CC BY
73
УДК 631.331
КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ПОСЕВНЫХ МАШИН
B.В. АЛЬТ, член-корреспондент РАСХН, заместитель председателя
Президиум Сибирского отделения Росселъхозакадемии
C.Г. ЩУКИН, кандидат технических наук, заведующий кафедрой
Новосибирский ГАУ
В А ВАЛЬКОВ, специалист 1-ой категории
Президиум Сибирского отделения Росселъхозакадемии
Резюме. Предложен способ классификации посевных машин по поколениям на основе теоретического расчёта максимально допустимой технологической скорости подачи посевного материала для внесения в почву. Представлены конструктивные признаки безошибочного деления посевных машин на поколения, каждое из которых обладает предельными техническими возможностями и ограничениями.
Ключевые слова: посевные машины, классификация, конструктивные признаки, высеваемый материал, скорость подачи семян, технологии, сорт растений, гибриды, дра-жирование, скорость движения сеялки.
Предприятия разных форм собственности с всевозможными экономическими, технологическими, природно-климатическими, агроэкологическими и иными значимыми доя ведения расширенного воспроизводства условиями на протяжении последних лет вынуждены самостоятельно, действия на свой страх и риск, осуществлять выбор номенклатуры приобретаемых технических средств для модернизации морально и физически устаревшего парка машин. При этом бизнесмены, извлекающие доход от производственной деятельности в сфере земледелия стремятся достичь наибольшей отдачи путем развития программ ресурсо- и энергосбережения.
Конечно, система технических средств в целом определяет эффективность работы аргарного сектора, но раскрыть научную проблему кризиса развития технологий и машин целесообразно, детально изложив концепцию совершенствования почвообрабатывающе-посевных и посевных машин.
Проблема улучшения жизни населения СССР возникла в 50-е гг прошлого века. Перед сельским хозяйством была поставлена задача интенсификации производственной деятельности. Ее предполагали решить, сознав «зональные системы земледелия». Опыт отечественных исследований и достижения зарубежных сельскохозяйственных товаропроизводителей позволили определить структуру и состав системы машин (в том числе и посевных) для зональных условий. Инженерная наука, взяв за основу созданные земледельцами технологические карты (систему производства определенного вида сельскохозяйственной продукции, дифференцированную в виде отдельных технологий, реализуемых в строгой последовательности на определенных временных интервалах в пределах полного цикла от операций подгото-
вительного характера до подготовки урожая для использования в другом производстве), разрабатывала на основе отдельных приёмов общую систему рационального использования технических средств. Кроме того, велись исследования по совершенствованию некоторых технических средств для выполнения частных технологических процессов, осуществляемых в полном соответствии с ужесточающимися технологическими, экологическими, экономическими и радом другахтребований. Модернизированные либо принципиально новые технические средства после постановки на массовое производство включали в систему машин, которая определяла их рациональное использование.
Самые обширные исследования в земледелии касались изучения всхожести семян и последующего развития растений в зависимости от складывающихся условий. Учитывая зональность аграрного производства, в качестве главного критерия земледельцами был принят способ размещения семян культурных растений по полю на обоснованной практикой глубине. Оптимальной признавалась площадь питания, при которой достигается не наибольшая производительность отдельного растения, а получение максимального урожая основной продукции культуры высокого качества с 1 га при наименьших затратах труда и материальных средств [1].
Рациональная площадь питания растений формировалась путём выбора способа размещения семян (родовой, разбросной, узкорядный, перекрестный, широкорядный, ленточный и др.). Он определял технологию дальнейшего возделывания и уборки сельскохозяйственных культур. Федеральный регистр технологий производства продукции растениеводства содержал рекомендации по выбору способа посева для разных зональных систем земледелия. Эффективность технологий в регистре различалась исходя из уровня интенсификации земледелия.
Рекомендуемые регистром технологий технические средства для посева существенно различаются между собой только по исполнению и способу распределения семян на площади поля, и в предлагаемой классификации все они отнесены к первому поколению посевных машин.
Основополагающий принцип, подчеркивающий классификацию посевных машин первого поколения (рис. 1), — использование в качестве высеваемого материала непосредственно семян культурных растений. Эти машины также способны подавать в поток высеваемых семян стартовую дозу минеральных удобрений.
Первое поколение посевных машин представляет собой техническое устройство, в котором высеваемый материал после дозатора подаётся в сошник под действием сил тяжести. Их применяют при трёх уровнях интенсификации (экстенсивные, нормальные и интенсивные), используя в качестве характеристики высеваемого материала низшую классификационную единицу для культурных растений — сорт. Ошибочным следует признать утверждение об удвоении-утроении урожайности при размещении растений на лучших землях в сочета-
Технологическая схема сеялок первого поколения элементы которых выполненны в соответствии с законами механики
Высеваемые семена культурных растений классифицируемые сортом
4#^
Семена не защищены ^ оболочкой
Движение семян по семяпроводу вызвано действием гравитации
'а семян размещённых по глубине заделки в соответствии с агротребованиями
Рис. 1. Схема посевных машин первого поколения.
нии с обеспечением оптимального уровня питания. Пороговое значение максимальных урожайности и качества не может превышать биологически заложенного в ходе селекции.
Разработка первого поколения посевных машин базируется на законах механики, используемых для:
расчёта элементов конструкции с учетом их взаимодействия;
описания физических свойств почвы; представления характера движения семян и гранул минеральных удобрений через делитель по трубопроводам, через сошник в почву;
определения траектории движения элементов машинно-тракторного агрегата по сложному рельефу поля.
Если рассматривать траекторию перемещения семян и гранул минеральных удобрений по трубопроводам от делителя в направлении сошников относительно почвы, то они под действием силы тяжести они движутся с некоторой скоростью по направлению к почве и при этом перемещаются вместе с машинно-тракторным агрегатом с некоторой рабочей скоростью. Сумма векторов скоростей, приложенных к семенам и гранулам, выражается единым вектором скорости, определяющим характер их движения относительно поверхности почвы. Превышение рабочей скорости агрегата над скоростью перемещения семян по трубопроводам даёт результирующую скорость, достаточную для рикошета семян от поверхности семенного ложа, что резко увеличивает разброс по глубине заделки. Установка отражающих пластин в тело сошников для рассеивания семян по площади значительно снижает скорость перемещения семян под действием силы тяжести и приводит к разбросу по глубине заделки на меньших скоростях движения агрегата. Таким образом, производительность зависит от скорости движения посевного агрегата по полю, а её увеличение у машин первого поколения существенно снижает выполнение агротехничес-
ких требований по равномерной заделке семян на установленную глубину.
Решением этого противоречия следует признать применение почвообрабатывающе-посевных машин, способных за счёт совмещения нескольких технологических операций обеспечить производительность, близкую по величине к однооперационным машинам, работающим последовательно одназа другой. Всвязисэтим комбинированные машины, как более нагруженные, должны обладать большей надёжностью, что в первую очередь связано с прочностными и износостойкосгны-ми свойствами, применяемыми при их производстве, а также с высоким качеством изготовления в целом. Указанные причины делают для земледельцев привлекательным использование зарубежной техники, поскольку преимущество комбинированных посевных либо чисто посевных машин, произведенных в соответствии с требованиями стандартов стран ЕС, США и Канады, заключается в их высокой надежности, в первую очередь обусловленной тем, что основные ресурсоопределяющие элементы такой техники изготовлены из легированных сталей с низкой удельной металлоемкостью.
Второе поколение посевных машин (рис. 2) представляет собой техническое устройство, осуществляющее подачу посевного материала в сошник под действием двух сил — тяжести и воздушного потока. Воздушный поток создают для уменьшения времени транспортировки семян к сошнику, что позволяет увеличивать скорость движения посевного агрегата и, следовательно, его производительность. Такие машины применяют в технологиях с почвозащитной обработкой почвы, а в качестве высеваемого материала используют семена гибридов (гибриды), помещенные в защитную оболочку (дражированные) из прилипателя с нанесенными поверх него слоями, в составе которых присутствуют микроэлементы для роста, стартовая доза подкормки, биологически активные соединения и ряд других компонентов, стимулирующих развитие растений и создающих благоприятные условия для жизнедеятельности микрофлоры, преобразующей минеральные вещества в формы, доступные для поглощения корневой системой. Наличие защитной оболочки позволяет перемещать их по пневмосистеме и через делители в виде направляющих или отбойных пластин без повреждения зародыша.
Первое поколение гибридов (Р,), получаемых от скрещивания двух близкородственных форм в пределах одной популяции организмов, как правило, обладает гетерозисом —ускорением роста, увеличением размеров пло-
колонка делителя
Воздушный
поток
Технологическая схема сеялок второго поколения выполненных на использовании законов механики и гидроаэромеханики
Гибриды растений высеваются дражироваными семенами
Семена гибридов помещены в защитную оболочку
Агротребования не выполняются
Агрогребования
выполняются
Скорость движения сеялки
к
I
I 4 м/с
3 м/с
2 м/с
Движение семян через колонку делителя и семяпроводы вызвано воздушным потоком вентилятора и гравитацией
100
% семян размещённых по глубина заделки в соответствии с агротребованиями
Рис. 2. Схема посевных машин второго поколения.
дов, повышением жизнестойкости и плодовитости. Тетрагибриды (продукт скрещивания четырёх инбредных линий) обеспечивают прирост урожая, например кукурузы, на 30...60 %, по сравнению с сортами. Второе и последующие поколения резко утрачивают свойства, закрепляемые селекцией, и не представляют интереса для сельхозпроизводителей. В случае выращивания гибридов необходимо ежегодное приобретение семян, стоимость которых значительно выше сортовых семян элиты и суперэлиты. Это побуждает изменить не только отношение к технологиям, но и заставляет обеспечивать более точное размещение посевного материала по поверхности поля и глубине заделки. Продолжительность рационального периода сева культурных растений не превышает 5...7 дней, что накладывает более жёсткие требования к надёжности посевных машин. Использование гибридов связано с развитием технологий второго поколения, принципиально отличающихся от интенсивных технологий первого поколения.
Переход на такие технологии в США начался после 1973 г., когда ОПЕК ввел эмбарго на добычу нефти и с тех пор ежегодно ее регулирует. Снижение добычи и увеличение стоимости нефти за короткий период времени в несколько раз, а также понимание того, что ископаемые источники энергии не бесконечны, заставило правительство Соединенных Штатов вложить огромные средства в научные исследования. Политика регулирования и ограничения производства аграрной продукции была радикально пересмотрена, и реализован переход к расширению площади используемых земель и увеличению экспорта продовольствия. Перед учеными была поставлена задача максимально снизить использование дистиллятов в технологиях производства продукции растениеводства, заместив их по мере возможности электроэнергией, которую преимущественно получают на тепловых станциях, используя уголь (хотя есть сведения о расширении доли источников энергии, преобразую-
щих силу ветра, приливов, воды и атома).
В результате появились технологии второго поколения, в которых дистилляты требуются только при посеве, обработке защитными препаратами (опрыскивании) и уборке урожая. Остальные операции начали выполнять в условиях стационара.
Разработка второго поколения посевных машин базируется на законах механики, электротехники и гидравлики, используемых для расчёта элементов конструкции и их взаимодействия. Из-за повышенных скоростей движения посевных агрегатов требуется установка специальных приборов для исключения перекрытия либо просевов. Как правило, это системы автоматического управления траекторией движения по заданному алгоритму с привязкой через ОРБ-приём-ник. Необходимо также более сложное управление дозирующими устройствами, особенно в переходные периоды (при разгоне вначале движения, изменении скорости во время совершения манёвра, движении на подъём и др.). Дифференцированное дозирование семян осуществляется при помощи гидромоторов, частота вращения вала которых автоматически регулируется электронными аналоговыми устройствами, работающими натракторах, где реализованы системы безразрывной передачи мощности от двигателя к трансмиссии.
Отечественные предприятия выпускают посевные машины второго поколения, начиная с 90-х гг. Например, Пензенский радиозавод производит универсальные пневматические сеялки «Простор» С-3,6П, С-6П и С-6ПМ, в Кемеровской области изготавливают посевные комплексы «Кузбасс», «Томь». Отличительная особенность техники второго поколения—наличие вертикальных колонок, в верхней части которых поток семян и минеральных удобрений распределяется по вторичным трубопроводам делительной головкой. Управлениетехнологическим процессом осуществляется из кабины трактора с помощью компьютера. Он следит за электромагнитной муфтой привода высеивающих механизмов, подает сигналы об уровне зерна и удобрений в отсеках бункера, информирует механизатора о частоте вращения турбины нагнетателя воздуха в пневмосистему, работе дизельного двигателя, а также о количестве засеянной площади.
Буклеты рекламного характера отечественных производителей посевных машин констатируют: «Подобная техника выпускается за рубежом» фирмами „Тормастер", ,Джон-Дир“, „Кейс“, „Конкорд" и др.». Однако там ее производство освоили в 70-х гг. XX века, а сейчас передали полные комплекты документации в Россию, поскольку начали выпуск машин нового поколения.
Технологическая схема сеялок третьего поколения выполненных на использовании законов механики и гидроаэромеханики
Генетически модифицированные растения высеваются дражироваными и калиброванными семенами
Семена помещены в многослойную оболочку каждый слой которой выполняет определенна функцию
Агротребования не выполняются
Агротребования
выполняются
Скорость движения сеялки
к
4 м/с
3 м/с
2 м/с
U ^
о «
о о Ж с о
Движение семян по семяпроводам к сошникам вызвано воздушным потоком вентилятора и гравитацией
80 go t00
% семян размещённых по глубине заделки в соответствии с агротребованиями
Рис. 3. Схема посевных машин третьего поколения.
Третье поколение посев-нойтехники (рис. 3) представляет собой устройства, подающие посевной материал в сошник под действием сил воздушного потока. Скорость последнего увеличивают по отношению к той, которая реализована на машинах второго поколения. В результате появляется возможность пропорционально увеличить скорость движения посевного агрегата с целью повышения его производительности, но в этом случае используют семена генетически модифицированных растений, помещенные в защитную оболочку.
Для дражирования используют качественные семена с высокой энергией роста и всхожестью более 90 %. Многослойная оболочка драже включает смесь органических и минеральных веществ естественного происхождения, микроэлементы и биостимуляторы для эффективного роста растений на ранней стадии развития.
Посевы трансгенных сельскохозяйственных растений к концу 2007 г. занимали 114 млн га, увеличившись за год на 12 млн га. Особенно выросли за 2007 г. площади генетически модифицированного хлопка и кукурузы (на 13,4 и 10,0млн га соответственно). Больше всего трансгенных растений выращивают в США (57,7 млн га), Аргентине (19,1 млн га), Бразилии (15,0 млн га), Канаде (7,0 млн га). Темпы роста площадей под генетически модифицированными культурами в Индии за год составили 2,4 млн га, в Бразилии — 3,5 млн га, в Парагвае — 0,6 млн га, в ЮАР — 0,4 млн га.
Основная задача генной инженерии сегодня (в отличи е от 90-х гг. XX века, когда наиболее важными считали устойчивость к вредителям, сорнякам и холоду, — придание устойчивости к недостатку влаги. Засухи последних лет в США показали, насколько это необходимо. Эксперименты с такими сортами в прошлом году доказали, что биотехнологи справились и с этой непростой задачей.
Третье поколение посевных машин отличается от второго применением информационныхтехнологий. Принципиальное отличие — максимальная автоматизация, осуществляемая на уровне комплексов, каждый из которых состоит из множества автоматизированных модульных цифровых систем, объединенных одной операционной средой. В России посевную технику третьего поколения не выпускают. За рубежом ее производят, глубоко модернизируя современные машины, применяемые для минимальной обработки почвы. Усовершенствование заключается в автоматизации управления всеми процессами, что позволяет при помощи программного моделирования виртуально проектировать работу посевного агрегата в офисе, а затем загружать разработанный сцена-
рий в его компьютерные системы. После этого комплекс осуществляет запрограммированные технологами операции, предоставляя отчёт об их выполнении в режиме реального времени. Сбои или нарушения в работе агрегата устраняются с места в кабине либо из офиса, если оператор посевного комплекса не вносит изменения путём корректировки загруженной программы.
Выводы. Таким образом, интенсификация технологий производства продукции земледелия потребовала создания для каждой ступени их развития соответствующих по уровню технического исполнения посевных машин. Принципиально выделяются три поколения технологий и, следовательно, посевных машин.
Первое построено исключительно на знаниях законов механики, предназначено для посева семян культурных растений, отбираемых по сортовым признакам. Отечественная промышленность серийно производит такие посевные машины для всех климатических зон и трёх уровней интенсификации. Импортные аналоги обладают большим техническим ресурсом, не выделяясь по технологическому исполнению.
Второе поколение посевных машин построено на знаниях законов механики, электротехники и гидравлики. Автоматизированные системы, широко применяемые при их создании, ориентированы для работы посевных агрегатов на более высоких скоростях. Это предполагает рост производительности техники, но требует специальной подготовки семян. Посевной материал для машин второго поколения представляет собой дражи-рованные семена гибридов культурных растений.
Третье поколение посевных машин построено на зна-ниях законов механики, гидравлики, электротехники и электроники, сложных систем и реализовано на основе передачи управляющего цифрового сигнала. Применяемые информационные технологии обеспечиваютв режиме реального времени максимальную автоматизацию
управления работой комплексов, состоящих из множе- для технологий первого поколения в целом технологи-
ства модульных автоматизированных систем. Высевае- чески и экономически нецелесообразно. Однако если
мый материал для машин третьего поколения — много- сравнивать только расход топлива и производительность,
слойно дражированные семена генетически модифици- то снижение эксплуатационных затрат в период гаран-
рованных растений. тайного использования техники второго поколения оче-
Использование посевных машин второго поколения видно.
Литература.
1. Синягин И.И. Площади питания растений. — М.: Россельхозиздат, 1975. — 382 с.
A CONCERT OF SEEDING MACHINE DEVELOPMENT V.V. Alt, S.G. Shchukin, V.A. Valkov
Summary. There is offered a way to classify seeding machines as to generations based on theoretical computation of maximum allowed processing speed of seed material feeding for application into soil. There are given the design features for error-free division of seeding machines into generations, each of them possessing limit performance capabilities and restrictions.
Keywords: seeding machines, classification, design features, seeding material, seed feed speed, technologies, plant variety, hybrids, pelleting, speed of seeder movement.
УДК 631.331.81.02
ПОСЕВНАЯ СЕКЦИЯ ЗЕРНОТУКОВОЙ СЕЯЛКИ
Н. Ф. СКУРЯТИН, доктор технических наук, заведующий кафедрой
С.В. МЕРЕЦКИЙ, аспирант А.В. БОНДАРЕВ, аспирант Белгородская ГСХА E-mail: bsaa@belgtts.ru
Резюме. Статья посвящена разработке энергосберегающей посевной секции зернотуковой сеялки прямого посева, приведены методы теоретического и экспериментального определения тягового сопротивления комбинированного сошника.
Ключевые слова: почва, скалывание, посевная секция, комбинированный сошник, тяговое сопротивление, энергосбережение.
В Центрально-Черноземной зоне более 56% пашни расположены на склонах, превышающих 1°. Диапазон их углов изменяется от 0 до 8° [1].
Среднегодовой смыв почвы в ЦЧР на склонах по данным разных авторов колеблется в интервале 3,9...8 т/га, что существенно выше допустимой величины. В Белгородской области с 1 га склоновых земель ежегодно смывается до 12 т почвы [2].
Для сокращения стока воды со склоновых площадей, отводимых под зерновые, и уменьшения затрат энергии, разработаны способы посева и устройства для их осуществления.
Способ посева зерновых культур на склонах с внесением стартового и основного удобрения заключается в следующем.
В почве в вертикальной плоскости выполняют щель на глубину, ниже уровня размещения семян, в горизонтальной — на глубине сева почву подрезают и поднимают на некоторую высоту. При этом образуется полое пространство, сечение которого пред-
ставляет собой равнобокую трапецию, обращенную меньшим основанием вниз. Длина последнего равна ширине междурядья, а угол наклона боковых стенок трапеции к горизонтали не превышает угла естественного откоса почвы. В борозду по углам, образованным боковыми сторонами и нижним основанием, укладывают семена вместе со стартовой дозой минеральных удобрений. В щель, размещенную между рядками семян, ниже их уровня — основную дозу минеральных удобрений в виде вертикальной ленты или рядка. На глубине, выше образованной борозды, слева и справа от нее в горизонтальной плоскости почву подрезают на расстояние не менее половины ширины междурядья. Затем поднятая почва опускается в борозду и уплотняется.
Борозды и щели, сформированные поперек склона, будут выполнять функции накопителей, что позволит сократить сток воды, смыв почвы и удобрений.
Для осуществления предложенного способа сева зерновых культур разработана посевная секция (рис. 1), которая работает следующим образом. При опускании рамы сеялки 1 в рабочее положение и ее движении, самоустанавливающийся дисковый нож 2, стоящий перед комбинированным сошником 3, погружается в почву. Вслед за ним тукопровод 16 входит в щель, образованную самоустанавливающимся дисковым ножом 2 в почве. Одновременно стрельчатая лапа 14, жестко закрепленная к нижней части стойки 5, погружается в почву до момента соприкосновения катков 13, расположенных на перпендикулярной оси 12, закрепленной на переднем конце вилки 11 с поверхности поля.
При движении самоустанавливающийся дисковый нож разрезает растительные остатки на поверхности почвы и выполняет в ней щель, на глубину,
