CC BY
21УДК 631.171
К ОБОСНОВАНИЮ КОМПЛЕКСОВ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО
ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
Бобков Сергей Иванович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией механизированных технологий, Костанайский филиал ТОО «Научно-производственный центр агроинженерии»
(110008, Казахстан, г. Костанай, пр. Абая 34, Тел. 8-(7142) 55-81-46, E-mail: [email protected])
Астафьев Владимир Леонидович - доктор технических наук, профессор, директор Костанайского филиала ТОО «Научно-производственный центр агроинженерии»
(110008, Казахстан, г. Костанай, пр. Абая 34, Тел. 8-(7142) 55-81-46, E-mail: [email protected])
Рецензент: Зеленин А.Н. - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет.
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +79089282546, E-mail: [email protected])
Ключевые слова: комплекс машин, производительность труда, система точного земледелия, сравнительные испытания, технико-эксплуатационные показатели.
Аннотация. В статье говорится о необходимости обоснования оптимальных комплексов машин и оборудования для возделывания сельскохозяйственных культур в системе точного земледелия северного региона Казахстана. Применение обоснованного комплекса машин позволит повысить производительность труда и качество проведения сельскохозяйственных работ. Обоснование осуществляется на основании реализации экономико-математической модели по критерию минимума совокупных затрат. При этом для реализации модели необходимы достоверные исходные данные (технико-эксплуатационные показатели функционирования перспективных средств механизации, элементов системы точного земледелия), которые составят информационную основу для расчетов и, которые необходимо получить в результате проведения сравнительных испытаний техники в природно-производственных условиях региона.
TO THE SUBSTANTIATION OF COMPLEXES OF MACHINES AND EQUIPMENT FOR CULTIVATION AGRICULTURAL CROPS IN THE PRECISION AGRICULTURE
SYSTEM
S. I. Bobkov - candidate of technical science, head of the mechanized technologies laboratory, Kostanai branch LLP «Research and production center of agroengineering»
(110008, Kazakhstan, Kostanai, Abai str. 34, Office number 8-(7142) 55-81-46, E-mail: [email protected])
V. L. Astafyev - doctor of technical science, professor, director of Kostanai branch LLP «Research and production center of agroengineering»
(110008, Kazakhstan, Kostanai, Abai str. 34, Office number 8-(7142) 55-81-46, E-mail: [email protected])
Reviewer: Zelenin A. N. - candidate of technical sciences, associate professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Ekaterinburg, Karl Liebknecht str., 42 tel. +7 9089282546, E-mail: [email protected])
Keywords: complex of machines, labor productivity, system of precision agriculture, comparative tests, technical and operational indicators.
Summary
In the article is told about the need of substantiation of optimum complexes of machines and equipment for the agricultural crops cultivation in the system of precision agriculture in the northern region of Kazakhstan. The use of a substantiated complex of machines allows the labor productivity and quality of agricultural works to be increased. The rationale is based on the implementation of the economic and mathematical model according to the criterion of minimum total costs. At the same time, reliable initial data are required to implement the model (technical and operational indicators of the functioning of promising means of mechanization, precision farming system elements), which will constitute the information basis for the calculations and, which must be obtained as a result of comparative tests of equipment in the natural and industrial conditions of the region.
Цель и методика исследования.
Анализ производственной ситуации показывает, что машинно-тракторный парк хозяйств Казахстана значительно изношен, до 70-80% техники эксплуатируется за пределами срока амортизации. Применение изношенной техники приводит к растягиванию сроков и ухудшению качества полевых работ из-за частых отказов по техническим причинам, что обуславливает снижение производительности и отрицательно сказывается на развитии сельскохозяйственного производства. Если учесть, что в последние годы остро ощущается нехватка механизаторских кадров, то в данных условиях своевременность выполнения работ может быть достигнута только за счет применения более производительной техники. Немаловажным фактором для развития растениеводства является применение системы точного земледелия, позволяющей повысить производительность труда и качество выполняемых работ [1].
Решить проблему повышения производительности труда можно за счет рационального применения современных тракторов, комбайнов и сельскохозяйственных машин в системе точного земледелия на основании научно-технической информации об их возможностях для конкретных природно-производственных условий [2,3].
В этой связи цель работы - обоснование оптимальных комплексов машин и оборудования
для комплексной механизации возделывания культур в системе точного земледелия, обеспечивающих повышение производительности труда на основных технологических операциях.
Такая работа в настоящее время проводится коллективом научных сотрудников в Костанайском филиале ТОО «НПЦ агроинженерии» совместно с ТОО «Научно-производственным центром зернового хозяйства им. А.И. Бараева» Акмолинской области, производственные площади которого представляют собой «демонстрационное хозяйство» (опытный полигон) для трансферта и адаптации технологии точного земледелия. Обоснование комплексов машин и оборудования осуществляется на основании реализации экономико-математической модели, разработанной для проведения оптимизационных расчетов. Основным критерием при реализации модели является минимум совокупных затрат:
ис з = и + икп + иут + иэ ^ min , (1)
где Ис з - совокупные затраты, руб./га; И - прямые эксплуатационные затраты, руб./га; Икп -затраты средств, учитывающие изменение количества и качества продукции (потери), руб./га; И - затраты средств, учитывающие уровень условий труда обслуживающего персонала, руб./га;
И - затраты средств, учитывающие отрицательное воздействие на окружающую среду, руб./га.
Основная задача формирования оптимальных комплексов машин и оборудования -установление взаимоувязанной согласованности в применении прогрессивных технологий, средств механизации сельского хозяйства и элементов системы точного земледелия, потенциально обеспечивающих наибольший эффект в хозяйствах различных типоразмеров и уровня экономической и материально-технической обеспеченности. При этом для реализации модели необходимы исходные данные (технико-эксплуатационные показатели перспективных средств механизации, элементов системы точного земледелия), которые составят информационную основу для расчетов.
Результаты исследования.
Для сбора информации была сформирована база данных машин и оборудования для возделывания культур в системе точного земледелия, состоящая из трех основных блоков: природно-производственные условия Акмолинской области; техника для возделывания и уборки с/х культур; цифровые системы и оборудование для точного земледелия. Структурная схема базы данных представлена на рисунке 1.
Блок «Техника для возделывания и уборки сельскохозяйственных культур» включает техническую информацию о 1281 единицах техники для посева, уборки, машин для обработки почвы и т.д. Блок «Цифровые системы и оборудование для точного земледелия» содержит информацию о 311 единицах цифровых систем и оборудования.
Рисунок 1 - Структурная схема базы данных
При этом анализ собранной информации показал, что в настоящее время потребность Республики Казахстан в различной сельскохозяйственной технике, цифровых системах обеспечивается в основном за счет ввоза из дальнего зарубежья и стран СНГ. Анализ структуры и состава поступающей в республику техники свидетельствует о сложившейся тенденции бессистемного ее завоза без должной проверки на соответствие национальной системе технологий и машин, без оценки ее приспособленности к местным условиям, качества выполнения технологического процесса.
Техника приобретается в основном на основании рекомендаций, рекламы, демонстраций на выставках и днях поля, работы дистрибьюторов, лизинговых структур.
Обилие сельскохозяйственной техники и оборудования для системы точного земледелия, предлагаемых к реализации в Республике Казахстан, и зачастую не соответствующих зональным природно-климатическим условиям, обуславливает приобретение не адаптированной и не эффективной техники. Приобретение неадаптированной техники также происходит из-за того, что согласно нормативным документам, поступающая на рынок Казахстана техника должна проходить обязательную сертификацию, основное содержание которой составляет определение показателей безопасности конструкции для окружающей среды и человека. При этом Законами и действующими стандартами не предусматривается обязательное проведение приемочных
испытаний, которые позволяют определить показатели качества выполнения работы, производительности, надежности и энергоемкости, а также экономической эффективности применения сельскохозяйственной техники, цифровых системы и оборудования. Хотя именно эти показатели представляют наибольший интерес для сельхозтоваропроизводителей при приобретении той или иной машины и оборудования и необходимы для проведения расчетов по обоснованию комплексов машин и оборудования.
В этой связи, для реализации экономико-математической модели при обосновании оптимальных комплексов машин необходимо использовать достоверную информацию о технико -эксплуатационных возможностях средств механизации, оборудованных элементами системы точного земледелия. Для этого необходимо использовать данные их сравнительных испытаний в производственных условиях региона при проведении основных технологических операций, на которых в полевой сезон загружен машинно-тракторный парк (посев, обработка почвы, химическая обработка посевов, уборка, внесение удобрений). При проведении сравнительных испытаний технических средств для осуществления этих технологических операций необходимо сравнить сельскохозяйственную технику с установленными элементами системы точного земледелия с аналогичной техникой без них.
Для проведения сравнительных испытаний из сформированной базы данных были выделены основные элементы системы и оборудование, которые находят применение в регионе, устанавливаются на сельскохозяйственную технику и оказывают влияние на качественные и эксплуатационные показатели её функционирования:
- система параллельного вождения;
- система автоматического вождения;
- GPS-трекеры с датчиками уровня топлива;
- система мониторинга высева;
- система дифференцированного внесения удобрений;
- система дифференцированного внесения средств защиты растений.
Наибольшее распространение находят системы параллельного и автоматического вождения, которые функционируют двух системах глобального позиционирования: американской GPS и российской ГЛОНАСС [4]. При этом GPS-трекеры с датчиками уровня топлива, могут входить в состав этих систем или использоваться самостоятельно. Система параллельного вождения обеспечивает процесс ручного управления направления движения сельскохозяйственной машины по заданной траектории с использованием курсоукозателя (устройства, используемого для индикации отклонения фактической траектории движения агрегата от заданной). Система автоматического вождения позволяет автоматически управлять движением сельскохозяйственной машины на основании навигационной информации (автоматическое направление движения трактора поддерживается подруливающим устройством с
приводом от электродвигателя, который монтируется на рулевой колонке, или корректировку движения трактора осуществляет исполнительный механизм, подключенный к гидросистеме рулевого управления) [5].
На основе анализа собранной информации также установлено, что большинство современных посевных комплексов оборудуются системами мониторинга высева, которые позволяют обеспечить качество проведения посевных работ за счет контроля глубины посева, скоростного режима, контроля забивания семяпроводов, контроль вращения валов зерновых высевающих аппаратов. В процессе работы посевного агрегата контроллер мониторинга с ОРБ-навигацией обеспечивает определение текущей рабочей скорости движения, производит запись треков движения агрегата по полю и скоростного режима, строит карту глубины высева, обеспечивает контроль перекрытий и обеспечивает передачу всей телеметрии на удаленные компьютеры (серверы). При этом существует необходимость адаптации таких систем к сеялкам типа СЗС. Это связано с тем, что подобные системы установлены в основном на современных посевных комплексах, которых, например, только в Акмолинской области по данным МСХ РК 1222 шт. При этом обычных сеялок типа СЗС, СКП, СТС насчитывается более 16000 шт., они не оборудованы никаким цифровым оборудованием и не применяются в системе точного земледелия. Вместе с тем, они активно используются сельхозтоваропроизводителями на посеве различных сельскохозяйственных культур. Кроме того, для ряда хозяйств, применение дорогостоящих посевных комплексов не представляется возможным, а применение подобных систем при условии установки менее дорогостоящего цифрового оборудования отечественного производства или стран Таможенного союза на простые сеялки вполне приемлемо.
Применение и адаптация системы дифференцированного внесения минеральных удобрений к широкозахватным машинам для их внесения также актуальна в связи с тем, что существует необходимость в повышении урожайности сельскохозяйственных культур за счет внесения азотных и фосфорных удобрений. В настоящее время при внесении удобрений производится их сплошное внесение на всей площади обрабатываемого поля. Использование минеральных удобрений позволяет компенсировать вынос элементов питания с урожаем и обеспечивать повышение запасов в почвах фосфора и калия, при этом массированное сплошное внесение удобрений приводит к ухудшению качества продуктов растениеводства, проникновение нитратов, хлоридов, сульфатов, фосфатов в грунтовые и поверхностные воды [6]. Основными причинами отрицательного влияния минеральных удобрений являются нарушение (завышение) установленных доз внесения, неравномерное их распределение по полю, несоблюдение сроков и кратности применения, недостаточный учет агрохимического состава почвы и других факторов, что приводит к их избыточному накоплению в почве [7]. Наиболее эффективным способом в решении данной проблемы, а также в реализации потенциальных возможностей растений является применение удобрений с учетом неоднородности почвенного плодородия и вида возделываемых
культур - дифференцированное внесение удобрений (ДВУ). Данная технология является одной из технологий точного земледелия, которая обеспечивает изменение доз удобрений в зависимости от состава почвы, планируемой урожайности и потребностей каждой зоны поля. Применение ДВУ позволяет не только выровнять пестроту распределения элементов питания в границах одного поля, но и повысить урожайность сельскохозяйственных культур за счет создания оптимального режима питания [8,9].
Аналогичной по назначению является и система дифференцированного внесения средств защиты растений (СЗР), позволяющая проводить оперативное дифференцированное внесение СЗР, которое осуществляется за счет индивидуальных форсунок и оптических элементов, распознающих наличие сорной растительности на поле. В тех местах, где нет сорной растительности, СЗР не вносятся, что приводит к их экономии и снижению гербицидной нагрузки на поле по сравнению со сплошным внесением. Данные системы, как правило, устанавливаются на самоходные опрыскиватели, но также могут быть использованы и на прицепных машинах.
На основе анализа технических и технологических возможностей вышеупомянутых систем, установлены технико-эксплуатационные показатели функционирования сельскохозяйственной техники, на которые они оказывают влияние при выполнении основных технологических операций (таблица 1).
Таблица 1 - Перечень элементов точного земледелия, оказывающих влияние на
функционирование сельскохозяйственной техники
Наименование системы, Технологическая Перечень показателей
оборудования операция
1 2 3
Система параллельного - посев; - рабочая ширина захвата;
вождения. - химическая - величина перекрытия;
Система автоматического обработка; - рабочая скорость;
вождения. - уборка; - производительность (основная, сменная,
- обработка эксплуатационная);
почвы; - коэффициенты использования сменного и
- внесение эксплуатационного времени;
удобрений - удельный расход топлива, технологических материалов (гербицидов, удобрений); - экономические показатели (совокупные затраты, годовая экономия совокупных затрат денежных средств)
Система дифференциального - химическая - рабочая скорость;
внесения средств защиты обработка; - удельный расход средств защиты;
растений - производительность (основная, сменная, эксплуатационная); - коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени; - удельный расход топлива; - экономические показатели
Продолжение таблицы 1
1 2 3
Система мониторинга высева - посев - фактическая норма высева; - величина просевов; - производительность (основная, сменная, эксплуатационная); - коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени; - экономические показатели
Система дифференциального внесения минеральных удобрений - обработка почвы с внесением удобрений - фактическая доза внесения удобрений; - производительность (основная, сменная, эксплуатационная); - коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени; - удельный расход топлива; - экономические показатели
Выводы
Таким образом, технико-эксплуатационные показатели, необходимые для реализации экономико-математической модели при обосновании оптимальных комплексов машин и оборудования, требуется определить в процессе проведения сравнительных испытаний техники в природно-производственных условиях северного региона Казахстана. Такая работа проводится в данный момент на полях Костанайской и Акмолинской областей специалистами КФ ТОО «НПЦ агроинженерии». В свою очередь применение в аграрном производстве обоснованных комплексов машин и оборудования для возделывания сельскохозяйственных культур позволит обеспечить повышение производительности труда на основных технологических операциях за счет рационального применения современных тракторов, комбайнов и сельскохозяйственных машин, оборудованных элементами системы точного земледелия.
Библиографический список
1 Жалнин, Э.В. Точное земледелие - концепция успеха // Сельский механизатор. 2010. №12. С. 10-11.
2 Личман, Г.И. и др. Фундаментальные и прикладные исследования по точному земледелию: основные направления / Г.И. Личман, И.Г. Смирнов, А.А. Личман, А.И. Беленков // Нивы России. 2016. № 9. С. 74-76.
3 Leonard, E.C. Precision Agriculture / E.C. Leonard // Encyclopedia of Food Grains (Second Edition). 2016. V. 4. P. 162-167.
4 Якушев, В.В. Точное земледелие: теория и практика / В.В. Якушев // СПб.: ФГБНУ АФИ, 2016, 364 с.
5 ГОСТ Р 56084-2014 Система навигационно-информационного обеспечения координатного земледелия. Термины и определения / Введен 2014-01-08 // Москва: Стандартинформ, 2014, 7 с.
6 Степук, Л. Я. и др. Технологии и машины для внесения минеральных удобрений: монография / Л.Я. Степук, Н.И. Дудко, В.Р. Петровец. // Горки, БГСХА, 2010, 260 с.
7 Степук, Л. Я. И др. Механизация процессов химизации и экология / Л.Я. Степук, И.С. Нагорский, В.П. Дмитрачков // Минск: Урожай, 1993, 272 с.
8 Воротников, И.Л., и др. Ресурсосберегающие технологии в АПК: учебное пособие / И.Л. Воротников, К.А. Петров, Е.А. Котельникова // Саратов, 2013. 115 с.
9 Любчич, В.А. и др. Дифференцированное внесение удобрений в системе точного земледелия / В.А. Любчич, С.В. Попов, Ф.Г. Бакиров, А.П. Долматов, М.Р. Курамшин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета, №1-1, 2012 г., С. 73-75.
Bibliographic list
1 Jalnin, E.V. Precision farming is a concept of success // Rural machine operator. 2010. №12. P.
10-11.
2 Lichman, G.I. and other. Basic and applied research in precision farming: main directions / G.I. Lichman, I.G. Smirnov, А.А. Lichman, А.1. Belenkov // Niva of Russia, 2016, № 9, P. 74-76.
3 Leonard, E.C. Precision Agriculture / E.C. Leonard // Encyclopedia of Food Grains (Second Edition), 2016, V. 4, P. 162-167.
4 Yakushev, V.V. Precision farming: theory and practice / V.V. Yakushev // SPb., 2016, 364 p.
5 State standard R 56084-2014 System of navigation and information support for coordinate farming. Terms and Definitions / Introduced 2014-01-08 // Moskow: Standardinform, 2014, 7 p.
6 Stepuk, L.Y. and other. Technologies and machines for applying mineral fertilizers: monograph / L.Y. Stepuk, N.I. Dudko, V.R. Petrovetc // Gorki, 2010, 260 p.
7 Stepuk, L.Y. and other. Mechanization of chemicalization processes and ecology / L.Y. Stepuk, I S. Nagorskiy, V P. Dmitrachkov // Minsk: Harvest, 1993, 272 p.
8 Vorotnikov, I.L., and other. Resource-saving technologies in the agricultural sector: a training manual / I.L. Vorotnikov, К.А. Petrov, Е.А. Kotelnikova // Saratov, 2013, 115 p.
9 Lyubchich, VA. and other. Differentiated fertilizer application in precision farming / VA. Lyubchich, S.V. Popov, F.G. Bakirov, АР. Dolmatov, M.R. Kuramshin // News of the Orenburg State Agrarian University, №1-1, 2012, P. 73-75.
