CC BY
49
УДК 631.331
концепция развития почвообрабатывающих машин и способ снижения затрат на глубокую
обработку Почвы
B.В. АЛЬТ1, член-корреспондент РАН, директор
C.Г. ЩУКИН2, кандидат технических наук, зав. кафедрой
В.А. ВАЛЬКОВ1, старший научный сотрудник
М.А. НАГАЙКА2, старший преподаватель
1Сибирский физико-технический институт аграрных проблем, р.п. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Россия
2Новосибирский ГАУ, ул. Добролюбова, 160, Новосибирск, 630039, Россия
E-mail: [email protected]
Резюме. Эффективность производства растениеводческой продукции во многом обусловлена используемыми технологиями и соответствующим уровню их агротехнологических требований техническим обеспечением. Следовательно, при смене технологий производства возникает задача оптимального комплектования парка и рационального использования технических возможностей машин. Для ее решения сегодня необходима систематизация технического обеспечения и использования машин в сельском хозяйстве, в основу которой будет положена парадигма, базирующаяся на принципе соответствия технического оснащения парка принятым или перспективным поколениями технологий производства продукции с определенными качественными характеристиками. Реализуя эту методику, принципиально выделено три поколения технологий, по продуктивности возделываемых сортов, гибридов и генетически модифицированных сортов культур, в соответствии с которыми установлены три поколения почвообрабатывающих машин. Первое - однооперационные машины, выполняющие обработку почвы на глубину не более 27 см; второе - комбинированные, блочно-модульные, многофункциональные и др., которые за один проход выполняют несколько операци по обработке почвы на глубину, аналогичную машинам первого поколения. Почвообрабатывающие машины третьего поколения применяют, как правило, в технологиях Clearfield и Monsanto, главными отличительными особенностями которых мы считаем не отсутствие механической обработки почвы, а использование высокоурожайных гибридов или генетически модифицированных растений, выдерживающих применение гербицидов сплошного действия, и глубокую (на 45-60см) обработку почвы. Разработка отечественных машин для глубокой обработки почвы находится в начальной стадии, в том числе такие исследования проводят в НГАУ при содействии СибФТИ. Создан экспериментальный образец глубокорыхлителя вибрационного ГВ-1,8, использование которого позволяет достичь увеличения степени крошения обра -батываемой почвы на глубину основной безотвальной обработки 45 см при снижении тягового сопротивления с 28,5 кНдо 24,4 кН (на 14,38%). Внедрение в растениеводческую отрасль сельского хозяйства России машин третьего поколения с конструктивно-технологической схемой, отработанной на экспериментальном образце ГВ-1,8, в технологический процесс глубокой обработки почвы позволит в полном объеме выполнить агротехнологиче-ские требования технологий третьего поколения и повысить их эффективность.
Ключевые слова: сельскохозяйственное производство, система машин, почвообрабатывающие машины, обработка почвы, глубокорыхлители, поколения машин. Для цитирования: Концепция развития почвообрабатывающих машин и способ снижения затрат на глубокую обработку почвы / В.В. Альт, С.Г. Щукин, В.А. Вальков, М.А. Нагайка // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №9. С. 68-71.
Для эффективного сельскохозяйственного производства в сложившихся социально-экономических условиях необходимо обеспечить выполнение всех производственно-технологических процессов с минимальными затратами труда и максимальной производительностью. Этому
способствует ряд факторов, к числу которых относятся оптимальное комплектование парка и рациональное использование технических возможностей машин.
Отечественная наука заложила основные подходы к решению такой задачи путем создания в 1953 г. системы машин сельского хозяйства СССР. Структура и состав машинно-тракторного парка, а также требования, предъявляемые к отдельным машинам, учитывали выявленные специфические особенности природно-климатических зон страны и развития прогрессивных технологий производства сельскохозяйственной продукции в соответствии с зональным принципом.
Первая система машин (1957-1965 гг.) включала 816 технических средств используемых в растениеводстве, животноводстве, мелиорации и лесном хозяйстве. Дальнейшее ее развитие было направлено на расширение номенклатуры техники: система 1966-1970 гг. состояла из 1397 машин; 1976-1980 гг. - насчитывала только для растениеводства 1522 машины; 19861990 гг. включала около 4000 наименований, в том числе для растениеводства более 2000; для животноводства - более 1000; 1991-2000 гг. - 2400 машин для растениеводства и более 1000 для животноводства.
Это были комплексные разработки, учитывающие научные подходы, практический опыт оптимизации механизированных и автоматизированных работ, исходя из критерия минимума совокупных или приведенных затрат в сельском хозяйстве, требования со стороны ведомств и министерств, научно-исследовательских институтов, машиноиспытательных станций и конструкторских бюро. Были определены типажи техники и установлены выпускающие их предприятия.
На сегодняшний день ситуация кардинально изменилась. Предприятия аграрного машиностроения по своему усмотрению производят продукцию, которая, по мнению их маркетинговых служб, востребована на рынке. В большинстве - это однотипные машины, принципиально не различающиеся между собой. Одновременно создаются организации по типу американских фулл-лайнеров, выпускающих всю номенклатуру машин, предназначенных для производства сельскохозяйственной продукции по определенным технологиям. При этом многие разработчики системы машин продолжают её совершенствовать, привлекая внимание технико-экономическими выкладками, указывающими на преимущества предлагаемых несистемных инженерно-экономических решений в надежде привлечь внимание со стороны инвесторов, несмотря на утрату государственной политики в этом направлении [1, 2, 3]. Причем решения, удовлетворяющие потребностям региона, как правило, финансируются из его бюджета. Однако региональная система машин не актуальна для машиностроителей, поскольку объём выпускаемой продукции влияет на себестоимость отдельной единицы, которая снижается при реализации крупного заказа, размещенного на длительный период.
Поэтому необходима систематизация технического обеспечения и использования машин в сельском хозяйстве, в основе которой будет парадигма, базирующаяся на принципе соответствия технического оснащения парка принятым или перспективным поколениями
технологий производства продукции с определенными качественными характеристиками.
Реализуя эту методику, принципиально можно выделить три поколения технологий, по продуктивности возделываемых сортов, гибридов и генетически модифицированных культур, в соответствии с которыми мы установили три поколения посевных машин. В развитие такого подхода важно классифицировать все многообразие почвообрабатывающих машин с учетом сложившейся зональной их системы [3, 4, 5].
Первое поколение почвообрабатывающей техники представляет собой плуги, глубокорыхлители, дисковые и зубовые бороны, культиваторы и др., применяемые в качестве однооперационных машин, выполняющих обработку почвы на глубину, не превышающую уровня залегания основной массы корней при возделывании сельскохозяйственных культур (более 60% корней расположены не глубже 27 см). Их устройство и применение достаточно полно описано в трудах земледельцев конца XIX - начала XX вв. [6]. Выполнение полевых работ машинами первого поколения проводят в соответствии с календарными сроками на скорости до 2 м/с (7 км/ч). Используют их на площадях до 1000 га, которые обрабатывают в личных подсобных, фермерских и других хозяйствах, стремящихся производить экологически безопасную продукцию, обладающую на рынке высокой стоимостью и востребованной определенной группой населения со стабильно высокими доходами. Машины первого поколения часто подвергают модернизации, например, плуг делают оборотным; корпуса лемешными, дисковыми, комбинированными, чизельными, отвалы перьевыми, короткими, длинными, цилиндрическими, винтовыми, цилиндро-винтовыми. Кроме того, к машинам первого поколения можно причислить плуги специального назначения - для каменистых почв, кустарниково-болотные, плантажные, садовые, лесные, виноградниковые и ярусные. Стоит отметить, что ремонт таких машин, то есть комплекс операций по восстановлению исправности, работоспособности и ресурса машин или их составных частей, на практике проводится в кузнечном цеху мастерской. Однако содержание кузниц для выполнения сезонных работ во многих хозяйствах стало нерентабельным, поэтому вместо ремонта осуществляют модернизацию путем замены отдельных составных частей более совершенными. При этом машины сохраняют свою принадлежность к первому поколению.
Второе поколение почвообрабатывающей техники представляет собой комбинированные, блочно-модульные, многофункциональные, универсальные, широкозахватные и др. применяемые в качестве многооперационных машины, которые за один проход выполняют комплексную обработку почвы в соответствии с интенсивными технологиями при возделывании высокопродуктивных сортов и гибридов на ту же глубину, что и машины первого поколения. Технологические операции с их использованием проводят с учетом фенологических фаз развития растений на повышенных скоростях до 3 м/с (11 км/ч). Применяют такие машины в средних и крупных хозяйствах на площадях до 15000 га, сочетая механические приемы обработки почвы с воздействием химических или биологических средств защиты и стимуляции развития возделываемых растений с учетом их фенологических фаз.
При этом неизбежным шагом, позволяющим более эффективно использовать технику путем увеличения годовой загрузки машин второго поколения становится объединение мелких и средних сельскохозяйственных предприятий на условиях кооперации, товариществ, акционерных обществ.
Почвообрабатывающие машины третьего поколения применяются, как правило, в технологиях Monsanto и Clearfield, ассоциирующихся у многих с прямым посевом и системой нулевой обработки, при которых почва не подвергается механическому рыхлению, благодаря чему её поверхность укрывается измельчёнными остатками растений - мульчей [7]. На наш взгляд, к ключевым аспектам отличающим такие технологии следует относить не упомянутые ранее особенности, а возделывание специальных гибридов и генетически модифицированных растений способных в определенной фазе развития выдерживать воздействие гербицидов сплошного действия, оказывающих губительное влияние на все другие виды растений. Не вдаваясь в полемику о пользе или вреде использования в пищу либо на корм животным генетически модифицированных культур стоит признать, что их доля на рынке непрерывно увеличивается благодаря низкой себестоимости. На сегодняшний день известны различные формы гербицидов сплошного действия, среди которых выделяют: глифосат под брендом Раундап (Roundup) от фирмы «Monsanto»; глифосат-тримезин Тачдаун (Touch-dawn) от фирмы «Syngenta AG»; глифосинат-амоний (Buster) от фирмы «AgrEvo», имазапир и имазамокс под брендом Euro-Lightning от компании BASF. Именно их применение позволяет исключать обработку почвы, что обеспечивает самые низкие затраты на производство. Вместе с тем, антропогенное воздействие ходовых систем современных высокопроизводительных тракторов, комбайнов и автомобилей приводит к переуплотнению почвы и требует проведения ее безотвальной обработки выполняемой специальными глубокорыхлителями на разных типах почв не реже чем 1 раз в 3-5 лет.
Развитие таких технологий - неотъемлемая часть успешной деятельности агропромышленных холдингов, число которых неуклонно растет. Прибыль вертикально интегрированных компаний, к числу которых относят и агропромышленные холдинги, формирует более 70% совокупного национального дохода, а численность занятых в них превышает 20% от общего количества занятых в экономике [8].
Система машин сельского хозяйства, заложенная в СССР, непригодна для агрохолдингов поскольку они территориально размещены в нескольких административных регионах. Предложенная российскими учеными адаптивно-ландшафтная система земледелия не позволяет агрохолдингам использовать имеющийся парк сельскохозяйственных машин на пределе их технических возможностей для извлечения максимальной производительности, включая машины в работу на юге, где благоприятные условия для выхода техники в поле возникают раньше, последовательно перемещая место эксплуатации до северных территорий страны, на которых завершается их применение подобно практике, сложившейся в США, где она была заимствована [9]. Поэтому агрохолдинги в России используют наиболее надежную и производительную зарубежную технику, которую вводят в эксплуатацию в регионах с наибольшей урожайностью, и по мере снижения надежности передают в другие регионы с меньшей урожайностью, после чего реализуют на рынке подержанных машин.
Возвращаясь к опыту использования техники в США важно отметить, развитие большого числа компаний, оказывающих услуги по уборке урожая, уходу за растениями, посеву и обработке почвы, действующих из главной базы и мобильно работающих весь сезон, перемещаясь от южных до северо-западных штатов [10, 11]. Такие компании, будучи крупными приобретателями или
Рис. 1. Глубокорыхлитель Ecolotil 2500 [19].
лизингополучателями сельскохозяйственной техники у фулл-лайнеров, на основе проблем, возникающих при эксплуатации, дают замечания в отношении рационализации конструктивного и технологического исполнения машин, для увеличения показателей машиноисполь-зования. Влияние этих компаний на машиностроителей трудно переоценить, поскольку они, формируя проблемы, определяют задачи, требующие решения для повышения конкурентоспособности продукции, способствуя в целом развитию производства. Сложившаяся взаимная заинтересованность производителей сельскохозяйственной техники и стабильных потребителей, эксплуатирующих её на пределе возможностей и максимальной эффективности, позволяет производить машины, которые мы относим к третьему поколению.
Технологические задачи, для выполнения которых проектируют и создают почвообрабатывающие машины третьего поколения, формируют на основе современных представлений о глубине основной обработки почвы по результатам научных исследований, проводимых в университетах США. Так, ученые Университета Аризоны и Корнелловского Университета установили математическую зависимость между увеличением урожайности, сопровождающейся умножением стебле-листовой (надземной части), и ростом корневой (подземной) части [12]. При исследовании корневой системы озимой пшеницы выявлено углубленное залегание основной её части (более 60%) в слое почвы 0-100 см, при максимальной глубине проникновения глубже 250 см [13]. Согласно другим данным, основная масса корней высокопродуктивной яровой пшеницы залегает в слое 20-60 см [14], кукурузы - на глубине 30-60 см, хотя много мелких корней проникает на глубину 150-250 см, используя влагу и питательные вещества из нижележащих слоев [15]. Аналогичные исследования проводили и в нашей стране, в частности в Агрофизическом научно-исследовательском институте [16, 17, 18]. Это послужило основанием для определения рациональной глубины основной обработки почвы для почвообрабатывающих машин третьего поколения величину - до 60 см. Решение такой задачи сопряжено с рядом трудностей, в первую очередь, с увеличением тягового сопротивления орудий и неоднородностью структуры обрабатываемой почвы по глубине. Поэтому разработка низко затратных способов глубокой обработки почвы и машин, реализующих такие способы, актуальная научная проблема.
На сегодняшний день передовые позиции в этой сфере занимают почвообрабатывающие машины
третьего поколения, выпускаемые для внутреннего рынка фулл-лайнерами Caseih, John Deer, Gaspardo и др. Они оснащены рабочими органами безотвального типа (рис. 1), прикрепленными жестко к раме с возможностью вращения на оси и применения их на каменистых почвах.
Удерживаемые пружинами с регулируемой жесткостью рабочие органы в процессе обработки почвы испытывают колебания долота, что приводит к непрерывному сходу почвенного нароста с режущих кромок и снижает в целом тяговое сопротивление. Однако такой, повсеместно применяемый, подход к конструированию рабочих органов исчерпал возможности снижения тягового сопротивления. Поэтому сегодня активно идет поиск иных способов воздействия рабочих органов на почву, обеспечивающих снижение тягового сопротивления при выполнении агротехнологических требований.
Учитывая динамичное развитие агрохолдингов в России, осваивающих технологии Monsanto и Clearfield, но использующих при этом импортную технику, необходимо создание отечественных машин, обеспечивающих выполнение норм таких технологий. Ученые НГАУ и СибФТИ проводят исследования по повышению производительности почвообрабатывающих машин и уменьшению затрат на глубокую обработку, в частности, по увеличению степени крошения обрабатываемой почвы на глубину основной безотвальной обработки до 45 см при снижении тягового сопротивления. Достигается указанный эффект путем установки на глубокорыхлитель вибровозбудителя, (рис. 2), задающего колебания определенной амплитуды и частоты [19]. В результате производственных испытаний экспериментального образца машины для основной безотвальной обработки почв - глубокорыхлителя вибрационного ГВ-1,8 - на участках поля, переуплотненных от многократного прохода тяжёлой техники, применяемой на протяжении 5 лет, установлено снижение тягового сопротивления машины благодаря вибрации рабочих органов с 28,5 кН до 24,4 кН (на 14,38%) [20].
Рис. 2. Экспериментальный образец разработанного глубокорыхлителя с вибровозбудителем ГВ-1,8.
Выводы. Разделив технологии производства в земледелии по продуктивности возделываемых культур и рассматривая почвообрабатывающие машины как инструмент для их реализации, предложена классификация такой техники на три поколения.
Первое и второе поколения почвообрабатывающих машин адаптировано системой машин, разработанной в СССР для зонального использования в регионах, в рамках которой был определен механизм дотирования при обновлении парка сельскохозяйственных машин для ведения расширенного производства.
Третье поколение почвообрабатывающих машин предназначено для технологий Monsanto и Clearfield, развиваемых в России агрохолдингами в рамках адаптивно-ландшафтной системы земледелия.
Проведенные исследования по созданию почвообрабатывающей машины третьего поколения
позволили с помощью обработки экспериментальным образцом глубокорыхлителя вибрационного ГВ-1,8 достичь увеличения степени крошения обрабатываемой почвы на глубину основной безотвальной обработки 45 см при снижении тягового сопротивления с 28,5 кН до 24,4 кН (на 14,38%).
Литература.
1. Альт В.В., Щукин С.Г., Вальков В.А. Концепция развития посевных машин //Достижения науки и техники АПК. 2008. №9. С. 44-48.
2. С.Г. Щукин, Головатюк В.А., Нагайка М.А. Классификация системы машин в земледелии применительно для разных по интенсивности технологий аграрного производства// Техника будущего перспективы развития сельскохозяйственной техники: Сб. стат. междунар. научн.-практ. Конференции. Краснодар: ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ, 2013. С. 93-100.
3. Организация и технология механизированных работ в растениеводстве: учеб пособие для нач. проф. Образования / Н.И. Верещагин, А.Г. Левшин, А.Н. Скороходов, С.Н. Киселев, В.П. Косырев, В.В. Зубков, М.И. Горшков. 7-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2013. 416 с.
4. Арютов Б.А., Важенин А.Н., Пасин А.В. Методы повышения эффективности механизированных производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве: учебное пособие / под ред. А.Н. Важенина. М.: Академия Естествознания, 2010. 365 с.
5. Современные проблемы науки и производства в агроинженерии / А.И. Завражнов, Л.В. Бобрович, А.С. Гордеев, В.И. Горшенин, С.А.Жидков, А.И. Завражнов, А.А. Завражнов, Р.И. Ли, Н.Е. Макова, К.А. Манаенков, В.В. Миронов, Н.В. Михеев, И.Г. Смирнов, В.Ф. Федоренко/под ред. А.И. Завражнова. Санкт-Петербург-Москва-Краснодар: ЛАНЬ, 2013. 495 с.
6. Костычев П.А. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1951. 673 с.
7. Бейкер С. Дж., Сакстон К.Е., Ритчи В.Р. Технология и посев. Вашингтонский Государственный Университет, 2002. 263 с.
8. Министерство экономического развития Российской Федерации. Протокол заседания Правительственной комиссии по экономическому развитию и интеграции (от 5 февраля 2015 г. № 1). URL: http://economy.gov.ru/minec/about/structure/ depSectorEconom/2015020801 (дата обращения: 03.08.2015).
9. Кирюшин В.И. Методика разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия и технологий возделывания сельскохозяйственных культур. М.: «Колос», 1996. 367 с.
10. Wrights Trucking and Harvesting. URL: http://www.wrightsllc.com/ (дата обращения: 03.08.2015).
11. Danell Custom Harvesting LLC. URL: https://translate.google.ru/translate?hl=ru&sl=en&u=http://danellcustomharvesting. com/&prev=search (дата обращения: 03.08.2015).
12. Enquist B.J., Niklas K.J. Global allocation rules for patterns of biomass parti-tioning in seed plants. URL: http://ent.arp.harvard. edu/sci/climate/journalclub/EnqNik02.pdf (дата обращения: 17.03.2015).
13. Thomas S. Cox. Prospects for developing perennial grain crops//Bioscience. 2006. Vol.56, №8. pp. 649-659.
14. Устименко А.С. Корневые системы и продуктивность с.-х. растений. Киев: Урожай, 1975. 368 с.
15. Циков В.С. Кукуруза: технология, гибриды, семена. Днепропетровск: Изд-во Зоря, 2003. - 323 с.
16. Моделирование продуктивности агроэкосистем / Н.Ф. Бондаренко, Е.Е. Жуковский, И.Г. Мушкин, С.В. Нерпин, Р.А. Полуэктов, И.Б. Усков. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 262 с.
17. Полуэктов Р. А. Развитие математических методов в биологии в СССР и РФ: 1970-2010 (Исторический обзор) //Материалы Всероссийской конференции (с международным участием) «Математические модели и информационные технологии в сельскохозяйственной биологии: итоги и перспективы». СПб.: АФИ, 2010. 288 с.
18. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур: монография / Р.А. Полуэктов, Э.И. Смоляр, В.В. Терлеев, А.ГТопаж. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2006. 396с.
19. ГлубокорыхлительEcolotil2500. URL: http://www.caseih.com/apac/ru-ru/products/tillage/in-line-rippers(дата обращения: 17.03.2015)
20. Щукин С.Г., Нагайка М.А., Головатюк В.А. Исследование процесса обработки почвы вибрационным рыхлителем // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2015. № 3. С. 83-89.
CONCEPT OF DEVELOPMENT OF TILLAGE MACHINES AND METHOD OF COST REDuCTION
FOR DEEP TILLAGE
V.V. Alt1, S.G. Shchukin2, V.A. Valkov1, M.A. Nagayka2
Siberian Physico-Technical Institute of Agricultural Problems, pos. Krasnoobsk, Novosibirsky r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russia
2Novosibirsk State Agrarian University, Dobrolyubova ul., 160, Novosibirsk, 630039, Russia
Summary. The efficiency of crop production in many respects is stipulated by used technologies and suitable technical means. Therefore, when you change production technologies, the task of the optimal acquisition of fleet and rational use of the technical capabilities of the machines is appeared. In order to solve this problem today it is necessary the systematization of technical means and of machine use in agriculture. As the basis of this systematization the paradigm will be assumed founded upon the correspondence principle of the technical equipment of fleet by current or perspective generations of production technologies with the specific qualitative characteristics. Using this method, we identified three generations of technologies according to productivity of cultivated varieties, hybrids and genetically modified crops, coincident with three generations of tillage machines. The first one is one-operating machines, which cultivate the soil on depth not more than 27cm. Tillage machines of second generation are combined, modular, multi-functional, etc. In a single pass they process the soil at the depth similar to the first generation machines. Tillage machines of the third generation usually are used in technologies Clearfield and Monsanto. The main distinctive features of them, as we suppose, are not the absence of mechanical processing of soil, but use of high-yielding hybrids or genetically modified plants, sustaining application of nonselective herbicides and deep (up to 45-60 cm) soil cultivation. The development of Russia-produced tillage machines for deep tillage is at initial stage. Such investigations are carried out in Novosibirsk State Agrarian University in collaboration with Siberian Physico-Technical Institute. An experimental sample of vibratory subsoil cultivator GS-1.8 was developed, which enables to increase the crumbling degree of cultivated soil up to the depth of 45 cm with reducing of draught resistance from 28.5 kN to 24.4 kN (by 14.38%). The use of machines of the third generation with constructional and technological scheme, worked through on the test sample GV-1.8, in technological process of deep soil cultivation will make it possible to fully satisfy agro-technological requirements of technology and increase its efficiency.
Keywords: agricultural production, system of machines, tillage machines, soil treatment, subsoil cultivators, generation of machines.
Author Details: V.V. Alt, corresponding member of RAS, director; S.G. Shchukin, Cand. Sc. (Tech.), head of department; V.A. Valkov, senior research fellow (e-mail: [email protected]); M.A. Nagayka, senior lecturer
For citation: Alt V.V., Shchukin S.G., Valkov V.A., Nagayka M.A. Concept of development of tillage machines and method of cost reduction for deep tillage. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. V.29. No9. pp. 68-71 (In Russ)
