Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы. цель и задачи исследований 8
1.1. Способы и средства восстановления плодородия сельскохозяйственных угодий загрязненных углеводородами 8
1.2. Фитомелиоративная способность костреца и его морфологические, биологические и агротехнические особенности 12
1.3. Анализ существующих посевных машин используемых для посева трудносыпучих семян костреца 15
1.4. Анализ высевающих устройств для трудносыпучих семян 21
1.5. Выводы 39
1.6. Цель и задачи исследований 40
2. Теоретическое обоснование технологического процесса высева трудносыпучих семян 42
2.1. Особенности технологического процесса высева трудносыпучих семян и обоснование перспективной конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата 42
2.2. Анализ процесса истечения семян костреца прямого на первом этапе высева 45
2.3. Анализ процесса транспортирования трудносыпучих семян рядами штифтов дисково-штифтового высевающего аппарата 54
2.4. Анализ процесса формирования потока семян и их подача через высевное окно : 59
2.5. Выводы 67
3. Программа и методика экспериментальных исследований 68
3.1. Программа экспериментальных исследований 68
3.2. Методика лабораторных исследований 68
3.2.1. Физико-механические свойства семян костреца прямого 69
3.2.2. Описание лабораторной установки 76
3.2.3. Методика определения подачи семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом в зависимости от его конструктивно-режимных параметров 78
3.2.4. Исследование влияния конструктивно- режимных параметров высевающего аппарата на равномерность высева семян 79
3.2.5. Методика многофакторного планирования 82
3.3. Методика полевых исследований 88
3.3.1. Устройство и технологический процесс работы экспериментальной сеялки для посева трудносыпучих культур 89
3.3.2. Оценка неустойчивости высева экспериментальной сеялкой в полевых условиях 92
3.3.3. Методика определения равномерности распределения семян и растений в рядке 94
3.3.4. Исследование глубины заделки семян 96
3.3.5. Динамика появления всходов 97
3.3.6. Методика определения урожая с опытных посевов 97
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 100
4.1. Результаты лабораторных исследований 100
4.1.1. Результаты исследований физико-механических свойств семян костреца 100
4.1.2. Результаты исследования влияния конструктивно-режимных параметров высевающего аппарата на подачу семян и неустойчивость- высева .;...; 102
4.1.3. Результаты оптимизации конструктивно-режимных параметров дисково-штифтового высевающего аппарата по подаче 106
4.1.4. Влияние конструктивно-режимных параметров высевающего аппарата на равномерность высева 113
4.2. Результаты полевых исследований 116
4.2.1. Определение неустойчивости высева семян экспериментальной сеялкой 117
4.2.2. Глубина заделки семян 118
4.2.3. Равномерность распределения семян и растений в рядке 119
4.2.4. Динамика появления всходов 121
4.2.5. Анализ урожая, полученного с опытных посевов 123
4.3. Выводы 125
5. Технико-экономическая эффективность использования экспериментальной сеялки с дисково-штифтовым высевающим аппаратом 127
6. Общие выводы 135
Список использованной литературы 137
Приложения 147
- Способы и средства восстановления плодородия сельскохозяйственных угодий загрязненных углеводородами
- Особенности технологического процесса высева трудносыпучих семян и обоснование перспективной конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата
- Физико-механические свойства семян костреца прямого
- Влияние конструктивно-режимных параметров высевающего аппарата на равномерность высева
Введение к работе
Загрязнение почв углеводородами представляет реальную угрозу окружающей среде. В последние годы пристальное внимание как эффективный метод ремидиации почв, вод и донных осадков, загрязненных углеводородами, привлекает фиторемидиация. Эффективность фиторемедиации зависит от активности микробиоценоза загрязненных экотопов, характера взаимодействия и взаимовлияния микроорганизмов, растений и собственно загрязнений.
Существует три основных альтернативы фиторемидиации по способу очистки загрязненной нефтепродуктами почвы: естественное самоочищение, использование промышленных технологий и биоремидация. Считается, что фиторемидация гораздо менее затратна, чем1 биоремидация и намного экономичнее, чем промышленная технология очистки.
Естественное восстановление плодородия почв при загрязнении нефтью происходит значительно дольше, чем при других техногенных загрязнениях. При этом резко изменяется водопроницаемость вследствие гидрофобизации, структурные отдельности не смачиваются, а вода как бы "проваливается" в нижние горизонты профиля почвы; влажность уменьшается. Как следствие этого - выпадение одного из главных звеньев ценоза - растительности. Нефть и нефтепродукты вызывают практически полную депрессию функциональной активности флоры и фауны. Ингибируется (приостанавливается) жизнедеятельность большинства микроорганизмов, включая их ферментативную активность. Управление процессами биодеградации нефти должно быть направлено, прежде всего, на активизацию микробных сообществ, создание оптимальных условий их существования. Попадая в почву, нефть увеличивает общее количество углерода. В составе гумуса возрастает нерастворимый остаток, что является специальных посевных машин для высева семян трудносыпучих культур являются актуальными и имеют важное научное и хозяйственное значение.
Работа проводилась в рамках задания 02.01.03: «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям» тематического плана Межведомственной координационной программы Фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг. согласно научно-исследовательской теме: «Разработка, исследование и внедрение высевающих систем и рабочих органов посевных машин и комбинированных агрегатов, обеспечивающих энергоресурсосбережение при возделывании сельскохозяйственных культур» (номер государственной регистрации 01.2.00.314738) и посвящена совершенствованию технологии высева трудносыпучих культур и обоснованию параметров дисково-штифтового высевающего аппарата.
На основании выполненных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:
- конструктивно-технолгическая схема дисково-штифтового высевающего аппарата для высева трудносыпучих семян фитомелиорантов;
- теоретические зависимости по определению массовой подачи дисково-штифтового высевающего аппарата с обоснованием основных конструктивно-режимных параметров;
- экспериментальные зависимости подачи и равномерности высева трудносыпучих семян костреца от основных конструктивно-режимных параметров;
- результаты исследований в производственных условиях экспериментальной пневматической сеялки, оснащенной дисково-штифтовым высевающим аппаратом.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Механика и инженерная графика» ФГОУ ВПО Самарской ГСХА в 2004...2007 годах.
Способы и средства восстановления плодородия сельскохозяйственных угодий загрязненных углеводородами
Загрязнение почв углеводородами представляет реальную угрозу окружающей среде. В последние годы пристальное внимание как эффективный метод ремидиации почв, вод и донных осадков, загрязненных углеводородами, привлекает фиторемидиация. Эффективность фиторемедиации зависит от активности микробиоценоза загрязненных экотопов, характера взаимодействия и взаимовлияния микроорганизмов, растений и собственно загрязнений.
Существует три основных альтернативы фиторемидиации по способу очистки загрязненной нефтепродуктами почвы: естественное самоочищение, использование промышленных технологий и биоремидация. Считается, что фиторемидация гораздо менее затратна, чем1 биоремидация и намного экономичнее, чем промышленная технология очистки.
Естественное восстановление плодородия почв при загрязнении нефтью происходит значительно дольше, чем при других техногенных загрязнениях. При этом резко изменяется водопроницаемость вследствие гидрофобизации, структурные отдельности не смачиваются, а вода как бы "проваливается" в нижние горизонты профиля почвы; влажность уменьшается. Как следствие этого - выпадение одного из главных звеньев ценоза - растительности. Нефть и нефтепродукты вызывают практически полную депрессию функциональной активности флоры и фауны. Ингибируется (приостанавливается) жизнедеятельность большинства микроорганизмов, включая их ферментативную активность. Управление процессами биодеградации нефти должно быть направлено, прежде всего, на активизацию микробных сообществ, создание оптимальных условий их существования. Попадая в почву, нефть увеличивает общее количество углерода. В составе гумуса возрастает нерастворимый остаток, что является одной из причин ухудшения плодородия. Это, в свою очередь, наносит ощутимый экономический ущерб земледелию [5].
Растения и микроорганизмы могут совместно, либо раздельно очищать загрязненные нефтепродуктами почвы и грунтовые воды путем деструкции загрязняющих веществ, их перевода в недоступную для биоты форму. По данным НИИ имени В.Р. Вильямса более эффективное разложение загрязняющих веществ достигается совместным действием растений и микроорганизмов [45].
Растения фитомелиоранты должны обладать следующими свойствами: адаптивность к экологическим условиям конкретного региона и местообитания, включая рельеф почвы и климат; устойчивое формирование фитомассы, обеспечивающей максимальный вынос токсикантов; интенсивное поглощение корнями и перемещение вредных соединений, элементов, экстрактов.
Накопление в почве корневых остатков, а как следствие и органического вещества, следовательно и вынос вредных соединений углеводородов, находится в прямой зависимости от урожайности высеваемой культуры.
Как показывает зарубежный опыт, в современном процессе фиторемедиации обобщенно можно выделить следующие основные технологические приемы (этапы) на основе использования растений: - фитоэкстракция, - удаление тяжелых металлов или органических соединений посредством накопления их в надземной массе растений, подлежащей уборке; - ризофильтрация - всасывание корнями растений (адсорбция) загрязнителей из загрязненных водоисточников и водоемов; - фитостабилизация - ослабление биологической активности загрязнителей окружающей среды; - фитоиспарение - испарение надземной частью растений загрязнителей или поглощение и удаление последних из воздуха.
Удаление органических соединений и тяжелых металлов-загрязнителей, надземной массой и корнями фитомелиорантов участвующих в процессе фиторемидиации может быть осуществлено по схеме, представленной на рисунке 1.1.
Для создания устойчивого к эрозии растительного покрова предусматривается залужение загрязненных участков специально подобранными видами трав способными ускорять очищение почвы от углеводородов.
Зеленые растения также используют для нейтрализации загрязненной материнской породы после применения гербицидов и специальных методов улучшения. По данным журнала «Сельскохозяйственная биология», список перспективных травянистых растений-фитомелиорантов включает более 30 видов, таблица 1.1 [16].
Особенности технологического процесса высева трудносыпучих семян и обоснование перспективной конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата
Анализ существующих высевающих аппаратов и высевающих устройств, для высева трудносыпучих семян, выполненный в первом разделе показывает, что наиболее целесообразным является использование высевающих аппаратов с рабочими органами, позволяющими активно выполнять отбор связанного семенного материала из бункера и принудительно перемещать его в семяпровод или пневмотранспортирующую систему.
Наиболее подходящим для удовлетворения таких требований являются разновидности катушечных высевающих аппаратов - штифтовые, лопастные или мотыльковые. Они получили широкое распространение для высева сыпучих и трудносыпучих семян трав.
Анализ процесса высева трудносыпучих семян желобчатым катушечным высевающим аппаратом с обычной компоновкой показывает невозможность обеспечивать высев трудносыпучих семян с необходимыми агротехническими требованиями, что подтверждается экспериментальными исследованиями.
Исходя из изложенного и принимая во внимание результаты анализа высевающих аппаратов, рассмотренных в разделе (1), на кафедре "Механика и инженерная графика" Самарской ГСХА был разработан дисково-штифтовый ВЬІСЄЕШ)ЩИЙ аппарат для трудносыпучих семян (Патент РФ № 2288564) (рис. 2.1).
Высевающий аппарат состоит из семенного бункера 1, козырька 2 расположенного над скребком 3, высевного окна 4, приемной воронки 5, высевающего диска 6 с подвижными штифтами 7 связанного с приводным валом 9, и направляющей шайбы 8 в виде геликоида.
Технологический процесс работы дисково-штифтового высевающего аппарата можно представить в виде двух этапов.
На первом этапе происходит отбор семян из общей семенной массы в бункере и перемещение их к высевному окну.
При вращении высевающего диска 6, подвижные штифты 7 скользя нижним окончанием по поверхности направляющей шайбы 8 выдвигаются, выступая над поверхностью высевающего диска.
Далее семена, прошедшие в сектор отбора из семенного бункера, увлекаются рядами выдвинутых штифтов и транспортируются в подкозырьковую зону.
После прохождения ряда штифтов передней кромки козырька 2 они выделяют порцию семян расположенную вдоль криволинейного скребка 3. Затем за счет возвратных пружин штифты опускаются, выравниваясь торцами с верхней плоскостью высевающего диска копируя поверхность направляющей шайбы.
На втором этапе происходит транспортировка семян к высевному окну. За счет силы трения между семенами и поверхностью высевающего диска выделенная порция семян движется в направлении криволинейного скребка, в свою очередь последующий ряд штифтов подводит очередную порцию семян следом за предыдущей.
Порции семян, движущиеся вдоль криволинейного скребка, сбрасываются через высевное окно 4 в воронку семяпровода. После прохождения скребка штифты вновь выдвигаются над поверхностью высевающего диска продвигая последующие порции семян к скребку, повторяя рабочий цикл.
Предложенная технологическая схема процесса высева путем воздействия подвижных штифтов на связанную массу семян, позволяет осуществлять высев трудносыпучих посевных материалов.
Благодаря предлагаемому конструктивному исполнению дисково-штифтового высевающего аппарата, активизируется процесс отбора семенного материала из бункера, заполнение рабочего объема между рядами штифтов и обеспечивается принудительная подача семян в пневмотранспортирующую систему сеялки.
Таким образом, разработанная конструктивно-технологическая схема высевающего аппарата создает определенные предпосылки для увеличения производительности и равномерности высева трудносыпучих семян костреца прямого. Однако ввиду того, что она имеет ряд существенных особенностей, требуются необходимые теоретические и экспериментальные исследования предложенного дисково-штифтового высевающего аппарата. В связи с этим технологический процесс описанного высевающего аппарата принят за основной объект исследований.
Физико-механические свойства семян костреца прямого
В соответствии с разработанной программой в лабораторных условиях предусматривалось выполнить следующие экспериментальные исследования: - изучение физико-механических свойств семян костреца прямого; - определение подачи семян экспериментальным высевающим аппаратом в зависимости от его конструктивно-режимных параметров и их оптимизация с использованием планирования многофакторного эксперимента; - исследование равномерности высева в зависимости от конструктивно-режимных параметров дисково-штифтового высевающего аппарата.
Исследования технологического процесса высева семенного материала костреца прямого экспериментальным дисково-штифтовым высевающим аппаратом выполняются с учетом основных физико-механических свойств семян.
Физико-механические свойства семян многолетних злаковых растений изучены многими исследователями на основе семенного материала регионов, традиционно занимающихся их возделыванием. Несмотря на это, свойства семенного материала костреца прямого достаточно не изучены. В связи с этим исследовались основные их физико-механические свойства, необходимые для определения конструктивных параметров предлагаемого высевающего аппарата.
Основные физико-механические свойства семян костреца прямого определялись согласно действующим методикам и ОСТ: -отбор проб [89]; -размерно-массовыехарактеристики [69]; -сыпучесть [69]; — плотность семенной массы и угол естественного откоса по ОСТ8-16-76[69]; - коэффициенты трения семенного материала о поверхности твердых тел, коэффициент внутреннего трения и коэффициент уплотнения по методике Р.Л. Зенкова [43].
Одной из главных характеристик семенных материалов является сыпучесть. Она является определяющим фактором, оказывающим наиболее существенное влияние на работу высевающих аппаратов, в особенности сеялок, предназначенных для высева семян трудносыпучих культур.
В основном для оценки сыпучести насыпных грузов и семенных материалов [43, 69] используют угол естественного откоса - угол между горизонтальной поверхностью и образующей конуса, который всегда получается при насыпке сыпучих материалов за счет сил внутреннего трения. У семенных материалов с низкой сыпучестью связь между отдельными частицами обуславливается не только внутренним трением, но и сцеплением поверхности семян. В этом случае для большинства семян угол естественного откоса не может характеризовать их сыпучесть.
Поэтому для оценки сыпучести семенного материала воспользуемся методикой Н.Б. Баранова [9], для этого используем цилиндр (рис. 3.1, 3.2), в который засыпается исследуемый. материал при опущенном поршне. Излишки семян над цилиндром снимаются, и поршень начинают перемещать вверх. При этом из цилиндра выталкивается часть семян. В зависимости от сыпучести исследуемого материала, часть вытолкнутого объема семян осыпается, а часть остается над цилиндром. Отношение веса осыпавшейся части семян к весу семян вытолкнутых из цилиндра и принимается за показатель сыпучести.
Для определения угла естественного откоса в настоящее время известно множество способов которые с различной степенью точности отражают его величину [43,69]. Расхождение между результатами трех разных способов могут достигать 20% [43]. Исходя из этих соображений, замеры производились комбинированным способом на приборе, состоящим из емкости 1 с поворотным затвором 2 и горизонтальной площадки, имеющей вертикальную 3 и горизонтальную линейки, точка отсчета последних размещена соосно емкости (рис. З.1.). После открытия затвора семенной материал высыпается на горизонтальную площадку с малой высоты с углом естественного откоса, который определяется из выражения (рис. 3.2):
Влияние конструктивно-режимных параметров высевающего аппарата на равномерность высева
Дальнейшие лабораторные исследования дисково-штифтового высевающего аппарата проводили с целью изучения влияния основных конструктивно-режимных параметров на продольную равномерность распределения семян.
Оценка- равномерности распределения семян дисково-штифтового-высевающего аппарата для трудносыпучих семян, осуществлялась путем определения коэффициента вариации- v. Продольная равномерность распределения семян определяется равномерностью потока, непосредственно создаваемого высевающим аппаратом на выходе из семенной воронки.
С целью определения комплексного влияния режимов работы и конструктивных параметров высевающего аппарата на равномерность высева был реализован полный факторный эксперимент 2 .
На основе результатов поисковых опытов выбраны уровни и интервалы варьирования основных факторов.
В результате- обработки полученных данных определена математическая модель зависимости факторов в кодированных независимых переменных при уровне значимости 0,05%. Полученная модель имеет следующий вид: Y = 43,225 + 6,542 -8,96Х2 - 2,542 3 -3,292,Х, (4.7)
Для удобства интерпретации полученных- результатов, заменив в уравнении регрессии кодовые значения факторов, согласно выражению (3.10), перейдем к натуральным значениям оцениваемых факторов. После чего, получим уравнение регрессии в раскодированном виде: v = -53,458 + 8,209/г + 4,344р - 2,542 - 0,412/гр (4.8) Как видно из уравнения регрессии, наибольшее влияние на равномерность высева оказывают высота подкозырькового пространства h и количество рядов штифтов р. Несколько меньшее влияние оказывает количество штифтов в ряду к.
Интервал варьирования 2 4 1 1 1 1
Однако расчетное значение критерия Фишера F = 6,64 больше табличного FTa6=3,2 следовательно, полученная математическая модель неадекватна и не является линейной. Поэтому в дальнейших исследованиях с целью описания области оптимума необходимо использовать метод ортогонального композиционного планирования эксперимента.
Уровни и интервалы варьирования перечисленных факторов, представлены в таблице 4.3. В ходе проведения вычислительных операций получим уравнение регрессии которое примет вид: Y=1CU+8,18-A; -7,78 -4,45- -Х2 + 17,47-X2i +17,97-. (4.9) Для удобства интерпретации полученных результатов, заменив в уравнении регрессии кодовые значения факторов, перейдем к натуральным значениям оцениваемых факторов. После чего, получим уравнение регрессии в раскодированном виде: v = lU\ 01-m,995h-20p-0,556hp + 4,367h2 +1,123р2 (4.10)
После подстановки соответствующих значений основных факторов, получим графическую зависимость влияния основных конструктивно-режимных параметров на равномерность высева дисково-штифтовым высевающим аппаратом (рис. 4.9, 4.10).
Анализ графической зависимости показывает, что наибольшая равномерность высева обеспечивается при количестве рядов штифтов р=12...14, количестве штифтов в ряду к=3 и высоте подкозырькового пространства п=15..16мм. При этих параметрах коэффициент вариации количества семян, в пятисантиметровых участках не превышал v = 10,1, что определяет заштрихованная зона на рисунке 4.10.
