Совершенствование технологического процесса полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Журавлев Андрей Владимирович

• Журавлев Андрей Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Журавлев Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Почвенно-климатические условия возделывания сельскохозяйственных культур в зоне Южного Урала

1.2. Влияние припосевного внесения минеральных удобрений на растения при ранних сроках вегетации

1.3. Способы комбинированного посева зерновых культур

1.4. Анализ комбинированных сошников и машин для посева с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений

1.5. Распределение семян по семенному ложу при комбинированном разноуровневом посеве

1.6. Анализ научно-исследовательских работ по теме

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОВЕРШЕНОСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОСЕВА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР С РАЗНОУРОВНЕВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ СЕМЯН И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

2.1. Технологическая схема полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений

2.2. Устройство и принцип работы сошника для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений. Анализ модели функционирования сошника

2.3. Определение ширины засеваемых семенами полос и полосы с удобрением

2.3.1. Обоснование параметров распределителя семян

2.3.2. Обоснование параметров наральника тукопровода комбинированного сошника

2.3.3. Имитационное моделирование процесса взаимодействия комбинированного сошника с почвой

2.4. Тяговое сопротивление сошника для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений

2.5. Исследование устойчивости хода сошника

2.6. Основные выводы по главе

Глава 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа и методика экспериментальных исследований сошника для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений

3.2. Методика сбора данных по полевой всхожести и урожайности зерновых культур в производственных условиях

3.3. Объект экспериментальных исследований

3.3.1. Экспериментальный комбинированный сошник для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений

3.3.2. Доработка конструктивно-технологической схемы высевающей системы сеялки с экспериментальными сошниками

3.4. Определение физико-механических свойств почвы и посевного материала

3.5. Программа лабораторных экспериментов

3.5.1. Методика вегетационного опыта

3.5.2. Методика проведения эксперимента по определению равномерности распределения семян

3.5.3. Оценка тягового сопротивления сошника для полосового посева с разноуровневым расположением семян и удобрений

3.5.4. Исследование плотности семенного ложа

3.6. Методика лабораторно-полевых экспериментов

3.7. Состав агрегатов и средства измерения при проведении лабораторно-полевых экспериментов

3.8. Методика определения равномерности глубины заделки семян в зависимости от усилия поджатия демпферных пружин

3.9. Методика проведения полевого опыта

3.10. Методика определения урожайности

3.11. Методика определения равномерности распределения растений по площади

3.12. Основные выводы по главе

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Сравнительная оценка полевой всхожести и урожайности зерновых культур при посеве сеялкой-культиватором

4.2. Результаты вегетационного опыта

4.3. Результаты лабораторных экспериментов

4.3.1. Условия проведения лабораторных экспериментов

4.3.2. Результаты исследования равномерности распределения семян по засеваемым полосам

4.3.3. Результаты лабораторного опыта по определению плотности семенного ложа

4.3.4. Результаты измерения тягового сопротивления сошника для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и

минеральных удобрений

4.4. Результаты лабораторно-полевых экспериментов и полевых опытов

4.4.1. Условия проведения лабораторно-полевых экспериментов и полевых опытов

4.4.2. Агротехнические показатели работы машинно-тракторных агрегатов. Результаты полевого опыта

4.5. Энергетические показатели работы посевного агрегата

4.6. Оценка глубины заделки семян в зависимости от усилия поджатия демпферной пружины

4.7. Оценка экономической эффективности использования сошников для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и удобрений

4.8. Основные выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологического процесса полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений»

Введение

Актуальность темы. Посев является одной из наиболее важных технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур, определяющих основу будущего урожая. Значительным резервом повышения эффективности процесса возделывания сельскохозяйственных культур в общем и посева в частности является применение минеральных удобрений. Большинство современных отечественных посевных машин обладают технологическими возможностями для комбинированного посева. Однако применяемые на них сошники в основном обеспечивают заделку семян и минеральных удобрений в один почвенный горизонт. Известно, что для лучшего развития растений, особенно на ранних стадиях вегетации, целесообразно размещать минеральные удобрения ниже глубины заделки семян, обеспечивая таким образом между ними почвенную прослойку. Такое решение позволяет снизить химическую интоксикацию семян от удобрений, оказывающую угнетающее воздействие на всходы, и создать лучшие условия для развития корневой системы растений.

В связи с этим исследования, направленные на совершенствование технологического процесса посева, при котором обеспечивается разноуровневое расположение в почве семян и минеральных удобрений, являются актуальными, имеют высокое научное и практическое значение.

Тематика работы соответствует стратегии развития агропромышленного и рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2030 года (распоряжение Правительства Российской Федерации от 8 сентября 2022 г. № 2567-р).

Разработанность темы исследования

Исследованиям в области разработки и совершенствования рабочих органов для комбинированного посева посвящены труды В.В. Бледных, Н.К. Мазитова, Р.С. Рахимова, Г. А. Окунева, И.Р. Рахимова, И.М. Фархутдинова, С.Д. Шепелёва, А.В. Мачнева, Г.М. Бузенкова, И.Т. Коврикова, А.А. Ногтикова, В.Л. Астафьева, Н.Н. Устинова и ряда других ученых. Анализ работ

показывает, что предлагаемые рабочие органы в ряде случаев не удовлетворяют агротехническим требованиям для комбинированного разноуровневого посева, не обеспечивают заделку семян на уплотненное семенное ложе, допускают их смешивание с минеральными удобрениями, провоцируя химическую интоксикацию, не обеспечивают стабильной глубины посева, оставляют после прохода крупногабаритные борозды с незакрытыми почвой семенами. Нет четких рекомендаций по распределению компонентов посевного материала по почвенным горизонтам, а также распределению семян по семенному ложу. Отмеченные недостатки предполагают проведение дополнительных исследований, направленных на совершенствование технологического процесса посева с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений.

Цель исследования: обеспечение благоприятных условий для роста и развития растений при полосовом посеве за счет разноуровневого расположения семян и минеральных удобрений.

Объект исследования: технологический процесс полосового посева зерновых культур комбинированным лаповым сошником, обеспечивающим разноуровневое расположение семян и минеральных удобрений.

В качестве рабочей гипотезы принята возможность обеспечения благоприятных условий для роста и развития растений при полосовом посеве за счет внесения минеральных удобрений ниже уровня расположения семян при сохранении уплотненного семенного ложа.

Предмет исследования: закономерности изменения агротехнических показателей полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений в зависимости от конструкционно-технологических параметров комбинированного лапового сошника.

Определены следующие задачи.

1. Выявить основные характеристики разноуровневого расположения семян и минеральных удобрений при полосовом посеве

зерновых культур, обеспечивающие благоприятные условия для роста и развития растений и взаимосвязанные с ними параметры комбинированного лапового сошника.

2. Теоретически обосновать конструкционные параметры комбинированного лапового сошника и установить их влияние на агротехнические и энергетические показатели полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений.

3. Экспериментально исследовать агротехнические и энергетические показатели работы комбинированного лапового сошника. Определить агрономические показатели возделывания зерновых культур. Дать оценку эффективности внедрения результатов исследований в производство.

Научная новизна

1. Выявлены зависимости и закономерности, определяющие изменения агротехнических и энергетических показателей полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений в зависимости от конструкционно-технологических параметров комбинированного лапового сошника. Впервые получено математическое описание процесса распределения семян по семенному ложу при полосовом комбинированном посеве.

2. Обоснованы рациональные конструкционно-технологические параметры комбинированного лапового сошника для полосового посева с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений. Особенностью сошника является возможность полосового посева семян с одновременным внесением ленты минеральных удобрений между засеянных полос ниже уровня уплотненного семенного ложе без нарушения его структуры.

3. Экспериментально определены агротехнические показатели работы и тяговое сопротивление комбинированного лапового сошника. Агротехническим полевым опытом установлены агрономические показатели возделывания зерновых культур при использовании сеялки с разработанными

сошниками.

Техническая новизна разработки подтверждается патентами Российской Федерации на полезные модели № RU 216480 Ш «Лаповый сошник для полосового посева», № RU 227514 Ш «Сошник для высева семян и минеральных удобрений».

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования

Раскрытие и математическое описание закономерностей изменения агротехнических и энергетических показателей полосового посева с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений в зависимости от конструкционно-технологических параметров комбинированного лапового сошника подтверждает выдвинутую гипотезу и является научной основой повышения эффективности рабочих органов сеялок для прямого посева.

Результаты лабораторных и лабораторно-полевых экспериментов позволили установить, что разработанный комбинированный лаповый сошник для полосового посева с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений обеспечивает выполнение агротехнических требований. Агротехническими полевыми опытами установлено, что использование экспериментального рабочего органа позволяет увеличить полевую всхожесть на 12...14%, повысить урожайность на 10...12% в сравнении с комбинированным посевом стандартным сошником лапового типа.

Методология исследования

Исследования по совершенствованию полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений проводились на основе методологических принципов научного познания: историчности, объективности, предметности, всесторонности и конкретности.

При обосновании технологического процесса посева, конструкционных и технологических параметров комбинированного лапового сошника использовались законы механики, имитационное моделирование,

учитывались требования технологий возделывания сельскохозяйственных культур и критерии ресурсосбережения.

Методики лабораторных, лабораторно-полевых экспериментальных исследований, а также агротехнического полевого опыта разработаны на основе действующих стандартов с привлечением современного поверенного измерительного оборудования. При обработке результатов экспериментальных исследований использовались методы математической статистики и современное программное обеспечение.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Схема конструкции и параметры сошника для полосового посева зерновых культур с разноуровневым расположением семян и минеральных удобрений.

2. Взаимосвязь конструкционно-технологических параметров комбинированного лапового сошника для полосового посева, обеспечивающего разноуровневое расположение семян и минеральных удобрений, с агротехническими и энергетическими показателями.

3. Методики экспериментальных исследований процесса работы сошника и посевного машинно-тракторного агрегата.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Достоверность полученных результатов подтверждается лабораторными и лабораторно-полевыми экспериментами, агротехническими полевыми опытами, проведенными на основе стандартных и оригинальных методик, а также производственным внедрением. Результаты исследований получили положительную оценку на научно-практических конференциях Южно-Уральского ГАУ (2022, 2023, 2024 и 2025 гг.), на первом, втором и третьем этапах Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Министерства сельского хозяйства РФ в 2025 г; получен диплом 2-й степени на Международной выставке сельскохозяйственной техники, материалов и оборудования для животноводства и растениеводства Агропром Урал (2024 г.).

Содержание диссертационной работы изложено в 8 научных статьях, из них 5 - издания, входящие в перечень рецензируемых. Получены 2 патента на полезные модели. Сеялка с экспериментальными сошниками прошла производственные испытания в ООО «Сокол» (Уйский район Челябинской области), ИП Глава К(Ф)Х Чирков Николай Михайлович (Варненский район Челябинской области). Сошник принят в производство в ООО «Челябинский компрессорный завод».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего в себя 153 источника, в том числе 7 на иностранном языке. Работа содержит 182 страницы машинописного текста, 118 рисунков, 29 таблиц и 19 приложений объемом 40 страниц.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Почвенно-климатические условия возделывания сельскохозяйственных культур в зоне Южного Урала

Одной из наиболее существенных групп факторов, определяющих результативность производственной деятельности сельскохозяйственных предприятий, занимающихся зернопроизводством, являются природно-климатические условия, характеризующиеся типами почв и их плодородием, суммой активных температур, количеством осадков, распределением их в течение года. Совокупность данных факторов определяет применяемые сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, а также технологии их возделывания.

Челябинская область расположена в трех природно-климатических зонах: горнолесной, лесостепной, степной, каждая из которых имеет свои особенности возделывания сельскохозяйственных культур. Природно-климатические условия выделенных зон в значительной степени отличаются друг относительно друга, это касается как преобладающих в данных районах почв, так и агроклиматических условий. Большая часть сельскохозяйственных предприятий располагается в лесостепной и степной зонах.

Одним из существенных факторов, в значительной степени снижающих урожайность возделываемых культур в зоне Южного Урала, является периодически повторяющаяся засуха. Необходимо отметить, что классифицируется пять типов засухи: ранневесенняя, весенне-летняя, летне-осенняя, комбинированная и устойчивая. Наблюдения ученых за агроклиматическими условиями возделывания сельскохозяйственных культур Южного Урала указывают на то, что здесь фактически каждый год имеет место тот или иной тип засухи [125,135 ]. Это дает основание отнести регион к зоне засушливого земледелия.

Так, период весенних полевых работ приходится на даты 1 мая - 5 июня, данный интервал характеризуется засушливыми и острозасушливыми условиями, это наглядно иллюстрирует следующий график (рисунок 1.1).

2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

Годы

Рисунок 1.1 - Количество осадков в период с 1 мая по 5 июня и средняя урожайность

зерновых в Челябинской области

Наложение на график кривой средней урожайности зерновых показывает некоторую корреляцию с данными по количеству осадков в период весенних полевых работ. Недополученная растениями на ранних этапах вегетации влага обусловливает снижение полевой всхожести, что при других негативных факторах отрицательно влияет на урожайность. Исключив из рассмотрения аномально засушливые для Челябинской области 2020 и 2021 гг., можно констатировать, что большее количество осадков в период посевных работ в 2022 и 2024 гг. положительно сказалось на средней урожайности зерновых культур в сравнении с 2018 и 2019 гг.

Объективно изменение урожайности в зависимости от гидротермических условий можно оценить исходя из величины интегрального коэффициента Селенинова (ГТК), рассчитанного за период вегетации яровых зерновых культур. По абсолютной величине ГТК можно определить эффективность условий возделывания сельскохозяйственных культур: более 1,6 - избыточное; 1,3...1,6 - достаточное; 1,0...1,3 - слабо засушливое; 0,7...1,0 - засушливое;

0,4. 0,7 - сильно засушливое; менее 0,4 - выращивание сельскохозяйственных культур невозможно.

Данные по количеству осадков и сумме температур, необходимые для расчета ГТК, представлены в таблице 1.1. Анализируя результаты расчетов, можно видеть, что величина ГТК значительно варьируется от значений 0,65.1,12, определяющих зернопроизводящие районы области как засушливые и слабо засушливые, до 1,46.1,79, что говорит о достаточно благоприятных условиях для возделывания сельскохозяйственных культур. Характерные в данном случае 2022 г. (ГТК зернопроизводящих районов -0,65.0,67), 2023 и 2024 гг. (ГТК зернопроизводящих районов - 1,46.1,76 и 1,52. 1,79 соответственно), показывают, что средняя величина урожайности в Челябинской области в 2022 г. превышает показатели двух других сравниваемых с ним периодов, при худших гидротермических условиях. Таким образом складывается в некотором смысле парадоксальная ситуация, которая обусловлена неравномерным распределением осадков в течение сезона. Так, 2022 г. можно в целом охарактеризовать как засушливый, что снизило среднюю урожайность. При этом в 2023 г. отчетливо проявилась майско-июньская засуха, однако вторая половина полевого сезона оказалась переувлажненной, что в конечном итоге отрицательно повлияло на урожайность ввиду значительных простоев зерноуборочной техники по погодным условиям. В 2024 г. гидротермические условия характеризуются как благоприятные, но значительные осадки в период уборочных работ, как и в 2023 г., растянули сроки уборки в большинстве районов области, что отрицательно сказалось на урожайности.

Исходя из сказанного, можно охарактеризовать гидротермические условия выращивания зерновых культур в Челябинской области как неблагоприятные, и это необходимо учитывать при проектировании технологий и технических средств для возделывания сельскохозяйственных культур.

Таблица 1.1 - Природно-климатические условия возделывания сельскохозяйственных культур за 2021-2024 гг. в Челябинской области

Месяц 2021 г. 2022 г.

агроклиматическая зона

горнолесная лесостепная степная горнолесная лесостепная степная

Температура воздуха, °С

Май 15,17 13,8 17,9 7,74 9,77 11,03

Июнь 16,26 14,51 20,11 13,03 15,65 17,21

Июль 16,90 21,88 20,95 17,3 19,11 20,58

Август 18,09 17,06 21,016 16,7 18,09 19,88

Осадки, мм

Май 27 13 6 77 50 55

Июнь 69 38 7 100 43 29

Июль 41 45 58 36 24 18

Август 8 40 10 21 22 5

Сумма температур > 10°С

Май-август 2043,5 2071 2462 1740,29 1926 2110,5

Гидротермический коэффициент Селянинова

Май-август 0,7 0,7 0,37 1,12 0,65 0,67

Месяц 2023 г. 2024 г.

агроклиматическая зона

горнолесная лесостепная степная горнолесная лесостепная степная

Температура воздуха, °С

Май 12,67 13,45 14,12 5,83 7,90 10,43

Июнь 13,23 15,78 17,65 16,45 18,16 19,33

Июль 18,87 20,65 21,16 16,40 17,82 18,96

Август 17,74 16,33 17,91 12,69 14,70 15,96

Осадки, мм

Май 7 9 21 82 55 40

Июнь 63 34 137 136 95 89

Июль 99 74 94 169 154 103

Август 183 151 65 81 62 69

Сумма температур > 10°С

Май-август 1832 2037 2177 1576 1798 1968

Гидротермический коэффициент Селянинова

Май-август 1,42 1,46 1,76 2,68 1,79 1,52

Важнейшим фактором, определяющим эффективность зернопроизводства, являются типы почв и их плодородие. Преобладающими типами почв в большинстве зернопроизводящих районов Челябинской области являются серые лесные почвы, черноземы выщелоченные, черноземы обыкновенные и черноземы южные [55]. При этом более 60% почв области представлены черноземами, которые характеризуются высокими потенциальными показателями плодородия. Однако почворазружающие технологии, недостаточное поступление в почву органических веществ, нагрузка зернопаровыми севооборотами, загрязнение почв тяжелыми металлами, снижение количества вносимых органических и минеральных удобрений ведут к снижению плодородия и недоиспользованию имеющегося потенциала. Перечисленные негативные факторы отрицательно сказываются на содержании гумуса в почвах области (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Группировка почв Челябинской области по содержанию гумуса на 2024 г. [46,107]

Результаты обследований почв Челябинской области указывают на то, что более 80% пахотных земель имеют среднее, низкое и очень низкое содержание гумуса. Потери гумуса в свою очередь отрицательно влияют на баланс в почве азота. Отмечается, что при относительно высоком содержании в почве минерализованного азота увеличивается дефицит доступных для растений гидролизуемых форм.

В целом же ученые [46, 55] фиксируют, что постоянный отток с урожаем питательных веществ обусловливает формирование дефицитного баланса основных биогенов: азота, фосфора, калия. По исследованиям Казаченко А.П. [107], Синявского И.В. [122], Зыбалова В.С. [55], почвы ряда зернопроизводящих районов области испытывают дефицит доступных для растений подвижных форм фосфора и гидролизуемого азота (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Изменение количества азота и фосфора в почвах стационарных пунктов мониторинга, мг/кг почвы [55,122]

Наименование зон и состояние почвы Содержание азота Содержание фосфора

валового гид] ролизуемого валового подвижного

1 тур 2 тур ± 1 тур 2 тур ± 1 тур 2 тур ± 1 тур 2 тур ±

Горнолесная Пашня 212 229 +17 10,0 8,3 -1,7 57,7 43,5 -14,2 4,4 1,0 -3,4

Целина 236 199 -37 10,7 8,2 -2,5 170,1 141,0 -29,1 0,4 0,4 0,0

Северная лесостепь Пашня 272 230 -42 11,7 8,8 -2,9 98,3 93,0 -5,3 5,5 6,0 +0,5

Целина 268 218 -50 12,5 8,7 -3,8 85,0 80,0 -5,0 5,2 3,1 -2,1

Южная лесостепь Пашня 293 242 -51 9,7 8,6 -1,1 134,0 109,0 -2,5 4,3 4,6 +0,3

Целина 329 241 -88 9,6 8,6 -1,0 136,0 123,0 -13,0 2,9 4,3 +1,4

Степная зона Пашня 249 236 -13 9,6 8,2 -1,4 123,0 111,0 -12,0 5,6 3,6 -2,0

Целина 258 231 -27 9,6 8,5 -2,1 115,0 90,0 -25,0 2,3 2,2 -1,1

Средние показатели Пашня 263 286 -27 10,4 8,5 -1,9 102,0 92,0 -10,0 4,3 4,1 -0,2

Целина 266 229 -37 10,2 8,5 -2,3 119,0 105,0 -14,0 3,0 2,8 -0,5

Одним из существенных факторов, который обусловливает дефицит подвижного фосфора и гидролизуемого азота, является вынос элементов питания с урожаем без соответствующего их восполнения. Это наглядно показывает статистика применения удобрений в Челябинской области (рисунок 1.3). Некоторое увеличение количества вносимых в почву удобрений положительно отразилось на средней урожайности зерновых в период с 2014 по 2019 гг. Однако аномальные засухи 2020 и 2021 гг. вызвали снижение количества применяемых удобрений или вовсе отказ от них у ряда сельскохозяйственных предприятий, это прослеживается по статистике за 2020 и 2022 гг.

Анализ рекомендаций ученых показывает, что в сложившихся обстоятельствах необходимо увеличивать количество вносимых в почву минеральных удобрений при одновременном совершенствовании технологий внесения [13, 23, 149, 151].

80

и

-с 70

г*» С: 60

50

а:

^ 40

30

о

>4 20

10

V /

у м \ Л/ г \ \ т / х>.} /

✓ / —1Ц - / А _1 /1_

' / ш / 9.8 \ > \ \ ГТ / /

✓ 6.8 • \___ 8.6 9.2

1Н ^ «3

/б

Л

г--

14 §

О ,, §

Ю '3

О £

2021 2022

2012 2013 2014 2015 2016 2017 20/Я 2019 2020

Годы

-Удобрения----------Урожайность

Рисунок 1.3 - Урожайность зерновых культур и внесение удобрений в почву (по

Челябинское области)

По особенностям вегетации растений и агротехническим срокам выделяют следующие приемы и способы внесения удобрений (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Приемы и способы внесения удобрений

Учитывая дефицит в почвах доступного для растений фосфора и азота, определённый упор необходимо делать на совершенствование способов внесения данных элементов.

Принимая во внимание механизмы действия удобрений и особенности вегетации зерновых культур, фосфорные удобрения целесообразно вносить под осеннюю обработку почвы [29, 67, 145]. Только в данном случае могут быть обеспечены хорошие условия для перемешивания почвы и удобрений, что положительно скажется на формировании корневой системы растений. Весеннее применение фосфорных удобрений, как правило, не дает высокого положительного эффекта.

Азотные удобрения рекомендуется вносить при посеве и в ходе подкормок по результатам листовой диагностики растений. Здесь необходимо отметить, что применение допосевного внесения удобрения, при котором гранулы оказываются на поверхности поля, сопровождается рисками их несвоевременного растворения в связи с частым дефицитом влаги [10, 19, 26, 108, 140].

Послепосевное внесение азотных удобрений может быть реализовано несколькими способами (рисунок 1.4): внекорневая подкормка жидкими удобрениями и поверхностное внесение гранулированных удобрений разбрасывателями. Оба способа имеют в условиях Южного Урала ряд ограничений, обусловленных агроклиматическими условиями и иногда организационными причинами. Внекорневые подкормки следует вносить только при благоприятных температурных условиях [26], в противном случае обработка спровоцирует химический ожог листьев, что в условиях засухи может отрицательно повлиять на урожайность и качество получаемого урожая [9, 72, 105, 114]. К тому же технология применения внекорневых подкормок предполагает наличие на сельскохозяйственном предприятии определенной инфраструктуры: высокопроизводительных опрыскивателей, растворных узлов, транспортных средств для перевозки растворов.

Поверхностное разбрасывание азотных удобрений в целях подкормки зерновых культур в условиях Южного Урала является малоэффективным агроприемом.

Припосевное внесение удобрений в таких условиях является наиболее эффективным, так как позволяет за один проход агрегата обеспечить заделку семян и удобрений в почву. Комбинированный посев позволяет растению за короткий срок получить необходимые элементы питания для развития корневой системы. При этом следует отдельно отметить, что заделка минеральных удобрений в увлажненные слои почвы позволяет в значительной степени повысить их эффективность за счет своевременного растворения.

Технологии комбинированного посева применительно к условиям Южного Урала должны обеспечивать следующее:

- снижение химической интоксикации семян;

- улучшение условий для развития корневой системы;

- повышение полевой всхожести;

- создание лучших условий для растворения гранул удобрения в почвенной влаге.

Последний аспект особенно важен для условий Челябинской области, где часты майско-июньские засухи.

1.2. Влияние припосевного внесения минеральных удобрений на растения при ранних сроках вегетации

Локальное (припосевное) внесение удобрений эффективно для всех природно-климатических зон и для большинства сельскохозяйственных культур [4, 6, 70]. Данный способ позволяет получить прибавку урожая в сравнении с послепосевным внесением на 20-25%, при одновременном сокращении дозы применяемого удобрения [23, 126]. Отдельно необходимо отметить, что при комбинированном посеве эффективность вносимого удобрения определяется его положением относительно семян в почве.

Внесение удобрений на одном уровне с семенами может повлечь за собой ряд негативных явлений, влияющих на развитие растения при ранних стадиях вегетации. Так при, дефиците почвенной влаги туки, находящиеся рядом с семенами, перетягивают на себя ее часть, в результате чего замедляются

процессы набухания и прорастания. Рядом исследователей отмечается и высокий риск химической интоксикации (химического ожога) семян от близко расположенных гранул минерального удобрения [9, 72, 114, 119, 147].

Рассматриваемый механизм действия минеральных удобрений на семена достаточно хорошо изучен [119, 140]. В значительном числе случаев рабочие органы сеялок при комбинированном посеве заделывают семена на уплотненное семенное ложе, часто перемешивая их с минеральными удобрениями. Азотные удобрения, попавшие в почву, при достаточном количестве влаги начинают растворяться, в результате чего образуемый в небольшом количестве нитрат N0^ под действием внешней диффузии начинает передвижение от места, где были заделаны гранулы, к периферии. При достаточном количестве влаги в течение 24 часов зона действия азотных удобрений может распространяться от места внесения гранул на 75 мм, представляя при этом ленту аммиака ^Н3) и аммония ^Н4) (рисунок 1.5а). При этом концентрация азота в данной локальной области является достаточно высокой и может угнетать развитие оказавшихся здесь семян посеянной культуры, вызывая даже гибель некоторых проростков и зародышевых корешков, уменьшение количества которых приводит к замедлению или остановке начальной стадии вегетации. После двух недель лента азота расширяется до 125 мм (рисунок 1.5б), и концентрация вещества снижается до 50...60%о, становясь в основном полезной для растений формой нитрата ^03). Токсическое воздействие удобрений при этом в значительной степени нивелируется [17, 50]. Однако семена, на которые было оказано негативное воздействие в момент появления проростка и зародышевых корешков, уступают соседним семенам в борьбе за влагу и питательные элементы, вследствие чего всходы получаются неравномерные, местами изреженные. По прошествии четырех недель ширина ленты азота увеличивается до 200 мм (рисунок 1.5 в).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Журавлев Андрей Владимирович, 2025 год

Ч - ё

л

+ ё

(2.5)

где Уо - начальная скорость частицы, м/с.

Проинтегрировав (2.5) и сделав промежуточные преобразования (Приложение 3), получили зависимость пройденного частицей расстояния от времени:

Я =

ёг +

Ч - ё к

(1 - е"к)

(2.6)

к

е

\

В результате проведенных расчетов получена модель движения частицы на первом участке, включающая в себя зависимость для скорости (2.5) и пройденного пути в функции от времени (2.6).

На втором участке происходит соударение частицы посевного материала с распределителем, в результате чего меняются траектория и скорость. Исходя из направления движения частицы и расположения поверхности распределителя, данное соударение рассмотрим как косой не вполне упругий удар (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Схема соударения частицы с криволинейной поверхностью

распределителя радиусом Ra

Скорость частицы посевного материала после соударения (участок II) с распределителем согласно классической теории удара и принятым допущениям может быть определена по зависимости

4

2 2 V2 =V V2n + V2x

(2.7)

где V2n - нормальная составляющая скорости частицы после удара, м/с; V2T -тангенциальная составляющая скорости после удара, м/с.

Зная величину скорости частицы vt в момент удара о поверхность распределителя, нормальную и тангенциальную составляющие можно определить по следующим формулам [104,121]:

v2n = knvicos(ai); (2.8)

V (sin (ai) - /cos (ai) (kn +1)), (2.9)

V2t = V

где ^ - коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости; а1 - угол падения, град; / - коэффициент трения семени о поверхность распределителя.

При известных величинах, составляющих скорости частицы после соударения с распределителем, угол отражения р1 можно определить как

(2.10)

Д = аг^

V V л У

После соударения с распределителем возможен отскок, который отрицательно скажется на равномерности распределения. В целях недопущения отскока необходимо обеспечить такие углы падения а1, при которых нормальная составляющая скорости у2п имеет минимальную величину, а угол отражения р1 - максимальную.

Воспользовавшись зависимостями (2.8), (2.9) и (2.10), можно проанализировать характер изменения составляющих скорости частицы после соударения у2п и у2т в зависимости от угла отражения р1 (рисунок 2.11).

\>2п норм сост -------у,г тан г сост

Рисунок 2.11 - Зависимость р2т и р2п от угла отражения

Отскок частицы посевного материала после соударения с поверхностью распределителя будет минимален в случае малых значений нормальной составляющей скорости у2п и максимальных значений тангенциальной составляющей у2т. Данное условие возможно при углах Д=60° и более градусов (рисунок 2.11). Таким образом, после соударения частицы посевного

материала будут скользить по семянаправляющим канавкам при значениях угла в>1 более 60о.

Рассмотрим дальнейшее движение частицы посевного материала после соударения с поверхностью распределителя. На выделенном участке III движение частиц происходит в координатах ОХз^з (рисунок 2.12) и может быть описано системой уравнений следующего вида:

Ч a3x =-kmc V3x

\mc a3y = mc g - kmcV3y '

Уравнения системы (2.11) имеют разделяющиеся переменные.

(2.11)

Рисунок 2.12 - Схема движения частицы на участке III

После первого интегрирования (2.11) получена система (2.12), описывающая изменение скорости частицы в функции от времени, после второго интегрирования получена система (2.13), описывающая траекторию при отскоке:

v2 sin (ж-a -Р)

y3x

v3' =k

kv2 cos (

ж-a

jt

Р)-Л —-+ g

(2.12)

X3 =

V sin

gt kv2COS (ж-a-p)- g

Уз=T+ k

где -скорость частицы после соударения, м/с.

(2.13)

kt

e

<

На основании (2.12) и (2.13) можно построить траектории движения частиц высеваемого материала в зависимости от углов а1 и Рь Для удобства анализа на поле графика совмещены траектория движения частицы и криволинейная образующая семянаправляющей канавки распределителя на данном участке (рисунок 2.13).

0 0.07 0.008 0.009 0.010 0.011 Х3,М__„ 0.07 0.008 0.009 0.010 0.011 Х3,М

0.016 0.017 0.018 0.019 0.020 0.021

У3,м

а б _Траектория

________Распределитель

Рисунок 2.13 - Траектории движения частицы после соударения с распределителем

(а - при Rа=80 мм; б - при Rа=50 мм)

Исходя из полученных графиков, можно сделать вывод, что при радиусе Rа=80 мм и более после соприкосновения частицы с поверхностью распределителя не наблюдается отскока, поскольку расстояние между траекторией и образующей значительно меньше среднего размера семени. Таким образом, учитывая компоновку рабочего органа, размеры семени и габариты распределителя, предпочтительную величину большего радиуса можно принять Ra=80 мм и более.

При отсутствии отскока на выделенном участке III частицы далее совершают скольжение по поверхности распределителя, при этом на них действуют: mcg - сила тяжести, Н; N - нормальная реакция, Н; /Ыс - сила трения, Н. Схема сил, действующих на частицу при движении на криволинейном участке распределителя, представлена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 - Движение частицы по участку большего радиуса Ra

Зная силы, приложенные к частице при движении по криволинейной поверхности распределителя (выделенный участок IV), составим систему уравнений, описывающих ее движение в полярных координатах:

4 = тс эт ак - рс - кту4

М

тсУ4

с 4 = N -т соэа„

(2.14)

я

где aR - угловая координата.

Сделав преобразование системы (2.14), запишем дифференциальное уравнение движения в следующем виде:

-с-г4 = тсЯ ая - /

т

Г 2 тсу4

с 4 + т соэ а„

V Яа с ' .

- кт у„

(2.15)

Уравнение (2.15) является нелинейным, и его решение может быть получено численно в MatchCAD (Приложение 4). Графическая интерпретация зависимости скорости от радиуса Ra представлена на рисунке 2.15.

К, м/с

1,4

£ 1,2

и

0,8 0,6

55 0 65 70 75 80 85 К , мм

Радиус

Рисунок 2.15 - Зависимость скорости от радиуса

Вычислив рациональную величину радиуса Ra, определим ширину распределителя AR в нижней части. Она складывается из двух слагаемых (2.16): dc - внутренний диаметр семяпровода; 2ер - выступающая за габариты диаметра dc часть распределителя (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 - Ширина распределителя

Величина вр на основе исследований [43] должна быть не меньше линейных размеров семени (^э):

АЯ = ас + 2£р. (2.16)

Одновременно е является хордой дуги радиуса Rб, которая изменяется в диапазоне от АВ1 до АВ. При этом АВ1= dэ, а отрезок АВ определяется как

(2.17)

СО50ЗгУ V '

где Р1 - угол наклона касательной Ь дуги радиуса Ra в точке п к горизонтали, град.

Угол схода а5 семени с распределителя, определяющий форму его траектории при движении к дну борозды, на основе построения (рисунок 2.16) с учетом (2.16) взаимосвязан с радиусом Rб зависимостью (2.18). На схеме (рисунок 2.17) k2 - касательная к дуге радиуса Ra.

АВ

Кб = . (2Л8)

И

Образующие семянаправляющих канавок имеют два участка с радиусами Ra и Rб, которые плавно соединяются друг с другом (рисунок 2.17). Учитывая

последнее, при переходе частицы высеваемого материала с выделенного участка IV на участок V можно пренебречь явлением удара.

X

/

/х] у /

\в/ / /

—

к2

\к,

а5

Рисунок 2.17 - Переход с участка большего радиуса Ra, на участок меньшего радиуса Rб

Таким образом на участке V характер сил, действующих на частицу посевного материала, аналогичен характеру предыдущего участка (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - Движение частицы по участку меньшего радиуса Rб Уравнение движения, записанное в полярных координатах для участка V, имеет следующий вид:

т Шу5 • д, ,

-V-5- = тс g вш аг - - ктсV, ш

2

т V

с 5 = N - т сов а Я с

(2.19)

Сделав преобразование системы (2.19), запишем дифференциальное уравнение движения в виде

т2 ^ • (2.20)

тс Шv5 . _

с 5 = тс g вт аг - /

йг

V Я

■ + т сов а..

- кт^5 .

Решение уравнения (2.20) в системе MatchCAD (Приложение 4) позволило установить незначительное влияние криволинейного участка малого радиуса Rб на скорость движения частиц.

На выделенном участке VI (рисунок 2.19) частица посевного материала сходит с поверхности распределителя и движется под действием силы тяжести и силы сопротивления воздушной среды к семенному ложу.

Рисунок 2.19 - Схема движения частицы в момент схода с распределителя

На основе принятой схемы составлена система дифференциальных уравнений, описывающих движение частицы в системе координат 06Х6У6:

та, = -кт V,

с 6х с6х (2 21) т а, = т g -kmv, у '

с 6у со с 6у

Уравнения системы (2.21) имеют разделяющиеся переменные; аналогично (2.11) получены системы для определения скорости (2.22) и траектории (2.23):

V X =

"6 у

V ооз(а5)

е

кг +6

V е

к

(2.22)

Х6 ='

V со8(а) ~к

(1 -е~к)

6 + Ь^ш^- 6 (1 - ее

6 к к2

(2.23)

Из анализа полученных систем (2.22, 2.23) установлено, что значительное влияние на характер распределения семян по семенному ложу оказывает угол схода а5 частиц с распределителя, определяемый величиной радиуса Rб. На основании зависимости (2.18) построен график, приведенный на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20 - Зависимость изменения а5 от радиуса Rб

Полученные аналитические зависимости (2.22.2.27) представляют собой модель, описывающую движение семян в подсошниковом пространстве при их распределении по засеваемым полосам. На основании математической модели в координатах 06Х6У6 возможно построить веера траекторий частиц высеваемого материала в зависимости от возможных углов схода а5, высоты установки М распределителя над дном борозды (рисунок 2.21).

Полученные графики (рисунок 2.21) показывают, что, варьируя параметрами (а5, возможно добиться равномерного распределения семян по засеваемым полосам шириной Ь1 (рисунок 2.6).

<

Полоса посева Ъ,

а, =25' \а;=75'

а=10<

X,

Ширина распределителя V 4 - 1 .

• а / . < X X

Л \ N N ч

0,015 0,010 0,005

Уб

—* оР

а - при М=0,025 м; б - при М=0,020 м; в - при М=0,015 м Рисунок 2.21 - Зависимость дальности полета от угла а5 и высоты установки распределителя

Проанализировав графики (рисунок 2.21), можно заключить, что, задавшись углами схода частиц посевного материала с распределителя в диапазоне а5=10...40°, возможно обеспечить достаточно широкую полосу рассева семян. Установлено, что при малых углах схода а5 имеет место наибольшая величина дальности отлета частицы от распределителя, в то же время дальность отлета уменьшается с ростом углов. Так, в зависимости от высоты установки распределителя И1 при а5=10° абсцисса, определяющая

б

в

место контакта семени с почвой, составляет .6=0,060...0,095 м, при а5=40о -.6=0,015...0,025 м. Таким образом, выполнив на боковых гранях распределителя определенное количество семянаправляющих канавок, имеющих значение углов схода а5 из указанного выше диапазона, возможно добиться равномерного распределения семян по засеваемым полосам шириной Ь1.

При обосновании параметров распределителя необходимо отметить, что количество семянаправляющих канавок, имеющих различные значения а5, должно быть таким, чтобы обеспечивалось равномерное распределение семян по ширине засеваемой полосы. На основании полученной модели, движение частиц высеваемого материала можно описать некоторыми усредненными траекториями, в связи с чем дальность отлета хг частицы от распределителя можно представить как некоторое математическое ожидание:

п

1

1=1

хо = . (2.24)

п

В действительности дальность полета частиц высеваемого материала от отдельно взятой сямянаправляющей канавки следует рассматривать как величину случайную в соответствии с общетеоретическими положениями теории вероятностей и математической статистики. Плотность ее распределения может быть описана нормальным законом:

( X - х о)

Р(X)= г \ ГТехр

ст(х. Ы 2п

(2.25)

2а ( х )

где о(хг) - стандартное математическое отклонение дальности полета частицы, м.

Минимальная и максимальная величина хг зависят от физико-механических свойств семян, скорости их движения по выделенным участкам:

Хшп = хо- гда( х); (2.26)

Хтах = Х0 + гаа(X ) , (2.27)

где 1а - отклонение от хо, выраженное в о(хг).

Учитывая, что величина xi имеет линейную зависимость от угла схода а5 (рисунок 2.22) и задав равные интервалы его изменения для отдельных семянаправляющих канавок, процесс распределения можно представить графически следующим образом (рисунок 2.23).

Следует обратить внимание на то, что для равномерного распределения семян по ширине засеваемой полосы требуется не менее трех канавок, углы схода которых изменяются на равные интервалы друг относительно друга (рисунок 2.24). При этом увеличение количества канавок положительно сказывается на равномерности распределения семян, при этом сохраняются равные интервалы углов схода и соответствующие им радиусы Rб.

Рисунок 2.22 - Зависимость дальности полета частицы уг-от угла схода а5

Рисунок 2.23 - Пределы зависимости полета частицы высеваемого материала от отдельно взятой сеяенаправляющей канавки

Рисунок 2.24 - Модель распределения семян по ширине засеваемой полосы Исходя из представленного вывода максимальное количество

семянаправляющих канавок ограничивается размерами высеваемых семян и

диаметром поперечного сечения семяпровода. При усредненном

эквивалентном диаметре семян ^э=0,005 м и диаметре семяпровода

^сем=0,02...0,025 на гранях распределителя должно быть четыре-пять семянаправляющих канавок.

2.3.2. Обоснование параметров наральника тукопровода комбинированного сошника

Наральник разработанного сошника представляет собой полую трубку треугольного сечения, развернутую под углом у (угол атаки) к направлению движения двумя плоскостями, образующими таким образом двойной трехгранный клин (рисунок 2.25). Плоскости установлены друг к другу под углом 2у, глубина хода наральника определяется параметром ан, ширина наральника в верхней части представлена размером 5.

5 - ширина наральника; 2у - угол раствора; у - угол атаки Рисунок 2.25 - Параметры наральника

Параметры наральника тукопровода определяются главным образом размерами его выходного отверстия, которое должно обеспечивать беспрепятственную подачу гранул удобрений в образуемую бороздку. Задавшись в первом приближении формой выходного отверстия наральника (равносторонний треугольник), определим его размеры исходя из максимальной высевающей способности туковысевающего аппарата. Пусть при движении посевного агрегата высевающим аппаратом обеспечивается секундная подача гранул удобрений:

0 ■ В ■ V

д

10000■С

(2.28)

Ш

где Q - норма внесения, кг/га; В - ширина захвата агрегата, м; V - скорость движения агрегата, м/с; сш - число сошников, шт.

В каждый момент времени на выходе из наральника будет находиться граммов семян:

Т • г, (2.29)

где t- время нахождения семян на выходе из наральника, с.

Время нахождения семян на выходе из наральника определим из выражения

V2 - V,.

г = _л—а., (2.30)

где у12 - начальная и конечная скорости движения гранул удобрения в наральнике.

Начальную скорость на выходе из тукопровода согласно исследованиям [104, 120] можно принять равной 1,98 м/с, конечная скорость определяется следующей зависимостью [24, 49]:

- Л

^ 2 = к

КХо-К + g

кг б

V е

1.

(2.31)

где к;с - коэффициент сопротивления воздушной среды, с-1; g - ускорение свободного падения, м/с2.

При известной величине ? количество гранул на выходе из наральника можно определить следующим образом:

, 1000•а•г

к = -¿Т-, (2.32)

где рг - вес одной гранулы, кг.

Используя представленные выражения (2.28.2.32), задавшись максимальной скоростью движения сеялки V = 3 м/с и нормой внесения удобрений £=50... 250 кг/га, рассчитаем возможное количество одновременно находящихся на выходе из наральника гранул удобрения (рисунок 2.26).

Рисунок 2.26 - Одновременно находящиеся на выходе гранулы удобрения в зависимости от нормы внесения

Рисунок 2.27 - Расположение гранул удобрения на выходе из наральника

Максимально возможная норма припосевного внесения удобрений, по техническим характеристикам стерневой сеялки, составляет (2=200 кг/га [60]; в данном случае на выходе из наральника одновременно может быть не более 15 гранул (рисунки 2.26, 2.27). При наибольших размерах гранул 0уд=0,005 м [24, 104] для обеспечения беспрепятственного их прохода площадь выходного отверстия наральника должна составлять не менее 4,16 см2, исходя из того что форма выходного отверстия - равносторонний треугольник. С учетом толщины стенок размеры сторон и ширина наральника соответственно должны составлять 5=аЬ=Ьс=са=0,035 м.

При известной ширине наральника 5 показатель Ьт можно в первом приближении оценить по эмпирической зависимости [28]:

Ьдн »£ + 2ан ■ ^

V 2 у

(2.33)

где Р - угол сдвига почвы 20.30 град. [121]

Результаты расчета по (2.33) представлены в виде графической зависимости (рисунок 2.28).

Таким образом, при известных значениях 5=0,035 м, принятых глубине хода наральника ан=0,03 м и ширине захвата сошника Ьс=0,27 м, с учетом неравенств (2.2) и (2.3) ширину полосы посева следует принять Ь1 = 0,065 м, что соответствует размерам зоны распространения минерального удобрения после 14 дней с момента внесения [31, 58, 140]. При указанной величине Ь1

вегетирующие растения смогут получить равноценный доступ к элементам

питания.

Ьд„,м

0,075

а 0,07 г

| 0,065 §" 0,06

^ 0,055 сз

I ".05

0,045 0,04

-ЛЛ!( и

Н ....... ^а,, =0,030, м

ан =0,025, м

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 М

Ширина наральника

Рисунок 2.28 - Зависимость размеров зоны поперечного сдвига от ширины наральника

Рациональная величина угла атаки у определяется исходя из возможности обеспечить агротехническую проходимость наральника без сгруживания почвы. На частицу почвы, находящуюся на ребре наральника между гранями, наклонёнными под углом у в продольно-вертикальной плоскости, действуют сила Ыт и сила трения FК (рисунок 2.29), совокупность которых представляет собой равнодействующую R, отклоненную от нормали к рабочей поверхности

п на угол трения фк.

Рисунок 2.29 - Схема сил, действующих на наральник

Во избежание сгруживания почвы необходимо соблюдение следующего условия:

N • > Ит • гдфк или ^ > фк. (2.34)

При взаимосвязи углов трения фк и атаки у вида у<п/2-ф сгруживание почвы не будет иметь место при значениях угла у=120° и более.

2.3.3. Имитационное моделирование процесса взаимодействия комбинированного сошника с почвой

В соответствии с агротехническими требованиями заделка семян сошником должна производиться на уплотненное ложе. В противном случае возможно появление неравномерных всходов. Из анализа ряда исследований [20, 27, 44, 129, 150] следует, что лаповые сошники обеспечивают при проходе формирование уплотненного семенного ложа, плотность которого может составлять рп=1Д0...1,25 г/см3. Структура семенного ложа не должна изменяться при внесении минеральных удобрений в нижний почвенный горизонт.

Предварительные исследования позволили установить, что ширина зоны поперечного сдвига почвы наральником тукопровода Ьдн=0,06 м при его ширине S = 0,035 м и высоте аН = 0,030 м. На основании этого можно предполагать, что структура семенного ложа под засеваемыми полосами будет сохраняться. Однако данные расчеты имеют предварительный характер и не учитывают такие параметры наральника, как угол раствора 2 у и угол атаки у, а также скорость перемещения v сошника в почве. В настоящее время для подробного исследования влияния данных параметров на структуру семенного ложа возможно использовать имитационное моделирование технологических процессов методами конечных элементов, в частности программный комплекс Rocky Dem, который позволяет визуализировать результаты взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин с почвой, предоставляя данные о силовых характеристиках и перемещении частиц с учетом их физико-механических свойств [16, 30]. При использовании этого метода структура почвы представляется в виде дискретных элементов, свойства которых можно изменять.

Программный комплекс позволяет реализовать численный эксперимент по определению зоны смещения почвы Ьдн в том числе с более сложной конфигурацией наральника. Задавшись постоянными значениями глубины

хода наральника ан=0,03 м, ширины 5 = 0,035 м и скорости перемещения сошника у=2 м/с, приняты значения и интервалы варьирования факторов имитационного моделирования (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Управляемые факторы и интервалы варьирования при имитационном моделировании

Фактор Единица измерения Уровень Интервал

нижний -1 основной 0 верхний +1

Угол раствора 2 у град. 50 65 80 15

Угол атаки у град. 120 140 160 20

На первоначальном этапе цифровой симуляции технологического процесса взаимодействия разработанного сошника с почвой в программе Компас 3D создается виртуальный почвенный канал, представляющий собой параллелепипед, размеры которого (Приложение 5, рисунок П5.2а) выбираются в соответствии с размерами рабочего органа, задаваемой глубиной обработки, и должны быть больше создаваемой зоны сдвига почвы. При помощи Компас 3D создается конечно-элементная модель разработанного сошника. Трехмерные модели в формате STL импортируются в программу Rocky Dem. Виртуальный почвенный канал заполняется частицами, являющимися цифровыми двойниками почвы, параметры которых приняты на основе исследований Мударисова С.Г. и Багаутдинова Р.Ю. [16] (Приложение 5, таблица П5.1).

Согласно исследованиям Мударисова С.Г. и Фархутдинова И. М. [5,56,75], при моделировании почвенной среды и исследовании дальнейшего взаимодействия с ней рабочих органов сельхозмашин необходимо воспользоваться усовершенствованной контактной моделью. Для учета сцепления между частицами (адгезии) почвы использована усовершенствованная модель Герца-Миндлина с адгезией связывающих частиц, а для учета поверхностного притяжения частиц за счет почвенной влаги (когезии) - усовершенствованная модель Герца-Миндлина JKR [16]. Для данной модели в качестве физических параметров согласно ряду исследований

[4, 6, 7, 16], приняты модуль Юнга Е, МПа, коэффициент Пуассона vl, коэффициент статического трения fst, коэффициент динамического трения fd, поверхностная энергия Gs, Дж/м2 и др. (Приложение 5, таблица П5.2).

Для полного заполнения цифрового почвенного канала модельными частицами диаметром 10 мм их потребовалось 387388 шт. (Приложение 5, рисунок П5.2б).

Моделирование в системе Rocky Dem осуществлялось по алгоритму (рисунок 2.30). При этом модели сошника и почвенного канала были совмещены, глубина хода рабочего органа была заданной (Приложение 5, рисунок П5.4).

- Ьлн > 0,06м

Рисунок 2.30 - Этапы моделирования в программе Rocky Dem

Результаты расчетов визуализируются в виде картин, характеризующих перемещение частиц при их взаимодействии с сошником. Измененный цвет имеют частицы, которые совершили перемещение при прохождении рабочего органа (рисунок 2.31).

Ъ1 - зона расположения полос с сменами; с1 - зона сдвига почвы наральником Рисунок 2.31 - Взаимодействие рабочего органа с частицами

На основе моделирования определены размер и характер распространения зоны поперечного сдвига почвы Ьдн наральником. Графически зависимость величины Ьдн от конструкционных параметров наральника представлена на рисунках 2.32.2.33.

Из полученного графика можно отметить, что зона смещения Ьдн почвы зависит от угла раствора. Так, при углах более 80о зона превышает рассчитанное ранее значение 0,06 м. В этой связи целесообразно использовать угол раствора не более 80о, при этом угол атаки у должен быть не менее 140 градусов. При указанных параметрах наральник может быть применен для рассматриваемого варианта лапового сошника с шириной захвата Ьс=0,27 м.

Рисунок 2.32 - Ширина зоны распространения сдвига почвы в зависимости от глубины хода

ЬДн,М

0,075

а 0,07

s-

2 0,065

S, 0,06

сГ

■е.

'О 0,055

1 0,05

0,045

0,04

=0,035, м =0,030, м =0,025, м

lat

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 Ширина наральника а

4 М

Ьян,м

0,075

г 0.07

2 0.065

о- 0.06

-о 0.055 с

5 0,05 m

0,045 0,04

20'

40' ЪО'

40

50

SO

21, град

60 70

Угол раствора

б

а - от ширины; б - от раствора и угла атаки Рисунок 2.33 - Ширина зоны распространения сдвига почвы от параметров наральника

Таким образом, согласно условиям (2.2) и (2.3) ширина засеваемых полос должна составлять ^=0,065 м; при этом между ними будет расположена полоса с минеральными удобрениями шириной с1=0,060 м. При характере распространения зоны действия азотных удобрений после их внесения в почву при данном расположении семян они получат равноценный доступ к питательным элементам.

Принимая во внимание компоновку рабочего органа, ширину засеваемых полос Ь1 и их расположение относительно распределителя, зону поперечного сдвига почвы Ьдн от действия наральника тукопровода (рисунок 2.34), а также результаты моделирования в п. 2.3.1, для равномерного распределения семян необходимо обеспечить дальность отлета х6=0,017...0,065 м. Этот диапазон

может быть получен при высоте установки распределителя ^ = 0,020 м и углах схода а5=10...400. При этом больший радиус семянаправляющих канавок должен составлять ^б=0,08 м, меньший - варьироваться в диапазоне Rб=0,010... 0,024 м, обеспечивая таким образом необходимые а5.

Ъ1 - полоса посева; с1 - полоса минеральных удобрений;Ь2 - стыковое междурядье;

Ьс - ширина захвата

Рисунок 2.34 - Подсошниковое пространство, образуемое в процессе работы сошника

Анализ веера траекторий частиц (рисунок 2.21), а также расположения полос Ь1 и с1, позволяет утверждать, что ширина основания распределителя семян должна быть не менее ДR=0,04 м.

2.4. Тяговое сопротивление сошника для полосового посева зерновых

культур с разноуровневым расположением семян и минеральных

удобрений

В разработанной схеме сошника его тяговое сопротивление включает в себя сопротивление стрельчатой лапы и наральника тукопровода:

Яр = Я + Ян, (2.35)

где Rс, Rн - тяговое сопротивление стрельчатой лапы и наральника соответственно, Н.

Тяговое сопротивление стрельчатых лап подробно исследовано в работах Синеокова Г.Н., Панова И.М. [121], Беляева В.И. [27,81,152] и ряда других ученых. В общем случае тяговое сопротивление лапового сошника может быть представлено как сумма следующих составляющих:

(2.36)

где RGX - сопротивление, обусловленное силой тяжести пласта, Н; RFX -сопротивление, обусловленное действием силы инерции, Н; RЗX -сопротивление почвы сжатию затылочной частью фаски лапы, Н.

Составлявшие (2.36) определяются по известными аналитическим зависимостям.

Конструкция наральника тукопровода состоит из двух симметричных частей, каждая из которых представляет собой трехгранный клин, развернутый наклонной плоскостью вниз. Рассмотрим отдельно взятую плоскость наральника, обозначив ее точками ОАВ (рисунок 2.34). Во время технологического процесса со стороны рассматриваемой плоскости на почву действуют следующие силы, составляющие слагаемую Rн (2.35): реакция Я, представляющая собой сопротивление почвы внедрению плоскости наральника; сила ^гр, возникающая в результате трения частиц почвы о плоскость наральника, сила силы ¥г>., затрачиваемая на динамический сдвиг почвы. Реакции N и FD направлены перпендикулярно плоскости наральника, сила ^р направлена вдоль направления перемещения частиц почвы по плоскости (рисунок 2.35).

Величина реакции N определяется площадью рассматриваемой плоскости наральника и физико-механическими свойствами почвы. Опираясь на исследования [68], N можно определить по:

г

Рисунок 2.35 - Силы, действующие на плоскость наральника тукопровода

при его движении в почве

в

у

N = к2, (2.37)

где 5 - площадь плоскости наральника, м2; т - твердость почвы, МПа; Ь -коэффициент пропорциональности.

Величину силы затрачиваемой на динамический сдвиг почвы

наральником, можно определить по зависимости [40]

F

Sy/srny • tg (у-^)

D

(2.38)

g

где у - угол установки плоскости наральника к направлению движения, град; Фк - угол трения, град; v - скорость агрегата, м/с; уп - объемный вес почвы, г/см3.

При известной величине реакции N сила трения Fтр определяется по зависимости вида

Ftp = , (2.39)

где фк - угол трения, град.

Опираясь на исследования академика В.В. Бледных [40], ориентацию

векторов N, Fd и Fw можно определить по осям координат системы OXYZ и

координатам точек О, А и В. Координаты указанных точек определяются конструкционными параметрами наральника тукопровода (см. рисунок 2.34).

В данном случае для плоскости наральника координаты определяются следующим образом: 0(0; 0; 0); A(xa; 0; za); В(0; yb; zb). При известных

координатах точек О, А и В координаты векторов OA и OB будут иметь

следующий вид: OA (xa; 0; za); OB (0; yb; zb). Таким образом, вектор единичной длины, поставленный нормально к плоскости наральника ОАВ, может быть определен следующим образом:

— ОА • ОВ

П =--, (2.40)

ОА • ОВ

Представим произведение векторов OA и OB , заданных в координатной форме, следующим образом: