Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 15
1.1 Роль удобрений в управлении продукционным процессом и способы их внесения 15
1.2 Анализ высевающих систем машин для посева и внесения минеральных удобрений 19
1.3 Обзор исследований по пневматическим высевающим системам 28
1.4 Сущность точного земледелия 31
1.5 Физико-механические свойства удобрений, определяющие их высев 35
1.6 Цель и задачи исследований 39
2 Теоретическое обоснование параметров и режимов работы пневматической высевающей системы машины 41
2.1 Способ и технологический процесс дифференцированного припосевного внесения основной и стартовой дозы минеральных удобрении 41
2.2 Обоснование конструктивных и технологических параметров пневматической высевающей системе машины для припосевного дифференцированного внесения основной и стартовой дозы минеральных удобрений 46
2.2.1 Анализ картограмм распределения элементов питания и выявление закономерностей их распределения в рамках одного поля и определение доз при внесении простых удобрении 46
2.2.2 Разработка алгоритма расчета доз при дифференцированном внесении удобрений на основе функции отзывчивости 51
2.2.3 Обоснование секундной подачи дозирующей системы машины 62
2.2.4 Обоснование диаметра вертикального тукопровода 66
2.2.5 Посев и внесение стартовой дозы удобрений 72
2.2.6 Обоснование скорости в тукопроводах 74
2.2.7 Расчет гидравлических потерь в пневмосистеме 76
2.2.8 Выбор и обоснование вентилятора. Требования к напорно-расходной характеристике вентилятора для обеспечения устойчивой работы системы 86
2.3 К обоснованию требований к переходным режимам дозирующих рабочих органов машин для дифференцированного внесения удобрений 89
3 Программа и методика экспериментальных исследований 95
3.1 Программа экспериментальных исследований 95
3.2 Методика экспериментальных исследований 96
3.2.1 Методика определения гранулометрического состава минеральных удобрений 96
3.2.2 Методика определения скорости витания удобрений 99
3.2.3 Исследование дозаторов вибродискретного типа 104
3.3. Лабораторно-полевые исследования 109
3.3.1. Описание макета машины для припосевного дифференцированного внесения минеральных удобрений 109
3.3.2. Методика измерения давления и скорости движения воздушного потока в тукопроводах пневмосистемы агрегата 114
3.3.3. Методика измерения давления и скорости движения смеси «воздух-удобрения» в тукопроводах пневмосистемы агрегата 121
3.3.4. Оценка неравномерности высева удобрений по ту копрово дам 121
3.3.5. Методика определения нормы высева удобрений 123
3.4 Методика обработки экспериментальных данных 123
4 Результаты экспериментальных исследований 125
4.1 Результаты исследований гранулометрического состава удобрений 125
4.2 Результаты исследований аэродинамических свойств удобрений 126
4.3 Результаты тарирования дозаторов вибродискретного типа 126
4.4 Экспериментальные исследования потерь напора в пневматической системе машины 129
4.5 Результаты исследований качества распределения удобрений по ширине захвата агрегата 132
4.6 Результаты исследования неравномерности распределения стартовой дозы удобрений и семян между семятукопроводами 136
4.7 Приемочные испытания агрегата АКПУ-6 в условия МИС 139
4.8 Перспективный дозатор машины для дифференцированного внесения гранулированных минеральных удобрений 141
4.8.1 Обоснование требований к дозатору 141
4.8.2 Описание конструкции дозатора 142
4.9 Программное обеспечение управления технологическим процессом дифференцированного внесения удобрений 144
4.9.1 Предпосылки к разработке программного обеспечения управления технологическим процессом припосевного дифференцированного внесения удобрений 144
4.9.2 Описание программного обеспечения 145
5 Экономическая эффективность дифференцированного внесения удобрений при посеве 150
5.1 Опыт применения дифференцированного внесения удобрений 150
5.2 Эффективность применения дифференцированного внесения удобрений 153
5.3 Экономическая эффективность дифференцированного внесения суперфосфата 155
Выводы 157
Список использованной литераторы 159
Приложение 177
- Роль удобрений в управлении продукционным процессом и способы их внесения
- Обоснование секундной подачи дозирующей системы машины
- Исследование дозаторов вибродискретного типа
- Экономическая эффективность дифференцированного внесения суперфосфата
Роль удобрений в управлении продукционным процессом и способы их внесения
Одним из факторов управления продукционным процессом и расширенного воспроизводства почвенного плодородия являются удобрения [7]. Американские ученые в системе мер повышения урожаев наибольший удельный вес (в процентах) отводят удобрениям - 41, далее гербицидам - 13-20, благоприятным погодным условиям 15, гибридным семенам - 8, ирригации - 5, прочим факторам -11-18. Немецкие ученные половину прироста урожая относят за счет применения удобрений, французские - даже 50-70%. В нашей стране данные агрохимической службы и передовых хозяйств убедительно доказывают, что за счет рационального применения удобрений может быть получено до 60 и более процентов прироста урожайности сельскохозяйственных культур. По данным государственной агрохимической службы России 56 млн. га пашни (45%) характеризуется низким содержанием гумуса, 43 млн. га (36%) -повышенной кислотностью, 28 млн. га (23%) - низким содержанием фосфора и 12 млн. га (9%) - низким содержанием калия, что лимитирует уровень урожайности на этих землях. Без применения оптимальных доз удобрений невозможно увеличить производство сельскохозяйственной продукции [8]. Перспективным направлением эффективного использования удобрения является припосевное внутрипочвенное внесение основной и стартовой дозы удобрений [9]. Агрохимическими исследованиями доказана высокая эффективность локального внесения минеральных удобрений [3,4,5,10]. Ориентированное размещение удобрений относительно корневой системы обеспечивает максимальную окупаемость удобрений и снижение загрязнения окружающей среды. Согласно концепции развития агрохимии и агрохимического обслуживания сельского хозяйства РФ, внесение 20 кг/га фосфора вразброс (поверхностно) дает прибавку зерна 1,0-1,5 ц/га, а при внесении в рядки с семенами - до 4,5 ц/га [11]. Агрохимической наукой доказано, что способ размещения минеральных удобрений в почве существенно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур и плодородие почвы [1,10,12].
По характеру размещения минеральных удобрений относительно поверхности почвы различают поверхностное и внутрипочвенное внесение (Рисунок 1.1).
Несмотря на высокую неравномерность внесения и экологическую вредность в настоящее время наибольшее распространение имеет поверхностный разбросной способ внесения. К числу наиболее значимых недостатков относится крайне неравномерное распределение удобрений по поверхности почвы, которая не должна превышать 10-20%. Применяемые для этого технические средства такой равномерности не обеспечивают [13]. Так, неравномерность внесения удобрений центробежными разбрасывателями доходит до 75-80 %, превышая допустимую неравномерность в 2 - 4 раза. Неравномерное внесение азотных удобрений в зависимости от пестроты их наличия в почве приводит к потерям урожая и накоплению в продуктах питания нитратов при избытке азота, и к недобору 25- 60 % урожая и снижению эффективности применения удобрений при недостатке азота [14,15,16].
Предпочтительнее в плане повышения эффективности удобрений и снижения потерь элементов питания представляется их внутрипочвенное локальное размещение на определенной глубине за один проход машины [2,12,17,18,19-23].
Основными способами локального внесения удобрений являются: основной (до посева или при посеве), стартовый (при посеве) и подкормка (дробно-дифференцированное внесение азотных удобрений во время вегетации растений). Преимущество припосевного внесения перед допосевным, заключается в строгом размещении лент удобрений вдоль посевных рядков растений или вместе с семенами. При этом улучшаются условия минерального питания и роста растений в начальный период их развития, а также такое внесение удобрений обеспечивает высокую их окупаемость прибавочным урожаем. Прибавки урожая зерновых культур при рядковом внесении фосфорных удобрений с учетом действия и последействия составляют обычно 1,5-7 ц/га, а окупаемость 1 кг д.в. зерном достигает 10-20 кг [4, 24].
Внутрипочвенное внесение основной дозы минеральных удобрений обеспечивает сельскохозяйственные культуры питательными элементами на весь вегетационный период их развития [1,3,25]. Они вносятся с небольшой почвенной прослойкой от семян или растений с одной или двух сторон рядка, что позволяет избежать отрицательного влияния повышенной концентрации солей на всхожесть и прорастание семян. С учетом последнего основное минеральное удобрение, применяемое в более высоких дозах, требует и большей пространственной изоляции от семян. Чаще всего для этого используется ленточный способ. Ленты удобрений различной ширины располагаются глуСже заделки семян на 5 и более см и в сторону от рядка на 5-7 и более см. При отсутствии техники для строго ориентированного размещения семян и лент удобрений в почве хорошие результаты дает и допосевное ленточное внесение основного минерального удобрения обычными зерновыми сеялками или культиваторами-растениепитателями.
Анализ показывает, что спектр способов локального размещения удобрений в почве значительно шире и разнообразнее, чем при разбросном внесении. Имеется реальная возможность для маневрирования применения удобрений по времени внесения, оптимального размещения удобрений по глубине в почве относительно корневой системы растений, снижения потери туков и повышения эффективности их применения [26].
Возможность совмещения операций по локальному внесению удобрений с основной, предпосевной и междурядной обработкой почвы, а также посевом и посадкой является важным резервом не только экономии ресурсов, но и средством избежание избыточного уплотнения почвы [1?].
Учитывая высокую вариабельность параметров плодородия, достигающую 100% и более, повысить эффективность удобрений и снизить уровень загрязнения окружающей можно посредством дифференцированного их внесения. Дифференцированное внесение обладает комплексом качественно новых признаков, предопределяющих: повышение окупаемости удобрений; исключение загрязнения и разрушения природной среды, более рациональное использование природных ресурсов при получении запланированной урожайности.
Основу дифференцированного применения удобрений составляет учет наличия элементов питания в пахотном слое э тементарных участков поля при их внесении. При расчете дифференцированных доз внесения используют различные алгоритмы. В настоящее время при обосновании доз при дифференцированном внесении удобрений широко используют уравнения регрессии (функции отзывчивости), устанавливающие связь между возрастающими дозами и урожайностью [27]. Использование функций отзывчивости сельскохозяйственных культур открывает возможности программирования урожайности, формирования требований к машинным технологиям и техническим средствам.
Обоснование секундной подачи дозирующей системы машины
Выполненные исследования вариабельности элементов питания полей Московской, Тверской и Курской областей позволили установить возможный диапазон изменении доз по физической массе D(j)M.min, D(j,,M.max для получения планируемой урожайности возделываемой культуры на конкретном поле с учетом вариабельности элементов питания NPK.
Диапазон изменения дифференцированных доз (д.в.) внесения удобрений под планируемую урожайность должен удовлетворять следующему условию (2.20):
Диапазон изменения дифференцированных доз внесения удобрений под планируемую урожайность по физической массе должен удовлетворять условию (2.21):
Для обеспечения требуемого диапазона доз, секундная производительность дозирующей системы должна удовлетворять следующему условию [8]:
Секундная подача Q (г/с) дозирующей системы предопределяется величиной дозы Эф м (кг/га), шириной захвата агрегата Ва (м) и скоростью движения агрегата va (м/с).
Секундная подача удобрений дозатором для обеспечения основной дозы DQCH и стартовой дозы при п , и n0Ui тукопроводах определяется по формуле где nCT - количество тукопроводов необходимых для обеспечения стартовых доз удобрений во всем диапазоне их возможного изменения.
Величина стартовой дозы в зависимости от количества тукопроводов пстраб, по которым удобрения подаются в эжектор, рассчитывают по формуле:
Данная формула используется при построении карт дифференцированного внесения основной и стартовой дозы удобрений.
В зависимости от содержания фосфора в почве, его вариабельности, обеспечения планируемой урожайности основная доза может изменяться от D0CH.min До D0CH.max. При этом величина стартовой дозы d ст. = (D0CH.min /посн. )-пст.Раб может быть меньше dCTmjn; (Рисунок 2.9). В нашем случае на экспериментальном образце машины посн=24, а пст=4 . На рисунке представлены графики зависимости величины стартовой дозы от величины основной дозы.
Из графиков, представленных на рисунке следует, что стартовая доза может меняться 0,4 до 17 кг/га д.в.
Графики зависимости стартовой дозы от основной представленные на рисунке 2.9 ,и может быть использован для выбора количества тукопроводов по которым подается стартовая доза в эжектор.
Принимая во внимание, что стартовая доза должна находиться в пределах установленных агротребованиями, может случиться так, что при заданном количестве тукопроводов (4 тукопровода), по которым подается стартовая доза не может быть обеспечена стартовая доза в указанных пределах. Корректировку стартовой дозы можно осуществлять посредством увлечения количества тукопроводов пст а также учета доступных для растения фосфора в начальный период развития с дозами kP стар dp205no4.- Коэффициент кР стар. характеризует, какое количество фосфорных удобрений, находящихся в почве, доступно в качестве стартовой дозы.
Приведенное выше неравенство может быть использовано для обоснования количества тукопроводов по которым подаются удобрения для обеспечения стартовой дозы, при котором стартовая доза будет находиться в заданных пределах (Рисунок.2.10). 25,00
Установлено, что для обеспечения дифференцирования стартовой дозы в заданных пределах, с учетом вариабельности фосфора в почве, количество туко-проводов по которым поступает стартовая доза в эжектор должна удовлетворять
Подставив значения минимальной и максимальной дозы, ширины захвата агрегата и скорости его движения в приведенные формулы получим значения необходимой секундной подачи. Для наших условий Qmin = 0 г/с, Qmax=480 г/с.
Исследование дозаторов вибродискретного типа
В состав стенда входил бункер для удобрений, 2 дозатора вибродискретного типа, аккумулятор 12 В, кабели, ноутбук, блок управления, весы лабораторные.
Устройство бункера показано на Рисунке 3.9 [143]
Емкость бункера 0,04 м3. В нижней части наклонной стенки бункера размещено окно (7) размером ПО мм на 20 мм. В нижней части вертикальной стенки установлена шиберная заслонка (10), обеспечивающая полное ссыпание материала из бункера.
Вибрационный дозатор (3) крепится к наклонной стенке таким образом, чтобы окно бункера было совмещено с окном дозатора (7). Дозатор вибрационный включает электромагнит (5), пластину вибрационную (4) шибер дозатора и ограничитель (6) перемещения вибрационной пластины. В нижней части дозатора смонтирован блок делителя потока (8)
Величина дозирующего окна (7) регул труется перемещением шибера дозатора (2). При верхнем положении шибера окно, дозирующее полностью откры-то и площадь его составляет 2200 мм . При максимальном отклонении пластины дозирующее окно полностью открыто. Перемещением шиберной заслонки (2) можно регулировать величину потока удобрений и семян, поступающих из бункера в дозатор.[143]
На передней панели размещены два тумблера: тумблер включения и выключения питания, и тумблер переключения подачи сигнала от генератора или с датчика скорости, два движка: движок регулировки частоты генератора и движок регулировки громкости озвучивания сигналов поступающих на дозаторы, пять светодиодов сигнализирующих о наличие питания, импульсов с генератора, импульсов с датчика скорости, импульсов поступающих на разъемы дозатора 1 и дозатора 2.
На задней панели (Рисунок 3.11)[143] установлены разъемы подключения дозаторов, звуковых импульсов, импульсов на порт СОМІ, импульсов с датчика скорости и питания. Все разъемы снизу имеют шильдики с надписями своего назначения.
Сигналы с датчика скорости или генератора поступают на компьютер и являются запускающими программу внесения. Программа выдает на выход колонок электрический сигнал определенной длительности, напряжением 1 В, током до 10 мА. Этот сигнал поступает на блок усиления, с выхода которого на дозаторы, напряжением 12 В и током нагрузки до 10 А
Подготовка стенда к работе
Подсоединить кабели к стенду.
Кабель питания подключить к аккумулятору 12 В.
Кабель подключения дозаторов соединить с дозаторами.
Кабель подключения с выхода колонок соединить с Ноутбуком
Включить Ноутбук, запустить программу
Порядок проведения опытов
Перед началом проведения экспериментов необходимо подготовить рабочее место и стенд к работе. Для этого необходимо : кабель питания подсоединить к аккумулятору 12 В, кабели подключения дозаторов соединить с дозаторами, кабель подключения с выхода колонок соединить с ноутбуком, кабель на СОМ порт соединить с ноутбуком.
В качестве дозируемого материала применялся гранулированный полипропилен (удобрение). Эксперимент проводился в следующей последовательности:
Сначала дозируемый материал засыпался в бункер, включался тумблер питания на блоке управления, включался тумблер подачи сигналов с датчика скорости или с генератора.
Затем на ноутбуке запускалась программа автоматического дифференцированного внесения основной дозы ТМУ. В окне данной программы вводились исходные данные для работы программы (Рисунок 3.12).
При поступлении сигнала на порт СОМІ, программа формирует посылку синусоидальных импульсов определенной длительности от 1 до 100 мс. Эти импульсы поступают на блок управления. В блоке управления посылка синусоидальных импульсов преобразуется в прямоугольный импульс.
Длительность импульса определяет время, в течение которого будет подано напряжение на электромагниты дозаторов, которые открывают щель из бункера. При открытой щели происходит высыпание удобрения в емкость.
После этого на лабораторных весах происходило взвешивание материала. Все опыты проводились с 3-х кратной повторностью. Все полученные данные заносились в текстовый файл, который затем обрабатывался программными средствами Microsoft Excel
Методика
В лаборатории на стенде были проведены испытания дозаторов вибродискретного типа и откалибрована шкала доз внесения. Порядок работы по испытанию дозаторов соответствует порядку описанному выше. Снимали соединительную воронку на дозаторах и подставляли под них емкость (мешочки), поочередно устанавливали дозы в окнах программы от 10 до 180 кг/га и включали вибродозатор кнопкой «Пуск», производили сбор удобпений с четырех участков по 100 м. Взвешивали удобрения на каждой дозе по 3-й повторности. Затем производился расчет средней дозы, отклонение и коэффициент вариации. Сравнивали установочные данные на компьютере с фактическими. По результатам проведенных испытаний была составлена номограмма.
Экономическая эффективность дифференцированного внесения суперфосфата
ГНУ Мордовский НИИСХ Россельхозакадемии на протяжении продолжительного времени изучает эффективность припосевного дифференцированного внесения удобрений. Данные исследования осуществляются на опытном поле Мордовского регионального Центра координатного земледелия в полевом севообороте со следующем чередованием культур: чистый пар - озимая пшеница -яровая пшеница - однолетние травы - ячмень.
Технология дифференцированного припосевного внесения гранулированных минеральных удобрений позволяет снизить расход минеральных удобрений на 12-18 % . При этом урожайность повышается на 13-15 % по сравнению с традиционным способом внесения гранулированных удобрений
Комбинированный агрегат АКПУ-6 для дифференцированного внесения основной и стартовой дозы минеральных удобрений прошел испытания в условиях ФГУ ЦЧ МИС (Протокол № 14-87-2010 (4030212)). Согласно протоколу испытания сменная производительность комбинированного агрегата составляет 4,2 га/ч, а годовая загрузка агрегата 120 часов. Таким образом, данный агрегат способен за год обработать 500 га земли.
Окупаемость удобрений Однфф. равна отношению прибавки урожая ДУ к количеству внесенных удобрений М :
При дифференцированном внесении удобрений согласно данным Мордовского регионального центра координатного земледелия, прибавка урожая составляет 13% экономия удобрений составляет 12 %, в этом случае окупаемость будет равна:
При этом окупаемость дифференцированного внесения Одифф. удобрений по сравнению с окупаемостью при равномерном внесении Оравн. увеличилась в 1,2 раза: где кокуп - коэффициент окупаемости удобрений.
Исходя из этого, при средней дозе внесения суперфосфата 100 кг/га, экономится до 17 кг удобрений на гектар. Соответственно на 500 га экономия составит 8,5 тонн. Стоимость реализации 1 тонны суперфосфата согласно данным фирмы ООО «Агрохимия» на 2012 год составляет 13100 руб. Экономия денежных средств в этом случае при дифференцированном внесении суперфосфата будет составлять 111350 рублей на 500 га.
