CC BY
44
УДК 631.333
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ РАССЕИВАТЕЛЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
© 2016 г. В.А. Черноволов, В.И. Хижняк, А.Ю. Несмиян, В.В. Грузинов
В условиях засушливого земледелия и высокого уровня цен на минеральные удобрения важно бережно использовать содержащиеся в них питательные вещества, для чего удобрения необходимо точно распределять по поверхности поля в количествах, напрямую зависящих от влагообеспеченности. В связи с этим целью проведенного исследования является разработка и внедрение в сельскохозяйственное производство рассеивателя удобрений, конструкция и параметры которого позволят обеспечить равномерное распределение по полю материалов с различными технологическими свойствами.
Для достижения поставленной цели в Азово-Черноморском инженерном институте ФГБОУ ВО Донской ГАУ (г. Зерноград Ростовской области) был разработан навесной рассеиватель удобрений, в конструкции которого применен ряд оригинальных технических решений: обоснованные формы дозирующих прорезей в регулирующих заслонках; отдельная отсекающая заслонка; центробежный разбрасыватель удобрений со ступенчатыми лопастями; механизм регулировки точки подачи удобрений на разбрасывающий рабочий орган; гидрофицированный поворотный ворошитель удобрений, прибор для проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева.
Производство рассеивателя предложенной конструкции осуществляет ООО «Таганрогсельмаш» (г. Таганрог Ростовской области). Результаты его исследования в условиях машиноиспытательной станции позволили заключить, что машина обеспечила уровень отклонения фактической дозы внесения удобрений от заданной менее 2,0%. При рабочей скорости от 4,7 до 15,0 км/ч доза внесения удобрений варьировалась от 24,3 до 678,5 кг/га, а производительность за час основного времени - от 5,6 до 23,3 га/ч.
В целом можно заключить, что предложенная конструкция рассеивателя удобрений соответствует современному уровню развития сельскохозяйственной техники, а применение совокупности оригинальных решений позволяет повысить точность распределения удобрений по площади поля в сравнении с действующими аналогами.
Ключевые слова: равномерность распределения удобрений, доза внесения удобрений, регулирующие заслонки, усовершенствование конструкции рассеивателя удобрений, результаты испытаний, повышение эффективности применения удобрений.
In conditions of arid agriculture and high fertilizers prices it is important to use nutrients they contain carefully, therefor the fertilizer must be accurately distributed on the surface of the field in quantities which directly depend on moisture. In this regard the purpose of the research is the designing and implementation into agricultural production of fertilizer diffuser, the construction and the parameters of which will ensure uniform distribution of materials with different technological properties on the field.
To achieve this purpose in the Azov-Black Sea Engineering Institute that is the branch of FSBEI HE «Don SAU» (Zernograd, Rostov region) the diffuser mounted fertilizer was designed in the construction of which there was applied a number of such original technical solutions as reasonable shape of metering notches in regulating dampers; separate cutoff valve; a centrifugal fertilizer spreader with staggered blades; adjustment mechanism of fertilizer supply point on spreader working body; hydroficated rotary haymaker fertilizers, tester of a set fertilizer dose and sieving symmetry.
Ltd. "Taganrogselmash" (Taganrog, Rostov region) produces the diffuser of the proposed design. The results of its research at a machine-test station allowed to conclude that the machine provided the level of fertilizer application actual dose deviation from the set one on less than 2,0%. At the operating speed from 4,7 to 15,0 km/h dose of fertilizer application varied from 24,3 to 678,5 kg/ha and productivity varied from 5,6 to 23,3 m/h for an hour of regular time.
In general, it can be concluded that the proposed design of the fertilizer diffuser corresponds to the modern level of development of agricultural technology, and the application of original solutions combination improves the accuracy of the fertilizer distribution on the field area in comparison with existing analogues.
Keywords: fertilizer distribution uniformity, fertilizer application dose, regulating valves, improving the design of the fertilizers diffuser, test results, improving the efficiency of fertilizer application.
Введение. Одним из важнейших влияние на урожайность
факторов, оказывающих первостепенное сельскохозяйственных культур, является
качество минерального питания при достаточной влагообеспеченности [1-3]. При этом уровень применения минеральных удобрений сдерживается как содержанием влаги в почве, которая на неорошаемых участках зависит от климатических условий, так и высокими ценами - в себестоимости продукции затраты на минеральные удобрения доходят до 30-60% [1, 3]. В этих условиях особо важно бережно использовать содержащиеся в них питательные вещества, для чего удобрения необходимо равномерно распределять по поверхности поля в количествах, напрямую зависящих от влагообеспеченности.
Для распределения по поверхности поля твердых минеральных удобрений в гранулированном виде с последующей заделкой их почвообрабатывающими орудиями, а также подкормки культурных растений, лугов и пастбищ в Азово-Черноморском инженерном институте -филиале Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской
государственный аграрный университет» в г. Зернограде был разработан рассеиватель минеральных удобрений ТРУД-1Б (рисунок 1), производство которого осуществляет общество с ограниченной ответственностью «Таганрогсельмаш».
Дозирование расхода удобрений у разработанного рассеивателя, как и у большинства навесных распределителей удобрений, выполняется двумя
заслонками, расположенными
концентрично распределяющему диску. Форма прорезей в заслонках имеет существенное значение для получения качественного распределения удобрений. Правильным выбором формы щелей можно одновременно регулировать расход и радиус подачи. В связи с этим при проектировании рассеивателя удобрений ТРУД-1Б решалась задача разработки способа построения прорезей дозирующих заслонок, обеспечивающих постоянство математического ожидания и среднего квадратического отклонения угла бросания удобрений при регулировке дозы их внесения.
Рисунок 1 - Рассеиватель ТРУД-1Б задачи и методики
Решение исследования.
Угол схода удобрений с диска Ш является функцией радиуса подачи г0. Для радиальной лопатки уравнение имеет вид
йЯ = ■
со8ф
1п ■
2Я
1 - 8Ш ф Г0 (1 + 8Ш ф)
где ф - угол трения удобрений по лопаткам диска, град;
Я - радиус распределяющего диска, м.
Подставим значение М в формулу угла бросания и рассмотрим угол а как функцию случайных аргументов г0 и угловой координаты зоны подачи X.
~ cosç , а = ал--ln -
2R
1 - sin^ r (1 + sin^)
+ 0, (2)
где в - угол между радиусом и вектором
скорости частицы при сходе с диска;
а, X - отсчитываются от поперечной оси координат в направлении вращения диска.
Заданное постоянное значение угла бросания а можно получить только при определенных сочетаниях аргументов, удовлетворяющих уравнению (2), которое, после преобразования имеет вид
, ч 2Я . (1 -8'тт)(а-в-А) /">л
г (а) = --:-ехр(----. (3)
1 + ътф 008 ф
Последнее уравнение в полярных координатах г, X дает логарифмическую спираль вида р = а ехр(кХ), где а и к -параметры спирали, определяемые по зависимостям:
a =
2R 1 - sin ф ,
exp(--(а-0)),
1 + sin^
k = ctg3 =
cosç 1 - sin^
(4)
008ф
Подача удобрений в любую точку спирали дает заданное постоянное значение угла бросания а. Форма спирали зависит только от угла трения частиц по лопаткам, а ее расположение - от ф, а и Я.
Задача выбора положения места подачи должна рассматриваться с позиций обеспечения заданного значения математического ожидания угла бросания и оптимального значения его среднего квадратического отклонения.
Среднее квадратическое отклонение угла бросания рекомендуется выбирать в пределах 0,8-1,0 радиан. Так как среднее квадратическое отклонение угла бросания зависит от радиуса подачи и расхода
удобрений через аппарат, то возникает вопрос, какими способами можно поддерживать его значение в указанных пределах. При постоянном радиусе подачи с увеличением расхода угол сектора рассева увеличивается.
Для диска диаметром Б = 500 мм с радиальными лопатками эмпирическая зависимость среднего квадратического отклонения от радиуса подачи и расхода определена формулой
аа= 0,834 - 6,056 • r +15,146 • r2 + + 0,167 • Q + 0,040 • r • Q.
(5)
Постоянство математического
ожидания угла бросания будет выполнено, если середина прорези совпадает со спиралью равных углов схода, построенной по зависимостям (3, 4). Спираль надо построить при заданных значениях радиуса диска, угла трения, угла в. Угол 3 между радиусом и касательной к первой спирали следует определять по зависимости
3 = arcctg
1 - sin^ cos^
(6)
При ф = п/6 угол 3 равен 60°. Угол между спиралью второй заслонки должен быть на 90° меньше, то есть -30°. Спираль второй заслонки должна быть левой, её коэффициент к должен быть
отрицательным. Построенные таким образом спирали пересекаются под углом 90°, что и требуется.
Для постоянства среднего
квадратического отклонения угла бросания по уравнению (5) определим соответствие между расходом и радиусом подачи при постоянном аа. Для этого создадим вектор расходов (рисунок 2) и по уравнению (5) найдем радиус подачи для всех расходов. Далее, используя теоретическую или эмпирическую зависимость между расходом и диаметром дозирующего отверстия, вычисляем диаметры
дозирующих отверстий, соответствующих заданному расходу и радиусу подачи.
Рисунок 2 - Построение прорези первой дозирующей заслонки
Затем в графическом редакторе вычерчивается спираль равных углов бросания (рисунок 2) и сетка полярных координат. В точках пересечения спирали с окружностями радиусов п проводим окружности диаметров &/. Значения п и & берем как элементы векторов из рисунка.
Огибающие семейства окружностей будут ограничивать прорезь первой заслонки.
Вторая заслонка (рисунок 3) должна иметь прорезь, у которой сохранена такая же, как на рисунке 2, зависимость между радиусом и диаметром отверстия, но форма спирали должна быть левой и ортогональной первой спирали.
Рисунок 3 - Построение левой прорези второй дозирующей заслонки
При выполнении этих условий дозирующее отверстие, образованное пересечением прорезей, близко к квадрату
(рисунок 4), а вписанная в него окружность близка к расчетной для заданного расхода.
1, 2, 3, 4 - положения дозирующей заслонки Рисунок 4 - Форма дозирующего отверстия при различных углах поворота
регулирующей заслонки Над поворотными заслонками любой момент из кабины трактора без установлена отсекающая заслонка, нарушения предварительных настроек. позволяющая производить включение и Кроме того, в конструкции
выключение рассеивателя в работу в применены оригинальные конструкции
центробежного распределителя со ступенчатыми лопатками [5],
снабженными укосниками, и
гидрофицированного ворошителя
удобрений [6].
Применение дозирующих заслонок, выполненных по условию постоянства угла схода частиц и центробежного распределителя, снижает вероятность попадания удобрений на агрегатирующий трактор и саму машину. При этом неравномерность распределения
различных по свойствам минеральных удобрений полностью соответствует агротехническим требованиям, для этого в конструкции рассеивателя предусмотрен механизм регулирования равномерности внесения удобрений.
Результаты и их обсуждение. Оригинальная конструкция дозирующего устройства позволяет вносить удобрения с дозами от 30 до 680 кг/га, при этом использование гидрофицированной
заслонки в нем при разворотах в движении обеспечивает прерывание истечения удобрений в целях их экономии, с сохранением предварительных настроек. Одновременно с заслонкой в действие приводится ворошитель [6]
периодического действия, который активизирует истечение удобрений, не измельчая их.
В 2015 году рассеиватель ТРУД-1Б успешно прошел испытания в ФГБУ
Кроме того, рассеиватель
комплектуется прибором для проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева по ширине захвата (рисунок 5).
«Северо-Кавказская государственная
зональная машиноиспытательная станция» [6].
В результате испытаний были получены следующие результаты: отклонение фактической дозы внесения удобрений от заданной при различных значениях составило
0,9-2,0% (требования СТО АИСТ 1.13 не более 8,0%); рабочая ширина захвата 13,015,5 м; неравномерность распределения удобрений по ширине захвата 22,0-23,7%; неравномерность распределения удобрений по ходу движения 6,5-13,9% [7].
При агрегатировании с трактором МТЗ-80 мощность, потребляемая машиной, составила от 6,3 до 9,1 кВт [7] при следующих режимах работы: рабочая скорость от 4,7 до 15,0 км/ч, доза внесения от 24,3 до 678,5 кг/га, производительность за 1 ч основного времени от 5,6 до 23,3 га/ч, часовой расход топлива от 5,2 до 7,6 кг/ч.
Рассеиватель ТРУД-1Б соответствует требованиям безопасности ГОСТ Р 53489. Машина оснащена световой
сигнализацией, что позволяет
осуществлять её транспортирование по дорогам общего пользования. По результатам испытаний рассеиватель был рекомендован к применению в сельскохозяйственном производстве.
Краткая техническая характеристика машины представлена в таблице.
Прибор используется для проверки и коррекции технологических регулировок рассеивателя, а при работе агрегата он демонтируется. Прибор представляет собой правый и левый приемники.
Краткая техническая характеристика ТРУД-1Б
Показатель Значение Показатель Значение
Ширина захвата общая, м до 30 Норма внесения, кг/га 30-680
Ширина захвата рабочая, м до 17,5 Масса конструкционная, кг 253
Рабочая скорость, км/ч до 15 Масса с удобрениями, кг 1250
Объем бункера, л 1000 Производительность, га/ч до 17
Потребляемая мощность, кВт 6-9 Погрузочная высота бункера, м 1,4
Взвешивание собранных в приемники удобрений позволяет, не выезжая в поле, определять фактическую дозу их внесения и равномерность подачи вправо и влево распределительным устройством по ширине захвата. Это дает возможность оптимизации регулировок рассеивателя,
Рисунок
Выводы. В целом можно заключить, что предложенная конструкция
рассеивателя удобрений соответствует современному уровню развития
сельскохозяйственной техники, а оригинальная конструкция его
дозирующего устройства и применение прибора проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева позволяют повысить точность
распределения удобрений по площади поля, в сравнении с действующими аналогами.
Литература
1. Бельтюков, Л.П. Оценка эффективности технологий возделывания подсолнечника в аридных условиях Ростовской области / Л.П. Бельтюков, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк, Р.Г. Бершанский, В.Г. Донцов // Вестник аграрной науки Дона. - 2013. - № 4 (24). -С. 66-72.
причем конструкция машины позволяет производить коррекцию дозы и симметричности внесения удобрений независимо друг от друга, т.е. без нарушения оптимальных предварительных параметров.
2. Хижняк, В.И. К вопросу о точном земледелии / В.И. Хижняк, Ф.В. Авраменко, П.Л. Яценко // Совершенствование технических средств в растениеводстве: межвузовский сборник научных трудов. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», 2014. - С. 112-115.
3. Несмиян, А.Ю. Эффективность машинных технологий возделывания подсолнечника на юге России / А.Ю. Несмиян, Л.П. Бельтюков, В.И. Хижняк // Сельско-хозяйственные машины и технологии. - 2014. - № 5. - С. 35-39.
4. Черноволов, В.А. Моделирование процессов распределения минеральных удобрений центробежными аппаратами: монография / В.А. Черноволов, Т.М. Ужахов. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2011. - 269 с.
5. Пат. 2492616 Российская Федерация, МПК А01С17/00. Разбрасыватель минеральных удобрений /
5 - Рассеиватель, укомплектованный прибором проверки установленной дозы удобрений и симметричности рассева
В.А. Черноволов, М.А. Таранов, В.А. Луханин, В.И. Хижняк, А.Ю. Несмиян, И.Г. Пономаренко,
Б.Н. Строгий, ВВ. Щиров, В.И. Барамыков, Ф.В. Авраменко, А.Ю. Ермолин,
Д.А. Кучеренко // Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная
агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО АЧГАА). - № 2012118727/13, заявл. 04.05.2012; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 26. -10 с.
6. Пат. 2541393 Российская Федерация, МПК A01C17/00. Разбрасыватель минеральных удобрений / А.Ю. Ермолин, В.И. Хижняк, А.Ю. Несмиян, И.Г. Пономаренко, В.В. Щиров, Ф.В. Авраменко, Д.Е. Шаповалов // Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО АЧГАА). - № 2013145471/13, заявл. 10.10.2013; опубл. 10.02.2015, Бюл. № 4. -6 с.
7. Протокол № 11-12-15 (4040012). Приемочные испытания точного рассеивателя удобрений дискового ТРУД-1Б. - Зерноград: ФГБУ «Северо-Кавказская государственная зональная машиноиспытательная станция», 2015. - 52 с.
References
1. Bel'tjukov LP., Nesmijan A.Yu., Hizhnjak V.I., Bershanskij R.G., Dontsov V.G. Otsenka jeffektivnosti tehnologij vozdelyva-nija podsolnechnika v aridnyh uslovijah Rostovskoj oblasti [Evaluation of the efficiency of sunflower cultivation technologies in the arid conditions of the Rostov region], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2013, No. 4 (24), pp. 66-72.
2. Hizhnjak V.I., Avramenko F.V., Jacenko P.L. K voprosu o tochnom zemledelii [About the matter of precision farming],
Sovershenstvovanie tehnicheskih sredstv v rastenievodstve, mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov, Zernograd, Azovo-chernomorskij inzhenernyj institut FGBOU VPO «Donskoj gosudarstvennyj agrarnyj universitet», 2014, pp. 112-115.
3. Nesmijan A.Yu., Bel'tjukov L.P., Hizhnjak V.I. Jeffektivnost' mashinnyh tehnologij vozdelyvanija podsolnechnika na juge Rossii [The efficiency of the machine technologies of sunflower cultivation in the south of Russia], Sel'skohozjajstvennye ma-shiny i tehnologii, 2014, No. 5, pp. 35-39.
4. Chernovolov V.A. Uzhahov T.M. Modelirovanie processov raspredelenija mine-ral'nyh udobrenij centrobezhnymi apparatami: monografija [Modeling of processes of distribution of fertilizers with centrifugal machines: monograph], Zernograd, FGOU VPO AChGAA, 2011, pp. 269.
5. Chernovolov V.A., Taranov M.A., Luhanin V.A., Hizhnjak V.I., Nesmijan A.Yu., Ponomarenko I.G., Strogij B.N., Shhirov V.V., Baramykov V.I., Avramenko F.V., Ermolin A.Yu., Kucherenko D.A. Pat. 2492616 Rossijskaja Federacija, MPK A01C17/00. Razbrasyvatel' mineral'nyh udobrenij [Pat. 2492616 Russian Federation, IPC A01TC17/00. The spreader of mineral fertilizers], Federal'noe gosudarstvennoe bjudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija Azovo-Chernomorskaja gosudarstvennaja agroinzhenernaja akademija» (FGBOU VPO AChGAA), No. 2012118727/13, zajavl. 04.05.2012; opubl. 20.09.2013, bjul. No. 26, p. 10.
6. Ermolin A.Yu., Hizhnjak V.I., Nesmijan A.Yu., Ponomarenko I.G., Shhirov V.V., Avramenko F.V., Shapovalov D.E. Pat. 2541393 Rossijskaja Federacija, MPK A01C17/00. Razbrasyvatel' mineral'nyh udobrenij [Pat. 2541393 Russian Federation, IPC A01T C 17/00. The spreader of mineral fertilizers], Federal'noe gosudarstvennoe bjudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija «Azovo-Chernomorskaj a gosudarstvennaja agroinzhenernaja akademija» (FGBOU VPO AChGAA), No. 2013145471/13, zajavl. 10.10.2013; opubl. 10.02.2015, bjul. No. 4, p. 6.
7. Protokol № 11-12-15 (4040012). Priemochnye ispytanija tochnogo rasseivatelja udobrenij diskovogo TRUD-1B [The acceptance of the precision disks diffuser of fertilizer TRUD-1B], Zernograd, FGBU «Severo-Kavkazskaja gosudarstvennaja zo-nal'naja mashinoispytatel'naja stancija», 2015, p. 52.
Сведения об авторах
Черноволов Василий Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры «Механизация растениеводства», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: achgaa@achgaa.ru.
Хижняк Владимир Иванович - кандидат технических наук, доцент, кафедра механизации растениеводства, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: hignyk@mail.ru.
Несмиян Андрей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Механизация растениеводства», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-904-346-83-54. E-mail: nesmiyan.andrei@yandex.ru.
Грузинов Виктор Васильевич - ведущий инженер, ФГБУ «Северо-Кавказская государственная зональная машиноиспытательная станция» (г. Зерноград, Россия). E-mail:mis1@mail.ru.
The information about the authors
Chernovolov Vasily Alexandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Plant growing mechanization department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: achgaa@achgaa.ru.
Khizhnyak Vladimir Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Plant growing mechanization department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: hignyk@mail.ru.
Nesmiyan Andrey Yurievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Plant growing mechanization department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-904-346-83-54. E-mail: nesmiyan.andrei@yandex.ru.
Gruzinov Victor Vasilievich - leading engineer, FSBI «North-Caucasian State Zonal Machine Testing Station» (Zernograd, Russia). E-mail: mis1@mail.ru.
