Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса цель и задачи исследований 6
1.1 Эффективность внесения минеральных удобрений в плодоносящих садах, анализ способов и форм внесения 6
1.2 Анализ технических средств механизации процесса внутрипочвенного внесения удобрений 14
1.2.1 Устройства для внутрипочвенного внесения удобрений непрерывного действия 14
1.2.1.1 Рабочие органы, совмещающие внесение удобрений с обработкой почвы 14
1.2.1.2 Шагающие рабочие органы 23
1.2.1.3 Ротационные рабочие органы 26
1.2.1.4 Приспособления для образования гидроимпульсных струй 31
1.2.1.5 Внесение удобрений гидромониторным способом 37
1.2.2 Устройства для внутрипочвенного внесения удобрений периодического действия 38
1.3 Обоснование цели и задач исследований 42
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование технологии и средств механизации внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений 44
2.1 Обоснование направления теоретических исследований определения пространственного положения активной части корневой системы плодовых деревьев 44
2.2 Теоретические предпосылки гидроимпульсного способа внесения жидких удобрений в почву 49
2.2.1 Обоснование параметров гидроимпульсного устройства 49
2.2.2 Определение коэффициента относительной потери скорости 55
2.2.3 Обоснование электрогидравлических параметров устройства 65
2.2.4 Электрические параметры генератора импульсных токов 67
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процесса внутрипочвенного внесения удобрений и их анализ 71
3.1 Экспериментальные исследования процесса гидромониторного внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений 71
3.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований 71
3.1.2 Анализ уравнения регрессии 75
3.2 Электрогидроимпульсное внутрипочвенное внесение растворов минеральных удобрений 77
3.2.1 Экспериментальные исследования процесса проникновения высоконапорной струи жидкости в почву при инициировании давления в гидроимпульсной камере с использованием электрогидравлического эффекта 82
3.2.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований 82
3.2.1.2 Проверка теоретического закона проникновения струи высоконапорной жидкости в почву 85
3.2.2 Экспериментальные исследования процесса работы
гидравлического клапана гидроимпульсного устройства 90
3.2.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 90
3.2.2.2 Анализ опытных данных 97
ГЛАВА 4. Энергоэкономический анализ процесса внутрипочвенного внесения жидких минеральных удобрений 101
4.1 Определение стоимости изготовления машин для внесения удобрений 101
4.2 Энергетическая эффективность технологического процесса внесения удобрений 103
4.3 Сравнительная экономическая оценка операции удобрения плодовых насаждений различными агрегатами 106
Общие выводы 111
Список литературы 113
Приложения
- Анализ технических средств механизации процесса внутрипочвенного внесения удобрений
- Рабочие органы, совмещающие внесение удобрений с обработкой почвы
- Обоснование направления теоретических исследований определения пространственного положения активной части корневой системы плодовых деревьев
- Экспериментальные исследования процесса гидромониторного внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений
Введение к работе
Эффективное производство продукции садоводства возможно при внедрении интенсивных технологий, которые предполагают использование высокопроизводительных машин, обеспечивающих соблюдение всех агротехнических требований при выполнении основных технологических операций. Среди них внесение удобрений — одна из операций, качественное выполнение которой позволяет повысить урожайность плодовых культур в несколько раз. Поэтому работы по созданию и совершенствованию машин для внесения удобрений и разработка новых технологий внесения с использованием новых машин постоянно актуальны.
В настоящее время для внесения удобрений в плодовых насаждениях используют машины, распределяющие твердые гранулированные минеральные удобрения по поверхности почвы, иногда с последующей заделкой на глубину 10...20 см, что не обеспечивает оптимальные условия потребления многолетними насаждениями питательных веществ заключенных в удобрениях и ухудшает экологическую ситуацию.
В связи с этим исследования, связанные с созданием новых перспективных машин, а именно с изучением новых способов внесения, приобретают определяющее значение.
Наиболее перспективным направлением является разработка машин осуществляющих адресное внутрипочвенное внесение растворов минеральных удобрений с использованием гидроимпульсных высоконапорных струй. Совершенствование таких машин позволяет увеличить коэффициент использования удобрений до максимального значения и способствует улучшению экологической обстановки.
Настоящая работа содержит результаты исследований процессов гидромониторного внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений и гидроимпульсного - высоконапорной струей, формирующейся в результате проявления электрогидравлического эффекта.
Научная новизна исследований состоит в том, что:
выделены аналитическим путем новые элементы классификации устройств для внутрипочвенного внесения минеральных удобрений в плодовых насаждениях;
разработана методика определения пространственного расположения активной части корневой системы плодовых насаждений с применением ПЭВМ;
получена теоретическая модель проникновения высоконапорной струи жидкости в почву;
предложены методические рекомендации постановки опытов по исследованию работы устройств для гидромониторной и гидроимпульсной подачи жидкости в почву;
установлены оптимальные режимы работы устройства для гидромониторного внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений;
предложено совершенно новое (на уровне изобретения) устройство для внутрипочвенного электрогидроимпульсного внесения растворов минеральных удобрений и определены режимы его работы.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты исследований способов и форм внесения, а также конструкций устройств осуществляющих внесение минеральных удобрений в плодовых насаждениях, которые оказали непосредственное влияние на направление дальнейших исследований.
Элементы теории процесса проникновения струи высоконапорной жидкости в почву.
Конструкционные схемы рабочих органов для внутрипочвенного гидромониторного и электрогидроимпульсного внесения растворов минеральных удобрений.
Методики определения режимов работы и конструкционных параметров предложенных рабочих органов.
Работа выполнена в отделе механизации Государственного научного учере-ждения Всероссийского селекционно-технологического института садоводства и питомниководства (ГНУ ВСТИСП) в 2002 - 2005 годах. Экспериментальные исследования проводились в ОС «Центральная» ГНУ ВСТИСП.
Анализ технических средств механизации процесса внутрипочвенного внесения удобрений
Приспособления к плужному корпусу. Обычно с первого по третий год жизни сада, т.е. пока корни молодых деревьев недостаточно развиты и не занимают всю отведенную им площадь питания, в почву на глубину до 22 см удобрения вносят машиной ПРВН-2,5 с приспособлением ПРВН-17 [32](Рисунок 2).
Этим приспособлением можно вносить до одной тонны удобрений на гектар, оно обладает довольно высокой производительностью (5...5,5 га за смену). Приспособление состоит из бункера объемом 0,6 м3 с транспортером и тукопро-вода, посредством которого гранулированные удобрения подаются на дно борозды, образуемой плугом-рыхлителем.
Аналогичное устройство сконструировано в Институте плодоводства в Пловдиве [33]. На базе тукоразбрасывателя РУП-2,5М создано двухрядное устройство для глубокого внесения удобрений. В нем, так же как и в предыдущем случае, удобрения из бункера через тукопровод подаются на дно борозды, образованной лемехом. Преимущества данного устройства заключаются в увеличенном объеме бункера (2,5 м3) и навесной системе крепления с помощью гидроцилиндров и опорно-регулирующих колес, позволяющих бесступенчато заглублять рабочие органы и сохранять постоянную глубину.
Машина УОМ-50 предназначена для глубокого рыхления почвы с одновременным внесением органомииеральных удобрений узкой лентой в междурядьях виноградников, питомников и садов [34]. Основной рабочий орган машины -сошник, предназначенный для образования в почве щели и заделки удобрений на глубину от 30 до 50 см. Машиной УОМ-50 можно внести на 1 га до 6 т минеральных удобрений, ее производительность 0,7-2 га/ч. Вместимость бункера 2 м3.
Приспособления к плоскорезной лапе. Культиватор-плоскорез-удобритель КПГ 2,2, разработанный в ВИМе, предназначен для локального внесения основной дозы удобрений одновременно с безотвальной обработкой почвы [35] (Рисунок 3).
На раме машины закреплен туковый ящик вместимостью до 500 кг с дозаторами и две плоскорежущие лапы захватом 2,2 м. Стойка лапы снабжена туко-проводом, а в подлаповом пространстве закреплен тукораспределитель. Глубина обработки почвы и внесения удобрений регулируется в пределах 15...25 см.
Существуют предложения по усовершенствованию процесса подачи удобрений к плоскорезной лапе. Так, в Львовском аграрном университете Олещенко Р.К. предложил осуществлять подачу удобрений из бункера непосредственно к лапе при помощи экструдера [36]. В Украинском НИИ механизации с/х разработано приспособление к плоскорежущей лапе в виде конусных шипов, размещенных на поверхности лапы, улучшающее процесс заделки удобрений [37].
Рабочий орган для плоскорезной обработки почвы с одновременным внесением удобрений воздушной струей на базе плоскореза ГУН-4, разработан Саратовским институтом механизации с/х [38]. Он состоит из плоскорезной лапы, закрепленной на вертикальной стойке, канала для совместной подачи удобрений и воздуха, под которым находится распределительная камера. В камере на оси закреплен полый круговой конус с отражающими пластинами, который может свободно вращаться вокруг собственной оси. При заглублении сошника на требуемую глубину через специальный канал одновременно с подачей воздуха подается высеваемый материал. В результате воздействий посевной смеси, обладающей за пасом кинетической энергии, конусный отражатель получает вращательное движение вокруг собственной оси, сообщая тем самым каждой последующей частице, отделяющейся от него, новое направление движения. Таким образом, обеспечивается равномерное распределение туков в подсошниковом пространстве [39].
В Оренбургском ГАУ разработано еще одно приспособление к плоскорезу ГУН-4, предназначенное для уменьшения избыточного давления, создаваемого подающим воздушным потоком, в подпочвенном пространстве [40]. Приспособление представляет собой двукрылый воздухообменник, в каждом крыле которого выполнены отверстия, диаметр которых изменяется по мере удаления от оси симметрии лапы.
Приспособления к стрельчатой лапе. С целью увеличения эффекта от внутрипочвенного внесения удобрений ВНИИПТИХИМом создан агрегат для послойного размещения удобрений лентами на базе культиватора КВГ-3,6 [41]. В данном случае удобрения вносятся не в одну борозду, расположенную на определенной глубине, а в несколько слоев, в связи с чем увеличивается доступность удобрений для большего количества корней растения. Максимальная глубина внесения удобрений 25 см, емкость бункера 0,66 м3.
Аналогичный агрегат У11ІЯ-4 бал создан Армянским НИИ виноградарства, виноделия и плодоводства [42]. Он предназначен для глубокого ярусного внесения минеральных удобрений в садах. Отличительной особенностью данного агрегата является то, что с целью адресного внесения удобрений непосредственно возле штамба дерева, он оборудован гидравлической сигнальной системой, включающей щупы, пружины, тяги и гидрораспределители [43]. По мере движения агрегата щуп, взаимодействуя со штамбом дерева, переключает гидрораспределитель, в результате масло подается к гидроцилиндрам, которые заглубляют рабочие органы в почву и одновременно включаются шнеки, обеспечивающие подачу удобрений в тукопровод. Как только взаимодействие щупа со штамбом дерева прекращается, происходит обратный процесс. Глубина заделки удобрений у ближних к рядам деревьев сошников составляет 15...25 см, дальних 30...40 см. Емкость бункера 0,45 м3.
Рабочие органы, совмещающие внесение удобрений с обработкой почвы
Приспособления к плужному корпусу. Обычно с первого по третий год жизни сада, т.е. пока корни молодых деревьев недостаточно развиты и не занимают всю отведенную им площадь питания, в почву на глубину до 22 см удобрения вносят машиной ПРВН-2,5 с приспособлением ПРВН-17 [32](Рисунок 2).
Этим приспособлением можно вносить до одной тонны удобрений на гектар, оно обладает довольно высокой производительностью (5...5,5 га за смену). Приспособление состоит из бункера объемом 0,6 м3 с транспортером и тукопро-вода, посредством которого гранулированные удобрения подаются на дно борозды, образуемой плугом-рыхлителем.
Аналогичное устройство сконструировано в Институте плодоводства в Пловдиве [33]. На базе тукоразбрасывателя РУП-2,5М создано двухрядное устройство для глубокого внесения удобрений. В нем, так же как и в предыдущем случае, удобрения из бункера через тукопровод подаются на дно борозды, образованной лемехом. Преимущества данного устройства заключаются в увеличенном объеме бункера (2,5 м3) и навесной системе крепления с помощью гидроцилиндров и опорно-регулирующих колес, позволяющих бесступенчато заглублять рабочие органы и сохранять постоянную глубину.
Машина УОМ-50 предназначена для глубокого рыхления почвы с одновременным внесением органомииеральных удобрений узкой лентой в междурядьях виноградников, питомников и садов [34]. Основной рабочий орган машины -сошник, предназначенный для образования в почве щели и заделки удобрений на глубину от 30 до 50 см. Машиной УОМ-50 можно внести на 1 га до 6 т минеральных удобрений, ее производительность 0,7-2 га/ч. Вместимость бункера 2 м3.
Приспособления к плоскорезной лапе. Культиватор-плоскорез-удобритель КПГ 2,2, разработанный в ВИМе, предназначен для локального внесения основной дозы удобрений одновременно с безотвальной обработкой почвы [35] (Рисунок 3).
На раме машины закреплен туковый ящик вместимостью до 500 кг с дозаторами и две плоскорежущие лапы захватом 2,2 м. Стойка лапы снабжена туко-проводом, а в подлаповом пространстве закреплен тукораспределитель. Глубина обработки почвы и внесения удобрений регулируется в пределах 15...25 см.
Существуют предложения по усовершенствованию процесса подачи удобрений к плоскорезной лапе. Так, в Львовском аграрном университете Олещенко Р.К. предложил осуществлять подачу удобрений из бункера непосредственно к лапе при помощи экструдера [36]. В Украинском НИИ механизации с/х разработано приспособление к плоскорежущей лапе в виде конусных шипов, размещенных на поверхности лапы, улучшающее процесс заделки удобрений [37].
Рабочий орган для плоскорезной обработки почвы с одновременным внесением удобрений воздушной струей на базе плоскореза ГУН-4, разработан Саратовским институтом механизации с/х [38]. Он состоит из плоскорезной лапы, закрепленной на вертикальной стойке, канала для совместной подачи удобрений и воздуха, под которым находится распределительная камера. В камере на оси закреплен полый круговой конус с отражающими пластинами, который может свободно вращаться вокруг собственной оси. При заглублении сошника на требуемую глубину через специальный канал одновременно с подачей воздуха подается высеваемый материал. В результате воздействий посевной смеси, обладающей за пасом кинетической энергии, конусный отражатель получает вращательное движение вокруг собственной оси, сообщая тем самым каждой последующей частице, отделяющейся от него, новое направление движения. Таким образом, обеспечивается равномерное распределение туков в подсошниковом пространстве [39].
В Оренбургском ГАУ разработано еще одно приспособление к плоскорезу ГУН-4, предназначенное для уменьшения избыточного давления, создаваемого подающим воздушным потоком, в подпочвенном пространстве [40]. Приспособление представляет собой двукрылый воздухообменник, в каждом крыле которого выполнены отверстия, диаметр которых изменяется по мере удаления от оси симметрии лапы.
Приспособления к стрельчатой лапе. С целью увеличения эффекта от внутрипочвенного внесения удобрений ВНИИПТИХИМом создан агрегат для послойного размещения удобрений лентами на базе культиватора КВГ-3,6 [41]. В данном случае удобрения вносятся не в одну борозду, расположенную на определенной глубине, а в несколько слоев, в связи с чем увеличивается доступность удобрений для большего количества корней растения. Максимальная глубина внесения удобрений 25 см, емкость бункера 0,66 м3.
Аналогичный агрегат У11ІЯ-4 бал создан Армянским НИИ виноградарства, виноделия и плодоводства [42]. Он предназначен для глубокого ярусного внесения минеральных удобрений в садах. Отличительной особенностью данного агрегата является то, что с целью адресного внесения удобрений непосредственно возле штамба дерева, он оборудован гидравлической сигнальной системой, включающей щупы, пружины, тяги и гидрораспределители [43]. По мере движения агрегата щуп, взаимодействуя со штамбом дерева, переключает гидрораспределитель, в результате масло подается к гидроцилиндрам, которые заглубляют рабочие органы в почву и одновременно включаются шнеки, обеспечивающие подачу удобрений в тукопровод. Как только взаимодействие щупа со штамбом дерева прекращается, происходит обратный процесс. Глубина заделки удобрений у ближних к рядам деревьев сошников составляет 15...25 см, дальних 30...40 см. Емкость бункера 0,45 м3.
Обоснование направления теоретических исследований определения пространственного положения активной части корневой системы плодовых деревьев
Пространственное расположение корневой системы плодовых растений, в том числе и активной ее части в большей мере сосредоточенной в ростовых областях, зависит от многих факторов, оказывающих свое определенное влияние: сорта, подвоя, возраста растения, условий среды, агротехники, типа почвы, глубины залегания грунтовых вод и др.
К настоящему времени при изучении влияния различных факторов на расположение активной части корневой системы в комплексе брали не более двух, трех факторов. В основном это работы экспериментального характера с раскопкой и изучением корневой системы конкретного дерева, дающие сведения лишь для отдельного частного случая.
На данный момент необходимо развития направления, в котором была бы предпринята попытка описания пространственного расположения активной части корневой системы плодовых деревьев, с учетом наибольшего количества основных влияющих факторов. Подобная методика дает возможность определять расположение активных корней в различных природно-климатических зонах для деревьев различного возраста и сорта, не прибегая к раскопкам коневой системы.
Одним из путей решения этой проблемы является обобщение опыта, накопленного на сегодняшний момент при изучении влияния различных факторов на расположение активных корней и систематизация этих данных.
Существуют исследования, в которых предприняты попытки математического описания пространственного расположения корневой системы плодового дерева. Так кафедра физики и мелиорации почв МГУ на основе уравнения влаго-переноса в почве, учитывая, что наибольшая концентрация активных корней ин тенсивнее поглощает почвенную влагу, составили пространственную корневую функцию D(r,z) с тремя параметрами [87]. где r - радиус от ствола дерева, соответствующий наибольшей концентрации активных корней, м; z — глубина от поверхности почвы, соответствующий наибольшей концентрации активных корней, м; rRr - радиус кроны дерева, м; гтах - радиус от ствола дерева на котором концентрация активных корней равна нулю, м; zmax- глубина от поверхности почвы на которой концентрация активных корней равна нулю, м; a(z) - соответствует значению максимальной концентрации активных корней в зависимости от глубины; d(z) - соответствует радиусу на котором находится максимум концентрации активных корней в зависимости от глубины; а, Ь, с-эмпирические коэффициенты.
Положив в основу пространственную корневую функцию, была частично разработана программа в среде Microsoft Access, позволяющая определять место расположения наибольшей концентрации корней плодовых деревьев на основе базы данных концентрации корней в различных условиях.
Принцип работы программы следующий.
На начальной стадии идет сбор базы данных о концентрации корней для различных типов плодовых насаждений при разных условиях содержания, по специальным формам (Рисунок 24). Источники информации - публикации, описывающие раскопки корневых систем плодовых деревьев. Необходима возможно полная информация: климатическая зона, тип почвы, глубина залегания грунтовых вод, содержание междурядий, наличие и способы - полива, внесения удобрений и обрезки, сорт, возраст плодового насаждения, вид подвоя схема посадки и значения концентрации корневой системы на различных глубине и расстоянии от штамба дерева.
После ввода информации необходимо нажать кнопку "сохранить". Одновременно по пространственной корневой функции, будет выполняться расчет эмпирических коэффициентов а, Ь и с, которые сохраняются как базовые для определенных природно-климатических условий, условий содержания и характера насаждений.
Чтобы узнать пространственное распределение концентрации корневой системы для определенных природно-климатических условий, условий содержания и характера насаждений вводят исходную информацию в формы (Рисунок 25). После нажатия кнопки "определить" программа подбирает эмпирические коэффициенты a, b и с, соответствующие введенным условиям, используя корневую функцию, рассчитывает концентрацию корней на различных расстояниях от штамба дерева и глубине и представляет результаты в табличной и графической форме.
Экспериментальные исследования процесса гидромониторного внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений
Проанализировав процесс гидромониторного размыва почвы струей, можно принять, что на глубину проникновения струи рабочей жидкости в почву наиболее существенно влияют: диаметр выходного отверстия насадка - D, угол наклона насадка относительно поверхности почвы - а и скорость движения агрегата — V, поэтому задачами экспериментального исследования определили уточнение обозначенных параметров устройства для внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений, обеспечивающих максимально возможную глубину внесения в обозначенных пределах - 15...50 см, а также определение степени повреж-ф дения структуры почвы при различных режимах и условиях работы. Для реализации задач и технологического обоснования указанных параметров устройства и изучения исследуемого процесса был разработан и изготовлен на базе опрыскивателя ОВС-1А лабораторный образец устройства (Рисунок 41). Щ
Он состоит из рамы, на которой крепятся резервуар объемом 1800 л, редуктор, поршневые насосы (Q = 3,2 м3/ч, Р = 1,6 МПа), подводящие и напорные трубопроводы, манометр, и исполнительный рабочий орган. і а) Общий вид: 1 - рама, 2 - резервуар, 3 - редуктор, 4 - поршневые насосы, 5 - подводящие и напорные трубопроводы, 6 - манометр, 7 - исполнительный рабочий орган. б) Исполнительный рабочий орган: 8 - опорные лыжи, 9 - нож, 10 - сменный насадок, 11 — механизм поворота насадка относительно поверхности почвы, 12 - параллелограмная подвеска. Рисунок 41 - Лабораторный образец устройства для внутрипочвенного внесения растворов минеральных удобрений:
Агрегат работает следующим образом. В начале гона, посредством гидро-щ цилиндра опорные лыжи прижимаются к поверхности почвы, одновременно нож входит в почву. При включении вала отбора мощности трактора вращающий момент, через редуктор передается к насосам. Насосы подают рабочую жидкость через напорные трубопроводы и манометр к насадку, оттуда она подается компакт-ной струей в почву. При движении агрегата нож разрезает верхний слой почвы (если участок задерненный - дернину), образуя первичную лунку, в которую затем проникает струя рабочей жидкости из насадка и происходит размыв почвы при непрерывном движении агрегата и непрерывной подаче рабочей жидкости. Параллелограмная подвеска обеспечивает равномерный прижим опорных лыж и копирование рельефа почвы.
В рабочем органе предусмотрены возможность поворота насадка относительно поверхности почвы на 90 ± 15 относительно направления движения и установка насадок с разными диаметрами - 12, 16 и 20 мм.