CC BY
22
DOI: 10.24411/0044-3913-2019-10803 УДК 631.33.024.3
Минимизация энергоёмкости адаптивных рабочих органов сеялок на прямом посеве зерновых культур
D. V. Purgin, V. I. Usenko,
V. I. Kravchenko, A. A. Garkusha,
S. V. Usenko, V. P. Oleshko
Federal Altai Scientific Center of Agrobiotechnologies, Nauchnyi gorodok, 35, Barnaul, 656910, Russian Federation
Abstract. The studies were carried out in 2006-2018 in the crop rotation of fallow -wheat - wheat - oats. The purpose of the work was to evaluate the influence of tillage methods of chestnut soil, the use of nitrogen fertilizers and herbicides on the infestation of crops in the Kulunda steppe of the Altai Krai. We studied tillage methods (factor A) and chemicalization means (factor B). Tillage methods included subsurface cultivation at 14-16 cm; moldboard ploughing at 18-20 cm; surface cultivation at 6-8 cm; surface cultivation at 6-8 cm + Roundup, 3 L/ha in the fallow field. Chemicalization means included the option without fertilizers and herbicides; di-cotycide + graminicide; herbicides + N40. The output of weeds' dry mass in the field with the first wheat was 55.3 g/m2, the second wheat -79.2g/m2, oats - 117.3 g/m2. The infestation of the first wheat depended on the processing method (61.4%), the second wheat and oats -on the use of chemicals (68.3 and 81.7%). The weight of weeds in wheat crops against the background of ploughing was 1.1-1.5 times lower than after subsurface and surface treatments. The use of the dicotycide and graminicide in wheat crops provided a decrease in the dry weight of weeds by 10.9-17.5%; and the dicotycide application in oats crops provided its increase by 3.8%, compared with the background without herbicides. With the combined use of nitrogen fertilizers and herbicides, the dry weed biomass increased in crops of the first wheat by 6.0 g/m2 (12.1%), of the second wheat - by 29.0 g/m2 (43.4%), of oats - by 78.2 g/m2 (84.6%), relative to the non-fertilized background. Its greatest decrease (by 48-65%) in wheat crops was noted when using herbicides against the background of ploughing, in oats crops - against the background of surface treatment. The total number of weeds and cereal annual and biennial weeds before harvesting depended on the method of soil cultivation, annual and biennial dicotyledons -on the chemicalization means, and the number of perennial weeds depended on the action of both factors and their interaction.
Keywords: infestation; dry steppe; tillage; herbicides; nitrogen fertilizers; grain crops.
Author Details: D. V. Purgin, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow; V. I. Usenko, D. Sc. (Agr.), chief research fellow (e-mail: usen-ko.001@mail.ru); V. I. Kravchenko, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow;A. A. Garkusha, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow (email: aniish@mail.ru); S. V. Usenko, Cand. Sc. O) (Agr.), leading research fellow; V. P. Oleshko, O D. Sc. (Agr.), chief research fellow. N Forcitation: Purgin D. V., Usenko V. I., Kravchenko V. I., GarkushaA. A., Usenko Z S. V., Oleshko V. P. Crop Infestation in the jjj Grain-Fallow Crop Rotation Depending on g Tillage Method and Chemicalization Means ti Used. Zemledelie. 2019. No. 8. Pp. 6-14 g (in Russ.). DOI: 10.24411/0044-3913-S 2019-10802.
И. И. ГУРЕЕВ, доктор технических наук, зав. лабораторией (e-mail: gureev06@mail.ru)
Курский федеральный аграрный научный центр, ул. Карла Маркса, 70б, Курск, 305021, Российская Федерация
С целью минимизации энергоёмкости прямого посева на разрезающих дисках сеялки, формирующих посевные бороздки, использовали принцип скользящего резания почвы и стеблей растительных остатков. Диски для этого через кинематическую связь подтормаживали опорными колёсами сеялки. Применение такого принципа, помимо снижения энергоёмкости посева, позволило предотвратить затягивание на дно посевных бороздок стеблей растительности, которые при минерализации выделяют токсины, негативно сказывающиеся на всхожести семян. Оценку эффективности инновации проводили в экспериментальных исследованиях на стерневом необработанном фоне после уборки озимой пшеницы на зелёный корм. Твёрдость почвы на участке проведения исследований составляла 1,71 Мпа, влажность в слое 0...5 см - 19,7 %, высота стерни - 19,3 см, её масса - 0,21 кг/м2, среднее нормальное давление лезвия разрезающего диска на почву - 4,6 кН/м. При глубине бороздок большей 3,7 см на опорных колёсах сеялки проявляется эффект реактивного подталкивающего усилия про-
скальзывающих разрезающих дисков, благодаря которому снижается тяговое сопротивление посевных секций и, соответственно, энергоёмкость посева. При глубине бороздок 5 см уменьшение тягового сопротивления составило 24 %. При этом равная глубина посевных бороздок достигается меньшей на 34...72 % вертикальной нагрузкой на проскальзывающие диски, в сравнении с дисками свободно перекатывающимися. По результатам сравнительных испытаний экспериментальных образцов сеялок при посеве озимой пшеницы по необработанной стерне после уборки овса машина с проскальзывающими разрезающими дисками характеризовалась меньшими в 1,9 раза удельным тяговым сопротивлением и в 1,6 раза затратами энергии на выполнение технологического процесса, в сравнении с сеялкой, оснащённой свободно перекатывающимися разрезающими дисками.
Ключевые слова: прямой посев, зерновая сеялка, разрезающий диск, скользящее резание, глубина бороздки.
Для цитирования: Гуреев И. И. Минимизация энергоёмкости адаптивных рабочих органов сеялок на прямом посеве зерновых культур // Земледелие. 2019. № 8. С. 14-17. DOI: 10.24411/00443913-2019-10803.
Для дальнейшего наращивания производства высококачественного зерна и снижения его себестоимости технологии возделывания
Рис. 2. Взаимодействие разрезающего диска с почвой: Я — радиус разрезающего диска; а1 — угол входа в почву диска радиусом Я; К — глубина посевной бороздки; ¥ — равнодействующая сил сопротивления проникновению диска в почву; ¥п и ¥т — нормальная и тангенциальная составляющий силы ¥; ¥х и ¥у — горизонтальная и вертикальная составляющий силы ¥; аь — положение радиуса Я в точке В на периметре диска; Уь — абсолютная скорость точки В; т — угол между нормалью ¥п и вектором ¥ь.
зерновых культур и средства их механизации должны быть адаптированы к вариабельным свойствам почвы. Один из основных приёмов агротехнологий, оказывающих непосредственное влияние на состояние почвы, - её механическая обработка. В зависимости от складывающихся почвенно-метеорологических условий под зерновые культуры используют различные виды обработки почвы, вплоть до полного отказа от ее проведения при прямом посеве.
Эффективность прямого посева обусловлена, прежде всего, снижением эрозионных процессов [1]. Кроме того, в длительных полевых опытах на фонах с прямым посевом установлено повышение плодородия почвы вследствие увеличения содержания органического вещества и улучшения структурности [2, 3].
Наиболее привлекателен прямой посев в условиях дефицита увлажнения. Так, применение его при возделывании яровой пшеницы на засушливом юге Западной Сибири позволило на 40 % повысить запасы продуктивной влаги [4].
Энергоёмкость и качество прямого посева в значительной степени определяет способность рабочих органов сеялок формировать в необработанной почве посевные бороздки с требуемыми параметрами. Исходя из многообразия почвенно-климатических условий возделывания зерновых культур, рабочие органы для их посева должны быть адаптивными и с высоким качеством выполнять технологический процесс
не только на интенсивно подготовленных фонах. При реализации прямого посева они должны хорошо заглубляться в необработанную почву и перерезать пожнивные растительные остатки, не затягивая их на дно посевных бороздок. В противном случае свежее минерализующееся органическое вещество выделяет токсины, которые негативно сказываются на всхожести семян [5].
Высокую эффективность при прямом посеве показали рабочие органы в виде посевных секций,
содержащих разрезающие диски 1 с лезвием по периметру и размещённые по их следу сошники 2 (рис. 1) [6].
Диски 1 нарезают посевные бороздки, на дно которых сошники 2 укладывают семена. Для облегчения условий резания почвы и стеблей растительности, а также повышения заглубляющей способности, диски 1 посредством кинематической связи 3 подтормаживаются опорными колёсами 4 сеялки. Вследствие этого отношение окружной скорости периметра дисков V1 к поступательной скорости сеялки V2 (кинематический режим X) меньше единицы. Лезвия подторможенных дисков 1 проскальзывают относительно перерезаемого материала, осуществляя облегчённое скользящее резание почвы и стеблей растительности.
Цель исследования - минимизация энергоёмкости адаптивных рабочих органов сеялок при прямом посеве зерновых культур.
Условия, материалы и методы. При нарезке посевных бороздок глубиной h лезвия дисков контактирует с почвой по дуге ЕС = Я (то/2-а1), где а1 - угол входа в почву диска радиусом Я (рис. 2).
В точке В дуги приложена равнодействующая Fсил сопротивления почвы проникновению диска, слагаемая из нормальной Fn и тангенциальной F составляющих:
,кН;
где q - среднее удельное на единицу длины дуги ЕС давление
Рис. 3. Вектор абсолютной скорости точки В на периметре разрезающего диска: Я — радиус разрезающего диска; К — глубина посевной бороздки; У1 — окружная скорость периметра диска; У2 — поступательная скорость сеялки; аь — положение радиуса Я в точке В на периметре диска; Уь — абсолютная скорость точки В; т — угол между нормальной составляющей сил сопротивления проникновению диска в почву и вектором V.
Ы
Ф
з
ь
ф
д
ф
ь
Ф
00 О (О
Глубина бороздок, см
Рис. 4. Зависимость вертикальной составляющей силы сопротивления почвы проникновению разрезающего диска от его кинематического режима и глубины нарезаемой бороздки:--теоретически; — — — — — по уравнению регрессии.
лезвия диска на почву, кН/м; т - угол между нормалью Fn и вектором Vb абсолютной скорости точки В (угол скольжения).
Горизонтальная Fx и вертикальная Fy составляющие силы F удовлетворяют системе уравнений:
Fx = Fn cosa„ + FT sinab, кН;
Fy = Fn sina„ -FT cosab, кН;
резающих дисков соответствует кинематический режим X = 0,24 [6], при котором взаимосвязь (4) аппроксимируется линейной функцией с достоверностью 100 %:
х = Ьа + с;
где Ь = 68,3 и с = -20,1.
Тогда выражения (2) с учётом (3) и (5) преобразуются к виду:
где аЬ - положение радиуса Я диска в точке В. Очевидно,
9 =
1
-а.
da, кН;
(2)
а„ =
<7а =</оат(а), кН/м;
(3)
о ^
о
N 00
ш
S ^
ф
и
ш ^
2
ш м
т = arctg
X-sina
cosa
(4)
Известно, что лучшим агротехническим показателям работы раз-
= —^—t2aba+cda =
fn i J°i
U
_ q0a'
-а.
*
е"2 -etal
кН/м;
где qa - удельное давление диска на почву при текущем значении угла а, кН/м.
По экспериментальным данным [7], с увеличением угла скольжения т необходимое для резания стеблей растительности значение qa уменьшается. Формализуется эта взаимосвязь зависимостью [8]:
где q0- значение q при т = 0, кН/м; а - постоянный коэффициент, а < 1; т (а) - взаимосвязь углов т и а.
По теореме синусов из векторного треугольника V1BVb следует (рис. 3):
e^lk^-ll-e^ika-l)
ek 2
где а = 0,989; к = Ь1па = -0,754.
Для свободно перекатывающихся разрезающих дисков (Х=1) коэффициенты уравнения (5) имеют следующие значения с достоверностью аппроксимации 100 %: Ь = -28,7 и с = 45,0.
Сила сопротивления почвы проскальзывающим разрезающим дискам создаёт относительно их оси О крутящий момент М, который через кинематическую связь передаётся на вал опорных колёс сеялки (см. рис. 1). Под действием момента М в точке контакта опорных колёс с поверхностью поля возникает реактивная подталкивающая сила ДFx: Р о
ДГ кН;
г
где г - радиус опорного колеса сеялки, г = 0,6225 м.
Суммарное тяговое сопротивление сеялки уменьшается на величину ДFx и составляет:
^ = F - ДF , кН.
XX X '
Оценку влияния кинематического режима разрезающих дисков X и глубины бороздок h на величину тягового сопротивления сеялки и вертикальную составляющую силы сопротивления почвы проникновению дисков Fy проводили на стерне после уборки озимой пшеницы на зелёный корм. Почва экспериментального участка характеризовалась твёрдостью 1,71 МПа и влажностью в слое 0...5 см - 19,7 %. Высота стерни была равна 19,3 см, а её масса -0,21 кг/м2. Среднеквадратическое отклонение гребнистости поля - 1,6 см. Условия испытаний соответствовали q0 = 4,6 кН/м.
Эффективность разработанной конструкции оценивали в сравнительных испытаниях экспериментальных образцов сеялок, проведенных на посеве озимой пшеницы по необработанной стерне после уборки овса.
Результаты и обсуждение. По результатам эксперимента было построено линейное уравнение регрессии, которое адекватно описывает процесс с доверительной вероятностью 90 % по критерию Фишера:
Fy = 0,03+0,14Х+0,0422Л, кН. (6)
Сопоставление теоретической(1) и экспериментальной (6) моделей (рис. 4) показало их удовлетворительную сходимость.
Приведенные данные свидетельствуют о преимуществе использования принципа скользящего резания для разрезающих дисков (X = 0,24) по их способности нарезать посевные бороздки необходимой глубины для заделки семян культуры. Одинаковая глубина бороздок при X = 0,24 достигается меньшей на 34.72 % вертикальной нагрузкой на разрезающие диски, в сравнении с X = 1.
При глубине бороздок до h = 3,7 см наблюдалось более высокое тяговое сопротивление посевной секции с проскальзывающим разрезающим диском (рис. 5). Объясняется это облегчёнными условиями формирования бороздок на небольшую глубину, вследствие чего у проскальзывающих дисков эффект от подталкивающей силы ДFx невелик. Поэтому свободно перекатывающиеся разрезающие диски формируют бороздки с меньшим тяговым усилием.
Однако практическое значение при посеве зерновых культур имеет глубина бороздок Л>3,7 см. В этом случае обозначаются преимущества
О 0
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 1
A =1
A =0,24
3 4
Глубина бороздки, см
Рис. 5. Зависимость тягового сопротивления посевной секции от кинематического режима разрезающего диска и глубины нарезаемой бороздки.
проскальзывающих разрезающих дисков. Сопротивление внедрению дисков в почву нарастает пропорционально глубине бороздок и, соответственно, в большей степени проявляется эффект реактивного подталкивающего усилия от использования принципа скользящего резания. Благодаря этому эффекту при глубине бороздок 5 см тяговое сопротивление посевной секции с проскальзывающим диском составило 0,33 кН, а у конструкции со свободно перекатывающимся диском - 0,41 кН, или на 24 % выше. При дальнейшем увеличении глубины бороздок разница тягового сопротивления в пользу проскальзывающего разрезающего диска возрастает. Пропорционально снижению тягового сопротивления посевных секций уменьшается энергоёмкость прямого посева зерновых культур.
По результатам сравнительных полевых испытаний удельное тяговое сопротивление сеялки с проскальзывающими разрезающими дисками (новый вариант) было ниже, чем у машины, оснащённой свободно перекатывающимися разрезающими дисками (база для сравнения), в 1,9 раза, затраты энергии на выполнение технологического процесса - в 1,6 раза. При этом с использованием нового варианта полевая всхожесть семян оказалась равной 88,0 %, что на 10,7 % выше, по сравнению с базой. Кроме того, применение модернизированной сеялки способствовало сохранению стерни на уровне 46,5 %, против 16,1 % при использовании базового варианта.
Выводы. Использование принципа скользящего резания для разрезающих дисков зерновой сеялки позволяет снизить энергоёмкость прямого посева культур благодаря облегчению условий резания почвы и стеблей рас-
тительности разрезающими дисками, а также повышению их заглубляющей способности в необработанную почву. На опорных колёсах сеялки проявляется эффект реактивного подталкивающего усилия от проскальзывающих дисков, который снижает тяговое сопротивление сеялки.
Литература.
1. Conservation agriculture and ecosystem services: an overview / C. Palm, L. Gatere, H. Blanco-Canqui, etc. // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2014. Vol. 187. Pp. 87-105.
2. Büchi L. Long and short term changes in crop yield and soil properties induced by the reduction of soil tillage in a long term experiment in Switzerland / L. Büchi, M.Wendling, C. Amossé, etc. // Soil & Tillage Research. 2017. Vol. 174. Pp. 120-129.
3. Long-term effect of contrasted tillage and crop management on soil carbon dynamics during 41 years / B. Dimassi, B. Mary, J. Labreuche, etc. // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2014. Vol. 188. Pp. 134-146.
4. Impact of tillage, seeding rate and seeding depth on soil moisture and dry land spring wheat yield in Western Siberia / I. Kühling, D. Trautz, G. Broll, etc. // Soil & Tillage Research. 2017. Vol. 170. Pp. 43-52.
5. Как ускорить процесс разложения растительных остатков // WWW. AGROCOUNSEL.RU - информационный сайт о сельском хозяйстве [Электронный ресурс]. URL: http://www.agrocounsel. ru/kak-uskorit-protsess-razlozheniya-rastitelnyh-ostatkov (дата обращения: 11.11.2019).
6. Гуреев И. И. Повышение заглубляющей способности сошников сеялок прямого посева // Актуальные проблемы инженерно-технического обеспечения АПК: материалы Международной научно-практической конференции, 23-25 января 2013 г., г. Курск. Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2013. С. 8-9.
7. Клёнин Н. И., Сакун В. А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины:
Элементы теории рабочих процессов, расчёт регулировочных параметров и режимов работы. М.: Колос, 1980. 671 с.
8. Гуреев И. И. Влияние изменения параметров ножей фрезы при обработке стерни // Доклады ВАСХНИЛ. 1983. № 5. С. 42-44.
Minimization of Energy Capacity of Adaptive Working Bodies of Seeders at the Direct Seeding of Cereals
I. I. Gureev
Kursk Federal Agrarian Scientific Center, ul. Karla Marksa, 70 b, Kursk, 305021, Russian Federation
Abstract. In order to minimize the energy intensity of direct sowing, on the cutting disks of the seeder, forming sowing furrows, the principle of sliding cutting of the soil and stalks of plant residues was used. For this purpose, the discs were braked by the support wheels of the seeder through a kinematic connection. The application of this principle, in addition to reducing the energy intensity of sowing, helped to prevent the pulling of the stems to the bottom, which emit toxins during mineralization that adversely affect the germination of seeds. The effectiveness of the innovation was evaluated in experimental studies against a stubble unprocessed background after harvesting winter wheat for green fodder. The soil hardness at the research plot was 1.71 MPa, the moisture content in the 0-5 cm layer was 19.7%, the stubble height was 19.3 cm, its weight was 0.21 kg/m2, the average normal pressure of the cutting disk blade on the soil was 4.6 kN/m. With a furrow depth greater than 3.7 cm, the effect of the reactive pushing force of the sliding cutting discs is manifested on the support wheels of the seeder, due to which the traction resistance of the sowing sections and, accordingly, the energy consumption of the sowing are reduced. With a groove depth of 5 cm, a decrease in traction resistance was 24%. The uniform depth of sowing grooves is achieved by a 34-72% less vertical load on sliding disks, in comparison with disks that are freely rolling. According to the results of comparative tests of experimental seeders when sowing winter wheat in uncultivated stubble after oats harvesting, the machine with slipping cutting discs was characterized by a 1.9 times lower specific traction resistance and 1.6 times less energy consumption for the technological process, compared to a seeder, equipped with freely rolling cutting discs.
Keywords: direct seeding; grain drill; cutting disc; sliding cutting; furrow depth.
Author Details: I. I. Gureev, D. Sc. (Agr.), head of laboratory (e-mail: gu-reev06@mail.ru).
For citation: Gureev I. I. Minimization of Energy Capacity of Adaptive Working Bodies of Seeders at the Direct Seeding of Cereals. Zemledelije. 2019. No. 8. Pp. 14-17(in Russ.). DOI: 10.24411/00443913-2019-10803.
Ы (D 3 ü
(D
д
(D
5
(D
00 2 О
0
