Повышение равномерности внесения минеральных и известковых удобрений

Полный текст

Введение

Обеспечение населения продуктами питания во многом зависит от производства зерна, гарантирующего продовольственную безопасность страны¹. Качество и объемы зерна, в свою очередь, зависят от большого количества технологических операций, производимых на всех стадиях его производства².

На сегодняшний день внесение удобрений – одна из важнейших операций в передовых технологиях производства сельскохозяйственных культур, оказывающая влияние на качественные критерии получаемого урожая [1‒3]. Необходимо также помнить, что внесение удобрений приводит к восстановлению плодородия почвы³ [4‒6]. Данный эффект весьма важен в вопросе сохранения и воспроизводства плодородия почв ввиду их деградации во многих регионах России⁴ [7; 8].

Процесс внесения удобрений, как и иные операции, необходимо проводить в сжатые сроки, строго соблюдая агротехнические требования⁵.

В настоящее время по причине своей эффективности, удобства внесения и хранения наибольшее распространение получили минеральные удобрения⁶. К основным требованиям, предъявляемым к такого рода удобрениям, относятся их рассыпчатость, стойкость к слеживанию и гранулометрический состав [9].

По результатам исследований установлено [10‒12], что в процессе внесения минеральных удобрений с разным гранулометрическим составом возрастает неравномерность их распределения по поверхности поля (рис. 1), что негативно сказывается на эффективности их применения.

Поэтому исследования, посвященные повышению равномерности внесения минеральных и известковых удобрений, являются актуальными и имеют важное научно-техническое и хозяйственное значение для агропромышленного комплекса страны.

Обзор литературы

Для внесения минеральных удобрений применяют всевозможные разбрасыватели различной компоновки и оснащения. Объединяющим их элементом, как правило, является центробежный рабочий орган, совершенствованию конструктивно-технологических параметров которого уделяется особое внимание [13‒19].

Как отмечают многие исследователи, рабочая ширина внесения и качество распределения удобрений зависят от высоты установки рабочего органа, его угловой скорости, углов размещения лопаток и их наклона относительно горизонта [18; 20]. Наиболее простым в реализации способом является изменение угловой скорости, однако доказано, что на высоких оборотах рабочего органа происходит повреждение частиц удобрений [15; 21].

 

Рис. 1. Суммарные издержки от неравномерного внесения минеральных удобрений

Fig.1. Total costs from non-uniform application of mineral fertilizers

 

Ряд других ученых, утверждая о невозможности предсказать траекторию движения частиц из-за их неправильной формы, исследовали место подачи удобрений на рабочий орган как основной фактор, оказывающий влияние на их распределение по поверхности поля [17].

Согласно мнению Кулешова В. М., для повышения качества внесения минеральных удобрений достаточно использовать концентрированные туки, обладающие высокими физико-механическими свойствами, с однородными по размеру частицами⁷.

Однако, по статистике, большая часть используемых в сельскохозяйственном производстве удобрений вследствие разных причин не соответствует вышеуказанным требованиям. Поэтому, по мнению ряда ученых, такие составы лучше вносить устройствами, оказывающими пневмомеханическое воздействие на частицы вносимого материала [10; 22].

Материалы и методы

Из анализа литературных источников следует, что основными факторами, влияющими на процесс внесения минеральных удобрений, являются аэродинамические свойства гранул⁸ и их масса. Так, при равных условиях более крупные частицы, сойдя с рабочего органа, совершают свободный полет в воздушной среде и летят дальше, чем мелкие (пылевидные), распределение которых происходит в непосредственной близости от исполнительного элемента (рабочего органа). Все это приводит не только к увеличению неравномерности внесения удобрений, но и к снижению производительности машин в связи с уменьшением рабочей ширины захвата агрегата⁹.

Если вносить удобрения, неоднородные по своей структуре, с использованием энергии воздушного потока, то дальность полета мелких частиц, по сравнению с крупными, обладающими большей массой, наоборот, увеличится.

Следовательно, для увеличения качества внесения минеральных удобрений с разным гранулометрическим составом необходима комбинация механического и пневматического воздействия на частицы вносимого материала [23].

На основании вышеизложенного нами разработана экспериментальная лабораторно-полевая установка (рис. 2), состоящая из бункера для минеральных и известковых удобрений 1, приводных элементов 2 и рабочего модуля, основными органами которого являются центробежный диск 3 и лопастной вентилятор 4, закрытый кожухом. Привод диска и лопастного вентилятора осуществляется от вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Отличительной особенностью привода является то, что частота вращения диска и вентилятора различны благодаря наличию дополнительного редуктора.

Конструктивное решение исполнительного элемента, используемого в данной установке, подтверждено патентом РФ на полезную модель [24; 25].

 

Рис. 2. Экспериментальная лабораторно-полевая установка: 1 – бункер; 2 – элементы привода; 3 – центробежный диск; 4 – лопастной вентилятор

Fig.2. Experimental laboratory-field installation: 1 – bunker; 2 – drive elements; 3 – centrifugal disk; 4 – blade fan

 

Процесс работы экспериментальной установки протекает следующим образом. На первом этапе удобрения из бункера самотеком подаются на вершину конуса центробежного рабочего органа и вдоль неё направляются к лопастям диска. На втором этапе в точке схода с диска частицы удобрений, получив некое ускорение, дополнительно подхватываются воздушным потоком, создаваемым лопастным вентилятором, и распределяются по поверхности поля. Скорость воздушного потока регулируется в зависимости от гранулометрического состава вносимого материала, но не ниже скорости схода частиц с плоского диска.

Результаты исследования

Общая кинетическая энергия, сообщаемая частице в момент схода с центробежного рабочего органа, составит:

E_общ = E_ц.д. + E_в.п.,                                                                           (1)

где E_ц.д. – кинетическая энергия центробежного диска, Дж; E_в.п. – кинетическая энергия воздушного потока, Дж.

На первом этапе перемещение частиц минеральных удобрений по рабочему органу происходит за счет кинетической энергии центробежного диска, которую можно представить в виде суммы двух движений: поступательного – со скоростью υ_n, равной скорости центра инерции; и вращательного – с угловой скоростью ω вокруг мгновенной оси, проходящей через центр инерции¹⁰:

$E_{\mathrm{ц}.\mathrm{д}.}= \frac{m{\upsilon }_n^2}{2} + \frac{J{\mathrm{\omega }}^2}{2}$,                                                                           (2)

где J – момент инерции частицы относительно оси вращения, проходящей через его центр масс, кг/м².

Учитывая, что

$\mathrm{\omega } = \frac{{\upsilon }_{\mathrm{окр}.}}{R}$,                                                                                           (3)

где υ_окр. – окружная скорость центробежного диска, м/с; R – радиус центробежного диска, м; выражение (2) примет вид:

$E_{\mathrm{ц}.\mathrm{д}.}=\frac{m{v}_n^2}{2} + \frac{J{\upsilon }_{\mathrm{окр}.}^2}{2R^2}$.                                                                          (4)

На втором этапе на частицы удобрений воздействует воздушный поток, который, как и любое движущееся тело, обладает кинетической энергией, равной

$E_{\mathrm{в}.\mathrm{п}.}=\frac{\rho V{\upsilon }_{\mathrm{в}.\mathrm{п}.}^2\kappa }{2}$,                                                                                  (5)

где ρ – плотность воздуха, кг/м³; V – объем воздушного потока, м³; υ_в.п. – скорость воздушного потока, м/с; κ – поправочный коэффициент.

Значение поправочного коэффициента учета колебаний скорости воздушного потока κ определяют либо экспериментально, либо с помощью специальных ресурсов.

В итоге общая кинетическая энергия, сообщаемая частице при сходе с рабочего органа, будет равна

$E_{\mathrm{общ}.}=\frac{m{\upsilon }_n^2}{2}+\frac{J{\upsilon }_{\mathrm{окр}.}^2}{2R^2}+\frac{\rho V{\upsilon }_{\mathrm{в}.\mathrm{п}.}\kappa }{2}$.                                                             (6)

Из выражения (4) следует, что кинетическая энергия и, как следствие, дальность полета частиц минеральных удобрений зависят от абсолютной скорости .

Предварительные испытания агрегата, оснащенного экспериментальным рабочим органом, проводили при симметричной схеме внесения удобрений согласно действующему ГОСТ 28714-2007¹¹.

За неравномерность распределения удобрений на общей и рабочей ширине внесения принимали коэффициент вариации массы удобрений, попавшей в отдельные контейнеры размером 1,00×0,25×0,15 м, установленные на общую ширину в сплошной ряд перпендикулярно к направлению движения машинно-тракторного агрегата (рис. 3).

 

Рис. 3. Фрагмент экспериментальных исследований

Fig.3. Fragment of experimental studies

 

Результаты исследований (на примере внесения нитрофоски) представлены на рисунке 4.

 

Рис. 4. Характер распределения нитрофоски: 1 – серийный агрегат; 2 – экспериментальный агрегат

Fig.4. The nature of the distribution of nitrophoska: 1 – serial unit; 2 – experimental unit

 

Исходя из результатов (рис. 4) предварительных исследований характера распределения нитрофоски экспериментальным агрегатом, делаем вывод: благодаря наличию воздушного потока произошло перераспределение части пылевидных частиц с центральной зоны к периферии.

Обсуждение и заключение

В результате проведенных исследований обоснована конструкция пневмоцентробежного рабочего органа.

Использование разработанных пневмоцентробежных рабочих органов позволяет увеличить равномерность распределения минеральных и известковых удобрений за счет перераспределения части мелких частиц от центральной зоны к периферии. Благодаря данному факту, равномерность распределения повышается на 17,6 %. Рабочая ширина внесения при этом практически не меняется, так как по краям сектора рассева располагаются более крупные частицы, дальность полета которых зависит в основном от энергии, сообщаемой центробежным диском.

В зависимости от характеристик вносимого материала для достижения необходимого разгона частиц могут быть использованы различные комбинации конструктивно-технологических параметров как центробежного рабочего органа, так и лопастного вентилятора.

Таким образом, оснащение серийных машин для внесения минеральных удобрений разработанными пневмоцентробежными рабочими органами позволит расширить спектр их применения.

 

¹ Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации [Электронный ресурс]: Указ Президента РФ от 21 янв. 2020 г. № 20. URL: http://kremlin.ru/acts/bank/45106 (дата обращения: 06.10.23).

² Полянская Н. А. Повышение экономической эффективности производства зерна на основе оптимизации использования ресурсов: дис. … канд. экон. наук. Княгинино, 2012. 153 с.

³ Токарев И. В. Анализ технических средств для внутрипочвенного внесения гранулированных минеральных удобрений // Молодой ученый. 2019. № 48 (286). С. 89–91. URL: https://moluch.ru/archive/286/64412/ (дата обращения: 06.10.2023).

⁴ Сычев В. Г. Динамика изменения, пути воспроизводства и совершенствование методов оценки плодородия почв Европейской части России: дис. … д-ра сельхоз. наук. М., 2000. 328 с.

⁵  Кленин Н. И. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М.: Колос, 2003. 464 с.

⁶ Белинский А. В. Разработка теории и технических средств для поверхностного внесения минеральных удобрений и мелиорантов: дис. … д-ра техн. наук. Казань, 2005. 398 с.

⁷ Кулешов М. С. Технология и штанговая машина для внесения твердых минеральных удобрений: дис. … канд. техн. наук. Рязань, 2016. 166 с.

⁸ Анализ аэродинамических свойств минеральных удобрений / Ю. Н. Рогальская [и др.] // Техническое и кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. в 2 ч. Ч. 2. (24‒25 октября 2019 г., г. Минск). Минск: БГАТУ, 2019. С. 84‒85. URL: https://rep.bsatu.by/handle/doc/9564 (дата обращения: 06.10.2023).

⁹ Седашкин А. Н., Костригин А. А., Милюшина Е. А. Пневмоцентробежный аппарат для внесения известковых удобрений // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. (22 ноября 2019 г., г. Саранск). Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2018. С. 42‒46. EDN: YUGDRR

¹⁰ Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. 4-е изд., испр. М.: Высшая школа, 2002. 718 с.

¹¹ ГОСТ 28714-2007. Машины для внесения твердых минеральных удобрений. Методы испытаний: дата введения 2009-01-01. М.: Стандартинформ, 2008. 39 с.

Об авторах

Владимир Анатольевич Овчинников

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ovchinnikovv81@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0350-8478
ResearcherId: O-6834-2018

кандидат технических наук, доцент кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина

 

Россия, 430005 г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68

Николай Александрович Жалнин

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

Email: nik.zhalnin2015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4307-4619
ResearcherId: AGD-2904-2022

преподаватель кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина

Россия, 430005 г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68

Артем Денисович Комолов

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

Email: komoartyom@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-0290-1553
ResearcherId: IAQ-9674-2023

аспирант кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина

Россия, 430005 г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68

Евгений Сергеевич Зыкин

Ульяновский ГАУ; Технологический институт-филиал Ульяновского ГАУ

Email: evg-zykin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4795-6865
ResearcherId: AAМ-5482-2021

директор института-филиала, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры агротехнологий, машин и безопасности жизнедеятельности

Россия, 432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, д. 1; 433511 г. Димитровград, ул. Куйбышева, д. 310

Игорь Юрьевич Тюрин

Вавиловский университет

Email: ig.tyurin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8587-4422
ResearcherId: HIR-1337-2022

кандидат технических наук, доцент кафедры технологий продуктов питания Вавиловского университета

Россия, 410012, г. Саратов, пр-т им. Петра Столыпина, зд. 4, стр. 3

Список литературы

Дополнительные файлы