Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор уровня механизации технологий возделывания пропашных культур в условиях дефицита влаги 17
1.1 Уровень производства пропашных культур в Российской Федерации 17
1.2 Общая методика обоснования эффективности технологий и технологических комплексов для возделывания пропашных культур в условиях дефицита влаги 25
1.3 Формирование моделей рациональных технологий возделывания пропашных культур 29
1.4 Определение рациональной структуры технологических комплексов машин для возделывания пропашных культур 35
1.5 Оценка экономической эффективности технологий возделывания пропашных культур 50
1.6 Агроэкологическая оценка технологий возделывания пропашных культур 54
1.7 Особенности возделывания пропашных культур в условиях засушливого земледелия 62
1.8 Направления совершенствования технических средств для возделывания пропашных культур в условиях засушливого земледелия 66
Выводы по главе 88
Цель и задачи исследования 91
2 Механико-математическое моделирование технологических процессов и пути оптимизации технических средств для возделывания пропашных культур 93
2.1 Обоснование рациональных технологических параметров орудия для основной обработки почвы 93
2.2 Аналитическое обоснование рациональных параметров орудия для поверхностной обработки почвы 104
2.3 Аналитическое обоснование усовершенствования конструкции пропашных сеялок 124
2.3.1 Анализ процесса дозирования семян вакуумным высевающим аппаратом пропашной сеялки 124
2.3.2 Совершенствование конструкции вакуумного высевающего аппарата.. 165
Выводы по главе 189
3 Методики экспериментальных исследований и производственных испытаний технических средств для возделывания пропашных культур 193
3.1 Цель и задачи экспериментального исследования 193
3.2 Описание исследуемых технических средств 194
3.3 Методики экспериментальных исследований
технических средств и применяемое оборудование 199
3.4 Методики исследования массы семян как сыпучего материала 210
3.5 Методика оценки достоверности предложенной модели процесса дозирования семян высевающими аппаратами пропашных сеялок 213
3.6 Частные методики проведения экспериментального исследования вакуумных высевающих аппаратов пропашных сеялок 214
3.6.1 Методики исследования вакуумных высевающих аппаратов с усовершенствованными дозирующими элементами 214
3.6.2 Методики исследования вакуумного высевающего аппарата с модернизированным ворошителем семян 220
3.6.3 Методика оценки влияния конструкции и параметров сбрасывателя «лишних» семян на качество работы вакуумного высевающего аппарата 222
3.6.4 Методика оценки влияния совокупности модернизаций на качество работы вакуумного высевающего аппарата 231
4 Результаты экспериментальных исследований технических средств для возделывания пропашных культур 233
4.1 Сравнительная оценка показателей работы чизельных плугов-глубокорыхлителей 233
4.2 Результаты экспериментального исследования процесса поверхностной обработки почвы прицепными широкозахватными культиваторами 236
4.3 Характеристики массы семян как сыпучего материала 238
4.4 Оценка достоверности предложенной модели процесса дозирования семян высевающими аппаратами пропашных сеялок 241
4.5 Результаты экспериментального исследования процесса дозирования семян высевающими аппаратами пропашных сеялок 243
4.5.1 Результаты исследования вакуумных высевающих аппаратов с усовершенствованными дозирующими элементами 243
4.5.2 Оценка эффективности усовершенствования ворошителя семян 252
4.5.3 Оценка влияния конструкции и параметров сбрасывателя «лишних» семян на качество работы вакуумного высевающего аппарата 255
4.5.4 Влияние комплексного усовершенствования высевающего аппарата на характеристики формирования дискретного потока семян 265
Выводы по главе 266
5 Результаты испытаний и производственной эксплуатации усовершенствованных технических средств для возделывания пропашных культур 270
5.1 Оценка условий проведения испытаний почвообрабатывающих орудий 270
5.2 Сравнительная оценка показателей работы чизельных плугов-глубокорыхлителей 272
5.3 Результаты испытаний широкозахватных культиваторов 275
5.4 Результаты исследований пропашных сеялок в производственных условиях 279
Выводы по главе 284
6 Оценка технико-экономической эффективности предложенного комплекса технических средств для возделывания пропашных культур 286
Заключение 303
Литература
- Формирование моделей рациональных технологий возделывания пропашных культур
- Аналитическое обоснование рациональных параметров орудия для поверхностной обработки почвы
- Методика оценки достоверности предложенной модели процесса дозирования семян высевающими аппаратами пропашных сеялок
- Сравнительная оценка показателей работы чизельных плугов-глубокорыхлителей
Введение к работе
Актуальность. Пропашные культуры – источник уникальной продукции для питания людей и кормления животных, сырья для различных отраслей промышленности. В среднем на долю пропашных культур в Российской Федерации приходится около 20% площади посевов, причем в ХХI веке объемы их производства устойчиво возрастают. Они высокоурожайны, многие достаточно засухоустойчивы, имеют высокую кормовую ценность. Расширение посевов пропашных культур будет способствовать выполнению многих приоритетных задач, приведенных в постановлении правительства РФ № 717 от 14 июля 2012 года. При этом большинство регионов с развитым производством пропашных культур в стране – Ростовская, Волгоградская, Оренбургская области, Ставропольский, Алтайский края, Республика Башкортостан и др. – полностью или частично расположены в засушливых зонах, гидротермические условия которых обусловливают повышенные требования к характеристикам и показателям качества работы сельскохозяйственных машин и орудий. Это приводит к обострению противоречия между потребностью в совершенствовании существующих комплексов технических средств для возделывания пропашных культур в таких зонах и уровнем научных знаний о реализации технологических процессов сельскохозяйственного производства. Устранение этого противоречия, решение научно-технических проблем, связанных с совершенствованием технических средств для возделывания пропашных культур в зонах засушливого земледелия – актуальное направление развития агроинженерной науки, имеющее важное хозяйственное и социально-экономическое значение.
Сущностью решаемой научной проблемы является разработка теоретической базы для моделирования процессов и оптимизации параметров технических средств обработки почвы и посева пропашных культур в засушливых условиях.
Рабочая гипотеза. Совершенствование процессов подготовки почвы к посеву и посева семян пропашных культур в засушливых условиях возможно на основе разработки математических моделей оптимизации воздействия рабочих органов почвообрабатывающих орудий на технологические свойства и влагоемкость почвы, моделей дозирования и подачи семян в почву при обеспечении рационального их размещения по площади поля.
Научная гипотеза. Повышение эффективности управления продукционной функцией пропашных культур в условиях дефицита влаги возможно совершенствованием технологических процессов обработки почвы с накоплением влаги и
посева семян с обеспечением оптимальных условий для их прорастания и дальнейшего развития всходов, модернизацией конструкции, обоснованием параметров и процессов функционирования орудий и машин для их осуществления.
Объект исследования – технологические процессы обработки почвы и посева семян при возделывании пропашных культур в условиях засушливого земледелия и комплекс технических средств для их реализации.
Предмет исследования – закономерности влияния процессов и параметров технических средств для обработки почвы и посева семян на показатели эффективности технологий возделывания пропашных культур в засушливых условиях.
Диссертационная работа является результатом многолетних исследований, выполняемых на кафедре «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса» (ранее – кафедра «Механизация растениеводства») и в Центре инжиниринга и трансфера (ранее – Институт агроинжененрных проблем) Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ (ранее ФГБОУ ВПО АЧГАА). Она выполнялась согласно плану НИР Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ на 2011–15 гг. в соответствии с разделом 02.08.000 «Провести механико-технологическое обоснование комплексной механизации возделывания пропашных культур в условиях засушливого земледелия».
Полученные математические модели процессов обработки почвы и дозирования семян пропашных культур позволили обосновать пути совершенствования орудий для основной и поверхностной обработок почвы и высевающих аппаратов сеялок точного высева. Предложенные в работе чизельные плуги-глубокорыхлители и культиватор с укороченной сницей прошли испытания в условиях ФГБУ «Северо-Кавказская государственная зональная машиноиспытательная станция», по результатам которых были рекомендованы к зональному использованию в сельскохозяйственном производстве. Разработанные чизельные плуги ПГР-4, РВН-4, РВН-3, РВН-2 и культиватор КППУ-8 производятся серийно (ЗАО «РТП «Зерноградское» (г. Зерноград) и ООО НИПВФ «Тензор-Т» (г. Таганрог)) и эксплуатируются в ряде хозяйств Ростовской области и Ставропольского края. Результаты исследований по совершенствованию конструкции вакуумных высевающих аппаратов применены в ряде хозяйств Ростовской области и переданы для внедрения в ОАО «Миллеровосельмаш» (г. Миллерово).
Цель работы – обоснование процессов обработки почвы и посева пропашных культур в условиях дефицита влаги, совершенствование конструктивно-технологических схем и параметров технических средств для их реализации, позволяющее обеспечить повышение агротехнических, энергетических и эксплуатационных показателей технологий возделывания пропашных культур.
Задачи исследования:
-
Выявление социально-экономического значения пропашных культур, оценка объемов их производства в Российской Федерации и влияния на них условий аридизации климата. Обоснование целесообразной в условиях дефицита влаги системы обработки почвы при реализации технологий возделывания пропашных культур.
-
Оценка соответствия эксплуатационно-технологических характеристик современных пропашных сеялок требованиям, обусловленным гидротермическими условиями зон засушливого земледелия.
-
Доконструктивная оценка влияния компоновочных схем и параметров почвообрабатывающих орудий на эффективность их работы в условиях дефицита влаги, обоснование усовершенствований конструкции орудий для основной и предпосевной обработки почвы.
-
Разработка системной математической модели процесса формирования дискретного потока семян высевающим аппаратом сеялки точного высева с учетом уточненной методики описания сыпучих тел.
-
Обоснование комплексного усовершенствования процесса дозирования семян вакуумными высевающими аппаратами, обеспечивающего адаптацию пропашных сеялок к условиям сельскохозяйственных зон с дефицитом влаги.
-
Экспериментальное обоснование рациональной конструкции и параметров почвообрабатывающих орудий и высевающих аппаратов пропашных сеялок применительно к условиям засушливого земледелия, экспериментальная оценка их влияния на показатели работы агрегатов.
7. Разработка и производственные испытания почвообрабатывающих
орудий и высевающих аппаратов пропашных сеялок, адаптированных к ра
боте в условиях дефицита влаги.
8. Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения усо
вершенствованных технических средств для обработки почвы и посева про
пашных культур в производство.
Научную новизну и теоретическую значимость работы составляют:
-
Закономерности влияния конструктивно-технологических схем и отдельных параметров орудий для глубокой безотвальной и предпосевной обработки почвы на энергетические, эксплуатационные и агротехнологические показатели реализуемых ими процессов. Обоснование направлений совершенствования орудий для допосевной обработки почвы при возделывании пропашных культур в условиях дефицита влаги (пат. № 2431953, 2586165, 2584614).
-
Модель сыпучего материала в виде структурированной совокупности эллипсоидов вращения и зависимость взаимосвязи угла укладки эллипсоидов вращения, размерных и объемно-массовых характеристик семян.
-
Системная механико-математическая модель процесса формирования дискретного потока семян высевающим аппаратом сеялки точного высева.
-
Теоретическая база для оптимизации конструкции вакуумных высевающих аппаратов пропашных сеялок, позволяющих обеспечить устойчивость процесса формирования дискретного потока семян при высоких скоростях посева.
-
Регрессионные модели взаимосвязи показателей работы вакуумных высевающих аппаратов с параметрами и режимами их работы.
-
Критерий оценки качества работы высевающих аппаратов, позволяющий, по совокупности частоты нулевых и двойных подач семян дозирующими элементами, определять оптимальность его настроечных и конструктивных параметров.
Практическую значимость работы представляют:
-
Результаты синтетического анализа влияния системы обработки почвы на урожайность пропашных культур при их возделывании в условиях дефицита влаги.
-
Блочно-модульная конструкция плуга-глубокорыхлителя с поперечно- и продольно-попарным расположением рабочих органов (пат. № 2431953, 2586165), позволяющая обеспечить повышение степени крошения почвы и сохранность стерни на поверхности поля при общем снижении энергоемкости процесса глубокой безотвальной обработки почвы.
-
Совершенствование процесса поверхностной обработки почвы в засушливых условиях (на примере сплошной культивации) путем оптимизации соотношения длины прицепной сницы и ширины почвообрабатывающих орудий.
-
Схемотехнические решения, направленные на совершенствование конструкции дозирующих элементов высевающего диска, ворошителя и сбрасывателя «лишних» семян вакуумного высевающего аппарата сеялки точного высева (пат. № 2369068, 2363129, 2361384, 2215396, 2415541, 154364, 155479 и 156080), позволяющие обеспечить соответствующее агротребованиям качество дозирования семян пропашных культур при повышенных скоростях посева.
Методика исследований включала применение законов классической механики, математической статистики, теории вероятностей, механико-математического анализа, компьютерного моделирования элементов агроин-женерных процессов, планирования экспериментов. Исследования проводились в соответствии с действующими стандартами и рекомендованными методиками. Расчеты и обработка результатов теоретико-экспериментальных исследований выполнялись на персональном компьютере с использованием прикладных программ.
Положения, выносимые на защиту:
результаты обобщенного анализа эффективности технологий возделывания пропашных культур в зонах засушливого земледелия;
общие закономерности и направления оптимизации технологических процессов глубокой безотвальной обработки почвы, сплошной культивации и высева семян пропашных культур в засушливых условиях;
уточненная модель сыпучих тел в виде структурированной совокупности эллипсоидов вращения, учитывающая особенности формы составляющих его частиц, их ориентацию и объемно-массовые характеристики;
конструктивно-технологические схемы усовершенствованных плуга-глубокорыхлителя, парового культиватора и высевающих аппаратов пропашных сеялок;
частные методики и лабораторное оборудование (пат. № 2356210) для исследования этапов процесса дозирования семян пропашных культур высевающими аппаратами точного высева;
рациональные параметры и режимы работы усовершенствованных почвообрабатывающих орудий и сеялок для возделывания пропашных культур в засушливых условиях.
Апробация результатов. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на научно-практических конференциях Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ (ранее ФГБОУ ВПО АЧГАА), г. Зерноград, в период с 2001 по 2015 гг.; ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии (ранее ГНУ ВНИПТИМЭСХ), г. Зерноград, в период с 2002 по 2012 гг.; ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», п. Персиановский (2011, 2015 гг.); ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», г. Ставрополь (2001, 2002, 2011 гг.); ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный аграрный университет», г. Челябинск (2004 г.); ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова» (2011 г.), г. Курск; Аlenksandras Stulginskis University, г. Каунас, Литва (2013 г.); Кировоградский национальный технический университет, Украина (2013 г.); УО «Белорусский аграрный технический университет», г. Минск, Белоруссия (2014 г.), ФГБНУ г. Москва (2014 г.). Отдельные предпосылки исследования были использованы в трех диссертационных работах на соискание ученой степени кандидата технических наук, посвященных совершенствованию процесса посева семян пропашных культур.
Разработанные в рамках выполнения работы сельскохозяйственные машины и орудия были отмечены дипломом за лучшую работу по сельскохозяйственной тематике в рамках выставки «Научно-техническое творчество молодежи Дона, 2003» (г. Ростов-на-Дону); дипломами конкурса «Инновационное развитие АПК» в 2011 и 2012 гг. (г. Ростов-на-Дону); медалями и дипломами Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» в 2012 и 2013 гг. (г. Москва), а также медалями и дипломами агропромышленного форума Юга России «Интерагромаш» в 2012–14 гг. (г. Ростов-на-Дону) в номинации «Прогрессивные виды сельскохозяйственной техники и оборудования для АПК».
По теме диссертации автором опубликовано 49 работ, включая 10 патентов на изобретение, три патента на полезную модель, 21 статью в изданиях, рекомендованных ВАК России, суммарным объемом 5,6 п.л. (из них автора диссертации – 2,4 п.л.), и две монографии.
Диссертация представлена на 424 страницах печатного текста, включая приложения, содержит шесть основных глав, заключение и список литературы из 478 использованных литературных источников.
Формирование моделей рациональных технологий возделывания пропашных культур
Пропашные культуры являются источником не только уникальной продукции для питания людей, кормления животных, но и сырья, которое используется в легкой, лакокрасочной, мыловаренной промышленности, в фармакологии, машиностроении и других отраслях.
Например, подсолнечник, основная масличная культура России, занимающая около 70% посевных площадей всех масличных культур [374], является источником масла, которое богато витаминами PP и E, полиненасыщенными жирными кислотами (особенно линолевой), фосфолипидами, лецитином. Оно используется для приготовления пищи, при изготовлении хлебных и кондитерских изделий, консервов, для технических нужд, его гидрогенизацией получают маргарин. Низшие сорта подсолнечника применяются в лакокрасочной, мыловаренной и других отраслях промышленности, а также при производстве линолеума, водонепроницаемых тканей, полиэтилена и т.д. Широко используются его грызовые сорта. В результате переработки семян подсолнечника получают такие побочные продукты, как шрот и жмых, которые являются ценными белковыми кормами [63]. Лузга подсолнечника используется для производства биотоплива – топливных брикетов [350].
Показателем эффективности возделывания подсолнечника может служить то, что с 2000 по 2012 г. в Российской Федерации площади его посевов возросли почти на 40% и составили 6529 тыс. га [374].
Уникальная пропашная культура многоцелевого использования – кукуруза. Это одна из наиболее урожайных среди всех зерновых культур [374]. В странах, традиционно занимающихся возделыванием кукурузы – Греция, Чили, Италия, Австрия, США, Германия, Канада, Китай и др. – получают устойчивую среднегодовую урожайность зерна кукурузы более 50 ц/га, а в отдельные годы – более 100 ц/га [175]. Из зерна кукурузы получают муку, крупу, хлопья, консервы (сахарная кукуруза), крахмал, спирт, декстрин, пиво, глюкозу, сахар, патоку, сиропы, масло, витамин Е, аскорбиновую и глутаминовую кислоты. Пестичные столбики применяют в медицине. Из стеблей, листьев и початков вырабатывают бумагу, линолеум, вискозу, активированный уголь, пробку, пластмассу, анестезирующие средства и др. [175].
Зерно кукурузы отличается высокими кормовыми достоинствами. В нем содержится 10–20% белка, около 66% углеводов, 6,5% жира, 1,5% золы, 3,5% клетчатки, а также витамины. Питательная ценность одного килограмма зерна соответствует 1,34 к.ед. Это ценный компонент комбикормов [24]. В нашей стране ведутся работы по созданию высоколизиновых сортов. Кукурузу используют на зеленый корм, который богат каротином. В составе ее зеленой массы содержится до 12% сахара, 7–8% протеина, много витамина С. В нашей стране кукуруза является основной кормовой культурой [24], ее производство тесно связано с производством животноводческой продукции. Без увеличения площадей посева кукурузы невозможно создать сбалансированную кормовую базу для развития животноводства, а без развитого животноводства снижается спрос на реализацию кукурузы.
Как пропашная культура кукуруза – хороший предшественник в севообороте. Она способствует освобождению полей от сорняков, почти не имеет общих с другими зерновыми культурами вредителей и болезней [24]. Использование кукурузы в севооборотах позволяет эффективно бороться с заразихой (Оrobanche cumana) [176]. При этом кукуруза – культура позднего урожая, при перестое зерно не осыпается. Ее возделывание позволит более равномерно распределить загрузку сельхозпредприятий в течение года, снизить явление сезонности работ в растениеводстве. По прогнозам экспертов спрос на кукурузу в ближайшие годы будет постоянно возрастать. Помимо ее пищевой, промышленной и кормовой ценности, это связано с интересом со стороны производителей этанола [224]. Значительно меньшие площади, чем подсолнечник или кукуруза, занимают посевы клещевины, притом, что она является уникальной культурой, из семян которой производят касторовое или рициновое масло. Оно значительно отличается от других растительных масел высокой вязкостью и при этом не застывает при отрицательных температурах до -18С, слабо растворяется нефтепродуктами, благодаря чему нашло широкое применение как смазочный материал в авиационной и космической промышленностях. Его используют в химической промышленности при производстве высококачественных олиф, тормозной жидкости, лаков, покрытий для электрического кабеля, при производстве пластмасс, в фармацевтике и парфюмерии. Рициновое масло также используют для создания синтетических тканей, для производства красителей и типографских красок. Оболочки семян используются в качестве сырья для получения гидролизного спирта [145, 156].
Ценной кормовой и промышленной культурой является сахарная свекла, она дает с гектара наибольшее количество кормовых единиц по сравнению с другими культурами и по питательности является ценнейшим кормом. Например, при урожае корнеплодов 300 ц/га и ботвы 300 ц/га выход кормовых единиц с гектара составит 13800 кг, а перевариваемого протеина – 1020 кг, в то время как кукуруза на силос, при урожайности 400 ц/га, выдает соответственно кормовых единиц – 8000 кг, протеина 560 кг [130].
В корнеплодах свеклы содержится более 25% сухого вещества, на три четверти состоящего из сахара. В сухом веществе содержится примерно по 6% протеина и клетчатки, около 9% прочих безазотистых экстрактивнных веществ (не считая сахара) [130]. Сахарная свекла отличается легкой перевариваемостью и хорошей усвояемостью. В корнеплодах много витаминов В1, В2, С, минеральных солей и углеводов. При введении в рацион животных сахарной свеклы повышаются удои и жирность молока, ускоряется прирост живой массы [75].
Аналитическое обоснование рациональных параметров орудия для поверхностной обработки почвы
Таким образом, как для интенсивной отвальной обработки почвы, так и для «нулевой» характерен ряд серьезных недостатков, которые в значительной степени нивелируют их положительные стороны, снижая общую эффективность возделывания пропашных культур. В связи с этим более рациональными представляются промежуточные варианты, связанные с понижением уровня интенсификации обработки почвы, но в то же время способствующие активизации почвенных процессов, борьбе с сорняками, вредителями и болезнями. Из этих соображений широкое распространение в современном сельскохозяйственном производстве получили технологии, ориентированные на минимальную обработку почвы. Однако с точки зрения экологии они, скорее, совмещают отрицательные стороны «предельных» технологий, чем положительные – для них характерно расслоение слоев почвы по элементам питания, плотности, влаге, возникновение эрозионных процессов, снижение способности к снего- и влагоза-держанию, уплотнение ходовой частью тракторов [165] и рабочими органами орудий нижних горизонтов почвы и др. Особую опасность с точки зрения возникновения эрозионных процессов представляет применение орудий с дисковыми рабочими органами. Так, например, эксперименты, проведенные на южных черноземах Украины, показали, что содержание эрозионных частиц в верхнем слое почвы после вспашки составило 35–43%, а после дискового лущения – 60–64%. На темно-каштановой почве соответственно – 26–47 и 29–51% [101]. Таким образом, более перспективны технологии, ориентированные на глубокую безотвальную обработку почвы с сохранением на поверхности поля стерни и растительных остатков или поукосных сидератов в осенний период.
Наличие растительности или стерни на поверхности поля в позднелетний, осенне-зимний и ранневесенний периоды, как и в случае «нулевых» систем обработки почвы, позволит предотвратить (или в значительной степени снизить) проявления как ветровой, так и водной эрозии, вероятность образования почвенной корки, позволит выровнять тепловой баланс почвы, сократить потери влаги испарением, будет способствовать снегозадержанию и почвенному влаго-накоплению, позволит восполнять содержание гумуса в почве, сохраняя при этом бактериальное равновесие почвы.
Одновременно с этим глубокое рыхление почвы позволит более равномерно распределять структуру почвенных горизонтов по плотности, способствовать проникновению воздуха и влаги, а вместе с ними и элементов питания в нижние слои пахотного горизонта.
Однако отказ от оборота пласта приводит к увеличению засоренности полей сорняками, поражения культурных растений вредителями и болезнями. В связи с этим рациональным представляется в весенний предпосевной период, при достижении физической спелости почвы проведение ее поверхностных обработок, причем именно с использованием дисковых орудий, так как они позволяют измель чать и заделывать растительную массу в почву. Благодаря этому ускоряется процесс ее разложения, появляется возможность регулировки теплового режима почвы, снижаются капиллярные потери влаги и потери влаги испарением.
При этом дисковая обработка почвы позволяет заделывать органические и значительные дозы минеральных удобрений и механически уничтожать сорняки, а поскольку она проводится при достаточной влажности почвы, возникновения эрозионных процессов не происходит. Кроме того, интенсивное рыхление приводит к заделке кладок насекомых-вредителей и пораженных растений в почву, нарушению коммуникаций почвенных вредителей, лучшей аэрации почвы и, как следствие, борьбе с грибковыми заболеваниями и др.
Для более эффективной борьбы с сорняками, вредителями и болезнями, выравнивания поверхности поля, формирования выровненного посевного «ложа», облегчения условий работы посевных машин непосредственно перед посевом необходимо провести предпосевную культивацию на глубину планируемой заделки семян.
При превышении допустимого порога засоренности полей, поражения почв возбудителями болезней и насекомыми-вредителями не исключается химическая обработка посевов, однако, только в случае действительной необходимости данной операции, обусловленной результатами текущего или периодического мониторинга.
Более очевидным способом повышения эффективности сельскохозяйственного производства, чем выбор системы обработки почвы, является система использования удобрений, которая позволяет регулировать плодородие почв, рост урожайности культур, управлять качеством получаемой продукции, повышать производительность труда. Система удобрений в хозяйстве включает: накопление, приобретение и хранение удобрений; распределение их по объектам использования (севообороты, луга, пастбища, многолетние насаждения и т. д.); подготовку; транспортировку и внесение удобрений; определение их агрономической эффективности [450].
Методика оценки достоверности предложенной модели процесса дозирования семян высевающими аппаратами пропашных сеялок
Площадь питания – один из важных факторов, определяющих урожайность и качество продукции, эффективность противостояния культурного растения сорнякам. Площадь питания – величина переменная и зависит, прежде всего, от биологических особенностей сельскохозяйственной культуры: продолжительности вегетационного периода, мощности вегетативной массы и корневой системы, а также от плодородия почвы, влагообеспеченности и других условий возделывания [278]. Правильный выбор густоты стояния растений может поднять урожайность на 30–40% [52, 208].
Для более скороспелых растений с небольшим кустом требуется меньшая площадь питания, чем для растений с сильно развитой вегетативной массой и с продолжительным вегетационным периодом. Например, бахчевые имеют развитую вегетативную массу и мощную стелющуюся корневую систему, поэтому их высевают пунктирным или гнездовым способами с междурядьем 140–210 см и шагом посева 70–140 см. Соответственно площадь питания для них колеблется от 9800 до 29400 см2 [278]. Площадь питания для сахарной свеклы в условиях Южного и Северокавказского федеральных округов будет составлять 1000–1500 см2, для подсолнечника – до 2500 см2.
Чем плодороднее и влажнее почва, тем в меньшей площади питания нуждаются растения. Густоту стояния увязывают с влагообеспеченностью. Так, если площадь питания сахарной свеклы в зоне достаточного увлажнения равна 1050 см2, то в зоне неустойчивого увлажнения – 1100 см2, а недостаточного – 1200 см2. На Северном Кавказе, например, площадь питания подсолнечника выбирают в зависимости от глубины промокания почвы перед посевом. Если она достигает 100 мм, площадь питания составляет 2900–3300 см2, 150 мм – 2200–2500 см2, 200 мм и более – 1800–2100 см2. От площади питания зависит способ и схема посева [278]. Пропашные культуры могут высеваться широкорядным, пунктирным, гнездовым или ленточным способами.
В конце ХХ века во всем мире был широко распространен гнездовой способ посева отдельных пропашных культур – кукурузы, тыквы, арбузов, – который из-за сложности технологического процесса и в связи с широким внедрением в растениеводство пестицидов сейчас практически не применяется, хотя, несомненно, представляет интерес для дальнейшей научной работы [166, 324, 325, 327], так как позволяет обеспечивать качественную обработку междурядий в двух направлениях, значительно снижая уровень засоренности всходов.
В отсутствие простой и надежной техники для осуществления квадратно-гнездового способа посева пропашные культуры в наши дни практически везде высевают пунктирным способом. При возделывании кукурузы на зеленую массу или на силос может применяться совмещенный способ посева, требующий особой конструкции высевающих аппаратов [60, 122].
Посев большинства культур начинают, когда почва на глубине 5–10 см прогреется до 10оС. Среднесуточная температура воздуха в этот период доходит до 13оС. Как ранние, так и запоздалые посевы приводят к значительному снижению урожая. Для Юга России оптимальный для посева период – примерно 15–30 апреля. Более точно его определяют, исходя из климатических условий зоны и погодных условий каждого конкретного года [24, 63, 68, 175, 278, 350]. Почва предварительно должна быть прокультивирована на глубину посева, выровнена и, в идеальном случае, прикатана. Пропашные сеялки, оснащенные сошниковыми группами типа Тру-Ви (рисунок 1.19 б) могут производить посев семян в необработанную предварительно землю [10]. Глубина посева также зависит от поч-венно-климатических условий. Семена требуют для развития определенное количество воды и кислорода, поэтому они должны размещаться достаточно глубоко во влажных слоях, и в то же время слой почвы над ним должен быть рыхлым и не толстым, чтобы обеспечивать дыхание семени. Например, кукурузу на легких сухих почвах рекомендуется высевать зерна на 6–8 см, на суглинистых – 5–7 см, на тяжелых – около 4 см [24, 68, 175]. В особо засушливые годы на легких почвах допускается посев на глубину до 12 см.
При посеве следует учитывать, что полевая всхожесть семян может значительно отличаться от лабораторной, причем она напрямую зависит от скорости прорастания семян (таблица 1.27), которая, в свою очередь, связана с температурой и влажностью почвы в период посева.
Таким образом, к качеству работы посевных машин предъявляются жесткие требования, так как посев семян должен производиться в сжатые сроки, оптимальные по агроклиматическим условиям. При этом подача заданной нормы высева семян не гарантирует создания оптимальных условий для роста и развития растений, если они будут неравномерно распределены по длине рядка. Так, по данным С. А. Ма [208] только за счет снижения коэффициента вариации распределения семян сахарной свеклы по длине рядка со 100 до 40% можно добиться повышения ее урожайности в среднем на 100 ц/га, а сбор сахара – почти на 20 ц/га. Аппроксимация данных Н.В. Островского [283] позволяет сделать вывод, что увеличение коэффициента вариации распределения семян в рядке посевов кукурузы на 1% приводит к снижению ее урожайности по зерну на 0,143%.
Посев пропашных культур осуществляется сеялками точного высева (пропашными сеялками), которые обеспечивают поштучное или групповое дозирование семян, распределение их по площади поля с учетом предусмотренных междурядий и шага посева, и заделку их в почву на заданную глубину.
Пропашные сеялки – значительная и разнообразная группа машин, которые существенно отличаются друг от друга конструктивно и функционально. Они могут быть классифицированы по различным признакам (рисунок 1.20), тем не менее, для большинства из них характерно наличие одинаковых по назначению элементов – рамы, опорно-приводных колес с трансмиссией, бункеров, сошниковых групп и бороздозакрывающих приспособлений, а так же высевающих аппаратов.
Важнейшим классификационным признаком для пропашных сеялок является тип высевающих аппаратов (принцип действия системы для дозирования семян). По этому признаку все пропашные сеялки могут быть разбиты на три принципиальные группы – сеялки с механическими высевающими аппаратами, с аппаратами избыточного давления и вакуумными высевающими аппаратами. [278]. Для каждого типа дозирующих систем характерны свои достоинства и недостатки. Тем не менее, анализ данных о типах высевающих аппаратов пропашных сеялок наиболее широко представленных на рынке сельскохозяйственной техники в европейской части России показал [278], что из рассмотренных 78 марок сеялок точного высева около 78% оснащены вакуумной системой дозирования семян, механической системой – около 16% и системой избыточного давления [41, 191, 194, 195] – около 6%. Из этого следует, что производители пропашных сеялок, наиболее широко представленные на российском рынке, отдают предпочтение вакуумным высевающим аппаратам.
Сравнительная оценка показателей работы чизельных плугов-глубокорыхлителей
Площадь перекрытия дозирующего элемента семенем , (2.98) где – диаметр присасывающего отверстия, м; – степень перекрытия диаметра присасывающего отверстия семенем. С учетом выражений (2.94–2.97), задаваясь максимальными и минималь ными значениями размеров и масс семян, углов их укладки, степени перекры тия присасывающих отверстий семенами и коэффициентов просасывания воз духа находим значения и . Величину составляющих равнодействующей сил сопротивления определяют по известным методикам, например, силу лобового сопротивления вышележащего слоя семян находят с учетом теории сопротивления среды: , (2.99) где – изменение скорости вышележащего слоя семян, примыкающего к поверхности выносимого семени, относительно него, м/с. Считая, что семена прилежащего слоя семян приобретают скорость, равную скорости движения присасывающего отверстия с захваченным семенем, на пути равном диаметру присасывающего отверстия, получим [62] , (2.100) где – радиус траектории движения внешних кромок лопастей ворошителя, м; – коэффициент проскальзывания семян относительно ворошителя.
Также по известным зависимостям определяют значение силы трения при лежащего слоя семян о присасываемое семя , силы тяжести , центробеж ной силы , сил ин ерции—, и .
Некоторая сложность возникает при определении силы подпора семян ворошителем в плоскости, параллельной плоскости высевающего диска. Ее значение может быть вычислено согласно зависимости, предложенной А.А. Бертовым [27], но с учетом удаленности семени от лопасти ворошителя и возникающих сил трения со стороны семян, лежащих между ним и выносимым семенем (2.101) где 8 - угол наклона рабочей поверхности лопасти ворошителя к поверхности высевающего диска, град; - угол внутреннего трения семян, град.
Для выявления направления действия силы подпора семян ворошителем в работе был проведен имитационный эксперимент [270]. При его проведении магнит цилиндрической формы (диаметр d=7,5 мм, высота t=2,5 мм) центрально размещался у присасывающего отверстия высевающего диска. В свою очередь диск в аппарате устанавливался таким образом, чтобы отверстие с магнитом располагалось в нижней части семенной камеры. Затем в бункер засыпались семена, и диск проворачивался до тех пор, пока магнит не выйдет из слоя семян. После этого определялся угол отклонения магнита от прямой, касательной к окружности расположения центров присасывающих отверстий. Исследования проводились на семенах подсолнечника, кукурузы и клещевины в ста повторно-стях для каждой культуры.
Затем эксперименты были повторены для тех же культур, но без ворошителя семян. Полученные данные позволяют сделать заключение, что равнодействующая сил сопротивления под воздействием ворошителя семян отклоняется от тангенциального направления на угол 5-9 , причем к центру высевающего диска, а не к его периферии. Полученные результаты достаточно тяжело обосновать аналитически, однако, они позволяют сделать вывод, что из существующих гипотез ближе к истине оказалось утверждение, что силу подпора ворошителя с определенной вероятностью можно считать направленной по прямой, касательной к окружности расположения центров присасывающих отверстий [270].
С использованием выражений (2.92–2.101) аналитически, с учетом усредненных показателей физико-механических свойств семян (приложение З), были определены зависимости (приложение Ж) вероятности образования нулевых подач от угловой скорости высевающего диска при дозировании семян подсолнечника и кукурузы (рисунок 2.33), которые в целом соответствуют полученным ранее эмпирическим результатам [240, 250].
Полученные зависимости позволили установить, что при увеличении угловой скорости высевающего диска свыше 5,0–5,5 рад/с вероятность появления «нулевых» подач семян превышает допустимые агротребованиями 2% уже на начальных этапах дозирования. При этом величина разрежения в вакуумной камере принималась для подсолнечника 4 кПа, для кукурузы 4,5 кПа, диаметр дозирующих элементов 3 и 5 мм соответственно.
Вероятность образования двойных подач может быть определена по методике, подобной примененной ранее, исходя из выражения , (2.102) где – расчетная вероятность образования двойной подачи. /і і , (2.103) которая определяется исходя из предположения, что диаметр присасывающего отверстия уже перекрыт основным семенем на величину =0,5… 1,0, поэтому степень перекрытия присасывающего отверстия вторым семенем изменяется в диапазоне =0-0,5. Соответственно для этого случая определяются значе ния , и . При работе высевающего аппарата присасывающим отверстием может быть захвачено и более двух семян (вероятность возникновения такого события специально не рассматривалась), поэтому определенное значение названо вероятностью захвата двух семян условно и показывает вероятность подачи присасывающим отверстием более одного семени.
На рисунке 2.34 в графическом виде представлены расчетные зависимости вероятности образования двойных подач семян подсолнечника и кукурузы дозирующими элементами от угловой скорости со высевающего диска.