэкологическими (В}, В2, В3). При этом подсистема В} предусматривает изучения влияния качества обработки почвы при заделке НЧУ на ее плодородие. Вход этой подсистемы -качество крошения почвы различными почвообрабатывающими машинами, выход - уровень гумификации НЧУ, плодородие почвы.
Подсистема В2 определяет рациональную систему удобрения почвы в севообороте одновременным использованием НЧУ, других видов органических и минеральных удобрений. Вход в подсистему - различные фоны удобрений, выход - урожай сельскохозяйственных культур севообороте.
Подсистема В3 позволяет изучить экологические аспекты проблемы уборки и использования НЧУ на удобрение и при ее сжигании на поле, как одного из распространенных вариантов уборки. Входом в подсистему являются факторы почвенного плодородия и показатели эффективности уборки НЧУ, а выходом - микробиологическая активность почвы, ее физико-механические и термические свойства.
После обоснования оптимальной конструкции и технологической схем приспособлений к комбайнам для утилизации незерновой части урожая при использовании соломы на удобрение, а также агроэкологического обоснования технологии (подсистема Bj - В3)вся накопленная информация передается в подсистему С - обоснования оптимального технологического комплекса машин для реализации технологии. Входом подсистемы С являются природно-производственные условия, альтернативные варианты комплексов машин, результаты экспериментальных исследований рабочих органов и отдельных операций технологии, графовые модели технологических процессов, нормативно-справочная информация по техническим средствам. Выход подсистемы - оптимальный вариант технологического комплекса машин (ТКМ)., технологии и технологические показатели.
Физико-механические свойства соломы зерновых-колосовых культур и риса, возделываемых в Краснодарском крае
Физико-механические свойства соломы, подвергающейся измельчению в процессе уборки, определяются сортом сельскохозяйственной культуры, почвенно-климатическими условиями и технологией уборки зерна и незерновой части урожая. Наиболее существенное влияние на работу измельчающих устройств, их энергоемкость оказывают такие свойства соломистой массы, как влажность стеблей, их длина и диаметр, прочность соломы.
Изучение физико-механических свойств соломы зерновых культур и риса, прочностных характеристик их стеблей проведено нами для районированных и перспективных сортов в условиях Краснодарского края. Необходимость в проведении таких исследований вызвана тем, что при создании современных измельчителей к зерно- и рисоуборочным комбайнам в недостаточной степени учитывались не только физико-механические свойства соломистой массы, но главное, существенные различия прочностных свойств стеблей, имеющиеся у различных сортов зерновых культур и риса и основных засорителей полей. По этой причине, созданные в свое время измельчители ПУН-5, ПУН-6 к зерноуборочным комбайнам СК-5 "Нива", СК-6 "Колос", оказались неработоспособными на измельчении рисовой соломы. Измельчитель ПКН-1500Б-01 к комбайну Дон-1500 также не обеспечивает надежного и качественного измельчения рисовой соломы.
а). Агробиологические особенности сортов зерновых культур и риса, возделываемых в Краснодарском крае.
Для изучения нами были выбраны сорта озимых колосовых культур, риса и двух наиболее распространенных сорняков - ежовника и клубнекамыша, которые при измельчении соломы являются составной частью соломистой массы. В основном это сорта интенсивного типа, характеризуещиеся способностью формировать высокую урожайность, имеющие сравнительно короткий стебель. Из озимых колосовых культур это озимая пшеница "Скифянка", озимый ячмень "Вавилон", Тритикале, рис- сорта "Славянец" и др. Краткая агробиологическая характеристика исследуемых сортов представленна в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Агробиологические характеристики основных сортов озимой пшеницы и риса, возделываемых в Краснодарском крае б.) Влажность соломистой массы при уборке.
Влажность соломы при уборке зависит от способа уборки и погодных условий. Солома зерновых колосовых культур имеет влажность 40-43% при прямом комбайнировании в условиях центральной зоны Краснодарского края, при раздельном комбайнировании - 13-15% и практически не зависит от сорта.
Стебли риса перед скашиванием имеют несколько более высокую влажность 60-70%. При обмолоте валков рисовая солома имеет влажность 17-22%. Отмеченно, что при прямом комбайнировании соломина у риса сохраняет большую жесткость, что способствует улучшению условий ее резания.
в). Длина и диаметр стеблей. Строение стебля.
Районированные и перспективные сорта изучаемых культур относятся к сортам интенсивного типа. Они имеют сравнительно короткий стебель длина которого менее 100 см. В то же время в Краснодарском крае продолжают выращивать сорта, имеющие длинный стебель, величина которого может достигать 150-170 см. Такие сорта склонны к полеганию. Короткостебельные сорта практически не полегают. Устойчивость растениям придает не только короткий стебель, но и повышенное число механических тканей в нем. Однако это обстоятельство приводит к увеличению затрат энергии при резании таких стеблей.
Стебель у зерновых культур и риса имеет цилиндрическую соломину, диаметрі которой 3-7 мм. Плотными узлами стебель расчленен на отдельные междоузлия. Наиболее короткие междоузлия сосредоточенны в нижней части стедля. У самого основания стебля междоузлия настолько сближены, что их почти не видно. Эта зона стебля образует узел кущения, который при уборке остается в большинсте случаев со стерней. В верхней части, стебель имеет разреженные междоузлия и малый диаметр.
Кроме общих признаков строения зерновых культур и риса, существуют и различия, которые в значительной мере влияют на процесс резания стеблей. В частности стебель риса в радиальном направлении имеет неоднородное строение. С наружней стороны он кутикузирован (покрыт плотной пленкой), инкрустирован кремнием. С внутренней стороны эти образования отсутствуют. Содержание кремния в рисовой соломе достигает 11-13%, что придает ей прочность, затрудняет измельчение стеблей. Кремний содержится и в листьях риса, из-за чего последние приобретают жесткость и повышенную образив-ность. Длина листа составляет 20-25 см, ширина - 2,0-2,5 см.
Длина стебля клубнекамыша не превышает 100 см и зачастую он прикрыт стеблями риса. Ежовники имеют длинную соломину - до 150-170 см, полую внутри, стебель склонен к полеганию. При значительной засоренности посевов ежовниками даже короткостебельные сорта, устойчивые к полеганию, могут полегать, усложняя процесс уборки. Наиболее рационально такие участки убирать раздельным способом.
