The development of fertilizer application technology and the structure of the fleet

Full Text

Введение Методика оценки хозяйственной эффективности применения минеральных удобрений с учетом недобора урожая и эксплуатационных издержек широко известна. Однако по этой методике сложно определить потери урожая из-за неравномерного распределения удобрений, так как не учитывается зона питания растения. Обьектом исследования являются механико-технологические аспекты внутрипочвенного внесения минеральных удобрений, основные и вспомогательнве операции машинной технологии локального внесения удобрений, комплекс технических средств для их осуществления, физико-химические свойства удобрений. При разработке системы необходимо знать оптимальные показатели качества технологического процесса и допуски на них. Эти показатели назначают исходя из типовых технологических процессов применения соответствующих средств химизации. Число показателей качества зависит от технологии применения и технических средств, используемых для приготовления и внесения удобрений. Цель исследований Разработать и внедрить экологически безопасные и ресурсосберегающие технологии внутрипочвенного допосевного и припосевного внесения основной дозы минеральных удобрении и комплекс машин нового поколения для их выполнения в условиях интенсивного земледелия. Материалы и методы В перспективе показатели качества, такие как неравномерность распределения питательных веществ QНП, доза Д и допуски на них, в каждом конкретном случае должны определяться в результате максимизации чистого дохода от внесения удобрений: (1) где М - цена единицы продукции; У(Д, Qнп) - урожайность сельскохозяйственной культуры; Пуд(Д, Qнп) - удельные приведенные затраты на приготовление и внесение удобрений с дозой Д и качеством распределения Qнп; а - затраты на применение удобрений, не зависящие от качества и способа их внесения; З - расходы, не зависящие от показателей Д и Qнп; F(Д, Qнп) - издержки низкого качества внесения удобрений с дозой Д и неравномерностью Qнп. Оптимизировать весь технологический процесс можно лишь после установления всей номенклатуры показателей качества, влияющих на формирование показателей Qнп и Д. Определить показатели, влияющие на их значения, можно только после составления технологической карты процесса, детально, поэтапно описывающей его протекание [1-5]. В результате анализа технологических карт, разработанных применительно к конкретным условиям, устанавливают номенклатуру показателей качества выполнения отдельных операций и всего технологического процесса. Число показателей качества зависит от технологии применения и технических средств, используемых для приготовления и внесения удобрений. Для анализа технологического процесса и установления функциональных зависимостей между показателями качества, параметрами технологического процесса целесообразно представить их в виде иерархической пятиуровневой структуры (рис.). На первом уровне находятся показатели, характеризующие качество распределения питательных элементов в почве после заделки удобрений, на втором (при поверхностном их внесении) - показатели качества распределения питательных элементов по полю, на третьем - показатели качества распределения их в массе удобрений и физической массы удобрений по полю, на четвертом - группа показателей, характеризующих качество приготовления твердых минеральных удобрений, компостов, суспензий, рабочих растворов, а также показатели качества стыковки смежных и продольных проходов агрегата, на пятом - показатели агрохимических и физико-механических свойств удобрений или исходных компонентов (из которых приготовляются, например, компосты или тукосмеси), конструктивные и технологические параметры машин для приготовления и внесения удобрений [6, 8]. Рассмотрим на примере приготовления и внесения твердых органических удобрений основные принципы построения системы управления качеством выполнения технологического процесса. Значения Qнп и Д предопределяются для рассматриваемых технологических процессов в первую очередь качеством подготовки удобрений, точностью регулировки и настройки технических средств, выбором схемы и режимов работы агрегата. Эти показатели могут быть оценены количественно или качественно и поддаются управлению. Математическое описание, идентификация технологического процесса - важнейший этап разработки системы управления качеством. Обозначим комплексный показатель качества распределения питательных элементов по полю как QнNPK, физической массы - QнM и питательных элементов в массе удобрений - QNPK. В соответствии со структурой показателей качества, изображенной на рисунке, показатель QнNPK зависит от значений QнМ и QNPK, а те, в свою очередь, - от параметров и показателей, находящихся на четвертом и пятом уровнях. Необходимость установления такой связи продиктована еще и тем, что в настоящее время, как правило, коэффициент вариации распределения питательных элементов по полю принимается тождественным коэффициенту вариации, характеризующему распределение физической массы удобрений, т.е. QнМ = QнNPK. Такое допущение справедливо, например, для одинарных минеральных удобрений, однако при использовании тукосмесей, компостов, рабочих растворов, суспензий оно неправомерно. Так, при внесении компостов, особенно органо-минеральных, в которых имеется определенная неравномерность питательных элементов, качество распределения последних по поверхности поля зависит от распределения их в самих удобрениях, а также от равномерности разбрасывания по полю. В качестве примера рассмотрим технологический процесс применения торфо-минеральных удобрений. Пусть после смешивания компонентов в единице массы удобрений содержится N питательных элементов (азота). Из-за низкого качества смешивания величина N будет неодинаковой в разных пробах, т.е. представляет собой случайную величину. Если предположить, что при внесении удобрений на площадку (противень) попадает масса mij, то количество питательных элементов в ней мы можем определить по следующей формуле: Nij = Nmij. (2) Навеска mij также изменяется по площадкам и представляет собой случайную величину. Следовательно, количество Nij - количество случайных величин. Очевидно, что характер распределения массы удобрений по полю не зависит от качества распределения питательных элементов в этой массе, т.е. случайные величины N и mij будут независимыми. Приняв во внимание формулу (1), показатель качества распределения питательных веществ по всему обрабатываемому полю можно найти по следующей формуле: (3) Для успешного управления технологическим процессом необходимо знать зависимость качества распределения питательных элементов по всей обрабатываемой площади от перечисленных показателей. Качество распределения удобрении QнN находим по формуле: (4) где QN, Qнм - коэффициенты вариация питательных элементов в массе удобрений и массы самих удобрений по полю. Задавая ограничения на QнN, можно установить допуски на QN и Qнм. Установим номенклатуру показателей, относящихся к четвертому и пятому уровням. Анализ технологических схем (механизма формирования качества) показал, что все параметры, включая и показатели качества, от которых зависят комплексные показатели выполнения технологического процесса (QнN, Qнм и QN), можно подразделить на случайные, технологические и управляемые. К случайным относятся физико-химические и физико-механические свойства исходных компонентов, характеристики поля (рельеф, влажность), к технологическим - параметры смесительной установки, рабочих органов, навозоразбрасывателя, размеры обрабатываемого поля. К управляемым параметрам относятся: скорость движения агрегата, рабочая ширина захвата, перекрытие смежных и продольных проходов и др. [7, 10]. В результате изучения механизма формирования качества распределения удобрений по всему обрабатываемому полю установлено, что к основным причинам, влияющих на качество, относятся: - неравномерность распределения удобрений по ширине прохода агрегата и по длине; - нестабильность дозы по длине прохода агрегата; - нестабильность общей ширины захвата. Неравномерность распределения удобрений обусловлена формой эпюры плотности распределения удобрений при одноразовом проходе агрегата и определяется экспериментально [9]. В зависимости от типа распределяющего рабочего органа эпюра может принимать форму двухвершинной кривой с впадиной посередине (у машин для внесения органических удобрений), форму параболы (у машин для внесения твердых минеральных удобрений). В большинстве случаев эпюры распределения удобрений симметричны относительно продольной оси агрегата. Стабильность дозы по длине прохода агрегата зависит от типа дозирующего рабочего органа и постоянства скорости движения агрегата. В общем виде эпюру распределения удобрений при одноразовом проходе агрегата можно описать непрерывной функцией в системе координат, в которой ось направлена перпендикулярно направлению движения, а ось y - по направлению его движения: q = q(x, y). Результаты и обсуждение Основные характеристики распределения удобрений при одноразовом проходе агрегата (промежуточные показатели качества): средняя доза qср, нестабильность дозы λi, λ, неравномерность распределения по полю Qнмо - находятся по формулам: (5) (6) (7) (8) где B0 - общая ширина захвата после прохождения агрегатом 10 м, т.е. при y0 = 10 м; L - длина рабочего хода, м. Выразив в формуле (5) q(x, y) через λi, получим: (9) где Подставив выражение (8) в формулу (7), получим зависимость неравномерности распределения удобрений при одноразовом проходе агрегата: (10) Анализ выражения (9) для машин ПРТ-10 и ПРТ-16 показал, что величина Qнмо в зависимости от дозы удобрений и их физико-механических свойств изменяется в пределах от 50 до 90 %. Снизить неравномерность распределения удобрений по ширине захвата и длине прохода агрегата, а соответственно, и по всему обрабатываемому полю до уровня, допустимого агротребованиями, можно путем перекрытия смежных и продольных проходов агрегата. Поэтому постоянство рабочей ширины захвата, способов движения агрегата по полю - важные факторы, влияющие на качество распределения удобрений. В общем виде функциональную зависимость показателя качества распределения удобрений на участке поля шириной Вр, обработанного одним агрегатом, при двух смежных проходах можно представить таким образом: (11) (12) (13) где П(у) - перекрытие смежных проходов агрегата; , х1 - решение уравнения . Подставив в формулу (10) вместо q(х, у) выражение (7), получим зависимость Qнм(λ). Анализ выражений (5)-(13) показывает, что для расчета обобщенного показателя качества Qнм необходимо знать эпюру распределения удобрений q = q(х, у), общую ширину захвата B0, перекрытие смежных проходов П(у) или Вр(y), длину гона l (если l > L) и рабочего хода L. Зная для каждого конкретного случая величины Qнмо, λ, Вр, l, L, можно определить зависимости: (14) . (15) Из анализа формулы (14) следует, что неравномерность распределения удобрений по полю зависит от совокупности факторов, которые связаны определенной функциональной зависимостью. Так, при заданных значениях Qнмо, λ, L и ограничении величины Qнмо доп рабочая ширина захвата Вр зависит от длины гона l, т.е. для каждой длины гона должна быть своя рабочая ширина захвата. Может случиться так, что, начиная с некоторой длины гона lдоп, нельзя найти такого перекрытия, при котором показатель неравномерности удовлетворял бы условно Qнм ≤ Qнм доп. Чтобы обеспечить нужное качество внесения удобрений, в этом случае машина должна работать на гонах с длиной, удовлетворяющей условию l < lдоп, или же необходимо устанавливать ограничение на нестабильность дозы или величину Qнмо, а соответственно, и на конструктивные параметры рабочих органов машин для внесения удобрений. Имея зависимости (13), (14) и зная приведенные затраты на приготовление компостов с качеством распределения питательных элементов QN, можно по-новому подойти к оптимизации показателей качества распределения питательных элементов в массе удобрений и самой массы по полю, а соответственно, и промежуточных показателей качества. Чтобы упростить задачу, примем некоторые допущения: - секундная подача компостируемого материала наполнителя и минеральных удобрений постоянны (qкм = const, qн = const, qму = const); - неравномерность распределения азота в смеси QN; - удельные приведенные затраты Пуд пр(QN) на получение единицы массы смеси (компоста) с неравномерностью QN известны; - известные удельные приведенные затраты Пуд вн(Qнм) на внесение единицы массы удобрений с неравномерностью распределения физической массы Qнм; - известна функция отзывчивости конкретной сельскохозяйственной культуры на органические удобрения с заданным содержанием питательных элементов У = у(Д). Тогда эффект в рублях от внесения 1 т удобрений с учетом затрат на их приготовление, внесение, стоимости компоста, прибавки урожая и затрат на его транспортирование можно представить в виде: (16) где М - цена единицы продукции, руб. на 1 т; Т - затраты на транспортирование единицы продукции, руб. на 1 т; а1, а2 - эмпирические коэффициенты, характеризующие функцию отзывчивости данной сельскохозяйственной культуры на удобрения; Цсм - цена единицы массы компоста, руб. на 1 т. Оптимальные показатели качества приготовления удобрений (компостов) и их распределение по полю Qнм находятся в результате максимизации эффекта при условии: (17) Для этого необходимо найти условный максимум функции (15), т.е. max П (QN, Qнм, QнN) для QN, Qнм, QнN при ϕ (QN, Qнм, QнN) = 0. Отыскание условного максимума можно свести к исследованию на обычный максимум функции Лагранжа: L = П + λϕ. Найденные в результате решения задачи значения , QнN и будут оптимальными для данной технологии приготовления и внесения компостов. Знание значений позволит по-новому подойти к задаче контроля и управления качеством технологического процесса приготовления и внесения удобрений. Предположив, что для данных конкретных условий нашли зависимость (13) и подставив в нее , получим: . (18) Учитывая, что для конкретных условий QНМО = const, λ = const, l = const, h = const, оптимальную рабочую ширину Вр находим из уравнения: (19) Аналогично определяются оптимальные режимы работы смесительной установки, если известна зависимость , например, от частоты вращения ее ротора или продолжительности перемешивания. Поддержание рабочей ширины захвата разбрасывателя, оптимальных режима работы смесителя и времени смешивания позволят при условии постоянства остальных показателей и параметров обеспечить необходимое качество внесения удобрений. Данные об оптимальных показателях качества и допусках на них - необходимое, но не достаточное условие для высококачественного выполнения технологического процесса внесения удобрений. Чтобы достичь необходимого уровня качества, нужно разработать типовые технологические процессы механизированных работ по внесению всех видов удобрений и химических средств защиты растений, практические руководства для механизаторов по их выполнению. Кроме того, требуется отраслевые стандарты, регламентирующие качество выполнения основных технологических операций и всего технологического процесса в целом [1-8]. Необходимым условием для этого должно стать применение минеральных удобрений с выровненным гранулометрическим составом. Основные способы внесения удобрений: поверхностный, «разбросной», и внутрипочвенный. В первом случае удобрения распределяются по поверхности поля разбрасывателями центробежного типа, туковыми сеялками, самолетами сельскохозяйственного назначения и заделываются в почву плугами, культиваторами, боронами и другими почвообрабатывающими орудиями. Основной недостаток такого способа - неравномерное распределение их по поверхности (в 2-3 раза превышает допустимое), что отрицательно сказывается на урожайности, вызывает полегание растений вдоль прохода разбрасывателей. В результате этого теряется более 10 % урожая. При внесении тукосмесей разбрасывателями они расслаиваются на составляющие, что приводит к изменению соотношения питательных элементов в 1,5-2 раза, и чтобы его выровнять, разбрасыватели делают несколько проходов. Качество внесения удобрений самолетами ниже, чем центробежными разбрасывателями, да и эксплуатация самолетов обходится дороже. Результаты агротехнических исследований показали, что при внутрипочвенном ленточном внесении твердых удобрений значительно повышается урожайность (см. табл. 1), экономно расходуются удобрения, исключается загрязнение окружающей среды. Преимущество ленточного способа внесения удобрения еще в том, что он отвечает особенностям развития растений и системе безотвальной обработки почвы. В перспективе просматривается такое соотношение способов внесения удобрений: поверхностного с неравномерностью 25 и 15 % у 52 и 21 % способов соответственно; внутрипочвенного ленточного у 27 % способов. Поверхностное внесение удобрений, оставаясь основным, несколько уменьшается из-за внедрения внутрипочвенных ленточных способов - допосевного и припосевного, при этом значительно (с 6 до 21 %) возрастает объем поверхностного способа внесения с неравномерностью до 15 %. Наметилась тенденция развития структуры парка машин для внесения минеральных удобрений. Она сводится к созданию большегрузных разбрасывателей вместимостью до 20 т, удобных для механизированной загрузки, снабженных центробежными метателями, снижающими неравномерность внесения удобрений до 15 % и уменьшающими давление ходовых колес на почву. Неравномерность внесения туковых сеялок 15 %. Однако они металлоемки, малопроизводительны, требуют затрат ручного труда при заправке. Несмотря на отмеченные недостатки, преобладает поверхностный способ внесения удобрений. Поиски путей эффективного применения удобрений позволили установить перспективность внутрипочвенного ленточного (разновидность локального) внесения твердых и жидких удобрений, осуществляемого за один проход машины до посева, одновременно с ним или после него. При таком способе удобрения вносят в почву лентами шириной 3…10 см с определенным расстоянием между ними (междурядья). Глубина внесения и ширина междурядья зависят от типа почвы и высеваемой культуры. Заключение Равномерное (в пределах 15 %) внесение удобрений и их смесей должна обеспечивать машина, кузов которой вмещает 5 т. Сеялка оборудована двухроторным рассеивающим аппаратом, ленточным подающим транспортером с синхронным приводом, гидрофицированной секторной заслонкой и предохранительной сеткой, размещенной над кузовом. Она характеризуется плавной симметричной кривой распределения удобрений в полосе рассева, что позволяет в результате перекрытия смежных проходов выдерживать неравномерность внесения удобрений и их смесей впределах 15 % при рабочей ширине до 14 м. Проводятся работы по модернизации машин с различными штанговыми, пневматическими приспособлениями для поверхностного внесения удобрений с неравномерностью до 15 %. Такие приспособления при традиционном исполнении разбрасывателей, оснащенных прутковыми подающими транспортерами, негерметичным кузовом и дозирующим устройством, могут вносить минеральные удобрения выровненного гранулометрического состава. Различие конструкций машин с точки зрения уменьшения давления ходовых колес на почву, возможности работы на почвах с низкой несущей способностью и в неблагоприятных климатических условиях (ранней весной и поздней осенью, в дождливую и снежную погоду) позволяет определить тенденции их развития в направлении использования мобильного энергетического средства (самоходной машины) на базе тракторных узлов, обеспечивающего не только снижение давления колес на почву, но и повышение тягового усилия. Последнее преимущество особенно важно, так как дает возможность присоединять к самоходной машине сменные агрегаты для внутрипочвенного внесения, имеющие значительное тяговое сопротивление. На базе таких самоходных машин разработаны сменные агрегаты для поверхностного и внутрипочвенного внесения твердых и жидких удобрений. Чтобы ускорить внедрение ленточного способа внесения твердых и жидких удобрений, разрабатываются специальные приспособления к плугам, культиваторам и боронам. Рис. Иерархическая структура показателей качества технологического процесса применения удобрений Таблица Влияние внутрипочвенного внесения удобрений на повышение урожайности, т/га (числитель - по сравнению с разбросным внесением с неравномерностью ١٥ ٪, знаменатель - то же ٢٥ ٪) Культуры Внесение удобрений до посева при посеве при прикорневой подкормке Зерновые, зернобобовые, хлопчатник Корнеклубнеплоды, овощи, силосные

About the authors

G. E Kokiyeva

Yakut state agricultural academy

Email: kokievagalia@mail.ru
DSc in Engineering Yakutsk, Russia

S. A Voynash

Novosibirsk State Agricultural University

Email: sergey_voi@mail.ru
Novosibirsk, Russia

References

Supplementary files