CC BY
16
ПЛОДОРОДИЕ
О-
УДК 631.43:631.95
формирование базы данных для проектирования комплексной механизации агротехнологий
И.И.ГУРЕЕВ, доктор технических наук, зав.лабораторией (e-mail: [email protected])
Всероссийский НИИ земледелия и защиты почв от эрозии, ул. Карла Маркса, 70Б, Курск, 305021, Российская Федерация
Резюме. Цель исследований предусматривала экспериментальную проверку адекватности теоретической модели, позволяющей заблаговременно и оперативно формировать экологическую составляющую базы данных для проектирования комплексной механизации агротехнологий. Сущность оцениваемой модели состоит в отождествлении уровня деградации почвы вредной работой, трансформируемой на нее сельскохозяйственными агрегатами при выполнении агроприемов. Экспериментально вредное воздействие агрегатов определяли, исходя из силы сопротивления почвы смятию ходовыми системами и объема смятой почвы. Сопротивление смятию фиксировали посредством твердомера Ревякина, используя пружину жесткостью k=13,5 кН/м и плунжер площадью S=210-4 м2. При этом участок диаграммы в диапазоне деформации почвы ходовыми системами оказался линейным. Для определения объема смятой почвы замеряли глубину проседания левого и правого движителей энергосредства. Вычисляли среднее значение на длине гона в промежутке между разворотами агрегата. Повторность всех замеров трехкратная. Ошибку для каждого агро-приема определяли статистическим сравнением расчетных данных по теоретической модели с величиной, полученной экспериментально. Изучено 12 различных модификаций сельскохозяйственных агрегатов для обработки почвы, посева и ухода за посевами. «О Испытания проводили в отличающихся О условиях физико-механических свойств w почв, так как точки проведения исследования территориально были удалены z одна от другой. Это Курский и Медвен-ие ский районы Курской области, а также ел почвенный канал ВНИИ земледелия и
4 защиты почв от эрозии. Несмотря на е; это, ошибка теоретической модели на-
5 ходилась в диапазоне 1,7-12,3%, что О свидетельствует об адекватности моде-
ли и возможности ее использования для сравнительного анализа экологических последствий применения различных агрегатов в растениеводстве.
Ключевые слова: комплексная механизация, агротехнология, экология, почва, база данных, вредная мощность.
Для цитирования: Гуреев И.И. Формирование базы данных для проектирования комплексной механизации агротехнологий // Земледелие. 2016. №2. С. 26-28.
Современный уровень развития средств механизации агротехнологий обязывает оценивать не только их оптимальность по эксплуатационно-технологическим критериям, но и осуществлять всесторонний анализ функционирования в агротехнологи-ческих комплексах. Информационный ресурс для проектирования таких комплексов накапливают в базе данных. Определяющие составляющие такого ресурса - экономическая эффективность и экологическая безопасность, обеспечивающая ограничение техногенного разрушения почвы.
Экономическая оценка техники регламентируется ГОСТ Р 530562008, согласно которому в качестве абсолютного показателя эффективности комплексной механизации агротехнологий установлены прямые эксплуатационные затраты денежных средств на единицу наработки (руб./га) [1].
Однако при механизированном исполнении всех агроприемов возникают экологические последствия в виде переуплотнения и разрушения структуры почвы ходовыми системами сельскохозяйственных агрегатов [2, 3]. С увеличением их массы техногенная деградация почвы распространяется на большую глубину. При этом риски переуплотнения возрастают с повышением содержания влаги [4].
Устаревший ГОСТ 26953-26955 предписывал измерение уплотняющей нагрузки на почву локально - на обработанных участках полей, по
следам ходовых систем агрегатов и др. [5]. Однако такой подход не позволял оценить общее состояние почвы после цикла агроприемов по производству культур, что затрудняло определение экологической состоятельности используемых комплексов машин.
На наш взгляд, более приемлема оценка интегральной экологической нагрузки на почву по интенсивности вредного механического воздействия с использованием известной теоретической модели [6]. Определяют величину этого показателя отношением к площади поля суммы работы на уплотнение и истирание структуры почвы, совершенной агрегатами при выполнении цикла агроприемов. Чем меньше вредное воздействие на почву, тем техническое средство предпочтительнее.
Цель наших исследований - экспериментальная проверка адекватности теоретической модели, позволяющей заблаговременно и оперативно формировать экологическую составляющую базы данных для проектирования комплексной механизации агротехнологий.
Условия, материалы и методы. При оценке технологических и эксплуатационно-технических свойств комплексов машин использовали метод, сочетающий теоретический и экспериментальный приемы моделирования. Аналитическую оценкухарактеристик машин и показателей их работы уточняли опытным путем, а экспериментальные данные анализировали и обобщали на основе теоретических положений.
Следуя такой методике, для определения общей интенсивности механического воздействия на почву п агроприемов по производству какой-то культуры использовали зависимость [6]:
С!, = 3,бСс ПП а К П а с )[Р( П + 8,) +
I = 1 I =1
+ ^ + /2Д | ]а Ц Р, (а^ )а
- N„1 ), МДж/га
где е/ - коэффициент загрузки двигателя /-го агрегата; Nдi - мощность двигателя, кВт; V- - рабочая скорость агрегата, м/с; цт1,цф1 - к.п.д. трансмиссии движителей и механической передачи к почвообрабатывающей фрезе от двигателя; Р/ - тяговое
Состав сельскохозяйственного агрегата Глубина проседания в почву движителей трактора (h .), м Абсцисса диаграммы твердомера на глубине проседания в почву движителей трактора м Коэффициент сопротивления перемещению пневматических шин f)
трактор сельхозмашина
МТЗ-82 опрыскиватель ОП-2000 0,021 0,063 0,66
зерновая сеялка «Ритм» 0,033 0,07 0,75
дискатор шириной захвата 2,0 м 0,042 0,095 0,68
зерновая сеялка С3-3,6 (посев 0,032 0,005 0,75
озимых зерновых)
каток 7КВГ-2,0 0,026 0,008 0,75
зерновая сеялка С3-3,6 (посев 0,026 0,003 0,75
яровых зерновых)
МТЗ-1221 плуг ПО-3-45 (залежь) 0,05 0,053 0,75
плуг ПО-3-45 (почвенный канал) 0,057 0,006 0,62
культиватор КПС-4 0,012 0,017 0,65
зерновая сеялка СЗ-5,4 (посев 0,058 0,004 0,75
озимых зерновых)
Т-150К культиватор 2КПС-4 0,047 0,005 0,65
К-701 глубокорыхлитель ГЩ-4М 0,064 0,005 0,68
сопротивление сельскохозяйственной машины, кН; S¡ - коэффициент буксования движителей; fn ,f2i - коэффициент качения движителей и сопротивления сельскохозяйственной машины протаскиванию; G1¡, G2i - вес энергосредства (трактора) и сельскохозяйственной машины, кН; M¡ - крутящий момент вала отбора мощности привода почвообрабатывающей фрезы, кН-м; ю|- угловая скорость вала отбора мощности, с-1; NMi - мощность привода механизмов не сопряженных с воздействием на почву (высевающих аппаратов сеялок, устройств разбрасывающих удобрение, насосов опрыскивателей, срезающих и молотильно-сепарирующих устройств комбайнов и др.), кВт; W - основная производительность выполнения i-го агро-приема, га/ч.
С другой стороны общая интенсивность механического воздействия на почву включает в себя
п п
полезную и вредную составляющий! Í=1
п п п
E'í = TJm+JJsi', МДж/га.
;=1 /=i /=i
Технологически полезное воздействие направлено на рыхление почвы и выполнение других видов
работ предписанных агротехноло-гией:
1=1 1=1
МДж/га.
Вредное воздействие непременно в различной степени сопутствует полезному. Сущность его состоит в том, что при перемещении агрегата по полю его движители вследствие вертикальной нагрузки деформируют и переуплотняют почву смятием. Кроме того, пробуксовывающие движители сдвигают с различной скоростью слои почвы в горизонтальной плоскости. Следствие такого относительного смещения - экологический ущерб, заключающийся в истирании и разрушении структуры почвы.
Вредное воздействие на почву можно представить разностью:
= TJi-TJnn МДж/га.
V/
2J3« - ^
1=1 /=1 vv¡
МДж/га;
(2)
где Т - горизонтальное сопротивление почвы движителям энергосредства, кН.
Для определения величины Т известна формула [7]:
кН;
где di - суммарная ширина правого и левого движителей энергосредства, d=2bi, м; q - коэффициент объемного смятия почвы, кН/м3; hi - глубина проседания почвы под движителями, м; f3j- коэффициент сопротивления перемещению пневматических шин.
Величину коэффициента qi в приведенной формуле можно определить из соотношения:
(1)
q¡ = о"'кН/м3' где Rt
(7)
С целью экспериментальной проверки адекватности модели (1), вредную составляющую интенсивности механического воздействия на почву формализовали по экспериментальным данным в соответствии с выражением:
максимальное значение силы сопротивления почвы смятию при вертикальной деформации ее на глубину hj, кН; Qi - объем смятой (вытесненной) почвы, м3.
Усилие замеряли твердомером Ревякина, который графически фиксирует диаграмму Z=Z(h).Учитывая, что участок диаграммы в диапазоне
2. Теоретические и экспериментальные значения интенсивности вредного механического воздействия агрегатов на почву
Состав сельскохозяйственного агрегата Вредная составляющая интенсивности механического воздействия на почву, МДж/га Ошибка теоре-
трактор сельхозмашина по теоретической модели(Г) по экспериментальным данным (1эв) тической модели (Д), %
МТЗ-82 опрыскиватель 0П-2000 7, 3 6,7 9,0
зерновая сеялка «Ритм» 19,5 21,4 8,9
дискатор шириной захвата 2,0 м 29,3 32,3 9,3
зерновая сеялка С3-3,6 (посев озимых зерновых) 26,0 25,3 3,0
каток 7КВГ-2,0 17,5 19,3 8,9
зерновая сеялка С3-3,6 (посев яровых зерновых) 26,0 29,6 12,3
МТЗ- плуг ПО-3-45 (залежь) 105,6 98,9 6,7
1221 плуг ПО-3-45 (почвенный канал) 108,4 110,3 1,7
культиватор КПС-4 28,0 26,9 3,9
зерновая сеялка СЗ-5,4 (посев озимых зерновых) 26,8 27,6 3,1
Т-150К культиватор 2КПС-4 20,9 19,7 6,3
К-701 глубокорыхлитель ГЩ-4М 66,1 68,2 3,1
(О
о
СЧ СМ
Ф S
ш
4
ф
^
5
ш со
деформации почвы ходовыми системами линейный, на оси абсцисс ее в точке hi определяли ординату Zi (м) и далее рассчитывали величину по формуле: / = к,кН; где к - жесткость пружины твердомера, Н/м.
Выражение для объема смятой почвы имеет вид: Q| = h|S ,м3;
где S - площадь плунжера твердомера, м2.
В случае использования пружины жесткостью к=13,5 кН/м и плунжера площадью S=2•10-4 м2:
7;.=13,5-104b/3f/7,.Z,,/fH
(8)
Среднее значение hi вычисляли на длине гона в промежутке между разворотами агрегата. При этом определяли глубину проседания левого и правого движителей энергосредства.
Для почвообрабатывающих и посевных агрегатов величину hi замеряли также на участке по длине гона. Но после того, как перемещающийся на рабочей скорости агрегат останавливался. Замеры осуществляли в пространстве между энергосредством и сельскохозяйственной машиной в непосредственной близости от почвообрабатывающих и иных рабочих органов.
Ошибку теоретической модели для каждого /-го агроприема определяли статистическим сравнением расчетных данных по формуле (1) с величиной интенсивности механического воздействия на почву, полученной экспериментально по формуле (2):
100 А
д =->
п Ь
L-L
(9)
Испытания выполнены в отличающихся условиях физико-механических свойств почвы, так как точки проведения исследований были территориально удалены одна от другой. Это Курский и Медвенский районы Курской области, а также почвенный канал ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии. Изучали 12 различных модификаций почвообрабатывающих и посевных агрегатов (табл. 1) [8].
Результаты и обсуждение. Мы установили, что, несмотря на значительную вариабельность физико-механических свойств почв, в условиях которых проводили испытания, ошибка теоретической модели находится в диапазоне 1,7-12,3% (табл. 2). Это свидетельствует об адекватности модели и возможности ее
использования для сравнительного анализа экологических последствий применения в растениеводстве различных агрегатов.
Выводы. Результаты экспериментальной проверки подтверждают адекватность теоретической модели, формализующей экологическую составляющую базы данных для проектирования комплексной механизации агротехнологий. Величина возможной ошибки свидетельствует о целесообразности использования модели для сравнительного анализа экологических последствий применения различных агрегатов в растениеводстве.
Литература.
1. ГОСТ Р 53056-2008. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. М.: Стандартинформ, 2009. 19 с.
2. Kundler P. Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit // VEB Deutsher Landwirtschaftsverlag. Berlin, 1989. 452 p.
3. Volk, L. Weniger Schlupf und Spuren // DLG-Mitteilungen. 2007. 6. Pp. 54-55.
4. Kreye, H. Pflanzenschutz im Weizen bei konservierender Bodenbearbeitung /
H. Kreye, V. Garbe, G. Bartels, H. Hoppe // Getreide-Magazin. 1999. 5. Pp. 180-183.
5. ГОСТ 26955-86, ГОСТ 26953-86, ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. Методы определения воздействия движителей на почву. Метод определения максимального нормального напряжения в почве. М.: Изд-во стандартов, 1986. 23 с.
6. Гуреев И.И. Экологические последствия применения комплексов машин для механизации обработки почвы // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. № 8. С.77-79.
7. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины: Элементы теории рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимов работы. М.: Колос, 1980. 671 с.
8. Региональный регистр комплексов машин для механизации перспективных агротехнологий / И.И. Гуреев, В.П. Дьяков, Г.К. Гребенщиков, С. Дурдыев. Курск: ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, 2015. 59 с.
Formation of Database for Designing of Complex Mechanization of Agrotechnologies
I.I. Gureev
All-Russian Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control, ul. Karla Marksa, 70b, Kursk, 305021, Russian Federation
Summary. The aim of the study included the experimental test of the adequacy of the theoretical model, allowing in advance
and quickly forming the environmental component of databases for the design of complex mechanization of agricultural technologies. The essence of the model is the identification of the level of soil degradation harmful work which is transmitted to the soil by agricultural aggregates during the work. Experimentally the harmful effects of aggregates were determined on the base of resistance force of soil to the crushing by wheels and the volume of compacted soil. The resistance to crushing was fixed by Revyakin hardness tester with the use of spring with rigidity of 13.5 kN/m and the plunger with area 2 x 10E-4 m2. Diagram plot in the range of soil deformation by the wheels proved to be linear. To determine the volume of compacted soil it was measured the subsidence depth of the left and right wheels of the agricultural machine. It was calculate the average value between turns of the agricultural machine. Replication of all measurements is triple. The error for each agricultural method was determined by statistical comparison of calculated data of the theoretical model with the experimental value. It was studied 12 different modifications of agricultural units for tillage, seeding and crop tending. The tests were carried out under different conditions of physical and mechanical properties of soils, as locations of tests were territorially removed from each other. They were Kursky and Medvensky districts of Kursk region, as well as a soil channel of the Research Institute of Agriculture and Soil Protection from Erosion. Despite this, the error of the theoretical model was in the range of 1.7-12.3%. It testifies to the adequacy of the model and possibilities of its usage for comparative analysis of environmental consequences of the use of different aggregates in crop production.
Keywords: complex mechanization, agrotechnology, ecology, soil, database, harmful power.
Author Details: I.I. Gureev, D. Sc. (Tecn.), head of laboratory (e-mail: [email protected])
For citation: Gureev I.I. Formation of Database for Designing of Complex Mechanization of Agrotechnologies. Zemledelie. 2016. No 2. Pp. 26-28 (In Russ.).
Уважаемые читатели!
В №1-2016 г. название материала на стр. 3 правильно следует читать «Актуальные проблемы аграрной науки и производства».
Приносим свои извинения.
