Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
g 1.1 Роль минеральных удобрений в реализации
биологического потенциала растений 12
1.2 Технологии внесения минеральных удобрений
и технические средства для их реализации 22
1.3 Показатели, характеризующие эффективность
процесса внесении минеральных удобрений и их смесей .. 27
1.4 Анализ технических средств и методов совершенствования
процессов распределения минеральных удобрений 30
L4.1 Распределение минеральных удобрений и их смесей
центробежными рабочими органами, 30
1.4.2 Распределение минеральных удобрений и их смесей
fy штанговыми раба чими органами 41
Анализ методов и технических средств управления распределением минеральных удобрений 48
Факторы, влияющие на показатели адаптивного внесения минеральных удобрений и их смесей 57
Формулировка проблемы и задачи исследования 59
у 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ АДАПТИВНОГО ВНЕСЕНИЯ
МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ 62
2.1 Общая методика аналитических исследований 62
2.2 Влияние уровня адаптации технологического процесса
на производительность машин 65
2.3 Анализ и синтез технологических схем машин
для адаптивного внесения минеральных удобрений 69
2.4 Общий алгоритм управления процессами
адаптивного внесения минеральных удобрений 76
* 2.5 Алгоритмы управление подачей материала
на распределительные рабочие органы 88
2.6 Математическое описание технологического процесса
внесении минеральных удобрений 94
2.6.1 А шиї из технологического процесса 94
2.6.2 Функциональные схемы
систем автоматического регулирования (САР) 96
2.6.3 Математическое описание технологического процесса ... 101
2.7 Выводы 108
3 ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН
В ПРОЦЕССАХ АДАПТИВНОГО ВНЕСЕНИЯ
МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ ПО
Истечение туковых смесей из бункерных устройств .... 110
Центробежно-дисковые распределительные аппараты ... 113
3.2.1 Закономерности движения многокомпонентных смесей
п о поп аткам центробежных дисков 113
Распределение минеральных удобрений и их смесей центробежным аппаратом по поверхности поля 120
Распределительный рабочий орган 127
Цеитробежпо-дисковый смеситель-распределитель минеральных удобрений 137
3.2.5 Пиевмоцснтробежныи туковысевающий аппарат 143
3.3 Управление процессом распределения минеральных
удобрений но ширине рассепа центробежного аппарата 146
3.3.1 Алгоритм управления технологически.^и процессами
машин с цептробежпо-дисковыми аппаратами 146
3.3.2 Системы контроля и управления
положением сектора рассева центробежного аппарата ... 153
3.4 Штанговые распределители минеральных удобрений .... 159
Шнековые туковысеваннцие аппараты , 159
Спирально-шнековые туковысевающие аппараты 173
Энергетическая оценка штанговых распределителей минеральных удобрений 180
3.5 Управление процессами распределения
минеральных удобрений штанговыми рабочими органами .. 183
Алгоритмы у правлен ия технологи ческими процессами 183
Системы контроля и управления процессом распределения
литеральных удобрений штанговыми рабочими органами 188
З.б Выводы . . 193
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ . 196
4.1 Программа и обща» методика
экспериментальных исследований 196
4.2 Методика экспериментальных исследований
центробежных рабочих органов 198
4.2.1 Методика исследований распределения частиц
на выходе центробежного рабочего органа 198
Методика экспериментальных исследований распределения смеси и её компоиентов вдоль линии метания 205
Методика экспериментальных исследований распределения смесей и её компонентов по ширине рассева ... 209
Методика определения оптимальных параметров распределительного рабочего органа 210
4.2.5 Методика получения информации о распределении частиц... 213
4.3 Методика экспериментальных исследований
штанговых аппаратов 215
4.3.1 Методика исследования факторов, влияющих
на равномерность дозирования 216
4.3.2 Методика исследований технологического процесса
си иральпО'Шнекового аппарата при работе в условиях iqyena 220
4.3.3 Методика оценки динамических свойств
шнекового аппарата 221
4.4 Методика оценки эффективности
новых технических решений 221
Методика производственной проверки распределительного рабо чего органа 221
Методика производственной проверки
шнекового распределителя мииеральныхудобрений 222
Производственная проверка спиральио-итекового аппарата , 225
Методика производственной проверки смесителя-разбрасывателя минеральных удобрений .... 226
5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ АНАЛИЗ 229
5.1 Анализ результатов экспериментальных исследований
центробежно-дисковых аппаратов 229
Результаты исследований серийных центробежных аппаратов 229
Обоснование параметров распределительного
рабочего органа 242
Ппевмоцентробеокный аппарат , 251
Производственная проверка смесителя-разбрасывателя 252
5.2 Анализ результатов исследований штанговых аппаратов 254
5.2.1 Результаты исследований шнековых аппаратов 254
5.2.2 Идентификация процесса внесения минеральных удобрений
и их смесей штанговыми рабочими органами 258
5.2.3 Анализ процессов дозирования минеральных удобрений
спиральио-шнековыми аппаратами 261
5.2.4 Работа спирально-шнекового аппарата в условиях крена 268
Технологический расчет распределительных рабочих оргаїгов 272
Выводы 288
6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 282
6.1 Технико-экономическая эффективность технических
средств адаптивного внесения минеральных удобрений .. 282
6.2 Перспективные направления дальнейших исследований 298
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 291
ЛИТЕРАТУРА 296
ПРИЛОЖЕНИЯ 321
Введение к работе
Анализируя результаты деятельности агропромышленного комплекса России, академик РЛСХН Н.В. Краснощеков отмечает, что в 2002 году доля импорта сельскохозяйственной продукции в страну составляет более 9 млр. долл. США или 40% стоимости валовой продукции АПК России /161/. Главной задачей агропромышленной науки является обеспечение продовольственной независимости страны.
Производство продуктов питания является не только отечественной проблемой, а носит глобальный характер. Важным направлением в решении проблемы питания является возделывание высокоурожайных сельскохозяйственных культур и рациональное использование уже освоенных площадей. При возделывании сельскохозяйственных культур вместе с урожаем из почвы выносятся питательные элементы. Восстановление продуктивности почв обеспечивается рациональным ведением сельского хозяйства и широким применением органических и минеральных удобрений.
Стремление сельхозпроизводителей к получению максимальных урожаев, явилось основой широкого применения удобрений. Разнообразие возделываемых культур и почв, различие их плодородия требует практически неограниченного сочетания видов и доз минерального питания. Решают эту проблему путем последовательного внесения каждого вида питательных элементов, внесением сложных удобрений или их смесей различных форм и состава (органно-минеральные смеси; смеси твердых и жидких удобрений и ряд других).
Высокие цены на энергоносители и минеральные удобрения по сравнению с закупочными ценами на продукцию растениеводства привели к сокращению объёмов поставок минеральных удобрений сельскому хозяйству. За период с 1996 по 2003 годы объёмы внесения минеральных удобрений в некоторых регионах России сократились почти в 20 раз. В целом по России в
2000 году при расчетной потребности 16,5 млн. тонн действующего вещества было внесено всего 1,3 млн. тонн. Поэтому особую актуальность приобретает проблема эффективного использования минеральных удобрений.
Наиболее эффективным способом реализации потенциальных возможностей растений является применение удобрений с учетом неоднородности почвенного плодородия, вида возделываемых культур, особенностей севооборота то есть дифференцированное внесение удобрений. Так, если при внесении средней дозы питательных элементов в обычных технологиях 1 кг действующего вещества дает прибавку урожая до 4 кг зерна, при дифференцированном внесении - более 8 кг /161/, при этом экономится до 30...35% минеральных удобрений /159/,
В решении проблемы дифференцированного внесения минеральных удобрений важное место отводится автоматизированным техническим средствам /47, 48, 159-161, 188, 196, 266/, которые должны обеспечивать адаптацию технологического процесса к потребностям растений в видах и дозах минерального питания.
Отсутствие технических средств адаптивного внесения является основной причиной ограниченного применения технологий дифференцированного применения твердых минеральных удобрений, поскольку технические средства, имеющиеся в хозяйствах, разрабатывались для традиционных технологий, то есть для внесения минеральных удобрений по усредненным дозам для всего поля.
В то же время практический опыт и научный материал по изучению и описанию технологических процессов внесения минеральных удобрений и их смесей, а также известные технические решения по управлению некоторыми параметрами машин /4, 7, 8, 18, 20-23, 27-29, 32, 169, 170, 179, 203, 266, 313/, могут служить основой создания новых технических средств.
Основной показатель функционирования технических средств - качество распределения питательных веществ по полю. Если при внесении
односторонних или сложных удобрений качество функционирования машин оценивается по равномерности распределения всей совокупности частиц, то при внесении туковых смесей качественные показатели зависят от распределения частиц каждого из компонентов.
Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований позволяет заключить, что при применении туковых смесей необходимо учитывать то, что расслоения их происходит на всех этапах технологического процесса. Наибольший вклад в расслоение смесей вносят распределительные рабочие органы бросковоготипа/68, 101, 140, 144, 185, 231, 246, 247, 269, 281, 319/.
Расслоение туковых смесей является основной причиной низкого качества распределения компонентов. Некачественное выполнение технологического процесса следует рассматривать как технологический брак или отказ системы/72, 140, 146, 147, 154, 177, 180, 181/.
Причинами технологических отказов являются несовершенство технологий и технических средств /62, 68, 71, 76, 77, 84, 92, 180, 185, 248/, отсутствие на машинах устройств объективного контроля и управления технологическим процессом /109, 199, 203, 267, 278, 279/.
Настоящая работа направлена на решение важной народнохозяйственной проблемы — повышение эффективности ведения отрасли растениеводства за счет использования научно обоснованных технологических и технических решений адаптивного внесения минерального удобрений.
Сложность решения данной проблемы заключается в том, что основным звеном в технологиях адаптивного внесения минеральных удобрений является туковая смесь, представляющая собой набор компонентов (систему материальных тел), отличающихся не только размерами и формой, но и физико-механическими свойствами, на эффективность применения которых оказывают влияние агроландшафтные, природные и субъективные факторы.
При решении подобных проблем Г.П. Щедровский рекомендует/271/ руководствоваться методологией «системного движения», согласно которой исследуемый объект рассматривается не только со стороны, но и как бы из-
нутри сквозь призму накопленных знаний о самом важном звене всей системы. Изучение технологического процесса с точки зрения анализа состава смеси и закономерностей движения компонентов, позволит не только расширить знания об изучаемом объекте, но и разработать принципиально новые методы совершенствования процесса распределения туковых смесей и технические средства для их реализации.
Цель работы - научное обоснование технологических и технических решений адаптивного внесения требуемых доз минерального питания растений, обеспечивающих повышение эффективности применения минеральных удобрений за счет более полной реализации потенциальных возможностей возделываемых культур.
Объекты исследований - технологические процессы дозирования и распределения минеральных удобрений и их смесей машинами с центробежными, шисковыми и спирально-шнековыми аппаратами, макетные, опытные и серийные образцы разработанных технических средств.
Предмет исследований ~ закономерности функционирования технических средств в процессах адаптивного внесения минеральных удобрений.
Научная новизна исследования включает:
направления совершенствования технологических процессов и технических средств адаптивного внесения минеральных удобрений и их смесей;
способы контроля и управления технологическими процессами внесения удобрений, обеспечивающие ресурсосберегающее и точное распределение питательных элементов по полю;
закономерности процессов дозирования и распределения .минеральных удобрений и их смесей центробежно-дисковыми, шисковыми и спирально-шнековыми аппаратами;
конструктивно-технологические решения (одновременное внесение нескольких видов минеральных удобрений без их предварительного смешивания, параметры и режимы работы дозирующих устройств, рабочие органы для распределения минеральных удобрений и их смесей по поверхности поля, выбор способа движения агрегата, и методики технологических расчетов).
Достоверность основных положении и выводов подтверждена удовлетворительной сходимостью аналитических и экспериментальных зависимостей, лабораторными и натурными испытаниями разработанных опытных образцов, государственными испытаниями туковысевающего аппарата сеялки CTB-I08.
Практическая значимость состоит в том, что совокупность теоретических и экспериментальных исследований, разработанные технологические и технические решения, алгоритмы и способы управления могут быть использованы специалистами при создании новых и совершенствовании существующих технических средств адаптивного внесения минеральных удобрений.
Реализация результатов исследования. По результатам государственных испытаний (КубНИТИМ, протокол №07-13-95 (412000112) от 28 июля 1995 года) в ОАО «Ремзавод Ставропольский освоено серийное производство ту-ковысевающей системы для пропашных сеялок точного высева СТВ-102. Результаты исследований по совершенствованию дозирующих систем внедрены в промышленное производство ОАО Агромаш «Ставропольский» и ОАО «Миллеро-восельмаш». В хозяйствах Ростовской области внедрены модернизированные разбрасыватели минеральных удобрений, оснащенные распределительными рабочими органами, и распределитель смесей минеральных удобрений. Материалы исследований переданы для внедрения в производство (НИКТИМсельхозхиммаш (г. Запорожье), ОАО "Агромаш Ставропольский" и ОАО «Миллеровосельмаш»). По результатам исследований автор награжден медалью ВДНХ СССР.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях АЧГАА (1973-2003 г.г.), на областной научно-практической конференции (г. Зерноград, 1982 г.), на Всесоюзных научно-практической конференциях (г. Мелитополь и г. Новосибирск, 1989 г.), на научно-практических конференциях (г. Минск, 1991, 1992 г.г.), на Южно-Российском семинаре «Механика дискретных сред» (г. Зерноград, 2000 г.), на научно-практических конференциях ВНИПТИМЭСХ (1982, 1984, 2000 г.г.), на международной научно-практической конференции посвященной памяти академика В.П. Горяч-кина (1998 г.), на II Российской научно-практической конференции (Ставро-
поль, 2003 г.). Распределительный рабочий орган демонстрировался на ВДНХ
СССР (1984, 1985Г.Г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в изданиях АЧГАА (АЧИМСХ), ВНИПТИМЭСХ, КГАУ (КубСХИ), БИМСХ (Минск), СГАУ, в центральных журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Техника в сельском хозяйстве», Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Материалы исследований отражены в 72 печатных работах, в том числе в 2 монографиях, 22 авторских свидетельствах и 10 патентах на изобретения. Общий объем опубликованных работ—58 п.л.
На защиту выносятся:
обоснования технологических схем машин для адаптивного внесения минеральных удобрений;
алгоритмы функционирования систем управления технологическими процессами адаптированного внесения минеральных удобрений;
математические описания процессов внесения туковых смесей машинами с центробежно-дисковыми, пшековыми и спирально-шнековыми аппаратами;
математические модели центробежных и шнековых распределительных рабочих органов;
способ внесения нескольких видов минеральных удобрений без их предварительного смешивания центробежно-дисковыми аппаратами;
закономерности транспортирования и дозирования минеральных удобрений пшековыми и спирально-шнековыми аппаратами, обоснование метода дозирования;
методики инженерного расчета центробежно-дисковых, шнековых и спирально-шнековых аппаратов.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР АЧГАА (1972-2003 г.г.) и конкурсной программой ГКНТ «Разработать научные основы создания высокоэффективных экологически чистых автоматизированных технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции и технических средств для их реализации с использованием микропроцессорной техники» (1989- 1993 г. г.).
