Increasing the Uniformity of Application of Mineral and Lime Fertilizers

全文:

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.

作者简介

Vladimir Ovchinnikov

National Research Mordovia State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: ovchinnikovv81@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0350-8478
Researcher ID: O-6834-2018

Cand.Sci. (Engr.), Associate Professor of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery

 

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Nikolay Zhalnin

National Research Mordovia State University

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

Lecturer of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Artem Komolov

National Research Mordovia State University

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

Postgraduate Student of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Evgeny Zykin

Ulyanovsk State Agrarian University; Technological Institute-branch Ulyanovsk State Agrarian University

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

Dr.Sci. (Engr.), Associate Professor, Director of the Technological Institute-Branch, Professor of the Chair of Agrotechnologies, Machines and Life Safety

俄罗斯联邦, 1, Novy Venets Boulevard, Ulyanovsk 1432017; 310 Kuibyshev St., Dimitrovgrad 433511

Igor Tyurin

Saratov State Vavilov Agrarian University

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

Cand.Sci. (Engr.), Associate Professor of the Chair of Food Technologies

俄罗斯联邦, 4, Structure 3 Prospekt im. Peter Stolypin, Saratov 410012

参考

补充文件