Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса посева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений. цель и задачи исследований 10
1.1 Анализ способов посева семян зерновых культур
с одновременным внесением удобрений 10
1.2 Обзор технических средств для посева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений 15
1.3 Классификация сошников для посева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений 23
1.4 Анализ конструкций сошников для посева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений 26
1.5 Исследование физико-механических свойств гранулированных минеральных удобрений и семян зерновых культур
1.5.1 Характеристика изучаемого удобрения и сорта семян 34
1.5.2 Методика проведения исследования и обработки результатов 34
1.5.3 Гранулометрический состав удобрения 35
1.5.4 Определение влажности удобрений 37
1.5.5 Массовая характеристика удобрений и семян 38
1.5.6 Фрикционные свойства удобрений и семян 40
1.5.7 Диаметр сводообразующего отверстия для удобрений
1.6 Цель и задачи исследований 44
1.7 Выводы по разделу 45
2 Теоретические исследования технологического процесса работы комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 47
2.1 Выбор объекта исследования 47
2.2 Расчёт конструктивных параметров сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 49
2.2.1 Исследование движения гранулы минерального удобрения по тукопроводу до распределителя 49
2.2.2 Исследование движения гранулы минерального удобрения после распределителя на криволинейном участке в тукоподводящем канале 53
2.2.3 Исследование движения гранулы минерального удобрения на наклонном прямолинейном участке тукоподводящего канала 55
2.2.4 Исследование движения гранулы минерального удобрения на криволинейном участке тукоподводящего канала
2.3 Обоснование угла наклона свода комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 60
2.4 Расчёт клина комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 63
2.5 Расчёт угла наклона клиньев комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян в продольно-вертикальной плоскости 65
2.6 Выводы по разделу 67
3 Методика и результаты лабораторных исследований комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 68
3.1 Программа проведения исследований 68
3.2 Методика проведения и результаты исследований по обоснованию оптимальной конструкции распределителя удобрений комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 68
3.3 Методика проведения и результаты исследований по обоснованию оптимальных конструктивных параметров комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 74
3.4 Исследования по обоснованию угла наклона свода комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 93
3.5 Методика проведения и результаты лабораторных исследований по определению тягового сопротивления комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян 94
3.6 Выводы по разделу 99
4 Лабораторно-полевые исследования сеялки с комбинированными сошниками разноуровневого внесения удобрений и посева семян 100
4.1 Цель и задачи лабораторно-полевых исследований 100
4.2 Лабораторно-полевые исследования сеялки с комбинированными сошниками разноуровневого внесения удобрений и посева семян
4.2.1 Условия проведения лабораторно-полевых исследований 100
4.2.2 Описание экспериментальной сеялки 101
4.2.3 Характеристика участка 104
4.2.4 Определение влияния скорости экспериментальной сеялки на величину неравномерности распределения семян по площади рассева 106
4.2.5 Определение влияния скорости экспериментальной сеялки на величину неравномерности распределения удобрений 107
4.2.6 Зависимость удельного тягового сопротивления сошника от скорости движения сеялки 108
4.2.7 Определение глубины заделки семян 110
4.2.8 Определение неравномерности распределения семян по площади рассева 111
4.2.9 Определение глубины заделки удобрений
4.2.10 Определение величины почвенной прослойки между семенами и удобрениями 113
4.2.11 Определение урожайности 114
4.3 Выводы по разделу 116
5 Экономическая эффективность применения сеялки с комбинированными сошниками разноуровневого внесения удобрений и посева семян 117
5.1 Расчет балансовой стоимости сеялки 117
5.2 Прямые эксплуатационные затраты 123
5.3 Выводы по разделу 127
Заключение 128
Список литературы
- Обзор технических средств для посева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений
- Исследование движения гранулы минерального удобрения по тукопроводу до распределителя
- Методика проведения и результаты исследований по обоснованию оптимальной конструкции распределителя удобрений комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян
- Описание экспериментальной сеялки
Обзор технических средств для посева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений
В настоящее время актуальными остаются вопросы технического обеспечения высококачественного посева c минимальными затратами трудовых и производственных ресурсов, а также рационального использования минеральных удобрений, это объясняется повышением интенсификации производства, а также развитием комплексного подхода к возделыванию зерновых культур [13,14].
Оптимальные условия для роста и развития растений зависят от способа посева, при котором обеспечивается достаточное количество питательных веществ, света, влаги, тепла, а также обеспечивать наиболее благоприятную площадь питания и наименьшие затраты при производстве. Поэтому, способ посева в первую очередь выбирают в зависимости от климатических условий, почвы и соотношения в ней элементов питания, посевных качеств семян, а также потребности возделываемой культуры в различных питательных элементах [15]. Для достижения максимальной урожайности при посеве, необходимо разместить семена на заданную глубину и соблюсти оптимальную площадь их питания. Также, ведущим фактором, влияющим на дальнейшую урожайность и качество продукции являются удобрения [16]. Для достижения максимального эффекта от их использования, необходимо соблюдать следующие требования: оптимальную глубину заделки и пространственное размещение, относительно корневой системы растений, не допустить контакта больших доз удобрений с семенным материалом, чтобы исключить повреждение последнего, а также размещения удобрений в верхнем (пересыхающим) слое почвы, соблюсти равномерность распределения удобрений по глубине заделки и площади внесения. При соблюдении этих требований, обеспечивается наилучшая густота всходов и повышение урожая [17-19]. В мире в процессе сельскохозяйственной деятельности приминение минеральных удобрений составляет 120 млн тонн в год, так как они играют ключевую роль в повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Однако на практике бесполезно теряется до 30…50% всех вносимых минеральных удобрений, что увеличивает затраты на производство, загрязняет почву и поверхностные воды балластными и биогенными веществами. Причиа тому нарушение научно обоснованной технологии внесения, транспортировки и хранения удобрений [20].
В зависимости от сроков, в которые вносятся удобрения, различают основное внесение, припосевное (рядковое) и послепосевное (подкормка) внесение. По характеру расположения минеральных удобрений относительно поверхности внесения различают, поверхностное (разбросное) и внутрипочвенное (локальное) внесение [1,21,22].
При поверхностном (разбросном) внесении, удобрения распределяются по поверхности поля. Такой способ внесения является самым несовершенным, основной его недостаток это несоблюдение основных агротехнических требований, в частности соблюдения неравномерномерности распределения удобрений по полю, которая не должна превышать ±25% для кузовных машин и ±15% для туковых сеялок, а фактически при данном способе внесения может превышать допустимую в несколько раз [23]. К примеру, неравномерное распределение азотных удобрений может приводить к недобору урожая на 20-50%, а также накоплению нитратов в продуктах питания. Разбросное внесение азотных удобрений при перемешивании их с почвой может приводить к 15-25% газообразным потерям азота [24,25].
Неэффективна технология заделки удобрений культиваторами, плугами и боронами. При применении культиваторов или борон 40-70% гранул удобрений остается в слое почвы 0-2 см и до 90% в слое 0-6 см, быстро пересыхающим, что приводит к снижению доступности элементов питания корневым системам растений [26]. Например, с осени производится вспашка почвы под яровые культуры, что способствует переходу водорастворимого фосфора внесенных удобрений в труднодоступное для растений состояние, усилению необменной фиксации калия почвой и увеличению потерь азота [6,27].
При локальном размещении, удобрения вносятся непосредственно в почву до или совместно с посевом, при данном способе удобрения располаются в почве лентами, гнеёздами или экраном.
При совместном с посевом внесении, когда удобрения укладываются в одно ложе с семенами, необходимо вносить только небольшие дозы удобрений, чтобы обеспечить мощный старт растений, однако их не хватает на весь вегетационный период, поэтому этот способ необходимо совмещать с основным внесением или дальнейшими подкормками, что ведет к увеличению трудозатрат на производство [28]. Если вносить совместно с семенами большие дозы удобрений, обеспечивающие питание растений на весь период развития, то можно повредить посевной материал и существенно снизить урожайность [29-31].
Наиболее рациональным является разноуровневое внесение удобрений совместно с посевом, которое позволяет размещать основную дозу удобрений на оптимальных расстояниях относительно семян, так чтобы образовалась почвенная прослойка от 3 до 10 см [32].
Научно обоснованное размещение стартовой и основной доз удобрений совместно с посевом семян зерновых культур, обеспечивают растения необходимыми питательными элементами на весь период их развития, позволяя максимально рационально использовать удобрения, тем самым достигая их максимальной окупаемости. Также уменьшается негативное воздействие на окружающую среду, что в целом снижает затраты на производство продукции [33, 34].
В плане повышения эффективности применения удобрений и снижения потерь элементов питания представляется их внутрипочвенное размещение на заданной глубине совместно с посевом за один проход машины [35].
Внутрипочвенное (локальное) внесение минеральных удобрений одновременно с посевом, можно разделить на три основных типа в зависимости от их взаимного расположения: совместное (в одно ложе с семенами), раздельное (в сторону или глубже от семян) и комбинированное [16,36-39].
Исследование движения гранулы минерального удобрения по тукопроводу до распределителя
С целью снижения неравномерности распределения удобрений и семян по площади внесения и глубине их заделки, создаётся большое разнообразие сошников, которые одновременно с посевом вносят стартовую дозу удобрений в посевное ложе, при этом обеспечивают растения необходимыми питательными веществами на небольшой период вегетации растения. Расположение в рядках с семенами гранул удобрений приводит к ожогам посевного материала, все это снижает урожайность возделываемой культуры и увеличивает затраты на её производство. Внесение стартовой и основной дозы при посеве зерновых культур с разноуровневым размещением минеральных удобрений обеспечивает растения питательными элементами на весь срок их развития, при этом исключается травмирование посевного материала. Это направление является, инновационным развитием ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур [88-89].
Как показывают исследования, удобрения используются растениями не рационально, так как имеющиеся машины и агрегаты для посева семян с разноуровневым внесением удобрений и не полностью удовлетворяют агротехнические требования по распределению семян и удобрений по площади рассева, что является основной причиной снижения урожайности. Следовательно, повышение качественных показателей посева с разноуровневым внесением удобрений остается по-прежнему актуальным [90, 91].
Разработанная конструкция комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян (рисунок 2.1) позволит вносить вносить стартовую дозу удобрений непосредственно с семенами (1/3), а основную доза 2/3 удобрений - ниже посевного ложа с почвенной прослойкой при этом снизить неравномерность распределения семян и удобрений по площади рассева. Рисунок 2.1 - Схема комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян: 1 - лапа; 2, 4 - семя- тукопроводы; 3 - клинья; 5 - подошва; 6 - воронка; 7 - распределитель; 8 - каналы; 9 - делитель потока туков
Сошник для разноуровневого внесения удобрений и посева семян (рисунок 2.1) состоит из стрельчатой лапы 1, стойки-тукопровода 2, пустотелых клиньев 3, семяпровода 4 и подошвы 5. Воронка-направитель 6 установлена в стойке-тукопроводе 2. К воронке-направителю 6 присоединен делитель потока туков 9, и подводящие каналы 8 с клиньями 3 [92,95].
По стойке-тукопроводу 2 часть удобрений, через воронку-направитель 6 попадают на делитель потока удобрений 9, затем через подводящие каналы 8 и пустотелые клинья 3 вносятся в бороздки на глубину большую, чем семена. Уложенные удобрения заделываются подошвой 5, при этом образуется уплотнённое ложе для семян. Семена и другая часть удобрений, по дну борозды равномерно распределяются через семяпровод 4 и распределитель 7. Дно борозды закрывается слоем почвы сходящей со стрельчатой лапы 1
Задачей теоретических исследований является изучение технологического процесса работы сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян, так как конструкция разработанного сошника применена впервые [93, 94]. 2.2 Расчёт конструктивных параметров сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян Для изучения потока удобрений в тукоподводящих каналах комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян необходимо провести теоретические исследования для обоснования параметров влияющих на процесс их равномерного движения [95, 96].
Схема движения гранулы в сошнике разноуровневого внесения удобрений и посева семян Согласно, рисунка 2.2, движение гранулы в каналах комбинированного сошника в процессе его работы, будем рассматривать гранулу как шарик с центром в точке М. При рассмотрении точки М на всём пути её движения, определяем скорость в конце канала АЕ [97-100].
В начале, рассмотрим движение точки М на участке АВ (рисунок 2.2). При этом, из точки А, принятой за начало координат движется вниз точка М весом G (рисунок 2.3), с начальной скоростью по оси y направленной вертикально вниз. Начальные условия движения будут иметь вид t = 0; y0 = 0 (по опытным данным примем Уо = 1 м/с). С учётом сопротивления воздуха, пропорциональным скорости движения тела, рассмотрим падение точки М. Тогда сила сопротивления для данного условия запишется в виде [101]: R = a-VA, (2.1) где - коэффициент пропорциональности, он равен: а =6-71 -ц -г , (2.2) где г - радиус гранулы (г 2 мм); т - масса гранулы (т 10-5 кг); г\ - вязкость воздуха (// = 1810-6 при t = 20 C). Модуль сопротивления воздуха к равен: а к (2.3) т При скорости воздуха, равной единице коэффициент к равен модулю силы сопротивления воздуха, приходящейся на единицу массы движущейся точки М и имеет размерность c-1 (к = 0,7) [102]. Тогда движения точки М под действием силы тяжести G и силы сопротивления воздуха R выразится дифференциальным уравнением:
Методика проведения и результаты исследований по обоснованию оптимальной конструкции распределителя удобрений комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян
В результате расчётов получим данные, по которым строятся двухмерные сечения поверхности отклика (рисунок 3.11) для ширины рабочей части подошвы x2 и угла наклона клиньев в продольно-вертикальной плоскости x3 при оптимальном значении ширины захвата клина x1.
Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость неравномерности распределения семян по площади рассева от ширины рабочей части подошвы x2 и угла наклона клиньев в продольно-вертикальной плоскости x3 Значения факторов в закодированном виде (3.19) подтверждаются построенными двухмерными сечениями (3.9...3.11) и указывают на нахождение минимальной неравномерности распределения семян по площади рассева. Далее на основе полученных значений по каждому фактору производим интерполяцию на основании таблицы (3.6). Из этого следует, что значения факторов в раскодированном виде будут равны: ширина захвата клина Ьк = 26 мм, ширина рабочей части подошвы сошника необходимой для заделки борозд пустотелых клиньев Ъп = 34 мм, угол наклона пустотелых клиньев в продольно-вертикальной плоскости у/ = 90 град. При этом коэффициент вариации распределения семян по площади рассева будет составлять v = 43%.
Далее для определения зависимости неравномерности распределения семян по площади рассева от конструктивных параметров комбинированного сошника производили в раскодированном виде, производили необходимые преобразования в программе «Statistica 6,0» модулем «Нелинейная оценка», математическая зависимость в раскодированном виде запишется как (Приложение Г) [135]:
Для обеспечения свободного полета семени на максимальную ширину захвата лапы, провели исследования по выявления оптимального угла наклона свода сошника, по однофакторному эксперименту [140,141]. За критерий оптимизации принимали неравномерность (коэффициент вариации) распределения семян по площади рассева (v,%). Методика описана выше [115, 119]. Рисунок 3.12 - Зависимость коэффициента вариации распределения семян по площади рассева (v) от угла наклона свода сошника (в)
После обработки полученных данных строился график (рисунок 3.12) зависимости распределения семян по площади рассева от угла наклона свода сошника (в). При этом уравнения параболической функции показывают корреляционную зависимость неравномерности распределения семян (v,%) от угла наклона свода сошника (в): v (в) = 0,04 в2 - 2,397-9 + 78,62 (3.24) Коэффициент корреляции R (в) = 0,9923. Анализируя полученные график (рисунок 3.16) можно сделать вывод, что оптимальный угла наклона свода (в) будет составлять 25 и больше, при этом коэффициент вариации распределения семян по площади рассева будет около 43 %. 3.5 Методика проведения и результаты лабораторных исследований по определению тягового сопротивления комбинированного сошника разноуровневого внесения удобрений и посева семян Тяговое сопротивление является ключевым энергетическим показателем работы комбинированного сошника сеялки, влияющим на показатели технологического процесса, затраты энергии и т.д. Определение тягового сопротивления проводили согласно «СТО АИСТ 2.3-2009. Испытания сельскохозяйственной техники. Асинхронный электропривод» [142]. Лабораторная установка (рисунок 3.13) представляет собой приводную тележку 10 с навеской 11 которые смонтированы на почвенном канале 4. Экспериментальный сошник 15 с пустотелыми клиньями 16 монтируется на тележку 10 с помощью навески 11, глубина хода сошника в почве составляет 6 см. Движение приводной тележки 10 осуществляется через систему полиспастов 1 троса 2 и цепь 3 с помощью мотор-редуктора 5. С управление производится с пульта 18.
Тяговое усилие замеряют с помощью измерительного устройства, схема которого представлена на рисунке 3.14, путём измерения напряжения в цепи, которое переводили в силу тока. Перед началом испытаний измерительный канал оттарировали, так чтобы 1В = 1А.
Описание экспериментальной сеялки
При обработке опытных данных, методом аппроксимации, зависимости скорости движения на неравномерность распределения удобрений, позволила получить следующее выражение: ууд = 1,0411 V2 -17,543 V + 79,451 (4.4) где vyd - коэффициент вариации (неравномерность) распределения удобрений; V - скорость движения агрегата, км/ч. Достоверность аппроксимации составила i?2=0,9977. При рассмотрении графика (рисунок 4.6) видно, коэффициент вариации распределения удобрений по площади рассева увеличивается пропорционально скорости движения сеялки. Оптимальная скорость движения экспериментального сеялки должна находится в пределах 7,5...9,5 км/ч, при этом коэффициент вариации распределения удобрений сеялкой составит около 5,8%.
При определении основных энергетических показателей технологического процесса посева семян и внесения удобрений экспериментальной сеялкой, была применена малогабаритная переносная информационно-измерительная система ИП-238 (рисунок 4.10).
Система ИП-238 состоит из портативного компьютера на котором отображаются данные, измерительного блока, кабеля питания и коммутационного блока рисунок 4.7 (Приложение В) [158, 159]. В результате проведения испытаний получены опытные данные, представленные в виде графика, изображенного на рисунке 4.8. Рисунок 4.8 – Влияние скорости движения агрегата V, на величину удельного тягового сопротивления сеялки Rс 110 Аппроксимация данных полиномом второй степени зависимости удельного тягового сопротивления от скорости движения сеялки позволила получить следующее зависимости: R c = 0,0106 V 2 - 0,1 135 V + 3,947 (4.5) где Rc - удельное тяговое сопротивление сеялки, кН/м; V - скорость движения агрегата, км/ч. Коэффициент корреляции R2=0,9966. Из графика (рисунок 4.8) видно, что при увеличении скорости движения сеялки, удельное тяговое сопротивление будет возрастать от 3,65…3,94 кН/м, с учетом ширины захвата сеялки тяговое сопротивление составит 12,76… 13,79 кН. Следовательно, для агрегатирования экспериментальной сеялки ССВ-3,5 подходит трактор тягового класса 14 кН.
Определение глубины заделки семян: а) замеры; б) коэффициент вариации (неравномерность) распределения семян по глубине заделки Опыты по определению глубины заделки семян определялись по методике [157]. Результаты исследований представлены на рисунке 4.9.
Из анализа графика (рис. 4.9 б) видно, что экспериментальный сошник заделывает на ±1 см – 89,1% семян, а базовый – 81,0% [160].
Исследования проводили с применением рамки с квадратами 5х5 см (рис. 4.10). Рамка накладывалась на всходы по диагонали участка, на трех площадках размерами каждая 30 м2 (повторность трехкратная). Результаты замеров оценивались по методике, изложенной в разделе 3, и представлены в таблице 4.4.
График неравномерности распределения семян по площади рассева Исходя из анализа графиков на рисунке 4.11, можно сделать вывод, что количество площадок без растений у экспериментальной сеялки – 1,5 %, у базовой – 4,5 %, количество площадок с одним и двумя растениями у экспериментальной – 84,6%, у базовой – 64,1%, при этом у экспериментальной сеялки неравномерность распределения семян по площади рассева составила – 43,5%, а у базовой – 58,5%.
Глубину заделки удобрений определяли по величине залегания гранул удобрений, путём раскапывания смотровых отверстий по всей ширине захвата, согласно ГОСТ 28714-2007. «Машины для внесения твердых минеральных удобрений. Методы испытаний» [119].
При измерении глубины заделки удобрений находили гранулы минеральных удобрений послойным вскрытием ленты, поперек хода сеялки, после чего замеры делали линейкой. Погрешность измерения ±1 мм. Число измерений по каждому сошнику не менее 5 [161].
Результаты опытных данных показаны на графике рисунок 4.12. При этом видно, что неравномерность глубины заделки удобрений экспериментальными сошниками соответствует АТТ. Сошник заделывает на заданную глубину + 1 см - 91,6 %.
Величину почвенной прослойки между семенами и удобрениями при посеве определяли за каждым сошником, при этом послойно снимали почву по диагонали участка в пяти местах (рисунок 4.13). Глубину заделки и величину почвенной прослойки семян и удобрений замеряли линейкой [162].
В результате обработки опытных данных построен график (рисунок 4.14). Из анализа графика видно, что доля семян вне контакта с удобрениями (интервал более 10 мм) составляет 92,4%.
Можно сделать вывод, что экспериментальный сошник заделывает удобрения на заданную глубину ±1см - 91,6 %, процент семян не контактирующих с удобрениями (интервал более 10 мм) составляет 94,6 % при почвенной прослойке 21,5…25,3 мм. Таким образом, сеялка с сошниками разноуровневого внесения удобрений и распределения семян удовлетворяет агротехническим требованиям.
Урожайность определяли по известной методике [163,164]. С опытного участка урожай затаривали в мешки и взвешивали (рисунок 4.15). После взвешивания затаренных мешков, определяли влажность и засоренность зерна по отобранной пробе, выраженную в процентах к сырой массе. Урожайность определяли при влажности зерна приведенной к 14% и 100% чистоте, по выражению [165, 166]: где Х - урожайность при 14% влажности, ц/га; В - влажность зерна при взвешивании; С - засоренность зерна, %; Y - урожайность без учёта на влажность, ц/га; %; В1 - стандартная влажность, %.
Лабораторно-полевые исследования сеялки с экспериментальными комбинированными сошниками разноуровневого внесения удобрений и посева семян подтвердили достоверность теоретических расчётов и лабораторных исследований.
В результате лабораторно-полевых исследований определены основные качественные показатели работы сеялки с сошниками разноуровневого внесения удобрений и распределения семян. Неравномерность распределения удобрений по площади рассева составляет около 5,8 %, при этом неравномерность распределения семян по площади рассева – около 43,5 %, почвенная прослойка между стартовой дозой удобрений и основной дозой – 21,5…25,3 мм, экспериментальный сошник заделывает семена на заданную глубину ±1 см – 89,1%, а базовый – 81,0%, при этом удобрения (основная доза) внесенные ниже посевного ложа, заделываются на глубину ±1 см – 91,6 %, при скорости движения экспериментальной сеялки – 7,5...9,5 км/ч. Урожайность яровой пшеницы сорта «Тулайкосвкая 10» при посеве сеялкой с экспериментальными сошниками выше по сравнению с базовой сеялкой ССВ-3,5 на 0,33 т/га. Сеялка с сошниками разноуровневого внесения удобрений и распределения семян агрегатируется с тракторами тягового класса 14 кН.