Содержание к диссертации
Введение
CLASS Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования CLASS 7
1.1 . Существующие технологии механизированного возделывания картофеля в крупных картофелеводческих хозяйствах 7
1.2.Существующие технологии механизированного возделывания картофеля в личных подсобных хозяйствах населения 15
1.3.Комплексы машин (орудий) 16
1.3.1.Комплекс машин для технологий с применением машинотракторных агрегатов 16
1.3.2.Комплекс орудий для технологий с применением мотоблоков 19
1.3.3.Комплекс орудий для технологий с применением ручного труда 24
1.4.Проблемы применения машинных технологий возделывания картофеля на приусадебных мелкоконтурных участках 24
1.5.Проблема возделывания картофеля на мелкоконтурных участках 26
1.6.Цели и задачи исследования 27
Глава 2. Теоретические исследования технологических процессов возделывания и уборки картофеля на мелкоконтурных участках 28
2.1 Обоснование общей структурной схемы исследований 28
2.2. Теоретические предпосылки для разработки технологии возделывания картофеля на мелкоконтурных участках в характерных условиях для Центрального Федерального округа Нечерноземной зоны Российской Федерации (ЦФО НЗ РФ) 31
2.3. Анализ агроклиматических условий ЦФО НЗ РФ 40
2.4. Анализ существующих участков по площади, длине гона, рельефу и типам почвы 40
2.5. Обоснование потребной оптимальной мощности мотоблока 44
2.6. Обоснование оптимальной скорости и ширины захвата агрегата 53
2.7. Учет качества выполнения технологического процесса 55
CLASS Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 5 CLASS 7
3.1. Программа исследований 57
3.2. Выбор и подготовка объектов и приборов 58
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований 67
3.4. Методика обработки опытных данных 69
CLASS Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 7 CLASS 3
4.1. Условия проведения исследований 73
4.2. Результаты экспериментальных исследований 77
4.2.1. Энергетическая оценка 77
4.2.2. Агротехническая оценка 81
4.3. Выбор орудий по минимуму энергозатрат и качеству выполнения рабочих процессов . 99
4.4. Результаты по обоснованию оптимальной мощности, рабочей ширины захвата и рабочей скорости движения агрегата. 101
Глава 5. Эксплуатационно-технологическая оценка и экономическая эффективность мотоблочной технологии с рекомендованными орудиями
5.1. Эксплуатационно-технологическая оценка выбранных орудий 103
5.2. Экономическая эффективность мотоблочной технологии с
рекомендованными орудиями. 107
Общие выводы 119
Литература 121
Приложения 131
- Существующие технологии механизированного возделывания картофеля в крупных картофелеводческих хозяйствах
- Теоретические предпосылки для разработки технологии возделывания картофеля на мелкоконтурных участках в характерных условиях для Центрального Федерального округа Нечерноземной зоны Российской Федерации (ЦФО НЗ РФ)
- Анализ существующих участков по площади, длине гона, рельефу и типам почвы
- Выбор орудий по минимуму энергозатрат и качеству выполнения рабочих процессов
Введение к работе
Одной из традиционно важных отраслей сельского хозяйства нашей
страны является картофелеводство.
Картофель относится к числу важнейших сельскохозяйственных культур. В мире он занимает пятое место среди источников энергии в питании людей после пшеницы, кукурузы, риса и ячменя. Прежде всего, это ценнейший продукт питания.
Более 50% мирового производства картофеля идет непосредственно до или после переработки для питания человека, 30 — на корм животным, 3...4 — для получения крахмала и спирта и примерно 10% — на посадочный материал [102].
Крахмал картофеля используют для производства более 500
наименований продукции для бумажной, текстильной,
деревообрабатывающей, строительной, керамической, химической, фармацевтической и пищевой промышленности.
Кроме того, картофель обладает некоторыми преимуществами в агроэкономическом отношении по сравнению с другими сельскохозяйственными культурами, что также способствует его распространению[68, 51].
Картофель в РФ возделывается на площади 3,2 млн. га из них 92,2% в личных хозяйствах населения. Валовой сбор картофеля составляет 34965 тыс. тонн 92,5% приходится на долю личных хозяйств населения, 5,9% - в крупных картофелеводческих хозяйствах и 1,6% на фермерские хозяйства.
Однако картофель — самая энергоемкая сельскохозяйственная культура, в настоящее время производство картофеля характеризуется высокой трудоемкостью. Около 500 чел-ч затрачивается на возделывание 1 га картофеля, а с использованием ручного труда на личных подсобных участках населения 2650 чел-ч [14, 16]. При индустриальной технологии возделывания затраты труда на 1 га составляют- 115,04 чел-ч [75].
Решением этой проблемы (снижение трудозатрат) является механизирование ручного труда. Основным путем механизации возделывания картофеля на приусадебных участках является применение мотоблоков, вместе с тем ни орудия, ни технология возделывания картофеля еще не отработаны, а существующие разрозненные средства и агрегаты не обеспечивают должного качества технологического процесса возделывания картофеля. Следовательно, проблема является актуальной научной задачей, имеющей важное значение для сельскохозяйственного производства.
Задача состоит в отработке технологии возделывания картофеля на приусадебных участках с подбором и разработкой орудий для выполнения всех операций.
Существующие технологии механизированного возделывания картофеля в крупных картофелеводческих хозяйствах
Разнообразие почвенных, климатических условий, с учетом колебаний погодных условий по годам, сортовых особенностей картофеля и их длительности вегетации (ранние, среднеранние, среднеспелые, среднепоздние и позднеспелые сорта), различное назначение картофеля (кормовые цели, семена, продовольственные цели или для переработки на полуфабрикаты) диктуют применение различных технологий возделывания полностью всех операций или отдельных технологических процессов, регулировок машины, сроков выполнения технологических операций или процессов.
Технология возделывания картофеля включает следующие виды работ: выбор предшественника, осенняя подготовка почвы (внесение удобрений, вспашка зяби, нарезка гребней), весенние работы по внесению удобрений, подготовка почвы, подготовка семян, посадка, уход за посадками, уборка, закладка картофеля на хранение, послеуборочные работы с почвой.
В мировой практике и в России отработанны и применяются десятки технологий возделывания и уборки картофеля [67]. Наиболее типичные из них, отображающие особенности нашей страны, следующие: - технология массового применения [24, 30, 75]; - технология возделывания картофеля на слеживающихся суглинистых почвах с повышенным содержанием гумуса [23]; - технология возделывания картофеля на почвах, засоренных камнями и комковатых [8]; - грядово-ленточная технология возделывания картофеля (для условий повышенной влажности и мелиорированых земель) [78]; - технология возделывания картофеля в условиях орошения [46]; - широкорядные технологии [15]. Любая из перечисленных технологий с учетом достижений науки и техники, а также по мере накопления практического опыта, совершенствуются или заменяются новой, более совершенной. Причем набор технологических операций может, как увеличиваться, так и уменьшаться.
Рассматриваемые технологии включают в себя следующие операции (табл. 1.1). [8]
В Российской Федерации применяется ряд технологий возделывания картофеля, основной из которых является гребневая технология выращивания с междурядьями 70 см, хотя в ряде условий по данным исследований Всероссийского НИИ картофельного хозяйства более эффективно возделывать картофель с расширенными междурядиями 90 см или на грядах, например, по схеме 110+3 0см. Последние годы все большее распространение получили широкорядные технологии с шириной междурядий 90 и 140 см, в безгербицидном и гербицидном вариантах.
Для технологии возделывания картофеля с междурядьями 70 и 90 см создана и производится необходимая система машин, отсутствуют соответствующие средства механизации серийного производства для междурядий 140 см.
Технология возделывания на грядах применяется в ряде областей Нечерноземной зоны и, как вариант, на Дальнем Востоке на незначительных площадях.
В последние годы в ряде регионов России испытывалась и показала неплохие результаты западноевропейская (голландская) технология возделывания картофеля с активными рабочими органами.
Согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 7 апреля 1995 г. N320 "О программе внедрения высокоэффективных технологий производства картофеля в Российской Федерации в 1995-1999 годы" предусматривалось изготовление в Самарской области по лицензиям западноевропейских фирм комплектов сельскохозяйственной техники для
возделывания картофеля по конверсионным программам на площади 100-120 тыс. га.
При этом имеется в виду, что, если на песчаных почвах уборка комбайнами возможна практически при всех условиях, то на тяжелых почвах лишь при условии строгого, своевременного и качественного выполнения операций по интенсивному предпосадочному рыхлению почвы и междурядной обработке с применением фрезерных культиваторов, при строгом соблюдении требований к посадке. В случае их несоблюдения на тяжелых почвах комбайны могут оказаться неработоспособными во влажные годы или давать продукцию со значительными примесями почвы в бункере.
В связи с тем, что в земледелии РФ был, а теперь еще более обострился вопрос недостатка органических удобрений, ставится вопрос о дополнительных источниках органики - измельченная солома, чистые и промежуточные посевы сидератов для последующей запашки под картофель [71].
Стратегия использования минеральных удобрений определяется тем, что необходима увязка не только с уровнем осеннего урожая и окупаемостью 1кг д.в. при уборке, но и качеством продукции и ее себестоимостью. При возрастающих уровнях минеральных удобрений под планируемые урожаи продовольственного картофеля с лучшим качеством и сохранностью использовать известные методы расчета доз: на основе полевого опыта, по уравнению регрессии, по запасам минерального азота в почве, а балансовый — лишь для умеренных урожаев.
При основной обработке [70] тяжелых почв предъявляются повышенные требования к выравненное поверхности пашни, поскольку это оказывает существенное влияние на качество фрезерования весной. На легких почвах при весенней обработке предусматривается закрытие влаги боронованием или культивацией с боронованием; безотвальная перепашка зяби или глубокое рыхление, а затем маркировка поля (нарезание гребней) с одновременным внесением минеральных удобрений.
Теоретические предпосылки для разработки технологии возделывания картофеля на мелкоконтурных участках в характерных условиях для Центрального Федерального округа Нечерноземной зоны Российской Федерации (ЦФО НЗ РФ)
Сложившаяся структура производства картофеля в России за последние годы характеризуется следующим образом: 92,5 % валового сбора приходится на личные подсобные хозяйства население, 5,9 % на долю крупных с/х организаций и 1,6 % на фермерские хозяйства. Произошедшее перераспределение доли валового сбора между населением и крупными с/х организациями связано с изменением формы собственности на землю и владельцами [Приложение табл. 1]. В личных подсобных хозяйствах возделывание картофеля осуществляется главным образом на мелкоконтурных участках.
Урожайность приблизительно находится на одном уровне, отклоняясь от среднего по годам в зависимости от многих факторов: ежегодных климатических условий, почвенных фонов, сроков посадки, сорта и т.д.
В связи с изменившейся обстановкой в сельском хозяйстве необходимо разработать и обеспечить производителя не только минитехникой, но и технологией возделывания картофеля, а также шлейфом орудий научно обоснованным для каждой операции. Начальным этапом исследования является отработка технологии. Решением задачи выбора орудий для реализации технологии является метод поэтапной оптимизации параметров и режимов работы агрегатов [29]. В соответствии с этой методикой на первом этапе по минимуму приведенных затрат С„ -»min определяется потребная оптимальная мощность для мотоблока и выбирается марка мотоблока. На втором этапе по минимуму энергозатрат Е -» min при рабочем ходе агрегата определяются оптимальные ширина захвата и скорость движения агрегата. На последующих этапах проводится анализ с выбором оптимального рабочего орудия. Общая структурная схема исследований представлена на рисунке 2.1.
Анализ научных работ по существующим технологиям, машинным комплексам и орудиям возделывания картофеля изложенных в работах отечественных и зарубежных ученых Верещагина Н.И., Дидманидзе О.Н., Ерохина М.Н., Замотаева А.И., Иванюка В., Келлера Н.Д., Колчинского Ю.Л., Колчиной Л.М., Лубенцова В.М., Литуна Б.П., Пшеченкова К.А., Петрова Г.Д., Писарева Б.А., Постникова А, Шпаара Д., Шумана П., и др. показывает, что в основе комплексного решения лежит триада - « Растение картофеля - Технология - Орудия».
В основу мотоблочной технологии возделывания картофеля на мелкоконтурных участках заложены морфологические, анатомические, физиологические и биохимические особенности картофельного растения. Картофель как растение можно охарактеризовать следующим образом: - продуктивность (потенциал по урожайности); - мощность корневой системы (площадь распространения корневой системы, параметры клубневого гнезда: глубина, ширина и длина, возможная масса клубней); - мощность наземной части; - коэффициент размножения по количеству и массе клубней; - требовательность к удобрениям; - устойчивость к болезням и вредителям; - стойкость к механическим нагрузкам; - сохраняемость; - требовательность к температуре и влажности почвы, а также к содержанию воздуха в грядке, освещенности наземной части; - длительность периода вегетации; - назначение картофеля: переработка, продовольственные или кормовые цели, семеноводство, на технические цели. Основными требованиями к растению являются [35. 102];
Освещенность. Картофель нуждается в свете и значительно снижает урожай в тени. Многочисленные опыты по изучению влияния на картофель дневного освещения показали резкие видовые его различия по реакции на фотопериодизм. Фотопериодические условия оказывают большое влияние на развитие растений картофеля. По цветению картофель — растение длинного, а по клубнеобразованию — короткого дня. При коротком дне образование клубней и их созревание происходят раньше, чем при длинном. При ранней уборке они дают в таких условиях более высокий урожай, чем в условиях длинного дня. Сорта, которые в более северных регионах известны как позднеспелые, в более южных районах под влиянием коротких дней и более высоких температур требуют меньшего количества суток до наступления созревания и наоборот. При длинном дне габитус растения ближе к стеблевому типу, при коротком — к листовому. Все физиологические скороспелые сорта образуют клубни как при длинном, так и при коротком дне, поздние же сорта нуждаются в укороченном дне. В этом и заключается основное физиологическое различие между этими группами сортов.
Удобрения.
Картофель очень требователен к питательным веществам. Для получения высоких урожаев и хорошего качества клубней они должны быть доступны растениям вовремя, в необходимом количестве и в нужной форме. Этим требованиям удовлетворяют те требования, которые вносятся с учетом почвенных запасов питательных веществ и с учетом последующего использования картофеля (столовый, семенной, для производства пищевых продуктов, крахмала и спирта, на корм). На каждую тонну клубней потребно: 4-7 кг азота; 1,3-2 кг фосфора; 6-9 кг калия.
Анализ существующих участков по площади, длине гона, рельефу и типам почвы
ЦФО НЗ РФ включает 12 областей: Брянскую, Владимирскую, Ивановскую, Калужскую, Костромскую, Московскую, Орловскую, Рязанскую, Смоленскую, Тверскую, Тульскую, Ярославскую, в каждой из которых культивируется картофель. Исходя из этого, определенный интерес представляют основные почвенно-климатические особенности, оказывающие влияние на технологические процессы по возделыванию картофеля.
По данным [27] среднегодовое количество осадков в большинстве областей ЦФО составляет 400 - 600 мм, а в отдельные годы 700 - 900 мм. Безморозный период длится 110 — 160 дней при начале полевых работ 20.04 — 02.05 и их окончании 30.09 - 10.10.
Большое влияние на показатели работы мотоблоков оказывают свойства почв, определяемые в значительной степени их физико-механическим составом. Основную часть почв по механическому составу в ЦФО занимают средне- и легкосуглинистые почвы, составляющие 65%. На долю глинистых, супесчаных и песчаных почв приходится соответственно 18%, 14%иЗ%[88].
Как известно, наиболее благоприятными для уборки картофеля являются песчаные и супесчаные почвы, на долю которых приходится всего лишь 17% площади. При неустойчивой погоде осени в ЦФО условия для уборки картофеля являются тяжелыми [27].
Анализ существующих участков по площади, длине гона, рельефу и типам почвы.
Общая площадь сельскохозяйственных угодий под картофель по РФ составляет 3230 тыс. га на Центральный Федеральный Округ (ЦФО) Нечерноземной зоны РФ приходится 610 тыс. га это 18,9%. Из многочисленных исследований [86], по аналогии с МТА, известно, что на технико-экономические показатели мотоблоков наибольшее влияние оказывают длина гона L, удельное сопротивление рабочих органов К и угол склона а. Этими природно-производственными факторами в основном определяется мощность двигателя и выбор рабочих скоростей. Участки с длиной гона 30 м составляют примерно 65% площади. Распределение площади по длине гона в среднем по Нечерноземной зоне (НЗ) в соответствии с данными [19] показано на рисунке 2.3.
Поля зоны характеризуются сравнительно небольшим уклоном. Средний класс угла склона находится в пределах 1-3. Распределение площади по углу склона в среднем по Нечерноземной зоне [19] показано на рисунке 2.4., а также по областям в таблице 2.2. [27]. 60 50 40 30 20 10 Г1 L, м агротребований по возделыванию картофеля с учетом минимальных затрат энергии на технологический процесс. 2.5. Обоснование потребной оптимальной мощности мотоблока Обоснование проводим для самой трудоёмкой операции возделывания картофеля — пахота. В качестве основного критерия оптимальности, как и в подавляющем большинстве других исследований, выбран минимум приведенных затрат [54] C„=- -- min, (2.1) где Сп - приведенные затраты, руб/м , Сг - затраты на единицу времени, руб/с, W - производительность мотоблока, м /с.
Для решения поставленной задачи необходимо выразить Сг и W в функции соответствующих параметров агрегата, а затем определить их оптимальные значения по условию С„ - min.
Поскольку все параметры агрегата взаимосвязаны между собой, то значения Сг и W могут быть выражены в функции целого ряда параметров и их сочетаний (мощности, массы, ширины захвата, и т.д.).
Целесообразно для выявления основного параметра на первом этапе начать исследование с производительности W, определяемой по формуле W = B-V-r, (2.2) где В - ширина захвата, м V - скорость, м/с т - коэффициент использования времени смены.
Для выражения значения т в функции соответствующих параметров агрегата необходимо составить известный баланс времени смены мотоблока. [10, 84, 87] L см тот + той + пн + тпр ПР + mcpl СР + (2 1\ + Тх + Tm + mmTm + тспТсп + Та +ТН+ТР 45 где Ттот, Тгом - продолжительность ежесменного обслуживания мотоблока и плуга; ТПц — время, необходимое для получения наряда, приема и сдачи агрегата (ТПн = 0); ТПР, Тер - время подготовки к переезду или к работе после переезда; Шпр - число подготовок к переезду или к работе после переезда; тер — число переездов за смену; Тх - время, затрачиваемое на холостые повороты; Тто - время на устранение неисправностей и ТО в процессе работы; mnri - число подготовок к переезду с участка на участок внутри смены; ТПп — время подготовки к переезду или к работе после переезда; ТСп — время внутрисменных переездов на другой участок; men — число переездов с участка на участок за смену; Т0 - время отдыха; Тц - другие потери времени, связанные с погодой, организацией труда и т.д.; ТР - чистое рабочее время. Для выявления оптимизирующего параметра определение составляющих баланса смены необходимо начать с Тх и Тт0, непосредственно связанных с технологическим процессом. Значение Тх определяется из исходного выражения где пХп - количество холостых поворотов за смену; txn - продолжительность одного поворота, с. Значение количества холостых поворотов пХц определяем с учетом сменной наработки \Л/Л1 = В V Тр и длины гона
Выбор орудий по минимуму энергозатрат и качеству выполнения рабочих процессов
Приведены результаты закладки опытов с доведением до урожайности по предложенной мотоблочной технологии с рекомендованным набором орудий (Рис. 5.1) на участках площадью до 0,10 га в садово-огородных товариществах СОТ «Спасское», «Заречье» Солнечногорского района Московской области. Опытная проверка проведена на картофеле сорта «Невский», на среднесуглинистых почвах, в сравнении с выполнением всех операций данной технологии в ручную. Общий вид участка, в период цветения картофеля показан на Рис. 5.2.
Для реализации разработанной технологии мотоблок оборудован штифтовыми колесами, колесами «Ежами» и проставками полуосей. Полученные показатели по производительности, расходу топлива, скорости движения приведены в таблице 5.1. Основные показатели продуктивности при возделывании картофеля на площади 0,05 га по мотоблочной технологии на сорте картофеля «Невский»: - урожайность в физическом весе составила 19,9 т/га, - урожайность в зачетном весе - 19,2т/га - качество основной продукции, %: а) полноценная продукция - 96,6% б) поврежденная продукция - 3,4% Загрязнение окружающей среды выбросами вредных веществ- 136,4 г/кВт-ч, в том числе: СО - 83,6; СН - 8,8; NO - 44,0. . Экономическая эффективность мотоблочной технологии с рекомендованными орудиями.
Экономическая оценка проведена в соответствии со стандартом ОСТ 10.2.11 - 2000 «Машинные технологии производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Методы экономической оценки», ОСТ 10 2.18 -2001 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы экономической оценки». При этом экономическая оценка велась по следующим показателям: себестоимость производства сельскохозяйственной продукции, прямые эксплуатационные затраты, затраты труда, срок окупаемости, рыночная рентабельность.
Исходные данные для расчета взяты при проведении испытаний в хозяйственных условиях [14, 16].
Методика расчета [60, 65] экономической эффективности мотоблочной технологии. Себестоимость производства сельскохозяйственной продукции Сс, руб/т вычисляли по формуле ип +ИР + ит +нн ис - у 1 (у.і; где Ип - прямые эксплуатационные затраты (оплата труда, топлива, ремонт и ТО, амортизация), руб./га; Ир - суммарные затраты материальных ресурсов (семена, удобрения, средства защиты растений, цена сырья, воды, газа), руб./га; Ит - затраты на сопряженных операциях (транспортные расходы), руб./га; Нн - накладные расходы, руб./га; У - урожайность сельскохозяйственной культуры, т/га. Прямые эксплуатационные и транспортные затраты вычисляли по формуле Ип =3 + r + R + A + M3K, (5.2) где 3 - затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб./га; Г - затраты на горюче-смазочные материалы и другие энергоресурсы, руб./га; R - затраты на техническое обслуживание и ремонт, руб./га А - отчисления на амортизацию, руб./га; ИЭк - издержки на охрану окружающей среды, руб./га. Затраты на оплату труда обслуживающего персонала 3, руб./га, вычисляли по формуле 3-j -Z KdK,. (5.3) vv смі /=1 где Лі - количество обслуживающего персонала на і-том виде работ, чел.; Tj - часовая оплата труда обслуживающего персонала на і-том виде работ, руб./чел.-ч; Кс; - коэффициент сложности выполнения работ в зависимости от типа энергосредства на і-том виде работ; К3 - коэффициент начислений на зарплату на і-том виде работ: натуроплата, налоговые отчисления в региональный бюджет, начисляемые от уровня часовой оплаты труда с учетом коэффициента сложности на і-том виде работ (в отрасли растениеводства - 1,829); WCMj - производительность агрегата или рабочего за час сменного времени на і-том виде работ, га/ч.
Затраты средств на горюче-смазочные материалы и другие энергоресурсы Г, руб./га, вычисляли по формуле Г = qTUTKuc, (5.4) где qT - удельный расход топлива, кг/га; Цт - цена одного килограмма топлива, руб./кг; Кмс - коэффициент учета стоимости смазочных материалов (отечественной техники и стран СНГ— 1,1; зарубежной - 1,25).
