Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ... 12
1.1. Факторы^ предопределяющие эффективность применения органических удобрений 12
1.2. Анализ качества работы машин-удобрителей и методов их агротехнической оценки 19
1.3. Ретроспективный анализ и тенденции развития машинных технологий применения органических удобрений 34
1.4. Выводы и задачи исследований 47
2. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ (ОУ) 50
2.1. Разработка структурно-технологических схем 50
2.2. Формализация механизированного технологического процесса применения органических удобрений 57
2.3. Разработка экономико-математической модели, выбор функции эффективности 62
2.3.1. Выбор критериев качества 62
2.3.2. Математическая модель 66
2.4. Обоснование оптимальных показателей качества и допусков на них 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 96
3. ИССЛЕДОВАНИЯ МАШИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ 99
3.1. Машинная технология приготовления органоминеральных компостов 99
3.2. Программное обеспечение машинной технологии
приготовления твердых органических удобрений 108
3.3. Методические аспекты оценки эффективности применения удобрений ..118
3.4. Топливно-энергетическая оценка механизированного технологического процесса применения удобрений 120
3 5 Разработка машинной технологии применения органо-бактериальных удобрений 131
3 5 1 Обоснованию машинной технологии и требований к техническим средствам 131
3 5 2 Разработка технологического процесса применения органо-бактериальных удобрений 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 153
4 ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ 156
4 1 Обоснование параметров рабочих органов машин для внесения ТОУ 156
411 Обоснование эпюр плотности распределения 156
4 12 Экспериментальные исследования машины для внесения ТОУ 167
4 2 Система дифференциальных уравнений движения жидких органических удобрений170
42 1 Седиментационные свойства жидкого навоза 170
4 2 2 Реологические модели течения жидкого навоза 179
4 2 3 Система дифференциальных уравнений 186
4 3 Исследование систем коммуникаций 191
4 3 1 Гидравлические потери с учетом эффекта пристенного скольжения 191
4 3 2 Режимы промывки навозопроводов 206
4 3 3 Пределы разбавления навоза водой 215
4 4 Обоснование функциональных схем и параметров рабочих органов машин для внесения жидких органических удобрений 219
44 1 Система самозагрузки 219
4 4 2 Система гомогенизации 225
4 4 3 Система дозирования 231
4 4 4 Распределяющие рабочие органы 239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 251
5. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ]СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ 254
Совершенствование методики оценки качества работы машин-удобрителей 254
5.1.1. Требования к качеству выполнения технологического
процесса применения удобрений 254
5.1.2. Оценка нестабильности дозы внесения удобрений 255
5.1.3. Оценка качества распределения удобрений
в зоне стыковки смежных проходов 260
5.2. Управление качеством приготовления и внесения
удобрений, алгоритм настройки машин-удобрителей 262
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 272
6. ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УДОБРЕНИЙ 273
6.1. Состояние вопроса и основные направления решения
проблемы дифференцированного применения удобрений 273
6.2. Агротехнические предпосылки 281
6.3. Математическая постановка проблемы ...283
6.4. Алгоритм расчета оптимальных доз при дифференцированном внесении удобрений 288
6.5. Машинная технология дифференцированного применения ТОУ 293
6.5. Обоснование функциональных схем и параметров рабочих органов машин для дифференцированного внесения ТОУ 298
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 303
7. РЕЗУЛЬТАТИВНОСТЬ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 306
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 312
ВЫВОДЫ 314
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 318
ПРИЛОЖЕНИЯ 341
№1. Первичные данные экспериментальных исследований 341
№2. Документы, подтверждающие использование результатов исследований при разработке технологий, нормативных .
документов, исходных требований на машины 350
№3. Копии актов сдачи работ по технологиям приготовления
и внесения органических удобрений 367
№4. Копии описания авторских свидетельств на изобретения,
использованные при создании новых технологий и машин 383
№5. Программные продукты ^95
- Факторы^ предопределяющие эффективность применения органических удобрений
- Разработка структурно-технологических схем
- Машинная технология приготовления органоминеральных компостов
- Обоснование параметров рабочих органов машин для внесения ТОУ
- Совершенствование методики оценки качества работы машин-удобрителей
Введение к работе
Формирование высокопродуктивного сельскохозяйственного производства, повышение его эффективности, устойчивости и стабильности должно базироваться на рациональном использовании имеющихся природных, материально-технических и трудовых ресурсов. При этом антропогенное воздействие на систему "почва-растение-окружающая среда" должно быть избирательным, не сопровождаться отрицательными экологическими последствиями.
Доказано, что наиболее действенным фактором повышения урожайности сельскохозяйственных культур являются удобрения, прежде всего, органические. Их рассматривают как средство обеспечения не только пищевого режима растений, но и регулирования интенсивности и объема малого биологического круговорота энергии в агроэкосистемах. Рациональное применение удобрений является одним из определяющих факторов программированного производства сельскохозяйственных культур даже в регионах с высокой степенью риска.В целом за севооборот 1 т внесенного в почву качественного подстилочного навоза или компоста обеспечивает прибавку урожая на 1 ц в пересчете на зерно.
В конце 80-х годов объемы внесения навоза в России составляли около 450 ', млн.т т.е. около 3,5 т/га. В последние годы этот показатель снизился до уровня не более 0,25 т/га.Для бездефицитного баланса гумуса, в соответствии с программой "Плодородие России" ежегодно необходимо накапливать и рационально использовать не менее 800-900 млн.т органических удобрений.. Окупаемость удобрений, потребительские свойства выращиваемого зерна и других культур в значительной мере зависят от качества выполнения механизированного технологического процесса их применения. Ежегодный ущерб, обусловленный неэффективным использованием органических удобрений, оценивается недобором 15...20 млн.т зерновых единиц растениеводческой продукции. Значительные потери органических удобрений в процессе их производства, хранения и внесения являются существенным источником загрязнения окружающей среды. Одна из причин предопределивших сложившуюся ситуацию в стране кроется в отсутствии энергосберегающих, экономически эффективных технологий и машин, обеспечивающих переработку и использование отходов животноводства и получение из них высококачест- венных органических удобрений.
Настоятельная необходимость разработки машинных технологий рационального использования органических удобрений обусловлена действием объективных факторов - сужением границ эффективного применения удобрений, ужесточением требований к защите окружающей среды.
Выполненные исследования направлены на разработку новых и совершенствование существующих технологий и технических средств, обеспечивающих максимальную окупаемость удобрений при получении запрограммированных урожаев и не допускающих загрязнения окружающей среды.
Цель исследований. Изыскать и реализовать научно-технические решения, обеспечивающие увеличение эффективности применения органических удобрений посредством повышения качества выполнения механизированного процесса с обеспечением ресурсосбережения и экологизации сельскохозяйственного производства.
Народнохозяйственное значение научной проблемы состоит в увеличении производства качественных органических удобрений, повышении их окупаемости за счет более качественного их внесения, повышения плодородия почв, снижения загрязнения окружающей среды.
В работе дан анализ состояния и перспектив развития механизированных процессов применения органических удобрений (ОУ). Установлены основные фак торы, влияющие на эффективность механизированного применения органических удобрений. і
Обоснованы направления дальнейшего развития механизации применения органических удобрений, прежде всего посредством повышения качества, совершенствования механизированных процессов и технических средств на основе методов оптимального проектирования их как сложной системы.
Исследованиями [164] установлено, что одним из способов повышения эффективности удобрений, борьбы с семенами сорных трав, гельминтами является компостирование. Подготовка навоза посредством компостирования, приготовления органоминеральных компостов позволяет получать удобрения с заданным соотношением питательных элементов в системе программированного производства сельскохозяйственной продукции.
7 Изучен механизм формирования качества распределения ОУ по поверхности поля при механизированном их внесении, обоснована номенклатура показателей качества, определены их оптимальные значения и допуски на них, обоснованы технологические и технические решения.
Сформулированы требования к функциональным схемам машин, обоснованы технологические и конструктивные параметры рабочих органов машин для внесения органических удобрений, обеспечивающие необходимый уровень качества. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований физико-механических и реологических свойств ОУ, приведены система дифференциальных уравнений, описывающих движение жидкого навоза по рабочим органам и приведены методы инженерного расчета.
Изложены методы оценки качества выполнения технологического процесса приготовления и внесения удобрений, алгоритм настройки машин на заданный уровень качества, вопросы контроля и управления качеством выполнения механизированного технологического процесса применения удобрений, математическое обеспечение программированного производства органоминеральных компостов с заданными свойствами под программированный урожай.
Обоснованы требования к технологиям и техническим средствам для приготовления и внесения органо-бактериальных удобрений.
Рассмотрены концептуальные положения дифференцированного применения органических удобрений.
Научную новизну исследованийсоставляют: - механизм формирования комплексного показателя качества распределе ния питательных элементов (NPK) по полю при механизированном приготовлении и внесении удобрений, учитывающий неравномерность распределения не только массы удобрений, но и NPK в ней; -метод экономико-математического расчета эффективности применения органических удобрений, включающий комплексную оценку влияния на урожайность качества приготовления и внесения с учетом затрат на снижение неравномерности распределения питательных элементов по полю; - математическая модель выбора оптимального соотношения исходных ком понентов для получения компоста с заданным содержанием питательных элемен тов NPK, обеспечивающих получение запрограммированной урожайности на кон кретном поле в системе применения удобрений; - установленные на основе изучения жидкого и навоза (ЖОУ) закономерности изменения седиментационных и реологических свойств псевдопластичных материалов при широком диапазоне изменения состояния их пространственной структуры (от полной агрегации до ее разрушения), обусловленного как влажностью навоза (85 Основные положения, сформулированные в диссертационной работе и выносимые на защиту; -методология выбора рациональной номенклатуры и оптимального уровня показателей качества выполнения механизированного процесса применения органических удобрений; математическая модель комплексного показателя качества выполнения механизированного технологического процесса применения органических удобрений; методы расчета и обоснования рациональных параметров дозирующих и распределяющих рабочих органов машин для внесения жидких органических удобрений (92 9 приготовления и внесения органо-бактериальных удобрений на основе азотфиксато-ров; - концептуальные положения дифференцированного применения удобрений. Реализация результатов исследований. На основании результатов диссертационной работы разработаны: Органические удобрения являются одним из определяющих источников питательных элементов для растений. Дальнейшее совершенствование существующих технологий приготовления и внесения органических удобрений и разработка более прогрессивных технологий и технических средств невозможно без глубокого и всестороннего анализ факторов, влияющих на эффективность применения органических удобрений. На современном этапе развития земледелия, предусматривающем непрерывное повышение плодородия почв, интенсификация применения ОУ базируется на всемерном повышении качества выполнения механизированного процесса. При определении эффективности механизированного технологического процесса применения органических удобрений, как и других сельскохозяйственных процессов, имеется в виду две группы признаков, характеризующих качество выполнения работы - технологическую и экономическую (Рис. 1.1,1) Технологическое содержание качества отражает соответствие выполненной работы агротехническим требованиям по обеспечению заданной дозы и неравномерности распределения ОУ по всей обрабатываемой площади. Экономическое содержание качества внесения органических удобрений отражает его влияние на объем и эффективность работы, в оптимальные агротехнические сроки и предопределяется технологией выполнения механизированных работ, грузоподъемностью и шириной захвата, проходимостью агрегата, условиями эксплуатации, производительностью загрузочного устройства, организацией труда. Технологическое содержание качества предопределяется главным образом, физико-механическими свойствами удобрений, совершенством функциональной схемы машины оснащенностью агрегата системами ориентирования. Непосредственное влияние на качество выполнения работы оказывает техническое состояние машины, выбранный режим работы, условия ее эксплуатации. Количественная оценка фактической дозы внесения и равномерности распределения удобрений по всей обрабатываемой площади является определяющим показателем технологического содержания качества надежности функционирования системы «человек-машина-удобрение-поле». Многообразие факторов, предопределяющих интенсификацию применения ОУ, обуславливает необходимость системного подхода к проектированию технологических процессов, комплексов машин и управления качеством выполнения этих процессов. Целевая функция эффективного применения ОУ, включающая аг-ротехнологические Пат и механико-технологические Пмт аспекты проблемы, может быть представлена следующим образом [134]: где У - окупаемость ОУ в конкретных производственно-климатических условиях, ц/т; Уоу - оптимальная окупаемость ОУ в конкретных почвенно-климатических условиях на эталонных участках ц/т; Патф-снижение удобрительной ценности ОУ вследствие потерь в процессе производства и хранения, а также окупаемости, обусловленное нерациональным проектированием систем применения удобрений ц/т; ПМТф - недобор урожая, обусловленный снижением качества внесения удобрений вследствие несовершенства, как технологического процесса, так и технических средств, а также обусловленный нарушением агросроков внесения ОУ; несвоевременной заделкой их в почву, ц/т. В работе рассматривается комплекс вопросов, относящихся к подсистеме (1.1.3). Анализ эффективности применения органических удобрений показал, что урожайность при всех видах и дозах внесения органических удобрений в производственных условиях на 20...51%ниже, чем на эталонных участках (Таблица 1.1.1) [133,164]. Приведенные в таблице данные свидетельствует о том, что имеется большой резерв повышения эффективности органических удобрений посредством совершенствования машинных технологий и технических средств для их осуществления. Существующие технологии приготовления, а также комплексы машин для приготовления и внесения органических удобрений не в полной мере обеспечивают качественное выполнение технологического процесса. Одна из причин этого - недостаточная изученность характера формирования качества распределения удобрений по полю, отсутствие необходимых данных о факторах, определяющих его. Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные как у нас в стране [13,30,31,35,66,84,110,124...130,250,257], так и за рубежом [259,272], показал, что существенное влияние на распределение удобрений при механизированном их внесении оказьшают следующие факторы: физико-механические свойства удобрений и их вид, типы дозирующих и распределяющих рабочих органов машин для приготовления и внесения удобрений, рельеф обрабатываемого поля, рабочая ширина захвата агрегата, способ обработки поля, мастерство и навыки механизатора, метеорологические условия и другие. Выявить степень влияния того или иного фактора на качество распределения удобрений можно, лишь зная функциональную зависимость показателя качества распределения питательных элементов по всему обрабатываемому полю QNPK ОТ промежуточных показателей качества. Наличие такой зависимости необходимо также и потому, что еще нет методов непосредственной оценки показателя QNPK- Вместо него используют ряд промежуточных показателей качества, которые поддаются измерению [148]. Технологический процесс применения органических удобрений представляет собой связанную совокупность технологических операций приготовления удобрений (компостов, рабочих растворов), погрузку их, транспортировку и заделку в почву и является сложной системой. Определяющим исходным документом эффективного управления производственным процессом применения удобрений является структурно-технологическая карта, детально, поэтапно описывающая его протекание и документирующая логически меняющиеся операции. Технологический процесс применения органических удобрений представлен двумя технологическими картами: приготовления удобрений и их внесения (Рис.2.1.1). Технологическая карта приготовления удобрений представлена при помощи восьми условных знаков-символов, каждый из которых обозначает определенное действие, а технологическая карта при помощи семи символов. Технологическая карта пронумерована. Отдельный номер может включать один символ или несколько. В графе «Место действия в технологическом процессе» в строке, соответствующей символу действия, указывается место выполнения данной операции. Компосты, как правило, приготавливают на основе жидких (полужидких) органических удобрений Ж(П)ОУ- навоза или помета и компостируемого материала (КМ) - торфа, соломы и др. Все большее применение находят минеральные добавки (ТМУ) - фосфоритная мука, фосфогипс, известь содержащие и другие материалы. Технологический процесс приготовления полнокомпонентных компостов, направленный на получение органоминеральных удобрений с заданными физико-механическими свойствами, из 4 основных и 33 вспомогательных операций (Рис. 2.1.1) Технологическая карта предусматривает приготовление компостов как с использованием КМ и Ж(П)ОУ, так и ТМУ. Одним из способов, улучшающих физико-химические свойства как самого навоза (особенно бесподстилочного), так и влагопоглощающих материалов, является компостирование. При компостировании торфа с навозом, проходящем в аэробных условиях, повышается доступность азота влагопоглощающих компонентов компоста (20% валового содержания азота торфа переходит в легкодоступные для растений формы), снижается кислотность торфа [106,164,167] . Благодаря высокой влагоемкости (до 180%) и поглотительной способности (до 200 мг экв. на 100 г сухого вещества) торфа резко сокращаются потери навозной жижи и аммиачного азота, выделяющегося при хранении подстилочного и бесподстилочного навоза. Кроме того, улучшаются физические свойства готового продукта, что позволяет повысить в 2...3 раза качество распределения удобрений на поверхности поля и на 25...35% долговечность и надежность машин для применения органических удоб-рений. Содержащиеся в навозе семена сорных растений, яйца и личинки гельминтов теряют жизнеспособность, снижается до безопасных концентраций патогенная микрофлора [164]. Применение высококачественных полнокомпонентных компостов позволяет за один проход внести полную норму питательных веществ в соответствии с научно обоснованными технологическими нормами возделывания сельскохозяйственных культур. При этом в 2...3 раза сокращается число проходов агрегатов по полю, снижаются уплотнение почвы, затраты труда и средств, металлоемкость и энергоемкость. Основными компонентами органоминерального компоста являются: - биологически активный материал - навоз КРС; - влагопоглощающий материал - торф, солома, опилки и другие отходы сельскохозяйственного производства; - минеральные добавки - фосфоритная и известковая мука, калийные и дру гие минеральные удобрения. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс производства органоминеральных ком-постов на открытых площадках. В настоящем разделе изложены, разработанные нами технология производства органоминеральных компостов на открытых площадках с использованием роторной машины МПК-Ф-1 (ПНД-250), серийных транспортно-технологических средств и программное обеспечение технологического процесса. Технологический процесс включает следующие операции (Рис.3.1.1): - подготовку площадки; - формирование влагопоглощающей подушки; - внесение минеральных удобрений; - смешивание минеральных удобрений с материалом подушки; - внесение полужидкого (жидкого) навоза, помета; - формирование (предварительное) бурта; - аэрацию смеси и формирование бурта; - погрузку смеси в транспортные средства для формирования буртов в полевых условиях. В зависимости от имеющегося в хозяйствах влагопоглощающего материала можно готовить органоминеральные компосты, например, на основе торфа или соломы. Подготовка площадки. В летнее время площадку, предназначенную для [фоизводства компостов, выбирают вблизи ферм или в центре массива полей, на которых планируется использовать компост. Для предотвращения замерзания навоза в кузове транспортных средств при ;го перевозке в зимнее время площадки должны быть удалены от ферм не более іем на 2 км. При температуре -10С и ниже бесподстилочный навоз в кузове гранспортных средств должен находиться не более 10...12 минут. Одним из определяющих показателей работы машин-удобрителей является способность обеспечивать необходимые дозы D3 с соответствующим качеством QHM распределения массы удобрений по обрабатываему полю. Распределение удобрений рассматривали как случайное в интервале равном ширине захвата агрегата. Определяя массу удобрений на учетных площадках-противнях, получали статистический ряд распределения. Частота pi или вероятность соответствующего разряда определяли по формуле: где ШІ- масса удобрений в і противне, г; М - общая масса удобрений в противнях; п- количество удобрений в пределах общей ширины захвата Во Учитывая относительно малую величину противня (0,5x0,5 м2) по сравнению с общей шириной захвата (8-12 м) можно считать, что получаемый ряд в соответствии с ОСТ 70.72. 74 является непрерывной дифференциальной функцией f(x) или плотностью распределения случайной величины х (единицы массы удобрений), а массу собранных удобрений М в пределах ширины захвата как общее количество замеров. При этом качественная и количественная сторона процесса распределения удобрений характеризуется эпюрой плотности f(x) распределения навесок qj удобрений, получаемых на элементарных учетных делянках-противнях. Для выявления технологических достоинств машин для внесения органических удобрений и определения основных направлений их совершенствования необходимо знать дифференциальный закон распределения случайной величины q. Выполненные исследования позволили установить, что интегральная пло ность (4) распределения удобрений на общей ширине захвата машин -удобрителі (Рис. 4.1.1) с распределяющими рабочими органами метательного принципа дейс вия формируется за счет массы удобрений, выносимых барабаном-уширителем (1 барабаном-имельчителем (2) и транспортером-питателем (3). Получить заданную дозу D3 внесения удобрений при соблюдении допускої на ее отклонение ± AD возможно лишь при рабочей ширине захвата Врн, изменяющейся в узких пределах Вр тах Врн Вр mjn. Это обусловлено наличием впадины на эпюре распределения. На первый взгляд представляется более предпочтительной гипотеза о р пределении q в пределах ширины захвата по закону равной плотности, т.е. Во= В этом случае на участке от Вр плотность вероятности распределения q постоял а вне этого отрезка равна 0. Однако анализ показывает, что при использовании рабочих органов м тельного принципа действия распределять такой материал как ТОУ по закону р ной плотности практически невозможно. Такое распределение нельзя признат Понятие качества выполнения механизированного процесса применения удобрений включает в себя не только равномерность распределения заданной дозы физической массы удобрений (ФМУ), но и приготовление их с определенными физико-механическими свойствами, а также заделку в почву в оптимальные агротехнические сроки. Некачественное внесение ОУ при нарушении технологического процесса неисправимо. Вследствие особого свойства удобрений этого вида - эффекта последействия - некачественное внесение проявляется негативно в течение трех-четырех лет. Контроль качества выполнения механизированного процесса должен быть направлен главным образом на предупреждение брака. Контроль и управление технологическим процессом приготовления и внесе ния удобрений сводится к поддержанию заданных дозы внесения D3 и равномерно сти распределения удобрений Q„M ПО всей обрабатываемой площади. Для решения этой задачи необходимо контролировать все операции, которые оказывают прямое влияние на качество выполняемой работы. Качество выполнения технологического процесса можно оценить посредством выяснения неравномерности распределения питательных элементов в массе удобрений QNPK, определения длины рабочего хода агрегата LPi, секундной подачи удобрений q, а также рабочей ширины захвата Вр. Качество выполнения производственного процесса применения органических удобрений проверяют во время предупредительного, текущего и приемочного контроля. Для выполнения контроля всех видов должны быть разработаны методики оценки основных показателей качества, а также алгоритмы настройки машин для внесения удобрений.Факторы^ предопределяющие эффективность применения органических удобрений
Разработка структурно-технологических схем
Машинная технология приготовления органоминеральных компостов
Обоснование параметров рабочих органов машин для внесения ТОУ
Совершенствование методики оценки качества работы машин-удобрителей
Похожие диссертации на Научно-технические решения проблемы повышения эффективности машинных технологий применения органических удобрений
