CC BY
13
6. Kuznetsov N.N. Kombinirovannyi agregat dlya posadki kartofelya s lokal'nym vneseniem organicheskikh udobrenii [Combined unit for planting potatoes with local application of organic fertilizers]. Peredovye dostizheniya nauki v molochnoi otrasli. Proc. All-Russia Sci. Prac. Conf. 2019: 185-189. (In Russian)
7. Taghizadeh-Tameh J., Jafari Mousazadeh, H., Tarabi N. Evaluation of some effective parameters in performance of a helical two-sided manure distributor. Engineering in Agriculture, Environment and Food. 2017. Vol. 10, Issue 2:133-139 DOI: 10.1016/j.eaef.2016.11.002
8. Stefan V., David L., Ciuperca R., Zaica A., Nedelcu A., Suvac A. Experimental testing of a helical rotor for compost distribution. E3S Web of Conferences. 2020. TE-RE-RD 2020. Vol. 180. No. 03027. DOI: 10.1051/e3sconf/202018003027
9. Cardei P., Stefan V. Popa L. Ciuperca R. Statistical models for the working process carried out by the organic fertilizer-spreading machine. INMATEH-agricultural engineering. 2019. Vol. 58. No. 2: 121-128. DOI: 10.35633/INMATEH-58-13
10. §tefan V., Sfiru R., Popa L. Experimental results on the solid organic fertilizer machine MG 5. E3S Web of Conferences. TE-RE-RD 2019 2019. Vol. 112, No. 03007. DOI: 10.1051/e3sconf/201911203007
УДК 631.95; 631.53.027.2 DOI 10.24411/0131-5226-2020-10268
ДРАЖИРОВАНИЕ СЕМЯН ТРАВ КАК ОСНОВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕХНОЛОГИИ ИХ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ
1 2 Е.И . Кубеев , д-р техн.наук ; В.А Смелик , д-р техн.наук
1ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», г. Ярославль, Россия
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО СПбГАУ),Санкт-Петербург, Россия
Качество предпосевной обработки семян зависит не только от равномерности дозирования семян и защитно-стимулирующих компонентов, но и необходимости создания равновероятностных условий контактирования семян с необходимой дозой защитно-стимулирующих компонентов. Одним из эффективных способов предпосевной подготовки семян трав является их дражирование, т.е. покрытие
специальной смесью, создающей защитно-питательную оболочку, увеличивающую их размеры и придающую семенам правильную форму. Предложен новый способ нанесения питательных составов, обеспечивающий защиту и снабжение семян необходимыми веществами на ранних этапах их развития. Отличительной особенностью данного способа является то, что оболочка формируется не методом накатывания, а путем формования вокруг семени с последующей сушкой в мягком режиме. Это позволяет сформировать вокруг семени пористую, газо-водопроницаемую структуру размером не более 3 диаметров семени. Новый способ предполагается осуществлять непосредственно при высевании семян в почву при помощи специального агрегата, установленного на транспортном средстве. Проведен цикл экспериментов по исследованию работы установки на различных режимах и выявлены рациональные режимы работы. Разработанный способ и конструкция устройства для его реализации могут быть использованы на различных сельскохозяйственных предприятиях от небольших фермерских хозяйств до крупных агрофирм. При применении предлагаемого метода ожидается повышение урожайности на 10-20% и снижение затрат на дорогостоящие и трудоемкие операции (прореживание, внесения ядохимикатов и удобрений) на 50%.
Ключевые слова: семена трав, дражирование, предпосевная подготовка, искусственная защитная оболочка семян, нанесение оболочки на семена
Для цитирования: Кубеев Е.И.,Смелик В.А. Дражирование семян трав как основа повышения эффективности технологии их возделывания //АгроЭкоИнженерия. 2020. № 4 (105). С. 79-90.
GRASS SEED PELLETING AS A BASIS FOR IMPROVING THE GRASS CULTIVATION
EFFICIENCY
1Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia Saint Petersburg State Agrarian University, Saint Petersburg, Russia
The quality of pre-sowing seed treatment depends not only on the dosing uniformity of seeds and protective-stimulating components used; the conditions need to be provided for every seed to come into contact with the required dose of protective-stimulating components with equal probability. One of the effective ways of pre-sowing preparation of grass seeds is their pelleting, i.e. coating with a special mixture that creates a protective and nutritive shell, increasing the seed size and giving them the correct shape. A new method of applying nutrient compositions is proposed, which provides protection and supply of seeds with the necessary substances at the early stages of their development. A distinctive feature of this method is that the shell is not formed by rolling, but by moulding around the seed, followed by drying in a soft mode. This allows the formation of a porous, gas-permeable structure around the seed, no more than 3 diameters of the seed. The new method is supposed to be applied directly when
E. I. Kubeev1, DSc (Engineering),
2
V. A. Smelik , DSc (Engineering)
sowing seeds into the soil using a special unit mounted on a transport facility. A series of experiments were carried out to study the operation of the unit in various modes and rational operation modes were identified. The developed method and the design of the device for its implementation can be used in various agricultural enterprises - from small farms to large agricultural companies. The proposed method is expected to ensure a 10-20% increase in yield rate and a 50% decrease in the costs of expensive and labour-consuming operations, such as thinning, pesticide and fertilizer application, etc.
Key words: grass seeds, seed pelleting, pre-seeding treatment, artificial protective seed coating, coating technology
For citation: Kubeev E. I., Smelik V. A. Grass seed pelleting as a basis for improving the grass cultivation efficiency. AgroEcoEngineering. 2020. No.4 (105): 79-90 (In Russian)
Введение
Одним из эффективных способов предпосевной подготовки семян трав является их дражирование, т.е. покрытие семян специальной смесью, создающей защитно-питательную оболочку,
увеличивающую их размеры и придающей семенам правильную форму. Это позволяет обеспечить на ранних этапах развития нормальное питание семени, когда корневая система растения еще слаба или не сформирована. Это особенно эффективно, когда в почве в малом количестве содержатся элементы, необходимые для развития растения [1]. Не смотря на очевидные преимущества данного способа его развитие сдерживается рядом причин, главной из которых является технология нанесения, основанная на использовании принципов накатывания или гранулирования с последующей сушкой [2-5]. При таких способах получаемая оболочка имеет малую газо- влагопроницаемость, что достаточно часто приводит к гибели семян при формировании оболочки, хранении и транспортировке. Кроме того, имеет место замедленный рост на ранних этапах развития растений.
Проанализировав современное
состояние проблемы нанесения оболочек на семена было установлено, что данными исследованиями занимается достаточно большое количество ученых в разных странах мира [6-10]. Несмотря на многообразие методов нанесения покрытий, типов и материалов покрывающих составов, режимов нанесения практически всегда
применяется метод накатывания при котором возникают вышеописанные проблемы.
Кроме классических методов накатывания некоторые исследователи экспериментируют со свойствами материалов формирующего состава. С целью повышения качества
гранулированных семян авторами работы [6] предлагается метод нанесения оболочки формируемой из суспензии и связующего материала. Однако данный способ, как и многие другие не решает проблемы газопроницаемости защитно-питательной оболочки.
Существует также ряд работ по влиянию структуры окружающего состава на газо-влагопроницаемость.
Исследователями в работе [7] приводятся результаты по изучению дыхательной активности мелкосемянных культур.
Таким образом, проблема формирования газо-влаго проницаемых защитно питательных оболочек при предпосевной обработке семян (ПОС) является актуальной и решена не окончательно [1, 11, 12].
Материалы и методы
Проанализировав существующие недостатки гранулированных семян и способы формирования защитно-питательных оболочек авторами работы был предложен способ нанесения питательных составов, обеспечивающий защиту и снабжение семян необходимыми веществами на ранних этапах развития. Отличительной особенностью данного способа является то, что оболочка формируется не методом накатывания, а путем формования вокруг семени с последующей сушкой в мягком режиме. Это позволит сформировать вокруг семени пористой, газо-водопроницаемой структуры, размером не более 3 диаметров семени.
В нашем случае пористая газопроницаемая оболочка (ПГО) не будет препятствовать проникновению влаги и воздуха к семени, что предотвратит его гибель и снизит расходы на полив. Предполагается
№ 4(105)2020
нанесение пористой оболочки в сферических ячейках с последующим уплотнением. По нашему способу предварительно из подготовленного порывающего состава формируется сферические (или другой формы в зависимости от формы семян) ячейки высокой пористости, являющиеся нижней и верхней половинами будущей оболочки. В нижнюю ячейку помещается зерно, которое затем закрывается верхней частью оболочки, с последующим незначительным уплотнением,
необходимым для образования единой сферической (или другой формы) гранулы.
Объем семян и компонентов драже в капсуле из двух ячеек (рис. 1) [2]:
К = 20/я I, (1)
где Р - коэффициент заполнения ячеек (для мелкосеменных культур Р = 0 , 9 ) ; /я - площадь сечения ячеек; I - длина барабана.
При выбранном диаметре барабана объем семян и компонентов драже, находящихся в капсуле из двух ячеек определяется:
к = 2 (У,+У2 ) (2)
а2
У1=—1 ( а —б \ па) (3)
При практических расчетах определяется:
У2 = пг21 (4)
В процессе формирования оболочки происходит выделение воздуха, находящийся в материале. При этом образуются многочисленные каналы, в результате чего получаемая оболочка имеет пористую структуру, легко впитывает влагу и не препятствует проникновению воздуха к семени.
Применение предложенного метода покрытия семян ПГО позволит повысить их всхожесть и обеспечить ранний высев семян трав. Наличие в составе оболочки ядохимикатов предохраняет растение от вредителей.
При производстве дражированных семян предложенным методом необходимы - смеситель, устройство для уплотнения (формирования оболочки) и высевающий аппарат.
Для реализации предложенного способа ПОС требуется также изучение процесса точного высева семян, имеющих неправильную форму.
Новый способ предполагается осуществлять непосредственно при высевании семян в почву при помощи агрегата, установленного на транспортном средстве. В состав агрегата должны входить устройство для уплотнения, состоящее из катков для формирования ячеек в почве и уплотнения, и высевающего аппарата. Вначале при помощи смесительного устройства осуществляется
приготовление смеси компонентов защитно-питательного состава. Далее приготовленная смесь загружается в бункер с дозатором и, при движении агрегата, поступает в ячейки, выполненные при помощи устройства уплотнения. Затем в каждую частично заполненную ячейку при помощи высевающего устройства подается по одному семени, засыпается защитно-питательной смесью и уплотняется. Сверху полученная гранула засыпается почвой.
Одним из наиболее важных этапов формирования гранул является процесс смешения компонентов покрывающего состава. Основная проблема
приготовления смеси компонентов оболочки состоит в том, что его составляющие компоненты сильно отличаются по размерам частиц и весовому содержанию. Нами предложено с целью повышения однородности смеси вначале смешивать минеральные удобрения,
микроэлементы и мелкодисперсный наполнитель, а затем в полученную смесь во второй фазе вводить
Рис. 2. Схема смесительного узла
1-щеточный барабан, 2-питатели сыпучих компонентов, 3-отбойник, 4-транспортер, 5-привод, 6-распылитель жидких связующих, 7-емкость для сбора готового продукта
На рис.3 изображена схема устройства. При работе устройства вначале с помощью бункера 2 с дозатором в нижней его части на ленте тонким слоем формируется почвенная подложка толщиной 30-50 мм (имитация реальных полевых условий). Далее при прохождении катка 4 в слое продавливаются ячейки, имеющие форму полусферы. Затем из бункера 6 при помощи дозатора порционного типа в ячейки укладывается заранее
подготовленная смесь питательных веществ, состоящая из мелкого просеянного торфа, микроэлементов, минеральных удобрений, жидкого навоза,
тонкодисперсный состав сухого торфа. В качестве смесительного устройства наиболее эффективно использовать щеточный аппарат (рис. 2).
Жидкие связующие вводятся в смесь распылением. Предварительно
производили подготовку
тонкодисперсного низинного торфа по стадиям: высушивание, измельчение, просеивание.
Рис. 3. Схема устройства
который одновременно служит связующим. Для приготовления смеси используется смеситель 10. Сыпучие компоненты смешиваются отдельно.
В каждую заполненную ячейку из высевающего аппарата 8 размещается по одному семени. Затем в ячейки с семенами вносится аналогичная смесь из бункера 7 с дозатором. С помощью катка 5, имеющего на поверхности оболочку из эластичного материала питательная смесь в ячейке уплотняется. При этом вокруг семени формируется гранула из материала питательного состава.
Результаты и обсуждение
С целью выявления рациональных режимов работы смесительного узла были проведены опытные исследования. В каждое из отделений бункера засыпались подлежащие смешиванию сыпучие материалы (торф,
микроэлементы, минеральные
удобрения) в соответствующих количествах.
При включении в работу установки, регулированием силы тока, подаваемого на электродвигатели постоянного тока, настраивалась частота вращения барабана распылителя. Затем
открывались заслонки бункера, причем для разных соотношений расходов материалов заслонки открывались на разное расстояние.
Частицы материалов попадали в рабочую зону распылительного узла, где вращающимися эластичными элементами захватывались, и приводились в сложное движение с образованием разреженного конического факела.
При этом, имеющие значительную скорость и разное направление движения компоненты, перемешивались в факеле и попадали в приемник (при
наличии отбойного элемента в приемник попадали частицы
отраженного потока). Работу установки прекращали при полном высыпании всего содержимого бункеров. Из приемника производился отбор проб, и находили коэффициент неоднородности полученной смеси по известным методикам. В опытах варьировались следующие величины: частота вращения барабана и деформация бил.
Одним из основных параметров, влияющих на значение коэффициента неоднородности, является угол наклона отбойного элемента. Эта зависимость приведена на рис. 4 для двухкомпонентной смеси просеянного торфа с минеральными удобрениями.
Точками на графике представлены опытные данные, сплошной линией -регрессионные зависимости [13]. Установлено, что с увеличением угла наклона отбойника повышается качество смеси, что, очевидно, объясняется увеличением зоны взаимодействия отраженного и набегающего потоков в рабочем объеме аппарата и, следовательно, увеличением числа столкновений частиц в потоках.
Рис. 4. Зависимость коэффициента неоднородности смеси от угла наклона отбойника
Рис. 5. Зависимость коэффициента неоднородности смеси от деформации бил
На рис. 5 показана зависимость коэффициента неоднородности смеси от деформации гибких элементов (бил).
Как и следовало ожидать, с увеличением деформации гибких бил качество смеси повышается. Очевидно, это объясняется теми же причинами, т.е. вследствие увеличения хаотизации движения объемов сыпучих материалов из-за повышения скорости потоков. Следует иметь ввиду, что возникает и эффект «дробления» объемов материалов на более мелкие, движущиеся совместно.
Однако, дальнейшее увеличение деформации приводит к росту коэффициента неоднородности смеси,
на что, по-видимому, влияет возрастание трения бил друг о друга и о поверхность ленты. Влияние частоты вращения на коэффициент
неоднородности смеси показано на рис. 6. Из представленного графика видно, что с повышением частоты вращения распылителя наблюдается снижение коэффициента неоднородности. С увеличением скорости движения частиц в потоке имеет место улучшение качества смеси. Последнее объясняется тем, что при больших скоростях частиц растет и хаотичность их движения в факеле. Сказывается и возрастающее влияние воздушных потоков.
Рис. 6. Зависимость коэффициента неоднородности смеси от частоты вращения
При проведении опытов по смешиванию материалов были установлены следующие значения режимных и конструктивных параметров,
В
при которых
неоднородности
коэффициент смеси имеет
минимальное значение (не более таблице 1 представлены рекомендуемые значения частоты вращения, угла наклона отбойника и степени деформации бил при перемешивании материалов питательного состава.
Таблица 1
Рекомендуемые значения режимных парамет ов
n, мин"1 Степень деформации бил Угол наклона отбойника
Торф-мин.удобрения 700 1,4 750
Торф - инертный наполнитель (каолин) 750 1,6 700
Микроэлементы-мин.удобрения 700 1,5 800
Для оценки качества работы высевающего аппарата, выражающегося в равномерности высева семян, необходимо проследить перемещения семян во всех фазах, а также и конечное размещение семян в ячейках. С учетом этих требований для проведения экспериментальных исследований было разработано и изготовлено специальное приспособление, позволяющее проводить исследования работы высевающего узла. Для фиксации высеваемых семян на подвижную ленту крепились ловушки, поверхность которых покрыта клеем. Исследовалась продольная и поперечная равномерность высевания, а также определялась пульсация высева с помощью рамки с разметочными линиями. Равномерность распределения семян характеризовалась стандартными показателями вариационной статистики с определением средних величин, среднеквадратических отклонений и коэффициентов вариации. Исследования работы высевающего аппарата проводились в несколько этапов. На первом этапе оценивалось качество высева семян кукурузы высевающим аппаратом. На втором изучалось влияние нормы высева на равномерность распределения. Норма высева
определяется частотой вращения вала высевающего аппарата и скоростью движения ленты транспортера. Пределы варьирования указанных показателей следующие: норма высева - от 5 до 20 шт/м, скорость ленты - от 0,01 до 0,06 м/с.
Оценочными критериями качества высева принимались: продольная равномерность распределения семян; поперечная равномерность
распределения семян; пульсация высевающего аппарата и степень повреждения семян.
Для определения продольной и поперечной равномерности
распределения семян, а также пульсации высевающего аппарата, высев семян производился на бумажную ленту, покрытую лаком. Для упрощения процесса анализа было использовано разбиение всей ширины высеваемых семян на п участков с последующим анализом плотности высева на каждом из них. Для этого использовалась специально изготовленная разметочная рамка, размерами 35x15 см, внутри которой была сплетена сетка с размерами ячейки 10х10 мм. В результате
проведенных опытов установлено, что на установившемся режиме работы пневматический высевающий модуль позволяет с требуемой точностью размещать семена в приготовленные ячейки. Процесс формирования оболочки из приготовленной вышеописанным образом смеси исследовался на опытном устройстве и в полевых условиях. Было установлено, что сформированные таким образом гранулы имеют достаточную прочность и обладают пористой структурой, необходимой для
поступления к семени воздуха и влаги. Выводы
Разработан новый способ для покрытия семян трав защитно-
питательной оболочкой. Проведен цикл экспериментов по исследованию работы установки на различных режимах. Выявлены рациональные режимы работы. Разработанный способ и конструкция устройства для его реализации могут быть использованы на различных сельскохозяйственных
предприятиях от небольших фермерских хозяйств до крупных агрофирм. При применении предлагаемого метода ожидается повышение урожайности на 10-20% и снижение затрат на дорогостоящие и трудоемкие операции (прореживание, внесения ядохимикатов и удобрений) на 50%
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кубеев Е.И., Смелик В.А. Технологии и технические средства по предпосевной обработке семян сельскохозяйственных культур. СПб: СПбГАУ. 2011. 210 с.
2. Зайцев А. И., Лебедев А. Е., Дубровин А. В., Готовцев В. М. Агрегат для получения гранулированного материала с покрытием. Патент РФ №2385762. 2010.
3. Митрофанов Н. М. Гранулятор. Патент РФ №2329655. 2008.
4. Солдатов А.В., Михайлов Ю.И. Барабанный гранулятор. Патент РФ №2228789. 2004.
5. Цветков В.И., Ефремов В.В. Гранулятор. Патент РФ №856091. 1995.
6. Woomer Paul L. Seed Inoculation: Master Farmer Training Practical. 2014. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://n2africa.org/seed-inoculation-master-
farmer-training-practical (дата обращения 20.112020)
7. Podlaski S., Chrobak Z., Wyszkowska Z. The effect of parsley seed hydration treatment and pelleting on seed vigour. Plant, Soil and Environment. 2003. 49(3): 114-118.
8. Gemell G., McDonald W. Inoculating and pelleting pasture legume seed. 2017. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.dpi.nsw.gov.au/ data/assets/p df file/0009/711783/Inoculating-and-pelleting-pasture-legume-seed.pdf (дата обращения 2.12.2020)
9. Blunk, S., Malik, A.H., de Heer, M.I. et al. Quantification of seed-soil contact of sugar beet (Beta vulgaris) using X-ray Computed Tomography. Plant Methods 2017.13: 71
https://doi .org/10.1186/s13007-017-0220-410.
