Исследование устойчивости распределения минеральных удобрений сошниками на упругих стойках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование устойчивости распределения минеральных удобрений сошниками на упругих стойках

Н.И. Дудко, В.Р. Петровец

(Поступила в редакцию 08.11.10)

Аннотация

минеральный удобрение внутрипочвенный разбросный

В статье приведены преимущества внутрипочвенного внесения минеральных удобрений в сравнении с разбросным способом. Приведены данные об экономической эффективности внутрипочвенного внесения минеральных удобрений. Проведены теоретические исследования различных режимов работы рабочих органов на упругой S-образной стойке для внутрипочвенного внесения минеральных удобрений, обеспечивающих минимальное отклонение концентрации удобрений от заданной. Предлагается установить сошники на S-образной упругой стойке на комбинированную машину для совмещения предпосевной обработкой почвы с внутрипочвенным внесением минеральных удобрений.

Annotation

The article presents advantages of intra-soil application of mineral fertilizers in comparison with broadcasting method. We have presented data about economic efficiency of intra-soil application of mineral fertilizers. We have conducted theoretical research into different modes of operation of working organs on elastic S-shaped bar for intra-soil application of mineral fertilizers, which ensures minimal aberration of fertilizer concentration from the set one. We have suggested placing ploughshares on S-shaped elastic bar on combined machine for both pre-sowing cultivation of soil and intra-soil application of mineral fertilizers.

Введение

Одним из факторов, ограничивающих эффективность удобрений, является несовершенство способов и технологий их внесения. Центробежные разбрасыватели и авиационные средства распределяют удобрения по площади поля с неравномерностью, превышающей допустимую в 2-3 раза. Тукосмеси из частиц с различными физико-механическими характеристиками при внесении этими машинами расслаиваются, что нарушает стабилизированность питательных элементов в почве под растениями. В результате получают урожайность сельскохозяйственных культур значительно ниже того уровня, который могло бы обеспечить внесение удобрений с минимальной неравномерностью. Неудовлетворительно проводится и последующая заделка удобрений в почву. Удобрения, внесенные под зяблевую вспашку, длительно взаимодействуют с большим количеством почвы, что увеличивает потери азота, усиливает переход фосфора и калия в менее доступное для растений состояние. Кроме того, при вспашке удобрения размещаются в почве слишком глубоко и слабо доступны корням растений в начале вегетации. Культиваторы и дисковые бороны заделывают большую часть удобрений в верхний трехсантиметровый слой почвы, который сильно высыхает.

Практика, результаты многолетних исследований и производственный опыт многих хозяйств свидетельствуют о целесообразности перехода к более совершенной технологии - внутрипочвенному внесению удобрений без предварительного разбрасывания их по поверхности почвы. Новая технология базируется на использовании машин, оборудованных на S-образных стойках сошниками для внесения удобрений непосредственно в почву, с концентрированным размещением их на заданной глубине. Это обеспечивается механическими, пневматическими или пневмомеханическими туковыми аппаратами, которые осуществляют равномерное распределение удобрений между отдельными сошниками [1].

По опытным данным, замена разбросного внесения удобрений внутрипочвенным повышает урожайность зерновых культур на 2-5 ц/га, зерна кукурузы - на 5-8 ц/га, картофеля, овощных и силосных культур - на 20-40 ц/га и более. Стоимость прибавочной продукции многократно окупает дополнительные затраты на изготовление и эксплуатацию машин [2].

Внутрипочвенное внесение минеральных удобрений позволяет создать благоприятные условия минерального питания растений, так как к минимуму сводится контакт удобрений с почвой, что способствует более длительному сохранению элементов питания в доступной для растений форме; полнее использовать питательные вещества, так как на 20-40% повышается коэффициент использования элементов питания из удобрений, что позволяет снизить рекомендуемые дозы удобрений на 25-30%, уменьшить загрязнение окружающей среды; повысить урожайность и качество сельскохозяйственных культур. Прибавка урожайности зерновых составляет 3-7 ц/га, зерно-бобовых - 2-4 ц/га, картофеля - 25-35 ц/га, зеленой массы кукурузы - 40-50 ц/га, семян клевера - 0,9 ц/га. Содержание белка в зерне пшеницы повышается на 1,3%, крахмала в клубнях картофеля - на 1,4%, улучшаются посевные качества семян. Кроме того, имеется реальная возможность для маневрирования применения удобрений по времени. Также имеется возможность совмещения операций внутрипочвенного внесения удобрений с основной, предпосевной и междурядной обработками почвы с посевом и посадкой, что является не только важным резервом экономии ресурсов, но и средством избежания избыточного уплотнения почвы [3, 4, 5].

Основная часть

В последнее время все более широко находят применение сошники (разработанные нами) на упругих S-образных стойках со сменными наральниками [6]. Они используются для высева материалов различных видов узкими и широкими лентами. Такие сошники используются для подпочвенного внесения минеральных удобрений (рис. 1). Ширина этих наральников составляет соответственно 35, 70, 105 мм. Воронка прикреплена к стойке соединительными звеньями. В нижней части воронки имеются открылки, которые могут быть разведены на ширину захвата установленного наральника. Наличие открылков и сменных наральников позволяет изменять ширину лент удобрений от 30 до 90 мм. Максимальная глубина заделки удобрений составляет 14 см.

Рис. 1. Сошники на S-образной упругой стойке: 1 - наральник; 2 - туконаправитель; 3 - S-образная упругая стойка: а - копьевидный наральник, б - датская лапка, в - стрельчатая лапка: I, II - положения наральника сошника на упругой стойке.

Рассмотрим рабочий процесс внесения удобрений с помощью сошника на S-образной упругой стойке. Так как сошник испытывает случайные воздействия со стороны почвы, то наральник сошника будет совершать случайные колебания относительно корпуса машины. Это приводит к неравномерному рассеву удобрений по ходу движения агрегата. Целью данной работы является исследование режимов работы сошников, обеспечивающих минимальное отклонение концентрации удобрений от заданной.

Введем следующие обозначения: V - скорость движения машины, м/c; V_н - скорость движения наральника сошника на упругой стойке, м/с; - разность скоростей машины и наральника сошника, которая характеризует движение наральника относительно машины, м/с; Q(t) - масса удобрений, внесенных за время от t=0 до t; X_А - абсцисса агрегата; X_н - абсцисса наральника; P_о - заданная концентрация удобрений в ленте, кг/м; Р - фактическая концентрация удобрений в ленте, кг/м; q - концентрация удобрений, вносимых на единицу площади по центру наральника сошника, кг/м²; с - плотность почвы, т/м³. Проведенные нами опыты показали, что величины q и Р связаны между собой, а концентрация удобрений по ширине захвата наральника распределяется по параболическому закону. График распределения туков показан на рис. 2, где 2а - ширина ленты туков.

Рис. 2. График распределения туков по ширине рассеваемой ленты в подсошниковой полости наральника сошника на S-образной упругой стойке.

Тогда величина Р будет численно равна площади заштрихованной фигуры. Найдем уравнение параболы. Так как ее ветви направлены вниз и парабола симметрична относительно оси ОУ, то:

у=а₀-а₁z².

Так как при z=0 y=q, а при z=a y=0, то а₀=q, а₀-а₁•а²=0 отсюда .

Тогда площадь

; .

Поэтому

. (1)

При равномерном распределении туков по ширине ленты

Р=aq. (2)

Рассмотрим процесс распределения туков вдоль ленты. За единицу времени агрегат рассевает количество туков .

Производную можно записать двумя способами:

,

, (3)

где X_а(t) - закон движение машины; X_н(t) - закон движения наральника сошника на упругой стойке.

Известно, что

.

Производныедают расход удобрений на единицу длины перемещения установки и сошника на S-образной стойке. Поэтому они равны концентрациям распределения туков вдоль ленты Р₀ и Р. Так как левые части равны в выражении (3), то равны и правые. Следовательно: Р₀V=Р•V_н.

Так как , то:

. (4)

Если (cошник имеет жесткую стойку), то Р=Р₀.

Если (наральник и тукопровод сошника на упругой стойке движутся медленнее агрегата), то: и Р>Р₀.

В такой момент работы сошника на единицу длины попадет большее количество удобрений (при ). Если , то соответственно и Р<Р₀.

Выражение (4) можно записать в форме:

(5)

или .

Отсюда ясно, что отклонение фактической концентрации удобрений Р от заданной Р₀ зависит только от отношения относительных скоростей движения наральника с тукопроводом сошника на упругой стойке и движения агрегата. Учитывая зависимость между Р и q по (1) или (2), приходим к выводу, что между q и q₀ имеет место также зависимость, что и для Р, тогда:

(6)

Если сошник имеет упругую стойку, то под воздействием случайных импульсов со стороны почвы он будет совершать случайные колебания около положения X_А=Vt, т.е. величина будет случайной функцией времени.

Покажем, что среднее значение за достаточно большой промежуток времени равно нулю. Действительно, за время Т наральник с туконаправителем и агрегат пройдут (с точностью до малых величин) одинаковый путь.

Тогда можно записать: , откуда

.

Из этого соотношения следует, что среднее значение концентрации туков вдоль ленты, вычисленное на достаточно длинном пути L, будет равно q₀. Действительно, среднее значение плотности

,

так как dx=V_н ?dt и L=V?T.

Будем считать, что характеристики почвы (плотность, влажность) по длине гона остаются постоянными, т.е. характер случайных воздействий не зависит от x.

Из этого предположения следует, что случайные процессы и q(t) можно считать стационарными. Это означает, что их числовые характеристики случайных процессов, средние значения и средние квадратические отклонения являются постоянными величинами, а корреляционная функция k(t, t^/) зависит только от разности аргументов.

k(t,t^/) = k(t-t^/)=k(ф).

Сельскохозяйственная практика не ставит жестко условия строгого постоянства концентрации удобрении вдоль длины гона. Достаточно, чтобы фактическая концентрация q находилась в заданных приделах: q_н<q<q_в. Так как q - случайный процесс, то можно говорить не о выполнении неравенства q_н<q<q_в, а лишь о вероятности его выполнения Р(q_н<q<q_в). С таких позиций поставленная в начале задача формируется следующим образом: найти режимы работы, для которых вероятность Р(q_н<q<q_в) будет максимальной. Такая задача относится к теории выбросов случайных процессов [7, 8, 9]. По этой теории можно определить следующие величины:

1. L(q_в) или L(q_н) - среднюю длину выброса за уровень q_в или q_н

2. n(q_в) или n(q_н) - cреднее число выбросов за уровень q_в или q_н на участке длинной L за время (0,Т).

3. Среднюю длину одного выброса или за уровень q_в или q_н.

Рис. 3. График распределения концентрации туков по ходу движения сошника.

На рис. 3 изображен некоторый случайный процесс q(t) и уровень q_в. Жирной линией по оси t отмечена длина выброса L(q_в) туков повышенной концентрацией. Для случайного процесса, представленного на рис. 3, число n(q_в) равно 3.

Задача о выбросах решается эффективно, если случайный процесс является нормальным, если для любого t распределение q(t) будет нормальным, т.е. распределение вероятностей q(t) равно:

. (7)

Для нормального стационарного случайного процесса решение задачи о выбросах определяется формулами:

, (8)

, (9)

, (10)

где Ф(х) - функция Лапласа:

у_q' - cреднее квадрaтическое отклонение для производной случайного процесса q^/(t); у_q - среднее квадратическое отклонение процесса q(t).

Из соотношений (4) или (6) следует, что случайный характер распределения концентрации туков вдоль ленты вызывается случайным движением сошника на упругой стойке в почве. Поэтому для решения задачи о выбросах необходимо искать характеристики случайного процесса разности скоростей или концентрации туков q, высеваемых сошником на упругой стойке. В эксперименте измерялось q, поэтому далее используется второй путь.

Экспериментальные данные значений концентраций q туков представляют 200 последовательных наблюдений. При этом наблюдения проводились при трех различных значениях скорости движения агрегата V, ширины наральника b и плотности почвы с. На основе данных наблюдений были рассчитаны числовые характеристики распределения концентрации туков вдоль ленты q и среднее квадратическое отклонение у_q. Очевидно, что туки будут внесены сошником тем более равномерно, чем меньше средняя длина выброса за данный уровень q_в. Таким образом, режим распределения удобрений будет оптимальным, когда L достигает минимума. Запишем формулу для средней длины выброса величины P-концентрации распределения удобрений на единицу длины. С этой целью умножим q, а следовательно и у_q на b. Тогда:

По конструктивным особенностям подсошниковой полости сошника величина bq₀ постоянна. Тогда аргумент функции Ф будет тем больше, чем меньше знаменатель. Так как функция Ф является монотонно возрастающей, то с увеличением ее аргумента средняя длина L выброса туков будет убывать. Отсюда следует, что для постоянного значения P-bq₀ и заданного значения b минимум L достигается там, где величина максимальна.

Анализ зависимости величины от скорости движения, плотности почвы и ширины наральника b проводился методом построения эмпирической формулы. Графический анализ данных опыта позволил сделать вывод о достаточной пригодности квадратической функции. На рис. 4 приведены графики зависимостей от v при различных значениях плотности почвы p и ширины наральника b.

Рис. 4. График зависимостей от скорости движения V сошника на S-образной упругой стойке при различных значениях плотности почвы с и ширины наральника b.

----------- с=1,1 т/м³

-- - - - - - с=0,91 т/м³

Анализ графиков, представленных на рис. 4, показывает, что наибольшая вероятность минимальной концентрации туков в центре ленты наблюдается у сошника со стрельчатым наральником шириной в=0,105 м. Наименьшая вероятность соответственно у сошника с копьевидным наральником шириной в=0,035 м.

Для внутрипочвенного внесения твердых минеральных удобрений в РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства» разработана машина МВВ-3,6, которая позволяет вносить основную дозу гранулированных минеральных удобрений (200-1000 кг/га) одновременно с безотвальным рыхлением почвы на глубину от 8 до 20 см [2].

Она применяется на всех видах минеральных почв, в том числе засоренных камнями, при влажности до 25% и с уклоном поверхности поля до 8⁰.

Машина работает на почвах, содержащих отдельные камни различных форм и размером до 20 см, скрытые в толще обрабатываемого слоя или частично выступающие над поверхностью поля не более чем на 5 см. Машина МВВ-3,6 (рис. 5) полуприцепная, агрегатируется с трактором класса 3.

Рис. 5. Схема машины МВВ-3,6: 1 - рамка культиватора КЧН-5,4; 2 - рама накладная; 3 - бункер; 4 - дозатор многопоточный; 5 - тукопровод; 6 - почвообрабатывающий рабочий орган (чизельная стойка); 7 - механизм привода; 8 - колесный ход; 9 - колеса опорные; 10 - гидросистема; 11 - прицепное устройство; 12 - приемная воронка; 13 - тукоприемник.

Почвообрабатывающий орган состоит из стойки и прикрепленной к ней сменной лапы. Расстановка рабочих органов на раме трехрядная.

На основании проведенных исследований следует отметить, что для улучшения рабочего процесса машины МВВ-3,6 нами предлагается заменить чизельные рабочие органы на S-образные упругие стойки с копьевидными датскими или стрельчатыми наральниками с целью внутрипочвенного внесения минеральных удобрений узкими или широкими лентами.

Заключение

1. При небольших значениях скоростей сошников на S-образных упругих стойках величина ведет себя неустойчиво. При скоростях 2м/с<v<4м/с эта величина устойчиво возрастает с ростом скорости v. Отсюда следует, что вероятность (Р(q_н<q<q₀) будет максимальной при максимальной (в пределах, для которых проводили эксперимент) скорости движения.

2. Наибольшая вероятность минимальной концентрации минеральных удобрений в центре ленты наблюдается у сошников на S-образной упругой стойке с датскими и стрельчатыми наральниками.

3. Рекомендуется установить сошники на S-образной упругой стойке с вышеуказанными наральниками на машину МВВ-3,6 для внутрипочвенного внесения твердых минеральных удобрений.

Литература

1. Петровец, В.Р. Обоснование перспективной технологии внесения основной дозы минеральных удобрений при возделывании зерновых / В.Р. Петровец, Н.И. Дудко, О.П. Лабурдов // Актуальные проблемы механизации производства: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 160-летию БГСХА и памяти академика С.И. Назарова. Горки, 2001. С. 114-117.

2. Степук, Л.Я.Технологии и машины для внесения минеральных удобрений: монография / Л.Я. Степук, Н.И. Дудко, В.Р. Петровец. Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2010. 260 с.

3. Булаев, В.Е. Локальное внесение удобрений / В.Е. Булаев // Земледелие. 1973. №11.

4. Авдонин, Н.К. Локальное внесение удобрений / Н.К. Авдонин, С.А. Хак // Агрохимия. 1973. №11.

5. Рекомендации по локальному внесению минеральных удобрений под основные сельскохозяйственные культуры / Министерство сельского хозяйства СССР. М.: Колос, 1979. 43 с.

6. Петровец, В.Р. К выбору сошника для локального внесения минеральных удобрений / В.Р. Петровец // Повышение эффективности использования техники в сельском хозяйстве: сб. науч. тр., Вып. 53. Горки, 1979. С. 26-29.

7. Свешников, Л.Л. Прикладные методы теории случайных функций / Л.Л. Свешников. М.: Наука, 1968. С. 65-81.

8. Гурман, В.Е. Теория вероятности и математическая статистика: учеб. пособие для вузов / В.Е. Гурман. Изд. 4-е, доп. М.: Высшая школа, 1972. 368 с.

9. Корн, Г. Справочник по математике / Г. Корн. М., 1974. 832 с.

Размещено на Allbest.ru